Сегодня мы отвлечёмся от программирования микроконтроллеров, позволим себе немного расслабиться и поговорим об ещё одной интересной теме — медицине (почему бы и нет?).
Есть в моём хозяйстве один интересный прибор, который я давно и успешно использую как в медицинских, так и исследовательских целях — это широко известный в узких кругах, можно даже сказать культовый ТГС-7А.
Как вы догадываетесь, я не тот человек, который будет «послушно» нажимать кнопки на передней панели и сдувать пыль с «дорогого» гаджета — у меня уже давно чесались руки разобрать его и разобраться с тем, как он устроен и как работает.
Далее я предлагаю вам отчёт о своих исследованиях этой крайне интересной темы.
Что такое ТГС-7А?
ТГС-7А — это генератор синусоидального сигнала и часть комплекта для «электростатической» физиотерапии. Вторая часть комплекта — это разнообразные катушки, каждая из которых обладает определённой геометрией и применяется при определённых заболеваниях (определённой группе заболеваний).
Подобных генераторов существует множество, как любительских, так и выпускаемых производственными компаниями. Кроме ТГС-7А в моей коллекции есть Live Sinus 6, Atten ATF20B (DDS генератор общего назначения) и прочие. Все эти генераторы имеют свои особенности и нюансы применения, разбор их устройства я начал с ТГС-7А потому, что это один из самых популярных генераторов такого рода и разобраться с его устройством мне было любопытно в первую очередь.
Примечание. Я в этой статье не буду касаться медицинского аспекта технологии и сосредоточусь только на техническом. Медицинская тематика будет затронута только вскользь и только в той мере, которая необходима для понимания сути рассматриваемых технических вопросов.
Но пару слов о медицинском аспекте всё же необходимо сказать. Технология в нынешней её инкарнации существует уже почти 10 лет и за это время в интернете накопилось огромное количество отзывов людей, излечившихся с её помощью чуть ли не от всех болезней. Как к этому относиться — я оставляю на суд читателей, но, на мой взгляд, игнорировать такое количество независимых и неангажированных свидетельств просто неразумно.
Я для себя выбрал самый простой путь — купил оборудование и в духе Мечникова провёл эксперименты на себе. И получил положительные (местами даже феноменальные) результаты по лечению различных заболеваний. В общем, для себя вопрос «работает это или нет?» я решил и полезность подобных приборов у меня не вызывает сомнений.
Вообще, разбор медицинских методик применения этой технологии и их нюансов — это тема для отдельной статьи и скорее всего не одной, возможно мы поговорим об этом в другой раз, а сейчас сосредоточимся на технических вопросах.
Технический аспект
С технической точки зрения всё довольно просто: комплект состоит из генератора и подключённой к нему катушки. Генератор представляет собой обычный генератор синусоидального сигнала, а катушка — так называемую «бифилярную катушку Тесла», где в одной плоскости свиты два (разомкнутых) провода, а к генератору они подключены с разных концов. Поскольку провода разомкнуты, то мы получаем своеобразный конденсатор, обкладки которого образованы свитыми проводами.
В целом, это всё, остальное — нюансы и варианты реализации этой базовой схемы. Правда надо отметить, что нюансы эти довольно тонкие и неочевидные и без хорошего понимания теории сделать что-то осмысленное в этом направлении навряд ли получится.
Бифилярная катушка Тесла (патент Николы Тесла US 512340, 1894 год), ныне больше известная под псевдонимом «катушка Мишина» (КМ).
Подобная катушка имеет интересные физические свойства и может применяться для различных целей. В нашем случае используется её свойство создавать переменное электростатическое поле при запитке от генератора синусоидального сигнала (оптимальная частота воздействия, найденная опытным путём, составляет около 300 кГц).
В результате работы такой катушки образуется сложное объёмное поле, где электростатическая (полезная в нашем случае) составляющая является основной, а электромагнитная — побочной или «паразитной». Электростатическая составляющая поля меняется 300 тысяч раз в секунду, чем и обеспечивается лечебный эффект воздействия такого комплекса на тело человека (а также животных и растения).
Результат моделирования полей, образующихся при работе КМ, вид в плоскости катушки (картинка не моя, взята с просторов интернета в качестве наглядной иллюстрации).
У меня есть некоторые сомнения в точности моделирования реальных физических процессов на этой иллюстрации, но эту картинку можно использовать для общего понимания геометрии возникающих при работе катушки полей. Размер и расположение областей зависит от геометрии катушки (её линейных размеров и соотношения внутреннего и внешнего диаметров), состава и толщины провода, материала изоляции и его диэлектрической проницаемости, межвиткового расстояния и т. д.
Поскольку катушка разомкнутая, то максимум потребления тока (максимум генерируемого электростатического поля) приходится на её резонансную частоту, которая должна быть в районе 300 кГц, а генератор должен иметь возможность либо автоподстройки частоты, либо её изменения вручную.
К генератору не предъявляется никаких особых требований — он должен генерировать синусоидальный сигнал с амплитудой до 20-и вольт и обеспечивать ток в катушке до 100-300 мА (а также правильную форму сигнала при работе с различными типами катушек).
На этом с теорией (пока) всё, переходим к практическим действиям по разбору ТГС-7А.
Разбираем ТГС-7А
Вообще, по сопутствующей теории можно написать не один курс лекций, но в этой статье мы ограничимся только разбором генератора ТГС-7А и знакомством с его электронной начинкой. Начнём с переворота пациента и осмотра его креплений (которые скрыты под декоративной плёнкой). Производитель заботливо обозначил места расположения крепящих шурупов соответствующими пиктограммами.
Плёнка, видимо, по совместительству служит ещё и «пломбой», защищающей прибор от вмешательства не в меру любопытных «пионеров», наподобие нас. (Но когда наших пионеров останавливали пломбы?).
Берём скальпель и проводим операцию «разоблачение Изиды», вырезаем лишнее, и получаем тот же генератор, но только с открытыми для доступа крепящими шурупами. Размер шляпок внушает уважение — на таких шурупах можно повесить, например, кухонный шкафчик.
Откручиваем шурупы и снимаем нижнюю крышку корпуса (поддон). Вообще, дизайн как самого генератора ТГС-7А, так и его частей навивает нездоровые ассоциации с пластмассовыми тазиками, но это в данном случае не важно, для нас главное — это начинка и её действие по созданию нужного нам синусоидального сигнала (и соответствующих полей).
И вот, наконец, сама начинка ТГС-7А. Всё сделано аккуратно, видно, что корпус универсальный и имеет много свободного места для размещения плат новых ревизий и начинки будущих моделей подобных приборов.
На фото видна именно верхняя (не нижняя) часть корпуса с прикреплённой к ней платой и массивным трансформатором. Теперь становится понятным подсознательный когнитивный диссонанс когда берёшь в руки ТГС-7А — он не сбалансирован и центр тяжести у него находится в верхней части, а не в нижней. Но это снова только нюансы, которые не влияют на основной функционал генератора.
Сетевой шнур сделан несъёмным, что в данном случае я бы не стал считать недостатком. 6 достаточно мощных шурупов тоже не лишние — трансформатор имеет ощутимый вес и плату с ним нужно надёжно фиксировать.
По поводу пластмассовых стяжек я даже не знаю что сказать: с одной стороны они лишними не будут, а с другой — со временем могут рассохнуться и перестать фиксировать трансформатор.
Схемотехника
Схемы ТГС-7А в открытом доступе я не нашёл, но нам будет вполне достаточно составить общее представление о его схемотехнике и принципах работы по доступной для исследования начинке. Начнём с откручивания шурупов и вынимания платы генератора из корпуса.
Обратная сторона платы с кнопками управления и индикаторными светодиодами. Пластмассовые стяжки-помочи и пьезоэлектрическая пищалка сбоку живописно дополняют картину.
Вид платы ТГС-7А сверху. Внешний вид некоторых соединений наводит на мысль о ручной пайке SMD компонентов (что несколько странно). Из плюсов можно отметить полное отсутствие следов флюса — такие чистые платы мне давно не попадались.
Нижняя сторона платы ТГС-7А. Зональное деление функциональных частей генератора видно невооружённым глазом: регион питания, регион управления и регион самих элементов генератора.
Блок питания
В подсистеме питания применён трансформатор ТрансЛед ТП-152-5 с напряжением вторичной обмотки 12 В переменного тока. Напряжение на фильтрующих конденсаторах (после выпрямительных диодов) колеблется в районе 13 В постоянного тока, в зависимости от режима работы генератора (текущей нагрузки).
На фото обращает на себя внимание отсутствие предохранителя — на его месте проходит дорожка на печатной плате, что говорит о том, что его
Фото самого трансформатора ТП-152-5 и его маркировки.
Кнопки управления и индикаторы
Регион управления содержит кнопки и светодиоды индикации текущих режимов работы генератора. Всё это хозяйство подключено к микроконтроллеру, который и занимается их обслуживанием.
С кнопками тоже всё просто: нижний ряд задаёт время работы таймера 5, 15, 30, 60 минут, а три вертикальных кнопки отвечают за (программное) включение/выключение генератора, мощность и т. н. «вращение поля», о котором я расскажу чуть ниже.
Тут же присутствует индикатор «нет поля», название которого говорит само за себя.
Фото передней панели со всеми управляющими элементами.
Микроконтроллер ATmega8A
В качестве управляющего выступает микроконтроллер ATmega8A, который и занимается обслуживанием кнопок и светодиодов, а также обеспечивает всю логику работы генератора (переключение режимов, отсчёт временных интервалов и т. д.).
В переключении режимов работы задействовано реле TRR-1A-05F-00D (на фото тёмный четырёхугольник рядом с микроконтроллером).
Рядом с ATmega8A виден 6-контактный разъём, который намекает на возможность заливки новых прошивок или самостоятельного программирования микроконтроллера.
Генератор
ТГС-7А построен на микросхеме HEF4046BT генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), вторая микросхема рядом — это HEF4069UBT, содержащая 6 инверторов (логических элементов НЕ) и выполняющая вспомогательные функции. В нашем случае диапазон фазовой подстройки частоты ограничен значениями 250-400 кГц, о чём честно написано на лицевой панели прибора.
The HEF4046B is a phase-locked loop circuit that consists of a linear voltage controlled oscillator (VCO) and two different phase comparators with a common signal input amplifier and a common comparator input. A 7V regulator (zener) diode is provided for supply voltage regulation if necessary.
Функциональная схема генератора HEF4046BT.
Усилением сформированного синусоидального сигнала занимаются два комплиментарных PNP/NPN транзистора BCP53-16/BCP56-16 (80 В, 1 А) с соответствующей обвязкой. Размеры окружающих транзисторы площадок на печатной плате говорят о возможности использования других типов транзисторов и возможности установки радиаторов для них.
Общую функциональную схему генератора ТГС-7А можно представить так:
Здесь усилительный блок и подключённая катушка представляют собой единую колебательную систему, информация о состоянии которой по цепи обратной связи поступает на микросхему HEF4046BT генератора с фазовой автоподстройкой частоты.
Микроконтроллер ATmega8A может управлять режимами работы системы и, в том числе задавать т. н. режим «вращение поля», когда генератор HEF4046BT принудительно циклически меняет фазу генерируемого сигнала (тем самым физически вращая генерируемое поле в пространстве).
В целом, с принципом работы генератора ТГС-7А всё понятно, теперь переходим к натурным испытаниям и экспериментам.
Тестирование работы ТГС-7А
Тестировать работу генератора ТГС-7А будем на стандартной 15-сантиметровой катушке, идущей с ним в комплекте, т. н. «катушке №1». В принципе, тестирование можно провести на любой другой подобной катушке, но интересно посмотреть как ТГС-7А работает с «родной» периферией.
Тестирование будет заключаться в определении собственной резонансной частоты катушки и параметров генерируемых ТГС-7А сигналов при работе на неё (амплитуды тока и напряжения, а также формы сигнала). В качестве эталонного образца возьмём работу с этой же катушкой DDS генератора Atten ATF20B. Контролировать все процессы будем с помощью осциллографа.
ATF20B обеспечивает генерацию сигналов различной формы с частотой до 20 МГц и амплитудой до 20 вольт (что как раз подходит для наших испытаний). Прелесть ATF20B заключается в том, что мы можем задавать частоту генерируемых сигналов с точностью до 1 Гц.
Амплитуду напряжения будем измерять напрямую, а амплитуду тока при помощи резистора сопротивлением 1 Ом.
Аппаратный комплекс начинающего вихревого терапевта
В результате измерений на стенде с генератором Atten ATF20B получилось: собственная резонансная частота катушки 302,85 кГц, напряжение на резонансной частоте 2,93 В и ток в катушке 270 мА. Фазы тока и напряжения точно совпадают, (что не удивительно) поскольку резонансная частота выставлялась вручную на DDS генераторе.
Катушка успешно «просадила» на резонансе входные 20 В генератора до 2,93 В, довольно эффективно преобразовав (вкачав) энергию в (нужное нам) поле.
Работа «катушки №1» в паре с генератором Atten ATF20B
Теперь подключаем катушку к генератору ТГС-7А и смотрим что там наделали HEF4046BT и пара транзисторов в автоматическом режиме. Как ни странно, но результат практически идентичен ручной настройке на DDS генераторе: частота 303,53 кГц, напряжение 3,11 В и ток в катушке 230 мА.
У генератора ТГС-7А заметно также небольшое отставание фазы тока от напряжения, но в данном случае это не критично — комплекс предназначен для медицинских целей, а в этом контексте ещё большой вопрос хорошо или плохо небольшое рассогласование тока и напряжения в катушке (есть мнение, что как раз хорошо).
Работа «катушки №1» в паре с генератором ТГС-7А (режим по умолчанию)
Ну и форма синусоидального сигнала практически идеальная, без каких-либо видимых искажений. В целом можно сказать, что ТГС-7А показал себя в этом тесте просто замечательно (на уровне ручной настройки Atten ATF20B).
Заключение
Как говорится, «о сколько нам открытий чудных...». Сегодня мы узнали как устроен и как работает генератор ТГС-7А, но эта тема поистине неисчерпаема и впереди нас ждёт немало интересных открытий.
Кстати, мне ещё интересно как устроена внутри «катушка №1». А вам?
