Hệ thống tiếp ựất ựẳng thế

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2.2.1.2 Hệ thống tiếp ựất ựẳng thế

Hệ thống tiếp ựất ựiện trở nhỏ ựảm bảo phòng chống nguy cơ giật ựiện vi mô lẫn vĩ mô.

Hình 2.10 Hệ thống tiếp ựất ựẳng thế [1]

Hệ thống tiếp ựất ựẳng thế bảo vệ các bệnh nhân, cũng như người sử dụng thiết bị ựiện an một cách an toàn qua việc giữ cho tất cả các bề mặt dẫn ựiện và các ựiểm tiếp ựất xung quanh bệnh nhân ở một ựiện thế như nhaụ Hệ thống này bảo vệ ựược bệnh nhân ngay cả khi hệ thống tiếp ựất ở khu vực lân cận có sự cố.

Trong hệ thống này tất cả ựất của hộp ựiện và các mặt dẫn ựiện gần bệnh nhân ựược nối với với ựiểm ựất thiết bị bệnh nhân. Mỗi ựiểm ựất thiết bị bệnh nhân ựược nối với ựiểm ựất tham chiếu, ựiểm ựất tham chiếu này hình thành một kết nối ựơn với ựất

điểm ựất thiết bị bênh nhân khác

Hộp ựiện Tới các ựiểm ựất thiết bị bệnh nhân khác điểm ựất tham chiếu

của tòa nhà. Nếu hiệu ựiện thế cực ựại giữa hai bề mặt kim loại bất kỳ nào ựược giữ dưới mức 5mV, thì dòng ựiện qua bệnh nhân có ựiện trở 500 Ω sẽ không vượt quá 10ộẠ Các hệ thống này có dây nối ựất rất lớn và cồng kềnh lộ ra khỏi thiết bị.

2.2.1.3 Hệ thông phân phối ựiện cách ly

để giải quyết triệt ựể ảnh hưởng của dòng tiếp ựất người ta dùng hệ thống phân phối ựiện cach ly như hình dướị

Hình 2.11 Hệ thống phân phối ựiện cách ly [1]

Các biến áp cách ly tạo ra các hệ thống cách ly ựường dây bằng cách làm gián ựoạn các ựường nối trực tiếp với ựất trung tắnh. Các biến áp cách ly ựược thiết kế theo hướng giảm chênh lệch ựiện thế tới 5mV giữa ống dẫn dịch và vỏ thiết bị hoặc ựất. Các thiết bị này ựược sử dụng trong các phòng phẫu thuật.

Trong các hệ thống này sử dụng thêm các thiết bị theo dõi cách ly ựường dây là một thiết bị theo dõi liên tục trở kháng của ựường dây nguồn ựược cách ly với ựất.

2.2.1.4 Bộ GFCI (Ground ỜFault Circuit Interrupter )

Là bộ ngắt mạch ựiện khi nối ựất gặp sự cố, thiết bị này sẽ tự ựộng ngắt nguồn ựiện cung cấp khi có sự cố tiếp ựất. Trong các thiết bị có dòng dò rất nhỏ thì dòng qua dây nóng sẽ bằng dòng qua dây trung tắnh. Bộ GFCI sẽ cảm nhận sự khác nhau giữa

Thiạt bỡ theo dâi cịch ly ệ−êng dẹy Chuềng bịo Biạn ịp nguăn cịch ly Cịc thiạt bỡ ệiỷn Nguăn ệiỷn xoay chiÒu Dẹy Trung tÝnh ậÊt

hai dòng ựiện ựó, gây ra do dòng ựiện dò, và ngắt nguồn khi dòng dò vượt giới hạn cho phép.

Hình 2.12 GFCI Ờ Bộ ngắt ựiện khi nối ựất gặp sự cố [1].

2.2.2 An toàn trong thiết kế thiết bị

Khi thiết kế thiết bị ựiện, nhất là thiết bị ựiện trong y tế, yêu cầu an toàn phải ựặt lên hàng ựầụ Sau ựây chúng ta sẽ xét một số tiêu chắ an toàn khi thiết kế thiết bị ựiện y tế.

- Hệ thống tiếp ựất tin cậy: Qua các phần trên chúng ta thấy vai trò rất quan trọng

của hệ thống tiếp ựất. Tiếp ựất thiết bị ựiện phải tuyệt ựối tuân thủ các quy ựịnh của các tiêu chuẩn cấp bệnh viện.

- Giảm thiểu dòng dò: Tuân thủ thiêu chuẩn dòng dò như ựã giới thiệu ở trên. Riêng cáp nguồn hiện nay trên thị trường ựã xuất hiện cáp có dòng dò nhở hơn 1ộA/m.

- Cách ly ựúp: Là giải pháp có thể phòng chống ựược cả nguy cơ vi mô lẫn nguy

cơ vĩ mô. Cách ly sơ cấp là một cách ly chức năng thông thường giữa vật dẫn và bệ máỵ Một lớp cách ly thứ cấp riêng biệt giữa bệ và vỏ máy sẽ giữ cho bệnh nhân ựược an toàn ngay cả khi sự cố tiếp ựất bệ máy xuất hiện.

Receptacle Rểle Cuén dẹy Khuạch ệỰi Cuén dẹy cờm ụng Hép ệiỷn Dây nóng Dây trung tắnh Dây an toàn Hép ệiỷn

- Vận hành ở ựiện áp thấp: Hiện nay, phần lớn các thiết bị ựiện tử vận hành bằng vi mạch bán dẫn ựều hoạt ựộng bằng pin, acqui ựiện áp thấp, hoặc biến thế cách ly ựiện áp thấp. Nguy cơ vi mô có thể ựược loại trừ nếu ựiện áp này ựủ nhỏ, kể cả khi xuất hiện tiếp xúc với da ướt.

- Mạch ựiện ựiều khiển chân phải: đây là một cấu trúc mà các nhà thiết kế các hệ

thống ựo và theo dõi tắn hiệu sinh học dùng ựể giảm nhiễu và cách ly rất tốt với bệnh nhân. Với những bộ khuếch ựại thuật toán ựời mới, dòng dò qua bệnh nhân có thể ựạt dưới 1ộA ở ựiều kiện thường.

- Khuếch ựại cách ly: Cấu trúc này ựang ựược các nhà thiết kế sử dụng rất rộng

rãi trong các thiết bị ựo và theo dõi tắn hiệu sinh học. Nhờ kỹ thuật này mà bệnh nhân hoàn toàn ựược thả nổi so với thiết bị và môi trường xung quanh. Vì vậy mà nó ựược ựánh giá là phương pháp tốt nhât ựể bảo vệ bệnh nhân cả về nguy cơ vi mô lẫn nguy cơ vĩ mô.

- Bố trắ, nối dây nguồn và hệ thống nối ựất thắch hợp: Trong an toàn ựiện, cách bố

trắ, nối dây nguồn và cách nối ựất cũng quan trọng như là các thiết bị vận hành bằng ựiện. Bốn sơ ựồ sau ựây mô tả cách bố trắ nguồn và cách nối ựất thắch hợp. Nguyên tắc chung của cả bốn cách này là phân phối nguồn từ một hộp ựấu nối trung tâm và giữ sao cho tất cả các dây nối tới các ổ cẳm có ựộ dài xấp xỉ bằng nhau, ựặc biệt là các dây nối

2.3 Cơ sở bộ ngắt dòng dò khi nối ựất gặp sự cố

2.3.1 Cơ sở cảm ứng ựiện từ, áp dụng ựo cường ựộ dòng ựiện

2.3.1.1 Các ựịnh luật, hiện tượng cảm ứng ựiện từ

Năm 1831 Michael Faraday ựã chứng tỏ từ trường biến thiên có thể sinh ra dòng ựiện.

Hình 2.14 Thắ nghiệm của Michael Faraday về tác dụng của từ trường biến thiên.

Ông tiến hành làm thắ nghiệm với một nam châm di chuyển trong một cuộn dây ựiện quấn nhiều vòng và rút ra các kết luận sau:

- Từ thông gửi qua mạch kắn biến ựổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng

ựiện cảm ứng trong mạch ựó.

- Dòng ựiện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kắn biến

ựổị

- Cường ựộ dòng ựiện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc ựộ biến ựổi của từ thông.

- Chiều của dòng ựiện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi

qua mạch.

Đồng thời với Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng ựiện từ và ựã tìm ra ựịnh luật tổng quát giúp ta xác ựịnh chiều của dòng ựiện cảm ứng, gọi là ựịnh

luật Lenz. Nội dung ựịnh luật như sau: Dòng ựiện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.

Hình 2.15 Từ thông biến thiên sinh ra suất ựiện ựộng cảm ứng khi dịch chuyển vòng dây dẫn trong từ trường

Từ thông qua một vòng dây biến thiên cũng sinh ra trên ựó một suất ựiện ựộng cảm ứng [3]:

d

dt

φ

ξ = − (2.2)

Dấu Ờ thể hiện: Suất ựiện ựộng cảm ứng trên vòng dây ựiện bằng về trị số, nhưng có chiều chống lại biến thiên từ thông gửi qua vòng dây ựó.

Từ trường biến thiên sinh ra dòng ựiện cảm ứng, và theo ựịnh luật Ampe, dòng ựiện chảy trong một dây dẫn cũng sinh ra quanh nó một từ trường.

Xét trường hợp hai vòng dây dẫn C1 và C2 ựặt cạnh nhau:

Trên vòng dây thứ nhất C1 có dòng ựiện I1 biến thiên chạy quạ Do I1 biến ựổi nên từ trường do C1 gây ra cũng biến ựổi và từ thông mà C1 gửi qua C2 cũng biến ựổi theọ Kết quả là trong vòng C2 cũng suất hiện một dòng ựiện I2, hay một suất ựiện ựộng ξhc biến thiên tương ứng với dòng ựiện I1. đó chắnh là hiện tượng hỗ cảm.

Từ thông do dòng ựiện I1 gây ra trên C2 ựược tắnh theo công thức [3]:

1 M I1

φ = ∗ (2.3)

Trong ựó:

- M là hệ số hỗ cảm của vòng dây C1 lên C2

- I1 là cường ựộ dòng ựiện chạy trên C1

- φ1 là từ thông I1 gây ra trên C2

Suất ựiện dộng hỗ cảm sinh ra trên cuộn C2 dưới tác ựộng của dòng ựiện I1 [3]:

1 1 i hc d d M dt dt φ ξ = − = − (2.4)

Hiện tượng hỗ cảm là nguyên lý chắnh cho các máy biến áp, và cũng là nguyên lý chắnh áp dụng ựể xây dựng phần tử cảm biến dòng ựiện dò trong mạch ngắt dòng dò.

2.3.1.2 Áp dụng chế tạo cảm biến dòng ựiện dò

Trong hình 2.17 là nguyên lý cấu tạo của cảm biến dòng dò. Dòng ựiện trên dây lửa IH và dòng ựiện trên dây trung tắnh là IN.

Suất ựiện ựộng cảm ứng gây ra trên cuộn thứ cấp là:

( H N) ( IH IN ) H N d d d d n M M dt dt dt dt φ φ ξ = − + = − + (2.5) Trong ựó:

- φH, φN là từ thông do dây lửa và dây trung tắnh gây ra trên cuộn thứ cấp.

- MH và MN lần lượt là hệ số hỗ cảm của dây lửa và dây trung tắnh ựối với cuộn

dây sơ cấp. Có thể coi MH = MN = M.

- n là số vòng dây trên cuộn thứ cấp.

Nếu không có dòng ựiện dò thì dòng ựiện trên dây lửa và dây trung tắnh sẽ có cùng ựộ lớn nhưng ngược chiều, tức là :

0

H N

I I

d +d = (2.6)

Nếu có dòng ựiện dò Id thì dòng ựiện trên dây lửa và dây trung tắnh sẽ khác nhau một lượng ựúng bằng Id. Khi ựó:

H N d

I I I

d +d = d (2.7)

Thay vào công thức (2.5) ta có công thức tắnh suất ựiện ựộng cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp theo dòng ựiện dò:

* (dId)

n M dt

ξ = −

Trong ựó:

- ξ là suất ựiện ựộng cảm ứng xuất hiện trên hai ựầu cuộn dây thứ cấp do dòng ựiện dò Id gây ra chênh lệch trên hai dây lửa và dây trung tắnh.

- n là số vòng dây trên cuộn sơ cấp

- M là hệ số hỗ cảm của hai dây lửa và dây trung tắnh lên cuộn dây thứ cấp, trong

giá trị của M là hệ số chứa các tham số như số vòng dây cuốn của dây lửa và dây trung tắnh, cũng như chất liệu dây, kắch thước vòng dây, các hệ số này có thể coi là hằng sô.

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ BỘ NGẮT DÒNG DÒ

3.1 Giới thiệu một số linh kiện cho thiết kế mạch 3.1.1 Cảm biến dòng ựiện dò

Cảm biến dòng ựiện chênh lệch trên dây lửa và dây trung tắnh. Cấu tạo gồm 1 lõi sắt từ, dây lửa và dây trung tắnh ựược quấn 2 vòng trên cuộn sắt từ (gọi là 2 cuộn sơ cấp), cuộn thứ cấp gồm 100 vòng dây ựồng quấn trên lõi sắt từ.

Hình 3.1 Cảm biến dòng ựiện dò Hình 3.2 đồ thị kết quả test. Dây lửa Dây Trung tinh Cuộn dây thư cấp Lõi Sắt từ 20-08-2011

đồ thị test thể hiện qua hệ giữa dòng ựiện I chênh lệch trên dây lửa và dây trung tắnh và suất ựiện ựộng cảm ứng Volt trên cuộn dây sơ cấp. đồ thị ựược xây dựng từ quá trình thực nghiệm thay ựổi dòng ựiện dò và ựo suất ựiện ựộng cảm ứng. Từ kết quả ựo ựạc và ựồ thị thể hiện quan hệ giữa Volt và I trong phạm vi từ dòng dò từ 0.0005 A ựến 0.1A là tuyến tắnh.

3.1.2 Vi ựiều khiển AVR atmega16

ATmega16 là một vi ựiều khiển 8 bit thuộc dòng vi ựiều khiển AVR của hãng Amelt. đây là một vi ựiều khiển khá mạnh ựáp ứng ựầy ựủ các yêu cầu ựặt ra của sản phẩm cả về tắnh năng và giá thành.

3.1.2.1 Cấu trúc vi ựiều khiển ATmega16

Là vi ựiều khiển 8 bit thuộc dòng AVR có hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp

Ớ Kiến trúc RISC cao cấp

-Tập lệnh gồm 131 lệnh, nhiều lệnh thực thi trong một chu kỳ - 32 thanh ghi làm việc ựa năng

- Tốc ựộ thực thi là 16MIPS ở tần số 16MHZ - Lệnh nhân trên chip mất 2 chu kỳ máy

Ớ Bộ nhớ chương trình và dữ liệu

- Bộ nhớ chương trình lên tới 16K byte chịu ựược 10.000 lần ghi xoá - 512 byte eeprom chịu ựược 100000 lần ghi xoá

- 1K byte Sram

- Chế ựộ bảo vệ bộ nhớ

Ớ Ngoại vi

- 2 Timer 8 bắt với các bộ chia tần riêng biệt và chế ựộ so sánh - 1 Timer 16 bit với các bộ chia tần riêng biệt và chế ựộ so sánh - RTC với thạch anh ngoài

- 4 kênh ựiều chế ựộ rộng xung PWM - 8 kênh ADC , 10 bit

- 8 kênh ựầu vào ựơn

- Chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART Ớ I/O và đóng gói - 32 ựường I/O - 40-chân Ớ điện áp hoạt ựộng - 2.7v - 5.5v với Atmega16L - 4.5v Ờ 5.5v với Atmega16 Sơ ựồ chân

Hình 3.3 Sơ ựồ chân vi ựiều khiển Atmega16 loại 40 chân và 44 chân [8]

4.1.2.2 Bộ chuyển ựổi ADC

Vi ựiều khiểnATmega16 có một bộ biến ựổi ADC tắch hợp trong chip với các ựặc ựiểm:

- độ phân giải 10 bit

- Sai số tuyến tắnh: 0.5LSB

- độ chắnh xác +/-2LSB

- Thời gian chuyển ựổi:65-260ộs

- 8 Kênh ựầu vào có thể ựược lựa chọn

- Có nguồn báo ngắt khi hoàn thành chuyển ựổi

- Loại bỏ nhiễu trong chế ựộ ngủ

Tám ựầu vào của ADC là tám chân của PORTA và chúng ựược chọn thông qua một MUX.

để ựiều khiển hoạt ựộng vào ra dữ liệu của ADC và CPU chúng ta có 3 thanh ghi: ADMUX là thanh ghi ựiều khiển lựa chọn kênh ựầu vào cho ADC, ADCSRA là thanh ghi ựiều khiển và thanh ghi trạng thái của ADC, ADCH và ADCL là 2 thanh ghi dữ liệụ

- ADMUX: Multiplexer select register

đây là thanh ghi ựiều khiển 8 bit.

Hinh 3.6 Thanh ghi ADMUX [8]

Với 4 bit ựược ựịnh nghĩa là MUX3, MUX2, MUX1,và MUX0, ứng với các tổ hợp logic ta có thể chọn kênh ựầu vàọ

Bàng 3.1 Chọn kênh ựầu vào bộ ADC của Atmega16 [8]

Các bit REFS1 và REFS0 dùng ựể chọn giá trị ựiện áp tham chiếu cho ADC, như sau:

Bảng 3.2 Chọn giá trị ựiện áp tham chiếu cho bộ ADC [8]

Chú ý rằng nếu như ta thay ựổi kênh trong thời ựiểm mà ADC ựang chuyển ựổi thì khi quá trình chuyển ựổi ựã hoàn thành thì kênh vào mới ựược thay ựổị

- ADCSR: ADC control and status register

đây là thanh ghi ựiều khiển và lưu trạng thái của ADC

Hình 3.7 Thanh ghi ADCSRA [8]

- Bit 7-ADEN:ADC enable

đây là bit ựiều khiển hoạt ựộng của ADC. Khi bit này ựược set 1 thì ADC có thể hoạt ựộng và ngược lạị Nếu như ta ngừng hoạt ựộng của ADC trong khi nó ựang chuyển ựổi thì nó sẽ kết thúc quá trình chuyển ựổị Mặc dù chưa chuyển ựổi xong.

- Bit 6-ADSC: ADC start conversion

Trong chế ựộ chuyển ựổi ựơn thì bit này phải ựược set lên 1 ựể bắt ựầu chuyển ựổị Trong chế ựộ chuyển ựổi tự do thì ADSC =1 ựể bắt ựầu lần chuyển ựổi ựầu tiên. Bit này ựược giữ sốt trong quá trình chuyển ựổi và ựược xóa khi mà chuyển ựổi xong.

Khi bit này ựược set thì ADC sẽ bắt ựầu chuyển ựổi mỗi khi có một nguồn kắch hoạt xuất hiện. Việc lựa chọn nguồn kắch hoạt ựược thực hiện bằng cách thiết lập các bit trong thanh ghi SFIOR.