medizin&technik 01.2024

(Grafik: IMT)
Fehler in der Stromversorgung: Die schematische Darstellung zeigt die Fehlerausbreitung mit und ohne Überstrombegrenzung
nicht mehr funktioniert. Der von Consumerprodukten
bekannte und gerne verwendete
Trick, den Einschaltknopf 10 Sekunden
gedrückt zu halten, ist praktisch
und bei einigen Power Management ICs
bereits integriert. In lebenserhaltenden
Medizingeräten kann dies jedoch tödlich
sein. Denn es reicht ein defekter Taster,
Buffer oder IO-Pin, um das ganze System
zurückzusetzen – je nach Implementation
sogar ohne Alarm. Auch Anwendungsfehler
sind zu beachten. Wird das Gerät gegen
eine Wand geschoben, kann der Taster
unbemerkt dauerhaft betätigt werden.
Fällt eine Energiequelle unerwartet
aus, muss das Power Management sehr
schnell umschalten, damit die Systemspannung
nicht zu weit absinkt. Bei suboptimaler
Umsetzung sind große Kondensatoren
erforderlich, um die Pause zu
überbrücken. Kondensatoren im Milli -
farad-Bereich sind jedoch nicht nur teuer,
sondern benötigen auch Platz, der im mechanischen
Design oft nicht eingeplant
ist. Grund dafür: Das Verhalten kann erst
mit dem lauffähigen Prototyp festgestellt
werden. Bis dahin ist das mechanische
Design meist weit fortgeschritten.
Zudem müssen die Kondensatoren
auch wieder geladen werden. Geschieht
dies zu schnell, wird kurzzeitig mehr
Energie verbraucht als im normalen Betrieb.
Die muss ebenfalls berücksichtigt
werden , um nicht eine Überstrombegrenzung
zu triggern. Ein Hot Swap von Akkus,
also ein Akku-Tausch im laufenden
Betrieb, erzeugt große Stromspitzen, die
durch lange Leitungen oder Filterinduktivitäten
ihrerseits große Spannungsspitzen
erzeugen. Ohne Varistor oder gleichwertige
Schutzelemente kann die maximal zulässige
Versorgungsspannung überschritten
werden – mit katastrophalen Folgen.
Zuverlässigkeit und Resilienz -
durchdachtes Design hilft
Doch auch das auf dem Papier ideale Design
ist im Alltag unbrauchbar, wenn die
Schaltung nach nur wenigen Jahren den
Dienst versagt. Bauteile wie Akkus, Superund
Elektrolytkondensatoren haben eine
begrenzte Lebensdauer, die stark von der
Temperatur beeinflusst wird. Zum Beispiel
halbiert sich die Lebensdauer eines
Superkondensators pro 10 °C höherer
Temperatur. Hier hilft ein durchdachtes
thermisches Design, um die kritischen
Bauteile direkt mit der kühlen Umgebungsluft
zu umströmen und nicht die
warme Abluft von einem Prozessor oder
anderen Leistungsbauteilen zu verwenden.
Gerade bei Elektrolytkondensatoren
kommt hinzu, dass diese für die beste
Wirksamkeit möglichst nahe an einer Last
wie einem DC/DC-Wandler platziert werden
sollten. Erwärmt sich der DC/DC-
Wandler im Betrieb, ist dieser über das
PCB thermisch mit dem Kondensator verbunden,
wodurch die Arbeitstemperatur
des Kondensators weit über die Umgebungstemperatur
ansteigen kann.
Auch sollte das Design möglichst resilient
gegenüber Anwenderfehlern sein. So
kann es durchaus vorkommen, dass zum
Beispiel verschmutzte Filtermatten nicht
gereinigt oder einfach entfernt werden.
Dadurch kann sich Staub und Schmutz
auf der Leiterplatte ansammeln, welcher
je nach Umgebung leitfähige Partikel enthält
oder durch zu hohe Luftfeuchtigkeit
leitfähig wird. Eine Beschichtung mit
Lack für die kritischen Stellen kann hier
Abhilfe schaffen.
Die hier aufgezeigten Grundsätze sind
nur ein selektiver Auszug aus den Anforderungen
der IEC 60601-1 und den produktspezifischen
Normen. Je nach Geräteklasse
und Land können weitere Anforderungen
hinzukommen oder wegfallen.
Auf jeden Fall lohnt sich eine ausführliche
Normenrecherche, bevor das Power-Management-Konzept
erstellt wird. ■
Stefan Zoller
IMT Information Management Technology,
Buchs/Schweiz
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www.imt.ch
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