呼吸機轉換開關的設計與應用

歐陽敏玲，封興磊，聶 征

（1.南華大學 數理學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；3.南華大學 機械學院，湖南 衡陽 421001）

醫用呼吸機通常使用24 V直流穩壓電源，當交流電網掉電時，醫用呼吸機無直流電源供給，從而造成呼吸機無法正常工作；而一般短延時的UPS電源[1]在電網掉電時，最長提供給負載的電源，也只能保持30分鐘左右，這對正在使用呼吸機的病人來說是遠遠不夠的。而且一般的UPS電源價格較貴，病患家庭難以承受如此高昂的費用。為了解決這一問題，有必要設計一種應用于呼吸機的廉價、不間斷電源。 通過設計一種轉換開關，當電網長時間掉電的情況下，自動轉換為蓄電池供電，把蓄電池中的直流能量轉換成一種能長時間不間斷提供的直流穩壓電源來供給呼吸機正常工作，從而達到以低廉的成本就能維持病人生命的目的。

1 總體設計

平時呼吸機由市電驅動工作，在交流電網斷電時，比較器電路自動檢測到斷電直流壓降，輸出一個低電平信號，在設定的時間內，經過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅動器，驅動器執行開關轉換動作，將呼吸機轉為由電池組1供電；當電池組1長時間工作，電壓降至預定值時，比較器電路檢測到預定值壓降，輸出一個低電平信號，在設定的時間內，經過一級延時、自鎖器、二級延時電路送給驅動器，驅動器執行開關轉換動作，將呼吸機工作于電池1轉為由電池組2供電；這樣可以保證呼吸機在交流電網斷電后有較長的工作時間。

這一工作方案總體設計由圖1系統框圖所示。它由比較器、一級延時、自鎖器、二級延時、驅動器、呼吸機、市電以及電池組1和電池組2所組成。

圖1 呼吸機轉換開關系統框圖Fig.1 Breathing machine change-over switch system block diagram

2 元器件特性

2.1 LM339比較器

LM339[2]由4組獨立的精密電壓比較器組成，具有低失調電壓的特點。它特地為在較大的電壓范圍內單電源工作而設計，最大可在36 V直流下工作，但也可在雙電源電壓下工作，最大±18 V直流電源下工作。每一片LM339芯片內由4個比較器組成，每個比較器由一對同相輸入端Q1和反相輸入端Q4和一個輸出端Q8組成；由圖中可見，LM339輸出是發射極接地NPN晶體管的集電極開路形式。集電極互連提供輸出“或”功能。輸出上拉電阻可連接任何電源電壓，輸出管吸入電流受有效驅動量和β的影響。達到最大限制電流（大約16 mA），輸出管要退出飽和，輸出電壓很快上升。

圖2 LM339內部電路結構Fig.2 Application of LM339 internal circuit structure

2.2 零狀態響應

設電容在某瞬間t0，而在t0之前瞬間（t0-）電路未加電壓輸入，而且自身電壓處于零狀態；在t0瞬間電路加上輸入，由此而引起的響應定義為電路的零狀態響應[3]。因此，零狀態響應是僅僅由于輸入所引起的。零狀態響應與輸入有關。在恒定輸入直流電源作用下，電路內的物理過程實質上是電容動態元件的儲能從無到有的增長過程。因此，對RC電路來說，隨著電容儲能的增長，電容電壓uc（t）也按指數規律在增長。即

其中 uc（∞）為電容電壓的穩態值（t=∞ 時的數值），τ=RC。在t=∞時，電容相當于開路，可由此算出uc（∞），它與輸入電源有關。 當 uc（t）、uc（∞）、τ=RC 確定時，就可以確定電容充電的時間長短。兩邊取對數，得

3 電路設計

3.1 比較器

圖3的B1是比較器，在它的反相端4腳由電阻R2、二極管D5和發光二極管F1組成參數穩壓器[4]，在電源電壓24 V時，使B1的4腳箝位在2.9 V電壓，這時F1發光二極管正常發光，它有2個作用，第一個作用，起箝位電壓作用，第二個起指示24 V電壓正常供電的作用，其正常發光時電流為10 mA左右。在B1比較器的同相端5腳由電阻R1、電位器W1和電阻R3組成串聯分壓器，通過調節W1，其分壓范圍在3.2～1.6 V范圍。B1比較器的輸出端2腳，由圖 2可知，LM339內部Q8是發射極接地NPN晶體管的集電極開路OC門[5]形式，R4是其上拉電阻，R4接電容C1，當比較器輸出高電平時，由于2腳是OC門形式，R4和C1組成串聯電路，C1電容無法充電，當2腳輸出低電平時，LM339內部Q8晶體管導通，R4和C1組成串聯電路，C1這時開始充電。具體2腳是輸出高電平還是低電平，是由B1比較器的4腳和5腳電壓決定的，當5腳電壓高于4腳電壓，就輸出高電平；當5腳電壓低于4腳電壓就輸出低電平，完成電壓比較的作用；因為B1比較器的5腳電壓分壓是在3.2～1.6 V范圍，完全覆蓋B1比較器4腳電壓2.9 V，所以當5腳電壓高于2.9 V，2腳就輸出高電平，當5腳低于2.9 V，2腳就輸出低電平，這一電平的輸出，為后續的延時電路做準備。

3.2 一級延時電路

由于呼吸機在電源轉換過程中，需要可靠地轉換，所以需要加延時電路。在比較器B1的2腳為開路狀態時，晶體三極管T1是處于截止狀態的，所以C1是無法充電的，只有當比較器B1的2腳為低電平時，由C1和R4組成的串聯電路，C1開始由零狀態開始充電，當電容充電到0.7 V時，晶體管T1開始導通，隨著C1充電電壓不斷地增加，通過T1射極跟隨，R6上電壓不斷地增加，這意味著R6上的電流不斷地增加，R6上的電流不斷地增加，又引起R5上的電壓不斷地增加，直到R5上的電壓達到2 V電壓，這個電壓被F2發光二極管箝位在 2 V。 電容 C1充電電壓按 uc（t）=uc（∞）[1]公式指數曲線增長。

呼吸機需要直流24 V電壓供電，呼吸機在打開電源開關K1時，由于內部有濾波電容，在啟動自身電源時，有一個很大的浪涌電流，造成供給電源電壓降低到10 V，大概延時2 s才回到24 V穩定電壓。由于電源下降到10 V，這10 V的電壓，通過 R1、W1、R3的分壓，比較器 B1的 5腳在 W1的上端分壓得到1.334 V電壓，這一電壓比比較器B1的4腳電壓低，造成比較器B1的2腳輸出低電平，啟動后續C1和R4一級延時電路，根據呼吸機在啟動時這一特點，所以延時時間必須大于2 s，才不至于后續電路產生誤動作。

3.3 自鎖電路

由于發光二極管F2導通時被箝位在2 V，此2 V電壓把比較器B2的 6腳、B3的 10腳、B4的8腳箝位在 2 V，而比較器 B2的 7腳、B3的 11腳、B4的 9腳被 D6箝位在0.7 V， 這說明 B2、B3、B4 反相端的電位都大于 B2、B3、B4同相端的電位，此時，B2、B3、B4輸出都同時處于導通狀態。這時即使比較器B1的2腳如果處于開路狀態也不影響B2、B3比較器輸出的導通狀態，因為C1和R4串聯可以通過B2、B3導通狀態對C1進行充電，C1的充電又加速R6上電壓的增加，R6上的電流也跟著增加，直到T1達到導通，這一過程是一個正反饋過程，此時電路處于自鎖狀態，也就是說，比較器B1輸入端的任何電壓變化，其2腳輸出變化都不會影響后續電路。

3.4 二級延時電路

一旦自鎖電路處于自鎖時，二級延時電路就開始延時，二級延時電路由C2和R8所組成，因為自鎖時，比較器B4的14腳，處于導通狀態，這給C2和R8提供了充電的回路，當C2上的電壓充電到一定電壓時，T2晶體管開始導通，但還不是徹底導通，因為隨著C2上的電壓充電，T2的發射極上的電流是隨著C2上的電壓增加而增加的，最后達到導通。其充電的時間，根據上面式（2）計算。

3.5 驅動器

驅動器是由電阻R10、T3中功率晶體管3DA87以及繼電器J1和J2組成，當三體管T2導通時，經過3DA87進一步電流放大得到一個可以使繼電器吸合的工作電流，由于J1和J2是相同型號的繼電器并聯，則兩繼電器同時被驅動，把E1和E2直流電源切換到E3和E4電源，電阻R9是為了防止三體管T2在截止狀態時由于有一個穿透電流[6]ICEC。這一穿透電流很容易被三極管3DA87放大，導致三極管3DA87導通產生誤動作，為了防止這一現象，所以在T2的集電極到地之間接一個R9電阻，降低對T3的影響，穿透電流在R9上建立的電壓不足以打開3DA87三極管，圖3中R5的作用同R9的作用是一樣的。

3.6 一級延時時間和二級延時時間計算

呼吸機正常工作時，工作電壓是24 V，當下降到21 V電壓時，呼吸機可能工作就不穩定，所以必須轉換到E3和E4的24 V電壓上。當電池E1和E2工作了很長一段時間，電壓下降到21 V，就可能造成比較器B1的5腳電壓小于4腳電壓，啟動比較器B1的2腳輸出低電平。為C1和R4一級延時電路做準備，延時電路啟動，引起電路自鎖。

自鎖器是在R5電壓大于0.7 V電壓時開始自鎖的，當R5電壓在0.7 V時，其上電流為0.7 mA，這時，R6上的2 K電阻可獲得1.2 V的電壓，通過T1管發射極到基極PN結0.7 V電壓，在C1電容上，可得到充電電壓2.1 V電壓，根據式（2）

一級延時時間：

驅動器是在C2充電到0.7 V電壓時才開始工作的，所以二級延時時間：1.864 6 s

t=t1+t2=3.07+1.864 6=4.934 6 s

從以上計算看出，干擾小于 3 s，電路不會自鎖，大于3秒電路會自鎖，從電壓降到21 V到繼電器J1和J2可靠轉換，需5 s時間，這樣就保證了呼吸機轉換開關的可靠性。

圖3 呼吸機轉換開關電路原理圖Fig.3 Ventilator change-over switch circuit diagram

3.7 整機工作原理與電路調試

第一步：調節W1電位器，把滑動端調到最上端，接通交流220 V電壓，這時D8負端獲得24 V直流電壓，F1發光二極管發光，指示24 V電源已經上電。接通呼吸機開關K1，呼吸機獲得24 V直流電壓。接著接通K開關，E1和E2串聯24 V電池電壓通過D3和D4被接入電路，此時，呼吸機獲得的電壓是由D8和D3輸出來決定的，當D8輸出的對地電壓高于D3輸出的對地電壓時，D3反相偏置而截止，呼吸機獲得的工作電壓就由電網提供的能量來決定，反之，就由電池提供能量。

第二步：斷開市電，使D8輸出為0 V，此時，呼吸機由E1和E2電池提供電壓24 V。

第三步:調節W1電位器[7]滑動端到最下端，此點電壓比比較器B1的4腳電壓低，此時，比較器B1的2腳輸出低電平，接著C1和R4延時充電，隨后把T1接通，在R5上建立2 V電壓，此電壓大于D6電壓，通過比較，使B2、B3、B4輸出低電平，C1和R4繼續充電，此過程是一個正反饋過程，把比較器2腳鎖死，即使比較器2腳變化也不會影響C1和R4繼續充電。電路自鎖后，通過C2和R8繼續延時充電，打通晶體管T2和T3，T3驅動J1和J2線包，繼電器J1和J2常閉點2和4瞬間接通J1和J2常開點1和3，把串聯E3和E4電池接入電路，提供給呼吸機24 V電源。為了指示電池電壓轉換成功，在繼電器J1的常閉開關中，接一R12和F3串聯支路，當開關轉換成功后，24 V加在該串聯支路上，發光二極管F3發光，表示開關轉換成功。

電路中D1和D2是降壓二極管，因為電動摩托車4節電瓶在充滿電壓時，電壓可達到51 V直流電壓，為了在呼吸機上得到24 V的直流電壓，所以要用D1和D2來進行降壓。電路中K是雙刀雙擲開關，當開關K按下時，常開點閉合，接通電源，同時C1兩端的常閉點斷開，C1和R4延時充電；當開關K斷開時，電源斷開，C1兩端被閉合，C1放電。

4 結束語

呼吸機轉換開關相當于一臺UPS電源，但從工作原理上又不同于UPS電源，UPS電源在電網斷電時，提供的是交流220 V電壓。而呼吸機轉換開關在電網斷電時，給負載提供的是長時間的直流電壓，此電壓由電動摩托車電池替代，所以呼吸機在電網斷電的情況下能長時間工作。根據這一工作原理，它可用在當電網斷電時，需要直流工作的任何額定電壓負載，所以它有著很廣泛的應用。從長期應用中，它工作穩定可靠。

[1]李成章.中小型UPS不間斷電源及直流穩壓電源 [M].北京：電子工業出版社，1990.

[2]朱鴻鶚.顯示器電路原理與維修[M].北京：電子工業出版社，1992.

[3]羅先覺.電路[M].北京：人民教育出版社，2006.

[4]童詩白.模擬電路基礎[M].北京：人民教育出版社，1981.

[5]康華光.電子技術基礎數字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]金貴，馬顯光，鄧玲.數字電位器MCP41010在止鼾器中的應用[J].現代電子技術，2010（4）：187-189.JIN Gui，MA Xian-guang，DENG Ling.Application of digital potentiometer MCP41010 in snore-ceasing equipments[J].Modern Electronics Technique，2010（4）：187-189.