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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. ([email protected] ). 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: [email protected]).

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

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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.