醫院用電動呼吸機

2021-06-09

醫院用電動呼吸機

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。冠狀病毒已經發生突變，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 萬人死于這種冠狀病毒感染。抗擊 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。

另據報道，大多數感染冠狀病毒的人除了體溫升高外，還會出現呼吸急促、咳嗽等癥狀，并因呼吸困難而死亡。印度的醫院沒有足夠的氧氣瓶和呼吸機來泵送氧氣來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。使用個人計算機中的軟件對該電動呼吸機的模型進行了測試。模型仿真結果成功。該模型是使用 AC 到 AC 兼 DC 電力電子轉換器開發的，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 雙向開關。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端子，另一個負極端子接地。在指定的時間段后，施加到電樞端子的電壓極性反轉，因此 PMDC 電機開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 電機僅在一個方向上運行。齒輪系和旋轉盤通過金屬連桿和推桿連接到 PMDC 電機軸，提供曲軸運動，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度必須根據放置該電動呼吸機的工作臺尺寸進行調整，

電動呼吸機

建議的電動呼吸機框圖如圖 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。兩個次級繞組輸出電壓提供給一對IGBT雙向開關，次級繞組的另外兩端一起接地。兩個雙向開關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。

柵極驅動電路如圖1（B）所示。這里一個可變頻率時鐘脈沖輸出驅動一個四位二進制遞增計數器。此計數器的指定值然后使用邏輯門對輸出進行解碼，并將此方波脈沖輸出作為時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的一個輸入，或門的另一個輸入來自選擇器開關 SSW。+5 V 電源及其使用非門的反相輸出形成 SSW 的兩個輸入。使用 SSW 選擇 +5 V 或 UDR 輸入會導致 OR 門的輸出 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?；蜷T的 Q 輸出使用非門反轉，給出 Q_BAR 輸出。這個 Q 和 Q_BAR 輸出被提供給四個光隔離器，這些光隔離器形成了圖 1(A) 中一對雙向開關的柵極驅動。

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 DC 到 DC 轉換器，每個轉換器為圖 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發柵極驅動器。PIC12F683 單片機原理圖、柵極驅動連接圖和實現 IGBT 雙向開關對柵極驅動的流程圖如圖 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 時鐘連接到 GP2 端口，該端口形成 TOCKI 輸入。使用 OPTION 寄存器為時鐘選擇 1:256 的預分頻比。端口 GP0 提供 0.25 Hz 時鐘輸出，開啟和關閉時間相等。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 開關。GP0 端口的輸出 Q 和 SPDT DSW1 的輸出 Q 被提供給兩個輸入的 OR 門。或門的輸出和使用非門的反相輸出提供給四個光隔離器，這些光隔離器形成了圖 1（A）中一對 IGBT 雙向開關的柵極驅動。當 DSW1 被扔到 GP1 端口時，OR 門的輸出 Q 始終為 HIGH，Q_BAR 始終為 LOW，并且 PMDC 電機僅向一個方向旋轉。當 DSW1 被扔到 GP4 端口時，Q 取 HIGH 和 LOW 值，Q_BAR 取 LOW 和 HIGH 值，時間間隔為 2 秒，由于電樞端子的電壓極性反轉，PMDC 電機雙向旋轉。PIC12F683 實現在 GP0 端口產生 0.25 Hz 方波的流程圖如圖 3（C）所示。為了產生每 2 秒的開和關延遲，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、機械連桿和推桿。盡管這會對 PMDC 電機產生一定的負載，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行的。這將在下一節中介紹。

仿真結果

在圖 4 中，開關 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，進行仿真，結果如圖 5（A）所示、（B）和（C）。開關 DSW1 處于零伏（邏輯 0）位置，用于 PMDC 電機的雙向運行，進行了仿真，結果如圖 6（A）、（B）和（C）所示。

結果討論

AC 到 AC cum DC 轉換器是我的專利 [1]。從圖 5 可以看出，在電樞兩端施加額定直流電壓時，PMDC 電機的速度僅繼續向一個方向旋轉并達到 800 RPM。無負載，穩態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，PMDC 電機在兩個方向上旋轉，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。通過齒輪系與電機軸相連的臂向前和向后移動，推動和釋放塑料空氣容器向患者泵送氧氣?？梢酝ㄟ^改變時鐘頻率來改變推動和釋放塑料空氣容器的速度和持續時間。該推桿的長度、時鐘頻率、齒輪比和施加在電機電樞上的電壓只能在工作臺上進行機械設置后才能確定。