Isolierte Spannungswandler Doppelt isoliert hält besser

In der Medizinelektronik steht die Patientensicherheit an erster Stelle. Diagnosewerkzeuge, die »leitenden Kontakt« zum Patienten haben, wie zum Beispiel EKG oder Endoskop, müssen auch im Falle eines Defekts absolut sicher sein. Ein geerdetes Gehäuse allein genügt nicht - gefordert sind zwei getrennte Sicherheitsbarrieren. Ganz nach dem Motto: Doppelt genäht hält besser.

Produkte der Medizinelektronik müssen so konstruiert sein, dass von ihnen auch im Falle eines Defektes, z.B. eines Kurzschlusses oder einer unterbrochenen Schutzleiterverbindung, keine Gefahr für Patient und Personal ausgeht.

Deshalb schreibt die weltweit anerkannte UL/EN 60601-1 für Medizingeräte zwei getrennte Isolationsbarrieren vor (Bild 1). Netzseitig bilden speziell isolierte, »medizinische« AC/DC-Netzteile die »Barriere 1« - auf der Patientenseite sorgen »re-inforced«-isolierte DC/DC-Wandler für die erforderlichen Sicherheitsreserven. Die Elektronik im Geräteinnern »floatet« und hat weder Kontakt zum Gehäuse noch einen Bezug zu irgendwelchen Potenzialen.

Selbst im Fall, dass eine der Barrieren versagt oder der Schutzleiter unterbrochen ist, bietet ein solcher Aufbau maximalen Schutz vor Stromschlägen. Als Maß für elektrische Sicherheit definiert die UL/EN 60601-1 nicht eine Spannung, wie im industriellen Bereich üblich, sondern einen Strom. Dies hat zwei Gründe: Zum einen können schon niedrige Spannungen einen gefährlichen Strom fließen lassen, wenn sie direkt auf innere Organe wirken.

Zum anderen sind Patienten auf der Intensivstation oder während eines medizinischen Eingriffs gleichzeitig an mehrere Apparate angeschlossen, sodass sich deren Ableitströme addieren. Der zulässige Grenzwert für ein einzelnes Gerät liegt bei 100 µA und damit rund um den Faktor 100 unter jenem Bereich, der allgemein als gefährlich gilt.

Isolationsbarriere 1 - Das »medizinische« Netzteil

»Medizinische« Netzteile bilden die Isolationsbarriere 1. Sie sind in der Regel zwischen Eingang und Ausgang mit 4000 V (AC) isoliert und entsprechen Schutzklasse II. Gleichzeitig sind die Grenzwerte leitungsgebundener und abgestrahlter Störungen einzuhalten. Da dies insbesondere bei hocheffizienten Schaltnetzteilen alles andere als trivial ist, greifen Gerätehersteller heute generell auf fertige, UL-60601-1-zertifizierte Module zurück.

Recom hat mit den Modellen »RAC15« und »RAC40« (Bild 2) zwei »medizinische« Netzmodule entwickelt, die mit 15 und 40 Watt Leistung den unteren Leistungsbereich abdecken, wie er für Endoskope und ähnliche Systeme ausreichend ist. Beide Module sind für Leiterplattemontage geeignet und weltweit einsetzbar, da sie an Netzspannungen von 90 V bis 264 V (AC) betrieben werden können.

Sie sind mit Ausgangsspannungen von 3,3 V bis 24 V lieferbar. Die Restwelligkeit am Ausgang liegt bei unter 1%. Der Wirkungsgrad erreicht in beiden Leistungsklassen Werte um die 83%. Beide Module sind kurzschlusssicher und mit einer Isolationsspannung von 4 kV (AC) über eine Minute getestet. Dies entspricht einer Isolationsspannung von 8 kV (DC) für eine Sekunde (siehe nebenstehende Beschreibung des Isolationskalkulators). Das 15-W-Modell RAC15 hat eine Grundfläche von 45 mm x 64 mm und ist 120 g schwer, der »große Bruder« RAC40 mit 40 W Ausgangsleistung bringt es auf 89 mm x 63 mm und 280 g Gewicht.

Isolationsbarriere 2 - »Reinforced« DC/DC-Wandler

DC/DC-Wandler bilden die Isolationsbarriere 2 und trennen die Elektronik von Patient und Personal. Dabei ist weniger die Höhe der Isolationsspannung entscheidend - theoretisch könnten schon 3 kV (DC) für eine Sekunde ausreichend sein - sondern die »Qualität« der Isolation. UL 60601 schreibt hierfür so genannte »reinforced« Wandler vor, die man auch als »doppelt isoliert« bezeichnen kann.

Obwohl in der Norm die Unterschiede zwischen den Isolationsstufen »Basic«, »Supplementary« und »Reinforced« eher unscharf formuliert sind, gibt es eindeutige Vorgaben für die maximal zulässigen Luft- und Kriechstrecken. So ist die Luftstrecke für einen mit 18 V bis 72 V Eingangsspannung arbeitenden Reinforced-Wandler mit 2,4 mm spezifiziert und damit mehr als drei Mal so groß wie die eines vergleichbaren, nur Basic isolierten Wandlers.

Zur Einhaltung dieser strengen Vorgaben war es bislang üblich, Primär- und Sekundärwicklung des Trafos getrennt voneinander auf die entgegengesetzten Hälften eines Ringkerns zu wickeln. Die unerwünschte Nebenwirkung: Wegen der sich nicht mehr optimal überlappenden Magnetfelder sinkt der Wirkungsgrad, und die Wärmeentwicklung steigt.

Recom hat inzwischen unter der Bezeichnung »Re3-Inforced« eine neue Technik entwickelt, bei der beide Wicklungen so ineinander »verzahnt« sind, dass sich die Magnetfelder besser überlappen können und gleichzeitig die Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden (Bild 3).

Auf diesem Trafokonzept basiert eine ganze Generation neuer »reinforced«-Wandler für medizinische Applikationen, die mit 8 kV (DC) für eine Sekunde spezifiziert sind. Dies entspricht den zuvor genannten 4 kV (AC).

Diese Wandler gibt es ungeregelt mit Leistungen von 1 W beziehungsweise 2 W im SIP7-Gehäuse (»Rxx«/Pxx« bzw. »Rxx/P2xx«) und geregelt mit 3,5 W beziehungsweise 6 W im DIP24-Gehäuse (»REC3.5« bzw. »REC6«).

Der 2-W-Wandler ist auch im DIP24-Gehäuse (»RVxx«) und damit pin-kompatibel zu größeren Wettbewerbsmodellen lieferbar. Der Wirkungsgrad erreicht je nach Modell Werte bis 88% - die zulässige Betriebstemperatur ist mit -40°C bis + 85°C (ohne Derating) spezifiziert.

Über den Autor:

Reinhard Zimmermann ist Product Marketing Manager bei Recom Electronic.