Mediland無(wú)影燈控制電路分析及故障診斷案例

馬繼鵬　孔德友　鄭冉冉　吳海燕

Mediland無(wú)影燈控制電路分析及故障診斷案例

馬繼鵬①孔德友①鄭冉冉①吳海燕①

Mediland無(wú)影燈；控制電路；故障診斷

Mediland無(wú)影燈是專(zhuān)業(yè)外科手術(shù)用燈光，可以盡量降低手術(shù)中影子和色彩失真對(duì)手術(shù)過(guò)程的影響，有亮度可調(diào)、主副燈切換及故障報(bào)警功能。經(jīng)多年使用發(fā)現(xiàn)該設(shè)備故障多集中在控制電路上，對(duì)控制電路進(jìn)行板級(jí)分析，可以有效指導(dǎo)設(shè)備故障診斷與維修［1］。

1　Mediland無(wú)影燈結(jié)構(gòu)

Mediland無(wú)影燈結(jié)構(gòu)主要由電源電路、按鍵電路、控制電路和燈頭組成。其中電源電路實(shí)現(xiàn)將220 V交流電經(jīng)變壓器降壓整流后輸出24 Vdc，該電壓輸入到控制電路中；單片機(jī)在按鍵電路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的邏輯判斷，檢測(cè)無(wú)影燈狀態(tài)并輸出邏輯信號(hào)給控制電路；控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)影燈的主副燈切換，功率的控制以及采集運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)如圖1所示。

圖1　無(wú)影燈結(jié)構(gòu)圖

2　控制電路板原理分析

2.1控制板外部連接信號(hào)

無(wú)影燈控制板輸入輸出信號(hào)和電源的連接由CON1和CON2實(shí)現(xiàn)，CON1中輸入Con_MOS為驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)的原始信號(hào)，Con_RY1，Con_RY2，Con_RY3為控制繼電器開(kāi)關(guān)的原始信號(hào)，輸出Check_ State為采集的設(shè)備工作狀態(tài)的信號(hào)，VCC_5.6 V是輸入按鍵電路的電源［2-3］。模擬地和數(shù)字地之間加了電容耦合，降低互擾。CON2中M24，S24是主副燈各自線(xiàn)路，C1為主副燈的公共線(xiàn)路，VCC為輸入電源24 Vdc如圖2所示。

圖2　外部接線(xiàn)圖

2.2繼電器控制電路

無(wú)影燈具有主副2個(gè)燈泡，一個(gè)燈泡備用，規(guī)格為24 V，150 W。在手術(shù)中主燈故障時(shí)自動(dòng)切換到副燈上。RY3、RY1及RY2三個(gè)繼電器協(xié)同工作控制主副燈的亮滅。C1、C2為4700UF電解電容，起到儲(chǔ)能濾波作用，亮燈時(shí)，及時(shí)提供電流，避免產(chǎn)生較大的紋波，保證電源的穩(wěn)定［4-5］。當(dāng)打開(kāi)無(wú)影燈時(shí)，RY3閉合即對(duì)2個(gè)大電容充電，RY1閉合時(shí)，主燈亮起，當(dāng)主燈故障時(shí)，RY1斷開(kāi)，RY2閉合，副燈亮起。R6、R7及R8為繼電器的限流電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流控制［6］。C1是2個(gè)燈的公共回路端，Relay1、Relay2及Relay3接繼電器驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端如圖3、圖4所示。

圖3　繼電器控制電路圖

圖4　電源轉(zhuǎn)換和MOS控制電路圖

2.3電源轉(zhuǎn)換和MOS控制電路

IRFP150N為N溝道MOSFET，D極接在主燈副燈的回路公共端，S極接地，G極接PWM信號(hào)控制導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)整。D3二極管起保護(hù)作用，無(wú)影燈亮起時(shí)，此處方波信號(hào)幅度大，直接連接會(huì)擊穿單片機(jī)管腳，所以接穩(wěn)壓二極管使得信號(hào)幅度等于二極管反向?qū)妷?.6 V。RN-3，RN-2電阻起限制反向電流的作用［7］。Check_State是檢測(cè)信號(hào)端，當(dāng)燈亮起時(shí)，此處會(huì)檢測(cè)到一定占空比的方波信號(hào)，如果檢測(cè)不到方波信號(hào)，表明燈故障，需要切換副燈，并亮黃燈報(bào)警，如果檢測(cè)到的是高電平，表明有燈絲燒斷，如果檢測(cè)到的是低電平表明MOS一直打開(kāi)，DS極擊穿或者驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)時(shí)序邏輯如圖5所示。

圖5　MOS驅(qū)動(dòng)信號(hào)MOS_Drive和狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)時(shí)序圖

R4為功率電阻，與穩(wěn)壓二極管D1-1N4734串聯(lián)，完成24 Vdc到5.6 Vdc轉(zhuǎn)換，為按鍵板和HD74LS04提供電源，其電流輸出能力為90 mA左右，在R4上約有1.7 W的功耗［8］。IRFP150N的VGS極限電壓為±20 V，直接接24 V會(huì)損壞MOSFET，所以通過(guò)R5與穩(wěn)壓二極管D2-1N4742串聯(lián)實(shí)現(xiàn)24～12 Vdc變換后作為開(kāi)關(guān)電壓。R5上約有0.3 W的功耗（如圖6所示）。

圖6　驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路圖

2.4驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路

信號(hào)接口P3、P4及P5為單片原始信號(hào)輸出端，控制3個(gè)繼電器的信號(hào)，HD74LS04是6反相器，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)驅(qū)動(dòng)，ULN2803APG為8通道達(dá)林頓管放大驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)驅(qū)動(dòng)，輸出端連接到繼電器的輸入端。驅(qū)動(dòng)邏輯、主副燈和檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1　驅(qū)動(dòng)邏輯、主副燈和檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

在此電路板上發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，COM端作為內(nèi)置鉗位二極管負(fù)端，在驅(qū)動(dòng)感性器件開(kāi)關(guān)時(shí)，可以吸收峰值電壓，此應(yīng)連接到VCC，當(dāng)繼電器斷開(kāi)瞬間，感應(yīng)出高電壓VCC+2 V以上時(shí)，擊穿二極管，構(gòu)成回路，消耗掉峰值電壓，從而起到防止芯片HD74LS04被擊穿的問(wèn)題，在實(shí)際電路中，繼電器線(xiàn)圈未并聯(lián)外接二極管，芯片HD74LS04COM端也未連接COM端至VCC，有易發(fā)故障隱患（如圖7所示）。

圖7　單片機(jī)檢測(cè)工作流程圖

3　故障分析與排除

針對(duì)不同的故障現(xiàn)象可分析電路，將問(wèn)題集中在關(guān)鍵器件上快速解決問(wèn)題。在手術(shù)無(wú)影燈的使用中遇到故障時(shí)，開(kāi)燈后主燈亮然后滅則切換到副燈，出現(xiàn)燈亮然后又滅的現(xiàn)象，實(shí)際燈泡并未燒壞。由故障現(xiàn)象可判斷：3個(gè)繼電器未損壞，為檢測(cè)無(wú)影燈工作狀態(tài)的部分電路出現(xiàn)故障［9-10］。重點(diǎn)集中在MOSFET，穩(wěn)壓管D1和驅(qū)動(dòng)MOSFET的信號(hào)線(xiàn)路這三部分，用萬(wàn)用表檢測(cè)D1和MOSFET正常，用示波器檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)有MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，造成了MOSFET一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)為低電平狀態(tài)，最終造成了上述故障，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)R1歐姆色環(huán)電阻有裂紋，肉眼難以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致斷路，更換色環(huán)電阻后無(wú)影燈恢復(fù)正常。

4　小結(jié)

通過(guò)對(duì)控制電路原理進(jìn)行詳細(xì)的分析、介紹電路板接口電路、無(wú)影燈主副燈切換邏輯流程、功率控制以及工作狀態(tài)檢測(cè)，并針對(duì)電路原理給出了邏輯控制表和無(wú)影燈微處理器的邏輯判斷過(guò)程，能夠在設(shè)備電路維修中更充分理解電路原理，快速準(zhǔn)確的定位和排除故障。

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10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.044

1672-8270（2016）10-0147-02

R197.39

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2016-06-19

①濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處 山東 濟(jì)寧 272029

馬繼鵬，男，（1987- ），碩士，工程師。濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，從事醫(yī)療設(shè)備的維修以及醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)學(xué)傳感器的研究工作。