شايد براي شما هم اتفاق افتاده باشد که در هنگام استفاده از يک وسيله الکترونيکي يا پزشکي، تلفن همراهتان زنگ زده و وسيله ايي که با آن کار مي کرده ايد، موقتاً از کار افتاده يا دچار اختلال شده است. البته اين موضوع تا حدي پذيرفته شده است، اما تا چه حد؟ مرز آن را استانداردهاي بين المللي به طور دقيق مشخص کرده اند. اختلال عملکرد دستگاه در مجاورت تلفن همراه، مثال ساده اي از عدم دقت به EMC يا سازگاري الکترومغناطيسي در طراحي و انتخاب تجهيزات پزشکي است.
خواه در جايگاه مهندس پزشک يا پزشک در حيطه انتخاب تجهيزات پزشکي، خواه در جايگاه مهندس پزشک يا مهندس الکترونيک در حيطه طراحي تجهيزات پزشکي، ناگزيريم با استانداردهاي مرتبط با EMC آشنا شويم. در اين مقاله به اجمال موارد مرتبط با EMC به ويژه از ديد طراحي بحث و بررسي مي‌شود.
به طور کلي يکي از مشکلاتي که وسايل و دستگاه هاي پزشکي با آن مواجه هستند، مساله نويز است.
به خصوص در سيستم هاي فعلي که انواع وسايل الکترونيکي، الکتريکي و مکانيکي در فضاي کوچکي در کنارهم کار مي کنند، به راحتي بر روي يکديگر تاثير مي گذارند. بنابراين مسأله نويز بايد حتما در طراحي، ساخت، مونتاژ و حتي در نصب و سرويس دستگاه ها مورد توجه قرار گيرد. با توجه به اين که اختلال در عملکرد دستگاه هاي پزشکي موجب به خطرافتادن جان بيمار مي شود و ريسک بالاتري دارد.
بنابراين سازگاري تجهيزات پزشکي در ميدان هاي الکتريکي و مغناطيسي از اهميت بيشتري برخوردار است.
يکي از ملزومات مهم اخذ نشان اتحاديه اروپا (CE ) و فروش دستگاه در اروپا، تطابق محصول با استانداردهاي EMC است. دقت نظر کاربران به موضوع EMC سبب مي شود طراحان و توليدکنندگان داخلي نيز با صرف هزينه، به بهينه سازي و تطابق الکترومغناطيسي تجهيزات خود با استانداردهاي EMC بپردازند و به اين طريق سطح کيفي محصولات خود را به طور چشم گير و قابل ملاحظه اي جهت استفاده کاربران افزايش دهند. استانداردهاي EMC بايد به عنوان بخشي از اهداف هر شرکت سازنده تجهيزات الکتريکي و الکترونيکي جهت رسيدن به موفقيت‌هاي بزرگ اقتصادي، مورد توجه قرار گيرد.
EMC چيست؟
EMC (ElectroMagnetic Compatibility) در لغت به معناي تطابق الکترومغناطيسي است. تطابق الکترومغناطيسي در مورد يک دستگاه دو وجه دارد: 1- دستگاه نبايد سطحي از اختلالات الکترومغناطيسي از خود ساطع کند که بر سرويس‌هاي راديويي و ساير دستگاه‌ها تأثير بگذارد.
2- اين دستگاه بايد در برابر اختلالات الکترومغناطيسي محيط، ايمني کافي داشته باشد تا تاثير نامطلوب نپذيرد. بنابراين بايد تمامي تجهيزات الکترونيکي تحت تست هاي EMC قرار گيرند تا در صورت وجود مشکلات احتمالي، به رفع آنها پرداخت. تستهاي EMC به دو بخش کلي تقسيم مي شود: ايمني و تابش. براي هر سيستم، استاندارد خاصي جهت تستهاي EMC وجود دارد که بايد با توجه به آن، مشخصات تست را تعيين کرد.
تستهاي EMC جهت تجهيزات پزشکي
استاندارد خاص IEC 60601-1-2 ، مرجع تستهاي EMC جهت اعمال بر روي تجهيزات پزشکي است. با مراجعه به ساير استانداردهاي ذکر شده در IEC 60601-1-2 ، مي‌توان سطوح تست را دقيقاً مشخص کرده، ميزان مطابقت الکترومغناطيسي تجهيزات پزشکي را تعيين کرد.
مطابق با اين استاندارد براي دستگاه‌ها و سيستم‌هاي پزشکي درکل يازده تست بايد انجام شود که تعدادي مربوط به سنجش تابش و تعدادي مربوط به سنجش ايمني دستگاه است. انجام هر تست روش خاصي دارد که در قالب يک استاندارد تدوين شده است.
.jpg)
EMC از ديد طراحي
لازم است در طراحي دستگاه ها نکات زيادي مورد توجه قرار گيرد تا دستگاه در حين تست دچار مشکل نشود. در صورتي که در فاز اوليه طراحي (انتخاب و طراحي مدارات الکترونيکي) به مسأله EMC توجه شود ، با هزينه کمتري مي‌توان به سطوح قابل اطمينان در تست‌ها دست پيدا کرد.
.jpg)
در فاز طراحي توجه به مسائل زير بسيار مهم است:
1) طراحي مدار و انتخاب قطعات ديجيتال و آنالوگ
2) کابل ها و کانکتورها
3) فيلترها
4) شيلد
5) طراحي PCB
که در ادامه شرح مختصري از موارد فوق آورده شده است:
1) طراحي مدار و انتخاب قطعات
انتخاب صحيح قطعات اعم از Passive و Active و به کار بردن روش‌هاي طراحي اصولي از همان ابتداي طراحي، موجب دستيابي سريع تر و راحت تر به استانداردهاي EMC مي شود و طراح را از به کارگيري فيلتر يا شيلد بي نياز مي‌سازد. در نهايت قيمت، اندازه و وزن دستگاه يا ماژول مورد نظر را کاهش مي‌دهد.
همچنين اين روش باعث بهتر شدن سيگنال‌هاي ديجيتال و بالا رفتن نسبت سيگنال به نويز در سيگنال‌هاي آنالوگ مي‌شود، لذا محصول مورد نظر سريع تر به مشخصه‌هاي کاربردي خود دست مي يابد.
بسياري از سازندگان ICهاي ديجيتال حداقل يک سري IC با تابش حداقل و يک مدل از تراشه‌هاي ورودي- خروجي (I/O) با سطح ايمني تأييد شده در تست تخليه الکترواستاتيکي (ESD) دارند. برخي از آنها مدل‌هايي از VLSI را ارائه کرده اند که مطابق با استانداردهاي EMC هستند. (EMC Friendly)
انتخاب قطعات آنالوگ به علت تنوع زياد شکل موج‌هاي خروجي به راحتي انتخاب قطعات ديجيتال نيست. به عنوان يک قانون کلي براي کاهش تابش در مدارات فرکانس بالا بايد Slew Rate ، ولتاژهاي نوسان و قابليت جريان درايو خروجي برروي کمترين مقداري که براي رسيدن به عملکرد مورد نظر لازم است، تنظيم شوند.
2) کابل‌ها و کانکتورها
به عنوان مقدمه بايد گفت که تمامي هادي‌ها مثل يک آنتن عمل مي‌کنند و الکتريسته جاري را به ميدان الکترومغناطيسي تبديل مي‌کنند که مي‌تواند به محيط‌هاي وسيع تر نشت کند. از طرف ديگر همه هادي ها ميدان‌هاي الکترومغناطيسي محلي را که در آن واقع شده اند، به سيگنال‌هاي الکتريکي تبديل مي‌کنند و هيچ استثنايي براي اين قانون در جهان وجود ندارد. بنابراين هادي ها هم در معرض تابش بوده و هم خود تابش دارند.
بررسي‌ها نشان مي‌دهد که استفاده از کابل در فرکانس‌هاي بالا، مشکلات را زيادتر مي‌کند و نمي‌توان انتظار داشت که سيگنال‌ها را به درستي انتقال داده، از محيط بيرون تأثير نپذيرند. حتي براي سيگنال‌هاي فرکانس پايين مانند فرکانس‌هاي صوتي، کابل‌ها مشکلات زيادي ايجاد مي‌کنند. بنابراين بهترين راه براي انتقال اطلاعات و سيگنال‌ها جهت مطابقت با استانداردهاي EMC ، استفاده از ارتباطات غير فلزي است. از ارتباطات غيرفلزي که امروزه مورد استفاده قرار مي گيرد مي توان به فيبر نوري ترجيحاً بدون فلز (metal-free)، سيستم هاي بدون سيم (wireless)، مادون قرمز (IRDA) و لينک ليزري و مايکرويو در فضاي آزاد (مثلاً بين ساختمان ها) اشاره کرد.
بسياري از طراحان فکر مي‌کنند که با استفاده از سيم‌ها و کابل‌هاي قديمي مي‌توان قيمت يک محصول را پايين نگه داشت، اما اگر مجموع هزينه‌هاي تمام شده يک محصول را با لحاظ کردن ميزان قابليت اطمينان و ميزان تطابق با استانداردهاي EMC محاسبه کنيم، متوجه مي‌شويم که ارتباطات غير فلزي هزنيه کمتري دربرخواهند داشت.
3) فيلترها
قبل از بررسي نقش فيلترها، لازم است به طور مختصر به تعريف واژه سرژ (Surge) بپردازيم. سرژ در لغت به معناي صاعقه است. سرژ سيگنالي با مشخصات زير است و در تست EMC، اين سيگنال شبيه سازي و به دستگاه اعمال مي شود. سطح ولتاژ اعمالي به دستگاه به محيطي که در آن نصب مي‌شود، بستگي دارد که جداول مربوطه در استاندارد IEC 61000-4-5 آمده است. براي جلوگيري از بروز مشکل در تست سرژ از فيلترها و SPDها استفاده مي‌کنيم. ((SPD: Surge Protection Device
.jpg)
فيلترها براي تضعيف فرکانس‌هاي ناخواسته به کار مي‌روند و مشخصه آنها به وسيله منحني‌هايي بر حسب فرکانس مشخص مي شوند، بنابراين منحني مشخصه هر فيلتر قدرت تضعيف آن را در فرکانس‌هاي مختلف نشان مي‌دهد.
تجهيزات محافظ در برابر سرژ (SPD) ، ولتاژهاي سرژ ناخواسته را که از يک هادي مي‌گذرند، تضعيف مي کند و به وسيله گراف هايي مشخص مي‌شود که ولتاژهاي قابل عبور را در زمان‌هاي مختلف نشان مي‌دهند.
در صورتي که فيلترها يا SPDها به صورت صحيح استفاده نشوند، سطح تابش و ايمني آنها بدتر از حالت بدون فيلتر يا SPD خواهد شد. لزوماً فيلترها يا SPDهاي گران قيمت، بهترين گزينه نيستند. براي انتخاب يک فيلتر يا SPD با توجه به کاتالوگ شرکت‌هاي سازنده، بايد به توان نامي آنها، تعداد مدارات و کاربرد مورد نظر دقت کرد.
صاعقه گيرها (Surge arrestor) در واقع قطعاتي با مقاومت متغير هستند که مقاومت آنها تابعي از ولتاژ اعمال شده به آنها است که به گونه اي طراحي مي‌شوند که اثر حفاظت کننده و نگهدارنده داشته باشند و زماني که ولتاژ گذرنده از آنها از سطح بحراني گذشت، مانند يک ديود زنر عمل مي‌کنند.
به اشتباه تصور مي‌شود که سرژ باعث خرابي اطلاعات آنالوگ يا ديجيتال نمي‌شود، چرا که داراي بيت خطا هستند. در دستگاه‌هاي ساده اي که حافظه يا برنامه نداريم، ممکن است يک خطاي لحظه اي کوچک (بسته به عملکرد دستگاه) قابل قبول باشد، اما در دستگاه هاي پيچيده که سيگنال‌هاي کنترلي دارند، يک سيگنال لحظه اي غلط مي‌تواند ديتاي ذخيره شده يا مد کاري را تغيير دهد که غيرقابل قبول است. در اين گونه موارد از SPDها جهت محافظت در برابر جرقه و ولتاژهاي سرژ استفاده مي‌شود.
4) شيلد
شيلد در واقع در مسير انتشار امواج الکترومغناطيسي، ناپيوستگي امپدانسي قرار مي‌دهد، سپس امواج را منعکس کرده يا آنها را جذب مي‌کند. به نظر مي‌رسد اين عمل بسيار شبيه به کاري است که فيلترها انجام مي‌دهند، آنها نيز يک ناپيوستگي امپدانسي در مسير سيگنال‌هاي ناخواسته قرار مي‌دهند.
انواع مختلف شيلد، قيمت خاص خود را دارد. مثلاً قيمت شيلدکردن يک IC با قيمت شيلد کردن بخشي از PCB يا تمام آن و يا با قيمت شيلد کردن اتاق يا ساختمان بسيار متفاوت است که از لحاظ اقتصادي بسيار مهم است.
.jpg)
5) طراحي PCB
روش‌هاي طراحي در PCB ، قيمت را به طور مؤثري کاهش داده، نتايج تست EMC را بهتر مي‌کند. روش‌هاي طراحي PCB از ديد EMC ، مکانيزم پخش منابع RF در يک PCB را اصلاح مي‌کنند و به طور يکسان بر تمام مدارات آنالوگ و ديجيتال اعمال شده، سطوح تابش و ايمني را بهبود مي‌بخشند.
تا زماني که جاي فيلتر و شيلد مشخص نشده است، نبايد آرايش PCB را شروع کرد، بنابراين بايد به مسأله جاگذاري قطعات و ساختار مکانيکي در طول توسعه سيستم نيز از همان ابتدا توجه کرد.
به منظور طراحي PCB ، ابتدا بايد قطعات نويزي يا حساس به گونه اي در هر بخش قرارداده شوند که به مرکز بخش نزديک تر بوده، تا حد امکان از کابل‌ها و سيم‌ها دور باشند. قطعات به ترتيب حساسيت عبارتند از:
توزيع کننده‌ها و مبدل‌هاي کلاک، ICهاي ديجيتال ميکروکنترلر، ترانزيستورهاي توان، سوييچ مد و يکسوکننده‌ها و چوک‌هاي آنها، ترانسفورماتورها و هيت سينک‌ها، ICهاي آنالوگ و تقويت کننده ولتاژهاي در سطح ميلي ولت
نکته مهم و قابل توجه اين است که اگر در ابتداي طراحي به مسائل EMC دقت کنيم، هزينه شيلد بسيار کم مي‌شود، اما اگر در لحظه آخر و زماني که قرار است دستگاه تست EMC شده، به مشتري تحويل داده شود، بخواهيم آن را شيلد کنيم، مسلماً قيمت آن افزايش مي يابد.
.jpg)
مراجع: * پايان نامه پروژه هاي تحقيقاتي واحد R&D صنعت تجهيزات پزشکي و آزمايشگاهي شرکت صنايع اپتيک اصفهان در سالهاي 84 تا 86
* استاندارد IEC60601-1-2
منبع: www.iranbmemag.com/خ