呼吸机转换开关的设计与应用

摘要：从使用呼吸机病人角度出发，呼吸机在市电停电的情况下，呼吸机在一瞬间应该立即恢复供电，不然，对病人就有生命危险。呼吸机电源转换开关就是为解决这一问题而设计，此转换开关通过比较、延时自锁、延时驱动，控制呼吸机进行电源切换，提供给呼吸机正常的直流电源，保证呼吸机不间断地供电。
关键词：呼吸机；病人；电源切换；延时自锁

医用呼吸机通常使用24 V直流稳压电源，当交流电网掉电时，医用呼吸机无直流电源供给，从而造成呼吸机无法正常工作；而一般短延时的UPS电源在电网掉电时，最长提供给负载的电源，也只能保持30分钟左右，这对正在使用呼吸机的病人来说是远远不够的。而且一般的UPS电源价格较贵，病患家庭难以承受如此高昂的费用。为了解决这一问题，有必要设计一种应用于呼吸机的廉价、不间断电源。通过设计一种转换开关，当电网长时间掉电的情况下，自动转换为蓄电池供电，把蓄电池中的直流能量转换成一种能长时间不间断提供的直流稳压电源来供给呼吸机正常工作，从而达到以低廉的成本就能维持病人生命的目的。

1 总体设计
平时呼吸机由市电驱动工作，在交流电网断电时，比较器电路自动检测到断电直流压降，输出一个低电平信号，在设定的时间内，经过一级延时、自锁器、二级延时电路送给驱动器，驱动器执行开关转换动作，将呼吸机转为由电池组1供电；当电池组1长时间工作，电压降至预定值时，比较器电路检测到预定值压降，输出一个低电平信号，在设定的时间内，经过一级延时、自锁器、二级延时电路送给驱动器，驱动器执行开关转换动作，将呼吸机工作于电池1转为由电池组2供电；这样可以保证呼吸机在交流电网断电后有较长的工作时间。

这一工作方案总体设计由图1系统框图所示。它由比较器、一级延时、自锁器、二级延时、驱动器、呼吸机、市电以及电池组1和电池组2所组成。

2 元器件特性
2．1 LM339比较器
LM339由4组独立的精密电压比较器组成，具有低失调电压的特点。它特地为在较大的电压范围内单电源工作而设计，最大可在36 V直流下工作，但也可在双电源电压下工作，最大+18 V直流电源下工作。每一片LM339芯片内由4个比较器组成，每个比较器由一对同相输入端Q1和反相输入端Q4和一个输出端Q8组成；由图中可见，LM339输出是发射极接地NPN晶体管的集电极开路形式。集电极互连提供输出“或”功能。输出上拉电阻可连接任何电源电压，输出管吸入电流受有效驱动量和β的影响。达到最大限制电流(大约16 mA)，输出管要退出饱和，输出电压很快上升。

2．2 零状态响应
设电容在某瞬间t0，而在t0之前瞬间(to-)电路未加电压输入，而且自身电压处于零状态；在t0瞬间电路加上输入，由此而引起的响应定义为电路的零状态响应。因此，零状态响应是仅仅由于输入所引起的。零状态响应与输入有关。在恒定输入直流电源作用下，电路内的物理过程实质上是电容动态元件的储能从无到有的增长过程。因此，对RC电路来说，随着电容储能的增长，电容电压uc(t)也按指数规律在增长。即

其中uc(∞)为电容电压的稳态值(t=∞时的数值)，τ=RC。在t=∞时，电容相当于开路，可由此算出uc(∞)，它与输入电源有关。当uc(t)、uc(∞)、τ=RC确定时，就可以确定电容充电的时间长短。两边取对数，得


3 电路设计
3．1 比较器
图3的B1是比较器，在它的反相端4脚由电阻R2、二极管D5和发光二极管F1组成参数稳压器，在电源电压24 V时，使B1的4脚箝位在2．9 V电压，这时F1发光二极管正常发光，它有2个作用，第一个作用，起箝位电压作用，第二个起指示24 V电压正常供电的作用，其正常发光时电流为10mA左右。在B1比较器的同相端5脚由电阻R1、电位器W1和电阻R3组成串联分压器，通过调节W1，其分压范围在3．2～1．6 V范围。B1比较器的输出端2脚，由图2可知，LM339内部Q8是发射极接地NPN晶体管的集电极开路OC门形式，R4是其上拉电阻，R4接电容C1，当比较器输出高电平时，由于2脚是OC门形式，R4和C1组成串联电路，C1电容无法充电，当2脚输出低电平时，LM339内部Q8晶体管导通，R4和C1组成串联电路，C1这时开始充电。具体2脚是输出高电平还是低电平，是由B1比较器的4脚和5脚电压决定的，当5脚电压高于4脚电压，就输出高电平；当5脚电压低于4脚电压就输出低电平，完成电压比较的作用；因为B1比较器的5脚电压分压是在3．2～1．6 V范围，完全覆盖B1比较器4脚电压2．9 V，所以当5脚电压高于2．9 V，2脚就输出高电平，当5脚低于2．9 V，2脚就输出低电平，这一电平的输出，为后续的延时电路做准备。