DC/DC-Wandler mit hoher Isolationsspannung
Maximaler Patientenschutz
Werden elektrische Geräte in der Umgebung von Patienten eingesetzt, müssen sie die für medizintechnische Produkte relevante Norm – in Europa die EN 60601 – im Bezug auf Isolation, Ableitstrom und EMV erfüllen. Die hier vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken erschweren den Bau kleiner Trafos mit hoher Isolationsspannung. Eine neue Technik ermöglicht nun bis 10 kV (DC) isolierte »Re-inforced«-Wandler im Standard-DIP24-Gehäuse.
Als »Patientenumgebung« wird im Allgemeinen der Bereich definiert, in dem Patienten elektrische Ausrüstungen berühren können oder im Rahmen von Untersuchungen zwangsläufig mit ihnen in Kontakt gebracht werden.
Um elektrische Schocks zu vermeiden, werden hohe Anforderungen an die galvanische Trennung zwischen Netzversorgung, offen zugänglichen Gehäuseteilen und Diagnosewerkzeugen gestellt.
Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Sicherheitsbarrieren: eine »primäre« im Netzteil des Gerätes, welches das Geräteinnere von der Versorgungsseite abkoppelt, und eine »sekundäre«, über die Messsonden oder Elektroden versorgt werden.
Bild 1 zeigt den Isolationsaufbau für ein netzbetriebenes, für den Einsatz am Patienten konzipiertes Diagnosegerät, in diesem Fall ein EKG.
Zur Isolation der Saugelektroden und zur Einhaltung der Grenzwerte für den Ableitstrom – insbesondere im Fall eines Defektes – kommen DC/DC-Wandler zum Einsatz, die mit so genannter »Re-inforced«-Isolation ausgestattet sind.
»Re-inforced«-Isolation ist vorgeschrieben
Bei der Isolation von DC/DC-Wandlern, die für medizinische Applikationen zugelassen sind, ist nicht nur die Höhe der Isolationsspannung entscheidend, sondern insbesondere die »Qualität« der Isolation.
Für viele industrielle Anwendungen genügt die »funktionale« Isolation, dabei werden die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators Platz sparend übereinander gewickelt. Die Wicklungen sind durch eine doppelte Lackschicht voneinander isoliert.
Da sich die beiden Magnetfelder optimal überlagern, wird in dieser Technik der beste Wirkungsgrad erzielt. Solange sie in einwandfreiem Zustand sind, halten die beiden nur wenige Mikrometer starken Lackschichten spielend Prüfspannungen bis 2 kV Gleichspannung stand.
Werden die beiden Lackschichten allerdings durch Produktionsfehler oder Alterung beschädigt, reduziert sich die Isolationsspannung oder führt zum Defekt. Auf medizinische Applikationen übertragen ist dies gleichbedeutend mit einem elektrischen Schock für Patienten oder Personal.
UL (Underwriters Laboraties) schreibt deshalb für Produkte der Medizinelektronik zwingend die »Re-inforced«-Isolation vor. Diese qualitativ höchste Isolationsstufe stellt sicher, dass zumindest für den ersten Fehlerfall genügend Sicherheitsreserven vorhanden sind.
Da die offizielle Beschreibung etwas schwammig formuliert ist, soll hier darauf verzichtet werden. Klar definiert sind hingegen die Vorgaben für Luft- und Kriechstrecken in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Genügt für einen einfach isolierten DC/DC-Wandler mit einem 4:1-Eingang von 18 V bis 72 V eine Luftstrecke von 0,7 mm, so muss diese für die re-inforced-isolierte Version mit 2,4 mm schon mehr als dreimal so lang sein.
Gleiches gilt für die Kriechstrecken-Anforderungen, die mit 1,3 mm beziehungsweise 4,6 mm nochmals fast um den Faktor 2 höher sind als die für Luftstrecken (Tabelle 1).
| Isolationsklasse | Eingangsspannung |
15 VDC 12 VAC |
36 VDC 30 VAC |
75 VDC 60 VAC |
150 VDC 125 VAC |
300 VDC 250 VAC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Basic |
Luftstrecke Kriechstrecke |
0.4mm 0.8mm |
0.5mm 1.0mm |
0.7mm 1.3mm |
1.0mm 2.0mm |
1.6mm 3.0mm |
| Supplementary |
Luftstrecke Kriechstrecke |
0.8mm 1.7mm |
1.0mm 2.0mm |
1.2mm 2.3mm |
1.6mm 3.0mm |
2.5mm 4.0mm |
| Reinforced |
Luftstrecke Kirechstrecke |
1.6mm 3.4mm |
2.0mm 4.0mm |
2.4mm 4.6mm |
3.2mm 6.0mm |
5.0mm 8.0mm |
Tabelle 1: Von UL festgelegte Luft- und Kriechstrecken in Abhängigkeit von der Eingangsspannung – die Werte für »Reinforced«-Isolation sind dabei rund dreimal so hoch wie für die für einfache »Basic«-Isolation.
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