כיצד לבחור וליישם את הרכיבים הנכונים להגנה על התקנים רפואיים, משתמשים ומטופלים

השימוש בציוד רפואי לא-מעבדתי, דיאגנוסטי ותומך-חיים שהוא במגע ישיר עם המטופל כגון ונטילטורים (מכשירי הנשמה), דפיברילטורים, סורקי אולטרה-סאונד ויחידות אלקטרוקרדיוגרם (EKG) ממשיך לגדול. הסיבות כוללות הזדקנות האוכלוסייה, הגברת ציפיות הטיפול בקרב מטופלים ושיפור בטכנולוגיות האלקטרוניקה הרפואית ההופכים מערכות כאלו למעשיות יותר. ציוד כזה זקוק להגנה מפני סוגים רבים של בעיות חשמל העלולות לפגוע בציוד, בצוות בית החולים ובמטופלים.

עם זאת, הגנה מלאה על מעגלים דורשת הרבה יותר מסתם נתיך תרמי, ומימוש ההגנה אינו עניין של מציאת ההתקן הטוב ביותר עבור תכן ויישום נתונים. במקום זאת, זה כרוך ראשית בהבנה אילו מעגלים זקוקים להגנה ואז בקביעת אופן ההגנה הטוב ביותר. באופן כללי, יש צורך במספר רכיבים פסיביים כדי לספק הגנה, ומערכת טיפוסית עשויה להזדקק לתריסר או יותר מהתקני הגנה מיוחדים אלה. התקני הגנה הם כמו ביטוח: בעוד שהוא עשוי להיות נחוץ רק לעיתים נדירות או לעולם לא, העלות של אי-היותו עולה בהרבה על העלות של היותו.

מאמר זה בוחן היכן יש צורך בהגנה במערכות רפואיות כאלה, כולל I/O‏ של אותות/חיישנים הפונים למטופל, ספק-הכוח, נקודות-חיבור תקשורת, ליבת המעבד וממשקי המשתמש. הוא גם דן בסוגים השונים של רכיבי הגנת מעגלים ומערכות, באמצעות התקנים מבית .Littelfuse, Inc כדוגמאות ובוחן את התפקיד והיישום של כל אחת מהן.

תפקיד ההגנה במערכות רפואיות

עבור מרבית המהנדסים הביטוי "הגנת מעגלים" מעלה מיד את המחשבה על הנתיך התרמי הקלאסי, שנמצא בשימוש למעלה מ- 150 שנה. התגלמותו המודרנית נובעת בעיקר מעבודתו של Edward V. Sundt, אשר בשנת 1927 רשם פטנט על נתיך ההגנה הקטן והמהיר ביותר שנועד למנוע שריפת מדי בדיקות רגישים (סימוכין 1). לאחר מכן הוא המשיך וייסד את מה שהפך בסופו של דבר לחברת .Littelfuse Inc.

מאז, אפשרויות הגנת מעגלים התרחבו באופן משמעותי מתוך הכרה במצבי כשל פוטנציאליים רבים במעגל. אלה יכולים להיות:

• כשלים פנימיים העלולים לגרום לקסקדה של נזקים לרכיבים אחרים
• כשלים פנימיים העלולים לסכן את המפעיל או המטופל
• נושאים תפעוליים פנימיים (מתח / זרם / תרמי) העלולים לגרום למאמצים על רכיבים אחרים ולהוביל לכשל מוקדם מדי
• טרנזיינטי ושיאי מתח/זרם שהם חלק אינהרנטי ובלתי-נמנע מהפונקציונליות של המעגל ויש לנהל אותם בקפידה

רבות מבעיות אלו חלות על יחידות מוזנות-סוללות, ולא רק על אלו שהן מוזנות-רשת AC.

תפקידם של התקני הגנה רבים אך לא של כולם הוא לשכך טרנזיינטי מתח גדולים בלתי-נסבלים. ישנן שתי קטגוריות עיקריות של משככי טרנזינטים: אלו המנחיתים טרנזיינטים, ובכך מונעים את התפשטותם למעגלים הרגישים; ואלו המסיטים טרנזיינטים מהעומסים הרגישים ובכך מגבילים את המתח הנותר. קריטי ביותר הוא ללמוד בקפידה את גיליונות הנתונים של ההתקנים ואת העקומות התרמיות ואת ירידת הערך הנומינלי (Derating) של הביצועים, מכיוון שחלקם מוגדרים עבור הגנה מפני טרנזיינטים של משכי זמן שונים המוגבלים בתוך גבולות מתח, זרם וזמן מוגדרים ולא עבור הגנה על מצב-יציב.

בין הפרמטרים החשמליים הרבים שיש להביא בחשבון ניתן למנות את מתח ההידוק, הזרם המקסימלי, מתח הפריצה, מתח עבודה אחורני מקסימלי או מתח קטעון אחורני, זרם פולס שיא, התנגדות דינמית וקיבוליות. חשוב גם להבין באילו תנאים מוגדר ומפורט כל אחד מאלה. יש להביא בחשבון גם את גודל ההתקן ומספר הערוצים או הקווים המוגנים. הבחירה בהתקן ההגנה הטוב ביותר לשימוש עבור חלק נתון במעגל היא פונקציה של גורמים אלה, ולעתים קרובות ישנן פשרות בלתי-נמנעות בין הפרמטרים השונים. יהיו כמעט בוודאות גישות מועדפות או "סטנדרטיות", אך ישנן גם בחירות שיש לשפוט, להעריך ולבצע.

אפשרויות הגנת מעגלים הן רבות, ויש לבחור בצורה חוכמה

קיים מגוון של אפשרויות הגנה. לכל אחת מהן יש פונקציונליות ייחודית ומכלול מאפיינים ההופכים אותה לבחירה מתאימה - או יחידה - עבור מימוש הגנה מפני סוגים ספציפיים של תקלות או מאפייני מעגל בלתי-נמנעים. אפשרויות ההגנה העיקריות הן:

• נתיך תרמי מסורתי
• התקני מקדם טמפרטורה חיובי פולימריים (PPTC‏)
• ואריסטורי תחמוצת מתכת (MOV‏)
• ואריסטורים רב-שכבתיים (MLV‏)
• דיודות שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS‏)
• מערכי דיודות
• ממסרי מצב מוצק (SSR‏)
• מחווני טמפרטורה
• שפופרות פריקה בגז (GDT‏)

הנתיך התרמי הוא פשוט בעיקרון. הוא משתמש בקישור עם נתיך המיוצר ממתכות שנבחרו בקפידה עם ממדים מדויקים. זרימת הזרם מעבר לגבול המתוכנן גורמת להתחממות הקישור ולהתכתו, ובכך מנתקת לתמיד את מסלול הזרם. עבור נתיכים סטנדרטיים, זמן פתיחת המעגל הוא בסדר גודל של מכמה מאות מילי-שניות ועד למספר שניות, תלוי בכמות זרם-היתר לעומת הגבול הנקוב. בתכנים רבים, זהו קו הגנה סופי, מכיוון שהוא פועל באופן החלטי ובלתי-הפיך.

קיימים נתיכים עבור ערכי זרם החל מפחות מאמפר אחד ועד מאות אמפר ומעלה, וניתן לתכנן אותם לעמוד במאות או אלפי וולט בין שני ההדקים שלהם במהלך תנאי מעגל-פתוח עקב תקלה.

נתיך טיפוסי הוא ה- 0215.250TXP‏ מבית Littelfuse, נתיך של 250 מילי-אמפר (mA‏), 250 וולט AC‏ (_AC‏V‏) במארז קרמי של 20‏ x‏ 5 מילימטר (מ"מ) (איור 1‏). בדומה לרוב הנתיכים, זהו בית גלילי או בצורת-תרמיל שאינו מולחם לתוך המעגל אלא במקום זאת מוכנס לתוך מחזק נתיך כך שניתן יהיה להחליף אותו בקלות. קיימים גם נתיכים במארזים מלבניים ובצורת "להבים" כמו גם כאלה שניתן להלחים אותם; שימו לב שיש להקפיד על פרופיל ההלחמה כדי למנוע נזק לאלמנט הנתיך.

איור 1: ה- 0215.250TXP מבית Littelfuse הוא נתיך של mA‏ 250‏, _AC‏V‏ 250‏ עם גוף קרמי בקוטר של 5 מ"מ ואורך של 20 מ"מ. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

למרות פשטותם לכאורה, לנתיכים יש וריאציות רבות, דקויות וגורמים אחרים שיש להביא בחשבון כאשר בוחרים את הנתיך המתאים עבור מעגל (סימוכין 2 ו- 3). נתיכים משמשים בדרך כלל בקווי כניסת AC, מוליכי יציאה שבהם עלול להיגרם קצר, או באופן פנימי כאשר זרם-יתר כלשהו מהווה שיקול רציני כזה שיש לעצור את זרימת הזרם לחלוטין, ולקבוע ולתקן את מקור הבעיה לפני שניתן יהיה לחדש את הפעולה.

התקני PPTC משרתים שני סוגים עיקריים של יישומים: תקנות בטיחות כגון עבור נקודת-חיבור USB‏, ספק-כוח, סוללה או בקרת מנוע; ומניעת סיכונים עבור נקודות-חיבר I/O‏. במהלך תנאים חריגים כמו זרם-יתר, עומס-יתר או טמפרטורת-יתר, ההתנגדות של ה- PPTC תגדל באופן דרמטי, כזה שיגביל את זרם הספקת-הכוח על מנת להגן על רכיבי המעגל.

ברגע שהתקן PPTC עובר למצב התנגדות גבוהה, ממשיכה לזרום כמות קטנה של זרם דרך ההתקן. התקני PPTC דורשים זרם "זליגה" עבור חימום נמוך או מקור חום חיצוני על מנת לשמור על תנאי ההפעלה. לאחר הסרת תנאי התקלה וחידוש הספקת הכוח, מקור חום זה מכובה. ההתקן יכול אז לחזור למצב של התנגדות נמוכה והמעגל חוזר לתנאי הפעולה הרגילים. למרות שלעיתים התקני PPTC מתוארים כ"נתיכים מתאפסים", הם, למעשה, לא נתיכים אלא תרמיסטורים לא-לינאריים המגבילים את הזרם. מכיוון שכל התקני PPTC עוברים למצב התנגדות גבוה בתנאי תקלה, פעולה רגילה יכולה עדיין לגרום למתח מסוכן שיכול להתקיים בחלקים של המעגל.

דוגמה טובה ל- PPTC הוא ה- 2016L100/33DR‏ מבית Littelfuse, התקן PPTC של 33 וולט, A‏ 1.1‏, עבור יישומי מתח נמוך (≤60 וולט) בהם יש צורך בהגנה מתאפסת (איור 2). יש לו חתימת-שטח של 5 x‏ 4 מ"מ והוא יופעל בתוך פחות מ- 0.5 שניות בזרם-יתר של A‏ 8‏.

איור 2‏: התקן PPTC‏ 33 וולט, A‏ 1.1‏ 2016L100/33DR‏ יכול לשמש ביישומי מתח נמוך בהם נדרשת הגנה מתאפסת; הוא מגיב בתוך פחות מ- 0.5 שניות בזרם-יתר של A‏ 8‏. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

במכונת הנשמה טיפוסית, ניתן להשתמש ב- 2016L100/33DR להגנה על ה- MOSFET של מערכת ניהול הסוללות מפני זרמים גבוהים עקב קצר חיצוני או לספק הגנה מפני זרם-יתר עבור ערכות-השבבים של ה- USB (איור 3).

איור 3‏: בדיאגרמת הבלוקים של מכונת הנשמה, התקני PPTC‏ יכולים לשמש במערכת ניהול הסוללות כמו גם במקטעי נקודות-חיבור USB‏ (אזורים 2 עד 5). (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

ואריסטורי MOV‏ הם התקנים לא-לינאריים תלויי-מתח עם התנהגות חשמלית הדומה לזו של שתי דיודות זנר (Zener) גב-אל-גב. מאפייני הפריצה הסימטריים והחדים שלהם מאפשרים להם לספק ביצועי שיכוך טרנזיינטים מצוינים.

כאשר מתרחש טרנזיינט של מתח-גבוה, עכבת הווריסטור פוחתת בסדרי גודל רבים, ממעגל כמעט פתוח עד לרמת מוליכות גבוהה המהדקת את המתח הטרנזיינטי לרמה בטוחה בתוך מילי-שניות ספורות (איור 4).

איור 4: עקומת המתח-זרם (V-I) של ה- MOV מראה את אזור ההתנגדות הגבוהה הרגיל שלו, כמו גם את אזור העכבה הנמוכה ביותר שלו, המתרחש כאשר המתח עולה מעבר לסף המתוכנן. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

כתוצאה מפעולת הידוק זו, האנרגיה ההרסנית הפוטנציאלית של פולס הטרנזיינט נספגת על ידי הוואריסטור (איור 5).

איור 5‏: המעבר הפתאומי של ה- MOV מעכבה גבוהה לעכבה נמוכה כאשר מתרחש מתח טרנזיינטי מהדק מתח זה לרמה סבירה. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

ואריסטורי MOV‏ מוצעים במגוון של מארזים כגון ה- V07E250PL2T‏ עם 390 וולט, 1.75 קילו-אמפר (kA), שהוא דיסק קטן עם מוליכי חור-עובר בקוטר של 7 מ"מ בלבד (איור 6). הם משמשים לרוב על כניסת קו AC‏ למניעת נזק עקב טרנזיינטי מתח AC (אזור 1 באיור 3). שימו לב שניתן לחבר ואריסטורי MOV‏ במקביל לשיפור יכולות זרם שיא וטיפול באנרגיה, כמו גם בטור כדי לספק דירוגי מתח גבוהים יותר מאלו הזמינים בדרך כלל, או בדירוגים בין ההיצעים הסטנדרטיים.

איור 6‏: ה-V07E250PL2T MOV הוא דיסק בקוטר של 7 מ"מ עם מוליכי חור-עובר בדירוג עבור פעולה ב- 390 וולט היכול לטפל בטרנזיינטים של עד A‏ 1,750. (מקור התמונה: .Littelfuse Inc)

ואריסטורי MLV‏ דומים ל- MOV‏ ומספקים את אותה פונקציה בסיסית אך המבנה הפנימי שלהם שונה ולכן המאפיינים שלהם שונים במקצת. ואריסטורי MLV‏ מיוצרים על ידי שכבות הדפסה מגובבות רטובות של תחמוצת אבץ (ZnO‏) ואלקטרודות פנימיות ממתכת, סינטור (Sintering‏), סיומות, זיגוג, ולבסוף ציפוי. באופן כללי, עבור אותו דירוג מתח, לחלקי MLV קטנים יותר יש מתח הידוק גבוה יותר בזרמים גבוהים יותר, בעוד שלחלקים גדולים יותר יש יכולת אנרגיה גבוהה יותר.

ה- MLV‏ V12MLA0805LNH‏, לדוגמה, נבדק עם מספר פולסים בדירוג זרם השיא שלו (A‏ 3‏, 8/20 מיקרו-שניות (µs‏). בסוף הבדיקה - 10,000 פולסים מאוחר יותר - מאפייני מתח ההתקן עדיין תואמים היטב למפרט (איור 7). יש לשקול התקן זה לצורך הגנה מפני טרנזיינטים בהספקת-הכוח של מכשיר ההנשמה וביציאת ה- USB (אזורים 1 ו- 5 באיור 3).

איור 7‏: ואריסטורי MLV‏ כמו ה- V12MLA0805LNH יכולים לעמוד בפולסים טרנזיינטיים חוזרים-ונשנים ללא ירידה בביצועים. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

דיודות TVS גם מגנות על אלקטרוניקה רגישה מפני טרנזינטים של מתח גבוה ויכולות להגיב לאירועי מתח-יתר מהר יותר ממרבית הסוגים האחרים של התקני הגנת מעגלים. הן מהדקות ובכך מגבילות את המתח לרמה מסוימת באמצעות צומת p-n שלה שטח-חתך גדול יותר מזה של דיודה רגילה, ומאפשרים לדיודת TVS להןליך זרמים גדולים להארקה מבלי שייגרם נזק.

דיודות TVS משמשות בדרך כלל להגנה מפני מאמצי-יתר חשמליים כגון אלו הנגרמים עקב מכות ברק, מיתוג עומסים השראתיים או פריקה אלקטרוסטטית (ESD) הקשורים לקווי שידור או נתונים ולמעגלים אלקטרוניים. זמן התגובה שלהן הוא בסדר גודל של ננו-שניות, המהווה יתרון עבור הגנה על ממשקי I/O‏ רגישים יחסית במוצרים רפואיים, ציוד טלקומוניקציה ותעשייה, מחשבים ואלקטרוניקה לצרכנים. יש להן יחס הידוק מוגדר בין המתח הטרנזיינטי לעומת הזרם דרך והמתח על-פני ה- TVS, עם מפרט המוגדר על ידי דגם ה- TVS הנבחן (איור 8).

איור 8: כאן מוצג היחס הכללי עבור TVS בין טרנזיינטי המתח, המתח על פני ה- TVS, והזרם דרך ה- TVS, עם ערכים ספציפיים הנקבעים על ידי מודל דיודת TVS שנבחרה. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

ה- SMCJ33A‏ היא דיודת TVS חד-כיוונית עם מתח הידוק של 53 וולט ודירוג זרם שיא של A‏ 28‏ במארז SMT של 6.6‏ x‏ 5.6 מ"מ; קיימת גם גרסה דו-כיוונית (סיומת B) לשימוש כאשר צפויים טרנזיינטים חיוביים ושליליים כאחד. ביישום מייצג כמו סורק אולטרה-סאונד נייד עם מחולל פולסי מתח גבוה לדחיפת מתמרים פייזואלקטריים, ניתן להשתמש בדיודות TVS להגנה על נקודות-החיבור USB וכן על צג ממשק המשתמש LCD/LED (אזורים 2 ו- 3 באיור 9).

איור 9: כמו בדיאגרמת בלוקים של סורק אולטרה-סאונד נייד זה, דיודת TVS כגון ה- SMCJ33A עם מתח הידוק של 53 וולט יכולה לשמש להגנה מפני טרנזיינטים בנקודות-החיבור USB כמו גם בצגי LCD/LED (אזורים 2 ו- 3). (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

מערכי דיודות משתמשים בדיודות הכוונת זרם שבמרכזן דיודת TVS גדולה (כגון דיודת זנר (Zener‏)) כדי לעזור להקטין את הקיבוליות הנראית על ידי קווי I/O‏. להתקנים אלה יש קיבוליות מצב-כבוי של 0.3 עד 5 פיקו-פאראד (pF) והם מתאימים עבור רמות ESD‏ מ- 18‏-/+ קילו-וולט (kV) עד kV‏ 30‏-/+. היישומים כוללים הגנה על ממשקי USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA וממשקי Display Port‏, אם לציין כמה אפשרויות. שימו לב שמערך דיודות TVS הנקרא באופן דומה מספק את אותה פונקציונליות בסיסית אך יש לו קיבוליות גבוהה יותר ולכן הוא מתאים יותר עבור ממשקי מהירות נמוכה יותר.

ה- SP3019-04HTG‏ הוא דוגמה למערך דיודות כזה (איור 10). הוא משלב ארבעה ערוצים של הגנת ESD א-סימטרית עם קיבוליות אולטרה-נמוכה (pF‏ 0.3) במארז SOT23 עם שישה מוליכים, ויש לו זרם זליגה טיפוסי נמוך ביותר של 10 ננו-אמפר (nA) ב -5 וולט. בדומה לדיודת TVS, היישומים האופייניים הם עבור הגנה על נקודות-חיבור USB כמו גם על צג ממשק משתמש LCD/LED (שוב, אזורים 2 ו- 3 באיור 9).

איור 10: מערך דיודות כגון ה- SP3019-04HTG מספק הגנת ESD עבור מספר קווי I/O‏ במהירות-גבוהה. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

ממסרי SSR, הנקראים גם מבדדים אופטיים, מאפשרים למתח אחד למתג ולבקר מתח בלתי-תלוי ולא-קשור עם בידוד גלווני כמעט-מושלם (ללא מסלול אוהמי) בין כניסה ליציאה. הם משרתים מספר מטרות רחבות. אחד הוא פונקציונלי: הם יכולים לבטל חוגי הארקה בין מעגלי-משנה נפרדים או לאפשר לדוחפי צד-גבוה של תצורת MOSFET גשר-H להיות "צפים" מעל ההארקה. מטרה נוספת שהם משרתים קשורה לבטיחות וחשובה במיוחד עבור התקנים רפואיים כאשר הבידוד שלהם מהווה מחסום בלתי-עביר. יש צורך בהכלה כזו כאשר יש מתחים פנימיים גבוהים לצד מגע עם משתמש או מטופל עם מוליכי מכשור, כפתורים, בחונים ומארזים.

ה- CPC1017NTR‏ מייצג ממסר SSR בסיסי עם קוטב-יחיד, פתוח-במצב-רגיל (NO‏) (1-Form-A). הוא נתון בתוך מארז זעיר של 4 מ"מ², עם ארבעה מוליכים והוא מספק בידוד בין כניסה ליציאה של 1,500 וולט RMS‏ (_RMS‏V‏). יש לו נצילות גבוהה ביותר והוא צורך זרם LED של mA‏ 1‏ בלבד, הוא יכול למתג V‏ 60‏ / mA‏ 100‏ ומספק מיתוג ללא-קשת-חשמלית ללא צורך במעגלי מגביל זרם (Snubber). יתר על כן, הוא אינו מייצר EMI/RFI והוא חסין מפני שדות אלקטרומגנטיים מקרינים חיצוניים - מאפיינים הנדרשים במכשור ומערכות רפואיות מסוימות. ביישום כמו דפיברילטור, המתכננים יכולים להשתמש בו כדי להפריד חשמלית את מעגלי המתח הנמוך מהמתחים הגבוהים של הגשר הדוחף את מתגי המשוט של היחידה (איור 11).

איור 11: בדפיברילטור, ה- SSR מאפשר לאלקטרוניקה במתח נמוך לדחוף את מתגי המשוט במתח גבוה תוך שהוא מאפשר לדוחפי צד-גבוה "הצפים" של סידור גשר-H להישאר מבודדים מהארקת המערכת (אזור 5). (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

מחווני טמפרטורה הם גרסות מיוחדות של חיישני טמפרטורה כגון תרמיסטורים. למרות שזה נראה ברור מאליו שיש לנטר אזורים חמים כמו ספקי כוח או מקורות מתח גבוה מפני התחממות חריגה, אפילו נקודת-חיבור I/O כמו USB-Type C יכולה לטפל בזרם משמעותי ולכן להגיע להתחממות-יתר. זה עשוי להיות בגלל תקלה פנימית או אפילו עומס פגום או כבל קצר המחובר אליו.

כדי לנהל בעיה פוטנציאלית זו, התקן כגון ה- setP‏ SETP0805-100-SE‏, מחוון טמפרטורה עם מקדם טמפרטורה חיובי (PTC), עוזר להגן על תקעי USB Type-C מפני התחממות-יתר. הוא תוכנן להתאים למפרט הייחודי של תקן USB והוא מסוגל לעזור להגן אפילו על הרמות הגבוהות ביותר של הספקת כוח USB Type-C. זמין במארז 0805 (x 1.2‏ 2.0 מ"מ), ומגן על מערכות הצורכות 100 וואט ומעלה, ומספק אינדיקציית טמפרטורה רגישה ואמינה כאשר ההתנגדות שלו עולה מעל 12 אוהם (Ω) ב- C‏°‏25‏ עד 35 קילו-אוהם (kΩ) ב- C‏°‏100‏ (ערכים טיפוסיים).

שפופרות GDT עשויות להצטייר במוחם של מהנדסים כשפופרות גדולות ומגושמות עם ניצוצות נראים, אך למעשה הן שונות מאוד. שפופרות אלו ממוקמות בין קו או מוליך להגנה - בדרך כלל קו מתח AC או מוליך "חשוף" אחר והארקת מערכת - כדי לספק מנגנון כמעט-אידיאלי להסטת מתחי-יתר גבוהים יותר להארקה.

בתנאי פעולה רגילים, הגז שבתוך ההתקן פועל כמו מבדד ושפופרת ה- GDT אינה מוליכה זרם. כאשר מתרחש מצב של מתח-יתר (הנקרא מתח יצירת-ניצוץ), הגז בתוך השפופרת נפרץ והופך למוליך זרם. כאשר מצב מתח-היתר עולה על הפרמטר של דירוג מתח יצירת-ניצוץ, שפופרת ה-GDT מופעלת ומתפרקת תוך הסטת האנרגיה המזיקה. שפופרות GDT זמינות כהתקנים דו-קוטביים עבור קווים לא-מוארקים וכהתקנים תלת-קוטביים עבור קווים מוארקים, שניהם במארזי SMT קטנים כדי להקל על התכנון והרכבת הלוח (איור 12).

איור 12: שפופרות GDT מוצעות כהתקנים דו-קוטביים (משמאל) עבור מעגלים לא-מוארקים (מימין) וכהתקנים תלת-קוטביים עבור מעגלים מוארקים (סימבול GDT הוא הגרפיקה "דמויית-Z" מימין לכל תרשים סכמטי). (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

שפופרות GDT זמינות עבור ערכי יצירת-ניצוץ בדירוג של 75 וולט ומסוגלות להתמודד עם מאות ואפילו אלפי אמפר. לדוגמה, ה- GTCS23-750M-R01-2‏ היא שפופרת GDT דו-קוטבית עם יצירת-ניצוץ ב- 75 וולט ודירוג זרם של kA‏ 1‏, הנתונה במארז SMT באורך של 4.5 מ"מ ובקוטר של 3 מ"מ, המאפשר למקם אותה כמעט בכל מקום כדי לספק הגנה (איור 13).

איור 13: שפופרות GDT לא חייבות להיראות כמו התקני מרווח-ניצוץ גדולים הנראים בסרטים; ה- GTCS23-750M-R01-2‏ היא שפופרת GDT‏ של 75 וולט, kA‏ 1‏ הנתונה במארז SMT באורך של 4.5 מ"מ ובקוטר של 3 מ"מ. (מקור התמונה: .Littelfuse, Inc‏)

התקנים מנחים את התכנון

התקנים רפואיים חייבים לעמוד במספר תקני בטיחות, כמה מהם ישימים עבור כל המוצרים המסחריים ולצרכנים, וכמה מהם הם עבור התקנים רפואיים בלבד. רבים מתקנים אלו הם בינלאומיים בהיקפם. בין התקנות הרגולטוריות והתקנים המחייבים נמצאים:

• IEC 60601-1-2, "ציוד חשמלי רפואי - פרק 1-2: דרישות כלליות לבטיחות בסיסית וביצועים חיוניים - תקן נלווה: הפרעות אלקטרומגנטיות - דרישות ובדיקות".
• IEC 60601-1-11‏, "ציוד חשמלי רפואי - פרק 1-11: דרישות כלליות לבטיחות בסיסית וביצועים חיוניים - תקן נלווה: דרישות עבור ציוד חשמלי רפואי ומערכות חשמליות רפואיות המשמשות בסביבות של טיפולי בריאות ביתיים".
• IEC 62311-2‏, "הערכה של ציוד אלקטרוני וחשמלי בהקשר של מגבלות החשיפה של בני-אדם לשדות אלקטרומגנטיים (Hz‏ 0‏ עד GHz‏ 300‏)".
• IEC 62133-2‏, "סוללות ותאים שניוניים המכילים אלקליין או אלקטרוליטים לא-חומצתיים - דרישות בטיחות עבור תאי ליתיום שניוניים אטומים ניידים, ועבור סוללות העשויות מהם, לשימוש ביישומים ניידים - פרק 2: מערכות ליתיום".

הקפדה על בחירת התקני הגנת מעגלים ואופן השימוש בהם מובילה את הדרך הארוכה לעמידה במחויבויות בטיחות אלו. השימוש בטכניקות ורכיבים מקובלים ומורשים יכול גם לזרז את תהליך ההרשאה.

סיכום

הדרישות היכן, מדוע, מה וכיצד להשתמש בהתקני הגנת מעגלים בכלל וביחידות רפואיות בפרט, מהוות אתגר תכנון מורכב. ישנם רכיבי הגנה מתאימים רבים, חלקם ספציפיים לפונקציית מעגל נתונה ואחרים עבור יישומיות כללית יותר. כל רכיב מביא איתו מערך של מאפיינים ההופכים אותו למתאים בצורה הטובה ביותר - או לפחות מתאים בצורה טובה יותר - במיקומי מעגלים ומערכות שונים הדורשים הגנה כזו. אף התקן יחיד לא יתאים לדרישות המערכת המגוונות הרבות ולכן בסופו של דבר המתכננים משתמשים במספר גישות הגנה.

ברוב המקרים, ההחלטות הרבות בנוגע לאילו התקנים להשתמש וכיצד לעשות זאת בצורה הטובה ביותר הן מורכבות מטבען וכפופות גם לבדיקה רגולטורית. המתכננים חייבים בהחלט לשקול לבקש עזרה ממהנדסי יישומים בקיאים אצל יצרן התקני ההגנה או הספק הייעודי שלהם (מפיץ). הניסיון והמומחיות שלהם יכולים לקצר את זמן היציאה לשוק, להבטיח תכנון יסודי יותר ולהקל על הדרך לקראת ההרשאה הרגולטורית.