CN201682408U - 一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源。本实用新型采用了CPLD产生的极性相反的脉冲和三极管来控制输出极性的转换，利用光电隔离器实现隔离部分和接地部分电路信号耦合，其V/I转换系数、带负载能力(包括输出电流的大小及负载电阻的大小范围)则由电路参数、输出级电源电压决定。本实用新型具有V/I转换线性、稳流特性、电气安全性和抗干扰性，除了将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形外，它产生的刺激信号对人体具有交流性，不存在直流电刺激对肌体产生的副作用，实现了市电网络与人体之间的电气隔离，保证了受刺激者的安全。本实用新型也可用于其他需要双极性周期性激励电流的场合。

Description

一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源

技术领域

本实用新型涉及电子医疗仪器的恒流源，具体涉及用于治疗脑卒中的电刺激肌体的一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源。

背景技术

脑卒中的发病率、死亡率和残疾率都很高，是人类三大死亡原因之一。近年来，脑卒中的治疗虽有许多进展，但多数药物效果仍不能令人满意。近年来国内外研究证明，电刺激体表小脑顶核部位可以改善大脑循环，其作用机理可能与脑血管的自动调节有关，而影响调节的因素可能是脑内存在一条从小脑顶核(FN)到大脑皮质的固有神经通路，主要通过脑干网状结构和纹状体到大脑的血管舒张中枢，FN受到刺激后，脑血管扩张，局部脑血流(rCBF)增加并可能与电刺激后乙酰胆碱能神经递质释放有关。利用小脑顶核刺激神经源性神经保护的原理，用电刺激体表小脑顶核部位可显著增加大脑局部血流量、改善微循环、促使大脑神经细胞电位稳定、保护神经细胞、促进神经功能的恢复。

本实用新型就是为解决将所需的电刺激波形转换为恒定的刺激电流，且将单极性输入的刺激波形转换为双极性输出的电流，通过体表电极有效的加载到小脑顶核体表部位，保证对患者的电气安全，又不会对体表皮肤产生刺痛感，使患者在舒适感觉中进行治疗。

恒流源是一种能向负载提供恒定电流的电路。由于人体阻抗差异较大，恒流源工作于不同负载时其负载调整率要非常低。传统的恒流源制作方法可以是利用二极管、三极管、集成稳压源的特性制作的参数稳流器、串联反馈调整型稳流电源、开关稳流电源的等等。参数稳流器的输出电流范围小、稳流精度不高；串联反馈调整型稳流电源的输出电流小，效率低下；开关稳流源不仅电路复杂，元器件数量多，而且输出波纹大、可靠性交叉。考虑到以上缺点，本实用新型采用了基于光电隔离和极性控制的压控恒流源电路。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于为体表电刺激器提供一种电气安全、稳流性能好、抗干扰性强、能将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形的恒流源。

本实用新型是一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，包括光电隔离电路、V/I变换电路、极性控制电路。本实用新型的光电隔离电路对市电网络与肌体进行电气隔离，对隔离部分和接地部分电路信号进行了耦合，其包括第一光电隔离器U6、第二光电隔离器U7、第三光电隔离器U8、第四光电隔离器U10、第五光电隔离器U12五个二极管-三极管 型光电隔离器。该电路采用的集成运放U12A型号为TL082，光电隔离器U12、U6、U7、U8、U10型号为TLP521-1，反相器U9A、U9B、U9E、U9F型号为74LS05，PNP三极管Q6型号为9015。本实用新型的V/I变换电路将刺激波形电压变换为电流，其包括滑动变阻器R92、分压电阻R94、分压电阻R11、集成运放U12A、第五光电隔离器U12、分压电阻R32、分压电阻R33、PNP三极管Q6和模拟受刺激者肌体电阻的负载电阻RL，负载电阻RL的两端为用于刺激肌体的两个电极。本实用新型极性控制电路通过CPLD产生的极性相反的脉冲HY1、HY2和NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4来控制输出极性的转换，将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形，所述极性控制电路包括反相器U9A、反相器U9B、反相器U9E、反相器U9F、分压电阻R23、分压电阻R24、分压电阻R26、分压电阻R27、保护电阻R28、保护电阻R29、保护电阻R30、保护电阻R31、NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4。

光电隔离器是近年来普遍采用的一种隔离器件，可实现隔离部分和接地部分电路的信号耦合或传送某些控制信号(如定标和闭锁信号等)。光电隔离器通常有二极管-三极管和二极管-二极管两种。前者为光发射器，隔离部分可把电信号转换为光信号；后者为光接收器，处于接地部分，可把光信号还原为电信号。由于光电隔离器的隔离电阻可达10¹¹Ω，以人体的分布电容仅为数pF，因此受刺激者的安全得以充分保证。本实用新型光电隔离电路对市电网络与肌体进行电气隔离，对隔离部分和接地部分电路信号进行了耦合，其包括第一光电隔离器U6、第二光电隔离器U7、第三光电隔离器U8、第四光电隔离器U10、第五光电隔离器U12五个二极管-三极管型光电隔离器，采用的集成运放U12A型号为TL082，光电隔离器U12、U6、U7、U8、U10型号为TLP521-1，反相器U9A、U9B、U9E、U9F型号为74LS05，PNP三极管Q6型号为9015。本实用新型光电隔离电路采用的是二极管-三极管形式的光电耦合器TLP521-1，输入端发光二极管和输出端光敏三极管封装在同一个管壳内，具有输出信号与输入信号在电气上完全隔离、抗干扰能力强、可靠性高和响应速度快等优点。在脉冲输出电路输出高电平时，光电耦合器发光二极管发光，光信号作用于光敏三极管使其饱和导通，输出端输出零电压，同理，在脉宽调制输出电路输出低电平时，光电耦合器发光二极管电流为零，光敏三极管截止，输出端输出正电压。

本实用新型V/I变换电路主要采用集成运放、三极管和若干电阻组成。本实用新型V/I变换电路包括滑动变阻器R92、分压电阻R94、分压电阻R11、集成运放U12A、第五光电隔离器U12、分压电阻R32、分压电阻R33、PNP三极管Q6和模拟受刺激者肌体电阻的负载电阻RL，负载电阻RL的两端为用于刺激肌体的两个电极。集成运放U12A将输入电刺激波形信号V0i转换为电流输出，在U12A的反相端加有偏置电压，用以进行零点迁移，由于电流 具有深度电流反馈，因此具有较好的恒流特性。由于该电路也采用了光电隔离器U12，因此实现了市电网络与人体的电气隔离。

本实用新型极性控制电路主要采用通过CPLD产生的极性相反的脉冲HY1、HY2和NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4来控制输出极性的转换，将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形。本实用新型极性控制电路包括反相器U9A、反相器U9B、反相器U9E、反相器U9F、分压电阻R23、分压电阻R24、分压电阻R26、分压电阻R27、保护电阻R28、保护电阻R29、保护电阻R30、保护电阻R31、NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4。本实用新型极性控制电路产生的刺激信号对肌体具有交流性，不存在直流电刺激对肌体产生的副作用。

分压电阻R11一端连接输入信号V0i，另一端分别与分压电阻R94的一端、集成运放U12A的第2端，光电隔离器U12的二极管的阳极连接；滑动电阻R92两端连接+12V直流电源和-12V直流电源，滑动电阻R92的滑动端与分压电阻R94的另一端连接；集成运放U12A的第3端接隔离部分的地，第4端连接-12V直流电源，第1端与光电隔离器U12的二极管阴极连接；光电隔离器U12的三极管的发射极接另一地，集电极与分压电阻R32的一端、三极管Q6的基极连接；分压电阻R32的另一端和分压电阻R33的一端接+50V直流电源，分压电阻R33的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与光电隔离器U6的三极管的集电极、三极管Q1的集电极、三极管Q3的集电极、光电隔离器U8的三极管的集电极连接。

反相器U9A输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R23的一端连接，分压电阻R23的另一端与光电隔离器U6的二极管的阴极连接；光电隔离器U6的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9E输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R24的一端连接，分压电阻R24的另一端与光电隔离器U7的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9F输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R26的一端连接，分压电阻R26的另一端与光电隔离器U8的二极管的阴极连接，光电隔离器U8的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9B输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R27的一端连接，分压电阻R27的另一端与光电隔离器U10的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接。

光电隔离器U6的三极管发射极与三极管Q1的基极、保护电阻R28的一端连接，保护电阻R28的另一端与光电隔离器U7的三极管的集电极、三极管Q1的发射极、三极管Q2的集电极和用于刺激人体的电极RL的一端连接；光电隔离器U7的三极管发射极与三极管Q2的 基极、保护电阻R30的一端连接，R30的另一端与数字地、与三极管Q2的发射极、三极管Q4的发射极、保护电阻R31的一端连接，保护电阻R31的另一端与三极管Q4的基极、光电隔离器U10的三极管的发射极连接；光电隔离器U8的三极管的发射极与三极管Q3的基极、保护电阻R29的一端连接，保护电阻R29的另一端与三极管Q3的发射极、三极管Q4的集电极、光电隔离器U10的三极管的集电极、用于刺激人体的电极的另一端连接。

本实用新型相比现有技术，具有如下优点：

1、本实用新型采用了光电隔离技术，实现了隔离部分和接地部分电路信号耦合，能够将市电网络与肌体之间进行电气隔离，保证受刺激者的安全，提高抗干扰能力。

2、本实用新型采用极性控制电路，将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形，通过体表电极有效的加载到小脑顶核体表部位，不会对体表皮肤产生刺痛感，使患者在舒适感觉中进行治疗。

3、本实用新型充分考虑了人体阻抗作为负载的特性、工作电压范围以及工作安全性，V/I变换电路具有良好恒流性能和较强的驱动能力，而且输出端通过负载接地，其电流稳定度、温度漂移和可靠性等技术指标，均能满足临床使用要求。

附图说明

附图：带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源电路原理图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如附图所示，一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源电路包括光电隔离电路、V/I变换电路、极性控制电路。

本实用新型电路由运放U12A，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q6，光电隔离器U12、U6、U7、U8、U10，反相器U9A、U9B、U9E、U9F和若干电阻组成，U12A起跟随器作用，它将输入信号V0i转换为电流输出。

如附图所示分压电阻R11一端连接输入信号V0i，另一端分别与分压电阻R94的一端、集成运放U12A的第2端，光电隔离器U12的二极管的阳极连接；滑动电阻R92两端连接+12V直流电源和-12V直流电源，滑动电阻R92的滑动端与分压电阻R94的另一端连接；集成运放U12A的第3端接隔离部分的地，第4端连接-12V直流电源，第1端与光电隔离器U12的二极管阴极连接；光电隔离器U12的三极管的发射极接另一地，集电极与分压电阻R32的一端、三极管Q6的基极连接；分压电阻R32的另一端和分压电阻R33的一端接+50V直流电源，分压电阻R33的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与光电隔离器U6的三 极管的集电极、三极管Q1的集电极、三极管Q3的集电极、光电隔离器U8的三极管的集电极连接。

反相器U9A输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R23的一端连接，分压电阻R23的另一端与光电隔离器U6的二极管的阴极连接；光电隔离器U6的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9E输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R24的一端连接，分压电阻R24的另一端与光电隔离器U7的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9F输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R26的一端连接，分压电阻R26的另一端与光电隔离器U8的二极管的阴极连接，光电隔离器U8的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9B输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R27的一端连接，分压电阻R27的另一端与光电隔离器U10的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接。

光电隔离器U6的三极管发射极与三极管Q1的基极、保护电阻R28的一端连接，保护电阻R28的另一端与光电隔离器U7的三极管的集电极、三极管Q1的发射极、三极管Q2的集电极和用于刺激人体的电极的一端连接；光电隔离器U7的三极管发射极与三极管Q2的基极、保护电阻R30的一端连接，R30的另一端与数字地、与三极管Q2的发射极、三极管Q4的发射极、保护电阻R31的一端连接，保护电阻R31的另一端与三极管Q4的基极、光电隔离器U10的三极管的发射极连接；光电隔离器U8的三极管的发射极与三极管Q3的基极、保护电阻R29的一端连接，保护电阻R29的另一端与三极管Q3的发射极、三极管Q4的集电极、光电隔离器U10的三极管的集电极、用于刺激人体的电极的另一端连接。

设光电耦合器U12的二极管等效阻抗为Z1，R92电位器分压为V，则输出电流和输入电压关系为：

$I_1=\frac{V_{0i}}{R_{11}}+\frac{V}{R_{94}}---\left(1\right)$

I₁经光耦耦合，在光耦U12的三极管端得到的电流为I₂，设光耦的电流转移系数为A，则 (其中B，C为常数)    (2)

所以光耦U12三极管基极电压V_1i＝DV_0i+E，(其中D，E为常数)，由三极管工作原理知三极管Q6集电极负载电阻RL的电流为： 

所以负载的电流强度I_L与负载R_L无关。

在U12A的反相端加有偏置电压，用以进行零点迁移。由于电路具有深度电流反馈，因此具有较好的恒流特性。附图中，Q1，Q2，Q3，Q4为大功率三极管，作为电流开关。Q1与Q4一组，当其导通时，使电流从左至右流过负载RL。Q2与Q3一组，当其导通时，电流从右至左流过RL。Q1、Q2、Q3、Q4的基极和光耦晶体管发射极连接，CPLD产生的脉冲HY1，HY2通过反相器驱动控制Q1，Q2，Q3，Q4的饱和和截止，其中HY1和HY2极性相反，所以当控制电压信号HY1为高电平时HY2为低电平，U6、U10工作，Q1、Q4导通，而Q2、Q3截止；当控制电压信号HY1为低电平时，HY2为高电平，U7、U8工作，Q1、Q4截止，而Q2、Q3导通。

本实用新型具有较好的V/I转换线性和稳流特性，其输出极性可由与输入控制电压信号同步的CPLD输出的信号HY1、HY2来选择，而其转换系数、带负载能力(包括输出电流的大小及负载电阻的大小范围)则由电路参数、输出级电源电压等决定。本实用新型除将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形外，也实现了市电网络与人体之间的电气隔离，保证了受刺激者的安全。本实用新型也可用于其他需要双极性周期性激励电流的场合。

Claims (5)

1.一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，其特征在于包括光电隔离电路、V/I变换电路、极性控制电路；

所述的光电隔离电路对市电网络与肌体进行电气隔离，对隔离部分和接地部分电路信号进行了耦合，其包括第一光电隔离器U6、第二光电隔离器U7、第三光电隔离器U8、第四光电隔离器U10、第五光电隔离器U12五个二极管—三极管型光电隔离器；

所述的V/I变换电路将刺激波形电压变换为电流，其包括滑动变阻器R92、分压电阻R94、分压电阻R11、集成运放U12A、第五光电隔离器U12、分压电阻R32、分压电阻R33、PNP三极管Q6和模拟受刺激者肌体电阻的负载电阻RL，负载电阻RL的两端为用于刺激肌体的两个电极；

所述的极性控制电路通过CPLD产生的极性相反的脉冲HY1、HY2和NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4来控制输出极性的转换，将单极性刺激波形电压变换为交变双极性恒流刺激波形，所述极性控制电路包括反相器U9A、反相器U9B、反相器U9E、反相器U9F、分压电阻R23、分压电阻R24、分压电阻R26、分压电阻R27、保护电阻R28、保护电阻R29、保护电阻R30、保护电阻R31、NPN三极管Q1、NPN三极管Q2、NPN三极管Q3、NPN三极管Q4。

2.根据权利要求1所述的一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，其特征在于采用的集成运放U12A型号为TL082，光电隔离器U12、U6、U7、U8、U10型号为TLP521-1，反相器U9A、U9B、U9E、U9F型号为74LS05，PNP三极管Q6型号为9015。

3.根据权利要求1所述的一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，其特征在于所述的分压电阻R11一端连接输入信号V0i，另一端分别与分压电阻R94的一端、集成运放U12A的第2端，光电隔离器U12的二极管的阳极连接；滑动电阻R92两端连接+12V直流电源和-12V直流电源，滑动电阻R92的滑动端与分压电阻R94的另一端连接；集成运放U12A的第3端接隔离部分的地，第4端连接-12V直流电源，第1端与光电隔离器U12的二极管阴极连接；光电隔离器U12的三极管的发射极接另一地，集电极与分压电阻R32的一端、三极管Q6的基极连接；分压电阻R32的另一端和分压电阻R33的一端接+50V直流电源，分压电阻R33的另一端与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与光电隔离器U6的三极管的集电极、三极管Q1的集电极、三极管Q3的集电极、光电隔离器U8的三极管的集电极连接。

4.根据权利要求1所述的一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，其特征在于所述的反相器U9A输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R23的一端连接，分压电阻R23的另一端与光电隔离器U6的二极管的阴极连接；光电隔离器U6的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9E输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R24的一端连接，分压电阻R24的另一端与光电隔离器U7的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9F输入端与CPLD输出反向极性脉冲HY2连接，输出端与分压电阻R26的一端连接，分压电阻R26的另一端与光电隔离器U8的二极管的阴极连接，光电隔离器U8的二极管的阳极与+5V直流电源连接；反相器U9B输入端与CPLD输出正向极性脉冲HY1连接，输出端与分压电阻R27的一端连接，分压电阻R27的另一端与光电隔离器U10的二极管的阴极连接，光电隔离器U7的二极管的阳极与+5V直流电源连接。

5.根据权利要求1所述的一种带光电隔离的单极性输入双极性输出压控恒流源，其特征在于所述的光电隔离器U6的三极管发射极与三极管Q1的基极、保护电阻R28的一端连接，保护电阻R28的另一端与光电隔离器U7的三极管的集电极、三极管Q1的发射极、三极管Q2的集电极和用于刺激人体的电极RL的一端连接；光电隔离器U7的三极管发射极与三极管Q2的基极、保护电阻R30的一端连接，R30的另一端与数字地、与三极管Q2的发射极、三极管Q4的发射极、保护电阻R31的一端连接，保护电阻R31的另一端与三极管Q4的基极、光电隔离器U10的三极管的发射极连接；光电隔离器U8的三极管的发射极与三极管Q3的基极、保护电阻R29的一端连接，保护电阻R29的另一端与三极管Q3的发射极、三极管Q4的集电极、光电隔离器U10的三极管的集电极、用于刺激人体的电极RL的另一端连接。

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