Aktüatörler ve Biyomedikal Motorlar

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz

Bu konuda biyomedikal cihazlarda aktüatör olarak kullanılan motorları, türlerini, sürücü devrelerini ve tıbbi uygulamalardaki seçim ölçütlerini öğreneceksiniz. DC motor, adım motoru, servo motor, lineer aktüatör ve pompa motorlarını karşılaştıracak; güvenlik gereksinimlerini değerlendireceksiniz.

Ön bilgi

Manyetik alanın iletken bir çerçeve üzerinde kuvvet oluşturduğunu bilmek yeterlidir. Diyotun tek yönlü iletkenlik göstermesine dair temel bilgi, sürücü devrelerini anlamayı kolaylaştırır.

• Motorlar elektrik enerjisini mekanik harekete dönüştüren aktüatörlerdir.
• Sürücü devresi motorun hız ve yönünü kontrol eder.
• Tıbbi cihazlarda güvenlik sınırlamaları tüm parçalar için önemlidir.

Motor türleri ve kullanım alanları

DC motor; besleme voltajı ile devir değişimi yapan aktüatördür. Sürücüyle voltaj ya da PWM doluluk oranı değiştirilerek hızlanır. Santrifüjlarda, ventilatörlerde ve perfüzyon pompalarında kullanılır. Adım motoru; dijital pulse ile adım adım dönen, tam konum kontrolü yapılabilen motordur; sıvı damlatma pompalarında ve karıştırıcılarda kullanılır. Servo motor; konum geri beslemesiyle çalışan kapalı döngü motordur; ilaç dozamlama sistemlerinde, oksimetre probu konumlamada ve ameliyat maslarında kullanılır. Lineer aktüatör; dönme hareketini krank mekanizmasıyla doğrusal harekete dönüştürür. Pompa motoru; sıvı veya gaz akışı sağlayan özel uygulama motorudur.

Motor sürücü devreleri

Transistör anahtarı; mikrodenetleyici sinyal hattına göre motoru açar veya kapatır. Görevi PWM hız kontrolünde ortalama gerilimi üretmektir. H köprüsü; motorun ileri ve geri yönünü sağlar. Geri diyot; anahtar kapandığında bobin enerjisini sönümlerek sürücüyü korur. Adım motoru sürücüsü; bobinlerin sırayla sürülmesiyle dönme elde edilir; her bobin için ayrı anahtarlama elemanı gerekir.

Basit örnek ve günlük yaşam

Bir solunum cihazındaki aspiratör fanı, hava akış sensöründen gelen değere göre çalışır. Akış düştüğünde kontrolcü PWM doluluk oranını artırır ve motor daha fazla hava basınçlandırır. Akış yükseldiğinde doluluk oranı düşürülerek istenen basınç korunur.

Adım adım çözülmüş örnek

Soru: Bir harici kalp sürücü pompası 24 V'ta 1,5 A akım çekiyor. Motor sürücüsünde 2N2222 transistörü kullanılacaksa kolektör akımı yeterli midir? Transistörün azami kolektör akımı 800 mA olarak verilmiştir.

Adım 1: Motorun çektiği akım yazılır: I = 1,5 A = 1500 mA.

Adım 2: Transistörün üretici sınırı belirlenir: azami kolektör akımı = 800 mA.

Adım 3: Karşılaştırılır: 1500 mA büyüktür 800 mA.

Adım 4: Sonuç: transistör bu motoru doğrudan süremez.

Adım 5: Çözüm: daha yüksek akımlı bir sürücü ya da MOSFET kullanılmalı ve soğutma sağlanmalıdır.

İleri örnek

Kan pompasında sabit akış için adım motoru adım başına 10 mikrolitre hacim taşıyor ve dakikada 500 adım çalışıyor. Bir dakikada basılan kan hacmi 10 çarpı 500 = 5000 mikrolitre olur. Servo kontrollü lineer aktüatör kullanan bir sistemde ise konum geri beslemesi sayesinde hacim sapması yüzde birden daha düşük tutulabilir. Güç kaynağı ve sürücü seçiminde ise motorun çalışma akımı ile azami akım arasında güvenlik payı bırakılmalıdır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık yapılan hatalar

Motoru transistörden doğrudan yüksek akımla sürmek en sık yapılan hatadır; transistör aşırı akıma dayanamaz ve aşırı ısınır. İkincil hata PWM doluluk oranını artırdığında devrin düşeceğini varsaylamaktır. Doğru davranış tersidir; doluluk oranı artarsa ortalama gerilim artar ve devir yükselir. Üçüncü hata konum kontrolünde adım frekansını azaltmaktır, çünkü adım sayısı ile konum doğrudan ilişkilidir.

Özet

Biyomedikal aktüatörler olarak DC motor, adım motoru, servo motor, lineer aktüatör ve pompa motoru kullanılır. Hız kontrolü voltaj veya PWM ile, konum kontrolü adım sayısı veya geri besleme ile yapılır. Transistör ya da MOSFET sürücüde motor doğrudan yüksek akım çekmemeli; geri diyot bobinin geri emf değerini sönümlerek sürücüyü korur.

Kendini dene

1. Doğrusal hareket gerektiren bir cihaz için DC motor, adım motoru ve servo motorundan hangisini seçerdin, nedenini yaz. 2. Bir motor sürücüsü 24 V'ta 2 A çekiyor. 1 A'lık bir transistör yeterli midir, gerekçeni açıkla. 3. PWM doluluk oranı yüzde 50'den yüzde 80'e çıkarılırsa motor devri ve akışı nasıl değişir, açıkla. 4. Bobin geri emf değeri neden sürücüyü zorlar ve hangi yöntemle söndürülür? 5. Bir tıbbi cihaz motoru için iki güvenlik gereksinimi belirle ve tıbbi cihaz standartlarındaki sınıflandırmayı özetle.