DC-Spannungsquelle senkt elektrische Störeinflüsse bei Medizingeräten

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Bei medizinischen Geräten kommt es neben Safety und Security auch darauf an, elektrische Störeinflüsse im Endgerät zu senken. Eine platzsparende DC-Spannungsquelle hilft.

Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile haben sich im asiatisch-pazifischen Raum und den USA längst etabliert, in Europa dagegen sind sie noch weitgehend unbekannt. Hinter dem Begriff verbergen sich primär getaktete Netzteile mit einer DC-Ausgangsspannung, die von sehr geringen Störungen überlagert sind. Die R&N-Werte liegen in der Größenordnung lineargeregelter Netzteile: unterhalb bei 10 mV_ss. Ein Wert, der vom japanischen Schaltnetzteilhersteller Daitron teilweise sogar noch getoppt wird: Seine neue Schaltnetzteil-Generation liegt hier bei 1 mV_ss.

Es war der Wunsch nach der perfekten Bildqualität, der den Anstoß zur Entwicklung der rauscharmen Schaltnetzteile gab: Elektronikhersteller Sony benötigte 1996 eine extrem rauscharme DC-Stromversorgung für eine neue Generation von Fernsehgeräten und startete ein entsprechendes Großprojekt. Im Projektverlauf stellte sich jedoch heraus, dass diese Technologie gegenüber Plasma- und LC-Fernsehgeräten chancenlos war. Die Kosten waren zu hoch. Doch war die Ultra-Low-Noise-Technik geboren – und sie und das Entwicklerteam wurden 2001 von Daitron übernommen.

Low-Noise-Schaltnetzteile und ihre Vorteile

Moderne Industriesysteme, Labor-/Messgeräte oder Medizingeräte müssen ganz unterschiedliche Fähigkeiten mitbringen. In vielen Anwendungsfällen wird eine gewisse Intelligenz benötigt, um Kommunikation zu einer übergeordneten Kontrolleinheit wie beispielsweise einer SPS oder Industrie-PC zu ermöglichen. Die Folge ist eine zunehmende Verdrahtung in den Geräten sowie eine höhere Anfälligkeit gegen EMV-Störungen.

Wo früher eine Standardstromversorgung ausreichte, müssen heute für einen störungsfreien Betrieb der Geräte – der in medizinischen Anwendungen nicht verhandelbar ist – zusätzliche Filter eingebaut werden. Das aber kostet Platz und geht völlig am derzeitigen Trend zu immer kompakteren Bauformen vorbei. Genau hier kämpfen Konstrukteure von sensiblen Industriesystemen, Medizin-, Labor- oder Messgeräten ohnehin schon mit Problemen. Denn für den Aufbau eines maximal störungsfreien Systems wird nach wie vor größtenteils zu Trafo- bzw. Linearnetzteilen gegriffen. Sie wiesen lange Zeit als einzige Netzteile das benötigte geringe Rauschverhalten auf.

Der Nachteil: Sie sind deutlich schwerer und größer als Schaltnetzteile, die in der Vergangenheit aber eben wegen ihres suboptimalen Rauschverhalten bei Bau sensibler Geräte nicht eingesetzt werden konnten.

Der Fokus der Netzteile liegt auf geringe Störungen

Anders mit der neuen Generation der Ultra-Low-Noise-Primärschaltregler von Daitron. Sie sind rauscharm, ihre Störeigenschaften liegen auf dem Niveau von Linear-Netzteilen und damit bieten sie eine Alternative. So liegt der Ripple des Modells RFS50 bei einem Wert von 1 mV.

Während bei industriellen Primärschaltreglern Effizienz und Baugröße im Vordergrund stehen, liegt der Fokus der Netzteile von Daitron auf möglichst geringen Störungen – sowohl bei der Netzrückwirkung als auch auf der DC Ausgangsseite und den abgestrahlten Emissionen. Dabei kommt Daitron mit deutlich weniger Entstör-Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten aus als industrielle Schaltnetzteile. Grund dafür ist der Leistungs- bzw. HF-Übertrager. Dieser funktioniert nach dem Prinzip der Resonanz-Mode-Technologie im Soft Switching Verfahren.

• Geringe Temperaturentwicklung: Bei einem Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteil fällt die Temperaturentwicklung im Gerät so gering aus, dass kein Lüfter verwendet werden muss. Während Linear-Netzteile eine Effizienz von 50 bis 60% aufweisen, liegt das Schaltnetzteil mit 1 mV bei bis zu 85%.

• Weitbereichseingang: Schaltnetzteile mit Weitbereichseingang ermöglichen es Geräteherstellern, mit einer Spannungsversorgung weltweite Märkte zu bedienen. Messgeräte, die dagegen mit Linearnetzteilen ausgestattet wurden, benötigen einen länderspezifischen Trafo mit beispielsweise 110 V_AC.

Damit sind die Ultra-Low-Noise-Netzteile für hochsensible Anwendungen in der Sensorik und Analytik geeignet. Somit lassen sich Spektrometrie-Systeme, Hightech-Mikroskope, Scannersysteme oder Röntgen-Detektoren umsetzen. Die Stärken der Netzteile werden im Folgenden an ganz unterschiedlichen Fallbeispielen demonstriert:

• Ultra Low Noise Schaltnetzteile in C-Bogen-Röntgengeräten (Medizintechnik): Untersuchungen belegen, dass Rauschen die Messeigenschaften von CTs negativ beeinflussen kann bzw. dass beim dimensionellen Messen mit CT die Bildqualität maßgeblich die Messgenauigkeit bedingen. Für eine optimale Diagnose müssen CT- und Röntgenaufnahmen sehr scharf ausfallen. Spannungsquellen bedingtes Rauschen sollte folglich auf ein Minimum reduziert werden – ein Fall für rauscharme Schaltnetzteile. Sie sorgen für eine saubere Spannungsversorgung der Flachbild-Detektoren und reduzieren das Übersprechen, das bei langen Leitungen immer wieder zu Fehl­signalen führen kann.

• Ultra Low Noise Schaltnetzteile in Messgeräten für Wellenlängen (Spektometrie): Spektrometer zur Analyse des sichtbaren und nicht sichtbaren Lichts finden in der Forschung und Wissenschaft Anwendung. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Zusammensetzung von entnommenen Proben und ihre Bestandteile oder eventuelle Verunreinigungen. Neben der Erforschung neuer Medikamente, kommen Spektrometer auch in der Qualitätskontrolle von Trinkwasser, Umweltanalytik, Geologie oder Prozesskontrolle zum Einsatz. Eine störungsarme Spannungsversorgung ist hier unumgänglich, um die Ergebnisse frei von äußeren Einflüssen zu halten und Fehlinterpretationen zu vermeiden.

• Ultra Low Noise Schaltnetzteile in Weg-Messsysteme mit Piezo-Elementen: Messgeräte für Längenmessungen werden gleichermaßen in Forschung und Industrie eingesetzt. Beispiel Fertigungskontrolle: überprüft werden hier teilweise Ergebnisse im Nanometer-Bereich. Für solch genaue Messungen werden oft sogenannte Piezo-Elemente verwendet, mit denen kleinste Veränderungen messbar sind. Auch hier darf die Spannungsversorgung das elek­trische Feld nicht beeinflussen und sollte daher einen möglichst geringen Ripple aufweisen. Trafo-Netzteile wären eine Option, führen jedoch aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads teilweise zu erheblicher Abwärmebildung im Messgerät. Der Einsatz eines Low-Ripple-Schaltnetzteils reduziert das Risiko dagegen, dass Temperaturen zum Störfaktor werden – denn die Abwärme fällt um bis zu 70% geringer aus.

• Ultra Low Noise Schaltnetzteile in Amplifiern: Amplifier werden dazu benötigt, Signale zu verstärken – beispielsweise in Rasterelektronen-Mikroskopen, Lasersystemen, Messgeräten, Oszilloskopen, Spektrometern oder Audio-Komponenten. Die Crux: diese Verstärker verstärken sämtliche Bestandteile eines Signals – auch eventuell störendes Rauschen. Aus diesem Grund wurde bisher zur Spannungsversorgung fast ausschließlich auf Linear-Netzteile gesetzt. Immer öfter wird aber Umstieg zu störungsarmen Schaltnetzteilen vorgenommen, die inzwischen nur noch bis 1 mV_pp an Ripple aufweisen und obendrein deutlich weniger Platz benötigen.

Im fiktiven Anwendungsfall werden die Sensoren einer Messeinrichtung – beispielsweise eines Flachbilddetektors in der Röntgentechnik – mit DC Spannung versorgt. Die Systemkomponenten wurden weit entfernt von Netzteilen und Messeinrichtungen eingebaut, sodass DC-Leitungen und Datenkabel gemeinsam über ein- und dieselbe Strecke geführt werden. Hierbei kann es jedoch zum Phänomen des Übersprechen kommen. Es werden Störungen der Versorgungsleitung in die Messleitung eingekoppelt. Die Folge: für eine optimale Auswertung und Diagnose muss das Messsignal verstärkt werden. Dabei werden die Störungen der Spannungsversorgung ebenfalls verstärkt und müssen, zum Teil aufwendig, herausgefiltert werden. Das ist selbst dann der Fall, wenn der Standard-Primärschaltregler über eine medizinische Zulassung verfügt.

Der Vorteil des geringen Ripples bei einem Schaltnetzteil

Anders verhält es sich, wenn vornherein ein Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteil in das Gerät integriert wird. Sein Ripple liegt bei 1 mV_ss und es liefert eine Leistung von 50 W. So geringe Ripple-Werte wurden bisher nur durch Linearnetzteile ermöglicht. Und: der Platzbedarf für die zusätzliche Filterstufe entfällt und kann für andere Komponenten genutzt werden bzw. erlaubt eine kompaktere Bauform. Das knifflige Konzept hinter dieser Schaltnetzteiltopologie ermöglicht es weitgehend auf Entstörkomponenten zu verzichten. Unter anderem führt das weiche Schalten mit flacheren Schaltflanken zu wesentlich weniger Störungen als das üblicherweise harte Schalten mit steilen Flanken bei Standardschaltnetzteilen.

Das Schalten erfolgt synchron zu den Nulldurchgängen mit einer minimalen Überlappung von Spannung und Strom. So werden Störungen auf ein Minimum reduziert, und dass bei Wirkungsgraden zwischen 82 und 90% im Maximum, je nach Ausgangsspannung. Bei industriellen Netzteilen liegt dieser Wert zwar teilweise nochmal höher, aber bei Linearreglern deutlich darunter, bei gerade mal 50 bis 60%. Sowohl die leitungsgebundenen als auch die abgestrahlten Störungen liegen weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte wie beispielsweise die der EN 55022 Klasse B. Gleiches gilt für den Ableitstrom der unter 0,15 mA liegt, was speziell für medizinische Anwendungen essentiell wichtig ist, da für sie die Vorgaben der medizinischen Norm EN 60601-1 gelten.

Eine störungsarme Spannungsquelle

Ob bildgebendes System in der Medizin, der Spektrometrie oder ein hochgenaues Messgerät: Für Hersteller besteht die Möglichkeit, eine alternative, störungsarme Spannungsquelle zu nutzen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Zusätzlich ermöglicht der Einsatz von Low-Ripple-Schaltnetzteilen die Entwicklung deutlich kleinerer Geräte, die für den Anwender leichter zu handhaben sind. Wer seine Geräte weltweit vermarktet, kann erstmals dank Weitbereichseingang nur eine einzige Spannungsquelle einsetzen – mit dem Vorteil, weniger Komponenten vorhalten zu müssen. Gleichzeitig werden internationale Normen wie UL standardmäßig erfüllt, was wiederum den Zulassungsprozess vereinfacht.

* Denny Vogel ist Experte für Schaltnetzteile bei Systemtechnik Leber in Schwaig bei Nürnberg.

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