醫院用電動(dòng)呼吸機

2021-06-09

醫院用電動(dòng)呼吸機

現在，由冠狀病毒引起的大流行 COVID 19 正在世界范圍內迅速傳播。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，據報道約有 313.4 萬(wàn)人死于這種冠狀病毒感染?？箵?span> COVID 19 的疫苗現已抵達藥房。單獨接種疫苗并不能為生命提供 100% 的冠狀病毒保護。

另?yè)蟮?，大多數感染冠狀病毒的人除了體溫升高外，還會(huì )出現呼吸急促、咳嗽等癥狀，并因呼吸困難而死亡。印度的醫院沒(méi)有足夠的氧氣瓶和呼吸機來(lái)泵送氧氣來(lái)幫助這些電暈患者呼吸。這導致如此多的 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院提供氧氣瓶和低成本呼吸機。

呼吸機可用于 COVID 19 和其他呼吸困難的患者。使用個(gè)人計算機中的軟件對該電動(dòng)呼吸機的模型進(jìn)行了測試。模型仿真結果成功。該模型是使用 AC 到 AC 兼 DC 電力電子轉換器開(kāi)發(fā)的，在 DC 模式下運行。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 模式下運行的 IGBT 雙向開(kāi)關(guān)。功率電子轉換器的輸出端連接有用于調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，因此 PMDC 電機開(kāi)始以相反的方向旋轉。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 電機僅在一個(gè)方向上運行。齒輪系和旋轉盤(pán)通過(guò)金屬連桿和推桿連接到 PMDC 電機軸，提供曲軸運動(dòng)，就像在蒸汽機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(cháng)度必須根據放置該電動(dòng)呼吸機的工作臺尺寸進(jìn)行調整，

電動(dòng)呼吸機

建議的電動(dòng)呼吸機框圖如圖 1 (A)、(B) 和 (C) 所示，其設置如圖 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(kāi)關(guān)，次級繞組的另外兩端一起接地。兩個(gè)雙向開(kāi)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 電機的正極，負極接地。

柵極驅動(dòng)電路如圖1（B）所示。這里一個(gè)可變頻率時(shí)鐘脈沖輸出驅動(dòng)一個(gè)四位二進(jìn)制遞增計數器。此計數器的指定值然后使用邏輯門(mén)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數器。該除以二計數器的輸出提供給或門(mén)的一個(gè)輸入，或門(mén)的另一個(gè)輸入來(lái)自選擇器開(kāi)關(guān) SSW。+5 V 電源及其使用非門(mén)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 )導致 OR 門(mén)的輸出 Q 保持高電平 (+5 V)，始終確保 PMDC 電機的單向旋轉。如果 SSW 被拋到 BDR 位置，OR 門(mén)的 Q 輸出采用高電平和低電平 (0 V)，從而導致 PMDC 電機的雙向或雙向運動(dòng)?；蜷T(mén)的 Q 輸出使用非門(mén)反轉，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(kāi)關(guān)的柵極驅動(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 穩壓器 7805。 IC 穩壓器的 +5 V 輸出形成圖 1 (B) 中數字 IC 的電源）。IC 7805 的 5 V 輸出還提供給四個(gè) DC 到 DC 轉換器，每個(gè)轉換器為圖 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(kāi)發(fā)柵極驅動(dòng)器。PIC12F683 單片機原理圖、柵極驅動(dòng)連接圖和實(shí)現 IGBT 雙向開(kāi)關(guān)對柵極驅動(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 的預分頻比。端口 GP0 提供 0.25 Hz 時(shí)鐘輸出，開(kāi)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)。柵極驅動(dòng)連接如圖 3（B）所示。端口 GP1 和 GP4 的輸出提供給標有 DSW1 的 SPDT 開(kāi)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(mén)?；蜷T(mén)的輸出和使用非門(mén)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(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)。當 DSW1 被扔到 GP1 端口時(shí)，OR 門(mén)的輸出 Q 始終為 HIGH，Q_BAR 始終為 LOW，并且 PMDC 電機僅向一個(gè)方向旋轉。當 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，PMDC 電機雙向旋轉。PIC12F683 實(shí)現在 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(kāi)和關(guān)延遲，預先計算的數字 (178) 上傳到 TMR0 寄存器，GP0 設置為高電平，允許 TMR0 向上計數。

圖1（A）至（C）所示的電動(dòng)呼吸機的模型如上圖4所示。在圖 4 中，分壓器 RPOT 被取消，以便在 PMDC 電機的電樞端子上施加全額定電壓。在圖 2 中，附有齒輪系、圓盤(pán)、機械連桿和推桿。盡管這會(huì )對 PMDC 電機產(chǎn)生一定的負載，但可以忽略該負載并施加零外部負載。對于 PMDC 電機的單向和雙向旋轉，圖 4 中模型的仿真是在零外部負載的情況下進(jìn)行的。這將在下一節中介紹。

仿真結果

在圖 4 中，開(kāi)關(guān) DSW1 首先被置于 +5 V（邏輯 1）位置，用于 PMDC 電機的單向旋轉，并在電樞端子上施加額定電壓，進(jìn)行仿真，結果如圖 5（A）所示、（B）和（C）。開(kāi)關(guān) DSW1 處于零伏（邏輯 0）位置，用于 PMDC 電機的雙向運行，進(jìn)行了仿真，結果如圖 6（A）、（B）和（C）所示。

結果討論

AC 到 AC cum DC 轉換器是我的專(zhuān)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 電機的速度僅繼續向一個(gè)方向旋轉并達到 800 RPM。無(wú)負載，穩態(tài)電樞電流遠低于額定值。從圖 6 可以看出，在電樞兩端施加額定電壓時(shí)，PMDC 電機在兩個(gè)方向上旋轉，分別達到 +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(kāi)始向電機電樞施加電壓并逐漸增加，直到達到所需的速度和性能。通過(guò)齒輪系與電機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^(guò)改變時(shí)鐘頻率來(lái)改變推動(dòng)和釋放塑料空氣容器的速度和持續時(shí)間。該推桿的長(cháng)度、時(shí)鐘頻率、齒輪比和施加在電機電樞上的電壓只能在工作臺上進(jìn)行機械設置后才能確定。