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醫(yī)院用電動(dòng)呼吸機(jī)
醫(yī)院用電動(dòng)呼吸機(jī)
現(xiàn)在，由冠狀病毒引起的大流行 COVID 19 正在世界范圍內(nèi)迅速傳播。冠狀病毒已經(jīng)發(fā)生突變，第二波正在世界各國蔓延。全世界有近 1.4852 億人被感染，據(jù)報(bào)道約有 313.4 萬人死于這種冠狀病毒感染?？箵?span> COVID 19 的疫苗現(xiàn)已抵達(dá)藥房。單獨(dú)接種疫苗并不能為生命提供 100% 的冠狀病毒保護(hù)。
另據(jù)報(bào)道，大多數(shù)感染冠狀病毒的人除了體溫升高外，還會(huì)出現(xiàn)呼吸急促、咳嗽等癥狀，并因呼吸困難而死亡。印度的醫(yī)院沒有足夠的氧氣瓶和呼吸機(jī)來泵送氧氣來幫助這些電暈患者呼吸。這導(dǎo)致如此多的 COVID 19 患者死亡。 雖然有 COVID 19 疫苗可用，但目前挽救新感染 COVID 19 患者生命的方法是向醫(yī)院提供氧氣瓶和低成本呼吸機(jī)。
呼吸機(jī)可用于 COVID 19 和其他呼吸困難的患者。使用個(gè)人計(jì)算機(jī)中的軟件對該電動(dòng)呼吸機(jī)的模型進(jìn)行了測試。模型仿真結(jié)果成功。該模型是使用 AC 到 AC 兼 DC 電力電子轉(zhuǎn)換器開發(fā)的，在 DC 模式下運(yùn)行。輸入是 220 V、50 Hz 交流電源。這被降低到合適的幅度（24 V，50 Hz，AC）并提供給一對在 DC 模式下運(yùn)行的 IGBT 雙向開關(guān)。功率電子轉(zhuǎn)換器的輸出端連接有用于調(diào)整施加電壓的低通濾波器和分壓器。該分壓器的輸出連接到永磁直流 (PMDC) 電機(jī)的電樞。該 PMDC 的兩種操作模式是可能的。在第一種模式下，直流電以正極性提供給電樞的一個(gè)端子，另一個(gè)負(fù)極端子接地。在指定的時(shí)間段后，施加到電樞端子的電壓極性反轉(zhuǎn)，因此 PMDC 電機(jī)開始以相反的方向旋轉(zhuǎn)。在第二種模式中，施加的直流電壓極性始終保持相同，因此 PMDC 電機(jī)僅在一個(gè)方向上運(yùn)行。齒輪系和旋轉(zhuǎn)盤通過金屬連桿和推桿連接到 PMDC 電機(jī)軸，提供曲軸運(yùn)動(dòng)，就像在蒸汽機(jī)中一樣按下和釋放塑料容器，為患者提供氧氣。這些金屬連桿和推桿的長度必須根據(jù)放置該電動(dòng)呼吸機(jī)的工作臺尺寸進(jìn)行調(diào)整，
電動(dòng)呼吸機(jī)
建議的電動(dòng)呼吸機(jī)框圖如圖 1 (A)、(B) 和 (C) 所示，其設(shè)置如圖 2 所示。參考圖 1(A)，220 V，50 Hz 交流電源給三繞組變壓器的初級。兩個(gè)次級繞組輸出電壓提供給一對IGBT雙向開關(guān)，次級繞組的另外兩端一起接地。兩個(gè)雙向開關(guān)的輸出端子連接在一起，連接到低通濾波器（RF、CF），然后連接到分壓器（RPOT）。RPOT 的可變端接 PMDC 電機(jī)的正極，負(fù)極接地。
柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖1（B）所示。這里一個(gè)可變頻率時(shí)鐘脈沖輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)四位二進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器。此計(jì)數(shù)器的指定值然后使用邏輯門對輸出進(jìn)行解碼，并將此方波脈沖輸出作為時(shí)鐘輸入提供給二分頻計(jì)數(shù)器。該除以二計(jì)數(shù)器的輸出提供給或門的一個(gè)輸入，或門的另一個(gè)輸入來自選擇器開關(guān) SSW。+5 V 電源及其使用非門的反相輸出形成 SSW 的兩個(gè)輸入。使用 SSW 選擇 +5 V 或 UDR 輸入會(huì)導(dǎo)致 OR 門的輸出 Q 保持高電平 (+5 V)，始終確保 PMDC 電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)。如果 SSW 被拋到 BDR 位置，OR 門的 Q 輸出采用高電平和低電平 (0 V)，從而導(dǎo)致 PMDC 電機(jī)的雙向或雙向運(yùn)動(dòng)?；蜷T的 Q 輸出使用非門反轉(zhuǎn)，給出 Q_BAR 輸出。這個(gè) Q 和 Q_BAR 輸出被提供給四個(gè)光隔離器，這些光隔離器形成了圖 1(A) 中一對雙向開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)。
電源單元如圖1（C）所示。此處 220 V、50 Hz 交流電源提供給降壓變壓器，該變壓器提供 9 V、50 Hz 交流輸出電壓。然后使用全波二極管橋式整流器對變壓器的次級輸出電壓進(jìn)行整流、濾波并作為輸入提供給 IC 穩(wěn)壓器 7805。 IC 穩(wěn)壓器的 +5 V 輸出形成圖 1 (B) 中數(shù)字 IC 的電源）。IC 7805 的 5 V 輸出還提供給四個(gè) DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器為圖 1（B）中的光隔離器電源提供 +15 V 的輸出。
也可以使用嵌入式微控制器開發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)器。PIC12F683 單片機(jī)原理圖、柵極驅(qū)動(dòng)連接圖和實(shí)現(xiàn) IGBT 雙向開關(guān)對柵極驅(qū)動(dòng)的流程圖如圖 1 和圖 2 所示。3(A)、3(B)和3(C)。這里參考圖3(A)，GP0、GP1和GP4用作輸出端口。端口 GP2 和 GP3 是輸入端口。10 kHz 時(shí)鐘連接到 GP2 端口，該端口形成 TOCKI 輸入。使用 OPTION 寄存器為時(shí)鐘選擇 1:256 的預(yù)分頻比。端口 GP0 提供 0.25 Hz 時(shí)鐘輸出，開啟和關(guān)閉時(shí)間相等。端口 GP1 始終輸出邏輯高電平 (+5 V)，GP4 始終輸出邏輯低電平 (0 V)。柵極驅(qū)動(dòng)連接如圖 3（B）所示。端口 GP1 和 GP4 的輸出提供給標(biāo)有 DSW1 的 SPDT 開關(guān)。GP0 端口的輸出 Q 和 SPDT DSW1 的輸出 Q 被提供給兩個(gè)輸入的 OR 門?；蜷T的輸出和使用非門的反相輸出提供給四個(gè)光隔離器，這些光隔離器形成了圖 1（A）中一對 IGBT 雙向開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)。當(dāng) DSW1 被扔到 GP1 端口時(shí)，OR 門的輸出 Q 始終為 HIGH，Q_BAR 始終為 LOW，并且 PMDC 電機(jī)僅向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng) DSW1 被扔到 GP4 端口時(shí)，Q 取 HIGH 和 LOW 值，Q_BAR 取 LOW 和 HIGH 值，時(shí)間間隔為 2 秒，由于電樞端子的電壓極性反轉(zhuǎn)，PMDC 電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)。PIC12F683 實(shí)現(xiàn)在 GP0 端口產(chǎn)生 0.25 Hz 方波的流程圖如圖 3（C）所示。為了產(chǎn)生每 2 秒的開和關(guān)延遲，預(yù)先計(jì)算的數(shù)字 (178) 上傳到 TMR0 寄存器，GP0 設(shè)置為高電平，允許 TMR0 向上計(jì)數(shù)。
圖1（A）至（C）所示的電動(dòng)呼吸機(jī)的模型如上圖4所示。在圖 4 中，分壓器 RPOT 被取消，以便在 PMDC 電機(jī)的電樞端子上施加全額定電壓。在圖 2 中，附有齒輪系、圓盤、機(jī)械連桿和推桿。盡管這會(huì)對 PMDC 電機(jī)產(chǎn)生一定的負(fù)載，但可以忽略該負(fù)載并施加零外部負(fù)載。對于 PMDC 電機(jī)的單向和雙向旋轉(zhuǎn)，圖 4 中模型的仿真是在零外部負(fù)載的情況下進(jìn)行的。這將在下一節(jié)中介紹。
仿真結(jié)果
在圖 4 中，開關(guān) DSW1 首先被置于 +5 V（邏輯 1）位置，用于 PMDC 電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)，并在電樞端子上施加額定電壓，進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 5（A）所示、（B）和（C）。開關(guān) DSW1 處于零伏（邏輯 0）位置，用于 PMDC 電機(jī)的雙向運(yùn)行，進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖 6（A）、（B）和（C）所示。
結(jié)果討論
AC 到 AC cum DC 轉(zhuǎn)換器是我的專利 [1]。從圖 5 可以看出，在電樞兩端施加額定直流電壓時(shí)，PMDC 電機(jī)的速度僅繼續(xù)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)并達(dá)到 800 RPM。無負(fù)載，穩(wěn)態(tài)電樞電流遠(yuǎn)低于額定值。從圖 6 可以看出，在電樞兩端施加額定電壓時(shí)，PMDC 電機(jī)在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，分別達(dá)到 +200 和 -200 RPM。在這兩種情況下，都必須使用比率為 1:200 或更高的減速齒輪。同樣使用分壓器 RPOT，可以從最小值開始向電機(jī)電樞施加電壓并逐漸增加，直到達(dá)到所需的速度和性能。通過齒輪系與電機(jī)軸相連的臂向前和向后移動(dòng)，推動(dòng)和釋放塑料空氣容器向患者泵送氧氣?？梢酝ㄟ^改變時(shí)鐘頻率來改變推動(dòng)和釋放塑料空氣容器的速度和持續(xù)時(shí)間。該推桿的長度、時(shí)鐘頻率、齒輪比和施加在電機(jī)電樞上的電壓只能在工作臺上進(jìn)行機(jī)械設(shè)置后才能確定。