一种低磁场脉冲磁疗电路的设计与实现

一种低磁场脉冲磁疗电路的设计与实现
努尔买买提·阿布都拉;居来提·买提肉孜;刘俊洋;王越
【摘要】研究一种脉冲磁疗电路的设计与实现,该系统采用低功耗CMOS反相器芯片CD4069和二一十进制同步加计数器/分频器芯片CD4518,实现脉冲信号产生及断续波控制电路,选用N沟道MOSFET型号为IRF530N功率场效应管作为电子开关驱动磁疗线圈、产生脉冲频率为75Hz、重复周期10s的低磁场,磁场重复周期、方向和强度均可调.
【期刊名称】《实验室科学》
【年(卷),期】2015(018)006
【总页数】3页(P42-44)
【关键词】脉冲信号;控制;低磁场
【作者】努尔买买提·阿布都拉;居来提·买提肉孜;刘俊洋;王越
【作者单位】新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047
【正文语种】中文
【中图分类】G482
磁疗法是一种利用磁场作用于人体穴位、局部或者全身，以达到治疗疾病目的的方法。

磁场通过影响人体电流分布、荷电微粒的运动、膜系统的通透性和生物高分子
的磁矩取向等，使组织细胞的生理、生化过程改变，起到消肿、镇痛、促进血液和淋巴循环、提高骨密度等作用。

近几年来医疗器械日新月异，治疗手段飞速发展，物理治疗这种相对传统的治疗方法具有简单、疗效好、临床经验积累丰富等优点，因而仍然被广泛应用。

进而推动了磁疗设备的发展，其中安全的脉冲磁疗法就是一个发展方向［1］。

本文介绍的脉冲磁疗电路以常用低功耗CMOS 芯片和功率场效应管作为主要器件，且脉冲宽度、脉冲周期和磁场强度可调，可将它们应用到各种磁疗设备中。

1 磁疗电路的设计
低磁场脉冲磁疗电路工作原理如图1 所示。

该系统由连续脉冲发生电路、控制信号电路、断续波控制电路以及线圈负载驱动电路等三大部分组成。

其中，脉冲发生电路，能产生1.5kHz 的连续脉冲信号，通过分频电路进行多次分频转换为75Hz 的脉冲信号;控制信号电路，能产生1kHz 的连续脉冲信号，通过分频电路进行多次分频转换为0.1Hz 的控制信号;断续波控制电路，通过闸门电路将0.1Hz的控制信号来实现断续波脉冲;线圈负载驱动电路，具有将单向驱动电流供给线圈负载并将产生脉冲磁场。

现对各部分进行简要分析。

1.1 脉冲发生电路
图1 磁疗电路原理框
磁疗总电路如图2 所示。

其中脉冲发生电路是由CMOS 反相器CD4069 为核心的连续脉冲发生器及二-十进制同步加计数器/分频器CD4518 等构成的75Hz 脉冲电路。

电路中，CD4069 的门1、门2、门6 和电阻R1、R2、电位器RP1、电容C1 构成振荡频率为1.5KHz 的脉冲振荡器。

其输出经CD4069 的门5 整形后送至CD4518 的脉冲输入CP 端(2 脚)。

CD4518 经20 分频后在输出端Q2(11 脚)上便可输出一个75Hz 的脉冲信号供给间隔控制电路［2-4］。

1.2 控制信号电路
控制信号电路同样由CMOS 反相器CD4069 为核心的连续脉冲发生器及二-十进制同步加计数器/分频器CD4518 等构成的0.1Hz 脉冲电路。

电路中，CD4069 的门1、门2、门6 和电阻R3、R4、电位器RP2、电容C2 构成振荡频率为1000Hz 的脉冲振荡器。

其输出经CD4069 的门5 整形后送至CD4518 的脉冲输入CP 端(2 脚)。

CD4518 经20分频后在输出端Q3(13 脚)上便可输出一个0.1Hz 的矩形脉冲供给断续波控制电路［5］。

图2 脉冲磁疗电路
1.3 断续波控制电路
断续波控制电路主要由一只CD4011 二输入与非门组成。

能够产生0.1Hz 的矩形脉冲信号，用做与非门的输入定时控制信号，当矩形脉冲为高电平时，与非门打开;当矩形脉冲为低电平时，与非门关闭，可实现脉冲频率75Hz、重复周期10s 的断续脉冲波［6］。

1.4 驱动电路
根据磁疗线圈的驱动波形，电路中驱动管选用N 沟道MOSFET 型号为IRF530N ［7］，其开启电压为2-4V。

但为了保证它的充分导通，一般要提供10V左右的栅极电压。

为此，采用一个简单可靠、成本低廉的栅极驱动。

断续波脉冲信号经过第一个三极管9014 放大，再经后级NPN 型三极管9014 和PNP 型三极管9015 组成的互补电路保持后可给MOS 管的栅极G 极提供11V 左右电压。

该电路在开关管的导通和关断期间有较好的性能;能快速可靠开通，且不存在上升沿的高频振荡;在关断瞬间，驱动电路能提供一个低阻抗的通路供MOSFET 栅源极间电容电压的快速泄放。

该电路输入和输出刚好反向，即当断续波脉冲为低电平时，栅极得到高电压，MOS管充分导通;当PWM 为高电平时，栅极电压几乎为0，MOS 管关断［8］。

从而使加载MOS 管漏极上的电压随脉冲信号的变化而变化，在磁疗线圈中产生交变的脉冲磁场。

1.5 磁疗线圈
笔者对磁疗电路进行测试，做出一套负载线圈，线圈尺寸如图3 所示。

负载线圈由线径为0.53mm的漆包线绕在尺寸为110mm(长)、80mm(高)、20mm(宽)的胶木骨架上，线圈匝数600。

每匝线圈通入电流最大值为1.8A，通电数600。

每匝线圈通入电流最大值为1.8A，通电线圈材料为铜，周围的介质是空气［9］。

图3 负载线圈结构
2 测试结果与分析
调整磁疗电路中电位器RP1、RP2，得到输出频率75Hz、重复周期10s 的断续脉冲波，连接负载线圈，用WT20B 型号毫特斯拉计离线圈0 ～100mm 区域进行磁场强度测量，其测量数据如表1 所示。

对表1 数据进行处理，绘制出的磁场强度与分布距离之间的关系曲线如图4 所示。

表1 磁场强度测量试验数据?
图4 磁场强度与分布距离关系曲线
由以上实验数据和特性曲线可以看出，线圈中心磁场最大;空气区域中越贴近线圈表面磁场越大;随着离线圈表面距离的增加，磁场强度迅速衰减［10］。

3 结语
从实验结果可看出，本设计能够实现低磁场脉冲磁疗电路，电路简单，根据需要可以调整不同频率和强度的断续波脉冲磁场，所以开发各种物理治疗设备有一定的理论意义和实用价值。

参考文献(References):
［1］李开元，胡敏霞，王卫东，等.基于IGBT 的脉冲磁疗机的研制［J］.医疗设备信息，2005(1):4-12.
［2］ CMOS 集成电路编写组.CMOS 集成电路［M］.北京:国防工业出版社，1985:130-275.
［3］康华光.电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006:407-410. ［4］李岗.变速数字选号机［J］.实用电子制作，2015(9):12-13.
［5］李本亮，曾亚光，孙仁云，等.发动机检测仪检定装置的示波灵敏度检定设计［J］.中国测试技术，2004(9):10-12.
［6］刘志朋，殷涛，关晓光，等.中医针灸仪电针治疗电路的设计［J］.中国医疗器械杂志，2002(3):185-186.
［7］姜伟伟，高云国，韩光宇，等.基于IRF530 和AT89S52 的步进电机驱动控制器［J］.电机与控制应用，2010(12):43-46.
［8］王建，赖奕佳.基于ATmegal28 单片机的自动投切开关电源设计［J］.工业控制计算机，2013(1):126-127.
［9］吴亚，孙剑飞，郭全忠，等.肿瘤热疗用交变磁场发生器的研制［J］.东南大学学报，2004(11):794-796.
［10］关志成，苏华锋，贾志东，等.通电空心线圈系统的磁场分析［J］.高电压技术，2009(11):36-40.。