Uno de los elementos más importantes del respirador son las Válvulas. Estas regulan la dosificación de aire y oxígeno, junto con la Válvula de inspiración. En nuestro diseño, se optó por utilizar Válvulas proporcionales en lugar de solenoides, para asegurar un flujo continuo hacia el paciente. Dentro de las válvulas proporcionales, optamos por las válvulas VEMP de de la compañía alemana Festo ( www.festo.com ).
Se eligió la válvula VEMP ya que que controla muy finamente la velocidad del flujo de aire en equipos de terapia con oxígeno, asegurando así una entrega precisa y confiable de dosis de oxígeno durante la inhalación al paciente. Beneficios adicionales de esta válvula son que es pequeña, liviana, silenciosa al operar, consume muy poca energía y tiene una larga vida útil.
Es importante detallar tres características de la válvula VEMP :
1. La válvula VEMP no acumula calor, ya que mantiene su estado actual sin utilizar energía e incluso para realizar cambios de velocidad de flujo utiliza muy poca energía. Por otra parte, al ser poco pesada ( 20 grs) , le permite ser instalada en equipos portátiles .
2. Funcionamiento proporcional : la válvula VEMP, en conjunto con sensores de presión y flujo, permite un control extremadamente preciso y proporcional del control de flujo de gas y presión desde 0 a 30 l / min. Por otra parte, con una velocidad de respuesta de 15 ms, puede reaccionar muy rápido, siendo ideal para terapias de oxigenación y ventilación. El punto de operación de flujo se determina usando un voltaje DC (hasta 350 VDC), es decir, no requiere de señal de modulación por ancho de pulsos controlado.
3. Funcionamiento silencioso : la tecnología Piezo usa un sistema totalmente distinto al sistema mecánico de las válvulas solenoides, siendo silencioso en su operación.
En el diseño del equipo se espera utilizar 7 válvulas VEMP :
- un cuerpo de dos válvulas para controlar el aire.
- un cuerpo de una válvulas para controlar el oxígeno
- un cuerpo de 4 válvulas para componer la válvula de Inspiración.
Por último es importante mencionar que la compañía alemana FESTO, presente en más de 176 países en el mundo, es un proveedor líder en tecnología automatizada cuya misión es maximizar la productividad y competitividad de sus clientes.
Electrónica de Potencia para el control de las Válvulas
La electrónica de potencia, corresponde a toda la electrónica que permite accionar las válvulas VEMP de forma segura, siguiendo las especificaciones del fabricante. ( Figura 1 )
A diferencia de las válvulas solenoides tradicionales, las válvulas VEMP tienen un modelo eléctrico que no es resistivo, si no que capacitivo, en donde cada línea de la válvula se modela como un condensador de 35 [nF], lo que impacta en la estrategia de control que se debe seguir para lograr alcanzar el voltaje de operación deseado.
Si bien el hecho de que sea proporcional, es decir, que el nivel de apertura de la válvula es proporcional al voltaje aplicado, simplifica mucho la estrategia de control del ventilador y supone un desafío de diseño electrónico para proporcionar un voltaje variable desde 0 [V] a los 350 [V] máximo que requiere la válvula para lograr una apertura completa.
En nuestro diseño, la electrónica de potencia se divide en dos bloques, el primero de ellos es una fuente switching del tipo Boost-Up, que eleva el voltaje de 12 [Vdc] a 350 [Vdc]. El segundo bloque corresponde a la electrónica de control de la válvula. La idea es que para lograr un voltaje de referencia (que nos da la apertura de la válvula), se generó un circuito de carga y otro de descarga de la válvula, que se accionan dependiendo de la diferencia que exista con el voltaje de referencia. El esquemático del bloque es el siguiente (Figura 2).
La simulación del circuito nos permite anticipar el comportamiento que tendrá la válvula frente a distintas condiciones de operación. A modo de ejemplo, se presenta esta simulación de una baja desde el 100% de apertura a un 10% de apertura.
El tiempo de respuesta de la válvula está en el orden de los 10 [ms].
Cada válvula tiene dos canales de control. Para esta aplicación se requiere contar con cuatro válvulas VEMP, por lo que la electrónica de potencia debe manejar ocho circuitos.
Modelo 3D
El diseño del cuerpo de válvulas se hizo de tal forma que fuese lo más compacto posible, con las consideraciones necesarias para el manejo de pistas con alto voltaje. La tarjeta electrónica tiene una disposición similar a la que se observa en las siguientes imágenes. ( Figuras 4 – 9 )
De esta forma, se conectan las 4 válvulas en paralelo a la tarjeta electrónica, y la base del cuerpo de válvulas.
