Magnetoterapia
© by Vittorio Crapella - i2viu
MAGNETOTERAPIA
Dopo quanto già descritto qui in
sono passato alla progettazione come qui di seguito esposto
APPARATO PER MAGNETOTERAPIA
Si è pensato di realizzare un circuito elettronico in grado di generare idoneo segnale per pilotare bobine da utilizzare nella magnetoterapia.
Le principali caratteristiche sono:
FUNZIONAMENTO
· Automatico 1 slow (frequenza swippata da 1Hz a 125 in 15 minuti)
· Automatico 1 fast (frequenza swippata da 1Hz a 125 in 1 minuto)
· Manuale (frequenza 1Hz a 99Hz selezionata con contraves)
FREQUENZA (onda quadra)
· 1 Hz ÷ 99 Hz nel modo manuale, selezionabile con contraves
· 1 Hz ÷ 125 Hz nel modo automatico (VCO)
INTENSITÀ CAMPO MAGNETICO
· 10 ÷100 intensità media in Gauss
· 4 scale di picco 100-150-200-250 Gauss
· 4 scale di duty-cycle 10%-20$-30%-40%
TIMER (commutatore 6 posizioni)
· 5 posizioni OFF - 15 – 30 – 60 –90 minuti
· infinito
INDICAZIONI
· 1 LED acceso se la bobina è attaccata e funziona regolarmente
· 10 LED ognuno per 10 Gauss
· buzzer (opzionale) 2 secondi BIP per indicare anomalia prima
dell’autospegnimento del circuito
· display LCD tre cifre per i Gauss (OPZIONAL su app. professionale)
PROTEZIONI
· Spegnimento in automatico in caso di anomalia sulla bobina
BOBINA
· Diametro 75 mm
· Resistenza 24 Ohm (corrente massima 1,2 A)
· Peso 190 grammi
MAGNETOTERAPIA 2004 - SCHEMA A BLOCCHI
GENERATORE D’IMPULSI - Fig. 1
La parte con il CD4060 e la rete R2R genera una rampa di tensione da inviare al XR4151 configurato come VCO (Oscillatore controllato in tensione).
In uscita dal VCO avremo impulsi a frequenza compresa tra 10Hz e 1000 Hz e precisamente ad inizio rampa 10Hz e a fine rampa (10V) corrisponderanno 1000 Hz.
Con LM317 generiamo una corrente costante di 1 mA, regolabile con il trimmer da 1K, e i con i contraves impostando numeri compresi tra 1 e 99, si selezionano resistenze che faranno una caduta di tensione compresa tra 0,1 V e 10V.
Tale tensione viene inviata al VCO che ci fornirà impulsi a frequenza compresa tra 10Hz e 1000 Hz.
DUTY-CYCLE Fig. 2
In entrata al CD4017 entrano gli impulsi formati dal VCO e le uscite del 4017 vanno alte una per volta ad ogni impulso d’entrata.
La memoria Set–Reset formata da U3A e U3B viene settata a livello alto sul pin 4 appena il pin 3 del 4017 va alto e la stessa si resetta quando va alto il pin selezionato dal commutatore %1.
Sul CH1 avremo un livello alto per il tempo intercorso tra il Set e il Reset. Se consideriamo che tra un Set e l’altro intercorre un tempo di 10 impulsi possiamo affermare che la frequenza di entrata si presenterà sul CH1 divisa per un fattore 10 e il duty-cycle di tali impulsi dipende appunto dalla posizione del commutatore.
Si può scegliere un duty-cycle del 10%, 20%, 30%, 40%.
Stessa cosa vale per il canale CH2
Fig. 3
Attraverso il deviatore si può scegliere di avere attivi nello stesso momento sia il CH1 che il CH2 oppure in sequenza prima CH1 e poi CH2.
Per generare un flusso uniforme e costante per tutta la durata dell’impulso, la bobina, viene alimentata a corrente costante fornendo al BDX53 tensioni fisse generate dal LM317 a secondo della posizione del commutatore che imposta i gauss di picco.
La tensione sarà alta quando il commutatore va verso massa e viceversa bassa. Avendo fissato la resistenza sull’emettitore del BDX a 1,2 Ohm nella bobina scorrerà 1,2A quando sulla base ci saranno 2,65V (-1,2 V di Vbe rimangono 1,45V sulla R da 1,2).
Con bobine da 1100 spire e 24 Ohm ad 1,2 A si generano 300 gauss di picco.
Il circuito si chiude e circola la corrente fissata dal 317 quando sul gate del mosfet arriva l’impulso a livello di Vcc e questo chiude a massa la resistenza da 1,2 Ohm.
Quando il mosfet si apre la bobina restituisce un impulso di tensione di polarità inversa a quella di magnetizzazione pertanto il diodo 1N4007 e lo zener vanno in conduzione smorzando tale tensione.
Nel frattempo però viene alimentato anche il diodo LED attraverso una piccola resistenza da 33 Ohm.
Questo LED segnalerà dunque il regolare funzionamento del circuito, cioè la bobina e il cavo di collegamento non sono interrotti e circola regolarmente corrente ad impulsi.
Il diodo LED del fotoaccoppiatore si trova in serie al precedente LED pertanto il transistore del 4N27 andrà in saturazione ad ogni impulso mantenendo scarico C3 e interdetto il transistore Q4.
Se qualcosa nel circuito non funziona per interruzione o altro dopo qualche secondo C3 supera la soglia di 5V1 dello zener e la base di Q4 si polarizza mandano Q4 in saturazione avvisando con un BIP dell’anomalia e interverrà in fine lo spegnimento automatico attraverso la resistenza R5 connessa al collettore del transistore come spiegato qui sotto.
ALIMENTATORE – PROTEZIONE E TIMER Fig. 5
Con l’interruttore generale sulla linea del 230Vac si alimenta il trasformatore che con i suoi 24Vac, raddrizzati dal ponte di diodi, carica il condensatore di livellamento da 4700 mF a circa 33Vcc.
Il circuito elettronico non può essere alimentato se non si eccita il relè.
Infatti con il commutatore su OFF si mantiene Q3 in conduzione essendo la base, attraverso D3, allo stesso potenziale del collettore alimentato da R3 e R4 che manterranno C2 carico ad un potenziale di circa 16V.
In queste condizioni Q2 non può condurre e pertanto il relè non può chiudersi a massa e rimane diseccitato.
Attraverso D2, il commutatore su OFF e la R6 con Vbe mantengo C1 carico a circa 30V e di conseguenza la base di Q1, attraverso R2, è a potenziale più basso dell’emettitore e quindi pronto a condurre se il ramo del collettore andrà a massa con Q2 potendo così eccitare il relè.
Girando il commutatore su una posizione diversa da OFF porto la base di Q3 ad un livello di tensione nulla e pertanto si interdice lasciando salire la tensione del suo collettore proveniente da C2 attraverso R4 che supererà la tensione di zener di D4 così che Q2 saturerà.
Q1 rimane per un momento pure in saturazione mantenuto da C1 e il relè si eccita e si auto-mantiene eccitato con il suo contatto in parallelo a Q1 che, scaricato C1, non potrà rimanere in conduzione.
Infatti D2 non si chiude più a massa e il potenziale su R2 sale attraverso R1 al potenziale massimo portando la base di Q1 a potenziale superiore dell’emettitore.
Eccitato il relè i 33V giungono al LM7812 di Fig. 4 che alimenterà il resto del circuito.
Il comando del relè si può ottenere anche con due pulsanti uno di STAR e uno di STOP che possono essere degli opzional.
Il relè si potrà diseccitare intervenendo manualmente riportando il commutatore su OFF oppure quando il CD4060 manderà a livello alto una sua uscita selezionata dal commutatore.
Infatti Q3 andrà in conduzione interdicendo Q2 togliendo così corrente al relè che si aprirà spegnendo il circuito.
Si spegnerà pure se Q4 di Fig. 4 attraverso R5 e D1 scarica C1 sotto il potenziale di D4 così da interdire Q2. Questo avverrà come già accennato in caso di anomalie nell’alimentazione della bobina.
Le verifiche del funzionamento dell’intero progetto sono terminate il 12-07-2004.
SOLUZIONE CON MICROCONTROLLORE ST65
Utilizzando il microcontrollore ST65 si sono ridotti i comandi a due pulsanti sostituendo così i commutatori e si sono potuti visualizzare tutti i dati sia in fase di impostazione e scelta sia durante il funzionamento della magentoterapia mediante un display LCD da due righe di 16 caratteri.
SOLUZIONE CON MICROCONTROLLORE ST65
Utilizzando il microcontrollore ST65 si sono ridotti i comandi a due pulsanti sostituendo così i commutatori e si sono potuti visualizzare tutti i dati sia in fase di impostazione e scelta sia durante il funzionamento della magentoterapia mediante un display LCD da due righe di 16 caratteri.
Il primo carattere della prima riga del display identifica la modalità di come viene gestita la frequenza degli impulsi in uscita.
M= la frequenza non varia durante il ciclo e permane quella indicata sul
display e si può variare solo manualmente impostandola con i pulsanti
T= la frequenza fa tutta l’escursione (sweep) tra 4 e 108 Hz in tempi che
dipendono da come è impostato il timer (primi due caratteri 2a riga)
L= la frequenza fa tutta l’escursione (sweep) tra 4 e 108 Hz in un tempo
ritenuto Lento di circa 45 minuti a ciclo continuo
V= la frequenza fa tutta l’escursione (sweep) tra 4 e 108 Hz in un tempo
ritenuto Veloce di circa 15 minuti a ciclo continuo
+= la frequenza continua a variare (sweep) tra la frequenza impostata
manualmente e + 20 Hz a ciclo continuo fino allo STOP manuale.
I primi due caratteri della seconda riga indicano la durata del ciclo:
T0= Significa che il ciclo durerà indefinitamente fino allo stop manuale
T1= La durata del ciclo sarà di 30 minuti poi termina in automatico
T2= La durata del ciclo sarà di 60 minuti poi termina in automatico
T3= La durata del ciclo sarà di 90 minuti poi termina in automatico
Sw= Indica che il ciclo è legato al tempo imposto dal modo Sweep
Si potranno avere ad esempio:
prima riga +
seconda riga Sw
in tal modo la frequenza cambia (Sweep) tra quella manuale e +20Hz in un tempo di circa 10 minuti e continua fino ad uno stop manuale.
prima riga T
seconda riga T1
si avrà un ciclo in 30 minuti in cui la frequenza fa tutta l’escursione da 4Hz a 108 Hz con stop automatico, se fosse stato T0 (tempo indefinito)
il ciclo è indefinito e la frequenza continua a cambiare da 4 a 108 Hz in un tempo di 2 minuti (incrementa di un Hz ad ogni periodo dell’impulso).
prima riga M
seconda riga T3
il ciclo dura 90 minuti a frequenza fissa impostata manualmente, con T0 il ciclo sarebbe continuo fino allo stop manuale.
Per quanto riguarda le uscite si possono impostare in modo singolo, in modo contemporaneo o prima una poi l’altra.
Il nuovo circuito ricorda sempre i dati dell’ultimo ciclo impostato e li propone ogni volta che si accende l’apparato così che se soddisfa le esigenze basta premere il pulsante di inizio ciclo.
Il circuito è munito di un controllo di protezione ed allarme in caso di mal funzionamento. Ogni canale selezionato si accorge se manca la bobina sia perché scollegata, interrotta o in corto segnalando sia in modo visivo sul displey che con buzzer l’anomalia.
A video viene scritto
ALLARME
Controlla CH1
CH1 o CH2 per identificare il canale su cui avviene l’anomalia.
Il regolare funzionamento è identificabile anche osservando per ogni canale un LED che si accende alla stessa frequenza degli impulsi e pertanto lampeggia per le frequenza basse e rimane sempre illuminato per le frequenze più alte.
A fronte di un più semplice circuito elettronico per la generazione e gestione degli impulsi si è dovuto stendere un testo di programmazione in linguaggio assembler da implementare nell’ST6265.
La parte sicuramente più complessa è stata quella della generazione degli impulsi con le frequenze e duty-cicle voluti.
Per arrivare a tale algoritmo si è pensato di costruire il periodo di un impulso con dieci cicli ognuno dei quali durasse N volte 100 uS.
Il valore delle N volte viene preso da una tabella in funzione della frequenza voluta. Così facendo il duty-cicle è facilmente controllabile semplicemente tenendo l’uscita alta tanti cicli quanto previsto dal D%
(1 per il 10% fino a 5 per il 50%) e bassa per il resto dei cicli fino al raggiungimento dei dieci.
Diagramma di flusso dell’algoritmo per la gestione del generatore d’impulsi e relativa frequenza:
Segue il diagramma di flusso della parte di software che controlla e gestisce le temporizzazioni.
Segue il listato assembler dei diagrammi di flusso qui sopra rappresentati:
;********** GENERA IMPULSI
vain jp inizi ;ritorna alla routine principale
genera call writu ;salva in eeprom ultimo utilizzato
ld a,fval ;se é frquenza manuale salta
jrz reio4
jrs 2,fval,reio4 ;se swep20 salta
call capre ;prepara cifre da visualizzare
call trovaf ;trova N1 e N2 in Tab in funz. di Hz
reio4 clr secondi
inizg_ res 4,ior ;blocca inter timer
ld a,hz ;prende hz
ld durata,a ;mette in durata, 1 sec= durata x t periodo
inizg jrr 2,port_c,vain ;dopo ogni periodo arriva qui
jrr 0,port_c,vain ;salta se uno dei 2 puls è pigiato
set_out ldi wdog,255
ld a,mode_out
cpi a,2
jrnz salta1
res 0,port_a ;spegne out1
set 1,port_a ;accende out2
jp period
salta1 set 0,port_a ;accende out1
cpi a,3
jrnz salta2
set 1,port_a ;accende out2
jp period
salta2 res 1,port_a ;spegne out1
period ldi y,10
ld a,percent
ld conta,a ;conta decimo di periodo per duty cycle
lda ld a,primo ;quante volte 100 uS per 1/10 di periodo
ld v,a
calrit call ritardo ;100 micro secondi
dec v
jrnz calrit
dec conta
jrnz decy
call res_out ;spegne uscite
decy dec y
jrnz lda
ld a,secondo ;per completare periodo
jrz decdur ;salta se periodo finito
ld v,a
carit call ritardo ;100 micro secondi
dec v
jrnz carit
decdur dec durata ;ogni durata = 1 secondo
jrz incsec
jp inizg ;ha finito un periodo
allar jp allarme
incsec ld a,mode_out
cpi a,2
jrz j4p
jrs 3,port_c,allar ;verifica fotoaccoppiatore
cpi a,1
jrz incs
j4p jrs 4,port_c,allar
incs inc secondi ;aggiorna orologio per tempo
ld a,secondi
cpi a,60
jrc jpmain
clr secondi
inc minuti
jpmain ld a,ore ;se non è 0 salta
jrnz verti
ld a,tempvar
jrz jpin
dec tempvar ;per swep 20
jrnz jpin
jp sw20
jpin jp inizg_ ;continua fino a stop manuale
verti jrs 6,flag,inch ;swep indefinito inc hz ogni periodo
ld a,fval
jrnz vlvv
verore ld a,minuti ;verifica se ha raggiunto il tempo
cp a,ore
jrc jpinn
set 3,flag
jp stasto ;fine ciclo = STOP
jpinn jp inizg_
vlvv dec tempvar ;arriva qui se VARIA LENTO o VELOCE
jrnz jpinn
inc hz
call trovaf ;trova N1 primo e N2 secondo
ld a,tsave
ld tempvar,a ;ricarica tempo fra ogni inc hz
ld a,fval
cpi a,3 ;se=3 è swep ma 30 60 90 min un solo ciclo
jrnz jpi_
call capre ;visualizza hz
ld a,hz ;quando torna a 4 Hz di partenza
cpi a,4 ; ha finito ciclo
jrnz jp_ ;non ancora fine ciclo continua
set 3,flag
jp stasto ; = STOP 1 ciclo sweppato in 30,60,90
jp_ jp inizg_
jpi_ jp visx
inch inc hz
jp visx ;ricomincia periodo dopo testato pulsanti
sw20 ld a,tsave
ld tempvar,a ;ricarica tempvar di 30 sec
inc hz
ld a,hz
cpi a,109 ;se Hz è a fondo scala ricomincia con 4Hz
jrc cpaf
ldi a,4
ld hz,a
cpaf cp a,fman
jrnc su21
addi a,105
su21 subi a,21
cp a,fman
jrnz visx ;se non ha raggiunto i +20 Hz salta
ld a,fman ;altrimenti ricomincia dalla fman (minima)
ld hz,a
visx call trovaf ;tova N1 (primo) N2 (secondo)
call capre ;visualizza hz
jp inizg_ ;ricomincia periodo dopo testato pulsanti
Il nuovo apparato gestito da microcontrollore ST6265 della SGS Tomson ha le seguenti caratteristiche:
SCELTE, IMPOSTAZIONI E VISUALIZZAZIONI
· Mediante due soli pulsanti
· Display LCD a due righe da 16 caratteri alfanumerici
Retro illuminato a LED
FUNZIONAMENTO
· Automatico Lento (frequenza swippata da 4 a 108 Hz in 45 minuti)
· Automatico Veloce (frequenza swippata da 4 a 108 Hz in 15 minuti)
· Automatico (frequenza swippata da 4 a 108 Hz in 2 minuti)
· Automatico (frequenza swippata tra valore manuale e +20Hz)
· Manuale
FREQUENZA (onda quadra)
· 4 Hz ¸ 108 Hz nel modo manuale selezionabile con pulsante o automatico nel modo sweep
INTENSITÀ CAMPO MAGNETICO
· 10 ¸100 intensità media in Gauss
· 5 scale di picco 100-150-200-250–300 Gauss
· 5 scale di duty-cycle 10%-20$-30%-40%-50%
· scala dei 250 Gauss solo fino ad un duty-cicle di 40%
· scala dei 300 Gauss solo fino ad un duty-cicle di 30%
TIMER
· 3 scelte: 30 – 60 –90 minuti
· Indefinito
INDICAZIONI
· Sempre a video i parametri fondamentali Hz, Gp, Gm, D%
· 1 LED acceso se la bobina è attaccata e funziona regolarmente
· buzzer BIP- BIP per indicare anomalia + ALLARME su display
· BIP con buzzer alla premuta di ogni tasto
PROTEZIONI
· Spegnimento in automatico in caso di anomalia sulla bobina
BOBINA
· Diametro 65 mm
· Resistenza 19 Ohm (corrente massima 0,9 A)
· 100 Gauss a 0,4 A
· Peso 180 grammi
Tutto fin qui rappresentato è stato studiato e provato solo su basetta sperimentale senza mai realizzare un prototipo definitivo.
MAGNETOSCAN 2005
Quello che segue è il definitivo realizzato su mille fori.
Il nuovo circuito prevede anche la possibilità di regolazione della frequenza in modo manuale mediante potenziometro.
In realtà il circuito realizzato su apposito circuito stampato pur prevedendo questa possibilità non è stata inserita limitandosi ai due commutatori uno per il DUTY CICLE e uno per i GAUSS di picco.
Combinando le posizioni dei due commutatori si ottengono le varie intensità magnetiche desiderate.
Le misure indicate sono riferite al centro di una bobina con nucleo di ferro dolce (ф 20 x 10 mm) da 1050 spire e la resistenza del filo di 19 ÷ 20 Ohm circa.
Sulla superficie della bobina l’andamento del flusso magnetico è il seguente: --------->
Alla distanza dal centro pari al raggio medio (in questo caso circa 21mm) si ha un flusso magnetico pari a circa 75 Gauss.
Lo stesso valore è misurabile su tutti i punti che definiscono la superficie della calotta sferica equidistante dal centro pari al raggio medio della bobina.
Qualora la bobina è senza nucleo il flusso magnetico diventa circa il 40% in meno.
Nella posizione GAUSS 5 pari a circa 250 G di picco la tensione sulla base del BDX è tale da avere 0,8 V sulla resistenza da 1,5 Ohm pertanto la corrente diventa I=0,8/1,5=530 mA.
In queste condizioni con alimentatore a 24V il BDX e costretto a dissipare di picco circa 6,7 W e in un ciclo di 30 minuti circa l’aletta di raffreddamento raggiunge temperature quasi proibitive.
Per ovviare a ciò si è pensato di utilizzare due bobine in serie diminuendo lievemente la corrente (500 mA) che tende a rimanere costante traendo però un duplice vantaggio: il BDX non scalda dovendo dissipare solo circa 2W e in più si hanno due bobine che entrambe generano un flusso magnetico in contemporanea. Rispetto al prospetto indicato sopra ognuna genera un flusso inferiore di circa il 12%.
Qualora la bobina è senza nucleo e tenendo conto del 12% poc’anzi menzionato, il flusso magnetico indicato nella tabella, sistemata sotto le manopole (vedi più sopra), diventa circa la metà.
La tensione osservata sulla serie delle due bobine è il seguente:
Come si osserva dal grafico nell’istante che la bobina viene disalimentata essa restituisce un impulso di segno opposto smorzato dal diodo zener al valore di 6,2V e parte di questa energia serve ad alimentare il diodo LED che segnala il regolare funzionamento della bobina.
Dopo il primo prototipo come da schema MAGNETOTERAPIA 2005 ho valutato che il commutatore dei gauss poteva essere omesso e al posto delle R tra il pin reg. e massa del 317 ho messo un trimmer da 470 Ohm cosi da poter regolare la corrente massima voluta fissano i gauss al valore massimo.
Passai alla soluzione del PCB pensando di fare un canale solo. Quasi terminato la soluzione del PCB mi accorsi che con poco di più avrei avuto anche il secondo canale.
Senza stravolgere il PCB già fatto, ho risolto alcuni collegamenti utilizzando filo conduttore al posto delle piste come si vede qui sotto.
AVVERTENZE
Va ricordato che un simile apparato utilizzato sulle persone va adoperato sapendo quali sono i benefici ma anche i possibili danni se usato senza cognizione di causa.