Desarrollo de medidor de corrientes de fuga diferencial

1
Desarrollo de medidor de corrientes de fuga
diferencial
Sebastián L. Rodríguez Aguada, Conrado J. Rodríguez, Oscar R. Vanella y Rodrigo G. Bruni

Resumen—Si bien los aparatos electromédicos cumplen con
rigurosas normas que garantizan la seguridad y desempeño
esencial del dispositivo, es necesario verificar su estado a lo largo
de su vida útil. Uno de los parámetros a verificar son las
corrientes de fuga. El presente trabajo consiste en el desarrollo
de un instrumento de medición de corrientes de fuga total por
método diferencial para verificar los requisitos de seguridad
establecidos en la norma internacional IEC62353.
Abstract— Although electrical medical equipments meet
rigorous standards that ensure the safety and essential
performance of the device, it’s needed to verify their status
throughout serviceable lifespan. One of the parameters to check
is the leakage current. The present work describes the
development of an instrument for measuring total leakage
current by differential method intended to verify the safety
requirements established by international standard IEC62353.
Palabras Claves — Seguridad eléctrica, corriente de fuga,
equipo medico, equipamiento de ensayo.
Index Term s— Electrical safety, leakage current, medical
equipment, test equipment.
I. INTRODUCCION
El uso de aparatos eléctricos, y de equipos electromédicos
(EM) en particular, genera un potencial riesgo para quienes
entran en contacto con ellos. Es por ello que existen normas
que establecen los requisitos mínimos para considerar que un
equipo es seguro, siendo los equipos médicos los que cuentan
con mayores exigencias debido a que son usados en contacto
eléctrico con pacientes, quienes pueden no estar en
condiciones de reaccionar normalmente ante situaciones
peligrosas [1]. No obstante, el cumplimiento de estos
Original recibido el 14 de Marzo de 2012. Este trabajo fue realizado en el
Laboratorio de Investigación Aplicada y Desarrollo (L.I.A.D.E.),
Departamento de Electrónica, Facultad de Ciencias Exactas Físicas y
Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. Como proyecto integrador de la
carrera de grado de Ingeniería Electrónica por el alumno Sebastián Rodríguez
Aguada bajo la dirección del Ing. Rodrigo G. Bruni.
Sebastián Rodríguez Aguada es alumno de la carrera de Ingeniería
Electrónica, F.C.E.F. y N. – U.N.C. (sebarodrigueza@yahoo.com.ar ).
Ing. Rodrigo Gabriel Bruni, Ing. Conrado Javier Rodríguez, Ing. Oscar
Rodolfo Vanella. Departamento de Ingeniería Biomédica y L.I.A.D.E.,
Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales, Universidad Nacional de
Córdoba. Av. Vélez Sársfield 1611 – Pabellón Ingeniería – Ciudad
Universitaria. C.P. 5016, Córdoba, Argentina. Tel: +54-351-4334147 int. 3
(e-mail: liade@com.uncor.edu).
requisitos normativos garantiza sólo que los equipos son
seguros y se desempeñan de acuerdo al uso previsto, al
momento de salir de la fábrica. Pero, durante su utilización, el
desgaste natural, las sobrecargas en las exigencias, el uso
inadecuado o la reparación pueden cambiar su condición de
seguridad o desempeño [2]. Por consiguiente, surge la
necesidad de realizar una verificación periódica para asegurar
que el equipo mantiene el estado de seguridad y desempeño
inicial, según procedimientos adecuados [3].
Uno de los aspectos más relevantes es la evaluación de las
corrientes de fuga, debido a los riesgos asociados a las mismas
y a la alta incidencia de este tipo de fallas en determinados
tipos de equipos, principalmente en aquellos con mayor
tiempo de uso [4].
Existen varios métodos para la verificación de las corrientes
de fuga en aparatos electromédicos durante su vida útil, entre
ellos el llamado diferencial, que consiste en medir la
diferencia de corriente entre los conductores de alimentación
del equipo. Este método presenta como ventajas su
simplicidad, la seguridad que brinda al personal que realiza la
medición, debido a que no es necesario desconectar la tierra
de protección del equipo durante el procedimiento, y que el
valor indicado corresponde a la corriente de fuga total del
equipo, aunque presenta como desventajas limitaciones en
cuanto al ancho de banda de frecuencia y rango de valores que
pueden medirse, principalmente para valores pequeños de
corriente, y se ve influenciado por campos magnéticos
externos[5].
El trabajo consiste en el desarrollo e implementación de un
equipo prototipo de medición de corrientes de fuga por
método diferencial para ser empleado en el control periódico
de aparatos electromédicos según la norma internacional
IEC62353.
El desarrollo del instrumento incluye el diseño del
transformador diferencial, acondicionamiento de señal,
interfaz de usuario y realización de pruebas de laboratorio para
verificar su desempeño.
2
II. CARACTERISTICAS
El sistema de medición presenta las siguientes
características:
 Permite la medición del total de las corrientes de
fuga del EM [5].
 Fondos de escala de 200µA, 2mA y 20mA.
 Precisión mejor a +/- 10%.
 Ancho de banda 50Hz-5kHz.
 Aislación galvánica entre los circuitos de medición
y la red eléctrica.
 Provee un método seguro de medición ya que
permite que la conexión de puesta a tierra de
seguridad del EM bajo ensayo permanezca
conectada.
 Permite medir la corriente de fuga de equipos que
tengan un consumo de potencia menor a 800W.
 Simpleza de uso.
III. DESARROLLO
En la figura 1 se observa que el sistema de medición consta
de varios bloques funcionales, los que a continuación se
describen:
soportar la corriente y tensión nominales para la conexión del
equipo bajo ensayo, debe tener una exactitud mejor a +/- 10%
y debe presentar un elevado rechazo a la corriente de modo
común.
Figura 2. Diagrama en bloques para cálculo de la corriente
de secundario
El principio de funcionamiento es el siguiente, si se supone
que el equipo bajo ensayo consume una corriente Ic y tiene
una corriente total de fuga If, por los devanados primarios del
transformador circulará: por uno una corriente Ic+k1*If y por
el otro la corriente será Ic-k2*If (Figura 2), donde k1 y k2 son
constantes para un mismo equipo bajo ensayo y cuya suma
será igual a la unidad. Si se considera que cada uno de los
primarios tiene N1 espiras y el secundario tiene N2 espiras,
teniendo en cuenta que el campo magnético es el mismo en
todo el material se observa que la corriente de secundario
idealmente será
N2*Is= N1*(Ic+k1*If) – N1*(Ic-k2*If)
(1)
Teniendo en cuenta la ley de Kirchoff de corrientes para el
nodo que representa el equipo bajo ensayo, se observa que
k1+k2=1
(2)
Luego
Is = (N1/N2)*If
Figura1. Diagrama en bloques.
a) Transformador diferencial: El principio de medición se
basa en el uso de un transformador diferencial de corriente, el
mismo esta formador por dos primarios idénticos conectados
en contrafase y un secundario, su funcionamiento es tal que
este entregará en su secundario una corriente proporcional a la
diferencia de las corrientes que circulen por los primarios. Las
consideraciones para el diseño son que este debe presentar una
baja impedancia en serie con la carga, debe ser capaz de
(3)
En la realidad la corriente de secundario presentará
diferencias tanto en fase como en amplitud respecto al valor
ideal. Esto es así ya que una parte de la corriente primaria
cumple la función de magnetizar el núcleo del transformador.
Este efecto puede ser tenido en cuenta mediante un factor de
corrección (5), mayor que la unidad, en la relación de
transformación [6].
Is = F*(N1/N2)*If
(4)
F = 1+ (N1/N2)*(I0/ Is)
(5)
Siendo F el factor de corrección.
Con el fin de disminuir dicho factor de corrección se busca
disminuir la corriente de magnetización. La siguiente
3
expresión (6), aunque aproximada,
factores a tener en consideración
detalla cuales son los
I0m= (Rn*Ism*Zs)/(N1*N2*ω)
transformador mejorando la exactitud del mismo, obteniendo a
la vez transimpedancias elevadas, permitiendo establecer la
misma mediante el valor de un resistor.
(6)
La función de transferencia del bloque es
Dónde I0m es el valor pico de la corriente de magnetización,
Rn es la reluctancia del material magnético, Ism es la corriente
pico de secundario, Zs es la impedancia de carga del
secundario, N1 y N2 son las espiras del primario y secundario
y ω es la frecuencia angular.
Se observa que para que la corriente de magnetización sea
mínima también deberán serlo la reluctancia y la impedancia
de carga del secundario. En este caso en particular se decidió
trabajar con el secundario en cortocircuito, siendo este
provisto por el amplificador de transimpedancia (cortocircuito
virtual), quedando como carga del secundario la resistencia e
inductancia propias del devanado. Además se decidió trabajar
con la mayor cantidad de espiras que permitieran mantener
bajas las inductancias de dispersión. El núcleo que se utilizó es
un núcleo toroidal de ferrite, minimizando así las inductancias
de pérdida.
Algo que es interesante notar, es que la corriente de
magnetización del núcleo disminuye con el aumento de la
frecuencia, por lo cual el transformador será mas preciso a
frecuencias mas elevadas. Esto de por sí no implica que el
dispositivo de medición vaya a tener un gran ancho de banda
ya que la inductancia del secundario será, en conjunto con el
amplificador de transimpedancia, la encargada de limitar la
respuesta en alta frecuencia.
b) Amplificador de transimpedancia. Suelen utilizarse dos
tipos principales de estructuras basadas en amplificadores
operacionales con el fin de medir corrientes, el amperímetro
shunt y el amplificador de transimpedancia [7].
Vo = - Is*Rf (7)
Las desventajas que presenta es que es necesario proveer
medios para ajustar la tensión de offset del mismo y su alta
ganancia de ruido, lo cual implica un mayor esfuerzo en la
selección del amplificador y limita la capacidad de medir
corrientes pequeñas.
c) Etapa de ganancia programable. Este bloque consta de
una etapa de ganancia constituida por dos amplificadores
operacionales que cumplen la función de amplificar la señal a
niveles adecuados para obtener la mejor precisión posible en
la etapa del conversor A/D y además son las encargadas de
establecer la respuesta en frecuencia. Las ganancias son
seleccionadas por medio de un microcontrolador (MCU) de
forma automática (auto rango) o mediante pulsadores,
permitiendo así obtener los distintos fondos de escala.
El cambio de ganancia se implementa
mediante el
comando de varios relés de señal que permiten seleccionar
varios componentes que varían las ganancias de lazo cerrado
de los amplificadores operacionales.
d) Conversor RMS-DC. La norma [5] exige que el valor de
la medición corresponda al valor RMS de la corriente de fuga.
Este bloque realiza el cálculo necesario para obtener un valor
de tensión continua a su salida equivalente al valor RMS
verdadero de la señal a su entrada. Es decir
(8)
En la práctica el valor de tensión de salida del conversor
esta compuesto por la suma de una tensión continua y una
tensión alterna (ripple) producto de el calculo del valor
absoluto de la señal. El valor de tensión continua obtenido es
ligeramente menor al valor teórico esperado, esa diferencia se
especifica mediante el error DC en un valor porcentual y el
valor del ripple también se especifica en un valor porcentual.
Para llevar a cabo esta tarea se decidió trabajar con el
dispositivo AD536AJ y con el mismo se logra un error dc del
0,98% de la lectura y un ripple del 0.1%. [8]
Figura 3. Diagrama de amperímetro shunt y amplificador de
transimpedancia [7]
De las dos se selecciona el amplificador de transimpedancia
ya que tiene la ventaja de tener mejor sensibilidad para un
rango dinámico mayor y, principalmente, presenta la ventaja
de que su impedancia de entrada es prácticamente nula
permitiendo minimizar la corriente de magnetización del
e) Conversor A/D e interfaz con el display de 3 ½ digitos.
Con el fin de mantener un diseño simple se optó por utilizar
un conversor A/D con interfaz para display, dicho dispositivo
es el ICL7106. Este, además, presenta la ventaja de que
minimiza la incidencia del ripple que pueda estar presente a la
salida del bloque de conversión RMS-DC, debido a que es un
conversor del tipo integrador.
4
El mismo permite obtener una lectura con una linealidad
típica de +/-0.2 cuentas [9].
f) Microcontrolador.
El dispositivo utilizado es el PIC16F873 con una frecuencia
de reloj seleccionada de 4MHz. El mismo cumple la función
de llevar a cabo el auto rango y de implementar la interfaz de
usuario.
Esta última es simple ya que el conversor A/D se encarga
de mostrar los valores de la conversión en el display de 3 ½
digitos, por lo que se utiliza el MCU para mostrar los puntos
decimales según sea la escala e indicar mediante leds si la
lectura es en mA o en µA. Se proveen interruptores que
permiten cambiar de escala y habilitar/deshabilitar la función
autorango.
El autorango es llevado a cabo mediante un algoritmo que
permite determinar, a partir de la lectura de las salidas del
ICL7106, si es necesario realizar un cambio de escala. Este
procedimiento se lleva a cabo mediante la detección de las
situaciones de under-range y over-range. El under-range
ocurre cuando la lectura que se muestra es menor a 200
cuentas del conversor a/d y el over-range ocurre cuando el
display enciende el 1 correspondiente al digito del milenio y
apaga el resto de los digitos, y si no ocurre ninguna de estas
situaciones se encuentra en la escala correcta [11]. Según sea
el caso se produce un cambio de escala mediante el comando
de reles que cambian la ganancia
g) Display y led indicadores. El display seleccionado es de
3 ½ digitos ya que es la opción optima para utilizar con el
conversor ICL7106 y permite una lectura fácil de la
información. Además el prototipo cuenta con leds que indican
si la unidad de la lectura es en µA o mA y si se encuentra
habilitado o no el autorango.
a) Medición del ancho de banda.
Para relizar esta medición se conectó fase y neutro del
equipo de medición a la salida de un generador de señal y su
conexión a tierra a la tierra de seguridad. Como carga se
utilizaron un resistor de 2.2k ohm conectada entre fase y tierra
y una resistor de 1k ohm entre neutro y tierra. Los valores de
resistores diferentes se seleccionan con el fin de obtener un
desbalance de las corrientes que circulan por el transformador,
representado la situación en la cual circularían corrientes de
fuga desde fase y desde neutro. Posteriormente se inyecta una
señal senoidal tal que se obtengan valores de corriente de fuga
representativos de las diferentes escalas y se realiza un barrido
de frecuencia entre 50 Hz y 10 kHz. De esta forma las
corrientes de fuga serán de 100 µA, 1 mA y 10 mA para el
ancho de banda mencionado.
Figura 4. Esquema de conexión para medición de la
respuesta en frecuencia del equipo de medición.
Obteniendose los resultados que se muestran en el siguiente
gráfico.
IV. RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados de las
mediciones realizadas sobre el prototipo y los métodos
utilizados para obtenerlas. Se realizaron tres tipos de
mediciones una con el fin de medir el ancho de banda del
equipo para una determinada corriente de fuga, otra donde
se midió la exactitud para distintas corrientes de fuga y una
ultima medición donde se midió la variación del error para
una misma corriente de fuga y distintas corrientes de
consumo de equipos conectados al prototipo. Se utilizó un
multimetro calibrado marca Uni-T modelo UT50A como
patrón de referencia con trazabilidad a patrones INTI. Este
cuenta con una exactitud del 1% +3 en las escalas de
corriente alterna de 200uA y 2mA y una exactitud de 1,8%
+ 3 en la escala de 200mA. [10]
Figura 5. Respuesta en frecuencia del equipo de medición.
En el gráfico anterior se observa que el ancho de banda del
prototipo desarrollado es de aproximadamente 4,5 kHz para
las escalas en mA y de 1,5 kHz para la escala de µA.
Si bien el ancho de banda no es elevado, la norma [5] no
especifica un requisito al respecto, más aun destaca que una de
las desventajas que tiene el método diferencial frente al
5
método directo o al alternativo es justamente su reducido
ancho de banda. Por este motivo es que se lo ha caracterizado.
conectan varios valores de resistencias entre fase y tierra para
obtener diferentes corrientes de fuga.
b) Medición de exactitud para distintas corrientes de fuga.
Esta medición se realizó a tensión y frecuencia de red. Se
conectó la entrada del transformador diferencial a la red
eléctrica y posteriormente se fueron conectando distintos
valores de resistencia entre fase y tierra.
Figura 8. Esquema de la conexión para la medición de la
variación de la precisión en función de la corriente consumida
por el equipo bajo ensayo.
Figura 6. Esquema de la conexión para la medición de la
precisión para distintas corrientes de fuga.
Se conectaron entre fase y tierra tres valores distintos de
resistencias dando corrientes de fuga de valor 110 µA, 440 µA
y 1.222 µA. Mientras que los dintintos valores de corriente de
carga fueron 0,1 A, 0,17 A, 0,37 A y 1,45 A. En el siguiente
gráfico se muestran los resultados obtenidos.
Se utilizó el multimetro digital Uni-T UT50A para medir la
corriente que circula por la conexión de puesta a tierra y se
obtuvieron los siguientes resultados. El error porcentual es
relativo al valor leído en el multimetro.
Figura 7. Error porcentual relativo al valor medido con
multimetro Uni-T UT50A.
En el gráfico se observa que para valores de corriente de
fuga menores a aproximadamente 70 uA el equipo pierde
exactitud y deja de cumplir con los requisitos de la norma [5].
Figura 9. Error porcentual relativo a la medición
realizada con UT50A en función de la corriente de
carga.
Se observa que existe una dependencia entre el error
y el valor de corriente consumida por el equipo EM,
esto se hace más evidente en la escala de uA.
III. Conclusiones
c) Medicion de la variación del error en función de la
corriente de consumo de los equipos conectados.
Para realizar esta medición se conecta el primario del
transformador de corriente a la red eléctrica y en el secundario
se conectan distintas cargas con sus tierras deshabilitadas y se
Se ha conseguido desarrollar un prototipo de
laboratorio de un sistema de medición de corriente de
fugas utilizando el método diferencial cumpliendo con
las especificaciones requeridas por la norma [5].
6
De las mediciones se observa que la escala menos
exacta es la correspondiente a la de microamperes,
también se observa que los errores son por exceso por
lo tanto existe la posibilidad de mejorar la respuesta del
prototipo disminuyedo la ganancia de la etapa de
amplificación correspondiente a dicha escala. Así
mismo, se observa que el ancho de banda de dicha
escala también es menor al obtenido para las escalas de
mA, es posible que esto se deba a que se requiere una
mayor ganancia para realizar dicha medición. Además
se hace evidente que es necesario implementar alguna
forma de compensación del error en función de la
corriente que consumen los EM.
REFERENCIAS
[1]
C.J. Rodriguez, C.A. Wevar Oller, R.G. Bruni, O.R. Vanella, R.A.M.
Taborda, “System for the evaluation of power supply transformers in
medical equipment” Journal of Physics, Conference Series Volume
313 conference 1 313 012002, Ed.
IOPScience, 2011.
doi:10.1088/1742-6596/313/1/012002.
[2] R Del Aguila Heidenreich, O Vanella, R Bruni and R Taborda,
“Proposal for periodic verifications of electromedical devices integrated
to terrestrial Technical Ambulance Inspection (TAI)”. Conference
Series Volume 313 conference 1. 332 012004 doi:10.1088/17426596/332/1/012004.
[3] J.F. Gallo, C.J. Rodriguez, R.G. Bruni, O.R. Vanella, Sistema de Gestión
de Mantenimiento de Dispositivos Electromédicos en Centros
de Salud. XXXIV Jornadas IRAM-Universidad, La Plata, 2011.
[4] L. Colombo, B.A. Narbona, D. Rodríguez Miguel, R.G. Bruni, O.R.
Vanella, R.A.M. Taborda, “Evaluación del estado de seguridad
eléctrica en desfibriladores y monitores cardíacos,”
Congreso
Argentino
De
Bioingeniería,
Rosario,
2009.
Disponibe:
http://www.rosario2009.sabi.org.ar/uploadsarchivos/p26.pdf
[5] International Standard IEC 62353, “Medical electrical equipment Recurrent test and test after repair of medical electrical equipment,”
International Electrotechnical Commission,, Swiss,2007 .
[6] Ing. Emilio N. Packmann, “Mediciones eléctricas”- Ed. Hispano
Americana S.A.-3ra Edición,1989.
[7] Keithley, “Application Note Series, Low Current Measurements”,
Keithley Instruments, Inc-2007
[8] C. Kitchin, L. Counts, “RMS to DC conversión application guide”, 2nd
edition, Analog Devices,INC, 1986
[9] Intersil, “ICL7106/ICL7107/ICL7107S datasheet”, Intersil, 2002.
[10] Uni-t, “UT50A/B/C Operating Manual”, Uni-Trend Group Limited,2001
[11] Larry Goff, “Application note AN046: Building a battery operated auto
ranging DVM with ICL7106”, Intersil, 1999.