Mediland无影灯控制电路分析及故障诊断案例

2016-11-04马继鹏孔德友郑冉冉吴海燕

中国医学装备 2016年10期

关键词：控制电路二极管继电器

马继鹏　孔德友　郑冉冉　吴海燕

马继鹏①孔德友①郑冉冉①吴海燕①

Mediland无影灯；控制电路；故障诊断

Mediland无影灯是专业外科手术用灯光，可以尽量降低手术中影子和色彩失真对手术过程的影响，有亮度可调、主副灯切换及故障报警功能。经多年使用发现该设备故障多集中在控制电路上，对控制电路进行板级分析，可以有效指导设备故障诊断与维修［1］。

1　Mediland无影灯结构

Mediland无影灯结构主要由电源电路、按键电路、控制电路和灯头组成。其中电源电路实现将220 V交流电经变压器降压整流后输出24 Vdc，该电压输入到控制电路中；单片机在按键电路中，实现对按键的逻辑判断，检测无影灯状态并输出逻辑信号给控制电路；控制电路实现对无影灯的主副灯切换，功率的控制以及采集运行状态信号如图1所示。

图1　无影灯结构图

2　控制电路板原理分析

2.1控制板外部连接信号

无影灯控制板输入输出信号和电源的连接由CON1和CON2实现，CON1中输入Con_MOS为驱动MOSFET开关的原始信号，Con_RY1，Con_RY2，Con_RY3为控制继电器开关的原始信号，输出Check_ State为采集的设备工作状态的信号，VCC_5.6 V是输入按键电路的电源［2-3］。模拟地和数字地之间加了电容耦合，降低互扰。CON2中M24，S24是主副灯各自线路，C1为主副灯的公共线路，VCC为输入电源24 Vdc如图2所示。

图2　外部接线图

2.2继电器控制电路

无影灯具有主副2个灯泡，一个灯泡备用，规格为24 V，150 W。在手术中主灯故障时自动切换到副灯上。RY3、RY1及RY2三个继电器协同工作控制主副灯的亮灭。C1、C2为4700UF电解电容，起到储能滤波作用，亮灯时，及时提供电流，避免产生较大的纹波，保证电源的稳定［4-5］。当打开无影灯时，RY3闭合即对2个大电容充电，RY1闭合时，主灯亮起，当主灯故障时，RY1断开，RY2闭合，副灯亮起。R6、R7及R8为继电器的限流电阻，实现对电流控制［6］。C1是2个灯的公共回路端，Relay1、Relay2及Relay3接继电器驱动芯片的输出端如图3、图4所示。

图3　继电器控制电路图

图4　电源转换和MOS控制电路图

2.3电源转换和MOS控制电路

IRFP150N为N沟道MOSFET，D极接在主灯副灯的回路公共端，S极接地，G极接PWM信号控制导通时间，通过调节信号占空比实现功率的调节，从而实现亮度调整。D3二极管起保护作用，无影灯亮起时，此处方波信号幅度大，直接连接会击穿单片机管脚，所以接稳压二极管使得信号幅度等于二极管反向导通电压5.6 V。RN-3，RN-2电阻起限制反向电流的作用［7］。Check_State是检测信号端，当灯亮起时，此处会检测到一定占空比的方波信号，如果检测不到方波信号，表明灯故障，需要切换副灯，并亮黄灯报警，如果检测到的是高电平，表明有灯丝烧断，如果检测到的是低电平表明MOS一直打开，DS极击穿或者驱动信号故障，其驱动信号和检测信号时序逻辑如图5所示。

图5　MOS驱动信号MOS_Drive和状态检测信号时序图

R4为功率电阻，与稳压二极管D1-1N4734串联，完成24 Vdc到5.6 Vdc转换，为按键板和HD74LS04提供电源，其电流输出能力为90 mA左右，在R4上约有1.7 W的功耗［8］。IRFP150N的VGS极限电压为±20 V，直接接24 V会损坏MOSFET，所以通过R5与稳压二极管D2-1N4742串联实现24～12 Vdc变换后作为开关电压。R5上约有0.3 W的功耗（如图6所示）。

图6　驱动信号电路图

2.4驱动信号电路

信号接口P3、P4及P5为单片原始信号输出端，控制3个继电器的信号，HD74LS04是6反相器，实现第一级驱动，ULN2803APG为8通道达林顿管放大驱动芯片，实现第二级驱动，输出端连接到继电器的输入端。驱动逻辑、主副灯和检测信号的关系见表1。

表1　驱动逻辑、主副灯和检测信号状态对应表

在此电路板上发现一个设计缺陷，COM端作为内置钳位二极管负端，在驱动感性器件开关时，可以吸收峰值电压，此应连接到VCC，当继电器断开瞬间，感应出高电压VCC+2 V以上时，击穿二极管，构成回路，消耗掉峰值电压，从而起到防止芯片HD74LS04被击穿的问题，在实际电路中，继电器线圈未并联外接二极管，芯片HD74LS04COM端也未连接COM端至VCC，有易发故障隐患（如图7所示）。

图7　单片机检测工作流程图

3　故障分析与排除

针对不同的故障现象可分析电路，将问题集中在关键器件上快速解决问题。在手术无影灯的使用中遇到故障时，开灯后主灯亮然后灭则切换到副灯，出现灯亮然后又灭的现象，实际灯泡并未烧坏。由故障现象可判断：3个继电器未损坏，为检测无影灯工作状态的部分电路出现故障［9-10］。重点集中在MOSFET，稳压管D1和驱动MOSFET的信号线路这三部分，用万用表检测D1和MOSFET正常，用示波器检测未发现有MOSFET驱动信号，造成了MOSFET一直处于导通状态，检测信号状态为低电平状态，最终造成了上述故障，经检测发现R1欧姆色环电阻有裂纹，肉眼难以发现导致断路，更换色环电阻后无影灯恢复正常。