Stromversorgung

Sichere Stromzuführung für Medizingeräte

10. August 2020, 11:05 Uhr   |  Holger Urban (Schaffner)

Sichere Stromzuführung für Medizingeräte
© Schaffner

EMV Filter mit IEC Inlet und Schalter oder Sicherung – FN 9262/FN9266

So schützen EMV-Filter Mensch und Elektronik

Digitale Technik, die in einer analogen Umgebung zum Einsatz kommt, darf nicht mit anderen Geräten im Umkreis interferieren. Um Funktionsstörungen beim Betrieb elektronischer Geräte entgegenzuwirken, müssen bestimmte gesetzlich geregelte Schutzanforderungen erfüllt werden. Typischerweise treten Störungen bei einer Konvertierung von Spannungen oder bei getakteten Anwendungen auf und können sich entweder leitungsgebunden oder abgestrahlt ausbreiten. Des Weiteren wird zwischen Gleichtakt- und Gegentaktsignalen unterschieden. 

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Im Umgang mit fehlerhaften medizinischen elektrischen Geräten (kurz: ME-Geräte) besteht sowohl für Patienten als auch für diejenigen, die sie bedienen, eine Gefahr.  Für eine störungsfreie und zuverlässige Funktion mehrerer ME-Geräte in einem Raum beziehungsweise in einer Umgebung müssen diese unbedingt auf technischer Ebene miteinander harmonieren und dürfen sich nicht gegenseitig durch Emissionen stören, was hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stellt.  Die EMV eines Gerätes beschreibt dessen Potenzial, ein elektromagnetisches Umfeld weder zu beeinflussen (Störquelle) noch von diesem beeinflusst zu werden (Störsenke).

Funktionsweise der EMV-Filter

EMV-Filter sorgen für eine Entstörung und schützen so die empfindliche Elektronik vor leitungsgebundenen Signalen. Die Bauteile unterdrücken Störungen im leitungsgebundenen Spektrum (von 9kHz bis 30 MHz) entsprechend den gängigen Produktenormen. X- und Y-Kondensatoren werden in Geräten zur Verbesserung der Störimmunität und der Verringerung der Störaussendung eingesetzt. X-Kondensatoren befinden sich zwischen Phase und Neutralleiter des Filters. Zusammen mit der Streuinduktivität der magnetischen Komponente verhindern sie Gegentaktstörungen. Y-Kondensatoren wiederum filtern gemeinsam mit der stromkompensierten Hauptinduktivität der Gleichtaktdrossel den Gleichtaktanteil. Diese Filtertopologien sowie deren Abwandlungen dienen dazu, die unterschiedlichen applikationsspezifisch geforderten Grenzen zur Störaussendung einzuhalten. 

Die Leistungsfähigkeit eines Filters wird in einem standardisierten Verfahren gemessen und dargestellt. Somit ist auch eine Vergleichsmöglichkeit zwischen verschiedenen Filtern gegeben. Das Ergebnis kann in der sogenannten Einfügedämpfung in Dezibel (dB) über die Frequenz dargestellt werden.

Mehr zum Thema


Für seine Kunden aus der Medizintechnik hat Schaffner von seinen EMV-Produkten jeweils eine medizinische Variante entwickelt. Diese B-Variante kommt dabei ohne Kondensator aus, sodass durch den Filter kein zusätzlicher Ableitstrom in das System eingebracht wird.


Schaffner erweitert sein Produktportfolio von Gleichtaktdrosseln. Die neuen RC-Drosseln sind in horizontalen und vertikalen Montageausführungen erhältlich. Der Standardstrombereiche reicht von 0.25 bis 0.7 A bei einer Nennspannung bis zu 250 VAC.


Ableitstrom in ME-Systemen

Es gibt in der Definition der IEC 60601-1 drei unterschiedliche Arten von Ableitströmen:

  • Erdableitstrom
  • Berührungsstrom  
  • Patientenableitstrom 

Dabei unterliegen alle drei Kategorien anderen Anforderungen. Bei allen drei wird eine Unterscheidung zwischen normalem Fall und erstem Fehler Fall (Kurzschluss Fall) gemacht. Im Normallfall dürfen die Erdableitstrom 5mA, die Berührungsableitstrom 100µA und die Patientenableitstrom 10µA -100µA (je nach Anwendung) nicht überschreiten. Der im System eingebrachte EMV-Filter muss sicherstellen, dass diese Grenzwerte durch zusätzliche Kapazitäten gegen Erde nicht überschritten werden. 

Harte Schale, weicher Kern

Je nach Anwendung ist die Anforderung an das Gehäuse unterschiedlich. Hierbei kommen Materialien wie Kunststoff oder Metall zum Einsatz. Entscheidend für die EMV-Leistungsfähigkeit im leitungsgebundenen Spektrum bis 30MHz ist das Gehäusematerial allerdings nicht. Im abgestrahlten Bereich oberhalb von 30MHz sieht das anders aus, dabei ist zu beachten, dass ein metallisches Gehäuse niederimpedant an eine Erdverbindung angebunden sein sollte. Hinzukommen noch Isolations- und Abstandsaspekte die bei einem metallischen Gehäuse betrachtet werden müssen. 

In ME-Geräten der Schutzklasse II, die nur mit einem funktionalen Erdleiter (zu kennzeichnen mit IEC 60417-5017) versehen sein können, wird die Elektronik auf der Netzeingangsseite ohne Sicherheitserdanschluss ausgelegt und somit Massefrei entwickelt. Dabei kann ein Kunststoff-Gehäuse für den intern verwendeten Filter genutzt werden, was aber direkte Auswirkungen auf die Wahl des entsprechenden EMV-Filters und eventuell sogar der verwendeten Kernmaterialien hat.

Das EMV-Verhalten gegenüber Gleichtaktstörungen wird, wie oben beschrieben, maßgeblich von der Hauptinduktivität und den Y-Kondensatoren beeinflusst.  Auch hier entfallen, wie im oben genannten Teil über Ableitströme, die Y-Kondensatoren gänzlich.  Dieser Umstand kann nur über den Einsatz einer höherwertigen magnetischen Komponente ausgeglichen werden. 

Dazu muss man sich bewusst machen, dass in einem Filter einerseits nur begrenzt Platz verfügbar ist und andererseits die Gefahr besteht, dass magnetische Komponenten bei hohem Störpegel eventuell sättigen. Ist dies der Fall, funktionieren sie nicht mehr wie gewollt. Bei Steigerung der Impedanz einer Gleichtaktdrossel ist folglich die Verwendung von höherwertigem magnetischem Material notwendig. Die Ferrite-Materialien mit höherer Permeabilität tendieren jedoch bei starker Bewicklung zur schnelleren Sättigung. 

Daher geht der Trend bei Filtern für ME-Systeme weg vom weichmagnetischen Ferrite-Kernmaterial zu nano-kristallinen Kernstrukturen. Dieses Kernmaterial weist eine sehr hohe Permeabilität auf, kann aber entsprechend wenig bewickelt werden und ermöglicht damit eine sehr breitbandige Dämpfung mit sehr guten Sättigungseigenschaften.

Normative Situation im EMV-Bereich für Medizinelektronik

Die Einhaltung von Luft und Kriechstrecken in einem ME-Gerät werden klar in der Norm IEC 60601-1 definiert und ermöglichen es so, die Isolationskoordination entsprechend den Umgebungsdefinitionen einzuhalten. 

Hinzu kommen die Die Schutzmaßnahmen (MOP – Means of Portection), die in zwei unterschiedlichen Kategorien klassifiziert sind. Zum einen gibt es den Patienten- (MOPP – Means of Patient Protection) und den Bedienerschutz (MOOP – Means of Operator Protection). Dabei kann man für beide höhere Isolierklassen erreichen in dem man zum Beispiel anstatt einem Y2 einen Y1 Kondensator einbringt, die zusätzliche Klasse wird hier durch eine Ziffer dargestellt, zum Beispiel 2 MOOP. Zu beachten: Ein Y1-Kondesator kann zum Bereitstellen von zwei MOOP, aber nur einer MOPP dienen. Die Überprüfung der Einhaltung wird mit einem Spannungsfestigkeitstest ermittelt. 

Ein weiterer wichtiger Punkt für die Sicherheit im Gebrauch eines ME-Gerätes besteht, wenn das Gerät von der Netzleitung getrennt wird und eventuell offene berührbare Kontakte auf Seiten des Systems entstehen. Hier gilt zu beachten, dass direkt nach dem Herausziehen der Zuleitung eine Spannung von 60VDC (42VAC) nicht mehr überschritten werden darf, etwa an einem C14 Inlet. Für die Kondensatoren in einem EMV-Filter bedeutet das, dass diese mit einem parallelen Ableitwiderstand zu versehen sind, der nach der Abschaltung des Gerätes die Kondensatoren entsprechend schnell entlädt.

Links

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Verwandte Artikel

Schaffner Group, Schaffner Deutschland GmbH