PL157076B1 - Uklad sterowania tranzystorów mocy zwlaszcza aparatów do elektrochirurgii PL - Google Patents

Abstract

1. Uklad sterowania tranzystorów mocy stosowanych, zwlaszcza w aparatach do ele- ktrochirurgii, pracujacych w ukladzie przeciw- sobnym i przylaczonych kolektoram i do skraj- nych konców uzwojenia pierwotnego trans- form atora wyjsciowego, którego srodek jest zasilany z jednego z biegunów zródla regulo- wanego napiecia stalego a emitery sa pola- czone poprzez rezystory do drugiego z biegu- nów tego zródla, zas do baz tranzystorów sa doprowadzone, poprzez uklad formujacy impul- sy z generatora wyzwalajacego, znamienny tym, ze pom iedzy punktem (P) sumowania potencjalów rezystorów emiterowych (RE1- RE4) tranzystorów mocy (T1-T4) polaczonych z ich em iteram i za pom oca szeregowego ukla- du dioda-rezystor (D1R1-D4R4) a wejsciem napieciowym (2) ukladu formujacego (UF) jest przylaczona petla zawierajaca szeregowo pola- czone wzmacniacz (W), detektor wartosci szczy- towej (DWS) i uklad D arlingtona (UDT). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania tranzystorów mocy, stosowanych zwłaszcza w aparatach do elektrochirurgii. Zadaniem aparatów do elektrochirurgii jest wytworzenie między elektrodami zabiegowymi napięcia wielkiej częstotliwości umożliwiającego wykonywanie zabiegów cięcia koagulacji oraz bikoagulacji. Do wytwarzania takiego napięcia stosuje się generatory połączone ze wzmacniaczami mocy bądź przetwornice mocy w. cz., których podstawowymi elementami są tranzystory mocy pracujące na pierwotne uzwojenie transformatora wyjściowego, którego uzwojenie wtórne dostarcza żądanego napięcia w. cz. do elektrod zabiegowych.

Jednym z problemów technicznych przy konstruowaniu aparatów elektrochirurgicznych jest właściwe sterowanie tranzystorów mocy, co jest trudne ze względu na zmieniające się w czasie zabiegu warunki pracy układu, wskutek zmieniającej się wartości rezystancji obciążenia. Rezystancja obciążenia jest bardzo duża przed samym dotknięciem elektrody czynnej do miejsca zabiegu, maleje podczas powstania łuku między elektrodą a ciałem pacjenta i w dalszym ciągu zmniejsza się gdy elektroda zacznie wnikać w tkankę, ponadto u różnych pacjentów bywają różne tkanki, stąd też i różnice w rezystancji. W trakcie wykonywania zabiegu i przesuwania elektrody w operowanej tkance, nawet u tego samego pacjenta, aparat elektrochirurgiczny napotyka na zmieniające się rezystancje obciążenia z powodu zmieniającej się struktury operowanej tkanki. Dlatego też firmy

157 076 3 produkujące aparaty elektrochirurgiczne w różny sposób rozwiązują zagadnienie sterowania tranzystorów mocy aparatów do elektrochirurgii.

Znany z opisu patentowego DE 3 119 735 sposób regulowania mocy wyjściowej generatora elektrochirurgicznego polega na pobieraniu sygnału proporcjonalnego do prądu wyjściowego wielkiej częstotliwości, za pomocą czujnika indukcyjnego umieszczonego na przewodzie prowadzącym ten prąd, prostowaniu go, porównywaniu w komparatorze, przetwarzaniu w integratorze i poprzez pętlę ujemnego sprężenia zwrotnego regulowaniu mocy wyjściowej generatora. Sposób ten zapobiega powstawaniu luku, między elektrodą a tkanką. W przypadku jego powstania już w bardzo wczesnym stadium moc generatora zostaje obniżona i łuk gaśnie. Sprzężenie między obwodem wyjściowym aparatu, a jego generatorem ma wadę polegającą na konieczności zapewnienia odpowiedniej izolacji między obwodami wyjściowymi, a wnętrzem aparatu, którego niektóre podzespoły muszą być połączone z napięciem sieciowym. Istnienie sprzężenia może pogorszyć taką izolację.

Inny znany z niemieckiego opisu patentowego DE 2803017 sposób regulacji mocy aparatu elektrochirurgicznego polega na tym, że pobiera się sygnał proporcjonalny do prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora wyjściowego oraz sygnał proporcjonalny do napięcia panującego na uzwojeniu pierwotnym, sygnały te mnoży się i porównuje z wartością nastawy na regulatorze mocy, a następnie wysterowuje się wzmacniacz końcowy. Układ ten jest skomplikowany i ma za zadanie utrzymanie na stałym poziomie nastawionej mocy generatora elektrochirurgicznego.

W opisie patentowym RFN 2801 833 zaprezentowany jest układ regulacji mocy generatora elektrochirurgicznego, który polega na tym, że pobiera się sygnał z okładek kondensatora włączonego w obwód prądu wyjściowego w. cz. prostuje się go, wzmacnia i porównuje z wartością żądaną, a następnie wysterowuje się generator elektrochirurgiczny. .Test to przykład pętli sprzężenia zwrotnego służącej do stabilizacji mocy oddawanej do obciążenia wokół wartości wybranej przez obsługującego aparat. Fakt pobierania sygnału z kondensatora znajdującego się w obwodzie wyjściowym pogarsza możliwość zapewnienia właściwej izolacji między obwodem wyjściowym a napięciem sieciowym, występującym w aparacie.

Znany z opisu patentowego RFN DE 3 225 222 układ formujący impulsy sterowania tranzystorów mocy pracujących w układzie przeciwsobnym na uzwojenie pierwotne transformatora wyjściowego, którego środkowy odczep jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia stałego składa się z dwóch tranzystorów o przeciwnych kierunkach przewodzenia połączonych ze sobą kolektorami, przy czym bazy są połączone poprzez rezystory z wejściami dla impulsów wyzwalających. Układy formujące według tego opisu patentowego zapewniają wysterowanie tranzystorów mocy impulsami o stałej amplitudzie. Układ formujący nie zapewnia dopasowania wysterowania tranzystorów mocy do potrzeb generatora elektrochirurgicznego. Znane sposoby i układy sterowania generatorów aparatów elektrochirurgicznych polegają głównie na ustaleniu mocy wyjściowej aparatu elektrochirurgicznego zbliżonej do wartości nastawionej przez regulującego. Nie rozwiązują one problemu właściwego wysterowania tranzystorów mocy uwzględniającego zmiany obciążenia występujące w trakcie trwania zabiegu.

Układ sterowania tranzystorów mocy według wynalazku pracujących w aparatach do elektrochirurgii, w znanym układzie przeciwsobnym i przyłączonych kolektorami do skrajnych końców uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego, którego środek jest zasilany z jednego z biegunów źródła regulowanego napięcia stałego a emitery są połączone poprzez rezystory do drugiego z biegunów tego źródła, zaś do baz tranzystorów są doprowadzone, poprzez układ formujący, impulsy z generatora wyzwalającego, charakteryzuje się tym, że pomiędzy punktem sumowania potencjałów rezystorów emiterowych tranzystorów mocy, połączonych z ich emiterami za pomocą szeregowego układu dioda-rezystor a wejściem napięciowym układu formującego jest włączona pętla zawierająca szeregowo połączone, wzmacniacz, detektor wartości szczytowej i układ Darlingtona.

Układ formujący impulsy wysterowania baz tranzystorów mocy, charakteryzuje się tym, że składa się z dwóch odwrotnie spolaryzowanych tranzystorów, zwartych ze sobą bazami i emiterami, które są połączone z bazami tranzystorów mocy poprzez szeregowo połączone rezystor i kondensator. Bazy odwrotnie spolaryzowanych tranzystorów układu formującego połączone są poprzez rezystor z koletorem trzeciego tranzystora, którego emiter jest przyłączony do masy

157 076 układu a jego baza, poprzez równolegle połączone ze sobą rezystor i kondensator, z wejściem impulsów wyzwalających z generatora. Pomiędzy kolektorem trzeciego tranzystora a kolektorem jednego z dwóch odwrotnie spolaryzowanych tranzystorów włączony jest rezystor, którego koniec zwarty z kolektorem wymienionego odwrotnie spolaryzowanego tranzystora stanowi wejście napięcia zasilającego układ formujący.

Układ według wynalazku charakteryzuje się nadto tym, że między punktem sumowania potencjałów rezystorów emiterowych, a wejściem impulsów wyzwalających układów formującego włączony jest, poprzez bramkę kluczującą, układ zabezpieczenia przeciwzwarciowego, który pomiędzy swoim wejściem, a wyjściem zawiera połączone ze sobą komparator, wzmacniacz na tranzystorze z rezystorem w bazie i w kolektorze oraz monowibrator.

Układ sterowania tranzystorów mocy aparatów do elektrochirurgii według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ sterowania tranzystorów mocy, fig. 2 - schemat elektryczny układu formującego, fig. 3 - podaje oscylogram impulsów wyzwalania baz tranzystorów mocy, wychodzących z układu formującego, a fig. 4 - szczegółową budowę układu zabezpieczenia przeciwzwarciowego.

Układ elektryczny do sterowania tranzystorów mocy zbudowany jest następująco. Każdy z rezystorów emitorowych REI - RE4 jest połączony za pomocą diody Dl - D4 szeregowo połączonej z rezystorem R1 - R4 do punktu P sumowania potencjałów. Punkt P jest połączony przez wzmacniacz W, detektor wartości szczytowej DWS i układ Darlingtona tranzystorów UDT do wejścia 2 układu formującego UF przeznaczonego dla napięcia zasilania tego układu. Przedstawiona pętla stanowi pętlę układu automatycznej regulacji wysterowania tranzystorów mocy, która powoduje, że poziom wysterowania baz tranzystorów mocy, nadąża za zmianami prądu oddawanego do obciążenia, co odpowiada zmianom napięcia na rezystorach emiterowych. Większy prąd obciążenia daje większe wysterowanie tranzystorów mocy, zaś mniejszy prąd obciążenia ich powoduje mniejsze wysterowanie. Dzięki tej pętli realizowane jest automatyczne dopasowanie wysterowania tranzystorów mocy do potrzeb aparatu elektrochirurgicznego wynikających ze zmieniającej się w trakcie prowadzenia zabiegu wartości oporności obciążenia. Wzmacniacz W w pętli jest zbudowany na dwóch tranzystorach typu pnp. Detektor wartości szczytowej DWS zbudowany jest z diody, której katoda przyłączona jest do równolegle połączonych rezystora i kondensatora. Wejście układu stanowi anoda diody, zaś wyjście jej katoda. Układ Darlingtona UDT jest klasycznym układem. Z emitera drugiego tranzystora tego układu pobierany jest sygnał, który doprowadzony do wejścia 2 układu formującego UF decyduje o wartości amplitudy impulsów wysterowania baz tranzystorów mocy Tl - T4. Układ formujący UF impulsy bazowe tranzystorów mocy zbudowany jest z trzech tranzystorów. Tranzystory T5 i T6 zwarte są ze sobą bazami i emiterami. Emitery są połączone przez rezystor R5 i kondensator Cl z wyjściem 3 układu. Bazy tranzystorów T5 i T6 są połączone przez rezystor R6 z kolektorem trzeciego tranzystora T7, którego emiter jest połączony z masą układu, a baza z wejściem 1 impulsów z generatora wyzwalającego GIW poprzez równolegle ze sobą połączone rezystor R8 i kondensator C2. Kolektor tranzystora T7 jest połączony z kolektorem tranzystora T5 za pomocą rezystora R7. Punkt wspólny rezystora R7 i kolektora tranzystora T5 stanowi wejście 2 sygnału z pętli stanowiącego dla układu formującego UF napięcie zasilania. Zastosowanie trzeciego tranzystora T7 oraz filtrów wejściowego R8 i C2 oraz wyjściowego Cl i R5 pozwoliło ukształtować impuls według oscylogramu na fig. 3. Konfiguracja układu formującego UF i otrzymany według fig. 3 kształt impulsu wysterowania tranzystorów mocy pozwalają na sprawne odprowadzenie ładunku z tranzystorów mocy T1-T4 i w związku z tym szybkie ich przyłączanie, co ma duże znaczenie przy wielkiej częstotliwości pracy tych tranzystorów.

Detektor wartości szczytowej pozwala wyróżnić sygnał proporcjonalny do maksymalnej amplitudy prądów emiterowych tranzystorów T1-T4 i utrzymać go na prawie nie zmienionym poziomie (o czasie utrzymania napięcia przez detektor decyduje wartość rezystancji jego rezystora i stosunkowo duża rezystancja wejściowa układu Darlingtona UDT) w czasie zaniku prądów w tranzystorach T1-T4 pomiędzy kolejnymi ciągami impulsów pojawiającymi się okresowo z częstotliwością 22 kHz, w przypadku zabiegów cięcia z hemostazą i koagulacji. Połączony w szereg z detektorem wartości szczytowej układ Darlingtona stanowi sterowane źródło napięciowe o małej rezystancji wyjściowej z którego zasilany jest układ formujący UF. Zastosowanie pętli pozwala na

157 076 utrzymanie na właściwym poziomie stopnia nasycenia tranzystorów w czasie ich wysterowania przebiegiem w. cz. z generatora GIW przy zmiennym obciążeniu. Optymalne dobrany stopień wysterowania tranzystorów mocy pozwala uzyskać wysoką sprawność przetwornicy. Decydują o tym małe spadki napięć kolektor-emiter w czasie nasycenia tranzystorów w początkowej fazie ich załączania, słabe nasycenie tranzystorów mocy w końcowej fazie ich załączania oraz szybkie przełączanie tranzystorów ze stanu słabego nasycenia w stan odcięcia.

Układ zabezpieczania przeciwzwarciowego UZP włączony pomiędzy punktem sumowania potencjałów P, a układem formowania impulsów UF poprzez bramkę kluczującą B jest zbudowany z komparatora K, tranzystora T10 i scalonego monowibratora UW. Jedno z wejść komparatora K jest przyłączone do dzielnika napięciowego Rll, D10 z równolegle przyłączonym kondensatorem CIO, drugie zaś wejście połączone jest z suwakiem potencjometru zasilanego z punktu sumowania potencjałów P. Wyjście komparatora jest połączone przez rezystor R12 do bazy tranzystora T10, którego emiter jest na masie układu a kolektor przez rezystor R13 jest przyłączony do napięcia zasilania. Z kolektorem tranzystora T10 jest połączone wejście monowibratora UW, którego wejście 6 jest przyłączone do jednego z wejść bramki kluczującej B, której drugie wejście otrzymuje sygnały z generatora wyzwalającego GIW.

W przypadku gdy napięcie na suwaku potencjometru RIO przekroczy wartość napięcia występującą na anodzie diody D10, komparator K, poprzez tranzystor T10 wyzwoli monowibrator UW, który z kolei zablokuje bramkę B i nie zostaną wysterowane tranzystory mocy, moc w obciążeniu spadnie, napięcie na suwaku RIO zmniejszy się, wysterowanie tranzystorów mocy T1-T4 wystąpi ponownie. Takie rozwiązanie układu zabezpieczenia przeciwzwarciowego chroni tranzystory mocy przed uszkodzeniem w przypadku zwarcia i zbyt wielkiego obciążenia.

Układ formujący UF na fig. 1 zawiera w sobie dwa układy formujące według fig. 2, jeden o wejściu 3 do wysterowania baz tranzystorów Tl i T2 a drugi o wyjściu 3' do wysterowania drugiej pary tranzystorów mocy T3 i T4.

Układ sterowania według wynalazku dzięki zastosowanej pętli zawierającej wzmacniacz, detektor wartości szczytowej i układ Darlingtona zapewnia automatyczne dopasowanie wysterowania tranzystorów mocy do aktualnie występujących podczas zabiegu rezystancji obciążenia. Fakt pobierania sygnału z rezystorów emiterowych tranzystorów mocy jest korzystny dlatego, że nie pogarsza się dzięki temu oporności izolacji między obwodem wyjściowym aparatu elektrochirurgicznego a jego wnętrzem.

UZP

Fig.3

Fig.1

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 5000 zł.

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ sterowania tranzystorów mocy stosowanych zwłaszcza w aparatach do elektrochirurgii, pracujących w układzie przeciwsobnym i przyłączonych kolektorami do skrajnych końców uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego, którego środek jest zasilany z jednego z biegunów źródła regulowanego napięcia stałego a emitery są połączone poprzez rezystory do drugiego z biegunów tego źródła, zaś do baz tranzystorów są doprowadzone, poprzez układ formujący impulsy z generatora wyzwalającego, znamienny tym, że pomiędzy punktem (P) sumowania potencjałów rezystorów emiterowych (RE1-RE4) tranzystorów mocy (T1-T4) połączonych z ich emiterami za pomocą szeregowego układu dioda-rezystor (D1R1-D4R4) a wejściem napięciowym (2) układu formującego (UF) jest przyłączona pętla zawierająca szeregowo połączone wzmacniacz (W), detektor wartości szczytowej (DWS) i układ Darlingtona (UDT).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ formujący (UF) składa się, z dwóch odwrotnie spolaryzowanych tranzystorów (T5) i (T6) zwartych ze sobą bazami i emiterami, przy czym zwarte emitery są połączone z bazami tranzystorów mocy (Tl, T2) przez szeregowo połączone rezystor (R8) i kondensator (Cl) natomiast bazy tranzystorów (T5 i T6) są połączone przez rezystor (R6) z kolektorem trzeciego tranzystora (T7), którego emiter jest przyłączony do masy układu a jego baza przez równolegle połączone rezystor (R8) i kondensator (C2) z wejściem (1) impulsów wyzwalających układu formującego (UF), zaś między kolektorami tranzystorów (T5) i (T7) włączony jest rezystor (R7) którego koniec zwarty z kolektorem tranzystora (T5) stanowi wejście (2) napięcia zasilającego układ formujący (UF).

3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że między punktem (P) sumowania napięć rezystorów emiterowych tranzystorów mocy a wejściem (1) impulsów wyzwalających układu formującego (UF) włączony jest poprzez bramkę (B) układ zabezpieczenia przeciwzwarciowego (UZP).

4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że układ zabezpieczenia przeciwzwarciowego (UZP) między swoim wejściem 5 a wyjściem (6) zawiera połączone ze sobą po kolei, komparator (K), wzmacniacz na tranzystorze (T10) z rezystorem bazowym (R12) i kolektorowym (R13) oraz monowibrator (UW).