Wie man die Auswahl der richtigen Komponenten zum Schutz von medizinischen Geräten, Anwendern und Patienten trifft
Medizinisches Tutorial
Medizinische Geräte müssen gegen verschiedene Arten von elektrischen Problemen geschützt werden, die die Geräte selbst, das Krankenhauspersonal und die Patienten schädigen können.
18. August 2021 @ epdtonthenet.net
Der Einsatz von diagnostischen und lebenserhaltenden medizinischen Geräten ohne Laborkontakt, wie z.B. Beatmungsgeräte, Defibrillatoren, Ultraschallscanner und EKG-Geräte, nimmt weiter zu. Gründe dafür sind die alternde Bevölkerung, die gestiegenen Erwartungen der Patienten an die Pflege und die Verbesserungen in der medizinischen Elektronik, die solche Systeme praktischer machen. Hier wird erklärt, daß solche Geräte gegen verschiedene Arten von elektrischen Problemen geschützt werden müssen, die den Geräten selbst, dem Krankenhauspersonal und den Patienten schaden können…
Für den vollständigen Schutz eines Stromkreises braucht man jedoch viel mehr als nur eine Thermosicherung, und bei der Implementierung des Schutzes geht es nicht nur darum, das beste Gerät für eine bestimmte Konstruktion und Anwendung zu finden. Stattdessen muß man zunächst verstehen, welche Schaltungen geschützt werden müssen, und dann dafür die beste Schutzart bestimmen. Im Allgemeinen sind mehrere passive Komponenten erforderlich, um den Schutz zu gewährleisten, und typische Systeme können ein Dutzend oder mehr dieser speziellen Schutzvorrichtungen benötigen. Schutzvorrichtungen sind wie eine Versicherung: auch wenn diese nur selten oder am besten sogar nie benötigt werden, übersteigen die Kosten – wenn sie nicht vorhanden sind – bei Weitem die Kosten, wenn sie vorhanden sind.
Dieser Artikel befaßt sich mit der Frage, wo in solchen medizinischen Systemen Schutz benötigt wird, einschließlich der dem Patienten zugewandten Signal-/Sensor-E/A, Stromversorgung, Kommunikationsanschlüsse, Verarbeitungskern und Benutzerschnittstellen. Außerdem werden die verschiedenen Arten von Schaltkreis- und Systemschutzkomponenten am Beispiel von Geräten von Littelfuse erörtert und die Rolle und Anwendung der einzelnen Komponenten untersucht.
Die Rolle des Schutzes in medizinischen Systemen
Die meisten Ingenieure denken bei dem Begriff “Stromkreisschutz” sofort an die klassische Thermosicherung, die seit mehr als 150 Jahren im Einsatz ist. Ihre moderne Ausprägung ist weitgehend auf die Arbeit von Edward V. Sundt zurückzuführen, der 1927 die erste kleine, schnell wirkende Schutzsicherung patentierte, die verhindern sollte, daß empfindliche Prüfgeräte durchbrennen. Anschließend gründete er das Unternehmen, aus dem schließlich die Firma Littelfuse hervorging.
Seitdem haben sich die Möglichkeiten zum Schutz von Stromkreisen in Anbetracht der vielen möglichen Ausfallarten von Stromkreisen erheblich erweitert. Dies können sein:
– Interne Ausfälle, die zu einer Kaskade von Schäden an anderen Komponenten führen können
– Interne Ausfälle, die den Bediener oder Patienten gefährden können
– Interne Betriebsstörungen (Spannung/Strom/Thermik), die andere Komponenten belasten und zu deren vorzeitigem Ausfall führen können
– Spannungs-/Stromtransienten und -spitzen, die ein inhärenter und unvermeidlicher Teil der Funktionsweise des Schaltkreises sind und sorgfältig gehandhabt werden müssen.
Viele dieser Probleme gelten für batteriebetriebene Geräte, nicht nur für solche, die mit Wechselstrom betrieben werden.
Die Funktion vieler, aber nicht aller Schutzvorrichtungen besteht darin, unzulässig große Spannungstransienten zu unterdrücken. Es gibt zwei Hauptkategorien von Unterdrückern für Spannungsspitzen: solche, die Spannungsspitzen abschwächen und so ihre Ausbreitung in den empfindlichen Stromkreis verhindern, und solche, die Spannungsspitzen von empfindlichen Lasten ableiten und so die verbleibende Spannung begrenzen. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Datenblätter der Geräte sorgfältig auf thermische und leistungsmindernde Kurven hin zu studieren, da einige von ihnen für den Schutz von Transienten unterschiedlicher Dauer spezifiziert sind, die durch bestimmte Spannungs-, Strom- und Zeiten begrenzt sind, und nicht für den Schutz im stationären Zustand.
Zu den vielen elektrischen Parametern, die berücksichtigt werden müssen, gehören die Klemmenspannung, der maximale Strom, die Durchbruchsspannung, die maximale Rückwärts-Arbeitsspannung oder die Rückwärts-Abschaltspannung, der Spitzenimpulsstrom, der dynamische Widerstand und die Kapazität. Es ist auch wichtig zu verstehen, unter welchen Bedingungen jeder dieser Parameter definiert und spezifiziert ist. Die Größe des Geräts und die Anzahl der zu schützenden Kanäle oder Leitungen sind ebenfalls von Bedeutung.
Die Wahl des besten Schutzgeräts für einen bestimmten Teil eines Schaltkreises hängt von diesen Faktoren ab, und oft gibt es unvermeidliche Kompromisse zwischen den verschiedenen Parametern. Mit Sicherheit gibt es bevorzugte oder “Standard”-Ansätze, aber es gibt auch Entscheidungen, die beurteilt, bewertet und getroffen werden müssen.
Es gibt viele Optionen für den Schutz von Stromkreisen: Wählen Sie weise
Es gibt eine Vielzahl von Schutzoptionen. Jede hat eine einzigartige Funktionalität und eine Reihe von Merkmalen, die sie zur geeigneten – oder einzigen – Wahl für die Umsetzung des Schutzes gegen bestimmte Fehlerklassen oder unvermeidbare Schaltungsmerkmale machen.
Die wichtigsten Schutzoptionen sind:
– Die traditionelle Thermosicherung
– Polymere Geräte mit Positivem Temperatur-Koeffizienten (PPTC)
– Metall-Oxid-Varistoren (MOVs)
– Mehrschichtige Varistoren (MLVs)
– Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS-Dioden)
– Dioden-Arrays
– Halbleiterrelais (SSRs)
– Temperatur-Indikatoren
– Gasentladungsröhren (GDTs)
Die thermische Sicherung ist vom Konzept her einfach. Sie verwendet ein leitendes Schmelzlot, das aus sorgfältig ausgewählten Metallen mit präzisen Abmessungen hergestellt wird. Fließt der Strom über die Auslegungsgrenze hinaus, erhitzt sich das Schmelzlot und schmilzt, wodurch der Strompfad dauerhaft unterbrochen wird. Bei Standardsicherungen liegt die Zeit bis zur Unterbrechung des Stromkreises in der Größenordnung von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden, je nach Höhe des Überstroms im Vergleich zum Nennwert. In vielen Konstruktionen stellt sie eine letzte Schutzmaßnahme dar, da sie entscheidend und unwiderruflich wirkt.
Es gibt Sicherungen für Stromstärken von unter einem Ampere bis zu Hunderten von Ampere oder mehr, und sie können so ausgelegt sein, dass sie Hunderten oder Tausenden von Spannungen zwischen ihren beiden Anschlüssen während eines fehlerbedingten offenen Stromkreises standhalten.
Eine typische Sicherung ist die Littelfuse 0215.250TXP, eine 250 Milliampere (mA), 250 Volt Wechselstrom (VAC) Sicherung in einem 5 x 20 Millimeter (mm) Keramikgehäuse (Abbildung 1). Wie bei den meisten Sicherungen handelt es sich um ein zylindrisches oder patronenförmiges Gehäuse, das nicht in den Stromkreis gelötet wird, sondern in einen Sicherungshalter eingesetzt wird, um den Austausch zu erleichtern. Es gibt auch rechteckige Sicherungen und solche, die gelötet werden können; dabei ist zu beachten, dass das Lötprofil sorgfältig eingehalten werden muss, um das Sicherungselement nicht zu beschädigen.
Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit gibt es viele Varianten, Feinheiten und andere Faktoren, die bei der Auswahl der richtigen Sicherung für einen Stromkreis berücksichtigt werden müssen.
Schmelzsicherungen werden üblicherweise in Wechselstrom-Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen eingesetzt, wo ein vollständiger Kurzschluss auftreten kann, oder intern, wo ein Überstrom ein ernsthaftes Problem darstellt, so dass der Stromfluss vollständig unterbrochen und die Ursache des Problems ermittelt und behoben werden muss, bevor der Betrieb wieder aufgenommen werden kann.
PPTC-Geräte dienen zwei Hauptanwendungsarten: Sicherheitsregelung, z.B. für einen USB-Anschluß, eine Stromversorgung, eine Batterie oder eine Motorsteuerung, und Risikovermeidung für einen E/A-Anschluß.
Bei abnormalen Bedingungen wie Überstrom, Überlast oder Übertemperatur steigt der PPTC-Widerstand drastisch an, wodurch der Strom in der Stromversorgung begrenzt wird, um die Schaltungskomponenten zu schützen.
Sobald ein PPTC-Bauteil in einen hochohmigen Zustand übergeht, fließt weiterhin eine geringe Strommenge durch das Bauteil. PPTC-Geräte benötigen einen Heiz-“Leckstrom” mit geringem Joule-Wert oder eine externe Wärmequelle, um ihren Auslösezustand aufrechtzuerhalten. Nachdem der Fehlerzustand beseitigt und die Stromversorgung wiederhergestellt ist, wird diese Wärmequelle ausgeschaltet. Das Gerät kann dann in einen niederohmigen Zustand zurückkehren, und der Stromkreis ist wieder in einem normalen Betriebszustand. Obwohl PPTC-Bauteile manchmal als “rücksetzbare Sicherungen” bezeichnet werden, handelt es sich in Wirklichkeit nicht um Sicherungen, sondern um nichtlineare Thermistoren, die den Strom begrenzen. Da alle PPTC-Bauteile im Fehlerfall in einen hochohmigen Zustand übergehen, kann der Normalbetrieb immer noch dazu führen, dass in Teilen des Stromkreises gefährliche Spannungen vorhanden sind.
Ein gutes Beispiel für einen PPTC ist die Littelfuse 2016L100/33DR, ein oberflächenmontierbarer 33-Volt, 1,1-A-PPTC-Baustein für Niederspannungsanwendungen (≤60 Volt), bei denen ein rücksetzbarer Schutz erforderlich ist (Abbildung 2). Er hat eine Grundfläche von 4 x 5 mm und löst in weniger als 0,5 Sekunden (s) bei einem Überstrom von 8 A aus.
Die meisten Schutzvorrichtungen haben die Aufgabe, unzulässig große Spannungstransienten zu unterdrücken, und es gibt zwei Hauptkategorien von Transientenunterdrückern:
solche, die Transienten abschwächen und so ihre Ausbreitung in den empfindlichen Stromkreis verhindern, und solche, die Transienten von empfindlichen Lasten ableiten und so die verbleibende Spannung begrenzen.
Abbildung 1. Die Littelfuse 0215.250TXP ist eine 250-mA-, 250-VAC-Sicherung in einem Keramikkörper mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 20 mm. (Bildquelle: Littelfuse)
Abbildung 2. Der 33-Volt, 1,1-A-PPTC-Baustein 2016L100/33DR kann in Niederspannungs-Anwendungen eingesetzt werden, in denen ein rücksetzbarer Schutz erforderlich ist; er reagiert in weniger als 0,5 Sekunden bei einem Überstrom von 8 A. (Bildquelle: Littelfuse)
Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit gibt es viele Varianten, Feinheiten und andere Faktoren, die bei der Auswahl der richtigen Sicherung für einen Stromkreis berücksichtigt werden müssen.
In einem typischen Beatmungsgerät könnte die 2016L100/33DR verwendet werden, um den MOSFET des Batteriemanagementsystems vor hohen Strömen aufgrund externer Kurzschlüsse zu schützen oder einen Überstromschutz für USB-Chipsätze zu bieten (Abbildung 3).
Abbildung 3. In diesem Blockdiagramm des Beatmungsgeräts können PPTC-Bauteile im Batteriemanagementsystem sowie in den USB-Anschlussbereichen (Bereiche 2 und 5) verwendet werden. (Bildquelle: Littelfuse)
MOVs sind spannungsabhängige, nichtlineare Bauelemente, die ein ähnliches elektrisches Verhalten wie Back-to-Back-Zenerdioden aufweisen. Dank ihrer symmetrischen und scharfen Durchbruchscharakteristik bieten sie eine hervorragende Leistung bei der Unterdrückung von Transienten.
Wenn eine Hochspannungstransiente auftritt, sinkt die Varistorimpedanz um viele Größenordnungen von einem nahezu offenen Stromkreis auf ein hochleitendes Niveau, wodurch die Transientenspannung innerhalb weniger Millisekunden auf ein sicheres Niveau begrenzt wird (Abbildung 4).
Abbildung 4. Die Spannungs-Strom-Kurve (V-I) des MOV zeigt den normalen Bereich mit hohem Widerstand sowie den Bereich mit sehr niedriger Impedanz, der auftritt, wenn die Spannung über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt. (Bildquelle: Littelfuse)
Infolge dieser Klemmwirkung wird die potenziell zerstörerische Energie des transienten Impulses vom Varistor absorbiert (Abbildung 5).
Abbildung 5. Der abrupte Wechsel des MOV von hoher Impedanz zu niedriger Impedanz beim Auftreten einer transienten Spannung begrenzt diese Spannung auf ein akzeptables Niveau. (Bildquelle: Littelfuse)
MOVs werden in einer Vielzahl von Gehäusen angeboten, z B. mit 390 Volt, 1,75 Kiloamper (kA) V07E250PL2T, das eine kleine Scheibe mit Durchgangslöchern ist und einen Durchmesser von nur 7 mm hat (Abbildung 6).
Abbildung 6. Das V07E250PL2T ist eine durchkontaktierte 7-mm-Scheibe, die für den Betrieb bis 390 Volt ausgelegt ist und Transienten bis zu 1.750 A bewältigen kann. (Bildquelle: Littelfuse)
Sie werden häufig in einer Wechselstrom-Eingangsleitung eingesetzt, um Schäden durch Netzspannungstransienten zu verhindern (Bereich 1 in Abbildung 3). Beachten Sie, dass MOVs parallel geschaltet werden können, um den Spitzenstrom und die Energieaufnahmefähigkeit zu verbessern, sowie in Reihe geschaltet werden können, um höhere Spannungswerte als die normalerweise verfügbaren oder Werte zwischen den Standardangeboten zu erzielen.
Beleihungsauslöser sind den MOVs ähnlich und erfüllen dieselbe Grundfunktion, haben aber einen anderen inneren Aufbau und daher etwas andere Eigenschaften. Beleuchtungsvibratoren werden durch Nassstapeldrucken von Schichten aus Zink-Oxid (ZnO) und inneren Metallelektroden, Sintern, Endbearbeitung, Verglasung und abschließendes Beschichten hergestellt. Im Allgemeinen haben kleinere MLV-Bauteile bei gleicher MOV-Spannung eine höhere Klemmspannung bei höheren Strömen, während größere Bauteile eine höhere Energiekapazität haben.
Der Beleuchtungsautomat V12MLA0805LNH wurde beispielsweise mit mehreren Impulsen bei seinem Spitzenstrom (3 A, 8/20 Mikrosekunden (μs)) getestet. Am Ende des Tests – 10.000 Impulse später – liegen die Spannungseigenschaften des Geräts immer noch deutlich innerhalb der Spezifikation (Abbildung 7).
Abbildung 7. Beleihungsauslöser wie der V12MLA0805LNH können wiederholten transienten Impulsen widerstehen, ohne dass sich die Leistung verschlechtert. (Bildquelle: Littelfuse)
Dieses Gerät sollte für den Transientenschutz der Stromversorgung des Beatmungsgeräts und des USB-Anschlusses in Betracht gezogen werden (Bereiche 1 und 5 in Abbildung 3).
TVS-Dioden schützen auch empfindliche Elektronik vor Hochspannungstransienten und können schneller auf Überspannungsereignisse reagieren als die meisten anderen Arten von Stromkreisschutzgeräten. Sie begrenzen die Spannung auf einen bestimmten Wert, indem sie einen p-n-Übergang verwenden, der eine größere Querschnittsfläche als eine normale Diode hat, so dass die TVS-Diode große Ströme zur Erde leiten kann, ohne Schaden zu nehmen.
Die Reaktionszeit von TVS-Dioden liegt in der Größenordnung von Nanosekunden, was für den Schutz relativ empfindlicher E/A-Schnittstellen in medizinischen Geräten vor elektrischen Überlastungen wie Blitzeinschlägen oder elektrostatischen Entladungen von Vorteil ist.
TVS-Dioden werden im Allgemeinen zum Schutz vor elektrischen Überlastungen eingesetzt, wie sie durch Blitzeinschläge, induktive Lastschaltungen und Elektro-Statische Entladungen (ESD) in Verbindung mit Übertragungs- oder Datenleitungen und elektronischen Schaltkreisen verursacht werden. Ihre Reaktionszeit liegt in der Größenordnung von Nanosekunden, was für den Schutz relativ empfindlicher E/A-Schnittstellen in medizinischen Produkten, Telekommunikations- und Industrieanlagen, Computern und Unterhaltungselektronik von Vorteil ist.
Sie haben eine definierte Klemmbeziehung zwischen der transienten Spannung und der Spannung über und dem Strom durch den TVS, wobei die Einzelheiten durch das betrachtete TVS-Modell definiert sind (Abbildung 8).
Abbildung 8. Dargestellt ist die allgemeine Beziehung für einen TVS zwischen Spannungs-transienten, Spannung über dem TVS und Strom durch den TVS, wobei die spezifischen Werte durch das ausgewählte TVS-Diodenmodell bestimmt werden. (Bildquelle: Littelfuse)
Die SMCJ33A ist eine unidirektionale TVS-Diode mit einer Klemmspannung von 53 Volt und einem Spitzenstrom von 28 A in einem 5,6 x 6,6 mm großen SMT-Gehäuse; eine bidirektionale Version (Suffix B) ist ebenfalls erhältlich, wenn sowohl positive als auch negative Transienten zu erwarten sind. In einer repräsentativen Anwendung, z. B. einem tragbaren Ultraschallgerät mit einem Hochspannungsimpulsgenerator zur Ansteuerung der piezoelektrischen Wandler, könnten TVS-Dioden zum Schutz der USB-Anschlüsse sowie der LCD/LED-Benutzer-Schnittstellenanzeige (Bereiche 2 und 3 in Abbildung 9) eingesetzt werden.
Abbildung 9. In diesem Blockdiagramm eines tragbaren Ultraschallscanners kann eine TVS-Diode wie die SMCJ33A mit einer Klemmspannung von 53 Volt zum Schutz vor Transienten an den USB-Anschlüssen sowie an der LCD/LED-Anzeige (Bereiche 2 und 3) verwendet werden. (Bildquelle: Littelfuse)
Diodenarrays verwenden Steuerdioden, die um eine große TVS-Diode (z.B. eine Zener-Diode) herum angeordnet sind, um die Kapazität der E/A-Leitungen zu verringern. Diese Bauelemente haben eine niedrige Ausschaltkapazität von 0,3 bis 5 picoFarad (pF) und eignen sich für ESD-Pegel von ±18 Kilovolt (kV) bis ±30 kV. Zu den Anwendungen gehören der Schutz von USB 2.0-, USB 3.0-, HDMI-, eSATA- und Display-Port-Schnittstellen, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Beachten Sie, dass das ähnlich benannte TVS-Dioden-Array die gleiche Grund- funktionalität bietet, aber eine höhere Kapazität aufweist und daher besser für Schnittstellen mit niedrigeren Geschwindigkeiten geeignet ist.
Die SP3019-04HTG ist ein Beispiel für ein solches Dioden-Array (Abbildung 10).
Abbildung 10. Ein Dioden-Array, wie das SP3019-04HTG , bietet ESD-Schutz für mehrere Hochgeschwindigkeits-E/A-Leitungen. (Bildquelle: Littelfuse)
Sie integriert vier Kanäle mit extrem niedriger Kapazität (0,3 pF) und asymmetrischem ESD-Schutz in einem sechspoligen SOT23-Gehäuse und zeichnet sich außerdem durch einen extrem niedrigen typischen Ableitstrom von 10 Nanoamperes (nA) bei 5 Volt aus. Wie bei der TVS-Diode sind typische Anwendungen der Schutz von USB-Ports sowie der LCD/LED-Benutzerschnittstellen-Display (auch hier die Bereiche 2 und 3 in Abbildung 9).
SSRs, auch Optoisolatoren genannt, ermöglichen das Schalten und Steuern einer unabhängigen, nicht verwandten Spannung mit nahezu perfekter galvanischer Isolierung (kein ohmscher Pfad) zwischen Eingang und Ausgang. Sie erfüllen mehrere wichtige Ziele. Zum einen dienen sie der Funktion: Sie können Masseschleifen zwischen getrennten Teilschaltungen beseitigen oder es den High-Side-Treibern einer Halb- oder H-Brücken-MOSFET-Konfiguration ermöglichen, von der Masse zu schweben". Ein weiterer Zweck ist sicherheitsrelevant und besonders wichtig für medizinische Geräte, bei denen ihre Isolierung eine unüberwindbare Barriere darstellt.
Diese Abschirmung wird dort benötigt, wo hohe interne Spannungen auftreten und der Benutzer oder Patient mit Messleitungen, Knöpfen, Sonden und Gehäusen in Kontakt kommt.
Der CPC1017NTR ist ein einfacher einpoliger, normalerweise offener (1-Form-A) SSR. Er ist in einem winzigen 4mm²-Gehäuse mit vier Anschlüssen untergebracht und bietet eine Isolierung von 1.500 Volt Root Mean Square (VRMS) zwischen Eingang und Ausgang. Er ist extrem effizient und benötigt für den Betrieb nur 1 mA LED-Strom, kann 100 mA/60 Volt schalten und bietet lichtbogenfreies Schalten ohne externe Dämpfungsschaltungen. Außerdem erzeugt er keine EMI/RFI und ist immun gegen externe elektromagnetische Felder – Eigenschaften, die in einigen medizinischen Instrumenten und Systemen erforderlich sind. In einer Anwendung wie einem Defibrillator können die Konstrukteure damit die Niederspannungsschaltungen von den Hochspannungen der Brücke, die die Schütze des Geräts versorgt, elektrisch trennen (Abbildung 11).
Abbildung 11. In einem Defibrillator ermöglicht der SSR die Ansteuerung der Hochspannungs- Schütze durch die Niederspannungselektronik, während die “schwebenden” oberen Treiber der H-Brückenanordnung von der Systemmasse isoliert bleiben (Bereich 5). (Bildquelle: Littelfuse)
Temperaturanzeigen sind spezielle Versionen von Temperatursensoren wie Thermistoren. Obwohl es naheliegend erscheint, dass potenziell heiße Bereiche wie Netzteile oder höhere Spannungsquellen auf übermäßige Erwärmung überwacht werden müssen, kann auch ein E/A-Anschluss wie USB-Typ C einen beträchtlichen Strom verarbeiten und dadurch überhitzen. Dies kann auf einen internen Fehler oder sogar auf eine fehlerhafte Last oder ein kurzgeschlossenes Kabel zurückzuführen sein, das an den Anschluss angeschlossen ist.
Um dieses potenzielle Problem in den Griff zu bekommen, hilft ein Gerät wie der SETP0805-100-SE setP Positive Temperature Coefficient (PTC) Temperaturindikator, USB-Typ-C-Stecker vor Überhitzung zu schützen. Er wurde entwickelt, um die einzigartigen Spezifikationen dieses USB-Standards zu berücksichtigen und ist in der Lage, selbst die höchsten Stufen der USB-Typ-C-Stromübertragung zu schützen. Er ist in einem 0805-Gehäuse (2,0 x 1,2 mm) erhältlich und schützt Systeme, die 100 Watt oder mehr verbrauchen, und bietet eine empfindliche und zuverlässige Temperaturanzeige, während sein Widerstand von nominal 12 Ohm (Ω) bei 25 °C auf 35 Kilo-Ohm (kΩ) bei 100 °C (typische Werte) ansteigt.
GDTs mögen in den Köpfen der Ingenieure Bilder von großen, sperrigen Röhren mit sichtbaren Funken hervorrufen, aber in Wirklichkeit sind sie ganz anders.
Diese Röhren werden zwischen einer zu schützenden Leitung oder einem Leiter – in der Regel eine Wechselstromleitung oder ein anderer “freiliegender” Leiter – und der Systemerdung platziert, um einen nahezu idealen Mechanismus zur Ableitung höherer Überspannungen zur Erde zu schaffen.
Es gibt kein einzelnes elektrisches Schutzgerät, das den vielfältigen Systemanforderungen gerecht wird, sodaß die Konstrukteure letztendlich mehrere Schutzkonzepte verwenden.
Unter normalen Betriebsbedingungen wirkt das Gas im Inneren des Geräts wie ein Isolator und der GDT leitet keinen Strom. Wenn eine Überspannung (die so genannte Überschlags-spannung) auftritt, bricht das Gas im Inneren der Röhre zusammen und leitet Strom.
Wenn die Überspannung die Parameter der Überschlagsspannung überschreitet, schaltet sich der GDT ein und entlädt sich, wodurch die schädliche Energie abgeleitet wird. GDTs sind als zweipolige Bauelemente für ungeerdete Leitungen und als dreipolige Bauelemente für geerdete Leitungen erhältlich, beide in kleinen SMT-Gehäusen, die das Design und die Leiterplatten-montage erleichtern (Abbildung 12).
Abbildung 12. Ein Dioden-Array, wie das SP3019-04HTG , bietet ESD-Schutz für mehrere Hochgeschwindigkeits-E/A-Leitungen. (Bildquelle: Littelfuse)
GDTs sind für Funkenübergangswerte von bis zu 75 Volt erhältlich und können Hunderte und sogar Tausende von Ampere verarbeiten.
Der GTCS23-750M-R01-2 beispielsweise ist ein zweipoliger GDT mit einem Funkenüberschlag von 75 Volt und einem Nennstrom von 1 kA, der in einem SMT-Gehäuse mit einer Länge von 4,5 mm und einem Durchmesser von 3 mm untergebracht ist, so dass er fast überall platziert werden kann, um Schutz zu bieten (Abbildung 13).
Abbildung 13. GDTs müssen nicht wie die großen Funkenstreckenbauteile aus Filmen aussehen; der GTCS23-750M-R01-2 ist ein 75 Volt, 1 kA GDT in einem SMT-Gehäuse, das nur 4,5 mm lang ist und einen Durchmesser von 3 mm hat. (Bildquelle: Littelfuse)
Normen bestimmen das Design
Medizinische Geräte müssen eine Vielzahl von Sicherheitsnormen erfüllen, von denen einige für alle Verbraucher- und Handelsprodukte gelten und einige nur für medizinische Geräte.
Viele dieser Normen sind international gültig. Zu den zahlreichen Normen und behördlichen Auflagen gehören:
IEC 60601-1-2: “Medizinische elektrische Geräte – Teil 1-2: Allgemeine Festlegungen für grundlegende Sicherheit und grundlegende Leistungsmerkmale – Ergänzungsnorm: Elektromagnetische Störungen – Anforderungen und Prüfungen”.
IEC 60601-1-11: “Medizinische elektrische Geräte – Teil 1-11: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit einschließlich der wesentlichen Leistungsmerkmale – Ergänzungsnorm: Anforderungen an medizinische elektrische Geräte und medizinische elektrische Systeme, die in der häuslichen Pflege verwendet werden.”
IEC 62311-2: “Bewertung elektronischer und elektrischer Geräte im Hinblick auf Grenzwerte für die Exposition von Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern (0 Hz bis 300 GHz)”.
IEC 62133-2: “Sekundärzellen und -batterien, die alkalische oder andere nicht-saure Elektrolyte enthalten – Sicherheitsanforderungen an ortsveränderliche verschlossene Lithium-Sekundärzellen und daraus hergestellte Batterien für den Einsatz in tragbaren Anwendungen – Teil 2: Lithium-Systeme”.
Die sorgfältige Auswahl von Schutzvorrichtungen für Stromkreise und deren Verwendung trägt wesentlich dazu bei, diese Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Die Verwendung anerkannter, zugelassener Techniken und Komponenten kann auch den Zulassungsprozeß beschleunigen.
Fazit
Die Anforderungen, wo, warum, was und wie Stromkreisschutzvorrichtungen im Allgemeinen und in medizinischen Geräten im Besonderen eingesetzt werden sollen, sind eine komplizierte Herausforderung für die Konstruktion. Es gibt viele geeignete Schutzkomponenten, einige speziell für eine bestimmte Stromkreisfunktion und andere mit allgemeiner Anwendbarkeit. Jede Komponente bringt eine Reihe von Eigenschaften mit, die sie für die verschiedenen Schaltungen und Systeme, die einen solchen Schutz erfordern, am Besten geeignet machen – oder zumindest besser geeignet sind. Kein einzelnes Bauteil kann die vielfältigen Systemanforderungen erfüllen, sodaß die Konstrukteure letztendlich mehrere Schutzkonzepte verwenden.
In den meisten Fällen sind die vielen Entscheidungen darüber, welche Geräte verwendet werden sollen und wie dies am besten zu bewerkstelligen ist, von Natur aus kompliziert und unterliegen zudem einer behördlichen Überprüfung.
Konstrukteure sollten unbedingt die Hilfe von sachkundigen Anwendungsingenieuren des Schutzgeräteherstellers oder seines Lieferanten (Vertriebshändlers) in Anspruch nehmen. Ihre Erfahrung und ihr Fachwissen können die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen, einen gründlicheren Entwurf gewährleisten und den Weg zur behördlichen Genehmigung erleichtern.