Wie man die richtigen Komponenten zum Schutz von Medizinprodukten, Anwendern und Patienten auswählt und einsetzt

Der Einsatz von laborfremden, diagnostischen und lebenserhaltenden medizinischen Geräten mit patientenkontakt wie Beatmungsgeräten, Defibrillatoren, Ultraschallgeräten und Elektrokardiogramm(EKG)-Geräten nimmt weiter zu. Gründe dafür sind unter anderem eine alternde Bevölkerung, gestiegene Pflegeerwartungen der Patienten und Verbesserungen in der medizinischen Elektronik, die solche Systeme praktischer machen. Solche Geräte müssen vor verschiedenen Arten von elektrischen Problemen geschützt werden, die das Gerät, das Krankenhauspersonal und die Patienten schädigen können.

Ein vollständiger Stromkreisschutz erfordert jedoch viel mehr als nur eine thermische Sicherung, und die Implementierung des Schutzes ist keine Frage der Suche nach dem besten Gerät für ein bestimmtes Design und eine bestimmte Anwendung. Es geht vielmehr darum, zunächst zu verstehen, welche Schaltungen geschützt werden müssen, und dann die beste Schutzart zu bestimmen. Im Allgemeinen sind mehrere passive Komponenten erforderlich, um Schutz zu bieten, und ein typisches System kann ein Dutzend oder mehr dieser speziellen Schutzvorrichtungen benötigen. Schutzkomponenten sind wie Versicherungen: Während sie nur selten oder nie benötigt werden, übersteigen die Kosten für den Verzicht auf die Versicherung die Kosten sie zu haben bei weitem.

In diesem Artikel wird untersucht, wo in solchen medizinischen Systemen Schutz erforderlich ist, einschließlich der patientenseitigen Signal/Sensor-I/O, der Stromversorgung, der Kommunikationsanschlüsse, des Verarbeitungskerns und der Benutzerschnittstellen. Außerdem werden die verschiedenen Arten von Stromkreis- und Systemschutzkomponenten am Beispiel von Komponenten von Littelfuse, Inc. erörtert und deren Rolle und Anwendung untersucht.

Die Rolle des Schutzes in medizinischen Systemen

Die meisten Ingenieure erinnern sich bei dem Begriff „Stromkreisschutz“ sofort an die klassische Thermosicherung, die seit über 150 Jahren in Gebrauch ist. Seine moderne Ausprägung verdankt es weitgehend der Arbeit von Edward V. Sundt, der 1927 die erste kleine, flinke Schutzsicherung patentierte, die das Durchbrennen empfindlicher Prüfgeräte verhindern sollte (Referenz 1). Anschließend gründete er das Unternehmen, aus dem schließlich Littelfuse, Inc. wurde.

Seitdem haben sich die Schaltungsschutzoptionen in Anerkennung der vielen potenziellen Schaltungsausfallmodi erheblich erweitert. Diese sind:

• Interne Ausfälle, die zu einer Kaskade von Schäden an anderen Komponenten führen können
• Interne Ausfälle, die den Bediener oder Patienten gefährden können
• Interne betriebliche Probleme (Spannung/Strom/thermisch), die andere Komponenten belasten und zu deren vorzeitigem Ausfall führen können
• Spannungs-/Stromtransienten und -spitzen, die ein inhärenter und unvermeidbarer Teil der Funktionalität der Schaltung sind und sorgfältig gehandhabt werden müssen

Viele dieser Probleme gelten auch für batteriebetriebene Geräte, nicht nur für solche, die über das Stromnetz betrieben werden.

Die Funktion vieler, aber nicht aller Schutzvorrichtungen besteht darin, unannehmbar große Spannungstransienten zu unterdrücken. Es gibt zwei Hauptkategorien von Transientenunterdrückern: solche, die Transienten dämpfen und so ihre Ausbreitung in die empfindliche Schaltung verhindern; und solche, die Transienten von empfindlichen Lasten ableiten und so die verbleibende Spannung begrenzen. Es ist wichtig, die Gerätedatenblätter für thermische und Leistungsminderungskurven sorgfältig zu studieren, da einige für den Transientenschutz unterschiedlicher Dauer spezifiziert sind, die durch definierte Spannungs-, Strom- und Zeitgrenzen begrenzt sind, und nicht für den stationären Schutz.

Zu den vielen elektrischen Parametern, die berücksichtigt werden müssen, gehören unter anderem die Klemmspannung, der Maximalstrom, die Durchbruchspannung, die maximale Arbeitsspannung in Sperrrichtung, der Impulsspitzenstrom, der dynamische Widerstand und die Kapazität. Es ist auch wichtig zu verstehen, unter welchen Bedingungen jede dieser Bedingungen definiert und spezifiziert wird. Auch die Gerätegröße und die Anzahl der geschützten Kanäle oder Leitungen sind zu berücksichtigen. Die Wahl der besten Schutzvorrichtung, die in einem bestimmten Teil eines Stromkreises eingesetzt werden soll, hängt von diesen Faktoren ab, und es gibt oft unvermeidliche Kompromisse zwischen den verschiedenen Parametern. Es wird mit ziemlicher Sicherheit bevorzugte oder „Standard“-Ansätze geben, aber es gibt auch Entscheidungen, die beurteilt, bewertet und getroffen werden müssen.

Es gibt viele Optionen für den Schaltungsschutz: Wählen Sie mit Bedacht

Es gibt eine Vielzahl von Schutzoptionen. Jede hat eine einzigartige Funktionalität und einen Satz von Eigenschaften, die sie zu einer geeigneten - oder einzigen - Wahl für die Implementierung des Schutzes gegen bestimmte Fehlerklassen oder unvermeidliche Schaltungseigenschaften machen. Die wichtigsten Schutzoptionen sind:

• Die traditionelle Thermosicherung
• Polymer-Komponenten mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC)
• Metalloxidvaristoren (MOVs)
• Mehrschichtvaristoren (MLVs)
• Überspannungsbegrenzungsdioden (TVS-Dioden)
• Dioden-Arrays
• Halbleiterrelais (SSRs)
• Temperaturindikatoren
• 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. Der Stromfluss über die Auslegungsgrenze hinaus führt dazu, dass sich die Verbindung erwärmt und schmilzt, wodurch der Strompfad dauerhaft unterbrochen wird. Bei Standardsicherungen liegt die Zeit bis zum Ausschalten des Stromkreises in der Größenordnung von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden, je nach Höhe des Überstroms gegenüber dem Begrenzungswert. Bei vielen Designs bildet sie eine letzte Schutzlinie, da sie entscheidend und unwiderruflich wirkt.

Sicherungen sind für Stromwerte von unter einem Ampere bis zu Hunderten von Ampere oder höher erhältlich und können so ausgelegt werden, dass sie Hunderten oder Tausenden von Volt zwischen ihren beiden Anschlüssen unter fehlerinduzierten offenen Stromkreisbedingungen standhalten.

Eine typische Sicherung ist die 0215.250TXP von Littelfuse, eine Sicherung für 250 Milliampere (mA) und 250 Volt AC (V_AC) in einem 5 x 20 Millimeter (mm) großen Keramikgehäuse (Abbildung 1). Wie bei den meisten Sicherungen handelt es sich um ein zylindrisches oder patronenförmiges Gehäuse, das nicht in die Schaltung eingelötet wird, sondern zum einfachen Austausch in einen Sicherungshalter passt. Sicherungen sind auch in rechteckigen Gehäusen, als „Blattsicherungen“ sowie in lötbaren Gehäusen erhältlich; beachten Sie, dass das Lötprofil sorgfältig beachtet werden muss, um das Sicherungselement nicht zu beschädigen.

Abbildung 1: Die 0215.250TXP von Littelfuse ist eine Sicherung für 250 mA und 250 V_AC in einem Keramikkörper mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 20 mm. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit weisen Sicherungen viele Variationen, Feinheiten und andere Faktoren auf, die bei der Auswahl der geeigneten Sicherung für eine Schaltung berücksichtigt werden müssen (Referenzen 2 und 3). Sicherungen werden üblicherweise auf eingangsseitigen Wechselstromleitungen, Ausgangsleitungen, bei denen ein totaler Kurzschluss auftreten kann, oder intern verwendet, wenn ein Überstrom ein ernsthaftes Problem darstellt, so dass der Stromfluss vollständig gestoppt und die Ursache des Problems ermittelt und behoben werden muss, bevor der Betrieb wieder aufgenommen werden kann.

PPTC-Komponenten dienen vor allem zwei Arten von Anwendungen: der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften z.B. für USB-Ports, Stromversorgungen, Akkus oder Motorsteuerungen, und der Risikoprävention bei I/O-Ports. Bei anormalen Bedingungen wie Überstrom, Überlastung oder Übertemperatur steigt der PPTC-Widerstand drastisch an, wodurch der Versorgungsstrom zum Schutz der Schaltungskomponenten begrenzt wird.

Sobald ein PPTC-Baustein in einen hochohmigen Zustand übergeht, fließt weiterhin eine geringe Strommenge durch das Gerät. PPTC-Komponenten benötigen zur Erwärmung einen geringen „Leckstrom“ oder eine externe Wärmequelle, um ihren Auslösezustand beizubehalten. Nachdem der Fehlerzustand beseitigt ist und der Strom auf einen normalen Wert zurückkehrt, wird diese Wärmequelle beseitigt. Das Bauteil kann dann in einen Zustand mit niedrigem Widerstand zurückkehren, und die Schaltung wird in einen normalen Betriebszustand versetzt. Obwohl PPTC-Komponenten manchmal als „rückstellbare Sicherungen“ bezeichnet werden, sind sie in Wirklichkeit keine Sicherungen, sondern nichtlineare Thermistoren, die den Strom begrenzen. Da alle PPTC-Bausteine bei einem Fehlerzustand in einen hochohmigen Zustand übergehen, kann der normale Betrieb immer noch dazu führen, dass in Teilen des Schaltkreises gefährliche Spannungen vorhanden sind.

Ein gutes Beispiel für einen PPTC ist der 2016L100-33DR von Littelfuse, eine oberflächenmontierbare PPTC-Komponente für 33 Volt und 1,1 A für Niederspannungsanwendungen (≤60 Volt), bei denen ein rücksetzbarer Schutz erforderlich ist (Abbildung 2). Er hat eine Grundfläche von 4 x 5 mm und löst bei einem Überstrom von 8 A in weniger als 0,5 Sekunden (s) aus.

Abbildung 2: Der PPTC-Baustein 2016L100/33DR für 33 Volt und 1,1 A kann in Niederspannungsanwendungen eingesetzt werden, wo ein rücksetzbarer Schutz erforderlich ist; er reagiert in unter 0,5 s bei einem Überstrom von 8 A. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

In einem typischen Beatmungsgerät könnte der 2016L100/33DR verwendet werden, um den MOSFET des Batteriemanagementsystems vor hohen Strömen aufgrund von externen Kurzschlüssen zu schützen oder einen Überstromschutz für USB-Chipsätze zu bieten (Abbildung 3).

Abbildung 3: In diesem Blockdiagramm eines Beatmungsgerätes könnten PPTC-Komponenten sowohl im Batteriemanagementsystem als auch in den Bereichen des USB-Anschlusses (Bereiche 2 und 5) eingesetzt werden. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

MOVs sind spannungsabhängige, nichtlineare Bauelemente, die ein elektrisches Verhalten ähnlich wie gegeneinander geschaltete Zenerdioden aufweisen. Dank ihrer symmetrischen und scharfen Durchbruchseigenschaften bieten sie eine ausgezeichnete 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 geklemmt wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Spannung/Strom-Kurve (V-I) des MOV zeigt sowohl den normalen hochohmigen Bereich als auch den sehr niederohmigen Bereich, der auftritt, wenn die Spannung über einen Designschwellenwert hinaus ansteigt. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Infolge dieser Klemmwirkung wird die potentiell zerstörerische Energie des transienten Impulses durch den Varistor absorbiert (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der abrupte Wechsel des MOVs von hochohmig auf niederohmig, wenn eine transiente Spannung auftritt, klemmt die Spannung auf ein akzeptables Niveau. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

MOVs werden in einer Vielzahl von Gehäusen angeboten, wie z.B. dem V07E250PL2T für 390 Volt und 1,75 Kiloampere (kA), einer kleinen, nur 7 mm im durchmessenden Scheibe mit Leitungen zur Durchkontaktierung (Abbildung 6). Sie werden oft auf einer eingangsseitigen Wechselstromleitung verwendet, um Schäden durch Netzspannungstransienten zu verhindern (Bereich 1 in Abbildung 3). Beachten Sie, dass MOVs parallel geschaltet werden können, um die Spitzenstrom- und Energiehandhabungsfähigkeiten zu verbessern, sowie in Reihe, um höhere Spannungswerte als die normalerweise verfügbaren oder Werte zwischen den Standardangeboten zu erzielen.

Abbildung 6: Der MOV V07E250PL2T ist eine 7mm-Scheibe mit Leitungen zur Durchkontaktierung, die für den Betrieb bis 390 Volt ausgelegt ist und Transienten bis zu 1750 A verarbeiten kann. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

MLVs ähneln den MOVs und bieten die gleiche Grundfunktion, haben aber einen anderen inneren Aufbau und damit etwas andere Eigenschaften. MLVs werden durch Nass-Stapeldruckschichten aus Zinkoxid (ZnO) und Metall-Innenelektroden, Sintern, Abschließen, Glasieren und schließlich Plattieren hergestellt. Im Allgemeinen haben kleinere MLV-Komponenten bei gleicher MOV-Nennspannung eine höhere Klemmspannung bei höheren Strömen, während größere Bauteile eine höhere Energiekapazität haben.

Der MLV V12MLA0805LNH zum Beispiel wurde mit mehreren Impulsen bei seinem Spitzenstrom (3 A, 8/20 Mikrosekunden (µs)) getestet. Am Ende des Tests - 10.000 Impulse später - lag die Spannungscharakteristik des Bauteils immer noch weit innerhalb der Spezifikation (Abbildung 7). Diese Komponente sollte für den Transientenschutz in der Stromversorgung des Beatmungsgeräts und im USB-Anschluss in Betracht gezogen werden (Bereiche 1 und 5 in Abbildung 3).

Abbildung 7: MLVs wie der V12MLA0805LNH können wiederholten transienten Impulsen ohne Leistungsverschlechterung standhalten. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

TVS-Dioden schützen ebenfalls empfindliche Elektronik vor Hochspannungstransienten und können schneller als die meisten anderen Arten von Schaltungsschutzkomponenten auf Überspannungsereignisse reagieren. Sie klemmen und begrenzen so die Spannung auf ein bestimmtes Niveau, indem sie einen p-n-Übergang verwenden, der eine größere Querschnittsfläche als eine normale Diode hat, so dass die TVS-Diode große Ströme nach Masse ableiten kann, ohne Schaden zu nehmen.

TVS-Dioden werden im Allgemeinen zum Schutz gegen elektrische Überbeanspruchung verwendet, wie sie z.B. durch Blitzschlag, induktive Lastschaltung und elektrostatische Entladung (ESD) in Verbindung mit Übertragungs- oder Datenleitungen und elektronischen Schaltungen entsteht. Ihre Reaktionszeit liegt in der Größenordnung von Nanosekunden, was für den Schutz relativ empfindlicher I/O-Schnittstellen in medizinischen Produkten, Telekommunikations- und Industriegeräten, Computern und Unterhaltungselektronik von Vorteil ist. Sie haben ein definiertes Klemmverhältnis zwischen der transienten Spannung gegen die Spannung über und dem Strom durch die TVS, wobei die Besonderheiten durch das betrachtete TVS-Modell definiert sind (Abbildung 8).

Abbildung 8: Gezeigt ist die allgemeine Beziehung für eine TVS-Diode zwischen Spannungstransienten, Spannung über der TVS und Strom durch die TVS, wobei die spezifischen Werte durch das ausgewählte TVS-Diodenmodell bestimmt werden. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

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, wie z.B. einem tragbaren Ultraschallscanner mit einem Hochspannungsimpulsgenerator zur Ansteuerung der piezoelektrischen Wandler, könnten TVS-Dioden zum Schutz der USB-Ports sowie der LCD/LED-Benutzerschnittstellenanzeige eingesetzt werden (Bereiche 2 und 3 in Abbildung 9).

Abbildung 9: In diesem Blockschaltbild eines tragbaren Ultraschall-Scanners kann eine TVS-Diode wie die SMCJ33A mit einer Klemmspannung von 53 Volt zum Schutz gegen Transienten an USB-Ports sowie an der LCD/LED-Anzeige (Bereiche 2 und 3) verwendet werden. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Diodenarrays verwenden Steuerdioden, die um eine große TVS-Diode (wie z.B. eine Zener-Diode) zentriert sind, um die Kapazität der I/O-Leitungen zu verringern. Diese Bauelemente haben eine niedrige Kapazität im Aus-Zustand von 0,3 bis 5 Picofarad (pF) und sind für ESD-Stufen von +/-18 Kilovolt (kV) bis +/-30 kV geeignet. Zu den Anwendungen gehören der Schutz von Schnittstellen wie USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA und DisplayPort, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Beachten Sie, dass das ähnlich benannte TVS-Diodenarray die gleiche Grundfunktionalität bietet, aber eine höhere Kapazität hat und daher besser für Schnittstellen mit geringerer Geschwindigkeit geeignet ist.

Das SP3019-04HTG ist ein Beispiel für ein solches Diodenarray (Abbildung 10). Es integriert vier Kanäle mit einem asymmetrischen ESD-Schutz mit extrem niedriger Kapazität (0,3 pF) in einem sechspoligen SOT23-Gehäuse und weist zudem einen extrem niedrigen typischen Leckstrom von 10 Nanoampere (nA) bei 5 Volt auf. Wie bei der TVS-Diode sind typische Anwendungen der Schutz von USB-Ports sowie der LCD/LED-Benutzeroberflächenanzeige (auch hier die Bereiche 2 und 3 in Abbildung 9).

Abbildung 10: Ein Diodenarray wie das SP3019-04HTG bietet ESD-Schutz für mehrere Highspeed-I/O-Leitungen. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

SSRs, auch als Optoisolatoren bezeichnet, ermöglichen einer Spannung das Schalten und Steuern einer unabhängigen, unverwandten Spannung mit nahezu perfekter galvanischer Trennung (kein ohmscher Pfad) zwischen Eingang und Ausgang. Sie dienen mehreren allgemeinen Zielen. Eines ist funktional: Sie können Masseschleifen zwischen getrennten Teilschaltungen eliminieren oder die High-Side-Treiber einer Halb- oder H-Brücken-MOSFET-Konfiguration potentialfrei sein lassen. Ein weiteres Ziel, dem sie dienen, ist sicherheitsbezogen und besonders wichtig für medizinische Geräte, bei denen ihre Isolierung eine unüberwindbare Barriere darstellt. Diese Eindämmung ist erforderlich, wenn hohe interne Spannungen zusammen mit Benutzer- oder Patientenkontakt mit Instrumentenleitungen, Knöpfen, Sonden und Gehäusen auftreten.

Das CPC1017NTR ist repräsentativ für ein einfaches einpoliges, normalerweise offenes (1-Form-A) SSR. Es ist in einem 4 mm² kleinen, vierpoligen Gehäuse untergebracht und bietet eine Isolierung von 1500 Volt effektiv (V_eff) zwischen Eingang und Ausgang. Es ist extrem effizient, benötigt zum Betrieb nur 1 mA LED-Strom, kann 100 mA/60 Volt schalten und bietet lichtbogenfreies Schalten ohne externe Dämpfungsschaltungen. Darüber hinaus erzeugt es keine EMI/RFI und ist immun gegen externe gestrahlte elektromagnetische Felder - Eigenschaften, die für einige medizinische Instrumente und Systeme erforderlich sind. In einer Anwendung wie z.B. einem Defibrillator können Entwickler damit die Niederspannungsschaltung von den Hochspannungen der Brücke, die die Paddles der Einheit antreibt, elektrisch trennen (Abbildung 11).

Abbildung 11: In einem Defibrillator ermöglicht der SSR der Niederspannungselektronik die Ansteuerung der Hochspannungspaddel, während die potentialfreien High-Side-Treiber der H-Brückenanordnung von der Systemmasse (Bereich 5) isoliert bleiben. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Temperaturindikatoren sind spezialisierte Versionen von Temperatursensoren wie z.B. Thermistoren. Obwohl es offensichtlich scheint, dass potenziell heiße Bereiche wie Stromversorgungen oder höhere Spannungsquellen auf übermäßige Erwärmung überwacht werden müssen, kann selbst ein I/O-Port wie der USB-Typ C erhebliche Ströme und damit Überhitzung bewältigen. Dies kann auf ein internes Versagen oder sogar auf eine fehlerhafte Last oder ein kurzgeschlossenes Kabel zurückzuführen sein, das daran angeschlossen ist.

Zur Bewältigung dieses potenziellen Problems hilft eine Komponente wie der PTC-Temperaturindikator SETP0805-100-SE mit positivem Temperaturkoeffizienten, USB-Stecker vom Typ C vor Überhitzung zu schützen. Er wurde entwickelt, um den einzigartigen Spezifikationen dieses USB-Standards gerecht zu werden, und ist in der Lage, selbst die höchsten Stufen der USB-Typ-C-Stromversorgung 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 Temperaturindikation, wenn sein Widerstand von nominell 12 Ohm (Ω) bei 25 ⁰C auf 35 Kilohm (kΩ) bei 100 ⁰C ansteigt (typische Werte).

GDTs mögen in den Köpfen der Ingenieure Bilder von großen, sperrigen Röhren mit sichtbaren Funken heraufbeschwören, aber in Wirklichkeit sind sie ganz anders. Diese Röhren werden zwischen einer zu schützenden Leitung oder einem zu schützenden 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.

Unter normalen Betriebsbedingungen wirkt das Gas im Inneren des Geräts wie ein Isolator und die GDT leitet keinen Strom. Wenn ein Überspannungszustand (Funkenüberschlagsspannung genannt) auftritt, bricht das Gas im Inneren der Röhre zusammen und leitet Strom. Wenn der Überspannungszustand die Parameter der Überschlagsspannung überschreitet, schaltet sich die GDT ein und entlädt sich, wobei die schädliche Energie abgeleitet wird. GDTs sind als zweipolige Bauelemente für ungeerdete Leitungen und dreipolige Bauelemente für geerdete Leitungen erhältlich, beide in kleinen SMT-Gehäusen, um die Implementierung und die Leiterplattenmontage zu erleichtern (Abbildung 12).

Abbildung 12: GDTs werden als zweipolige Komponenten (links) für ungeerdete Stromkreise und (rechts) als dreipolige Komponenten für geerdete Stromkreise angeboten (das GDT-Symbol ist die „Z-ähnliche“ Grafik rechts neben jedem Schaltplan). (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

GDTs sind für Funkenüberschlagswerte von bis zu 75 Volt erhältlich und können Hunderte und sogar Tausende von Ampere handhaben. Die GTCS23-750M-R01-2 beispielsweise ist eine zweipolige GDT mit einem 75V-Funkenüberschlag und einem Nennstrom von 1 kA, die in einem SMT-Gehäuse mit einer Länge von 4,5 mm und einem Durchmesser von 3 mm untergebracht ist, so dass sie zum Schutz fast überall platziert werden kann (Abbildung 13).

Abbildung 13: GDTs müssen nicht wie die großen Funkenstrecken-Bauelemente aus Filmen aussehen; die GTCS23-750M-R01-2 ist eine GDT für 75 V und 1 kA in einem SMT-Gehäuse mit einer Länge von nur 4,5 mm und einem Durchmesser von 3 mm. (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Normen leiten den Entwurf

Medizinische Geräte müssen mehrere Sicherheitsstandards erfüllen, von denen einige für alle Verbraucher- und Handelsprodukte und andere nur für medizinische Geräte gelten. Viele dieser Standards sind international ausgerichtet. Zu den vielen Normen und Regulierungsauflagen gehören:

• IEC 60601-1-2, „Medizinische elektrische Geräte - Teil 1-2: Allgemeine Anforderungen an die 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 grundlegende Sicherheit und grundlegende Leistungsmerkmale - Ergänzungsnorm: Anforderungen an medizinische elektrische Geräte und medizinische elektrische Systeme, die in der häuslichen Pflegeumgebung verwendet werden“
• IEC 62311-2, „Bewertung von elektronischen und elektrischen Geräten im Zusammenhang mit Beschränkungen der Exposition des Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern (0 Hz bis 300 GHz)“
• IEC 62133-2, „Sekundärzellen und -batterien, die Alkali- oder andere säurefreie Elektrolyte enthalten - Sicherheitsanforderungen für tragbare versiegelte Lithium-Sekundärzellen und für daraus hergestellte Batterien zur Verwendung in tragbaren Geräten - Teil 2: Lithiumsysteme“

Wenn man bei der Auswahl der Stromkreisschutzkomponenten und ihrer Verwendung sorgfältig vorgeht, kann man diese Sicherheitsvorschriften weitgehend erfüllen. Der Einsatz anerkannter, bewährter Techniken und Komponenten kann den Genehmigungsprozess ebenfalls beschleunigen.

Fazit

Die Anforderungen, wo, warum, was und wie Stromkreisschutzvorrichtungen im Allgemeinen und in medizinischen Geräten im Besonderen eingesetzt werden sollen, stellen eine komplizierte Herausforderung für das Design dar. Es gibt viele geeignete Schutzkomponenten, einige spezifisch für eine bestimmte Schaltungsfunktion und andere mit allgemeinerer Anwendbarkeit. Jede Komponente bringt eine Reihe von Eigenschaften mit, die sie am besten - oder zumindest besser - für die verschiedenen Schaltungen und Systemstandorte geeignet machen, die einen solchen Schutz erfordern. Kein einzelnes Gerät wird den zahlreichen unterschiedlichen Systemanforderungen gerecht, so dass die Entwickler am Ende mehrere Schutzansätze verwenden werden.

In den meisten Fällen sind die vielen Entscheidungen darüber, welche Geräte wie am besten eingesetzt werden sollen, von Natur aus kompliziert und unterliegen zudem einer behördlichen Überprüfung. Entwickler sollten dringend erwägen, sachkundige Anwendungstechniker beim Schutzgerätehersteller oder dem von ihm benannten Lieferanten (Distributor) um Hilfe zu bitten. Ihre Erfahrung und ihr Fachwissen können die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen, einen gründlicheren Entwurf gewährleisten und den Weg zur behördlichen Zulassung erleichtern.