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| Autor / Redakteur: / Kathrin Schäfer

Wartungsfreie Super-Cap-USV-Lösungen: Medizin- und Laborgeräte arbeiten ausfallsicher und sind für den langjährigen, wartungsfreien 24/7-Dauerbetrieb ausgelegt.
Wartungsfreie Super-Cap-USV-Lösungen: Medizin- und Laborgeräte arbeiten ausfallsicher und sind für den langjährigen, wartungsfreien 24/7-Dauerbetrieb ausgelegt. (Bild: © pgottschalk / Fotolia.com; [M] Bicker)

Den unterbrechungsfreien Betrieb von Medizingeräten gewährleisten Notstromversorgungen oder USV-Lösungen, die jedoch den Austausch alternder Batteriepacks erfordern. Da meist nur kurze Spannungsausfälle zu überbrücken sind, entstehen zunehmend Lösungen auf Basis kompakter High-End-Ultrakondensatoren.

Diese sogenannten Super-Caps können aufgrund ihrer Zyklusfestigkeit mit mehr als 500.000 Be- und Entladezyklen über viele Jahre wartungsfrei und sicher betrieben werden. Um die Vorteile dieser Technologie zu nutzen, realisierte das Entwicklerteam des Stromversorgungsspezialisten Bicker Elektronik mit dem DC2412-UPS einen hocheffizienten DC/DC-Wandler mit integrierter Super-Cap-USV. In Kombination mit einem AC/DC-Medizinnetzteil versorgen beispielsweise fünf nachgeschaltete DC2412-UPS einen Low-Power-Single-Board-Computer (SBC) und bis zu vier Motoren/Aktoren inklusive Controller mit je 60 Watt – ausfallsicher und wartungsfrei. Für Entwickler medizinisch-elektrischer Geräte bietet diese Technologie nahezu unbegrenzte Einsatz- und Anwendungsfelder: von der vollautomatischen Probenanalyse im Labor bis hin zu medizinischen OP-Systemen und Behandlungseinheiten.

Medizinnetzteile sollten über ein robustes Schaltungsdesign für den lüfterlosen Betrieb verfügen

Die normgerechte Anbindung an das AC-Versorgungsnetz findet in dem hier vorgestellten Beispiel durch das lüfterlose 300-Watt-Medizinnetzteil BEO-3024MC statt, welches der aktuellen IEC / EN / ANSI / AAMI ES 60601-1 Edition 3.1 entspricht, das heißt der dritten Ausgabe der Grundnorm plus der ersten Novelle (Amendment A1), in welcher mehrere hundert Einzeländerungen, Begriffsklärungen und Problemlösungen für konkrete Anwendungen verankert sind. Die Übergangsfrist zur neuen Edition 3.1 endete in den USA bereits zum 1. August 2016, in der Europäischen Union ist die Einhaltung der novellierten Norm ab dem 1. Januar 2018 verpflichtend.

Neben den entsprechenden Sicherheitszulassungen und den erforderlichen Mindestabständen (Luft- und Kriechstrecken) sollten aktuelle Medizinnetzteile über ein hocheffizientes und robustes Schaltungsdesign für den lüfterlosen Betrieb verfügen. Die Kontakt- oder Konvektionskühlung vermeidet den Einsatz fehleranfälliger und lauter Lüfter und ermöglicht zudem den Aufbau komplett geschlossener Systeme. Für eine optimale Wärmeableitung durch die thermische Gehäuseanbindung werden die Leistungsbausteine auf der Platinenunterseite platziert. So wird eine effektive Kontaktkühlung über das Chassis realisiert. Für den internationalen Einsatz verfügt die BEO-3000MC-Serie über einen Weitbereichseingang (90 bis 264 VAC bei 47 bis 63 Hz) mit aktiver PFC-Leistungsfaktor-Korrektur. Mit einer Isolationsspannung von 6.516 VDC zwischen Ein- und Ausgang entspricht das Netzgerät dem medizinischen Sicherheitsstandard 2xMOPP für Patientenkontakt (Means Of Patient Protection).

Super-Caps vertragen Temperaturen zwischen -20 bis +70 °C

Um sowohl die maximalen Ableitströme in Medizingeräten als auch EMV-Grenzwerte (Elektromagnetische Verträglichkeit) bei der Zertifizierung des medizinischen Endgerätes einzuhalten, empfiehlt sich der modulare Aufbau der Stromversorgung. Das bedeutet, möglichst nur ein zentrales und starkes AC/DC-Netzteil einzusetzen, so dass sich Ableitströme durch mehrere Netzteile nicht aufsummieren. Nachgeschaltet können hocheffiziente DC/DC-Wandler zum Einsatz kommen.

Der DC2412-UPS vereint auf einer Grundfläche von 135 x 79,5 mm einen energiesparenden DC/DC-Wandler mit Weitbereichseingang (16…32 VDC) und eine wartungsfreie Super-Cap-USV (4 x 100 Farad). Vorteilhaft sind Super-Caps bei der Energiespeicherung in USV-Systemen gegenüber Batterien durch ihre hohe Leistungsdichte, ihre lange Lebensdauer selbst bei extremen Temperaturen von -20 bis +70 °C sowie ihre schnelle Einsatzbereitschaft beim Ladevorgang, was der DC2412-UPS mit einer Ladezeit von weniger als 60 Sekunden bei maximalem Ladestrom unter Beweis stellt. Bei Schwankungen, Einbrüchen oder kurzzeitigen Totalausfällen der Versorgungsspannung stellen die Ultrakondensatoren die unterbrechungsfreie Versorgung der angeschlossenen Komponenten mit +12 VDC bei maximal 5 A Laststrom sicher. Die effektive Pufferzeit des DC2412-UPS ist abhängig von der tatsächlich zu versorgenden Last am Ausgang.

Bei einem Ausfall den sicheren Shutdown einleiten

Bei einem Power Fail signalisiert der DC2412-UPS über die integrierte Kommunikations-Schnittstelle (RS232, I2C, SMB) den Ausfall der Versorgungsspannung, so dass ein sicherer Shutdown eines Rechnersystems eingeleitet, Dokumente gespeichert und bei Bedarf auch definierte Programme vor dem Herunterfahren des Systems ausgeführt werden können. Hierzu steht die USV-Software UPS Control Center von Bicker Elektronik zum kostenlosen Download bereit und ermöglicht die Kontrolle und Einstellung sämtlicher wichtigen Parameter. Die ausfallsichere Versorgung von DC-Motoren/Aktoren durch die jeweilige DC2412-UPS stellt zudem sicher, dass die angetriebenen Elemente der Applikation in eine definierte und sichere Null-Position gebracht werden können, anstatt im Ernstfall einen unkontrollierten Prozessabbruch mit unabsehbaren Folgen zu riskieren.

Für den Einsatz in mobilen 24V-Bordnetz-Applikationen ohne direkten Patientenkontakt steht der DC2412-UPS zum Eigenschutz und Schutz nachgeschalteter Applikationen vor Überspannungsspitzen bis 123 V entsprechend der ISO 7637-2 optional mit einem „Load-Dump“-Schutz zur Verfügung (DC2412-UPS-LD). Unterstützende Maßnahmen zur Einhaltung erhöhter Schock- und Vibrationsanforderungen sind ebenfalls möglich.

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