Электричество и магнетизм: ток, напряжение, поле, индукция

Опираться на напряжение, ток, сопротивление, магнитное поле и индукцию при разборе реальных неисправностей: сетевые наводки на сигналах, греющиеся соединения, трансформаторы, двигатели, катушки и энергия, которая остаётся в выключенном аппарате.

Почему инженеру это нужно в первую очередь

Любой аппарат в больнице работает от электричества, и большинство из них где-то используют магнетизм: трансформатор в блоке питания, двигатель в столе или насосе, катушка в МР-томографе, статор, вращающий анод рентгеновской трубки. Если вы понимаете четыре вещи — напряжение, ток, сопротивление и индукцию, — вы можете рассуждать о неисправностях аппаратов, которых никогда не видели. Если не понимаете — меняете детали, пока ошибка не исчезнет.

Этот урок — не курс теории цепей. Он даёт ту рабочую картину, которую опытный инженер держит в голове, и привязывает каждую идею к симптому, который вы встретите на объекте.

Напряжение, ток, сопротивление и мощность

Напряжение — это «напор»: разность электрических потенциалов между двумя точками, измеряется в вольтах. Ток — это поток зарядов, который этот напор создаёт, измеряется в амперах. Сопротивление — то, насколько цепь мешает току течь, измеряется в омах. Закон Ома связывает их: ток равен напряжению, делённому на сопротивление. Удвойте сопротивление при том же напряжении — ток уменьшится вдвое.

Мощность — это напряжение, умноженное на ток, в ваттах. Мощность, теряемая на сопротивлении, равна квадрату тока, умноженному на сопротивление. Именно эта форма объясняет одну из самых частых реальных неисправностей — плохой или окислившийся контакт. Его сопротивление может быть всего долей ома, но если через него идёт несколько ампер, он превращает этот ток в тепло прямо в точке контакта. Пластик темнеет, контакт окисляется, сопротивление растёт, и он греется ещё сильнее. Потемневший сетевой разъём, оплавленная клемма аккумулятора и периодическое отключение питания у переносного аппарата — часто одна и та же физика.

Постоянный ток течёт в одну сторону, как от батареи. Переменный ток меняет направление много раз в секунду — 50 раз в Казахстане, России и Европе, 60 раз в Северной Америке и ряде других стран, в том числе в части Южной Америки и Азии и в половине Японии. У ввозимого оборудования смотрите шильдик. Сеть переменная потому, что переменное напряжение можно трансформировать, а это приводит нас к магнетизму.

• Напряжение измеряют на элементе, на цепи под напряжением, прибором нужной категории и подходящими щупами.
• Ток измеряют последовательно или токовыми клещами вокруг одного проводника — никогда вокруг всего кабеля, где токи взаимно компенсируются.
• Сопротивление измеряют только на обесточенной и разряженной цепи.

Магнитное поле и единицы, которые вы встретите

Любой ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Если намотать провод в катушку, поля складываются; если вставить в катушку железо, поле становится намного сильнее. Постоянные магниты создают поле за счёт упорядоченности собственных атомов. Напряжённость поля (точнее, магнитная индукция) измеряется в теслах. Поле Земли — примерно от 25 до 65 микротесла в зависимости от места. Клинический МР-магнит обычно 1,5 или 3 Тл — в десятки тысяч раз сильнее. Встретится и старая единица гаусс: один тесла равен десяти тысячам гаусс, а «линия 5 гаусс» вокруг МР-магнита (0,5 мТл) — граница, по которой организуют контроль доступа и защиту пациентов с кардиостимуляторами.

На ток в магнитном поле действует сила. Так работает любой двигатель, так движется динамик, и поэтому градиентные катушки МРТ громко стучат: большие импульсные токи в сильном статическом поле толкают проводники катушки. Та же сила бросает ферромагнитный предмет к МР-магниту — статическое поле притягивает железо, и сила резко растёт по мере приближения предмета. Инструменты, газовые баллоны и полотёры уже не раз становились так снарядами.

Индукция: меняющееся поле создаёт напряжение

Закон Фарадея: изменяющийся магнитный поток через контур наводит в этом контуре напряжение. Чем быстрее изменение и чем больше витков, тем выше напряжение. Правило Ленца добавляет, что наведённый ток противодействует изменению, которое его вызвало. Эти два предложения объясняют удивительно большую часть медицинской техники.

Трансформатор — это две катушки на одном железном сердечнике. Переменный ток в первичной обмотке создаёт меняющийся поток; поток наводит во вторичной обмотке напряжение пропорционально коэффициенту трансформации. Так рентгеновский генератор получает из сети десятки киловольт, и поэтому его трансформатор нужно питать переменным, а не постоянным током. Современные генераторы работают на высокой частоте именно потому, что с ростом частоты трансформатор можно сделать намного меньше.

Двигатель, который вращают снаружи, — это генератор. Проверните шаговый или бесколлекторный двигатель рукой, и он выдаст напряжение — на тяжёлом столе или гентри достаточное, чтобы подать обратное питание на электронику, если его толкают при отключённом приводе. Вихревые токи наводятся в любом проводящем металле, который находится в меняющемся поле; они нагревают металл и создают собственные встречные поля. В МРТ они искажают изображение после градиентных импульсов и компенсируются программно; в металлическом предмете, который быстро движут возле магнита, они создают тормозящую силу, которую чувствуешь рукой.

Приёмная катушка МР-томографа — устройство чисто индукционное: прецессирующая намагниченность тела пациента наводит в ней крошечное напряжение, которое и есть сигнал изображения. Мы вернёмся к этому в уроке 6.

Как сервисный инженер читает схему

Когда аппарат мёртв или ведёт себя странно, физика задаёт порядок работы. Начинайте там, где энергия входит: есть ли сетевое напряжение на розетке и на входе аппарата, проводит ли предохранитель или автомат? Затем идите за энергией внутрь: выходные напряжения блока питания, измеренные под нагрузкой и сравненные с паспортными значениями или документацией. Блок питания, который показывает норму без нагрузки и проседает под нагрузкой, указывает на слабый источник или замыкание дальше по цепи; отключайте нагрузки по одной, чтобы найти виновника.

Падение напряжения показывает, где сопротивление. На работающем аппарате измерьте напряжение на разъёме, контакте реле или кабеле: хороший контакт почти ничего не «съедает»; плохой забирает заметную долю вольта и греется. Это одно измерение, аккуратно сделанное под напряжением, находит неисправности, которые омметр на холодной ненагруженной цепи не покажет никогда. Измерять под напряжением может только тот, кто обучен и допущен к этому по местным правилам электробезопасности (в Казахстане и России это соответствующая группа по электробезопасности и допуск работодателя); если допуска нет или методика этого не требует, измеряйте на обесточенной цепи.

И помните: небрежное измерение меняет то, что измеряется. Прибор в режиме амперметра, подключённый параллельно напряжению, — это короткое замыкание. Щуп, соскользнувший между двумя выводами, может погубить плату. Выбирайте режим до того, как коснётесь, пользуйтесь щупами с защищёнными наконечниками и на всём, что выше безопасного низкого напряжения, держите вторую руку подальше от схемы.

Наводки: индукция, которой вы не хотели

Та же физика, благодаря которой работают трансформаторы, заносит сетевую частоту в сигналы. Петля кабеля рядом с сетевым трансформатором индуктивно принимает напряжение 50 Гц. Два близко лежащих кабеля связаны через ёмкость. Два раздельных заземления с немного разными потенциалами образуют контур заземления и гонят ток через экран. Результат — классический фон 50 Гц на ЭКГ, рябь на УЗ-изображении или шум в показаниях датчика.

Бороться с этим помогают три приёма. Держите площадь петель малой: прокладывайте сигнальный и обратный провод вместе, по возможности витой парой. Экранируйте чувствительные кабели и заземляйте экран там, где это предусмотрено конструкцией, — обычно с одного конца, а не с обоих. Держите дистанцию: поле трансформатора или двигателя быстро слабеет с расстоянием. Прежде чем винить плату, выясните, что недавно переставили, добавили или проложили по-новому.

Накопленная энергия: выключено — не значит безопасно

Конденсаторы запасают энергию в электрическом поле: она равна половине ёмкости, умноженной на квадрат напряжения. Раз напряжение в квадрате, высоковольтный конденсатор запасает очень много. Накопительные конденсаторы блоков питания, накопительные конденсаторы дефибрилляторов, а также ёмкости кабелей и сглаживающие ёмкости высоковольтной цепи рентгеновского аппарата могут оставаться заряженными долго после того, как вилку вынули из розетки. Катушки индуктивности запасают энергию в магнитном поле и отдают её выбросом напряжения при разрыве тока — поэтому на катушках реле стоят обратные диоды, а разрыв цепи двигателя или магнита под током даёт дугу.

Сверхпроводящий МР-магнит — крайний случай: он хранит энергию в поле вообще без питания, постоянно. Выключение питания в кабинете не выключает магнит.

Практическое правило: отключите, заблокируйте, выждите время, указанное производителем, затем докажите отсутствие напряжения прибором, проверенным на заведомо живом источнике. Высоковольтные узлы разряжайте только тем способом и тем инструментом, которые указал производитель. Если документации на высоковольтную цепь или цепь дефибриллятора у вас в руках нет, вы не готовы её вскрывать.

Чек-лист на объекте

• Перед вскрытием отключите, заблокируйте и повесьте табличку; выждите время разряда, указанное производителем.
• Докажите отсутствие напряжения прибором, проверенным до и после на заведомо живом источнике.
• Ищите следы нагрева на разъёмах и клеммах: потемневший пластик — это проблема сопротивления.
• Токовые клещи — только вокруг одного проводника.
• Ища наводку, спрашивайте, что недавно добавили, переставили или проложили по-новому.
• Никогда не ставьте предохранитель большего номинала, чтобы неисправность «ушла».

Проверьте себя