Прилад ампліпульс для фізіотерапії.

Прилад "Ампліпульс" рекомендується для застосування в фізіотерапевтичній практиці при проведенні процедур електрофорезу і терапії модульованими струмами НЧ.

Запропонований варіант – спрощена конструкція, виготовлена ??за характеристиками випускаються медичною промисловістю приладів "Ампліпульс-Д" і "Ампліпульс-5".

При розробці приладу враховані наступні вимоги:

– Первинна обмотка трансформатора живлення і ланцюга мережевої напруги ізольовані від корпусу і вторинних ланцюгів;

– Вихід "Пацієнт" повністю ізольований від вторинних ланцюгів, джерела живлення та корпусу приладу;

– При несправності приладу, що супроводжується підвищенням вихідного струму в ланцюгу "Пацієнт", спрацьовує блок захисту, що відключає цю ланцюг.

У приладі відсутній режим електрофорезу, однак його можна ввести, додавши в схему блок детектора, що дозволяє отримати однополярний сигнал на виході.

Структурна схема приладу приведена на рис.1. "Ампліпульс" складається з наступних блоків:

– Генератора несучої частоти (G1);

– Генератора модулирующей частоти (G2);

– Регулятора глибини модуляції (dB);

– Блоку комутації (SWT);

– Амплітудного модулятора (А1);

– Попереднього підсилювача (А2) і підсилювача потужності (A3);

– Генератора імпульсів (G3);

– Блоку захисту (на структурній схемі не показаний).

Блок комутації SWT здійснює комутацію частотозадающих ланцюгів генератора G2, вихідних сигналів генераторів G1, G2, а також вибір режиму роботи. Залежність форми вихідного сигналу від обраного режиму показана на рис.2. З виходу блоку комутації сигнали подаються на модулятор, потім на попередній і крайовий підсилювачі.

У блоці підсилювача потужності передбачений вихід для підключення модуля захисту. Генератор імпульсів G3 забезпечує комутацію ключів блоку SWT.

Схема генераторів G1, G2 і регулятора глибини модуляції (dB) представлена ??на рис.3. Генератори виконані за однотипною схемою, тому розглянемо роботу генератора G1. Генератор зібраний на ОП DA1, DA3, DA5. На DA1 зібраний задає каскад з мостом Вина, DA5 – буферний підсилювач, DA3 – стабілізатор амплітуди вихідного сигналу. Транзистор VT1 – регулюючий елемент. Напруга для управління транзистором виробляє інтегратор DA3. Його постійна часу визначається елементами R23, R28, С7, С8. Для підвищення стійкості інтегратора застосована ланцюг С8, R28. Резистор R19 і діоди VD1, VD2 утворюють випрямляч напруги сигналу. При рівності средневипрямленного значення струму, що протікає через резистор R19, і струму через резистор R23 від джерела живлення, напруга інтегратора буде постійним. Якщо амплітуда вихідного сигналу непостійна, напруга на виході інтегратора буде змінюватися до тих пір, поки амплітуда вихідного сигналу задає каскаду не стане колишньою. Амплітуда вихідного сигналу задає каскаду залежить від зразкового напруги і відносини номіналів резисторів R23, R19. При зазначених номіналах вона становить 2,2 В.

Генератор G2 відрізняється від G1 тільки тим, що елементи частотозадаючого каскаду DA2 перемикаються блоком комутації (SWT). Регулювання глибини модуляції здійснюється резистором R34.

Принципова схема блоку комутації показана на мал.4. Вибір режиму роботи здійснюється тумблерами SA1 … SA5. При включенні будь-якого тумблера рівень логічної "1" через відповідні діоди надходить на входи керування ключів DD3, адресні входи мультиплексора DD7 і на входи схем "Монтажне І" VD20 … VD23, R15, R16. Відповідний сигнал з виходів ключів DD3 подається на входи елементів DD4, включених за схемою двухвходових мультиплексора. На входи даних DD4 подаються сигнали з виходів лічильників DD2. Залежно від комбінації логічних рівнів на входах управління DD4, на її виходах присутні рівні або з виходу DD2.1, або з виходу DD2.2. Логічні рівні на виходах DD4 визначають адресу і номер відкритого каналу мультиплексорів DD5. DD6, а відповідно, і частоту вихідного сигналу генератора G2.

Мультиплексори DD5, DD6 коммутіруют двохполярні сигнали з максимальною амплітудою ± 7,5 В. Амплітуда вхідного сигналу не повинна перевищувати за величиною напруга живлення мікросхем (+ U і-U).

Мультиплексор DD7 формує керуючі сигнали для ключів DD8.3, DD8.4. Залежно від комбінації логічних рівнів на адресних входах, на виходах DD7 присутні або рівень "1", або імпульси з виходу генератора G3.

Ключі DD8.1, DD8.2. залежно від режиму роботи, коммутіруют на входи даних мультиплексора DD7 сигнали з виходів генератора G3. На діодах VD20 … VD23 і резисторах R15, R16 зібрані схеми "Монтажне І ". Вихідні сигнали схем" Монтажне І "коммутіруют ключі DD8.1, DD8.2.

На входи даних ключів DD8.3, DD8.4 надходять вихідні сигнали генераторів G1, G2. До виходів ключів підключаються входи модулятора.

Встановлення необхідних частот модуляції забезпечується лічильником DD2. Так як прилад має всього п'ять режимів роботи, використовуються три розряди лічильників. На елементах VD16 … VD19, R13, R14 зібрані схеми "Монтажне І". Після підрахунку чотирьох імпульсів, при приході п'ятого, діоди замикаються, і на вхід скидання відповідного лічильника надходить через діоди VD14 або VD15 рівень логічної Т, у результаті чого лічильники обнуляються. Ланцюги С1, R11, С2, R12 обнуляють лічильники в момент включення живлення. Вибір частот модуляції визначається кодами на виходах лічильника DD2. Зміна стану лічильника DD2 виробляють кнопками SB1, SB2, включеними через RS-тригери, що усувають брязкіт контактів кнопок.

Принципові схеми блоків А1 … A3 представлені на рис.5. Амплітудний модулятор зібраний на транзисторі VT1. Резистором R4.1 регулюють посилення каскаду і вихідний струм приладу. Попередній підсилювач виконаний на ОП DA1. Потрібний коефіцієнт посилення встановлюється резисторами R10, R11. Кінцевий каскад виконаний за двотактної трансформаторною схемою. На його вході включений каскад фазоінвертора на транзисторах VT2, VT3. У даній конструкції фазоінвертора обидва виходи мають однакову навантажувальну здатність і рівноцінні по вхідному опору, так як обидва транзистора включені за схемою емітерний повторювачів. Двотактний трансформаторний каскад вибраний з міркувань безпеки пацієнта, оскільки вихід гальванічно розв'язаний від схеми і джерела живлення. Для зменшення нелінійних спотворень у схему каскаду введені резистори R17 … R20. З їхньою допомогою на базах VT4, VT5 встановлюються напруги, приблизно рівні 0,3 В.

Переваги даної схеми перед типовий (з вхідним трансформатором), на мій погляд, наступні:

– Менша трудомісткість виготовлення;

– Можливість регулювання напруги зміщення незалежно для кожного транзистора;

– Вихід на схему захисту (з трансформатора струму Т2).

Принципова схема генератора імпульсів G3 наведена на рис.6.

На таймері DA1 зібраний генератор імпульсів, DA2 – перший одновібратор. DD2 – другий одновібратор, що запускається спадом позитивного імпульсу. Ключ DD1.1 забезпечує включення блокування таймерів DA1, DA2; DD1.2 запускає одновібратор DA2; DD1.3 формує протифазний (по відношенню до виходу DA1) сигнал; DD1.4 блокує генератор в режимі роботи "5".

У режимі 1 генератор не впливає на роботу приладу. У режимі 2 імпульси з виходу генератора DA1 (рис.6) через відкритий ключ DD8.1 (рис. 4) надходять на входи 2 мультиплексора DD7 і коммутіруют ключі DD8.3, DD8.4. У режимі 3 несуча частота проходить через ключ DD8.3, відкритий рівнем "1" через третій канал мультиплексора DD7, а частота модуляції комутується імпульсами з виходу генератора G3. У режимі 4 парафазного імпульси з виходу генератора G3 через відкриті ключі DD3 (рис.4) подаються на адресні входи мультиплексора DD4. У режимі 5 парафазного імпульси з виходу генератора через відкриті ключі DD3 коммутіруют мультиплексор DD4 блоку SWT за адресними входами. Імпульси з виходу одновібратора DA2 (рис.6) через відкритий другий канал мультиплексора DD7 (рис.4) і відкритий ключ DD8.2 коммутіруют ключі DD8.3, DD8.4 блоку SWT.

При роботі пристрою в режимах 1 … 4 ключ DD1.4 (рис.6) закритий. На вхід управління ключем DD1.1 через резистор R4 подається рівень "О", ключ знаходиться в закритому стані. На входах блокування таймерів DA1, DA2 присутній рівень "1", дозволяє їх роботу. З виходу генератора DA1 імпульси подаються на вхід управління ключа DD1.2 і, через діод VD1, на вхід управління ключа DD1.3. При комутації ключа DD1.2 на лівій {за схемою) обкладці конденсатора С3 потенціал стає рівним нулю, конденсатор заряджається. У цей момент на вході запуску одновібратора DA2 з'являється короткий імпульс негативної полярності, запускає одновібратор. На виході ключа DD1.3 формуються імпульси, протифазні по відношенню до виходу генератора DA1.

При включеному режимі 5 рівнем логічної "1" при включенні тумблера SA5 блоку SWT (рис.4) відкривається ключ DD1.4 (рис.6). У роботу включається одновібратор DA2, формуючий паузу у вихідному сигналі генератора.

За спаду позитивного імпульсу з виходу ключа DD1.3, запускається одновібратор на елементах DD2.1 … DD2.3. У початковому стані конденсатор С5 розряджений, на обох входах елемента DD2.3 і на виході DD2.2 – Рівні "1". При надходженні з виходу диференціює ланцюга короткого імпульсу негативної полярності, елемент DD2.3 вимикається, DD2.2 включається, і на його виході з'являється рівень "0". Спад напруги з виходу елемента DD2.2 через конденсатор С5 передається на вхід DD2.3 і підтримує його у вимкненому стані. Конденсатор починає заряджатися через резистор R10. Коли напруга на лівій {за схемою) обкладці С5 досягає порогу, включається елемент DD2.3. На виході елемента DD2.2 виникає фронт імпульсу, який через С5 передається на вхід DD2.3 і забезпечує перемикання обох елементів. Діод VD3 необхідний для швидкого відновлення початкового стану одновібратора. Він не потрібен, якщо використовується мікросхема з захисними діодами на вході.

Схема блоку захисту наведена на рис.7. Компаратор з регульованим гістерезисом передавальної характеристики побудований на таймері DA1. Опорна напруга Uоп, що подається на вивід 5, встановлює верхню поріг спрацьовування.

Величина гистерезиса для цієї схеми визначається так:

де R1 '- опір резистора;

R1 + верхня частина (до движка) R2;

R2 '- опір резистора;

R3 + нижня частина (від движка) R2.

Коли вхідний сигнал досягає верхнього порогу спрацьовування компаратора, тобто Uоп, на виході таймера встановлюється напруга низького рівня. Якщо після цього вхідна напруга зменшується щодо Uоп на величину Uг, на виході знову встановлюється високий рівень напруги.

Величину гістерезису, а отже, нижній поріг спрацьовування компаратора можна регулювати резистором R2. Вихідний сигнал компаратора управляє транзистором VT1. При низькому рівні напруги на його виході, VT1 відкривається, відповідно відкривається тиристор VS1, спрацьовує реле К1 і своїми нормально замкнутими контактами К1.1 відключає ланцюг "Пацієнт". Одночасно контакти К1.2 включають навантаження R7. При цьому через навантаження R7 тече струм, а ланцюг пацієнта повністю вимкнено.

Схема з'єднань блоків "Ампліпульс" показана на рис.8.

Настройка. Спочатку відбувається налаштування генераторів G1 і G2. Після перевірки правильності монтажу, движки резисторів R2, R3 (рис.3) встановлюють у верхнє (за схемою) становище. Після включення харчування обертанням движків резисторів R2 і R3 на виходах ОУ DA3, DA4 встановлюють напругу в межах 1,5 … 2,2 В. Потім слід переконатися, що на виході інтегратора DA3 – позитивне напруга, а напруга на виході DA4 при роботі на кожній з частот не стає негативним (не переходить нуль). Якщо напруга на виході ОУ DA3 або DA4 негативне, то опір введеної частини резистора R2 або R3 необхідно зменшити.

Установку частот виробляють зміною номіналів резисторів R1, R21 і R7 … R16 (попарно – R7-R12; R8-R13 і т.д.) у межах 3,3 … 51 кОм.

Змінити амплітуду вихідного сигналу можна зміною відносин номіналів резисторів R19, R23 і R26, R32.

Регулювання SWT (рис.4.) Полягає в перевірці правильності монтажу і контролі проходження керуючих імпульсів і сигналів з виходів генераторів G1, G2 на всьому "шляху прямування".

Налаштування блоків А1 … A3 (мал. 5) полягає в установці напруги сигналу, необхідного для розкачки підсилювача потужності на транзисторах VT4, VT5, і одержанні на виході "Пацієнт" напруги 30 В при струмі 30 мА на навантаженні 1 кОм. Вихідні параметри встановлюються регулюванням рівня вихідного сигналу генераторів G1, G2 і регулюванням коефіцієнта посилення каскаду на ОП DA1 за допомогою резисторів R10, R11. Нелінійні спотворення зводяться до мінімуму установкою резисторами R17 … R20 напруги зміщення на базах VT4, VT5 близько 0,3 В.

Тривалість імпульсів і пауз генератора імпульсів G3 на DA1 (рис.6) може бути в межах 1 … 2 с. Тривалість імпульсів одновібратора DA2 повинна бути рівною періоду імпульсів генератора DA1. Тривалість імпульсів одновібратора на елементах DD2 повинна становити 20 … 40% від періоду імпульсів генератора DA1.

Тривалість імпульсів генератора DA1 без діода VD4 можна розрахувати за формулами

t1 = 0,7 х (R1 + R2) х C1,

t0 = 0,7 х R2 х C1,

де t1 – тривалість імпульсу високого рівня;

t0 – тривалість імпульсу низького рівня.

Для отримання на виході сигналу типу "Меандр" у схемі застосований діод VD4. Номінали резисторів R1 і R2 в цьому випадку повинні бути рівні.

Тривалість імпульсів одновібратора DA2 визначається за формулою

tи = 1,1 х R9 х C4.

Тривалість імпульсів одновібратора на елементах DD2:

t = 0,7 х R10 х C5.

Для налаштування блоку захисту (рис.7) його вхід підключається до виходу трансформатора струму через двухполуперіодний мостовий випрямляч (мал. 5).

Резистор R4.2 (рис.7) призначений для зміни порога спрацьовування захисту і механічно пов'язаний з резистором R4.1 (мал. 5) блоку модулятора (здвоєний змінний резистор).

Напруга Uоп (рис.7) вибирається таким, щоб значення напруги на виводі 5 DA1 при будь-якому положенні движка R4 було дещо більшим напруги на виведення 6 DA1. Нижній поріг спрацьовування встановлюється резистором R2. Він повинен бути близьким до мінімального напрузі. Тоді повернення пристрою в робочий стан буде можливий лише при відключенні живлення.

Перевірка працездатності пристрою захисту може бути проведена збільшенням рівня вихідної напруги генератора G1 за допомогою резистора R33 (рис.3). При цьому блок захисту повинен спрацювати і відключити ланцюг "Пацієнт". Потім слід встановити колишній рівень вихідного сигналу, виключити прилад з мережі і знову включити його. Ланцюг "Пацієнт" повинна замкнутися. Вимірювання проводяться на еквіваленті навантаження.

Деталі. Операційні підсилювачі DA1, DA2. DA5. DA6 можна замінити на будь-які інші, не гірші за параметрами. Решта ОУ – будь-які широкого застосування. Замість ІМС К561КТ3 можна застосувати ключі на біполярних або польових транзисторах.

Моточні дані трансформаторів не наводжу в зв'язку з можливими варіантами конструктивного виконання та матеріалу сердечників. Первинна обмотка трансформатора струму Т2 звичайно має кілька десятків витків.

Робота з приладом.

1. Перед процедурою необхідно під електроди, виконані з дрібних свинцевих пластин, підкласти матерчату прокладку, змочену фізіологічним розчином (0,9% NaCl). Електроди підключити до виходів "Пацієнт".

2. Вихідний струм встановити на мінімум.

3. Включити прилад в мережу.

4. Встановити необхідну частоту (частоти) модуляції.

5. Встановити задану глибину модуляції.

6. Встановити необхідний режим (1 … 5).

7. Поступово збільшувати вихідний струм до значення, яке може витримати пацієнт. При цьому пацієнт повинен попередити про припинення подальшого збільшення струму.

8. Процедуру проводять в одному або двох (по черзі) режимах. Вплив у кожному режимі повинно бути близько 5 хвилин. При перемиканні в другій режим, необхідно попередньо вивести струм "Пацієнта" на мінімум, переключити прилад у другій режим і потім поступово збільшувати струм.

7. Поступово збільшувати вихідний струм до значення, яке може витримати пацієнт. При цьому пацієнт повинен попередити про припинення подальшого збільшення струму.

8. Процедуру проводять в одному або двох (по черзі) режимах. Вплив у кожному режимі повинно бути близько 5 хвилин. При перемиканні в другій режим, необхідно попередньо вивести струм "Пацієнта" на мінімум, переключити прилад у другій режим і потім поступово збільшувати струм.

9. Після закінчення процедури плавно вивести струм "Пацієнта" до мінімуму і вимкнути прилад.

Перед застосуванням приладу необхідно проконсультуватися з лікарем-фізіотерапевтом або пульмонологом.

При написанні статті використано матеріал «Широкосмуговий фазоінвертор – схеми, описи, довідкові матеріали».

Джерело: А. Ільїн, журнал "Радіоаматор".