Weltweit gelten für Geräte der Medizinelektronik besondere Sicherheitsstandards, insbesondere wenn sie im Umfeld von Patienten eingesetzt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Versagen einer Isolationsbarriere Menschen nicht zu Schaden kommen.
„Wenn elektrische Geräte in der Umgebung von Patienten zum Einsatz kommen, müssen sie in Hinsicht auf Isolation, Ableitstrom und elektromagnetischer Verträglichkeit besondere Voraussetzungen erfüllen“ verdeutlicht Reinhard Zimmermann, Produkt Marketing Manager bei Recom Electronic. Als Patientenumgebung lässt sich im Allgemeinen der Bereich definieren, in dem Patienten im Rahmen von Untersuchungen mit technischem Gerät in Berührung kommen. Um hier elektrische Schocks zu vermeiden, müssen hohe Anforderungen an die galvanische Trennung zwischen Netzversorgung und offen zugänglichen Gehäuseteilen oder Diagnosewerkzeugen erfüllt werden. Netzbetriebene medizinische Geräte benötigen zwei Isolationsbarrieren. Die erste Barriere befindet sich im AC-Netzteil, das die Elektronik von der Versorgungsseite abkoppelt. Die zweite lässt sich durch reinforced isolierte DC/DC-Wandler realisieren, über die Messsonden oder Elektroden versorgt werden. Aus diesem Grund schreiben Normen, wie UL 60601 oder EN 60601, für Produkte der Medizinelektronik zwingend den Einsatz von so genannten reinforced isolierten Spannungswandlern vor. „Dabei geht es nicht primär um die Höhe der Isolationsspannung, sondern um die Qualität der Isolation“, erklärt Reinhard Zimmermann. Grundsätzlich unterscheidet UL die Isolationsklassen „Basic“, „Supplementary“ und „Reinforced“. „Die offizielle Beschreibung ist recht unscharf formuliert“, so Recoms Experte. „So soll reinforced als qualitativ höchste Isolationsstufe sicherstellen, dass beim Versagen der Stufen „Basic“ und „Supplementary“ Personenschäden ausgeschlossen sind.“ Dagegen sind die Vorgaben für Luft- und Kriechstrecken in der jeweiligen Isolationsklasse, siehe Bild 1, präzise definiert. Diese sind von der Eingangsspannung abhängig in mehrere Bereiche unterteilt. Genügt für die Basic-Stufe ein isolierter DC/DC-Wandler mit einem Eingangsbereich von 18 bis 72 V (mittlere Spalte) eine Luftstrecke von 0,7 mm, so sind für die isolierte Reinforced-Version bereits 2,4 mm erforderlich. Bei den Kriechstrecken verhält es sich mit 1,3 bzw. 4,6 mm ähnlich.
Einfluss der Luftstrecken auf die Spezifikationen
Diese Vorgaben gestalten es schwierig, kleine Trafos und damit kleine Wandler zu designen. Aus diesem Grund waren reinforced isolierte Wandler größer als ihre nur einfach isolierten Brüder. Für viele industrielle Applikationen genügt es in der Regel, Primär- und Sekundärwicklung übereinander zu wickeln – ohne Rücksicht auf Luft- und Kriechstrecken. Vorteil: Die Magnetfelder können optimal überlappen, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Trafos auswirkt.
Für diese so genannte funktionale Isolation sind allein die Lackschichten der Kupferdrähte verantwortlich. Solange diese Lackschichten in einwandfreiem Zustand sind, können sie Prüfspannungen von über 1000 VDC standhalten. Wird eine der Schichten aber durch Produktionsfehler oder Alterung beschädigt, halbiert sich die effektive Isolation. Kommt während des Betriebs dann irgendwann ein Surge-Impuls dazu, beispielsweise während eines Blitzschlages, hat sich das Thema Isolation erledigt. Bei medizinischen Geräten hieße das, dass der Patient oder das Personal einen elektrischen Schlag bekommt.
Um die geforderten Luft- und Kriechstrecken für reinforced isolierte Wandler einhalten zu können, kamen bislang Primär- und Sekundärwicklung des Trafos getrennt voneinander zum Einsatz – auf beide Hälften eines Ringkerns gewickelt. Diese recht einfache Lösung bringt aber drei wesentliche Nachteile mit sich:
Der Trafo wird größer und mit ihm der Wandler. Der Wirkungsgrad sinkt, weil sich aufgrund des größeren Abstandes von Primär- und Sekundärwicklung die Magnetfelder nicht optimal überlagern können. Die zulässige Betriebstemperatur sinkt, weil durch den schlechteren Wirkungsgrad mehr Energie in Wärme gewandelt und abgeführt werden muss.
Ein Beispiel aus der Praxis: Liegt der Wirkungsgrad eines funktional isolierten Wandlers mit übereinander liegender Primär- und Sekundärwicklung bei rund 85 %, so schafft ein reinforced isolierter Baustein in herkömmlicher Technik gerade mal 75 %. Die zulässige Betriebstemperatur sinkt von +85 auf rund +70 °C mit der möglichen Folge, dass zusätzliche Kühlung erforderlich wird. „In Summe erkauft man sich die bessere Isolation also mit einer ganzen Reihe von Nachteilen, hatte aber keine Wahl“, resümiert Reinhard Zimmermann.
Höhere Isolation durch moderne Trafotechnik
Auf Basis eines speziell geformten Trafokerns entwickelte Recom ein neues Konzept – nämlich das so genannte Re3-Inforced: Dabei sind Primär- und Sekundärwicklung konstruktiv so ineinander verschachtelt, dass sich die Magnetfelder gut überlappen können. Moderne Isolationsmaterialien halten die Wicklungen auf Distanz, sodass die vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden können. Zwar sind diese Trafos noch immer etwas größer als diejenigen mit einfacher Isolation – trotzdem gelang es den Entwicklern gelungen, diese Technik ausnahmslos im Gehäuse einfach isolierter Ausführungen unterzubringen, wie Bild 2 verdeutlicht. Gleichzeitig ließ sich die für niedrige Ableitströme wichtige Wicklungskapazität je nach Leistungsklasse auf Werte zwischen 1,5 und 20 pF senken. Darüber hinaus können mit dieser Methode hohe Isolationsspannungen von bis zu 10 kVDC für 1 Sekunde realisiert werden.
Den Leistungsbereich bis 6 Watt bedienen
Recoms kleinste Serien RxxPxx und Serie RxxP2xx sind im SIP7-Gehäuse untergebracht. Sie leisten 1 beziehungsweise 2 W. Die Re3-Inforced-Versionen stehen wahlweise mit Isolationsspannungen von 6,4 und 8 kVDC zur Verfügung. Der Hersteller liefert die 2-W-Ausführung zudem als RV-Serie im größeren DIP24-Standard-Gehäuse. Somit lässt sich die Umrüstung existierender Designs vereinfachen, in denen bisher größere Vorgängermodelle zum Einsatz kommen. Der Wirkungsgrad erreicht in der Spitze bis zu 88 %. Die zulässige Betriebstemperatur beträgt bei natürlicher Kühlung bis zu +85 °C – und zwar ohne das sonst übliche Derating.
Die Isolation optimieren
Wenn bei medizinelektronischen Geräten die Isolation versagt, kommt es zu einem Stromunfall, sprich Patienten oder Personal bekommen einen elektrischen Schlag. Daher muss die Isolation in diesem Bereich hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen. So soll die Reinforced-Stufe als qualitativ höchste Isolationsstufe gewährleisten, dass Personenschäden ausgeschlossen sind. Reinforced-Wandler haben allerdings Nachteile in Bezug auf Größe, Wirkungsgrad und Betriebstemperatur. Um diese Problematik zu lösen, setzt Recom auf seine Re3-Inforced-Technik.
Die Wandler REC3,5 und REC6 haben ebenfalls ein DIP24 Standardgehäuse und leisten 3,5 sowie 6 W. Recom stellt sie wahlweise mit 8 und 10 kVDC Reinforced-Isolation zur Verfügung. „Sie bringen damit rund 20 % mehr Nennleistung als funktional isolierte Vergleichstypen und erreichen mit Werten bis 86 % einen ausgesprochen günstigen Wirkungsgrad“, unterstreicht Reinhard Zimmermann. Die maximale Umgebungstemperatur kann beim REC 3.5 beispielsweise bis zu +85 °C betragen, bei natürlicher Kühlung und ohne Derating. Beim leistungsstärkeren REC 6 sind es unter gleichen Voraussetzungen bis zu +75 °C.
Features: Die Wandler sind dauerhaft gegen Kurzschluss und Überlast geschützt, optional liefert der Hersteller sie auch mit Unterspannungsschutz und Remote-Pin. Sie sind RoHS 6/6-kompatibel und nach UL/CSA/EN 60601 und EN61010-1 zertifiziert. Zudem durchliefen die Bausteine während der Entwicklung diversen Halt-Tests in Recoms Umweltlabor, um maximale Betriebssicherheit garantieren zu können. Weiteres Plus: Die Gewährleistung beträgt 3 Jahre. Für welche technischen Daten die Wandler ausgelegt sind, verdeutlicht die abgebildete Tabelle.
Isolationskalkulator macht Spezifikationen vergleichbar
„Immer wieder gibt es Missverständnisse beim Vergleich technischer Angaben zur Isolationsfestigkeit“, so Reinhard Zimmermann. „Manche Hersteller spezifizieren VDC, andere VAC“, beschreibt er die Problematik. Spannungsangaben können beispielsweise für 1 Sekunde oder für 1 Minute oder für den kontinuierlichen Betrieb gelten. Die entscheidende Frage ist, wie sich diese Angaben auf einen Nenner bringen lassen. Recoms Antwort: Mit dem Isolation Calculator, einer Art schlauen Scheibe von der Größe einer CD. Der Hersteller diesen kostenfrei zur Verfügung. Wie funktioniert es? „Stellt man zum Beispiel unter VDC /1Sec einen Wert von
10 000 V ein – das Maximum, das mit der neuen REC-Familie erreichbar ist – sieht man, dass diese Spezifikation vergleichbar ist mit 8000 VDC für 1 Minute, 7050 VAC für 1 Sekunde oder mit 4950 VAC für 1 Minute“, erklärt Reinhard Zimmermann. „Der „Isolation Calculator“ beginnt bei 1000 VDC für 1 Sekunde und liefert insgesamt 18 gängige Vergleichsreihen.“
Der Beitrag basiert auf Textmaterial von Reinhard Zimmermann, Produkt Marketing Manager bei Recom Electronic.
(eck)
