Глава 23. Генераторы

Генераторами (электронными генераторами) называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы.

Большая группа медицинских по назначению аппаратов является конструктивно генераторами разнообразных электромагнитных колебаний. Наряду с генераторами в главе описывается также устройство электронного осциллографа.

23.1. РАЗНОВИДНОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

По принципу работы различают генераторы с самовозбуждением (автоколебательные системы или автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты.

Большинство генераторов, применяемых для решения радиотехнических задач, являются генераторами с самовозбуждением: их подразделяют на генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы импульсных (релаксационных) колебаний.

Технической основой генератора могут быть вакуумные устройства (электронные лампы), газонаполненные (газоразрядные) лампы, полупроводниковые элементы и интегральные схемы.

Два последних понятия объединяют единым термином - «твердотельные устройства», от физического понятия «твердое тело». Имеется в виду, конечно, общность не по механическим, а по электрическим свойствам твердого тела. Так возникает понятие «твердотельный генератор».

Генераторы также подразделяют по частоте и мощности колебаний. В медицине электронные генераторы находят три основных применения:

- в физиотерапевтической электронной аппаратуре;

- в электронных стимуляторах;

- в отдельных диагностических приборах, например в реографе.

23.2. ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НАТРАНЗИСТОРЕ

Рассмотрим принцип работы генератора на транзисторе (рис. 23.1), в котором возникают автоколебания, близкие к синусоидальным. Для понимания общих принципов функционирования данного генератора целесообразно вспомнить структурную схему автоколебательной системы (см. рис. 7.19).

Колебательный контур Х_кС_к расположен в цепи коллектора.

Катушка Х_ос, индуктивно связанная с ь_к, выполняет роль обратной связи. Источником энергии служит батарея ε. В качестве клапана, пропускающего в контур энергию в нужный момент, используется транзистор.

В момент включения схемы в колебательном контуре возникают малые случайные электромагнитные колебания. За счет индуктивной обратной связи эти колебания передаются на базу, точнее на р-и-переход между эмиттером и базой, и усиливаются (см. 22.4). Усиленные транзистором колебания через коллекторную цепь подаются в колебательный контур в резонанс с теми, которые там уже существуют, и амплитуда колебаний возрастает. Разумеется, так будет лишь при определенном фазовом соотношении между колебаниями в контуре и изменением напряжения на базе. Обратная связь должна быть положительной. Если поменять концы обмотки Х_ос, то желаемый эффект не будет достигнут: малые колебания контура, возникшие из-за случайных токов во время включения схемы, будут подавляться транзистором.

В 22.5 при анализе формулы (22.18) было замечено, что усилитель, охваченный положительной обратной связью, может стать и генератором. Сопоставим генератор (рис. 23.1) с усилителем (рис. 22.8, б). И в том и в другом случае усиливаемый сигнал подается между эмиттером и базой, а усиленный снимается с коллектора-базы. В случае генератора усиленный сигнал через индуктивную связь частично вновь попадает на эмиттер-базу.

Возрастание амплитуды колебаний не может происходить бесконечно. Во-первых, батарея е является источником вполне конечной энергии и не может обеспечить колебаний бесконечной амплитуды. Во-вторых, амплитудная характеристика (см. рис. 22.2) имеет ограниченный линей- Рис. 23.1

ный участок, а выход за пределы линейной части означает (штриховые линии на рисунке) уменьшение коэффициента усиления.

Таким образом, процесс будет периодическим, близким к гармоническому. Схема генерирует колебания, частота которых равна частоте собственных колебаний контура Х_кС_к. Изменить эту частоту можно, изменяя параметры контура - индуктивность и емкость. Из конструктивных соображений обычно делают переменной емкость С_к. Элементы схемы R₆ и С_б служат для создания на базе нужного напряжения смещения, чтобы выбрать оптимальное положение рабочей точки (см. рис. 22.2, точка а на графике) и не закоротить источник напряжения ε цепью эмиттер-база.

23.3. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ (РЕЛАКСАЦИОННЫХ) КОЛЕБАНИЙ

Из многих вариантов генераторов релаксационных колебаний рассмотрим два наиболее простых.

Одна из схем (рис. 23.2) - генератор с использованием неоновой лампы л. Такие лампы зажигаются при некотором строго определенном значении напряжения u₃, а гаснут при меньшем напряжении U_г. Процесс начинается с зарядки конденсатора с.

На графике зависимости выходного напряжения от времени (рис. 23.3) этот этап показан отрезком оа, отвечающим уравнению (18.20). В точке а напряжение на конденсаторе достигает значения U₃, достаточного для ионизации газа в неоновой лампе, лампа загорается и конденсатор разряжается через нее [см. (18.19)]. В точке в напряжение на лампе станет равным U_г, лампа гаснет и ее сопротивление значительно возрастает. Конденсатор опять подзаряжается, и процесс повторяется.

Как видно из (18.20), скорость возрастания напряжения в такой схеме можно изменять, изменяя параметры R и С. Так, увеличение сопротивления приведет к увеличению времени Т, участок ОА станет более пологим. Изменение напряжения на участке АВ происходит при разряде неоновой лампы и зависит, следовательно, от ее характеристик. Подбирая параметры схемы, можно реальный график (рис. 23.3) приблизить к идеальному, называемому пилообразным напряжением (рис. 23.4). График зависимости этого напряжения от времени напоминает профиль пилы. В течение времени Т напряжение линейно возрастает от Ц до U₂, затем за время τ оно линейно уменьшается до минимального значения. Если требуется более точное приближение к линейному возрастанию напряжения со временем, то применяют более сложные схемы. Пилообразное напряжение используется в развертке электронного осциллографа (см. 23.4).

Генератором релаксационных колебаний является также мультивибратор, одна из схем которого изображена на рис. 23.5. Для понимания работы этой схемы напомним кратко свойство транзистора пропускать или не пропускать ток в зависимости от напряжения на базе. Резистор

подсоединен параллельно к р-и-переходу коллектор-база первого транзистора. Если через этот резистор протекает ток сверху вниз, то потенциал базы транзистора больше потенциала коллектора. Это увеличивает электропроводимость транзистора, и через него сможет идти ток от эмиттера к коллектору. При прохождении через резистор R₆₁ тока в противоположном направлении, т.е. снизу вверх, потенциал базы будет меньше потенциала коллектора и транзистор окажется запертым.

Допустим исходно, для начала объяснения, что транзистор T_p1 заперт, источник заряжает конденсатор с₁ (цепь указана штриховкой). После того как конденсатор с₁ зарядится до некоторого напряжения, он сможет при открытом транзисторе t_p1 разряжаться через него (цепь показана пунктиром). Ана-

логичное рассуждение можно провести и для конденсатора с₂. Важно заметить, что каждый конденсатор разряжается через соседний резистор, влияя, таким образом, на состояние соседнего транзистора.

Этот процесс пока очень напоминает работу релаксационного генератора на неоновой лампе. Там конденсатор заряжался через резистор r, здесь через r_ii1 и R₆₂, разряжался через неоновую лампу л, здесь через T_p1 и резистор R₆₂. Но в предыдущем случае ток через лампу проходил при определенном значении напряжения, здесь же он зависит от падения напряжения на R₆₁ в результате зарядки и разрядки конденсатора С₂.Пока конденсатор С₂ заряжается (через r_ii2 и R₆₁), ток по R₆₁ проходит сверху вниз, транзистор t_p1 отперт. Когда этот конденсатор разряжается (через T_p2 и R₆₁), ток по R₆₁ направлен снизу вверх и при соответствующем его значении транзистор t_p1 заперт. Таким образом, когда один конденсатор заряжается, другой разряжается; когда один транзистор отперт, другой- заперт, и наоборот. Процесс имеет повторяющийся характер.

Конечно, можно допустить случай, когда оба транзистора отперты, а напряжения и силы токов на всех элементах постоянны во времени. Более детальное исследование показывает, что такое состояние будет неустойчивым и любое малое отклонение от него приведет к возникновению вышеописанных скачков.

Характер выходного напряжения Ц_вых мультивибратора зависит от параметров входящих в него резисторов, конденсаторов и транзисторов, а также от того, симметричны ли параметры элементов слева по отношению к аналогичным параметрам справа, и т.д. Приведем один из возможных случаев, когда выходное напряжение имеет почти прямоугольный характер (рис. 23.6).

23.4. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Осциллограф - это измерительное устройство для визуального наблюдения или записи функциональной зависимости двух величин, преобразованных в электрический сигнал.

Осциллографы широко используют для наблюдения временной зависимости переменной величины.

Главной частью электронного осциллографа является электроннолучевая трубка (рис. 23.7). Ее элементы расположены в вакууми-рованном баллоне Б. Они включают люминесцирующий экран Э, отклоняющую систему О из конденсаторов и электронную пушку П (выделено штриховой линией), состоящую из подогревного катода, подобного катоду диода, и специальных электродов, которые ускоряют и фокусируют электроны. На пластины конденсаторов подается разность потенциалов. В зависимости от ее знака и значения пучок электронов отклоняется в вертикальном или горизонтальном направлении. Сформированный и определенным образом направленный электронный пучок попадает на люминесцирующий экран - переднюю стенку электронно-лучевой трубки, покрытую люминофорами, которые способны светиться под воздействием ударов электронов (катодолюми-несценция).

Пучок электронов на экране изобразится светящейся точкой. Плавно изменяя напряжение на отклоняющих пластинах, светящуюся точку можно перемещать по экрану. Люминофоры обладают свойством послесвечения, они светятся в данном месте некоторое время после того, как электронный пучок сместился с данного места. Поэтому перемещение пучка наблюдается на экране в виде линии.

Структурная схема осциллографа дана на рис. 23.8: Ус. X, Ус. Y - усилители; БП - блок питания; ГР - генератор развертки; ЭЛТ - электронно-лучевая трубка. Имеется также блок синхронизации. На рис. 23.9 изображена передняя панель осциллографа.

Поданный на клеммы «Вход Y» и «3емля» сигнал усиливается и подается на вертикально отклоняющие пластины. На экране осциллографа такой сигнал изобразится отрезком вертикальной прямой.

Для наблюдения зависимости сигнала от времени следует светящейся точке сообщить одновременно равномерное движение в горизонтальном направлении. Чтобы записать периодический процесс, точка должна за некоторый конечный промежуток времени переместиться слева направо по экрану и в возможно короткий промежуток времени вернуться обратно. Поэтому напряжение, подаваемое на горизонтально отклоняющие пластины, должно иметь пилообразный вид (см., например, рис. 23.4, причем Т >>τ ). Принцип устройства, служащего для этой цели, - генератора развертки - был рассмотрен в 23.3.

Для того чтобы периодический процесс отображался на экране неподвижным изображением, необходимо подобрать достаточно точно частоту развертки: на один период времени развертки должно приходиться целое число периодов исследуемого сигнала. Это условие выполняется блоком синхронизации развертки. Ручки «Диапазон частот» и «Частота плавно» позволяют задавать нужную частоту развертки.

Если исследуемый процесс однократный или непериодический, то может быть использован ждущий режим развертки, предусмотренный в некоторых осциллографах. Этот режим развертки действует каждый раз и только тогда, когда возникает регистрируемый процесс.

Вращая ручки «Яркость» и «Фокус», изменяют разность потенциалов между ускоряющими электродами, благодаря чему достигаются различная интенсивность и площадь сечения электронного пучка. При этом наблюдается изменение яркости и фокусировки светящейся точки. Ручки «Ось Y» и «Ось Х» служат для смещения всей изображаемой картины в вертикальном или горизонтальном направлении. Для наблюдения зависимости каких-либо двух величин подают электрические сигналы, отвечающие этим величинам, на клеммы «Вход Y» и «Вход Х». Генератор развертки при этом не включается. Так, в частности, можно получить фигуры Лиссажу (см. 7.3), вектор кардиограмму (см. 14.5).

Рис. 23.9

С помощью ручки «Усиление» изменяют усиление поданного сигнала. При этом на экране осциллографа изображение растягивается или сжимается по соответствующему направлению.

Для калибровки масштаба времени в некоторых осциллографах предусмотрен генератор меток времени для периодического изменения яркости пятна на экране. Благодаря этому можно определять длительность изображаемого процесса или его отдельных частей.

Изображение, полученное на экране электронного осциллографа, может быть сфотографировано.

23.5. ЭЛЕКТРОННЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ. НИЗКОЧАСТОТНАЯ ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА

Будем ради краткости называть физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот обобщающим понятием высокочастотная.

Медицинские аппараты - генераторы гармонических и импульсных низкочастотных электромагнитных колебаний - объединяют две большие группы устройств, которые трудно четко разграничить: электронные стимуляторы (электростимуляторы) и аппараты физиотерапии. При небольших частотах наиболее существенно специфическое, а не тепловое, действие тока. Поэтому лечение током имеет характер стимулирования какого-либо эффекта раздражением токами. Это обстоятельство, вероятно, и влечет смешение понятий «лечебный аппарат» и «электростимулятор».

Хотя электрическое раздражение мышцы было обнаружено еще в XVIII в., широкое использование электростимуляторов началось лишь в последние десятилетия. В настоящее время имеется много разных электростимуляторов. Но и сейчас важной медицинской и физиологической проблемой остается точное задание выходных параметров электрического сигнала разработчикам электростимуляторов: форма импульса, его длительность, частота импульсного тока и скважность следования импульсов (см. гл. 18 и 19).

Электростимуляторы могут быть подразделены на стационарные, носимые и имплантируемые (вживляемые). Для полностью имплантируемых электростимуляторов, например кардиостимуляторов, достаточно серьезной проблемой являются источники питания, которые должны

Рис. 23.10

длительно и экономно функционировать. Эта проблема решается как созданием соответствующих источников, так и разработкой экономичных генераторов. Так, например, желательно иметь генераторы, которые практически не потребляли бы энергию в паузе между импульсами.

В качестве примера стационарного стимулятора широкого назначения можно указать универсальный электроимпульсатор УЭИ-1 (рис. 23.10). Он представляет собой генератор импульсного тока прямоугольной и экспоненциальной формы. Параметры импульсов и их частота могут регулироваться в широких пределах, так, например, длительность прямоугольных импульсов способна изменяться дискретно от 0,01 до 300 мс. Аппарат позволяет измерять амплитуду импульса тока в цепи пациента. На экране электронно-лучевой трубки (левая сторона лицевой панели УЭИ-1) можно наблюдать форму импульсов на выходе аппарата.

Примером своеобразного стимулятора являются дефибрилляторы - аппараты, представляющие собой генераторы мощных высоковольтных электрических импульсов, предназначенные для лечения тяжелых нарушений ритма сердца. Дефибриллятор включает накопитель энергии (конденсатор), устройство заряда конденсатора и разрядную цепь. На рис. 23.11 показан внешний вид импульсного дефибриллятора ДИ-03.

Носимым и частично им1шантируемым кардиостимулятором является имплантируемый радиочастотный электрокардиостимулятор ЭКСР-01 (рис. 23.12). Имплантируемая его часть (приемник) показана в центре рисунка, ее масса 22 г, толщина 8,5 мм. Приемник воспринимает радиосигналы от внешнего передатчика (на рисунке слева). Эти сигналы воспринимаются внутри тела больного имплантируемой частью и в виде импульсов через электроды подаются на сердце. В правой части рисунка показан блок питания, который, как и передатчик, носится больным снаружи.

К особой разновидности электростимуляторов можно отнести такие, которые способны в закодированной форме передать информацию, обычно воспринимаемую органами чувств. Подобным стимулятором является кохлеарный протез, преобразующий звуковую информацию в электрический сигнал, т.е., по существу, заменяющий улитку внутреннего уха (см. 8.5). Носимый кохлеарный протез показан на рис. 8.13.

К техническим устройствам электростимуляции относятся также электроды для подведения электрического сигнала к биологической системе. Во многих случаях электростимулирование осуществляется пластинчатыми электродами, которые накладываются на тело человека

подобно электродам для электрокардиографии (см. 21.2). Для вживляемых электродов проблемы более серьезные, в том числе и проблема выбора материала, устойчивого к коррозии при прохождении тока в условиях агрессивной биологической среды.

Примером физиотерапевтического аппарата для электротерапии синусоидальными модулированными токами является «Амплипульс-3» (рис. 23.13, а). В нем частота несущих синусоидальных колебаний равна 5 кГц, частота модулирующих синусоидальных колебаний может плавно регулироваться в пределах 10-150 Гц. Некоторые возможные формы токов, созданные этим генератором, показаны на рис. 23.13, б; соотношение между частотами несущих и модулирующих колебаний на рисунке не выдержано.

23.6. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА. АППАРАТЫ ЭЛЕКТРОХИРУРГИИ

Большая группа медицинских аппаратов - генераторов электромагнитных колебаний и волн - работает в диапазоне ультразвуковых (над-тональных), высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот и называется обобщающим термином высокочастотная электронная аппаратура.

Проблема электродов в данном случае решается по-разному. Для высокочастотных токов (см. рис. 19.5) используются стеклянные электроды, воздействие переменным магнитным полем (индуктотермия) оказывается через спирали или плоские свернутые кабели, по которым проходит переменный ток, создавая переменное магнитное поле. При УВЧ-терапии прогреваемую часть тела помещают между дискообразными металлическими электродами (рис. 23.14), покрытыми слоем изолятора. При воздействии электромагнитными волнами к телу приближают излучатель этих волн.

Для безопасности больного электроды подключаются не к колебательному контуру генератора, а к контуру пациента (терапевтическому контуру), который индуктивно связан с основным колебательным контуром генератора (рис. 23.14). Индуктивная связь исключает возможность случайного попадания больного под высокое постоянное напряжение, которое практически имеется в большинстве медицинских высокочастотных генераторов. На рис. 23.14 изображен генератор на триоде, так как ламповые генераторы еще применяются в медицинской аппаратуре в связи с необходимостью получить достаточно большую мощность.

Физиотерапевтические аппараты, являющиеся генераторами электромагнитных колебаний, конструируются так, чтобы не мешать радиоприему и телевидению. Это обеспечивается, с одной стороны, специальными помехозащитными устройствами, а с другой стороны, определенным строгим заданием диапазона рабочих частот.

Внешний вид некоторых аппаратов показан на рисунках: аппарат «Искра-1» - высокочастотный генератор, работающий в импульсном режиме и используемый для местной дарсонвализации (рис. 23.15), аппарат ИКВ-4 для индуктотермии, работающий на частоте 13,56 МГц (рис. 23.16), переносной аппарат для УВЧ-терапии - УВЧ-66 (рис. 23.17), аппарат для микроволновой терапии «Луч-58» (рис. 23.18).

К высокочастотной электронной медицинской аппаратуре относят и аппараты электрохирургии (высокочастотной хирургии). Основой этих устройств является генератор электромагнитных колебаний гармониче-

ских или модулированных. Мощность используемых в электрохирургии электромагнитных колебаний может быть от 1 Вт до несколько сотен ватт.

Особенность генераторов в том, что они должны отдавать мощность в нагрузку (биологическая ткань), которая изменяется в значительных пределах. Длительное время генераторы вообще могут работать без нагрузки, поэтому в аппаратах электрохирургии еще в значительной степени используются вакуумные лампы, которые по сравнению с полупроводниковыми устройствами обладают большей устойчивостью к возможным перегрузкам.

При электрохирургии электромагнитные колебания подаются на электроды, которые рассекают или коагулируют ткань. Различают электроды для монополярной и биполярной электрохирургии.

В первом случае один выход генератора аппарата соединен с активным электродом, которым и осуществляют электрохирургическое воздействие, а другой электрод - пассивный - контактирует с телом пациента.

Во втором случае оба выхода генератора соединены с двумя активными электродами, между которыми протекает высокочастотный ток, оказывая хирургическое воздействие. В этом случае оба электрода являются активными, а пассивный электрод не используется.

Внешний вид одного из аппаратов электрохирургии показан на рис. 23.19.