Иногда применяется одновременно стабильная и лабильная методики. Обе эти методики относятся к непосредственному (прямому) воздействию на поверхность тела. Однако когда необходимо воздействовать ультразвуком на неровные поверхности тела – локтевой сустав, кисть стопу, методика прямого воздействия непригодна, поэтому используется субаквальное озвучивание ультразвуком. Для этого конечность помещают в ванну с дегазированной водой при температуре 28-32о С и озвучивают пораженный орган на расстоянии 1-2 см от поверхности кожи.
Импульсный режим ультразвуковой терапии применяется при лечении острых процессов, когда более важным является не тепловое воздействие, а усиление физико-химических сдвигов. При воздействии на мягкие ткани, области суставов, лечение внутренних, кожных, гинекологических заболеваний применяют непрерывный режим ультразвука [13].
Ультразвуком можно воздействовать непосредственно на кожную проекцию органа или сам патологический очаг (прямое озвучивание). Если воздействуют на соответствующий сегмент спинного мозга или рефлексную зону, то такое озвучивание ультразвуком называют косвенным. Иногда прямое и косвенное озвучивание комбинируют.
Противопоказанными к применению ультразвуковой энергии и лекарственного фонофореза при заболеваниях нервной системы с лечебной целью являются: острые инфекции, выраженные эндокринные нарушения, гипертоническая болезнь 2 и 3 стадий, ИБС со стенокардией, частыми приступами, сахарный диабет, злокачественные новообразования, а также беременность. Применительно к заболеваниям центральной нервной системы они распространяются на все формы острых нарушений церебрального кровообращения, нейроонкологические и паразитные заболевания головного мозга, острые нейроинфенкции, склероз и другие.
На основе анализа литературных источников и патентных исследований определен прототип [17] аппарата, который содержит частотно-модулированный генератор. Этот прототип используется как основа для дальнейшего проектирования. В проектируемом устройстве предполагается включить электронный таймер с помощью которого будет задаваться время процедуры. Преимуществами разрабатываемого устройства при проведении физиотерапевтических процедур, по сравнению с существующими приборами, будут схематическая простота при широких функциональных возможностях (генерация сигнала постоянной частоты, частотная модуляция выходного сигнала, частотно-импульсная модуляция), возможность плавной регулировки частоты, малые габаритные массы. Патентная справка представлена в приложении А данного дипломного проекта.
2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Анализ современных устройств для лечебного и терапевтического воздействия акустических колебаний показал, что в их состав должны входить следующие блоки: высокочастотный генератор, модулятор, усилитель мощности, блок питания и излучатель. В тоже время проектируемый прибор должен удовлетворять следующим техническим данным:
- диапазон частот акустических колебаний, Гц 20000-66000;
- интенсивность излучения, Вт/см2 0.5-1.2;
- питание, В 220±10%;
- масса, кг 1.5;
- габаритные размеры, мм 180´120´70;
- условия эксплуатации по классу II группа BF по ГОСТ Р 50267.0-92;
- время наработки на отказ, часов 10000;
- коэффициент готовности 0.95.
Исходя из этих требований в состав данного устройства необходимо ввести таймер для дозирования ультразвуковой энергии по времени, блок индикации для визуального контроля частоты и интенсивности колебаний, генератор управляемый напряжением для модуляции и переключатели работ.
Диапазон частот, которые выдает генератор, должен делиться на два поддиапазона: 1. 20-40 кГц, 2.40-66 кГц. Коммутация должна осуществляться переключателем. Кроме этого в каждом из диапазонов должен быть импульсный режим, т.е. частота должна плавно возрастать, затем резко падать и потом опять плавно возрастать, но уже до более высокой частоты и т.д. Для обеспечения таких параметров необходимо использовать схему, функциональная и принципиальная схемы которой приведена в приложении.
Проектируемый прибор должен быть выполнен в портативном исполнении и его масса не должна превышать 1,5 кг. Для получения необходимой мощности на выходе необходимо использовать усилитель мощности и повышающий трансформатор. Трансформатор будет иметь торроидальный сердечник для уменьшения габаритов, массы и снижения потерь.
Выбор рационального конструкторского исполнения конкретной аппаратуры зависит от решения множества вопросов, связанных с поиском оптимального варианта конструктивно-технологического обеспечения комплекса технических, экономических, эксплуатационных, производственных и организационных требований. Поиск оптимального конкретного конструктивно-технологического варианта должен проводиться при минимальных затратах и с учетом современных тенденций развития радиоэлектронной аппаратуры, прежде всего элементной базы и техники монтажа. В соответствии с техническим заданием рассмотрим вопросы общей компоновки, компоновочной совместимости принятой элементной базы и межсоединений, проектирование всех конструктивных элементов изделий с учетом автоматизации процессов проектирования; обеспечение защиты изделия от дестабилизирующих факторов окружающей среды; обеспечение технологичности, удобства эксплуатации и ремонта.
В качестве корпуса будем использовать корпус из алюминиевого сплава АМц. Корпус будет состоять из крышки, лицевой панели и задней панели. Лицевая панель будет выполнена из ударопрочного полистирола. Такой корпус прост, надежен и удобен для быстрого ремонта устройства. Он соответствует условиям эксплуатации по классу II группы BF по ГОСТ Р 50267.0-92.
Разрабатываемое устройство является переносным прибором, к которому с помощью кабеля будут подключаться сменные излучатели. Для обеспечения виброзащиты используются амортизаторы.
Прибор предполагается использовать не только в лечебно-профилактических учреждениях, но и в домашних условиях. Поэтому при разработке прибора должна быть обеспечена электробезопасность. На корпусе необходимо установить сетевой выключатель и обязательно индикацию включения питающего напряжения.
Устройство должно быть просто в обращении. Поэтому на корпусе будут установлены переключатели: выключатель режима работы и переключатель диапазонов, регулировка частоты и времени воздействия на пациента.
Конструкция преобразователя электрических сигналов в механические колебания должна обеспечивать преобразование необходимого диапазона частот. Для этого будет использован пьезоэлектрический преобразователь.
Прибор должен быть надежен в эксплуатации и иметь время наработки на отказ не менее 10000 часов, время восстановления - 1,2 часа, коэффициент готовности - 0,95.
Необходимо, чтобы прибор был технологичен в изготовлении в условиях мелкосерийного производства с программой выпуска до 1000шт/год. Комплексный показатель технологичности должен быть не менее 0,65. Для достижения нормативных данных по технологичности необходимо выполнить ряд мероприятий конструктивного и технологического направления. Во-первых, применить большее число унифицированных сборочных единиц, деталей и элементов, во-вторых, широко использовать микросхемы, применить полу- и автоматическое оборудование для сборки и монтажа прибора.
3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
3.1 Разработка структурной схемы
Исходя из анализа современных устройств для лечебного и терапевтического воздействия была разработана структурная схема устройства, которая включает в себя следующие блоки: задающий генератор, электронный таймер реального времени, электронный ключ, дешифратор, формирователь импульсов, генератор управляемый напряжением (ГУН), усилитель мощности (УМ), счетчик, модулятор, блок индикации режима работы, излучатель, совместная работа которых должна обеспечивать технические данные в соответствии с техническим заданием (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1-Стуктурная схема физиотерапевтического устройства
Задающий генератор собран на двух логических элементах “ИЛИ-НЕ” микросхемы К561ЛЕ5. Ее реализация обеспечивается последовательным соединением МДП-транзисторов с каналом р-типа и параллельным соединением МДП-транзисторов с каналом n-типа. С его выхода сигнал в форме меандра (рисунок 3.2,а) поступает через электронный ключ на счетчик К561Е16. Сброс счетчика в нуль осуществляется импульсом положительной полярности длительностью не менее 500 нс по входу R. Содержимое счетчика увеличивается по отрицательному перепаду импульса по входу С. Максимальная частота входных импульсов при Uпит =12 В достигает 66 кГц.
Рисунок 3.2 – Эпюры рабочих сигналов устройства
После счетчика сигнал меньшей частоты (рисунок 3.2,б) поступает на формирователь импульсов, который из меандра формирует треугольные импульсы такой же частоты (рисунок 3.2, в). Изменяющееся напряжение с формирователя управляет частотой ГУНа (рисунок 3.2,г), выполненного на микросхеме CD4046. Усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с параллельным включением транзисторов КТ815Г передает сигнал с качающейся частотой в выходной контур и далее - на нагрузку. Время качания частоты задается длительностью импульса, поступающего со счетчика. Данный режим работы применяется обычно в медицинских физиотерапевтических устройствах и при построении исследовательских комплексов, в которых необходимо изменять частоту генерации во всем диапазоне с различной скоростью.
При втором режиме работы сигнал в форме меандра поступает через электронный ключ на усилитель мощности, а затем на излучатель. Электронный таймер КР1006ВИ1 (времязадающая схема) формирует импульсы напряжения длительностью от нескольких микросекунд до десятков минут. Он предназначен для использования в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, преобразователях напряжения и т.д. Таймер в данной схеме служит для дозирования ультразвуковой энергии по времени, а блок индикации - для визуального контроля частоты и интенсивности колебаний.
Конструкция преобразователя электрических сигналов в механические колебания должна обеспечивать преобразование необходимого диапазона частот. Для этого будет использован пьезоэлектрический преобразователь.
Блок питания состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, сглаживающих фильтров и стабилизатора напряжения. Микросхема КР142ЕН8А представляет собой стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением и защитой от перегрузок по току.
3.2 Расчет питающего трансформатора
Схема генератора, чтобы обеспечивать заданные параметры, должна питаться постоянным напряжением 12±0,5В. Поэтому, учитывая, что напряжение в сети может изменяться на 5%, и зная падение напряжения на выпрямителе, будем использовать трансформатор с напряжением вторичной обмотки ~15В. Трансформатор должен иметь малые габариты и небольшую массу. Он должен быть рассчитан на ток в нагрузке 0,25 А. Но таких, которые удовлетворяли бы вышеуказанным условиям, наша промышленность не выпускает. Исходя из этого, произведем расчет трансформатора по методике изложенной в [18].
1.Определяем напряжение и ЭДС обмоток по формуле:
Е1 »0,95U1 ,(3.1)
E1 »0.95*220=209 В,
U2 »(U0 +2)/1.1,(3.2)
U2 »(15+2)/1.1=15.5 B
где U1 и U2 – напряжение первичной и вторичной обмоток соответственно;
U0 – выходное напряжение.
2. Находим ток обмоток:
I2 =1.8×I0 ,(3.3)
I2 =1.8*0.25=0.45A,
I1,2 =1.8*I0 U2 /U1 , (3.4)
I1,2 =1.8*0.25*15.5/220=0.032 A
где I1,2 и I2 - токи первичной и вторичной обмоток;
I0 – ток в нагрузке.
I1 »I2 ×N,(3.5)
N=U2 /U1 ,(3.6)
N=15.5/220=0.07,
I1 »0.45×0.07=0.03 A
где N – коэффициент трансформации.
3. Определяем габаритную мощность трансформатора:
Pгаб =U1 ×I1 =U2 ×I2 ,(3.7)
Pгаб =15,5×0,45=6,98 Вт.
4.Выберем магнитопровод. Выбор магнитопровода производится с помощью выражения:
Qс Qo = Pгаб ×100/(2,22¦ВJhkc kм s),(3.8)
где Qо - площадь окна магнитопровода, приходящаяся на обмотки стержня, см2 ;
h - коэффициент полезного действия трансформатора, h=0,82;
s – число стержней несущих обмотки;
kм – коэффициент заполнения окна медью обмотки, kм =0.23;
J – плотность тока в обмотках, А/мм2 ;
B – магнитная индукция в магнитопроводе, Тл;
¦ - частота питающей сети;
kc – коэффициент заполнения магнитопровода сталью, kс =0.93;
Qс – полное сечение стержня магнитопровода, см2 .
Qс Qo = 6,98×100/(2,22×50×1,2×6,2×0,82×0,93×0,23) = 2,47 см2 .
По справочным таблицам выберем магнитопровод Ш10х10 имеющий Qс Qo =2,5см2 ; Qc =1см2 ; Qo =2,5см2 ; a=b=1см; h=2,5 см; c=1см; lc =8.6см; lм =7,1см; G=0.059 кг.
5. Подсчитаем число витков обмоток:
n1 =E×104 /(4.44¦BQc kc ),(3.9)
n1 =209×104 /(4.44×50×1.2×1×0.93)=8436
n2 =E2 ×n1 /E1 , (3.10)
n2 =8436*15.5/209=626
6. Находим диаметр провода:
d=1.13
,(3.11)
d1
=1.13
=0.081,
d2
=1.13
=0.3
7. Определяем потери в стали:
Pc =pуд ×G, Вт(3.12)
где pуд – удельные потери в стали, Вт/кг;
G – масса магнитопровода, G=0.059 кг
Pc =1.5×0.059=0.0885
8. Найдем потери в меди. Для этого определяем сопротивление обмоток:
r=2.2×10-4 ×lм ×n/d2 ,(3.13)
где lм – средняя длина витков обмоток, см
r1 =2.2×10-4 ×7.1×8436/0.062 =3660.3 Ом,
r2 =2.2×10-4 ×7.1×626/0.252 =15.6 Ом,
тогда потери в меди Pм равны:
Pм =I1 2 ×r1 +I2 2 ×r2 ,(3.14)
Pм =0.0322 ×3660.3+0.452×15.6=3.04 Вт
Охлаждающую поверхность броневого магнитопровода найдем по формуле:
Sc »2[ac+(a+c)(2a+2b+h)],(3.15)
Sc »2×[1×1+(1+1)(2×1+2×1+2.5)]=28 см2
Для оценки превышения температуры трансформатора определяют удельные охлаждающие поверхности стали sc и меди sм . Если полученные значения sc и sм не менее 20 см2 , то превышение температуры можно считать допустимым (40-60?С).
9. Удельную поверхность охлаждения магнитопровода находим по формуле:
sc =Sc /Pc ,(3.16)
sc =28/0.0885=316 см2 /Вт >> 20 см2 ,
т.е. нагрев магнитопровода будет незначительным.
10. Найдим охлаждающую поверхность катушки:
Sм »2[(2a+c)(2b+h)+2b(4b+3h)],(3.17)
Sм »2[(2×1+1)(2×1+2.5)+2×1(4×1+3×2.5)]=64 см2
Удельная поверхность охлаждения обмотки:
sм =Sм /Pм ,(3.18)
sм =64/3.04=21 см2 > 20 см2 ,
т.е. нагрев катушки будет ниже допустимого.
Таким образом, трансформатор будет иметь следующие габаритные размеры: 50x30x30 мм.
3.3 Расчет задающего генератора и таймера
Расчет задающего генератора проводится в следующей последовательности:
1. Находим частоту модуляции счетчика К561ИЕ16:
fo =1/Т,(3.19)
где Т-период качания частоты, сек.
fo =1/3=0,33 Гц
2. Частота задающего генератора определяется по формуле:
fг =fo ×2n ,(3.20)
где n – разряд счетчика.
fг =0,33×214 =5,4 кГц
Эта частота является начальной для работы счетчика.
3. Затем находим сопротивление R1 для верхней рабочей частоты задающего генератора, при R2 равному нулю и зададимся С1 равному 540 пФ:
R1=
(3.21)
R1=100 кОм
4. Определяем из формулы для fг R2 для нижней рабочей частоты задающего генератора:
fг
=
(3.22)
R2=4,8 кОм
Расчет электронного таймера проводится по следующей методике:
5. Время работы таймера:
t=R×C(3.23)
Зададимся С4, равное 220 мкФ, при нижней границе срабатывания t=1мин (R6=0).
R5= t/C4= 5,1 кОм
6. Находим R6, при верхней границе срабатывания таймера t=30 мин:
R6=
(3.24)
R6= 100 кОм
3.4 Расчет ГУНа
Расчет ГУНа заключается в определении по специальным номограммам [19], приведенным на рисунке 3.3, частотные характеристики ГУНа: а) зависимость центральной частоты ГУНа f0 от R9 и C8; для частоты сдвига fсдв ; зависимость пределов частот от отношения R11/R9.
а) |
б) |
|
в) |
||
Рисунок 3.3 – Частотные характеристики ГУНа
Исходными данными являются: R9=R11= 100 кОм, С8=6800 пФ. Определяем по номограммам центральную частоту f0 =40 кГц. Выбранную частоту следует сместить (сдвинуть) на величину Dfсдв =22 кГц, если вывод 12 микросхемы CD4046B и нулевой провод соединить через резистор R11.
При соотношении номиналов R11/R9=1 находим по номограмме (рисунок 3.3, в) отношение fmax / fmin =3,3.
3.5 Расчет усилителя мощности
Порядок расчета усилителя мощности, собранного по двухтактной схеме с параллельным включением транзисторов, следующий [ ]:
1. Выбираем тип транзистора исходя из заданной мощности по условию:
Pkmax ³P1 (3.25)
25 Вт ³ 15 Вт
Наиболее подходящий, в нашем случае, транзистор КТ815Г.
2. Выбираем напряжение питания из условия:
Е=(0,5¸0,8) Uкдоп ,(3.26)
Е= 12 В.
3. Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки:
R¢э=
,(3.27)
где rвн – сопротивление пьезоэлектрического преобразователя, равное 4,7 кОм.
R¢э=
=21.4 кОм
4. Определяем амплитуду тока в цепи первичной обмотки трансформатора:
I1
=
(3.28)
I1
=
5. Рассчитываем мощность, потребляемую каскадом:
P0
=
(3.29)
P0 =18,3 Вт
6. Подсчитываем постоянную составляющую тока питания:
I0
=
(3.30)
I0 =1.5
7. Определяем КПД:
h=
(3.31)
h= 0.82
8. По заданной нагрузке рассчитываем входное сопротивление системы:
R¢э=
(3.32)
где Сэл – электрическая емкость преобразователя, равная 5 нФ;
w0 – резонансная частота, равная 251200 рад/сек.
R¢э=13,37 кОм
9. Определяем коэффициент трансформации выходного трансформатора:
n=
(3.33)
n=0.83
Таким образом, были произведены расчеты основных параметров: трансформатора, который будет иметь следующие габаритные размеры 50x30x30 мм и коэффициент трансформации N=0,07; задающего генератора (частоту модуляции счетчика) и таймера; и электрические параметры усилительного выходного каскада. По номограммам были определены центральная частота ГУНа f0 =40 кГц и fmax / fmin =3,3.
4. Выбор функциональных элементов и материалов конструкции
4.1 Выбор функциональных элементов
Проанализировав требования технического задания по электрической принципиальной схеме физиотерапевтического устройства на основе применения упругих волн проведем анализ и выбор элементарной базы.
Так как к разрабатываемому устройству не предъявляется повышенных требований к диапазону рабочих температур и других дестабилизирующих факторов, то можно сделать вывод о применении в приборе дешевых электрорадиоэлементов, имеющих малые габариты и потребляемую мощность.
При разработке электрической принципиальной схемы использовались следующие виды радиоэлементов: микросхемы, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Электрорадиоэлементы должны быть совместимы по тепловым и энергетическим характеристикам.
Задающий генератор, счетчик, генератор управляемый напряжением и электронный таймер собраны на интегральных микросхемах .
Выбор типа микросхем проведем исходя из следующих соображений:
- соответствие параметров микросхемы электрической принципиальной схеме;
- интегральная микросхема должна иметь минимальный ток потребления;
- низкая себестоимость.
Электрические параметры выбранных микросхем приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Электрические параметры микросхем
| Серия и тип ИМС | Параметры ИМС | |
| Uпит , В | Iпот , мкА | |
| 1 | 2 | 3 |
К561ИЕ16 К561ЛЕ5 CD4046 КР1006ВИ1 |
16 14 16 15 |
2 2 3 2 |
Интегральная микросхема (стабилизатор напряжения), которую необходимо установить в блоке питания, должна обеспечивать необходимое выходное напряжение. Она должна быть рассчитана на мощность не менее 1 Вт. Микросхема КР142ЕН8А удовлетворяет вышеуказанным условиям. Ее параметры: Pрас =1.5 Вт; Uвых =12±0.27 В [20].
Транзисторы в двухтактном усилителе будем применять средней мощности типа КТ815Г [21]. Они имеют следующие параметры:
- коэффициент усиления h21Э =25-275;
- напряжение UКЭ max =40 В;
- ток коллектора IК max =1000 мА;
- мощность PК max =25 Вт.
Они достаточно миниатюрны и дешевы.
Выбор типа диодов проводим исходя из следующих соображений:
- диод должен быть высокочастотным или универсальным;
- должно соблюдаться соответствие электрических параметров диодов схеме электрической принципиальной;
- применение диода по возможности с минимальными типоразмерами.
Исходя из этих требований и величины потребляемой мощности выбираем диодный мост КЦ405Е.
Резисторы будем применять серии С2-23. Элементы этой серии имеют малый размер и недорогие по стоимости. Погрешность их должна быть не больше ±10%. Два переменных резистора возьмем серииСП4-1а. Они отличаются простотой использования и дешевой ценой.
Для коммутации сети в приборе используем переключатель типа ПКн-41-1-2П. Его выбор обусловлен простотой крепления, малыми размерами и такой конструктивной особенностью: включенное и выключенное состояние визуально различимы по высоте кнопки. Кнопки переключения режимов возьмем КМП8-4 НАЗ.604.006.
Так как устройство должно быть достаточно надежным и обеспечивать необходимый диапазон частот, то конденсаторы будем использовать типа КМ. Электролитический конденсатор типа К50-35 должен быть рассчитан на напряжение не менее 16 В. Также будут применены конденсаторы К10-17. Погрешность их должна быть не больше ±20%.
В физиотерапевтическом устройстве на основе применения упругих волн применен повышающий трансформатор. Работает он на частотах до 66000 Гц. В связи с этим в трансформаторе необходимо использовать торроидальный сердечник. Это уменьшит габариты изделия. Для намотки трансформатора необходимо взять провода ПЭВТЛ-1-0.1 и ПЭВТЛ-1-0.2 так как их параметры наиболее подходят для обеспечения необходимых характеристик трансформатора.
Для изготовления понижающего трансформатора будем использовать провод марки ПЭВ-2 с диаметром d1 =0.063 и d2 =0.25 мм. Каркас необходимого размера для обмоток понижающего трансформатора изготавливается из электротехнического картона необходимой толщины.
Устройство будет защищено от перегрузок двумя вставками плавкими ВП2Б-1В (на ток 1 А). Для их закрепления можно воспользоваться держателями плавких вставок ДВП4-1Т.
4.2 Выбор материалов конструкции
В качестве корпуса будем использовать корпус из алюминиевого сплава АМц. Корпус будет состоять из крышки, лицевой панели и задней панели. Лицевая панель будет выполнена из ударопрочного полистирола
8-09-2015, 23:13