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Netzteile für Medizingeräte

Darum lohnt sich die externe Variante

20. Januar 2021, 10:30 Uhr   |  CUI

Darum lohnt sich die externe Variante
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Beispiele für Wandstecker- und Tisch-/Desktop-Netzteile

Für viele Anwendungen ist ein externe Netzgerät die bessere Lösung

Fast alle medizintechnischen Elektronikgeräte benötigen eine Stromquelle, und viele von ihnen verwenden herkömmlichen Wechselstrom (AC) aus dem Netz. Sobald feststeht, dass die Stromversorgung über die Steckdose erfolgt, muss der Entwickler entscheiden, ob das Produkt mit einem internen oder externen Netzteil ausgestattet werden soll. Für viele dieser Anwendungen ist ein externes Netzteil die bessere Lösung. Zu deren Vorteilen zählen die Kosten, Größe, Benutzerfreundlichkeit, der Entwicklungszeitplan und die Lieferkettenlogistik.

Interne und externe Netzteile

Interne Netzteile für medizintechnische Geräte sind innerhalb des Produktgehäuses montiert und physisch vom Nutzer isoliert. Die meisten internen Netzteile verfügen über Anschlüsse, Steckverbinder, Lötpads oder ähnliche Methoden, um die elektrischen Ein- und Ausgänge bereitzustellen. Nur wenige interne Netzteile enthalten integrierte Eingangs- oder Ausgangsverkabelungen.

Externe Wandstecker- und Tisch-/Desktop-Netzteile haben häufig ein Gehäuse aus Kunststoff, um die internen Schaltkreise zu schützen, und eine Isolierung, um den Nutzer vor gefährlichen Spannungen zu schützen. Elektrische Verbindungen zu externen Netzteilen umfassen die AC-Eingangsspannung und die DC-Ausgangsspannung. Der AC-Eingangsanschluss enthält einen Netzstecker, und der DC-Ausgang umfasst häufig ein Kabel, das nicht abgeschlossen ist, oder der Kunde verlangt nach einem DC-Ausgangstecker am Ende des DC-Kabels. 

Wandstecker- und Tisch-/Desktop-Netzteile

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Tisch- und einem Wandstecker-Netzteil für medizinische Anwendungen besteht darin, dass bei einem Steckernetzteil der AC-Eingangsstecker mechanisch mit dem Gehäuse des Netzteils verbunden ist, während bei einem Tischnetzteil ein Netzkabel zwischen dem AC-Eingang und dem Netzteilgehäuse angebracht ist. Netzteile mit Wandstecker haben aufgrund ihrer Größen- und Gewichtsbeschränkungen meist eine Ausgangsleistung von 3 bis 45 W, während Tischnetzteile mit einer Ausgangsleistung von 10 bis 300 W erhältlich sind.

Internationale AC-Steckerstandards berücksichtigen
 

Beispiele für internationale Standards von AC-Netzsteckern
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Beispiele für internationale Standards von AC-Netzsteckern

Bei vielen Tischnetzteilen lässt sich das Netzkabel vom Netzteil abziehen. Diese Funktion ist für Hersteller praktisch, die ihre Geräte an internationalen Standorten mit unterschiedlichen Netzsteckern verkaufen.  AC-Netzkabel können mit Standardsteckern für das Netzteil und verschiedenen AC-Steckern erworben werden, die für den Netzstecker in der jeweiligen Region geeignet sind. 

Da sich bei einem Steckernetzteil die AC-Steckkontakte direkt am Gehäuse befinden, gibt es zwei Möglichkeiten, um unterschiedliche internationale Netzsteckerstandards abzudecken. So können für jeden Standard spezielle Produkte bereitgestellt werden, die fest verbaute Kontakte aufweisen. Sind feste Kontakte nicht gewünscht, sind Ausführungen mit austauschbaren AC-Steckern erhältlich. Dabei ist ein proprietärer mechanischer und elektrischer Stecker in das Gehäuse des Netzteils integriert und es werden zusätzliche Stecker bereitgestellt, um die erforderlichen Wechselstromkontakte internationaler Standards zu bedienen.

Potentialfreie und massebezogene Ausgangsspannung

Tischnetzteile sind häufig mit zwei- oder dreiadrigen AC-Eingangskabeln erhältlich. Auch wenn dies nicht sofort offensichtlich ist, wirkt sich die Zahl der AC-Eingangsleiter auf die Konfiguration des DC-Ausgangs aus. Bei zweiadrigen AC-Wandstecker- und Tischnetzteilen speisen die Masseverbindung ein, dadurch ist keiner der Leiter im Netzteil mit der Schutzerde des AC-Eingangs verbunden. Der DC-Ausgang, der nicht mit der Sicherheitserdung des Wechselstromeingangs verbunden ist, wird daher als »potentialfrei« (floating) bezeichnet. Die meisten Wandstecker-Netzteile weisen nur zwei AC-Eingangsleiter auf, womit sich das Netzteil in zwei Ausrichtungen in die Steckdose stecken lässt.

Tischnetzteile mit dreiadrigen AC-Eingangskabeln bringen die AC-Sicherheitserdung mit in das Netzteil. Bei den meisten dieser Designs ist der negative DC-Ausgang des Netzteils mit der Sicherheitserdung des AC-Eingangs verbunden. Entwickler bezeichnen die Ausgangsspannung in diesem Fall als »massebezogen«. Zu beachten ist, dass sowohl bei potentialfreien als auch massebezogenen DC-Ausgängen die DC-Ausgangsspannung von der AC-Eingangsspannung isoliert ist.

DC-Ausgangskabel 

Die meisten für medizinische Anwendungen verwendeten Wandstecker- und Tischnetzteile sind mit integrierten DC-Ausgangskabeln ausgestattet. Die Größe dieser Leiter und die Länge des Kabels sind oft indirekt gesetzlich vorgeschrieben. In den meisten Weltmärkten erfordern diese Spezifikationen einen Mindestwirkungsgrad für die Leistungswandlung. Die Messung des Wirkungsgrads zur Charakterisierung des Netzteils muss Verluste im DC-Ausgangskabel mit einschließen. Sowohl dünnere als auch längere Kabel tragen zu größeren Verlusten bei. Daher sind DC-Ausgangskabel häufig kürzer und dicker als es Kunden zumeist bevorzugen.

DC-Ausgangsanschlüsse
 

Einteilung von USB-Anschlüssen
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Einteilung von USB-Anschlüssen

Bei medizintechnischen Produkten mit externem Netzteil muss dieses  elektrisch mit dem Produkt verbunden sein. Der gebräuchlichste DC-Stecker ist der Hohl- und Klinkenstecker. Diese Konfiguration ist beliebt, da keine Ausrichtung zum Einstecken in die Buchse erforderlich ist und sich lose mechanische Toleranzen ausgleichen lassen. Es gibt viele »einigermaßen standardisierte« Größen dieser Stecker, und daher sollten Entwickler sicherstellen, dass die mechanischen Abmessungen klar verständlich sind. Aufgrund der mechanischen Standardisierung der Stecker werden USB-Stecker manchmal als Anschluss für den DC-Ausgang verwendet. Dabei muss die Ausgangsspannung den USB-Standards entsprechen, damit es nicht zu einem Schaden der Geräte von Drittanbietern durch eine nicht-standardgemäße Spannung am USB-Anschluss kommt. DIN-Steckverbinder zur Versorgung kommen häufig in Anwendungen mit hohen Strömen zum Einsatz, da der Steckverbinder durch die mehrfach vorhandenen Kontakte große Lastströme leiten kann. 

Auch mit Magneten verriegelte DC-Stecker sind erhältlich, mit denen sich das Netzkabel leicht von den angeschlossenen Geräten trennen lässt. Diese Anschlüsse sind dann von Vorteil, wenn das DC-Ausgangskabel eine Stolpergefahr darstellt oder das medizinische Gerät beschädigt werden kann, wenn es durch Ziehen am DC-Kabel auf den Boden fällt. Im Gegensatz dazu verhindern DC-Stecker mit Verriegelungsanschlüssen, dass sich das Kabel vom Gerät löst.

Der Autor

Bruce Rose ist Principal Application Engineer bei CUI

Anmerkung

Dieser Artikel erschien in ähnlicher Form in der medical design 6/2020 (S. 14 – 17). Hier geht’s zum kostenfreien ePaper.

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