Импульсный бп схема: Простой мощный импульсный блок питания для питания радио электро-аппаратуры

Импульсный блок питания на одном транзисторе со стабилизацией. Схема

Главная » Источники питания » Импульсный блок питания на одном транзисторе со стабилизацией. Схема

Данный импульсный блок питания изначально был создан в качестве источника питания для цифровой камеры.

Ток потребления самой камеры в районе 600 мА, а в пиковом режиме до 1300 мА. Разумеется, можно было бы применить обычный линейный блок питания, например, на стабилизаторе LM317, но в этом случае КПД его будет не высоким, да и еще с массивным трансформатором и радиатором для стабилизатора.

Данный же импульсный блок питания является оптимальным решением. Ниже приведена принципиальная схема компактного импульсного блока питания на одном транзисторе и оптопаре. Импульсный блок питания без оптопары с косвенной стабилизацией был бы еще проще, но в этом случае его выходное напряжение будет недостаточно стабильным.

Этот импульсный блок питания функционирует как обратный преобразователь. Принцип работы его достаточно прост: при подаче напряжения на схему через резистор R3 немного открывания транзистор VT1 (MJE13005). Он обеспечивает на дополнительной обмотке трансформатора (8 вит.) положительное напряжение, которое в свою очередь полностью открывает транзистор.

Когда конденсатор C3 разряжается, транзистор закрывается, а возникшее во вторичной обмотке трансформатора напряжение заряжает конденсатор фильтра (C5). Когда конденсатор C3 заряжается, транзистор открывается, и все повторяется.

Когда желаемое напряжение, заданное делителем на резисторах R7 и R8, включает VD5 (TL431), светодиод в оптопаре VD3 (4N35) начинает светиться, и фототранзистор ограничивает ток на базе транзистора. Это сокращает рабочий цикл ШИМ и снижает энергию, подаваемую на трансформатор. Данный метод стабилизации очень эффективен, напряжение на нагрузке падает не более чем на 0,01 В.

Данный импульсный блок питания не способен работать без нагрузки. Для устранения этой проблемы на выходе установлен резистор R9 имитирующий нагрузку. Для защиты от перенапряжения, в случае отказа узла стабилизации, на выходе установлен стабилитрон VD6. Его напряжение стабилизации немного больше чем выходное напряжение блока питания.

Резистор R1 уменьшает пусковой ток при включении, а конденсатор C1 подавляет электромагнитные помехи. На рабочую частоту преобразователя влияет изменение емкости конденсатора C3.

Трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике EE с эффективным сечением 0,5 см². Вначале наматываем половину витков первичной обмотки (40 витков) эмалированным медным проводом диаметром 0,2…0,3 мм. Далее поверх этой обмотки наматываем хороший слой изоляции (не менее 7 слоев изоленты). После этого наматываем вторичную обмотку (4 витка). Для безопасности можно использовать провод с толстой изоляцией.

Потом снова наматываем не менее 7 слоев изоленты. Далее наматываем вспомогательную обмотку (8 витков) тем же проводом, что и первичная обмотка. После этого наматываем слой изоляции, который может быть не таким плотным. И в конце наматываем оставшиеся 40 витков первичной обмотки. Затем снова несколько слоев изоляции.

Чтобы предотвратить насыщение сердечника трансформатора, между его половинками помещаем слой изоленты, образующий воздушный зазор.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Конечно же, данную схему импульсного источника питания можно модифицировать для получения другого выходного напряжения. Для этого достаточно изменить количество витков вторичной обмотки (приблизительно 1 виток  = 1 вольт).

Сопротивление резистора R9 подбирается из расчета 10 Ом на каждый 1 В. Выходное напряжение можно получить путем изменения сопротивления резистора R7, так чтобы при требуемом выходном напряжении делитель подавал на вход TL431 напряжение 2,5 В.

Выпрямительный диод VD4 должен иметь обратное напряжение раз в 8 больше чем выходное напряжение блока питания. Поэтому для более высоких напряжений желательно заменить диод Шоттки быстрым диодом, так как диоды Шоттки всегда имеют низкое номинальное обратное напряжение.

Предупреждение! Импульсные источники питания не для новичков, так как большинство его цепей подключено к опасному сетевому напряжению. При плохой конструкции сетевое напряжение может попасть на выход! Конденсаторы могут оставаться заряженными до опасного напряжения даже после отключения от сети. Все, что вы делаете на свой страх и риск, за любой ущерб здоровью или имуществу мы ответственности не несем.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Categories Источники питания Tags импульсный БП

Отправить сообщение об ошибке.

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

• малый вес конструкции;
• небольшие размеры;
• большая мощность;
• высокий КПД;
• низкая себестоимость;
• высокая стабильность работы;
• широкий диапазон питающих напряжений;
• множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис. 1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1. 1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания.

Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1. 4 и кон­денсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI . 1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импуль­сов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предва­рительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выхо­де источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзи­стор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1. 1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. 2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне измене­ния сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (ста­билизированное напряжение положительной и отрицательной по­лярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки транс­форматора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника пи­тания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разрабо­тан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на вы­ходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагруз­ки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 со­держат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каж­дая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе ви­ток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой нама­тывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной лини­ей), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощ­ности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Po­wer Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Пре­образователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номина­лах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, по­требляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощ­ностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразо­ватель U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрями­тели и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катуш­ки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечни­ки типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все об­мотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Максимальные тенденции артериального давления (MaximBPT)

Введение

Артериальное давление (АД) является жизненно важным показателем, который предоставляет важную информацию о сердечном выбросе, сердечном давлении и гемодинамической стабильности.

АД хорошо коррелирует с риском прогрессирующего сердечно-сосудистого заболевания (ACVD). (Chockalingam) Кроме того, артериальная гипертензия, заболевание, при котором систолическое АД выше 140 мм рт. ст. и/или диастолическое АД постоянно выше 90 мм рт. ст., является фактором риска ишемической болезни сердца и единственным наиболее важным фактором риска инсульта. Систолическое АД – это максимальное давление в артериях, когда сердце сокращается. Диастолическое АД – это минимальное давление в артериях между сокращениями сердца.

Таким образом, постоянный мониторинг АД является ценным. Однако традиционный неинвазивный метод — манжетный сфигмоманометр — обычно позволяет проводить только одно измерение каждые несколько минут. Кроме того, процесс надувания мешает пользователю и делает неудобным измерение АД во время сна или физических упражнений.

Система анализа тенденций артериального давления Maxim

Максимальное определение тенденций артериального давления (MaximBPT) — это система измерения АД, использующая сигнал фотоплетизмографии (ФПГ), полученный с кончика пальца. Системе требуются пользовательские калибровки, и последующие измерения выполняются относительно этой точки калибровки. Цель системы — сделать измерения АД легкодоступными для пользователя с помощью широкодоступных бытовых устройств, таких как смартфоны или велнес-часы. Система наиболее полезна и точна, когда измерения проводятся в состоянии покоя, как в традиционных системах измерения АД на основе манжеты. В этих указаниях по применению содержатся методы оценки и технические требования к конструкции системы MaximBPT.

Принципы работы

В принципе, изменения формы ППГ коррелируют с изменениями АД. Импульс ФПГ имеет две фазы: анакротическая фаза представляет собой нарастающий фронт импульса, а катакротическая фаза представляет собой спадающий фронт импульса ( рис. 1 ). Первая фаза связана с систолой, а вторая фаза с диастолой и отражениями волн от периферии. Некоторые детерминанты формы ППГ описаны в литературе, такие как систолическая амплитуда, ширина пульса, площадь пульса, интервал между пиками, интервал между пульсами и индекс жесткости артерии. (Эльгенди; Шин)

Рис. 1. Форма сигнала ФПГ и его характерные параметры.

Системе MaximBPT во время калибровки требуется сигнал PPG от датчика и соответствующие значения АД от традиционного устройства для измерения АД на основе манжеты. Последующие изменения систолического и диастолического АД рассчитываются по изменению формы ФПГ по отношению к экземпляру калибровки. Системе MaximBPT требуется сигнал ФПГ от датчика и соответствующие значения АД от традиционного устройства для измерения АД на основе манжеты во время калибровки. Последующие изменения систолического и диастолического АД рассчитываются по изменению формы ФПГ относительно калибровочного экземпляра.

Компоненты системы

На рис. 2 показаны основные компоненты системы MaximBPT. Он использует датчик состояния здоровья Maxim, который можно адаптировать к мобильным устройствам или носимым устройствам для мониторинга состояния здоровья, и программное приложение (приложение) MaximBPT, которое использует сигнал PPG датчика состояния здоровья.

Рис. 2. Обзор системы MaximBPT.

Операционные протоколы

Протокол калибровки

Калибровка — это важный этап, на котором выполняются эталонные измерения АД для калибровки алгоритма с соответствующими сигналами ФПГ. Для получения эталонных значений АД рекомендуется один из следующих вариантов:

• Обученный медицинский работник использует медицинский прибор для измерения АД, который можно приобрести в кабинете врача или в больнице
• Самостоятельное измерение с помощью одобренного FDA устройства для измерения АД на основе манжеты, такого как следующее:
• Omron ^® Монитор артериального давления на плече серии BP785N 10
• Welch Allyn Home ^™ Монитор артериального давления серии 1700
• QardioArm ^® Беспроводной тонометр

Эти контрольные значения калибровки действительны в течение 4 недель, после чего требуется повторная калибровка, чтобы рассчитывать на сохранение показателей точности. Протокол калибровки состоит из трех основных разделов:

• Подготовка предмета
• Эталонное измерение АД
• Коллекция PPG из кончиков пальцев

Подготовка субъекта

Перед калибровкой испытуемый должен:

• Пользоваться туалетом, если необходимо
• Воздержитесь от упражнений в течение предыдущих 30 минут
• Воздержитесь от употребления алкоголя, кофеина или никотина в течение предыдущих 30 минут

Во время калибровки испытуемый должен спокойно отдохнуть около пяти минут в сидячем положении, при этом локоть испытуемого упирается в стол чуть ниже уровня сердца. Ладонь должна быть повернута вверх, при этом кисть остается открытой и расслабленной. Руки, спина и ступни должны поддерживаться и находиться в расслабленном положении. Ноги должны оставаться не скрещенными.

Эталонное измерение BP

Пользователь сначала создаст уникальный идентификатор пользователя. Калибровка MaximBPT требуется перед первым использованием MaximBPT, а также после истечения срока действия калибровки. Графический интерфейс пользователя (GUI) приложения для калибровки показан на рис. 3 .

Рис. 3. Графический интерфейс пользователя MaximBPT и соответствующие инструкции во время процедуры калибровки.

После того, как пользователь создал идентификатор или выбрал существующий идентификатор, пользователь измеряет АД с помощью эталонного устройства и записывает измерения систолического и диастолического АД (в мм рт. ст.) в приложении MaximBPT ( Рисунок 3 ). Важно, чтобы пользователь следовал инструкциям эталонного устройства, чтобы обеспечить точное измерение.

Сбор данных PPG приложением MaximBPT

После того, как пользователь соберет эталонные значения, он следует инструкциям приложения MaximBPT для калибровки.

После нажатия кнопки Измерить АД на экране ( Рисунок 3 ) пользователь прикладывает палец к датчику ФПГ. Приложение MaximBPT собирает необходимые значения BP. После завершения сбора калибровочных данных PPG приложение возвращает значение сигнала успех ( Рисунок 4 , скриншот слева). Процесс занимает примерно одну минуту.

Если калибровка не будет завершена в течение минуты, приложение вернет значение сигнала сбой (Рисунок 4, скриншот справа). Сбой может произойти, если качество сигнала PPG низкое (из-за низкой перфузии или артефактов движения).

Рис. 4. Обновления состояния выполнения калибровки в приложении Android ^® .

Протокол измерения

Подготовка субъекта
Подготовка субъекта перед измерением АД идентична подготовке перед калибровкой.

Измерение АД
На рис. 5 показан графический интерфейс пользователя для записи измерения АД. После того, как пользователь подготовлен, он выбирает соответствующий идентификатор пользователя на экране Create/Switch User . Затем пользователь нажимает кнопку Measure BP , которая инициирует захват системой измерений пользователя. Поскольку субъект держит палец на устройстве, значения АД будут сообщаться непрерывно.

Рис. 5. Графический интерфейс MaximBPT и соответствующие инструкции во время регулярных измерений.

Во время сбора данных PPG (захват пользовательских измерений) ход сбора будет отображаться в графическом интерфейсе ( рис. 6 ). После сбора данных ФПГ значения трендов АД для систолического и диастолического АД будут представлены в виде таблицы и в графическом формате, а статус сигнала изменится либо на Успешно , либо на Неудача , как описано в Сборе данных ФПГ с помощью MaximBPT. Приложение 9раздел 0026.

Пользователь может наблюдать измерения АД для каждого сердечного сокращения в графическом интерфейсе. Экран дисплея также предоставляет статистические значения только для текущего сеанса, такие как минимальные/максимальные значения АД.

После завершения измерения результаты будут добавлены в журнал истории. При нажатии кнопки BP HISTORY на экране приветствия GUI ( Рисунок 5 ) пользователь перейдет на страницу журнала истории, на которой перечислены калибровочные значения BP, измерения и трендовые значения, а также временные метки ( Рисунок 7 ).

Рис. 6. Графический интерфейс пользователя, отображающий значения трендов АД.

Рисунок 7. Пример экрана ИСТОРИЯ БП в приложении MaximBPT.

Методология оценки

Показатели точности

Для оценки алгоритма используются требования к точности Ассоциации по развитию медицинского оборудования (AAMI) (ANSI/AAMI/ISO 81060-2). Критерий 1 этого стандарта требует измерения АД таким образом, чтобы среднее значение ошибки оценки (MERR) было в пределах или равно ±5,0 мм рт. ст., а стандартное отклонение ошибки (STDERR) не должно превышать 8,0 мм рт. для измерения систолического и диастолического АД.

, где n — количество определений, а P _DUT и P _REF — определение АД тестируемым устройством и эталонным устройством соответственно.

Эти требования будут целью точности для MaximBPT в течение периода удержания калибровки, который определяется как 4 недели.

Результаты оценки

Набор данных для оценки основан на сборе данных, который был выполнен в независимой лаборатории клинических испытаний медицинских устройств, и соответствует нормативным ссылкам, упомянутым в стандартном документе ANSI/AAMI/ISO 81060-2. Эталонным устройством является сфигмоманометр с двойным аускультатором, и измерения проводились одновременно двумя медицинскими работниками. Данные PPG и эталонные измерения были собраны у 136 субъектов. Для оценки были отобраны 12 испытуемых, и их данные не использовались для разработки алгоритма.

Точность MaximBPT оценивалась путем запуска исполняемого файла MaximBPT в автономном режиме с образцами PPG от этих субъектов. Субъекты набора данных для оценки были выбраны таким образом, чтобы возраст, пол и уровни АД были аналогичны наборам данных, оставленным для разработки модели. Результаты оценки обобщены в Таблице 1 .

Таблица 1. Таблица точности набора данных для оценки

В этой таблице показано среднее (M _ERR ) и стандартное отклонение (STD _ERR ) ошибки оценки для посткалибровки (через несколько минут после калибровки, 28 образцов), постиндукционной (в состоянии покоя) , через несколько минут после возмущений АД, 72 пробы) и протоколы «от отдыха к отдыху» (в состоянии покоя, через 3–4 недели после калибровки, 216 проб). Каждый образец представляет собой разностный вектор двух пакетов данных, один из протокола калибровки и один из протокола испытаний.

Обратите внимание, что таблица точности таблицы 1 основана на самой последней версии алгоритма и может быть изменена.

Графики Блэнда-Альтмана

Бланд-Альтман — это графический метод сравнения двух количественных измерений. Диаграммы рассеивания различий между тестовым устройством и эталонным измерением по сравнению с фактической разницей артериального давления относительно значений калибровки обеспечивают хорошую визуализацию для оценок артериального давления и границ ошибок. Он обычно используется для оценки АД, как показано на рис. 9.0003 Рисунок 8 .

Рис. 8. Диаграмма рассеяния ошибки измерения по сравнению с истинным изменением АД для оценки MaximBPT в протоколе отдых-отдых (неделя 3/4).

Технические характеристики системы

В таблице 2 приведены основные технические характеристики системы, такие как диапазоны АД ​​или частоты сердечных сокращений, интервалы параметров, связанных с устройством и датчиком, для которых алгоритм выдает достоверные оценки; и подробности использования. Эти измерения и факторы окружающей среды, а также технические характеристики аппаратного и программного обеспечения следует учитывать при оценке системы.

Таблица 2. Системные требования и характеристики

Категория	Характеристики	Технические характеристики
БП В тренде	Принцип измерения	Оптический сигнал PPG от кончика пальца
	Диапазон измерения	Систолическое АД от 80 мм рт.ст. до 180 мм рт.ст., тренд ±30 мм рт.ст. Диастолическое АД от 50 мм рт.ст. до 120 мм рт.ст., тренд ±20 мм рт.ст.
	Время измерения	От 30 до 60 с
	Точность цели	AAMI/ISO 81060-2 (оценка по критерию 1) в течение 4 недель после калибровки
Пользователь	Популяция пациентов	от 22 до 65 лет
	Состояние субъекта	Отдых, не менее 5 минут
	Частота пульса в покое	От 50 до 95 ударов в минуту
	Измерение	Рука и спина поддерживаются, PPG берется из кончика пальца, палец находится на уровне сердца
Устройство	Тип устройства	Смартфон или носимые устройства
	Тип дисплея	Графический интерфейс приложения отображается на экране смартфона
	Условия эксплуатации	Средняя комнатная температура (от +20°C до +25°C) и влажность (от 30% до 50%)
	Приложение для Android	Android 8. 0 или выше; контролирует взаимодействие с пользователем, сохраняет результаты измерений
	Органы управления	Кнопки калибровки, измерения и истории
Сенсор	Частота дискретизации PPG	от 100 Гц до 200 Гц
	Платформы	МАКС30101/02, МАКС86150
	Индекс перфузии (PI)	от 0,1% до 5%

Факторы, влияющие на показания АД

Следующие факторы значительно изменяют показания АД для традиционных устройств для измерения АД на основе манжеты и/или системы измерения АД на основе PPG компании Maxim.

Манжета для измерения артериального давления слишком мала

Важно убедиться, что на плече пациента используется манжета для измерения артериального давления подходящего размера. На самом деле, многие ошибки измерения происходят из-за того, что не было потрачено время на то, чтобы определить, попадает ли окружность руки пациента в диапазон индикаторов на манжете. Исследования показали, что использование слишком маленькой манжеты может привести к увеличению систолического АД пациента до 10 мм рт.ст. (Максвелл)

Манжета для измерения артериального давления, используемая поверх одежды

Во время измерения манжету всегда следует надевать непосредственно на руку обследуемого. Исследования показали, что измерение АД поверх одежды или в тесной одежде, задранной вверх, может привести к значительным ошибкам в измерении АД. (Ривз; Хендлер)

Субъект не находится в состоянии покоя

Для получения точных измерений важно, чтобы испытуемый спокойно расслабился в удобном кресле в течение как минимум 5 минут перед измерением. Такие действия, как физические упражнения, разговоры, питье или прием пищи, могут повлиять на систолическое АД на 10–20 мм рт. ст. (Чжэн)

Позиционирование субъекта

Во время измерения испытуемый всегда должен сидеть в удобном кресле, ноги не скрещены, спина и рука должны поддерживаться. Если спина субъекта не поддерживается, диастолическое измерение может быть увеличено на 5–10 мм рт. ст. Скрещивание ног повышает систолическое АД на 2–8 мм рт. ст. Расположение плеча ниже уровня сердца также приведет к более высоким результатам измерения, тогда как расположение плеча выше уровня сердца приведет к более низким значениям АД. Эти различия могут увеличивать/уменьшать систолическое АД на 2 мм рт.ст. на каждый дюйм выше/ниже уровня сердца. (Перлофф; О’Брайен; Хэндлер)

Эмоциональное состояние

Стресс или тревога могут вызвать значительное повышение АД. Если измерение АД проводится, когда субъект думает о чем-то, что вызывает напряжение или стресс, уровень АД может значительно возрасти. (Перлофф)

Курение/алкоголь/кофеин

Употребление табачных изделий (сигареты, сигары, бездымный табак), алкоголя или кофеина (газированные напитки, кофе, чай) вызывает скачки уровня АД. Следовательно, субъект должен воздерживаться от курения/употребления алкоголя/кофеина по крайней мере за 30 минут до проведения измерения. (Джеймс; Сурок; Гроппелли)

Температура

BP имеет тенденцию к увеличению, когда температура среды измерения низкая. (Альперович; Барнетт)

Полный мочевой пузырь

АД ниже, когда мочевой пузырь пуст. По мере того, как мочевой пузырь постепенно наполняется, АД повышается. Исследования показали, что показатели систолического АД могут увеличиваться на 10–15 мм рт. ст. при полном мочевом пузыре. (Скульта)

Ссылки/другие ресурсы

Чокалингам, Арун; Кэмпбелл, Норман Р.; и Дж. Джордж Фодор. «Всемирная эпидемия гипертонии». Канадский журнал кардиологии. том. 22, нет. 7, 2006, с. 553.

Эльгенди, Мохамед. «Об анализе сигналов фотоплетизмограммы кончиков пальцев». Текущие обзоры кардиологии. том. 8, нет. 1, 2012, стр. 14–25.

Шин, Хангшик и Се Дон Мин. «Технико-экономическое обоснование неинвазивной оценки артериального давления на основе морфологии ППГ: исследование нормотензивного субъекта». Биомедицинская инженерия онлайн. том. 16, нет. 1, 2017, с. 10.

Максвелл, Мортон Х.; Шрот, Филип С .; Вакс, Авраам У .; Карам, Марун; и Лесли П. Дорнфельд. «Ошибка измерения артериального давления из-за неправильного размера манжеты у пациентов с ожирением». Ланцет. том. 320, нет. 8288, 1982, стр. 33–36.

Хендлер, Джоэл. «Важность точного измерения артериального давления». Постоянный журнал. том. 13, нет. 3, 2009, с. 51.

Ривз, Ричард А. «У этого пациента гипертония? Как измерить артериальное давление». ЯМА . 1995, том. 273, нет. 15, стр. 1211–128.

Чжэн, Динчан; Джованнини, Роберто; и Алан Мюррей. «Влияние дыхания, разговора и мелких движений тела на измерение артериального давления». Журнал гипертонии человека . об. 26, нет. 7, 2012, с. 458.

Перлофф, Дороти; Грим, Карлин; Флэк, Джон; Фролих, Эдвард Д.; Хилл, Марта; Макдональд, Мэри; и Брюс З. Моргенштерн. «Определение артериального давления человека с помощью сфигмоманометрии». Тираж. том. 88, нет. 5, 1993, стр. 2460–2470.

О’Брайен, Эоин и др. «Практические рекомендации Европейского общества гипертонии по клиническому, амбулаторному и самостоятельному измерению артериального давления». Журнал гипертонии . об. 23, нет. 4, 2005 г., стр. 697–701.

Джеймс, Джек Э. «Критический обзор диетического кофеина и артериального давления: взаимосвязь, к которой следует относиться более серьезно». Психосоматическая медицина. том. 66, нет. 1, 2004 г., стр. 63–71.

Мармот, Майкл Г. и др. «Алкоголь и артериальное давление: исследование INTERSALT». Клинические исследования BMJ . об. 308, нет. 6939, 1994, стр. 1263–1267.

Гроппелли, Антонелла; Джорджи, Данте М .; Омбони, Стефано; Парати, Джанфранко; и Джузеппе Манча. «Стойкое повышение артериального давления, вызванное интенсивным курением». Журнал гипертонии . об. 10, нет. 5, 1992, стр. 495–499.

Альперович, Анник; Лакомб, Жан-Марк; Ханон, Оливье; Дартиг, Жан Франсуа; Ричи, Карен; Дюсиметьер, Пьер; и Кристоф Цурио. «Взаимосвязь между артериальным давлением и температурой наружного воздуха в большой выборке пожилых людей: исследование в трех городах». Архив внутренних болезней . об. 169, нет. 1, 2009 г., стр. 75–80.

Барнетт, Адриан; Санс, Сюзанна; Саломаа, Вейкко; Кууласмаа, Кари; и Аннет Дж. Добсон (Проект ВОЗ «Моника»). «Влияние температуры на систолическое артериальное давление». Мониторинг артериального давления . об. 12, нет. 3, 2007 г., стр. 195–203.

Скултети, С.; Варга, Б.; и Д. Сабо. «Влияние растяжения мочевого пузыря на кровяное давление ». Международная урология и нефрология . об. 3, нет. 1, 1971, стр. 11–19.

Типы, схема выводов, схема и ее применение

Информация о частоте сердечных сокращений очень полезна при выполнении упражнений, активном обучении и т. д. Но измерение частоты сердечных сокращений представляет собой сложную проблему. Таким образом, датчик пульса используется для решения этой проблемы. Этот датчик представляет собой датчик сердечного ритма с функцией «включай и работай», который используют артисты, студенты, спортсмены, разработчики мобильных устройств и игр, производители, которые хотят знать существующие данные о сердечном ритме для использования в своих живых проектах.

Этот датчик объединяет простой оптический датчик сердечного ритма в цепь. Эта схема используется для шумоподавления и усиления, чтобы очень быстро получать согласованные показания пульса. Он использует мощность 4 мА при напряжении 5 В, поэтому он очень полезен в мобильных приложениях. В этой статье рассматривается обзор датчиков пульса и их работа с приложениями.

Датчик с функцией plug-and-play, который используется для получения данных о частоте сердечных сокращений, называется датчиком пульса. Этот датчик используется спортсменами, студентами, разработчиками мобильных устройств и игр и т. д. Этот датчик крепится к мочке уха или кончику пальца, подключаясь прямо к плате Arduino с помощью соединительных кабелей. В режиме реального времени частоту пульса можно отслеживать с помощью приложения для мониторинга с открытым исходным кодом.

Конфигурация контактов датчика пульса

Здесь импульсный сигнал представляет собой изменение уровня крови, которое происходит, когда сердце выталкивает кровь, а датчик отслеживает изменение объема крови. Существует четыре метода определения частоты сердечных сокращений, такие как фотоэлектрическая пульсовая волна, электрокардиограмма, фонокардиография и измерение АД, но датчик пульса использует фотоэлектрический метод.

Типы импульсных датчиков

Импульсные датчики можно разделить на два типа в зависимости от метода измерения фотоэлектрических импульсных волн, таких как передача и отражение.

Передающий

Датчик пульса передающего типа измеряет импульсные сигналы, генерируя инфракрасный или красный свет от поверхности человеческого тела. Сигналы могут быть сгенерированы путем обнаружения изменения потока крови во время сердечных сокращений. Этот метод ограничен некоторыми областями, через которые свет может просто проходить, например, через мочку уха или кончик пальца.

Отражение

Импульсный датчик отраженного типа, используемый в настоящее время, называется ROHM. Датчики этого типа используются для генерации инфракрасного, красного или зеленого света, направленного на тело человека, и измеряют свет, который отражается через фототранзистор или фотодиод.

В артериях человеческого тела насыщенный кислородом гемоглобин обладает свойством поглощать свет. Таким образом, определяя скорость кровотока, которая вовремя изменяет сокращение сердца, мы можем вычислить сигнал пульса. Измерение сигнала пульсовой волны с использованием ИК-излучения или света красного цвета может осуществляться через ИК-лучи, ограниченные солнечным светом, чтобы избежать стабильной работы. По этой причине рекомендуется использовать полув помещении или в помещении.

Для измерения пульсовой волны на открытом воздухе источник света зеленого цвета имеет высокую степень поглощения гемоглобином крови. Таким образом, тип ROHM использует светодиоды зеленого цвета в качестве источника света для передачи.

Комплект датчика пульса

Комплект датчика пульса включает следующее.

• Кабель с цветовой маркировкой, 24 дюйма, включая штекерный разъем. Его можно легко подключить к плате Arduino или проекту без пайки

.

• Ушной зажим, в котором задняя сторона этого зажима приклеена горячим клеем к задней стороне датчика, чтобы его можно было легко носить на мочке уха.

Точки-липучки

• имеют идеальный размер со стороны зажима датчика и используются для оборачивания вокруг пальца.
• Ремешок на липучке используется для того, чтобы обернуть датчик примерно до пальца.
• Прозрачные наклейки-3 используются на передней стороне датчика, чтобы защитить его от потных мочек ушей и жирных пальцев.
• Этот датчик имеет три отверстия на внешнем крае, чтобы вшить его во что угодно.

Конфигурация контактов

Конфигурация контактов датчика пульса включает три контакта, которые обсуждаются ниже.

• Контакт 1 (заземление): Это провод черного цвета, используемый для подключения к клемме GND системы
• Контакт 2 (Vcc): Это провод красного цвета, используемый для подключения к источнику питания +3,3 В/+5 В
• Контакт 3 (Сигнал): Это провод фиолетового цвета, используемый для подключения пульсирующего выходного сигнала

Характеристики и характеристики

Особенности датчика пульса включают следующее.

• Это датчик частоты сердечных сокращений/биометрический датчик частоты пульса
• Это датчик типа plug & play
• Рабочее напряжение этого датчика составляет +5 В/+3,3 В
• Потребляемый ток 4 мА
• Длина 0,625 дюйма
• Ширина 0,125
• Интегральное усиление
• Цепь шумоподавления

Характеристики датчика пульса включают следующее.

• Максимальный ток 100 мА
• Светодиод выхода дедукции сердцебиения
• VCC — это +5 В постоянного тока благодаря высококачественной регулировке
• Источник света – суперкрасный светодиод 660 нм
• Уровень выходных данных составляет 5 В ТТЛ

Принцип работы датчика пульса

Принцип работы датчика пульса чрезвычайно прост. Этот датчик включает в себя две стороны, где первая сторона связана со светодиодом, включая датчик внешней освещенности, а другая сторона связана со схемой. Эта схема помогает в шумоподавлении, а также в усилении.

С лицевой стороны светодиод подключается к вене тела человека (кончик уха или кончик пальца), однако располагаться он должен непосредственно над веной. Светодиод излучает свет, который падает прямо на вену.
Вены в теле будут течь внутри них, как только сердце начнет качаться. Итак, если мы проверим кровоток, мы также сможем проверить сердцебиение. Если заметен кровоток, то датчик, такой как окружающий свет, будет получать больше света, поскольку они будут отражаться через кровь, это небольшое изменение в полученном свете можно вовремя проанализировать, чтобы определить наше сердцебиение.

Схема датчика пульса

Интерфейс датчика пульса с помощью Arduino показан ниже. Здесь датчик, используемый в этом, представляет собой датчик сердечного ритма plug & play. Этот тип датчика довольно прост для понимания, а также для работы. Поместите датчик пульса на палец, и он обнаружит сердцебиение, обнаружив изменения в свете от увеличения кровеносных сосудов.

Интерфейс датчика пульса с Arduino

Соединение датчика пульса с Arduino можно сделать следующим образом.

• Контакт GND датчика подключен к контакту GND Arduino
• Контакт VCC датчика подключен к 5V Arduino
• Контакт «A0» датчика подключен к A0 Arduino

.

• После этого светодиод необходимо подключить к контакту 13 и контакту GND Arduino. Таким образом, светодиод будет мигать в зависимости от сердцебиения.

Как пользоваться датчиком пульса?

При использовании датчика пульса очень важно правильное его подключение. Такой датчик можно заклеить виниловой лентой, горячим клеем. И т. д. Также рекомендуется не использовать мокрые руки при работе с этими датчиками.

Гладкая сторона этого датчика должна быть подсоединена к верхней части вены, и на нее должен быть наложен небольшой прижим, это давление может быть достигнуто с помощью липучек или зажимов. Этот датчик можно активировать, подав на него напряжение, а также на контакты GND. Этот датчик использует 3,3 В или 5 В.

После подачи питания на схему сигнальный контакт можно подключить к контакту аналого-цифрового преобразователя контроллера, чтобы проверить изменение выходного напряжения.