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Medizinische elektronische Geräte unterstützen die Prävention, Diagnose, Behandlung und Überwachung von Krankheiten und spielen im Gesundheitswesen eine entscheidende Rolle. Da sie direkt mit der Lebenssicherheit verbunden sind, stellen medizinische Geräte äußerst strenge Anforderungen an die Stromversorgungssysteme. Diese müssen strikten medizinischen Sicherheitsstandards entsprechen und außergewöhnliche Zuverlässigkeit, extrem geringe Geräuschentwicklung, kompakte und robuste Bauweise sowie hervorragende Umweltbeständigkeit aufweisen.
1- Herausforderungen beim Stromversorgungsdesign für medizinische Elektronik
Da medizinische Geräte stark auf komplexe elektronische Systeme angewiesen sind, treten auch verschiedene Probleme auf, die bei elektronischen Schaltungen üblich sind, wie beispielsweise Bauteilverluste, Störungen durch elektrisches Rauschen und Auswirkungen von Umwelteinflüssen. Zudem müssen medizinische Geräte Herausforderungen bewältigen, die spezifisch für den medizinischen Bereich sind, wie die Einhaltung strenger Sicherheitsstandards für medizinische Geräte, die Konformität mit IEC60601 und anderen medizinischen Sicherheitsnormen, die Erfüllung der Anforderungen an die Sterilisation von Geräten sowie die Gewährleistung hoher Zuverlässigkeit bei kritischen lebensbedrohlichen Anwendungen.
1.1 Elektrische Herausforderungen
Die Integration von Stromversorgungssystemen in medizinische Geräte bringt besondere elektrische Herausforderungen mit sich, die bei allgemeinen elektronischen Geräten nicht bestehen. Hohe Zuverlässigkeit und kontinuierliche Verfügbarkeit sind entscheidend, da viele medizinische Geräte einen 24/7-Dauerbetrieb erfordern und unerwartete Ausfallzeiten nicht tolerieren können, insbesondere in Anwendungsszenarien für lebenserhaltende oder kritische medizinische Aufgaben. Für sicherheitsrelevante Anwendungen ist eine Notstromversorgung unerlässlich, die einen sofortigen Umschaltvorgang auf Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) ermöglicht, um Betriebsunterbrechungen zu vermeiden.
1.2 Mechanische Herausforderungen
Um sicherzustellen, dass die Stromversorgungskonstruktion bei begrenztem Bauraum kompakt und robust bleibt, ohne Leistung oder Sicherheit zu beeinträchtigen, ergeben sich für die Stromversorgungssysteme medizinischer Geräte auch mechanische Konstruktionsherausforderungen. Bei tragbaren und am Körper zu tragenden medizinischen Geräten ist die Gewichtsreduzierung entscheidend, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, Ermüdung zu minimieren und die Mobilität des Patienten sicherzustellen. Daher ist die Verkleinerung des Stromversorgungssystems ein unausweichlicher Trend.
Das Wärmemanagement ist ein weiterer entscheidender Faktor, da sich in kleinen Gehäusen Wärme ansammeln kann, die sicher abgeführt werden muss, ohne den Geräuschpegel zu erhöhen, das Risiko von Bauteildefekten zu erhöhen oder den Patienten zu beeinträchtigen.
1.3 Umweltbedingungen
Stromversorgungssysteme in medizinischen Geräten müssen unter verschiedenen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren. Dazu gehört die Toleranz gegenüber unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeitsniveaus, die die Leistung des Geräts und die Lebensdauer der Komponenten beeinflussen können. Für mobile, im Feld eingesetzte oder Notfalleinsatz-Geräte ist die Fähigkeit, Vibrationen, mechanischen Schock und Betriebsschock standzuhalten, ebenso entscheidend, um eine stabile Stromversorgung sicherzustellen und interne Schäden zu vermeiden.
1.4 Sicherheitsstandards
Medizinische Stromversorgungen müssen internationalen Normen wie IEC 60601-1 entsprechen, die allgemeine Sicherheits- und Basissicherheitsanforderungen für medizinische elektrische Geräte festlegt. Sie behandelt zahlreiche elektrische Herausforderungen, einschließlich Isolation, Begrenzung von Ableitströmen und Fehlertoleranz, und verlangt zudem mechanische Integrität sowie Umweltbeständigkeit. Ergänzende Normen wie IEC 60601-1-2 regeln die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und stellen einen zuverlässigen Betrieb der Geräte sicher, ohne elektromagnetische Störungen (EMI) zu verursachen oder davon beeinträchtigt zu werden.
2- Haupt Anwendungen und Anforderungen von Drosseln in medizinischen Stromversorgungen
Drosseln spielen eine entscheidende Rolle in medizinischen elektronischen Geräten, wobei das Energiemanagement die grundlegendste und wichtigste Anwendung darstellt. Ihre Anwendungen umfassen hauptsächlich:
2.1 Schaltnetzteile und DC-DC-Wandler: Drosseln sind die Kernelemente von Schaltnetzteilen, die zusammen mit Schalttransistoren und Kondensatoren Energie speichern, Signale filtern und Spannungen umwandeln. Egal ob in der Hauptstromversorgung großer Bildgebungsgeräte (wie CT, MRT) oder in den Batteriemanagement-Schaltungen tragbarer Geräte (wie Monitore, Infusionspumpen) – Leistungsinduktivitäten sind unverzichtbar. Sie wandeln Wechselstrom effizient in die verschiedenen Gleichspannungen um, die das Gerät benötigt, oder führen eine Gleichspannungs-Wandlung mit Spannungsanhebung oder -absenkung durch.
Schaltbild der Netzwerkanwendung in medizinischen Geräten
2.2 Rauschfilterung und elektromagnetische Verträglichkeit: Medizinische Geräte sind äußerst empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), und die von den Geräten selbst erzeugten Störgeräusche dürfen andere Geräte nicht beeinträchtigen. Magnetperlen und Gleichtaktinduktivitäten werden häufig am Stromeingang und an wichtigen Schaltungsknoten eingesetzt, um hochfrequente Störungen herauszufiltern und sicherzustellen, dass das Gerät die strengen Anforderungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erfüllt (wie z. B. IEC 60601-1-2).
Aufgrund der Besonderheit des Anwendungsszenarios stellen Induktivitäten, die in medizinischen Geräten für die Stromversorgung verwendet werden, höhere Anforderungen an die elektrische Leistung als herkömmliche Verbraucherinduktivitäten. Diese Anforderungen zeigen sich hauptsächlich in folgenden Aspekten:
◾ Hohe Zuverlässigkeit: Medizinische Geräte betreffen die Lebenssicherheit und müssen daher über die gesamte Lebensdauer des Geräts hinweg stabil funktionieren, was eine äußerst geringe Ausfallrate erfordert.
◾ Geringer Geräuschpegel: Geräuscharmer Designansatz, um zu verhindern, dass Störungen der Stromversorgung die internen empfindlichen analogen Schaltungen (wie EKG-, EEG-Verstärker usw.) beeinträchtigen
◾ Hohe Effizienz: Durch die Verwendung von magnetischen Kernmaterialien mit geringen Verlusten zur Reduzierung der Induktionsverluste und Wärmeentwicklung, besonders wichtig für implantierbare und tragbare Geräte, kann die Batterielebensdauer verlängert werden.
◾ Magnetische Abschirmstruktur: Verwenden Sie Induktoren mit magnetischen Abschirmstrukturen, um ein Austreten des Magnetfelds verschiedener Bauteile in medizinischen Geräten zu verhindern und Störungen benachbarter Schaltkreise oder Geräte zu vermeiden.
◾ Einhaltung von Sicherheitsstandards: Induktoren (insbesondere Trenntransformatoren) müssen medizinischen Sicherheitsstandards entsprechen und ausreichende Kriechstrecken und elektrische Abstände gewährleisten.
Zusammenfassend sind Induktoren das "Herz" und der "Reiniger" des Stromversorgungssystems in medizinischen Geräten, verantwortlich für eine effiziente Energieumwandlung sowie für die Reinheit und Sicherheit der Stromversorgung. Sie stellen eine unverzichtbare Kerneinheit dar, die den hohen Standards und strengen Anforderungen an medizinische Geräte gerecht wird.
3- Induktorlösungen für medizinische elektronische Stromversorgungen
Wie oben erwähnt, spielen Induktivitäten eine entscheidende Rolle in medizinischen Stromversorgungssystemen und müssen die hohen Anforderungen medizinischer Stromversorgungsgeräte erfüllen. Daher müssen bei der Produktauswahl Faktoren wie hohe Zuverlässigkeit, geringes Rauschen, hohe Effizienz und EMI-Resistenz berücksichtigt werden.
Als führender Lieferant von magnetischen Bauelementen in der Industrie Codaca widmet sich Codaca seit über 24 Jahren der Forschung und Entwicklung von magnetischen Kernmaterialien sowie der Konstruktion und Optimierung von Spulen und Induktivitäten. In enger Zusammenarbeit mit Ingenieuren für medizinische Stromversorgungen bietet Codaca hochwertige Produkte für den Bereich der medizinischen Elektronik und technische Unterstützung, um Kunden bei der Auswahl geeigneter magnetischer Bauelemente zu helfen. Codaca entwickelt und fertigt eigenständig mehrere Serien von Induktivitäten, einschließlich hochstrom-Induktoren , geformte Induktivitäten , und verstrickungen im allgemeinen Modus , die bereits breit in medizinischen Geräten und Komponenten wie Ultraschalldetektoren, Blutanalysatoren, Beatmungsgeräten, Blutdruckmessgeräten und Rehabilitationsrobotern eingesetzt werden.
