Danas je nabavljen TENS elektrostimulator oznake TNS SM 2 iz 1999. godine. Uređaj je proizvela njemačka tvrtka Pierenkemper GmbH za naručioca i distributera tvrtku schwa-medico GmbH.
Obje spomenute njemačke tvrtke posluju i danas. Tvrtka schwa-medico GmbH nudi TENS i druge slične terapijske i akupunkturne elektroničke uređaje i popratnu opremu. Tvrtka Pierenkemper GmbH je osnovana 1975. godine i kroz čitavo razdoblje nudi usluge izrade i razvoja softvera i hardvera za medicinske elektroničke uređaje i sklopove.
Na TENS stimulator TNS SM 2 mogu se spojiti dva para elektroda na kojima se može ograničiti izlazna struja u rasponu 0-75 mA. Podešavanje frekvencije ponavljanja impulsa može se vršiti u rasponu 1-100 Hz i to su sve kontrole kojima je opremljen ovaj uređaj.
U kompletu sa elektrostimulatorom TNS SM 2 dobili smo 9 v bateriju, dva para elektroda sa poveznim žicana i poseban gel koji omogućuje bolji električni kontakt između elektroda i kože.
Kućište samog uređaja djeluje vrlo čvrsto sa kvalitetnim kontrolama (kombinacija potenciometara i sklopki). Iako je ovaj uređaj vrlo vjerojatno proizveden u Kini, tvrtka Pierenkemper GmbH ima tamo svoj ured za upravljanje kvalitetom i sva roba namijenjena Njemačkoj podvrgava se strogoj provjeri kvalitete na temelju njemačkih smjernica i standarda. Općenito gledano, razlika između originalnih kineskih proizvoda i proizvoda proizvedenih u Kini po nekim drugim kontroliranim standardima može biti vrlo velika i te dvije kategorije proizvoda treba gledati odvojeno.
Primarna namjena ovog gela je da zalijepi elastične elektrode za kožu. Same elektrode djeluju kao da su od gume, no vjerojatno se radi o nekom materijalu na bazi grafita jer međusobno izravno priljubljene pokazuju otpor od cca 400 Ω. Gel je također donekle vodljiv ali nismo uspjeli postići prijelazni otpor ispod 200 kΩ. Kad se nanese tanki sloj gela na elektrode pa se iste preko njega međusobno zalijepe cijelom površinom, ukupni otpor ostaje otprilike isti kao i sa priljubljenim elektrodama bez gela (cca 400 Ω).
U prošloj objavi opisali smo sličan uređaj TENS stimulator Electrotone Pulse, a osim toga opisali smo već i desetak drugih ovakvih uređaja. Objektivan članak o TENS i drugim vrstama elektrostimulacije možete pročitati na stranici O blogu.
Ovakvi mali kućni uređaji za različite elektrostimulacije koji se u slobodnoj prodaji reklamiraju kao čudotvorne naprave za rješavanje gotovo svih zdravstvenih tegoba, u zadnjih 20-tak godina lako se nalaze odbačeni po raznim buvljacima i elektroničkim otpadima. Meni su takvi uređaji zanimljivi isključivo sa gledišta elektroničke sheme, odnosno na koji način su dizajnirani sklopovi (oscilatori i pojačala) za generiranje različitih oblika električnih impulsa.
Prema podacima koje smo uspjeli naći, tehnički podaci za naš uređaj su slijedeći:
- širina impulsa (trajanje kontrakcije): 200 µs
- frekvencija ponavljanja impulsa: 1-100 Hz
- amplituda impulsa: 70 V (70 mA na otporu 1 kΩ)
- napajanje uređaja je preko baterije 9 V, a potrošnja struje je maksimalno 60 mA
- dimenzije uređaja su 115x60x30 mm, a težina je 150 grama bez baterije i elektroda
Vidimo da ovaj TENS uređaj za razliku od prethodno opisanog Electrotone Pulse nema intervalno generiranje impulsa već samo kontinuirano, no zato ima podesivu frekvenciju ponavljanja impulsa. Širina i amplituda pojedinačnog impulsa pak je kod oba uređaja gotovo ista.
Snimak pojedinačnog impulsa širine 200 µs i snimak slijeda impulsa najveće frekvencije ponavljanja od 100 Hz. Najniža frekvencija ponavljanja impulsa može se podesiti i ispod označenih 1 Hz, na oko 0,5 Hz.
U unutrašnjosti se odmah uočavaju se dva transformatora pored kojih su dva pogonska (prekidačka) tranzistora i logički integrirani krug TC4093 (četiri NAND vrata sa dva ulaza). Posve je izgledno da su NAND vrata ovdje u spoju oscilatora pravokutnog napona, a koji se onda dalje koristi za upravljanje pogonskim tranzistorima na primaru transformatora za dobivanje višeg izlaznog napona. Gotovo uvijek ćemo kod ovakvih uređaja naći neki jednostavni relaksacijski oscilator koji se obično bazira na logičkim integriranim krugovima, timeru 555, operacijskim pojačalima ili u novije vrijeme na nekom mikrokontroleru.
No, to što smo otvorili kućište i bacili pogled na elektroniku nije nas naučilo ničem novom. Prava vrijednost ovog sklopa zapravo leži u detaljima njegove elektroničke sheme i raznim sitnim promišljenim trikovima koje su inženjeri ovdje morali implementirati da bi s jedne strane osmislili što jednostavniji i što jeftiniji uređaj za proizvodnju, a s druge strane zadržali funkcionalnost i performanse barem na razini onih koje nude konkurentni proizvođači sličnih uređaja.
Crtanje elektroničke sheme nekog sklopa (obrnuti inženjering) može biti odlična vježba za učenje elektronike. Ovdje na primjer imamo sklop sa relativno malo komponenti, no iste su tijesno montirane na malu tiskanu pločicu sa obostranom štampom što svakako prilično otežava “skidanje” elektroničke sheme. Neke komponente su montirane ispod transformatora i uopće se vide. Vrlo lako je pogrešno nacrtati neki spojni put što nas onda može navesti na pogrešne zaključke i pogrešna tumačenja elektroničke sheme sklopa.
Što više prakse steknete u dizajniranju i prepoznavanju temeljnih električnih krugova to ćete lakše i brže izvesti elektroničku shemu nekog sklopa i manja će biti mogućnost neke pogreške. Tako u našem slučaju, ako znamo kako izgleda i kako funkcionira klasični spoj relaksacijskog oscilatora sa NAND vratima (vidjeli smo ga primjerice kod uređaja Process Multimeter PMM 330A) onda praktički već znamo kako bi trebali biti povezani pinovi integriranog kruga TC4093, te samo trebamo potvrditi da li je to doista tako. Također, ako znamo kako u strujni krug trebaju biti povezani PNP i NPN tranzistori, onda opet samo trebamo potvrditi linije preko kojih su emiter i kolektor povezani na napajanje i trošilo, te odakle dolazi signal koji pobuđuje bazu.
U našem slučaju smo vrlo lako nacrtali shemu oscilatora i principijelno shvatili kako funkcionira izlazni stupanj. No, vrlo čudno je bilo to što nikako nismo mogli zujalicom za kratki spoj naći kako je GND pin, odnosno minus pol napajanja integriranog kruga povezan sa minus polom baterije. Ta GND linija je očekivano spajala kolektore pogonskih PNP tranzistora i primar transformatora ali potpuno neočekivano katode i anode pojedinih dioda. Na kraju smo morali izvaditi čip iz podnožja i odlemiti transformatore da vidimo kuda vode tiskane linije i koji elementi se nalaze ispod njih.
Elektronička shema TENS stimulatora TNS SM 2 i interna shema upotrijebljenih pogonskih tranzistora BDX54C.
Sada kada imamo elektroničku shemu, vidimo u čemu je ovdje trik. Naime, dva izlazna kanala kontrolira jedan zajednički oscilator, pa se ti kanali moraju nekako razdvojiti da rade zasebno. Ovdje nema zajedničke sklopke napajanja, nego kombinacija potenciometra i sklopke na svakom kanalu uključuje baterijsko napajanje za oscilator i pripadajući izlazni stupanj. Pri tome su ključne diode D1 i D2 koje razdvajaju GND jednog i drugog izlaznog stupnja. Ako primjerice uključimo sklopku za prvi kanal (Out 1), tada minus pol baterije (GND) prolazi preko D1 i napaja sve komponente vezane na masu. Međutim, s obzirom da je D2 u tom slučaju obrnuto polarizirana, ona neće propuštati GND na tranzistor drugog kanala (Out 2) i taj kanal neće raditi, odnosno neće nepotrebno trošiti struju. Slično vrijedi i ako uključimo sklopku za drugi kanal. Tada D2 vodi i napaja sve komponente na masi, no D1 je u takvom krugu obrnuto polarizirana i sada ona neće propuštati GND na tranzistor prvog kanala (Out 2).
Mi smo našu zujalicu spojili na minus pol baterije i preko dioda D1 i D2 nismo imali indikaciju kratkog spoja sa GND pinom integriranog kruga jer je otpor, odnodno pad napona na diodi bio prevelik za takvu indikaciju.
Integrirani krug TC4093 sadrži četiri NAND vrata, a ona su u našem krugu u spoju invertera (oba ulaza spojena zajedno). Vrlo često se umjesto gotovih invertera (AND vrata) koriste NAND vrata u spoju invertera. Razlog za to leži u unutrašnjoj električnoj shemi AND i NAND vrata koja se sastoje od serijskih i paralelnih kombinacija P-MOS i N-MOS tranzistora. Iako na prvi pogled izgleda čudno, AND vrata imaju složeniju električnu shemu od NAND vrata. Tako NAND vrata zauzimaju manje površine, daju veću brzinu, manju struju curenja i stoga su poželjnija za neke električne krugove.
U našem slučaju prva dva NAND vrata (u spoju invertera) rade kao oscilator pravokutnog napona, gdje frekvenciju (0,5-100 Hz) određuju kondenzator i potenciometar u tom krugu. Treća NAND vrata služe kao bufer (sklop za odvajanje) i tu se pravokutni signal također i invertira. Nakon toga slijedi svojevrsni visokopropusni promjenjivi RC filtar koji ulazne pravokutne signale pretvara u kratke impulse trokutastog oblika.
Pravokutni signal na pinu 10 (žuto) i trokutasti impulsi na pinu 12-13 (plavo) dobiveni na izlazu iz RC filtra.
Na gornjim snimcima vidimo kako se pravokutni signal sa širinom periode oko 10 ms preko RC filtra pretvara u trokutaste impulse širine oko 1 ms. Ovdje je ključno to što se širina trokutastog impulsa može u određenim granicama mijenjati pomoću potenciometra P1 u krugu RC filtra.
Minimalna i maksimalna širina impulsa koja se može namjestiti potenciometrom P1 u krugu RC filtra.
Na gornjim snimcima vidimo kako se potenciometrom u krugu RC filtra može mijenjati širina trokutastih impulsa u opsegu cca 0,8 – 2 ms. Međutim, ovdje je nam je važan samo onaj dio impulsa koji prelazi prag okidanja slijedećih NAND vrata. TC4093 se napaja naponom 9 V pa je i izlazna amplituda napona oko 9 V. U tim uvjetima, prema tvorničkim podacima za TC4093BP, prag na kojem se prepoznaje logička 1 je iznad 5,3 V, a prag na kojem se prepoznaje logička 0 je ispod 4,5 V. Područje između 4,5 i 5,3 V je nesigurno (nestabilno) i može biti različito prepoznato.
Najuži impuls doseže prag okidanja na 5 V nakon 172 µs, a najširi nakon 543 µs (plavo). Izlazni signal (žuto) je invertiran nakon izlaska iz NAND (AND) vrata.
Na gornjim snimcima se lijepo vidi kako se logička jedan prepoznaje na naponu malo višem od 5 V kako je i navedeno u specifikacijama. Tako će najuži trokutasti impuls ovaj napon (prag okidanja) dostići nakon 172 µs, a najširi impuls će taj napon dostići nakon 543 µs, što se lijepo vidi na našim snimcima. Sukladno tome, četvrta NAND vrata će voditi samo u vremenu kada trokutasti impuls ima pozitivnu vrijednost napona veću od 5 V. Međutim, ta vrata također i invertiraju signal, te ćemo u konačnici dobiti pravokutne impulse u vremenu kada je trokutasti impuls ispod 5,3 V. To se lijepo uočava na slijedećim snimcima.
Izlazni invertirani pravokutni impulsi (žuto) traju samo onaj dio vremena u kojem je napon trokutastog impulsa ispod 5,3 V.
Oscilatorom sa jednim ili dva NAND (AND) vrata dobiva se pravokutni signal sa duty cycle (odnos između signala i pauze) od 50%, dakle simetrični izlazni signal. Da bi taj odnos smanjili i dobili kraće impulse iste frekvencije potrebni su neki dodatni sklopovi. Vidjeli smo kako je to riješeno u našem sklopu, no svakako za to postoje i druge mogućnosti. Osim toga mogao je biti upotrijebljen i 555 sa kojim bi se također uz svega nekoliko vanjskih pasivnih elemenata mogao izravno dobiti pravokutni oscilator podesive frekvencije i sa podesivim duty cycle. Odabir elektroničkih komponenti i dizajna elektroničkog kruga za neki sklop koji će ući u serijsku proizvodnju svakako ovisi o trenutnoj cijeni pojedinih komponenti na tržištu kao i o ukupnom broju komponenti koje moraju biti ugrađene u sklop jer to izravno utječe na složenost (i cijenu) proizvodnje.
Izlazni pozitivni pravokutni impulsi dobiveni pomoću TC4093 dalje se vode na tranzistor BC337 koji služi kao bufer ali i kao inverter pozitivnih u negativne impulse potrebne za okidanje PNP tranzistora. Amplituda impulsa iz TC4039 je oko 9 V, a maksimalni EB napon na BC337 smije biti 5 V. Stoga se amplituda signala smanjuje pomoću djelitelja napona R1-R2.
Na izlazu iz BC337 impulsi su opet amplitude približno 9 V (kao i napon napajanja), a maksimalni EB napon na tranzistorima BDX54C smije također biti samo do 5 V. Stoga se napon iz BC337 za baze BDX54C opet smanjuje djeliteljima napona R3-R4 i R5-R6 na nešto manje od 2 V. Na kolektorima tranzistora BDX54C se opet dobivaju impulsi amplitude oko 9 V. Međutim, nama ovdje nije bitno naponsko već strujno pojačanje. Tako se tranzistorima BDX54C maksimalna struja opterećenja sa 0,8 A koliko izdrži BC337 povećava na 8-12 A koliko izdrže BDX54C.
Naravno, u našem sklopu nigdje ne postoje ni približno toliko jake struje (one su reda nekoliko desetaka mA) i doista ne vidim razlog za upotrebu ovako snažnih tranzistora. Osigurač od 1 A ugrađen u liniju baterijskog napajanja štiti od kratkog spoja baterije ukoliko dođe do proboja tranzistora BDX54C. Naime, struja kratkog spoja standardne alkalne baterije od 9 V može u prvom trenutku doseći i nekoliko ampera. No potrošnja struje u normalnom radu ne prelazi 60 mA, pa time ni struja kroz tranzistore ne može biti veća.
Izlazni signal iz sekundara transformatora bez opterećenja – impulsi najkraćeg vremena trajanja od 178 µs.
Izlazni signal iz sekundara transformatora bez opterećenja – impulsi najdužeg vremena trajanja od 522 µs.
Snimili smo izlazni impuls na sekundaru transformatora bez ikakvog opterećenja. Vidimo da širina impulsa ne utječe značajno na izlaznu amplitudu impulsa i ona je uz induktivno istitravanje oko 170 V u pozitivnom i 100 V u negativnom smjeru, s time da osnovni impuls ne prelazi napon od 100 V.
Sekundarni izlazni krug je unutar našeg uređaja stalno opterećen djeliteljem napona koji čini otpornik od 100 Ω i potenciometar od 10 kΩ. Time bi uz napon blizu 100 V, teoretski struja kratkog spoja mogla biti blizu 1 A. Naravno transformator ne može isporučiti toliku struju te pod opterećenjem napon pada. Na minimalnom opterećenju od 100 Ω tako napon praktički pada gotovo na nulu i struja ne teče. Provjerili smo pad napona na deklariranom opterećenju od 1 kΩ te izmjerili da on iznosi oko 70 V. To daje struju od 70 mA (70/1000) što odgovara specifikacijama. To je također i blizu maksimalnoj struji koju možemo dobiti sa sekundara transformatora (75 mA).
Napon na deklariranom opterećenju od 1 kΩ pada na 70 V što odgovara struji od 70 mA. Opterećenje također prigušuje induktivno istitravanje te dobivamo relativno čiste pravokutne impulse.
Osnove elektronike i elektroničkih sklopova je svakako potrebno naučiti iz stručne literature i stručnih predavanja. Međutim, niti jedna knjiga kao ni niti jedan školski nastavni program ne može obuhvaćati primjere i analizu svih mogućih elektroničkih krugova. Štoviše, kako u knjigama (dok su se još štampale) tako i po bespućima interneta najčešće ćete na stotinu različitih mjesta uvijek naći iste školske primjere nekih temeljnih električnih krugova. No kad naiđete na neku praktičnu tvorničku shemu ili tvornički izrađen sklop, tu se možete susresti za različitim varijacijama dizajna konkretnih elektroničkih sklopova koji itekako mogu zbunjivati. Često se u projektiranju sklopova iskoristi neka posve sporedna i specifična karakteristika nekog elektroničkog elementa koja generalno gledano može čak biti i neželjena (parazitska), no u nekom konkretnom sklopu se upravo ta karakteristika iskorištava kao ključna za rad uređaja.
Do sada smo razmatrali već na desetke multimetara i drugih mjernih instrumenta, radio prijemnika, oscilatora i generatora, pa u konačnici i ovih elektroterapijskih uređaja. Svi oni su međusobno slični, koriste se za istu namjenu i imaju slične specifikacije i kontrole. Međutim, svaki od njih svejedno ima svoje posebnosti i specifičnosti glede elektroničke sheme i načina na koji su dizajnirani određeni sklopovi. Jednostavno ne postoji generalna elektronička shema, pa čak niti blok shema koja bi bila primjenjiva na baš svaki uređaj izrađen za određenu namjenu. Ako ona i postoji, onda mora biti toliko pojednostavljena da objašnjava samo osnovni princip rada sklopa, no nikako i način na koji je sve to praktično riješeno.
U svoj teoriji i praksi možete biti upoznati sa desecima različitih načina kako konstruirati primjerice obični relaksacijski oscilator na 100 Hz, no to nikako ne znači da su to jedini načini i da sada znate sve o takvim oscilatorima. Uvijek možete naletjeti na još jedan, neki posve drugačiji inovativni sklop za generiranje oscilacija koje je osmislio neki inženjer i gdje ćete se zapitati kako i vama nešto takvo genijalno već nije prije palo na pamet 🙂