医院用电动呼吸机

2021-06-09

医院用电动呼吸机

现在，由冠状病毒引起的大流行 COVID 19 正在世界范围内迅速传播。冠状病毒已经发生突变，第二波正在世界各国蔓延。全世界有近 1.4852 亿人被感染，据报道约有 313.4 万人死于这种冠状病毒感染。抗击 COVID 19 的疫苗现已抵达药房。单独接种疫苗并不能为生命提供 100% 的冠状病毒保护。

另据报道，大多数感染冠状病毒的人除了体温升高外，还会出现呼吸急促、咳嗽等症状，并因呼吸困难而死亡。印度的医院没有足够的氧气瓶和呼吸机来泵送氧气来帮助这些电晕患者呼吸。这导致如此多的 COVID 19 患者死亡。 虽然有 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医院提供氧气瓶和低成本呼吸机。

呼吸机可用于 COVID 19 和其他呼吸困难的患者。使用个人计算机中的软件对该电动呼吸机的模型进行了测试。模型仿真结果成功。该模型是使用 AC 到 AC 兼 DC 电力电子转换器开发的，在 DC 模式下运行。输入是 220 V、50 Hz 交流电源。这被降低到合适的幅度（24 V，50 Hz，AC）并提供给一对在 DC 模式下运行的 IGBT 双向开关。功率电子转换器的输出端连接有用于调整施加电压的低通滤波器和分压器。该分压器的输出连接到永磁直流 (PMDC) 电机的电枢。该 PMDC 的两种操作模式是可能的。在第一种模式下，直流电以正极性提供给电枢的一个端子，另一个负极端子接地。在指定的时间段后，施加到电枢端子的电压极性反转，因此 PMDC 电机开始以相反的方向旋转。在第二种模式中，施加的直流电压极性始终保持相同，因此 PMDC 电机仅在一个方向上运行。齿轮系和旋转盘通过金属连杆和推杆连接到 PMDC 电机轴，提供曲轴运动，就像在蒸汽机中一样按下和释放塑料容器，为患者提供氧气。这些金属连杆和推杆的长度必须根据放置该电动呼吸机的工作台尺寸进行调整，

电动呼吸机

建议的电动呼吸机框图如图 1 (A)、(B) 和 (C) 所示，其设置如图 2 所示。参考图 1(A)，220 V，50 Hz 交流电源给三绕组变压器的初级。两个次级绕组输出电压提供给一对IGBT双向开关，次级绕组的另外两端一起接地。两个双向开关的输出端子连接在一起，连接到低通滤波器（RF、CF），然后连接到分压器（RPOT）。RPOT 的可变端接 PMDC 电机的正极，负极接地。

栅极驱动电路如图1（B）所示。这里一个可变频率时钟脉冲输出驱动一个四位二进制递增计数器。此计数器的指定值然后使用逻辑门对输出进行解码，并将此方波脉冲输出作为时钟输入提供给二分频计数器。该除以二计数器的输出提供给或门的一个输入，或门的另一个输入来自选择器开关 SSW。+5 V 电源及其使用非门的反相输出形成 SSW 的两个输入。使用 SSW 选择 +5 V 或 UDR 输入会导致 OR 门的输出 Q 保持高电平 (+5 V)，始终确保 PMDC 电机的单向旋转。如果 SSW 被抛到 BDR 位置，OR 门的 Q 输出采用高电平和低电平 (0 V)，从而导致 PMDC 电机的双向或双向运动。或门的 Q 输出使用非门反转，给出 Q_BAR 输出。这个 Q 和 Q_BAR 输出被提供给四个光隔离器，这些光隔离器形成了图 1(A) 中一对双向开关的栅极驱动。

电源单元如图1（C）所示。此处 220 V、50 Hz 交流电源提供给降压变压器，该变压器提供 9 V、50 Hz 交流输出电压。然后使用全波二极管桥式整流器对变压器的次级输出电压进行整流、滤波并作为输入提供给 IC 稳压器 7805。 IC 稳压器的 +5 V 输出形成图 1 (B) 中数字 IC 的电源）。IC 7805 的 5 V 输出还提供给四个 DC 到 DC 转换器，每个转换器为图 1（B）中的光隔离器电源提供 +15 V 的输出。

也可以使用嵌入式微控制器开发栅极驱动器。PIC12F683 单片机原理图、栅极驱动连接图和实现 IGBT 双向开关对栅极驱动的流程图如图 1 和图 2 所示。3(A)、3(B)和3(C)。这里参考图3(A)，GP0、GP1和GP4用作输出端口。端口 GP2 和 GP3 是输入端口。10 kHz 时钟连接到 GP2 端口，该端口形成 TOCKI 输入。使用 OPTION 寄存器为时钟选择 1:256 的预分频比。端口 GP0 提供 0.25 Hz 时钟输出，开启和关闭时间相等。端口 GP1 始终输出逻辑高电平 (+5 V)，GP4 始终输出逻辑低电平 (0 V)。栅极驱动连接如图 3（B）所示。端口 GP1 和 GP4 的输出提供给标有 DSW1 的 SPDT 开关。GP0 端口的输出 Q 和 SPDT DSW1 的输出 Q 被提供给两个输入的 OR 门。或门的输出和使用非门的反相输出提供给四个光隔离器，这些光隔离器形成了图 1（A）中一对 IGBT 双向开关的栅极驱动。当 DSW1 被扔到 GP1 端口时，OR 门的输出 Q 始终为 HIGH，Q_BAR 始终为 LOW，并且 PMDC 电机仅向一个方向旋转。当 DSW1 被扔到 GP4 端口时，Q 取 HIGH 和 LOW 值，Q_BAR 取 LOW 和 HIGH 值，时间间隔为 2 秒，由于电枢端子的电压极性反转，PMDC 电机双向旋转。PIC12F683 实现在 GP0 端口产生 0.25 Hz 方波的流程图如图 3（C）所示。为了产生每 2 秒的开和关延迟，预先计算的数字 (178) 上传到 TMR0 寄存器，GP0 设置为高电平，允许 TMR0 向上计数。

图1（A）至（C）所示的电动呼吸机的模型如上图4所示。在图 4 中，分压器 RPOT 被取消，以便在 PMDC 电机的电枢端子上施加全额定电压。在图 2 中，附有齿轮系、圆盘、机械连杆和推杆。尽管这会对 PMDC 电机产生一定的负载，但可以忽略该负载并施加零外部负载。对于 PMDC 电机的单向和双向旋转，图 4 中模型的仿真是在零外部负载的情况下进行的。这将在下一节中介绍。

仿真结果

在图 4 中，开关 DSW1 首先被置于 +5 V（逻辑 1）位置，用于 PMDC 电机的单向旋转，并在电枢端子上施加额定电压，进行仿真，结果如图 5（A）所示、（B）和（C）。开关 DSW1 处于零伏（逻辑 0）位置，用于 PMDC 电机的双向运行，进行了仿真，结果如图 6（A）、（B）和（C）所示。

结果讨论

AC 到 AC cum DC 转换器是我的专利 [1]。从图 5 可以看出，在电枢两端施加额定直流电压时，PMDC 电机的速度仅继续向一个方向旋转并达到 800 RPM。无负载，稳态电枢电流远低于额定值。从图 6 可以看出，在电枢两端施加额定电压时，PMDC 电机在两个方向上旋转，分别达到 +200 和 -200 RPM。在这两种情况下，都必须使用比率为 1:200 或更高的减速齿轮。同样使用分压器 RPOT，可以从最小值开始向电机电枢施加电压并逐渐增加，直到达到所需的速度和性能。通过齿轮系与电机轴相连的臂向前和向后移动，推动和释放塑料空气容器向患者泵送氧气。可以通过改变时钟频率来改变推动和释放塑料空气容器的速度和持续时间。该推杆的长度、时钟频率、齿轮比和施加在电机电枢上的电压只能在工作台上进行机械设置后才能确定。