Lüfterlose Netzteile für die Medizintechnik

Gerade leistungsstarke Stromlieferanten in elektronischen Geräten sind oft auf eine aktive Kühlung mittels Lüfter angewiesen. Für medizinische Applikationen ist dies häufig ein Problem, da beispielsweise in vielen Behandlungszimmern keine aktive Luftkonvektion erwünscht ist, um die Verteilung von Schmutz und Keimen auf einem Minimum zu halten. In kritischen Umgebungen wie Operationssälen müssen elektrische Apparaturen sogar ganz ohne Lüftungsschlitze auskommen, um zu verhindern, dass sich Keime in den Geräten ansammeln und in die Raumluft gelangen. Auch dürfen keine Flüssigkeiten wie beispielsweise Reinigungs- und Desinfektionsmittel eindringen. Zudem ist Lüfterlärm in solchen hochsensiblen Umgebungen ohnehin tabu, denn der maximale Geräuschpegel für Operationssäle ist meist auf 40 dB(A) begrenzt. Da Operationssäle in Deutschland nach der DIN 1946 Teil 4 über raumlufttechnische Anlagen klimatisiert und konstant mit 22 bis 26 °C temperiert sein müssen, führen hier ineffiziente elektronische Baugruppen und Geräte zu einer unnötigen Belastung der Klimaanlagen.

Doch auch in weniger kritischen Bereichen wie Stationszimmern sind effiziente und leise Netzteile erwünscht, zum Beispiel als Stromversorgung im Antrieb für die Lageverstellung von Krankenhausbetten. Zur Ausstattung medizinisch genutzter Räumlichkeiten gehören zudem immer häufiger in Wände integrierte Monitore, wobei dichte Wandabschlüsse dazu führen, dass die Geräte häufig denkbar schlecht zu belüften sind. Daher sind auch hier besonders effiziente Netzteile mit geringer Eigenerwärmung gefragt, die ohne Ventilatoren auskommen.

Lüfter erzeugen nicht nur Lauf- und Luftgeräusche, sondern unterliegen auch einem mechanischen Verschleiß. Durch den Einsatz von lüfterlosen Netzteilen lassen sich daher bei richtiger Auslegung die Wartungsintervalle medizinisch genutzter Produkte verlängern. Hinzu kommt, dass die Stromversorgung und mit ihr das medizinisch genutzte Gerät nicht wegen eines Lüfterdefektes ausfallen kann. Gerade in Umgebungen wie Operationssälen, in denen jede Unterbrechung des Betriebs erhebliche finanzielle Einbußen für die betroffenen Kliniken mit sich bringen kann, ist dies ein wichtiger Aspekt.

Hohe Leistung auch ohne Lüfter

Über die massive Bodenplatte kann das Cosel GHA500 seine Abwärme gleichmäßig an die Umgebung abgeben. Fortec

Ihre Nennleistung erreichen Netzteile innerhalb eines definierten Arbeitstemperaturbereichs. Steigt die Umgebungstemperatur über den oberen oder sinkt sie unter den unteren spezifizierten Grenzwert, macht sich verstärkt Derating bemerkbar, das heißt die Leistung der Stromversorgung sinkt und die verwendeten Bauteile unterliegen durch die Extrembedingungen einer stärkeren Belastung. Übermäßige Temperaturen verkürzen beispielsweise die Lebensdauer wichtiger Komponenten wie Halbleiter und Elektrolytkondensatoren, was unter anderem zu frühen Defekten führen kann.

Wichtigster Parameter für ein Netzteil ist die Ausgangsleistung, die es unter realen Betriebsbedingungen im späteren Kundeneinsatz sicher liefern muss. Aus der voraussichtlichen Umgebungstemperatur, der Einbaulage des Produkts und den Kühlbedingungen ergibt sich der Arbeitstemperaturbereich für das Netzteil. Anhand der Deratingkurve, die die Leistung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur beschreibt, lässt sich abschätzen, wie gut sich ein Netzteil für den Einsatz unter den vorgegebenen Bedingungen eignet. Ein typischer Derating-Faktor für ein lüfterloses Netzteil liegt bei -2,5 Prozent pro °K. Das bedeutet, dass die Leistung der Stromversorgung mit steigender Temperatur entsprechend sinkt.

Entwickler hochwertiger Netzteile haben jedoch mehrere Stellschrauben, mit denen sie die Vorgaben ihrer Kunden aus der Medizintechnik erfüllen können. Dabei ist zu beachten, dass Stromversorgungen im Betrieb auch selbst elektrische Verlustwärme erzeugen, die unter anderem von ihrer Effizienz beziehungsweise ihrem Wirkungsgrad abhängt. Diese Eigenerwärmung wirkt sich auch auf umliegende elektronische Bauteile oder Baugruppen aus, sodass Gehäuse punktuell unangenehm heiß und Sensoreinheiten unzulässig erhitzt werden können. Das kann zu spürbaren Messfehlern führen, was bei medizinischen Anwendungen unter allen Umständen zu vermeiden ist.

600 Watt liefert das lüfterlose LCC600 von Artesyn, das als hermetisch geschlossenes, IP65-konformes Netzteil mit integrierten Kabeln lieferbar ist. Fortec

Wenn es der Bauraum im Endprodukt zulässt, ist möglichst viel Konvektionsraum zu schaffen. Das bedeutet, das Netzteil von den Abmessungen her möglichst großzügig auszulegen, um den Einsatz großer Kühlkörper auf Bauteilen wie Spannungsreglern und Leistungstransistoren zu ermöglichen, die im Betrieb zu den Hauptwärmeproduzenten gehören. Ein genau an die Applikation angepasstes elektrisches und mechanisches Design, zum Beispiel durch eine definierte Platzierung der Bauteile und die Einbaulage der Stromversorgung, nutzt die natürliche, zwischen warmen und kalten Bereichen entstehende Luftzirkulation für eine effiziente Wärmeabfuhr und gleichmäßige Wärmeverteilung. Schließlich erlaubt eine großflächige thermische Ankopplung an das Systemgehäuse die effiziente Abgabe der Wärme an die Umgebungsluft.

Eine weitere mögliche Maßnahme ist die Überspezifikation der eingesetzten Komponenten. Denn Bauteile, die nicht in ihrem Grenzbereich, sondern nur im Teillastbetrieb laufen, erzeugen in der Regel erheblich weniger Wärme und realisieren so Temperaturreserven für das Netzteil. Neben mechanischen Merkmalen wie Format und vorgesehene Montagevorrichtungen sind die Peak-Belastung, die Zahl der gewünschten Ausgangsspannungen, die Art der Regelung (digital oder analog), die integrierten Schutzschaltungen sowie die EMV weitere wichtige Kriterien für die Netzteilauswahl.

Medizinisch-technische Geräte sind in der Regel für den internationalen Markt bestimmt. Daher müssen sie, wie auch die integrierten Komponenten und Baugruppen, nach weltweit gültigen Normen zertifiziert sein. Das erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der speziellen Anforderungen bereits vor und bei der Entwicklung der Baugruppen seitens der Produzenten. Transparente PCN- und EOL-Handling-Prozeduren und Zulassungen bei globalen Marktführern der Medizintechnik sind weitere Indizien dafür, dass ein Anbieter mit seinen Produkten die anspruchsvollen Vorgaben des Health-Care-Marktes erfüllt.

Wenn kein Standardnetzteil passt

Der Markt hält eine große Vielfalt an Stromversorgungen bereit. Trotzdem finden Hersteller für anspruchsvolle Systeme aus Medizin- oder Messtechnik mit ihren oft kleinen bis mittelgroßen Serien und besonderen Ansprüchen an Qualität und Zuverlässigkeit bei Standardnetzteilen häufig keine rundum zufriedenstellende Lösung. Oft sind spezielle Anforderungen zu erfüllen, etwa geringe Abwärmeerzeugung, lüfterloser Betrieb für den Einsatz in Quasi-Reinraumumgebungen wie Operationssälen bis hin zu mehreren, auch ungewöhnlichen Ausgangsspannungen. Das Design eines eigenen Netzteils ist jedoch teuer und liegt meist außerhalb der Kernkompetenzen des Medizintechnikherstellers.

In diesem Fall helfen auf Stromversorgungen spezialisierte Distributoren mit ihrer umfassenden Expertise und einem umfangreichen Portfolio weiter. Fortec zum Beispiel unterstützt Entwickler von der Beratung über die Vorauswahl geeigneter Produkte bis zum Design-in. Speziell für hohe Anforderungen in der Medizintechnik empfiehlt das Unternehmen beispielsweise die Netzteilfamilien Cincon CFM300M, Cosel GHA500F und Artesyn LCC600, die dank ihrer modernen Schaltungstopologie eine große Leistungsdichte erreichen. Ihr Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent erlaubt einen weiten Arbeitstemperaturbereich von -40 bis zu +85 °C. Damit sind bei sehr kompakten Abmessungen und ganz ohne Lüfter Ausgangsleistungen zwischen 300 und 600 Watt möglich.

Das CFM300M ist optional als Variante im U-Winkel mit Abdeckung erhältlich und erlaubt im Konvektionsbetrieb eine höhere Belastung, da das intelligente Schaltungsdesign das Netzteilgehäuse als zusätzlichen Kühlkörper nutzt. Es verfügt über eine Fern-An-/-Abschaltung und die Ausgangsspannung lässt sich im Bereich von ±5 Prozent feinjustieren. Das Netzteil ist dauerkurzschlussfest und gegen Übertemperatur, Überspannungen und Überströme am Ausgang geschützt. Das LCC600 ist als hermetisch geschlossene Variante mit integrierten Anschlusskabeln erhältlich. Es ist nach IP65 gegen das Eindringen von Staub und Wasser geschützt und eignet sich damit sehr gut für den Einsatz in schmutzsensiblen Umgebungen.

Wenn tatsächlich kein Netzteil aus dem Standardlieferprogramm die geforderten Kriterien erfüllt, bietet Fortec auch die Möglichkeit, ein modulares Netzteil genau für die erforderlichen Anforderungen zusammenzustellen und schnell zu liefern. Dies erlaubt die individuelle Abstimmung elektrischer und mechanischer Vorgaben wie Platz und Gewicht und versetzt Medizintechnikhersteller in die Lage, trotz des hohen Kosten- und Zeitdrucks schnell ein zuverlässiges und langlebiges Produkt zu realisieren.

(pet)