Mediland无影灯控制电路分析及故障诊断案例

马继鹏　孔德友　郑冉冉　吴海燕

Mediland无影灯控制电路分析及故障诊断案例

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。

4　小结

通过对控制电路原理进行详细的分析、介绍电路板接口电路、无影灯主副灯切换逻辑流程、功率控制以及工作状态检测，并针对电路原理给出了逻辑控制表和无影灯微处理器的逻辑判断过程，能够在设备电路维修中更充分理解电路原理，快速准确的定位和排除故障。

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［2］孙忠根.MEDILAND无影灯的设计缺陷［J］.医疗装备，2012，25（7）：60-62.

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［8］铃木雅臣.晶体管电路设计（上）［M］.北京：科学出版社，2009：10-50.

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10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.044

1672-8270（2016）10-0147-02

R197.39

B

2016-06-19

①济宁医学院附属医院医学装备处 山东 济宁 272029

马继鹏，男，（1987- ），硕士，工程师。济宁医学院附属医院医学装备处，从事医疗设备的维修以及医疗物联网和医学传感器的研究工作。