用光電耦合器解決二氧化碳激光治療機的電磁干擾問題

【摘要】本文介紹了使用光電耦合隔離器解決了二氧化碳激光治療機的電磁干擾問題，以及光電耦合器的性能和工作原理，提出了抑制干擾而采取的電氣隔離的技術(shù)措施，從而保證了二氧化碳激光治療機的正常工作。

【關(guān)鍵詞】電子；電路；光電耦合器；二氧化碳激光治療機；電磁干擾

【中圖分類號】R-0【文獻標識碼】B【文章編號】1671-8801（2014）06-0346-02

1 引言

二氧化碳激光治療機是利用二氧化碳激光管發(fā)射出波長為10.6微米的激光束，對人體病灶組織進行切割、燒灼、汽化、凝固和照射治療。通常都是采用光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規(guī)手術(shù)提供了更多便利的條件，包括減少器械損傷，增加周圍組織被保護等，并且，更易保持無菌手術(shù)，二氧化碳激光手術(shù)刀具有切割能力強，組織吸收系數(shù)大，組織穿透深度?。s0.23mm），手術(shù)時不易傷及動脈血管等，使得二氧化碳激光治療機被大量用于激光外科手術(shù)臨床治療。

早期的二氧化碳激光治療機（以下簡稱治療機）的高壓激光電源，其工作原理是用調(diào)壓器調(diào)壓，經(jīng)升壓變壓器升壓、整流、濾波、倍壓電路，輸出26.5KV～17.0KV直流高壓?？刂齐娐酚媚_踏開關(guān)和繼電器組成的無源電路，不會產(chǎn)生因電磁干擾產(chǎn)生的誤動作。這是其優(yōu)點，但不能實現(xiàn)工作模式的選擇，如連續(xù)工作狀態(tài)，重復(fù)脈沖工作狀態(tài)，以及功率大小設(shè)定的預(yù)置功能，所以被逐步淘汰使用。數(shù)字電路的產(chǎn)生和發(fā)展是電子技術(shù)發(fā)展的重要標志。應(yīng)用單片機技術(shù)，可使治療機的控制實現(xiàn)智能化，提高治療機的自動化程序和控制精度。優(yōu)化了治療機控制器件的硬件結(jié)構(gòu)，提高了治療機的性價比。但在實際應(yīng)用中要解決單片機CPU的I/O口輸出端、輸入端對電感性負載驅(qū)動后產(chǎn)生的電磁干擾問題。因為二氧化碳激光器是利用氣體放電泵浦激勵制成的氣體激光器，二氧化碳激光電源輸出起輝電壓：DC26.5KV，工作電壓：DC17KV。因此，激光電源就是一個很強的干擾源?？梢砸饐纹瑱C系統(tǒng)的控制性能降低，使單片機電子設(shè)備的工作功能異?；騿适?，無法正常使用。必須想辦法切斷耦合路徑。

2.干擾源的產(chǎn)生

二氧化碳激光電源是升壓型開關(guān)電源，開關(guān)電源的設(shè)計核心其實就是升壓變壓器，由于變壓器的線包其實是電感，電感是儲能元件，儲存的是磁場能，其電壓與電流的關(guān)系： ，由電感元件的伏－安特性關(guān)系可以看出，接通和關(guān)斷變壓器線圈時，因為電感的電流不能突變，接通的時候，電流是緩慢上升的，感應(yīng)電壓UL不是很高，當線圈斷電時，電感的電流不能突變，根據(jù) 的關(guān)系式可知，當電感L一定時，電路產(chǎn)生的關(guān)斷狀態(tài)，導(dǎo)致電流突然消失，di/dt很高，感應(yīng)電壓UL也就很高，此時產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲一方面將沿著電源線通過傳導(dǎo)耦合至控制電路的I/O端口，另外一方面通過空間耦合干擾，從而對系統(tǒng)的控制電路產(chǎn)生影響，干擾單片機控制電路的正常工作，嚴重時導(dǎo)致治療機設(shè)備控制功能的異常，無法正常使用。

3.如何解決電磁兼容問題

電磁兼容技術(shù)的根本任務(wù)是使處于同一電磁環(huán)境中的各種電氣、電子元件或系統(tǒng)能夠互不干擾而正常工作，達到所謂“兼容”狀態(tài)，已知干擾源是由于感性負載元件產(chǎn)生，通過電源線的地線連接到信號線的地線傳導(dǎo)至控制線的I/O端口。有二種去耦的方法可供選擇，一種是用去耦電容，其主要功能就是旁路接地，以減小開關(guān)噪聲在線路板上的傳導(dǎo)和將噪聲旁路到地；另一種方法是采用光電耦合隔離器，切斷干擾源的傳導(dǎo)，經(jīng)測試分析，采用光電耦合器，具有很高阻抗的共模干擾隔離效果，能保證治療機運行可靠、穩(wěn)定，其性價比優(yōu)越，故采用光電耦合器方法來實現(xiàn)電磁兼容。

4.光電耦合器件簡介

光電耦合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電－光和光－電的轉(zhuǎn)換器。

當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光（即在電信號的作用下，將其傳導(dǎo)電流變?yōu)榉莻鲗?dǎo)電荷）。當光敏元件受到光照產(chǎn)生電流（即在光輻射作用下，將其非傳導(dǎo)電荷變?yōu)閭鲗?dǎo)電荷）。

光電耦合器之所以在傳導(dǎo)信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使傳導(dǎo)導(dǎo)線上的信號噪聲比大為提高，主要有以下幾個方面的原因：

1、光電耦合器的輸入阻抗很小，因為數(shù)字信號的電阻數(shù)值為每米若干毫歐姆（mΩ/m），而干擾源的阻抗較大，當?shù)鼐€與其他導(dǎo)體相距較遠時，地線的電感為每米0.8μH。通常特性阻抗一米長的地線對f=10MHz的正弦信號電源所呈現(xiàn)的感抗為：XL=2πfL約等于50Ω，電流流經(jīng)地阻抗造成的干擾稱為地阻抗干擾。感抗是地阻抗干擾的主要原因，因此要減小地阻抗的干擾。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電流會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使發(fā)光二極管發(fā)光，而被抑制掉了。

2、光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有直接的電氣連接，只有單向的光輻射連接，也沒有共地相連；兩者之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此，回路一邊的各種噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻耦合干擾信號的產(chǎn)生。

3、光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞電路元件，因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。

5.二氧化碳激光治療機控制板的隔離輸出

部分。它們之間通過光傳輸信息，不存在電氣上的連接。光耦輸入端和普通的發(fā)

光二極管驅(qū)動完全一樣，一般電流為20mA。.從輸出端可以看到輸出用的電源的電壓大小與地和輸入端完全不同，通過隔離方式（如圖1所示）電路把電壓從單片機的5V轉(zhuǎn)換成12V的輸出 ，也就是Port端的電壓是0V和12V兩種狀態(tài)。

圖1 是基本的光電隔離電路，電路分為兩個部分：光電輸入部分和輸出

治療機的單片機控制板有兩路I/O輸出端口，控制激光電源的工作，通過光電耦合隔離器，提供兩路控制信號給二氧化碳激光電源。一路由PWM端口提供0～5V的模擬電壓，控制激光器的輸出功率范圍在0～30W內(nèi)。另一路輸出TTL低電平控制激光器的發(fā)射出光。腳踏輸入信號通過光電耦合器與單片機的輸入端相連。

6.結(jié)束語

采用單片機控制二氧化碳激光治療機，可實現(xiàn)工作模式的選擇，有連續(xù)模式、重復(fù)脈沖模式和單脈沖模式，激光輸出功率可預(yù)置設(shè)定等智能化控制。在首次產(chǎn)品開發(fā)時，由于沒有使用光電耦合器，治療機在測試階段發(fā)現(xiàn)電磁干擾會引起治療機設(shè)備無法正常工作。采用了光電隔離技術(shù)后，治療機設(shè)備具有了電磁兼容能力。為了使治療機設(shè)備能可靠運行，將干擾源部分和單片機控制部分分隔開。它們之間沒有電荷的傳導(dǎo)連接，只有單向的光輻射連接，實現(xiàn)了切斷干擾源的耦合路徑。經(jīng)過測試驗證的結(jié)果表明，使用了光電耦合器的單片機控制板，可為治療機提供穩(wěn)定、可靠的控制信號，能保證二氧化碳激光治療機長期穩(wěn)定的工作。

參考文獻：

[1]尚開明 #8226;電磁兼容及系統(tǒng)整機測試技術(shù)#8226;北京：電子工業(yè)出版社 2013

[2]江文杰，施建華，謝文科，馬浩統(tǒng)，曾學(xué)文#8226;光電技術(shù)#8226;北京：科學(xué)出版社 2014

作者簡介：張紹敏：男，1956出生，祖籍：廣東省廣州市，大專學(xué)歷，副高級工程師，廣州市激光技術(shù)應(yīng)用研究所有限公司任職，長期從事與激光醫(yī)療設(shè)備相關(guān)課題的研究與開發(fā)。