呼吸机转换开关的设计与应用

摘要：从使用呼吸机病人角度出发，呼吸机在市电停电的情况下，呼吸机在一瞬间应该立即恢复供电，不然，对病人就有生命危险。呼吸机电源转换开关就是为解决这一问题而设计，此转换开关通过比较、延时自锁、延时驱动，控制呼吸机进行电源切换，提供给呼吸机正常的直流电源，保证呼吸机不间断地供电。
关键词：呼吸机；病人；电源切换；延时自锁

医用呼吸机通常使用24 V直流稳压电源，当交流电网掉电时，医用呼吸机无直流电源供给，从而造成呼吸机无法正常工作；而一般短延时的UPS电源在电网掉电时，最长提供给负载的电源，也只能保持30分钟左右，这对正在使用呼吸机的病人来说是远远不够的。而且一般的UPS电源价格较贵，病患家庭难以承受如此高昂的费用。为了解决这一问题，有必要设计一种应用于呼吸机的廉价、不间断电源。通过设计一种转换开关，当电网长时间掉电的情况下，自动转换为蓄电池供电，把蓄电池中的直流能量转换成一种能长时间不间断提供的直流稳压电源来供给呼吸机正常工作，从而达到以低廉的成本就能维持病人生命的目的。

1 总体设计
平时呼吸机由市电驱动工作，在交流电网断电时，比较器电路自动检测到断电直流压降，输出一个低电平信号，在设定的时间内，经过一级延时、自锁器、二级延时电路送给驱动器，驱动器执行开关转换动作，将呼吸机转为由电池组1供电；当电池组1长时间工作，电压降至预定值时，比较器电路检测到预定值压降，输出一个低电平信号，在设定的时间内，经过一级延时、自锁器、二级延时电路送给驱动器，驱动器执行开关转换动作，将呼吸机工作于电池1转为由电池组2供电；这样可以保证呼吸机在交流电网断电后有较长的工作时间。

这一工作方案总体设计由图1系统框图所示。它由比较器、一级延时、自锁器、二级延时、驱动器、呼吸机、市电以及电池组1和电池组2所组成。

2 元器件特性
2．1 LM339比较器
LM339由4组独立的精密电压比较器组成，具有低失调电压的特点。它特地为在较大的电压范围内单电源工作而设计，最大可在36 V直流下工作，但也可在双电源电压下工作，最大+18 V直流电源下工作。每一片LM339芯片内由4个比较器组成，每个比较器由一对同相输入端Q1和反相输入端Q4和一个输出端Q8组成；由图中可见，LM339输出是发射极接地NPN晶体管的集电极开路形式。集电极互连提供输出“或”功能。输出上拉电阻可连接任何电源电压，输出管吸入电流受有效驱动量和β的影响。达到最大限制电流(大约16 mA)，输出管要退出饱和，输出电压很快上升。

[p]
2．2 零状态响应
设电容在某瞬间t0，而在t0之前瞬间(to-)电路未加电压输入，而且自身电压处于零状态；在t0瞬间电路加上输入，由此而引起的响应定义为电路的零状态响应。因此，零状态响应是仅仅由于输入所引起的。零状态响应与输入有关。在恒定输入直流电源作用下，电路内的物理过程实质上是电容动态元件的储能从无到有的增长过程。因此，对RC电路来说，随着电容储能的增长，电容电压uc(t)也按指数规律在增长。即

其中uc(∞)为电容电压的稳态值(t=∞时的数值)，τ=RC。在t=∞时，电容相当于开路，可由此算出uc(∞)，它与输入电源有关。当uc(t)、uc(∞)、τ=RC确定时，就可以确定电容充电的时间长短。两边取对数，得


3 电路设计
3．1 比较器
图3的B1是比较器，在它的反相端4脚由电阻R2、二极管D5和发光二极管F1组成参数稳压器，在电源电压24 V时，使B1的4脚箝位在2．9 V电压，这时F1发光二极管正常发光，它有2个作用，第一个作用，起箝位电压作用，第二个起指示24 V电压正常供电的作用，其正常发光时电流为10mA左右。在B1比较器的同相端5脚由电阻R1、电位器W1和电阻R3组成串联分压器，通过调节W1，其分压范围在3．2～1．6 V范围。B1比较器的输出端2脚，由图2可知，LM339内部Q8是发射极接地NPN晶体管的集电极开路OC门形式，R4是其上拉电阻，R4接电容C1，当比较器输出高电平时，由于2脚是OC门形式，R4和C1组成串联电路，C1电容无法充电，当2脚输出低电平时，LM339内部Q8晶体管导通，R4和C1组成串联电路，C1这时开始充电。具体2脚是输出高电平还是低电平，是由B1比较器的4脚和5脚电压决定的，当5脚电压高于4脚电压，就输出高电平；当5脚电压低于4脚电压就输出低电平，完成电压比较的作用；因为B1比较器的5脚电压分压是在3．2～1．6 V范围，完全覆盖B1比较器4脚电压2．9 V，所以当5脚电压高于2．9 V，2脚就输出高电平，当5脚低于2．9 V，2脚就输出低电平，这一电平的输出，为后续的延时电路做准备。

3．2 一级延时电路
由于呼吸机在电源转换过程中，需要可靠地转换，所以需要加延时电路。在比较器B1的2脚为开路状态时，晶体三极管T1是处于截止状态的，所以C1是无法充电的，只有当比较器B1的2脚为低电平时，由C1和R4组成的串联电路，C1开始由零状态开始充电，当电容充电到0．7 V时，晶体管T1开始导通，随着C1充电电压不断地增加，通过T1射极跟随，R6上电压不断地增加，这意味着R6上的电流不断地增加，R6上的电流不断地增加，又引起风上的电压不断地增加，直到R5上的电压达到2 V电压，这个电压被F2发光二极管箝位在2 V。电容C1充电电压按公式指数曲线增长。[p]
呼吸机需要直流24 V电压供电，呼吸机在打开电源开关K1时，由于内部有滤波电容，在启动自身电源时，有一个很大的浪涌电流，造成供给电源电压降低到10 V，大概延时2 s才回到24 V稳定电压。由于电源下降到10 V，这10 V的电压，通过R1、W1、R3的分压，比较器B1的5脚在W1的上端分压得到1．334V电压，这一电压比比较器B1的4脚电压低，造成比较器B1的2脚输出低电平，启动后续C1和R4一级延时电路，根据呼吸机在启动时这一特点，所以延时时间必须大于2 s，才不至于后续电路产生误动作。
3．3 自锁电路
由于发光二极管F2导通时被箝位在2 V，此2 V电压把比较器B2的6脚、B3的10脚、B4的8脚箝位在2 V，而比较器B2的7脚、B3的11脚、B4的9脚被D6箝位在0．7 V，这说明B2、B3、B4反相端的电位都大于B2、B3、B4同相端的电位，此时，B2、B3、B4输出都同时处于导通状态。这时即使比较器B1的2脚如果处于开路状态也不影响B2、B3比较器输出的导通状态，因为C1和R4串联可以通过B2、B3导通状态对C1进行充电，C1的充电又加速R6上电压的增加，R6上的电流也跟着增加，直到T1达到导通，这一过程是一个正反馈过程，此时电路处于自锁状态，也就是说，比较器B1输入端的任何电压变化，其2脚输出变化都不会影响后续电路。
3．4 二级延时电路
一旦自锁电路处于自锁时，二级延时电路就开始延时，二级延时电路由C2和R8所组成，因为自锁时，比较器B4的14脚，处于导通状态，这给C2和R8提供了充电的回路，当C2上的电压充电到一定电压时，T2晶体管开始导通，但还不是彻底导通，因为随着C2上的电压充电，T2的发射极上的电流是随着C2上的电压增加而增加的，最后达到导通。其充电的时间，根据上面式(2)计算。
3．5 驱动器
驱动器是由电阻R10、T3中功率晶体管3DA87以及继电器J1和J2组成，当三体管T2导通时，经过3DA87进一步电流放大得到一个可以使继电器吸合的工作电流，由于J1和J2是相同型号的继电器并联，则两继电器同时被驱动，把E1和E2直流电源切换到E3和E4电源，电阻R9是为了防止三体管T2在截止状态时由于有一个穿透电流ICEC。这一穿透电流很容易被三极管3DA87放大，导致三极管3DA87导通产生误动作，为了防止这一现象，所以在T2的集电极到地之间接一个R9电阻，降低对T3的影响，穿透电流在R9上建立的电压不足以打开3DA87三极管，图3中凡的作用同R9的作用是一样的。
3．6 一级延时时间和二级延时时间计算
呼吸机正常工作时，工作电压是24 V，当下降到21 V电压时，呼吸机可能工作就不稳定，所以必须转换到E3和E4的24 V电压上。当电池E1和E2工作了很长一段时间，电压下降到21 V，就可能造成比较器B1的5脚电压小于4脚电压，启动比较器B1的2脚输出低电平。为C1和R4一级延时电路做准备，延时电路启动，引起电路自锁。
自锁器是在R5电压大于0．7 V电压时开始自锁的，当R5电压在0．7 V时，其上电流为0．7 mA，这时，R6上的2 K电阻可获得1．2 V的电压，通过T1管发射极到基极PN结0．7 V电压，在C1电容上，可得到充电电压2．1 V电压，根据式(2)一级延时时间：

驱动器是在C2充电到0．7 V电压时才开始工作的，所以二级延时时间：

从以上计算看出，干扰小于3 s，电路不会自锁，大于3秒电路会自锁，从电压降到21 V到继电器J1和J2可靠转换，需5 s时间，这样就保证了呼吸机转换开关的可靠性。
3．7 整机工作原理与电路调试
第一步：调节W1电位器，把滑动端调到最上端，接通交流220 V电压，这时D8负端获得24 V直流电压，F1发光二极管发光，指示24 V电源已经上电。接通呼吸机开关K1，呼吸机获得24 V直流电压。接着接通K开关，E1和E2串联24 V电池电压通过D3和D4被接入电路，此时，呼吸机获得的电压是由D8和D3输出来决定的，当D8输出的对地电压高于D3输出的对地电压时，D3反相偏置而截止，呼吸机获得的工作电压就由电网提供的能量来决定，反之，就由电池提供能量。
第二步：断开市电，使D8输出为0 V，此时，呼吸机由E1和E2电池提供电压24 V。
第三步：调节W1电位器滑动端到最下端，此点电压比比较器B1的4脚电压低，此时，比较器B1的2脚输出低电平，接着C1和R4延时充电，随后把T1接通，在R5上建立2V电压，此电压大于D6电压，通过比较，使B2、B3、B4输出低电平，C1和R4继续充电，此过程是一个正反馈过程，把比较器2脚锁死，即使比较器2脚变化也不会影响C1和R4继续充电。电路自锁后，通过C2和R8继续延时充电，打通晶体管T2和T3，T3驱动J1和J2线包，继电器J1和J2常闭点2和4瞬间接通J1和J2常开点1和3，把串联E3和E4电池接入电路，提供给呼吸机24 V电源。为了指示电池电压转换成功，在继电器J1的常闭开关中，接一R12和F3串联支路，当开关转换成功后，24 V加在该串联支路上，发光二极管F3发光，表示开关转换成功。
电路中D1和D2是降压二极管，因为电动摩托车4节电瓶在充满电压时，电压可达到51 V直流电压，为了在呼吸机上得到24 V的直流电压，所以要用D1和D2来进行降压。电路中K是双刀双掷开关，当开关K按下时，常开点闭合，接通电源，同时C1两端的常闭点断开，C1和R4延时充电；当开关K断开时，电源断开，C1两端被闭合，C1放电。

4 结束语
呼吸机转换开关相当于一台UPS电源，但从工作原理上又不同于UPS电源，UPS电源在电网断电时，提供的是交流220 V电压。而呼吸机转换开关在电网断电时，给负载提供的是长时间的直流电压，此电压由电动摩托车电池替代，所以呼吸机在电网断电的情况下能长时间工作。根据这一工作原理，它可用在当电网断电时，需要直流工作的任何额定电压负载，所以它有着很广泛的应用。从长期应用中，它工作稳定可靠。