Während die überwiegende Mehrheit der Medizingeräte konventionelle Netzteile benötigt, die optimal auf ihre Betriebsumgebung abgestimmt sind – quasi einen Marathonlauf absolvieren, indem sie über ihre gesamte Lebensdauer hinweg Tag für Tag eine konstante Stromversorgung gewährleisten –, erfordern bestimmte Anwendungsbereiche Netzteile, die in der Lage sind, Spannungsspitzen zu bewältigen, sei es gelegentlich oder wiederholt. Für diese Anwendungen müssen Medizingerätehersteller eine Reihe von Parametern berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das gewählte Netzteil nicht nur einen Marathonlauf, sondern in bestimmten spezifischen Anwendungen auch einen Sprint ohne Beeinträchtigung von Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit ermöglicht.
Was ist zu beachten, wenn ein Marathonlauf Sprintleistungen erfordert?
Für Hersteller medizinischer Geräte ist es selbstverständlich, dass ein Netzteil den Sicherheitsstandards (EN/IEC 60601-1) entsprechen muss. Seine Ausgangsleistung hängt jedoch stark vom Lastverhalten des Endgeräts ab. Während der Stromverbrauch in Überwachungs- und Kontrollsystemen relativ stabil und leicht vorhersehbar ist, muss das Netzteil bei medizinischen Geräten wie Krankenhausbetten, Infusionspumpen, Beatmungsgeräten (einschließlich Gleichstrommotoren) und elektromechanischen Schaltern, die als induktive oder kapazitive Lasten wirken, unter Umständen kurzzeitig zusätzliche Leistung liefern (Abbildung 1). Auch wenn die Dauer dieser Leistungsspitzen im Vergleich zur normalen Betriebszeit kurz erscheint, muss sie sorgfältig berücksichtigt werden, um kostspielige Überraschungen zu vermeiden.
Neben Spannung und Ausgangsleistung ist die Art der Last entscheidend für die Systementwicklung. Es gibt viele Möglichkeiten, und in manchen Geräten versorgt das Hauptnetzteil verschiedene Systeme und Subsysteme mit unterschiedlichen Lastprofilen, was die Sache deutlich komplexer macht. Vereinfachend lassen sich vier grundlegende Lastarten unterscheiden: induktive, kapazitive, Konstantstrom- und nichtlineare ohmsche Lasten. Jede dieser Lastarten weist spezifische Eigenschaften auf, die bei der Auswahl des Netzteils für die jeweilige Anwendung beachtet werden müssen.
Lastarten im Überblick:
Induktive Lasten: Lasten wie Motoren und elektromagnetische Schalter (z. B. Relais, Magnetschalter) mit induktiver Charakteristik werden als induktive Lasten bezeichnet. Wird an einen Gleichstrommotor eine Spannung angelegt, fließt ein Strom, der um ein Vielfaches höher ist als der Nennstrom. Wird die Spannung abgeschaltet, entsteht aufgrund der induktiven Komponente der Last eine induzierte Gegenspannung (EMK) E = -L × (di / dt). Im Allgemeinen kann das Netzteil bei einer induktiven Last die für die maximale Leistungsaufnahme benötigte Energie nur bis zur Grenze seiner Überstromschutzfunktion (OCP) bereitstellen (Abbildung 02). Wird diese Grenze auch nur kurzzeitig überschritten, kann sich das Netzteil abschalten. Daher muss die maximale Last genau definiert sein, um ein geeignetes Netzteil mit Überstromschutz auszuwählen, das eine Leistungssteigerung über einen definierten Zeitraum und in einer definierten Reihenfolge ermöglicht. Wird die Ausgangsspannung abgeschaltet, kann die entstehende induzierte Gegenspannung (die üblicherweise von den Elektrolytkondensatoren des Netzteils absorbiert wird) die Überspannungsschutzschaltung des Netzteils auslösen und so dessen Abschaltung verursachen. In diesem Fall sollten Maßnahmen wie der Einbau einer Verpolungsschutzdiode ergriffen werden.
Kapazitive Last: Eine Last mit einer Kapazitätskomponente wird als kapazitive Last bezeichnet. Beispiele hierfür sind Kondensatoren zur Reduzierung der Restwelligkeit der Stromversorgung und Kondensatoren zum Abfangen von Lastspitzen. Bei dieser Lastart fließt beim Anlegen einer Spannung ein sehr hoher Laststrom, i<sub>Spitze</sub> = (V/R), wobei R der Serienwiderstand (parasitärer Widerstand) ist, da der Kondensator keine Ladung enthält. Obwohl das Netzteil die Ausgangsspannung erfassen und regeln kann, kann es bei einem großen Kondensator (mehrere zehntausend Mikrofarad) am Ausgang vorkommen, dass das Regelsystem die Situation nicht erkennt und die Ausgangsspannung instabil wird. Systementwickler müssen daher die Gesamtkapazität ihrer Geräte berücksichtigen und sicherstellen, dass das Netzteil die zum effizienten Laden der Last erforderliche Spitzenleistung liefern kann, die in manchen Anwendungen mehrere Farad betragen kann.
Konstantstromlast: Eine Last, bei der der Strom konstant bleibt, auch wenn die Lastspannung variiert, wird als Konstantstromlast bezeichnet; ein Beispiel hierfür ist die LED-Beleuchtung in Operationssälen. Es ist wichtig, die Art des im Netzteil integrierten Überstromschutzes zu berücksichtigen. Wenn der Überstromschutz des Netzteils beispielsweise vom Typ „Stromabsenkung“ ist, kann die Ausgangsspannung möglicherweise nicht ansteigen (Abbildung 02). Dies liegt daran, dass sich die Ausgangsspannung vom Zeitpunkt des Anlegens einer Spannung bis zum Erreichen der Nennspannung am Abschaltpunkt des Überstromschutzes stabilisiert. Im Allgemeinen kann die Umstellung des Überstromschutzes auf einen Typ mit maximaler Strombegrenzung das Problem beheben.
Nichtlinearer Widerstand: Einige Geräte verwenden Heizelemente oder Glühlampen, deren Widerstand sich bei Stromfluss ändert. Obwohl diese Aufwärmphase mit monotoner Widerstandsänderung kurz sein kann, erscheint sie dem Netzteil als konstanter Strom, der den Schwellenwert seines eingebauten Überstromschutzes überschreitet. Der
Überstromschutz, eine entscheidende Komponente eines Netzteils, wurde bereits in den vorangegangenen Kurzbeschreibungen erwähnt. Es stellt sicher, dass im Falle einer Überstromsituation, die versehentlich oder infolge eines Geräteausfalls auftreten kann, die Stromversorgung die Geräte schützt und gegebenenfalls den Fehler dem Bediener signalisiert, beispielsweise über eine LED oder ein über den Kommunikationsbus übertragenes Signal.
Zusammenfassung des Überstromschutzes:
Wie bereits erläutert, können bei Überschreitung eines definierten Grenzwerts des Ausgangsstroms bzw. der Ausgangsleistung verschiedene Schäden am Netzteil oder den angeschlossenen Geräten auftreten. Der Schutzschaltkreis verhindert nicht nur, dass der Strom den Nennwert überschreitet, sondern begrenzt auch den Kurzschlussstrom. Je nach Anwendung und spezifischen Systemanforderungen können beim Aktivieren des Überstromschutzes verschiedene Effekte eintreten: Die Ausgangsspannung kann durch manuelles Zurücksetzen dauerhaft, durch automatisches Zurücksetzen vorübergehend unterbrochen werden oder sich wie ein konstanter, fester, aber sicherer Strom verhalten (Abbildung 02).
Beim Einschalten eines Netzteils oder elektrischen Geräts fließt ein hoher Anfangsstrom zur Last, der von null auf einen Spitzenwert ansteigt. Dieser anfängliche Stromstoß dient hauptsächlich dem Laden der großen Entkopplungs- oder Pufferkondensatoren im Netzteil und im Endgerät. Währenddessen, wenn die Kondensatoren geladen werden oder die Geräte aus dem kalten Zustand hochfahren, steigt der Strom sehr schnell von null an, erreicht den Spitzenwert und sinkt dann allmählich auf den stationären Wert ab (Abbildung 3). In dieser Phase muss das Netzteil genügend Energie bereitstellen, um die Kondensatoren zu laden und die benötigte Leistung an die Last abzugeben, ohne den Überstromschutz (OCP) auszulösen, der den Ausgang unterbricht. Darüber hinaus können sich manche Lasten anfänglich wie ein Kurzschluss verhalten und erfordern, dass das Netzteil den Schutzmodus nicht aktiviert.
Um diesen Startvorgang zu ermöglichen, sind Netzteile so ausgelegt, dass sie einen gewissen Überstrom zulassen. Üblicherweise wird die Überstromschutzschwelle (OCP) auf etwa 110 % des maximalen Nennwerts eingestellt.
110 % sind für die allermeisten Anwendungen ausreichend. Bei anspruchsvollen Medizingeräten, die kurzzeitig Spitzenleistungen von 200–300 % benötigen, reichen 110 % jedoch nicht aus. Hier ist ein Netzteil erforderlich, das nicht nur hohe Spitzenleistungen liefert, sondern auch maximale Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer des Geräts gewährleistet.
Einen Marathonlauf mit Sprintleistung!
Um sicherzustellen, dass das Netzteil bei erhöhtem Leistungsbedarf ausreichend Energie liefert, sollte die Nennleistung der maximalen Spitzenlast entsprechen. Benötigt ein Gerät beispielsweise eine maximale Dauerleistung von 500 W und die Spitzenleistung 1000 W, könnte der Systementwickler unter Berücksichtigung von Betriebsbedingungen wie Eingangsspannung, Umgebungstemperatur, Leistungsreduzierung usw. ein 1200-W-Netzteil als optimale Lösung in Betracht ziehen.
Dies erscheint zwar naheliegend, ist aber überdimensioniert, wenn die Spitzenleistung nur gelegentlich auftritt. Beispielsweise, wenn ein Gleichstrommotor zum Positionieren eines Patientenbetts aktiviert wird und sich anschließend wieder abschaltet, während das Netzteil lediglich die Steuerung versorgt. Auch für Systeme, die im Vergleich zum Dauerbetrieb wiederholt kurzzeitige Spitzenlasten benötigen, ist eine solche Leistung überdimensioniert.
Die Auswahl eines Netzteils für Anwendungen mit Spitzenlast erfordert die Bewertung der Betriebsbedingungen über die gesamte Lebensdauer des Geräts und die Berücksichtigung aller Aspekte, einschließlich Größe, Gewicht und Preis. Der Kauf eines 1200-W-Netzteils ist möglicherweise nicht die beste Option, wenn die Spitzenlast nur einen geringen Teil des Betriebs ausmacht.
Netzteilhersteller haben Lösungen entwickelt, die über einen längeren Zeitraum deutlich mehr Leistung – in der Größenordnung des Doppelten der Nennleistung oder sogar mehr als die maximale Leistung – liefern können. Um dies zu erreichen, muss das Netzteil so ausgelegt sein, dass es ausreichend Kondensatoren aufnehmen kann (Abbildung 4) und über einen Antriebsstrang verfügt, der wiederholte Spitzenlasten ohne Überhitzung oder Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit bewältigen kann.
Beispielsweise kann das Ausgangsspannungsverhalten des COSEL 600W AEA600F-Netzteils (Abbildung 5) bei maximaler Ausgangslast untersucht werden. Das getestete Produkt ist ein 600-W-Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 24 V und einem Nennstrom von 25 A. Wie in Abbildung 6 dargestellt, wurden die Antriebskette und die Ausgangskondensatoren so ausgelegt, dass sie eine Spitzenleistung in Höhe des Doppelten der Nennleistung für die Dauer von 1000 Millisekunden aushalten. Abbildung 6 zeigt zwei Zustände: Leerlauf bei 52,5 A Spitzenstrom und Halblast von 12,25 A bis 52,5 A Spitzenstrom. In beiden Fällen bleibt die Spannung innerhalb der spezifizierten Grenzen, und der Überstromschutz (OCP) schaltet den Ausgang nicht ab.
Zusammenfassend lässt
sich sagen, dass die Erzielung von Höchstleistungen bei medizinischen Stromversorgungen Realität geworden ist. Zwar erfordert die Vielzahl an Anwendungen unterschiedliche Stromversorgungstypen, doch die Technologie erleichtert Systementwicklern die Auswahl der passenden Produkte. Hinzu kommen die fantastischen Möglichkeiten, die neue Technologien wie Breitband-Halbleiter, Superkondensatoren und digitale Steuerung bieten und die in der nächsten Generation von Stromversorgungen Einzug halten werden. Diese Technologien werden die Arbeit von Entwicklern von Stromversorgungssystemen deutlich spannender gestalten.
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Autor: Patrick Le Fevre
Referenzen:
Powerbox (PRBX)
