Autor: Andrew Bryars, Senior Product Manager de XP Power
En las aplicaciones médicas, la elección de la fuente de alimentación no solo es primordial para la funcionalidad del dispositivo sino también para la seguridad del paciente. Este artículo expone una serie de factores que se deben tener en cuenta, desde los requisitos fundamentales para las especificaciones de tensión y corriente hasta aspectos más sutiles como los patrones de uso diario.
Voltios, amperios y eficiencia
Si bien es importante asegurar que las especificaciones de tensión y corriente se ajustan a las necesidades de cada aplicación médica, hay prestar atención al rango de la tensión de entrada cuyo límite inferior viene determinado por la categoría para equipos con equipos de soporte vital que deben funcionar a partir de una tensión mínima de 80VCA, mientras que los equipos no destinados a soporte vital funcionan a partir de 85VCA.
Las iteraciones en el diseño de un equipo permiten que los productos sean cada vez más pequeños y portátiles; de ahí que aumente la demanda de fuentes de alimentación más pequeñas. No obstante, la reducción del tamaño conlleva dificultades para los diseñadores de fuentes de alimentación ya que la eficiencia no debe verse comprometida. Cuando esto sucede resulta más complicado eliminar el calor residual de manera efectiva en un volumen reducido sin mover aire.
El carácter crítico de los equipos médicos y de su función prevista subraya la importancia de la inmunidad frente a EMI y las emisiones. Las emisiones de la fuente de alimentación no deben interferir con otras partes del circuito, especialmente con los circuitos de control. Del mismo modo, el estado del funcionamiento de la fuente de alimentación no debería verse afectado por ningún ruido eléctrico generado en la aplicación. Los diseñadores también deberían cerciorarse de que el ruido y el rizado de salida son lo bastante bajos como para que no afecten a la circuitería sensible ya que se podrían generar disparos o lecturas falsas.
Opciones de refrigeración y cuestiones sobre el ruido
Desde un punto de vista mecánico es primordial gestionar la vía de disipación térmica. Muchos ingenieros reconocen que la vida útil de un condensador electrolítico es un factor fundamental para la fiabilidad de una fuente de alimentación debido a que los cambios en las propiedades del electrolito afectan a su valor ante los efectos del calor. La vida útil del diseño puede variar notablemente dependiendo de la calidad del condensador electrolítico. Por norma general, la vida útil de un condensador electrolítico se duplica por cada 10°C de disminución de la temperatura de funcionamiento; por ejemplo, un condensador electrolítico cuya vida útil sea de 20.000 horas a 105°C tendría una vida útil de 40.000 horas a 95°C y de 80.000 horas a 85°C, que equivale a más de 9 años de uso continuo.
Es posible que los ingenieros especializados en equipos médicos deseen sobredimensionar la fuente de alimentación para que no funcione a su máxima potencia y por tanto mejore la fiabilidad. Cuando se diseña un equipo totalmente cerrado, la elección de una fuente de alimentación de alta eficiencia minimizará el calor residual pero de todos modos se ha de extraer de la carcasa. Por tanto, los diseñadores deben evaluar las opciones de refrigeración para minimizar el aumento del calor percibido por los condensadores electrolíticos.
En las fuentes de alimentación refrigeradas de manera forzada, el flujo de aire es suministrado por el ventilador incorporado, que por su propia naturaleza genera un ruido audible. Sin embargo, un ruido excesivo en hospitales y clínicas provocado por varios equipos puede resultar molesto para los pacientes y en un entorno silencioso como el de las habitaciones puede ser especialmente irritante. En los laboratorios donde se realizan pruebas y análisis médicos mediante microscopios automatizados, centrifugadoras y otros equipos de sobremesa, la exposición del operario a lo largo del tiempo puede provocar fatiga y otras lesiones relacionadas con el estrés.
La segunda opción de refrigeración es la refrigeración por convección. Al igual que en las fuentes de alimentación basadas en ventiladores, es necesario añadir orificios de ventilación al equipo para que pueda salir el calor. Dependiendo del tipo de equipo médico y de su entorno operativo, es posible que no sea aconsejable practicar los orificios ya que disminuyen el nivel de estanqueidad y dificulta al personal del hospital la desinfección y la limpieza del equipo; se consideran mejores las superficies fáciles de limpiar exentas de ventilación. Un mecanismo térmico alternativo consiste en la refrigeración por conducción, la cual permite obtener diseños completamente estancos.
Normas de seguridad médica y dispositivos aplicados
En función del lugar en el que se ubique el equipo y de su finalidad, es posible que ni siquiera en un hospital sea necesario recurrir a fuentes de alimentación que cumplan la normativa médica. Por ejemplo, si el equipo está a más de dos metros de distancia del paciente se puede utilizar una fuente de alimentación convencional para ITE. En cambio, si la salida de CC de la fuente de alimentación está conectada a un dispositivo aplicado que está en contacto con el paciente, la fuente de alimentación debe cumplir la norma 60601-1.
Figura 1. Las camas de los hospitales generalmente requieren fuentes de alimentación de grado médico que cumplan la norma IEC 60601-1 con el fin de impedir que pacientes y trabajadores sanitarios sufran descargas eléctricas.
Los dispositivos aplicados se pueden clasificar en tres tipos: Tipo B, BF y CF. El Tipo B (cuerpo) corresponde a un dispositivo aplicado que no esté unido eléctricamente al paciente y puede estar conectado a tierra. Entre los equipos de Tipo B se encuentran camas de hospitales, luces de quirófanos y escáneres de resonancia magnética. Los dispositivos de Tipo BF (cuerpo flotante), como ultrasonidos, incubadoras y medidores de presión arterial, se conectan de forma directa al paciente a través de sensores. Los equipos quirúrgicos son de Tipo CF (cardíaco flotante), que es el más exigente ya que se conectan eléctricamente al corazón o el flujo sanguíneo del paciente.
Figura 2. La serie CCP550 es ideal para aplicaciones sin ventilador cuando factores como la estanqueidad, el ruido, la fiabilidad o la vida útil desaconsejen el uso de ventiladores para la refrigeración.
Es preciso destacar que no se puede certificar una fuente de alimentación incorporada a un equipo como BF ya que únicamente el equipo final puede obtener tal certificación de seguridad. No obstante, el fabricante de la fuente de alimentación puede diseñarla para que sea adecuada para aplicaciones BF. La conexión entre salida y tierra debe ser 1xMOPP (MOOP alude al medio de protección del paciente) para proporcionar aislamiento básico, mientras que la corriente máxima de fuga debe ser inferior a 100µA. Si la fuente de alimentación cumple estos requisitos de seguridad, se puede utilizar en aplicaciones de Tipo BF y en aplicaciones médicas no conectadas a pacientes.
En el dispositivo aplicado existe a menudo un convertidor CC/CC separado que también puede tener aislamiento 1xMOPP entre entrada y salida. Si la fuente de alimentación es 2xMOPP es posible que, dependiendo de la aplicación, no necesite el convertidor CC/CC; en la práctica, muchas aplicaciones presentan unos requisitos de aislamiento que exigen la mayor protección proporcionada por los convertidores CC/CC certificados para entornos médicos. En aplicaciones con varios dispositivos aplicados de Tipo BF, puede que resulte más sencillo recurrir a varios convertidores CC/CC con aislamiento 1xMOPP.
Potencia máxima
La potencia máxima de una fuente de alimentación se ve limitada por varios factores. El primero es si el diseño puede proporcionar otra salida y el segundo factor es la temperatura de los componentes, que puede aumentar hasta provocar un fallo. Por tanto, sea cual sea la potencia máxima escogida, debe estar dentro del rango térmico de los componentes. Otro factor a tener en cuenta es dónde se establezca la limitación de la corriente. Normalmente se desea establecer una limitación estricta de la corriente pero una fuente de alimentación que permite picos de carga necesitará un rango de ajuste mucho más amplio o un circuito de protección con retardo.
La tensión de salida puede disminuir con la potencia máxima, pero debe permanecer dentro de su tolerancia especificada. En ciertas aplicaciones, como el control de un motor de CC para ajustar la altura de una silla de dentista, es improbable que se necesite esa potencia máxima a menudo, sino en cortas ráfagas. Bajo tales circunstancias, puede que como diseñador del equipo disponga del margen suficiente como para escoger una fuente de alimentación con una potencia nominal algo más baja. Por ejemplo, es posible que pueda utilizar una fuente de alimentación con una potencia nominal de 400W en una aplicación de este tipo que requiera una potencia máxima de 550W a 600W, pero solo si la limitación de la corriente se ha establecido adecuadamente y los componentes, como los condensadores electrolíticos, se hallan dentro del rango térmico de dicha potencia máxima.
Conclusión
Los diseñadores necesitan una solución de alimentación de tipo comercial que pueda ser implementada y verificada con éxito por los reguladores. Una fuente de alimentación que incorpore las especificaciones y las funciones requeridas por las aplicaciones en los dispositivos médicos minimizará también los costes de desarrollo y el tiempo de certificación. Una fuente de alimentación de bajo perfil, pequeño tamaño, alta eficiencia y alta densidad, refrigerada por conducción o convección y certificada para EMC y seguridad para aplicaciones sanitarias en todo el mundo, como la CCP550 de XP Power, es una opción atractiva.
La ficha técnica proporciona curvas de vida útil basadas en la temperatura media de funcionamiento de los principales condensadores electrolíticos. Estos datos se pueden utilizar para evaluar la vida útil del producto cuando se instala en una determinada aplicación dependiendo de las temperaturas de los componentes del equipo, su uso diario y el perfil térmico en su entorno de refrigeración.
