KOMPENDIUM I RÖNTGENTEKNOLOGI

KOMPENDIUM I RÖNTGENTEKNOLOGI KAPITEL 1 ELLÄRA Reviderad: 20050816

Inledning Som ni vet går allt på elektricitet även röntgenapparater. Därför inleds röntgenteknikkursen med en kort presentation av ellärans grunder och några komponenter som vanligtvis ingår i en röntgenapparat. Ellärans uppgift är inte bara till för att öka förståelsen av röntgentekniken utan skall även bidraga till ökade kunskaper i elsäkerhet. En röntgenapparat består, förutom av själva röntgenröret, i huvudsak av mer eller mindre komplicerade elektriska system. Röntgensjuksköterskan skall naturligtvis inte plugga elkunskap utan bara ha ett hum om de ingående komponenterna i en röntgenanläggning. 1(1)

Ohms lag En vattentank, med ett rörsystem inkl. en turbin samt en pump enl. figuren nedan kan tillsammans liknas vid en likströmskrets. Vi tittar först på vattensystemet. Vattenflödet i ledningarna bestäms dels av den mängd vatten som finns i tanken som utövar ett tryck (spänning) på vattnet till turbinen utan också av rörledningarnas motstånd och turbinhjulet tröghet. Turbinhjulet driver i sin tur en generator som utför ett nyttigt arbete. Pumpen som här återför vattnet till tanken har inte någon motsvarighet i elkretsen, men kan där liknas vid ett laddningsaggregat som laddar batteriet. Symbolen <=> skall utläsas: motsvaras av. Pump Vattentrycket <=> spänning U Turbin Flödeshinder <=> resistans R Vattenflödet <=> ström I Vi jämför nu vattensystemet med likströmskretsen nedanför. Här flyter inte vatten i ledningarna utan en elektronström. Strömmens storlek bestäms här av trycket från batteriet eller som man normalt säger, batterispänningen. Strömmens storlek i ledningarna bestäms inte bara av batterispänningen utan också av ledningsmotståndet och av värdet hos resistansen (motståndet) R. I en likströmskrets flyter strömmen bara åt ett håll från pluspolen på batteriet till minuspolen. 100 V U Ex. antag att vi har en spänning U på 100 Volt och en resistans i kretsen på 1000 ohm. Hur stor ström I flyter i kretsen? Enligt ohms lag kan strömmen I skrivas: I = U/R eller om värden sätts in, I = 100 1000 = 0,1A Svar, strömmen blir 0,1 ampere. I R =1000 Ohm 2(1)

För att beräkna en av storheterna U, I, eller R om någon av de andra två är kända kan vi använda Ohms lag. OHMS LAG U=I*R U=spänning I=ström R=resistans (elektriskt motstånd) Formeln säger att spänningen U hos batteriet är lika med strömmen I i ledningen gånger resistansen R. Ett exempel kanske klargör begreppet. Ex. Antag att vi har en lampa som är inkopplad till ett batteri. Vad vi vet är, att i kretsen flyter en ström på 0,1 ampere (A) och att lampans elektriska motstånd är 100 ohm. Vi frågar oss, hur stor är batterispänningen? Genom att använda ohms lag och sätta in de storheter som är kända kan vi beräkna spänningen U. Insatt i formeln ger detta: U=I*R eller U=0,1*100 som ger oss batterispänningen 10 volt. Svar batterispänningen är 10 volt (V). På liknande sätt kan tex strömmen räknas ut om spänningen och resistansen är kända. Formeln blir då: I = U/R.. 3(1)

Parallellkoppling Det förekommer rätt ofta att resistanser parallellkopplas i elektriska kretsar. Om man så önskar kan strömmar, spänningen eller resistanserna beräknas enl ohms lag. 100 V U R 1 =4 Ohm R 2 =1000 Ohm I 1 =? I 2 = 100 1000 = 0,1A Vi söker här strömmen I U=R*I; I= U R 1 Ser vi på figuren upptäcker vi att samma batterispänning ligger över resistansen R 1 som över R 2. Om vi först räknar ut strömmen I 1 får vi: eller med värden I 1 = 100 4 =25 A På samma sätt kan strömmen I 2 beräknas och blir här 0,1 ampere Seriekoppling Om resistanerna seriekopplas blir kretsens totala resistans summan av resistanserna och i vårt fall 21 000 + 1000 = 22 000 ohm. R 1 = 21 kohm 220 V U R 2 =1000 Ohm I Om vi i detta exempel vill beräkna strömmen I, som flyter genom båda motstånden får vi: Ohms lag U=R*I ; I= U R I = 220 (21000+1000) = 0,01 A = 10 ma 4(1)

Sammanfattning Elektrisk spänning mäts i enhet volt (1000V = 1kV) Elektrisk ström mäts i enheten ampere (1 Ampere =1000 ma = 10 6 µa) Resistans mäts i enhet ohm (anges med symbolen ) 1 M = 10 3 k = 10 6 Elektrisk laddning Figuren visar 2 kulpar upphängda i tunna trådar. Om dessa kulor på något sätt laddas upp så att laddningarna hos de två kulorna blir lika, repellerar kulorna varandra. Om kulorna däremot får olika polaritet attraherar dessa varandra. + + + Lika laddning repellerar varandra Olika laddningar attraherar varandra Den kraft som laddningarna utövar på varandra bestäms av avståndet mellan kulorna och av laddningarnas storlek. Laddning mäts i enheten coulomb. 1 Coulomb = 1 Amperesekund (As eller 1000 mas) vilket motsvarar ca 6*10 18 elektroner 5(1)

Magnetiska fält En ström som flyter i en elektrisk ledare omger sig alltid med ett magnetfält elektrisk ledare Ser vi på ett tvärsnitt av en elektrisk ledare där strömriktningen går inåt från åskådaren sett, får vi en magnetfältsriktning enl den sk. korkskruvsregeln Magnetfältets riktning Elektrisk ledare strömriktning Magnetisk flödestäthet mäts i enheten TESLA magnetfält strömriktning in i ledaren. (symbolen visar bakändan av en pil) (Det jordmagnetiska fältet är ca. 0,0007 Tesla) En spoles magnetfält Är den elektriska ledaren utformad som en spole, förstärks magnetflödet. magnetfältsriktning Strömriktning Brytande kontakt Slutande kontakt Relä Ankare järnkärna Spole Ett relä består av en spole med en järnkärna samt en eller flera kontakttungor. Då en ström flyter genom spolen, blir järnkärnan magnetisk, och drar till sig ankaret. Ankarets andra ände påverkar kontakter som antingen bryter eller sluter en förbindelse. 6(1)

Elektriska Fält Kondensatorn Kondensatorn består av 2 st. metallplattor med ett isolerande sk. dielektriskt skikt emellan. När en kondensator laddas upp, genom att tex. ansluta kondensatorn till ett batteri, anhopas elektroner på den ena plattan som då får en negativ laddning. Kondensatorns andra platta, töms på motsvarande mängd elektroner p.g.a att lika laddningar repellerar varandra. Jämför exemplet med kulorna där lika laddning repellerar varandra. En elektronvandring kan ej ske genom själva kondensatorn utan endast via den yttre strömkretsen. En laddad kondensator kan jämföras med ett batteri med mycket liten laddning. En kondensators förmåga att ta laddning, anger dess kapacitans. Ju större area plattorna har och ju närmare de ligger varandra dessto större blir kondensatorns kapacitans. Kapacitansen mäts i enheten Farad. 1F = 10-6 µf = 10-9 nf = 10-12 pf 7(1)

Växelspänning - likspänning När vi hemma köper en elektrisk apparat tar vi för givet att den kan anslutas och drivas från vägguttagen. De flesta vet också att vägguttagen lämnar en växelspänning på ca 230 volt, med frekvensen 50 Hertz. Vad skiljer då en likspänning från en växelspänning? Som namnen hos de två spänningstyperna anger flyter strömmen i en likspänningskrets i samma riktning hela tiden dvs. likformigt från plus till minus. Ett exempel på detta kan vara ett batteri med en lampa inkopplad över batteriet. Strömmen flyter då från pluspolen på batteriet, genom lampa till minuspolen. Byter vi nu ut batteriet i exemplet ovan mot en växelspänningsgenerator, flyter en ström som tidigare genom lampan men strömmen byter hela tiden riktning i takt med växelspänningens frekvens. Varför använder man då dessa 2 skilda matningsspänningar? Jo, en växelspänning passar bättre för att driva motorer och kan lätt transformeras upp-, eller ned till önskade spänningsvärden. Likspänningar kan inte använda transfomatorer på ett lika enkelt sätt som växelspännigar kan, men har den stora fördelen att kunna lagra sin energi i batterier, vilket inte växelspännigen kan göra. En växelspänning kan enkelt simulares genom att upprepade gånger vända ett batteris poler fram och tillbaka. Detta förfarande är som alla förstår mycket opraktiskt. Kraftigare röntgenapparater men fast installation, matas med 3-fas växelspänning. Detta sätt att mata större effektkrävande apparater med 3 faser ger stora driftsfördelar. I Sverige finns 3-fassystem av sk. fyrledartyp eller av femledartyp. Det äldre 4-ledarsystemet byggs succesivt bort i sjukvården till förmån för 5-ledarsystemet. Namnen fyr- resp- femledarsystem kommer av att näten består av 4-resp. 5 trådar. Här följer nu en kort presentation av likspänning, enfas växelspänning samt 3-fas växelspänning.. 8(1)

Växelström Strömriktning Batteri Lampa Batteri Lampa Strömriktning ström + - positiv strömriktning negativ strömriktning Tid Genom att upprepade gånger vända batteriet fram och tillbaka kommer strömmen att ändra riktning i takt med batterivändningarna. Vi har fått en växelström. Ofta följer växelspänningens variationer en sk. sinuskurva. Amplitud Volt toppvärde effektivvärde 0 180 360 tid en period frekvensen anger antalet svägningar per sekund periodtalet definieras som 1 /frekvensen. effektivvärdet anges som toppvärdet dividerat med 2 Hos en växelspänning med 50 perioder/sek (Hertz) är tiden för 1 period = 1/50 = 0.02 sek (20 ms). Spänning skiftar hela tiden mellan plus och minus, i takt med sinusvågens frekvens. Nätfrekvensen i Sverige är 50 Hz. 9(1)

3-fas växelspänning Större röntgenapparater med fast elinstallation matas vanligen av nätets tre faser R, S och T. Fördelen med ett sådant arrangemang är bla. att strömmen per fas minskar jämfört med enfasmatning. En 3-fas växelspänning kan åskådliggöras som 3 sinsemellan förskjutna sinuskurvor. U sek Diagrammet ovan kan även presenteras som ett cirkeldiagram där fasernas inbördes läge tydligare framgår. T 90 180 120 grader 0 R S 270 En trefasspänning, med faserna R,S och T, är inbördes fasförskjutna 120 grader. 10(1)

Transformatorn Järnkärna Up Us primärspole sekundärspole Växelspänningar kan lätt transformeras till olika värden med en transformator. Transformatorn består av en järnkärna med 2 eller flera lindningar. Till primärspolen ansluts primärspänningen Up och på sekundärsidan tas den transformerade spänningen Us ut. Skillnaden i antalet trådvarv mellan primär- och sekundärspolarna, det sk. omsättningstalet, avgör hur mycket spänningen transformeras. Ex. Om primärspänningen 230 V skall transformeras till 10 V måste omsättningstalet vara 230:10 = 23 dvs primärlindningen skall ha 23 gånger fler varv än i sekundärlindningen. Omsättningen: Np/Ns=Up/Us last last Vid upptransformering har sekundärspolen fler varv än primärspolen. Vid nertransformering har sekundärspolen färre varv än primärspolen Primäringång Reglerbar "rulle" sekundärutgång Hos en sk. autotransformator kan sekundärutgångens varvtal regleras så att utgångsspänningen anpassas efter behov 11(1)

3-fas transformator Om en trefasmatning används vid installation av röntgenapparaten måste även transformatorn utformas för ändamålet. R S T De 3 separata lindningarna kan sammankopplas enligt nedanstående alternativ. 1) I en sk. DELTA-koppling 2) eller i en STJÄRN-koppling R S T Uh Uf R S Nolla Uh T Om fasspänningen Uf dvs. spänningen mellan fas och nolla är 230 V erhålles en huvudspänning Uh mellan faserna på 400 V Uh=Uf * 3 12(1)

Dioden Symbolen för en diod ser ut som en pil anod katod Med en diod (likriktare) kan växelspänning göras om till likspänning Dioden är en halvledare som bara leder ström i en riktning, från anod till katod. + - + växelspänning in pulsad likspänning ut Exempel på en koppling med en diod växelsp. + - strömriktning lampa Helvågslikriktning + IN + + UT + - - Med fyra dioder kopplade enl figuren, erhålles en sk. likriktarbrygga, och spänningen blir helvågslikriktad med 2 positiva pulser på varje period. 13(1)

Tyristor styre anod katod Tyristorn är liksom dioden en halvledare som endast leder ström i en riktning, från anoden till katoden. Till skillnad från dioden måste tyristorn ha en tändspänning på "styret" för att leda ström. När en växelspänning ansluts över tyristorn och en tändpuls matas till styret vid tex. sinusvågens positiva topp, får vi en "klippt" halvvåg på utgången. Hur vågformen kommer att se ut på tyristorns utgång, beror på när under perioden som tändpulsen kopplas in till styret. + T2 T3 styre + T1 - anod katod Genom att "tända" tyristorn någonstans mellan T1 och T2 bestäms hur stor del av sinusvågens positiva del som skall släppa fram. Arean under vågen motsvarars av den effekt (spänning x ström) som matas fram. I figuren nedan kan ljusstyrkan hos lampan varieras genom att tända tyristorn vid olika tillfällen styre anod katod växelsp. + - strömriktning lampa 14(1)

Biologiska effekter av elektrisk ström (50 Hz) vid hudkontakt De flesta av oss vet att elektrisk ström genom kroppen är skadligt. Hur stor skada strömmen orsakar oss beror på en rad faktorer som tex. den väg genom kroppen strömmen går. brännskador kammarflimmer känseltröskel släppström muskelkontraktion-kvävning 1 ma 10 ma 100 ma 1 A 10 A 100 A Ovanstående diagram visar den skadliga effekt som strömmen kan ha på en människa. Strömmar under 1 ma känns knappast, medan strömmar större än 100 ma kan vara direkt livsfarliga. Riktvärden för hudens motstånd: Torr hud 1-2 Mohm Blöt hud 1-2000 ohm. Strömmens storlek genom kroppen bestämms av spänningen, hudmotståndet och frekvensen. Hur stor skadan sedan blir avgörs bla. av den väg genom kroppen strömmen tar. 15(1)

Fyrledarsystem Elnäten i Sverige är antingen av typen 4-ledarsystem eller 5-ledarsystem. Nackdelen med ett 4-ledarsystem jämfört med ett 5-ledarsystem ur patientsäkerhetssynpunkt framgår av nedanstående två exempel. I exemplen är en katater kopplad mellan patient och en fusionspump. En EKG-monitor för övervakning av patienten är kopplad enl. figuren. Nu kommer frågan! Kan detta vara farligt för patienten? R S T Nolla Gruppcentral 1 katetern är via vätskepelaren förbunden med jord. Resistans till jord=500 ohm infusionspump 1 ohm In 1 (Ex 6A) EKG-monitorU Ipl In 3 (Ex 5A) 1 ohm Gruppcentral 2 jordningselektrod med resistensen 1000 ohm Exempel 1. Genom att 2 olika gruppcentraler förser apparaterna med spänning uppstår en spänningsskillnad U mellan skyddsjordarna i resp. system. Spänningsskillnaden orsakas av att resistanserna R1n och R2n i resp. nolledare genomflyts av strömmarna I1n och I2n. Spänningen erhålles ur formeln: U=R1n*I1n + R2n*I2n. Om resistanserna i ledarna antas vara lika fås: R1n=R2n=Rn Skillnaden mellan strömmarna i nolledarna kan tecknas I1n - I2n. Enligt ohms lag erhålles då en spänningsskillnad U mellan nolledarna som blir: U = (I1n - I2n) * Rn Realistiska värden på Rn = 1 ohm och I1n - I2n = 1A ger spänningsskillnaden U = 1V. En spänningsskillnad på 1V och med resistansen hos jordningselektroden på 1000 ohm och katetern 500 ohm blir patientläckströmmen Ipl = U/Rtot = 1/1500 = 0,7 ma. Med huden punkterad och med en kateter i blodkärlet är denna ström tillräcklig för att orsaka hjärtflimmer hos patienten. 16(1)

Femledarsystem R S T Nolla Skyddsjord Gruppcentral 1 In 1 (EX 6A) infusionspump Ipl katetern är via vätskepelaren förbunden med jord. Resistans till jord=500 ohm I2p läckström ex 300uA EKG-monitor U In 3 (EX 5A) jordningselektrod med resistensen 1000 ohm I1p läckström ex 200uA Gruppcentral 2 Ex 2 I 5-ledarsystemet finns förutom de tre faserna R, S, T samt nolledaren också en skyddsjordsledare. Normalt flyter i denna skyddsjordledare ingen driftström utan endast sk. läckströmmar som genereras av spänningsförande delar och apparatchassi. Antag att resistanserna i skyddsjordledarna är lika stora dvs. R1p = R2p = Rp, vilket leder till en spänningsskillnad mellan apparathöljerna på U = Rp * (I1p - I2p). I1p representerar här läckströmmen från EKG - monitorn (här 200 µa). I2p som är läckströmmen från infusionspumpen är i vårt exempel 300 µa. Med realistiska värden blir Rp=1 ohm och I1p-I2p=100 µa, ger det oss en spänningsskillnad U på 100 µv. Med totalresistansen som tidigare på 1500 ohm erhålles patientläckströmmen Ipl = 0,07 µa. Ett helt ofarligt värde. Viktigt att tänka på är att all utrustning i ett kateteriseringslab måste anslutas till en och samma gruppcentral. Skarvsladdar som används till utrustningen får aldrig anslutas till uttag utanför labbet då detta punkterar elsäkerheten. 17(1)

Sammanfattning Ohms lag: U=I*R eller I=U/R eller R=U/I Spänningen U mäts i volt strömmen I mäts i ampere resistansen R mäts i ohm Effekt: P=U*I Effekten mäts i watt Kondensatorns kapacitans mäts i farad Spolens induktans mäts i henry Några symboler Batteri: Motstånd: Kondensator: Spole: Växelspänning: Frekvensen mäts i Hertz. Ex 50 Hz Växelspänning AC Likspänning DC Diod: Transistor: Röntgenrör Relä 18(1)