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Vishay CPAP-System: Wie ein Kondensator bei Schlafapnoe helfen kann

Theo Van De Steeg *

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Metrofunk Kabel-Union GmbH
KUMAVISION AG

Ein Kondensator in einem Beatmungsgerät sorgt dafür, bei einem Stromausfall Alarm zu schlagen. Was solch ein spezieller Kondensator bieten muss, lesen Sie im Beitrag.

Hybrid-Kondensatoren: Die 196 HVC ENYCAP von Vishay eignen sich für Energy-Harvesting- und Notstrom-Anwendungen. Ihre Bauhöhe beträgt 2,5 mm bei einer Energiedichte von 13 Ws/g. (Bild: Vishay)
Hybrid-Kondensatoren: Die 196 HVC ENYCAP von Vishay eignen sich für Energy-Harvesting- und Notstrom-Anwendungen. Ihre Bauhöhe beträgt 2,5 mm bei einer Energiedichte von 13 Ws/g.
(Bild: Vishay)
  • Versorgung durch CPAP-Maske auch bei Stromausfall
  • Double-Layer-Supercap oder Hybridkondensator?
  • Energy-Harvesting und Notstromversorgung

Kurz vor zwei Uhr morgens ertönte der Alarm des CPAP-Atmungs-Unterstützungssystems und riss Joanna aus dem Tiefschlaf. „Wieder einmal ein Stromausfall!“ war ihr erster Gedanke noch im Halbschlaf; im Bett sitzend nahm sie ihre CPAP-Maske ab. Joanna leidet seit Jahren an Schlafapnoe, ein zeitweises Aussetzen der Atmung während des Schlafs. Die Schlafstörung kann dazu führen, dass Menschen während des Schlafs ihre Atmung unterbrechen oder flach atmen, das beeinträchtigt die Qualität des Schlafs erheblich.

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Unterstützt wird die Atmung von Joanna durch eine CPAP-Atemmaske. Mithilfe eines CPAP-Systems, was für Continuous Positive Airway Pressure steht, wird ein ständiger geringer Unterdruck erzeugt, um die Atemwege bei Menschen mit Schlafapnoe kontinuierlich offen zu halten. Doch in der Gemeinde Upper Michigan, USA, sind Stromausfälle nicht ungewöhnlich. Was würde wohl passieren, wenn nachts der Strom ausfällt und das CPAP-Gerät nicht mehr arbeitet? Würde sie weiter atmen, während sie schläft? Ihr altes CPAP-Gerät funktionierte zwar gut, aber mit dem neuen Modell fühlte sie sich sicherer. Schon dreimal hatte es sie bei Stromausfällen geweckt. Allein die Tatsache, dass sie sich auf den Alarm verlassen konnte, ließ sie viel besser schlafen.

Anwender rechtzeitig aus dem Tiefschlaf wecken

Trotz seiner 15-jährigen Erfahrung als Entwickler verschiedener Geräte zur Atemunterstützung bereitete es Matt Schwierigkeiten, die Anforderungen aus dem Produktmarketing für das neue CPAP-Gerät seiner Firma zu erfüllen: Laut Marketing-Entscheidung sollte das neue Modell nicht größer als das Vorgängermodell sein, dabei über einen Luftbefeuchter und einen Stromausfallalarm verfügen, der laut und lang genug ertönt, um einen Benutzer auch aus dem Tiefschlaf zu wecken. Der Tank für den neuen Befeuchter verbrauchte die Hälfte des Volumens, das für die Elektronik des Vorgängermodells zur Verfügung stand. Ursprünglich war geplant, ein einfaches Batteriefach mit AA-Batterien zu verwenden.

Damit sollte die Notstromversorgung gewährleistet werden. Doch die Befeuchterfunktion machte das unmöglich. Der Alarm benötigt wenige hundert Milliwatt, um mindestens zwei Minuten lang zu ertönen. Das war in den Spezifikation definiert. Würde ein Akku verwendet, müsste er immer noch ziemlich groß sein, um den benötigten Strom zu liefern. Außerdem waren sich die Entwickler nicht sicher, ob ein wiederaufladbarer Akku nicht vor dem Ende der Lebensdauer des Geräts verschleißen würde.

Die beste Lösung war ein hochwertiger Double-Layer-Supercap. Der würde in den verfügbaren Raum passen und könnte problemlos den erforderlichen Strom liefern. Leider reicht die Ladung eines Supercaps nicht aus, um die Anforderung an die Alarmdauer zu erfüllen. Matt gefiel es auch nicht, dass das Gerät nach der Entladung des Supercaps ohne Betriebsspannung war. An einem bestimmten Punkt schien es, als bräuchte er einen Energiespeicher, der nicht zu existieren schien – einen Speicher mit kleinen Abmessungen und großer Kapazität, die nicht bereits durch eine geringe Anzahl an Lade-/Entladezyklen abnehmen sollte.

Ein Kondensator und seine Ladezyklen

Dann erinnerte sich Matt, etwas über ein Bauteil namens Hybridkondensator gelesen zu haben. Tatsächlich hatte er damals den Artikel aus einer Zeitschrift herausgerissen und in seiner Mappe für „interessante Bauteile“ aufbewahrt – der Hinweis auf den 196 HVC von Vishay, einer der ENYCAP ENergY Storage CAPacitors, kam wie gerufen. Aus den ausführlichen Produktinformationen auf der Website von Vishay ging hervor, dass der 196 HVC alle seine Design-Anforderungen erfüllte: Der Kondensator war klein und flach und kam problemlos mit einer großen Anzahl von Ladezyklen zurecht. Außerdem hatte er die nötige hohe Energiedichte und Strombelastbarkeit und lieferte eine relativ konstante Spannung, wie sie das CPAP-Design erforderte.

Besonders wichtig für ein medizinisches Endprodukt: Das Material des Hybridkondensators enthielt keine gefährlichen Chemikalien, und von dem Bauteil ging keine Brandgefahr aus. Er bestellte bei Vishay Bauteilmuster und ein Referenzboard. Nach mehrwöchigen Tests, welche die Eignung des 196 HVC unter Beweis stellten, wurde der ENYCAP in das CPAP-Gerät integriert.

Rückblick: Die Geschichte des Kondensators 196 HVC

Die Hybridkondensatoren der Serie 196 HVC wurden entwickelt, damit Entwickler einen Energiespeicher haben, der die Beschränkungen sowohl von wiederaufladbaren Akkus und herkömmlichen Supercaps überwindet. Die zur Produktfamilie ENYCAP gehörenden Hybridkondensatoren der Serie 196 HVC haben eine Bauhöhe von 2,5 mm, eine geringe Selbstentladung und eine Energiedichte von 13 Ws/g. Sie eignen sich für Energy-Harvesting und Notstromversorgungen und sind mit diversen Anschlusslayouts sowie zahlreichen Kapazitätswerten und Nennspannungen verfügbar. Erhältlich ist die Serie mit bis zu sechs Zellen und Kapazitätswerten von 4 bis 90 F, wahlweise als bedrahtete gestapelte Kondensatoren, als SMF- (Surface-Mount-Flat-)Versionen oder als LFC- (Lay-Flat-Configuration-)Versionen mit Anschlussdrähten, Anschlusslaschen oder Steckverbindern. Die Nennspannungen reichen von 1,4 bis 8,4 V. Die Kondensatoren benötigen keine Zellsymmetrierung und liefern über zwei Minuten lang Ströme von 10 mA (4 F) bis 1 A (90 F).

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Dieser Artikel ist ursprünglich erschienen auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.

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* Theo Van De Steeg arbeitet im Produkt-Marketing und ist unter anderem für Produkt-Spezifikationen bei Vishay in Zwolle, Niederlande, verantwortlich.

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