Kondensatoren in der Medtech-Entwicklung
Mini-Defibrillator: Hochspannung auf kleinstem Raum
Ein AED kaum größer als eine Brotdose – und ein Kondensator, der dabei nicht nur schrumpfen, sondern auch monatelang zuverlässig Ladung im Stand-by halten muss. Wie Corscience gemeinsam mit TDK diesen klassischen Zielkonflikt technisch gelöst hat.
Ein tragbarer Defibrillator, kaum größer als eine Brotdose – das war das Ziel der Erlanger Medizingeräteentwickler von Corscience. Doch je kleiner die dafür benötigten Hochspannungskondensatoren werden, desto mehr Ladung verlieren sie mit der Zeit. Ein Killer-Kriterium: Denn ein Defibrillator, der Monate oder bis zu zwei Jahre ungenutzt an einer Wand hängt, muss auch nach der langen Stand-by-Zeit noch einen lebensrettenden Stromstoß abgeben.
Ist das technisch überhaupt machbar?
Als die Ingenieure von Corscience begannen, einen besonders kompakten Automatisierten Externen Defibrillator (AED) zu entwickeln, standen sie vor einer grundlegenden technischen Herausforderung: Sie benötigten einen Hochspannungskondensator, der zugleich sehr klein und zuverlässig ist. Die Spezifikationen der Defibrillationsexperten aus Erlangen waren anspruchsvoll: eine stabile Kapazität bei 2 kV und die Bereitstellung der erforderlichen therapeutischen Energie durch eine biphasische, abgeschnittene exponentielle Entladung.
Die Baugröße war jedoch nicht das einzige Problem. Entscheidend ist auch, dass der Kondensator seine Ladung über längere Zeiträume hält. Jeder nennenswerte Leckstrom könnte im Ernstfall bedeuten, dass der Defibrillator versagt. »Es ist lebenswichtig, dass der AED auch nach Monaten in Bereitschaft bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen – beispielsweise in einem Auto – noch die Energie für die Defibrillation liefern kann«, erklärt Manuel Seufert, Teamleiter Defibrillation, Shock & Analysis bei Corscience. Erste Kondensator-Prototypen verschiedener Hersteller zeigten zu hohe Leckströme.
Ein klassischer Zielkonflikt
Zur umfassenden Bewertung aller relevanten Kondensator-Parameter wurde ein automatisierter Hochspannungs-Kondensator-Prüfstand eingesetzt.
Mit handelsüblichen Produkten ließ sich das nicht lösen – gefragt waren Innovationen auf Materialebene. Dünnere dielektrische Folien machen Kondensatoren kleiner, erhöhen aber gleichzeitig den Leckstrom. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren müssen zudem in Serie geschaltet werden und benötigen Symmetrierwiderstände, was den Energiespeicher kontinuierlich entlädt – für diesen AED keine Option. Ähnliches gilt für Keramikkondensatoren. Lediglich Folienkondensatoren konnten die Anforderungen an Spannung und Zuverlässigkeit erfüllen.
Um Muster verschiedener Anbieter zu bewerten, entwickelte Corscience einen automatisierten Prüfstand für Hochspannungskondensatoren, mit dem sich alle relevanten Parameter anhand umfangreicher Prüfmuster und unter verschiedenen Temperaturbedingungen testen lassen. Die ersten Muster wiesen jedoch entweder zu hohe Leckströme auf oder überschritten die zulässigen Abmessungen. Eine enge Zusammenarbeit mit einem Kondensatorhersteller war nötig, um weiterzukommen.
Zusammenarbeit mit Elektronikhersteller
Corscience wandte sich an TDK. Anderson da Silva Estancovich vom deutsch-japanischen Elektronikhersteller beschreibt zwei zentrale Ansatzpunkte. Erstens galt es, den aktiven Teil des Kondensators zu verkleinern – also den Anteil der metallisierten Folie zu reduzieren, um das Bauteilvolumen zu verringern. Dabei behielt TDK die Dielektrikumsdicke bei, arbeitete aber mit höheren Spannungsniveaus pro Mikrometer Foliendicke als üblich. »Wir sprechen hier von mehr als 1,6 Joule pro Kubikzentimeter«, so Estancovich.
Corscience Kondensator von TDK - die Spezifikationen | |
Abmessungen (Durchmesse x Höhe) | 35 x 115 mm |
Nenn-Spannung | 2000V |
Nenn-Kapazität | 90 µF |
Leckstrom (erlaubter Grenzwert: 3 mA) | < 1 mA |
Energie-Inhalt (½∙CU²) | 180 J |
Die zweite Herausforderung betraf die Schutzbeschichtung: Weniger Harz zu verwenden, ohne den Schutz vor Feuchtigkeit zu verringern. »Wenn wir die Harzmenge reduzieren, müssen wir unbedingt verhindern, dass Feuchtigkeit eindringt – denn das würde den Leckstrom erhöhen«, erklärt Estancovich.
Prüfstand für Langzeitstabilität
Dieser kleine kundenspezifische Konsensator wurde von TDK für den Einsatz im Mini-Defi von Corscience entwickelt.
Die Muster der zweiten Generation übertrafen die Vergleichsprodukte anderer Hersteller deutlich. Die Zusammenarbeit ging über die reine Produktentwicklung hinaus: Corscience unterstützte TDK dabei, einen speziellen Prüfstand für zukünftige Hochspannungskondensatoren aufzubauen, um Bauelemente realitätsnah zu testen und ihre Langzeitstabilität zu validieren.
»Durch die Kombination des Kondensator-Know-hows von TDK mit unserem Wissen über Defibrillation konnten wir den passenden Kondensator für miniaturisierte AEDs entwickeln«, fasst Maciej Postek, Projektleiter bei Corscience, zusammen. Der maßgeschneiderte Folienkondensator vereint hohe Energiedichte mit niedrigem Leckstrom in kompakten Abmessungen. (uh)
