Medizinische Stromversorgung für DC-Motorantriebe
23.08.2024
In vielen medizinischen Anwendungen werden leistungsstarke DC-Motoren benötigt: zum Heben, Drehen oder Kippen von Krankenbetten und Operationstischen, zum Manövrieren von Präzisions-Chirurgie-Robotern oder zur Steuerung des Luftdrucks in Beatmungsgeräten. Gleichstrommotoren haben den Vorteil eines sehr hohen Leistungsgewichts, eines hohen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen sowie einer hohen Zuverlässigkeit, sodass sie sich ideal für den Einbau in Roboterarme oder Bettmechanismen eignen und mit einem geeigneten Getriebe auch zum präzisen Pumpen von Flüssigkeiten in Dialyse- und Transfusionsgeräten eingesetzt werden können.
Im Stillstand besitzt der Rotor keine Generatorwirkung, sodass der Motorstrom ausschließlich durch den Gleichstromwiderstand der Wicklungen begrenzt wird. Der Einschaltstrom kann kurzzeitig das Dreifache des Nennstroms erreichen, bis der Motor seine Drehzahl aufgebaut hat (Abbildung 1).
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Spitzenstroms beim Einschalten des Motors besteht darin, einen PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) in Reihe zum Motor zu schalten. PTC-Bauelemente besitzen im kalten Zustand einen höheren Widerstand als im warmen Zustand, sodass sie den hohen Einschaltstrom zunächst begrenzen, sich durch die Verlustleistung erwärmen und anschließend den Nennstrom mit geringer Impedanz durchlassen.
Für das folgende Beispiel wird ein Motor mit 24VDC und 125W verwendet, dessen Einschaltstrom für 200ms dreimal höher als der Betriebsstrom ist, wobei der Spitzenstrom um 50% reduziert werden soll (grüne Kurve in Abb. 1).
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Spitzenstroms beim Einschalten des Motors besteht darin, einen PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) in Reihe zum Motor zu schalten. PTC-Bauelemente besitzen im kalten Zustand einen höheren Widerstand als im warmen Zustand, sodass sie den hohen Einschaltstrom zunächst begrenzen, sich durch die Verlustleistung erwärmen und anschließend den Nennstrom mit geringer Impedanz durchlassen.
Für das folgende Beispiel wird ein Motor mit 24VDC und 125W verwendet, dessen Einschaltstrom für 200ms dreimal höher als der Betriebsstrom ist, wobei der Spitzenstrom um 50% reduziert werden soll (grüne Kurve in Abb. 1).
Einschaltstrombegrenzung mit PTC-Widerständen
Die notwendige Spezifikation für den PTC ergibt sich aus den folgenden Beziehungen:Schritt 1: Ermittlung von Nennstrom und Einschaltstrom.
Schritt 2: Berechnen Sie den Energiewert des PTCs:
Schritt 3: Berechnen Sie den Widerstand des PTC, der erforderlich ist, um den Einschaltspitzenstrom um 50% zu reduzieren:
Ein geeigneter Einschaltstrombegrenzer wäre ein 3Ohm-NTC mit einer Energiebelastbarkeit von mindestens 100J und einem Dauerstrom von 6A oder mehr. Auch wenn der Einschaltspitzenstrom auf 50% reduziert wird, muss das Netzteil diesen kurzzeitigen Einschaltstrom zuverlässig liefern können.
Auswahl eines geeigneten medizinischen AC/DC-Netzteils
Anstelle eines 125W-Netzteils für die Dauerleistung wäre daher ein 200W-Netzteil erforderlich, um den hohen Einschaltstrom bereitzustellen. Die Verwendung eines PTC mit höherem Widerstand zur weiteren Reduzierung des Einschaltstroms ist nicht empfehlenswert, da der zusätzliche Serienwiderstand das Motordrehmoment verringert und die Gefahr besteht, dass der Motor unter hoher Last stehen bleibt. Eine technisch sinnvollere Alternative ist die Auswahl eines Netzteils, das den kurzzeitig erhöhten Einschaltstrom liefern kann und gleichzeitig bei Lastfehlern kurzschlussfest ausgelegt ist.Die RACM140E-K Serie von RECOM ist ein solches Netzteil. Diese Serie liefert 140W Dauerleistung und 210W Boost-Leistung für bis zu 10 Sekunden, was ausreicht, um Anlaufspitzen und kurzzeitige Motorstillstandsströme zu bewältigen. Darüber hinaus verfügt sie über einen umfassenden Schutz gegen Kurzschluss und Überstrom am Ausgang. Ein weiteres mögliches Problem der von Gleichstrommotoren erzeugten Gegen-EMK besteht darin, dass die kinetische Energie von Motor und Getriebe den Motor unter bestimmten Bedingungen, wie z.B. bei plötzlicher Lastabschaltung oder starker Abbremsung, in einen Generator verwandelt. Dadurch kann die Gegen-EMK die Antriebs-EMK übersteigen und die Motorspannung ansteigen.
Die überschüssige Energie kann durch einen parallel zum Motor geschalteten Kondensator (C1) aufgenommen werden, was jedoch den Nachteil hat, dass sich der Einschaltstrom beim Anlaufen erhöht, weshalb die Kapazität entsprechend begrenzt werden muss. Eine technisch robustere Lösung ist es, die Gegen-EMK-Spannung über einen Bremswiderstand abzuleiten, der parallel zum Motor angeordnet ist und nur dann über Q1 zugeschaltet wird, wenn die Motorspannung die Versorgungsspannung übersteigt (Abbildung 2).
Die AC/DC-Stromversorgung muss in der Lage sein, die durch die Gegen-EMK erzeugte Motorspannung entweder mit einem einfachen Motorkondensator oder mit einer geschalteten Bremswiderstandslösung sicher zu beherrschen.
Die RACM140E-Serie verfügt über einen Ausgangsüberspannungsschutz, dessen Schwelle deutlich oberhalb der Nennausgangsspannung liegt, sodass motorbedingt erzeugte Gegen-EMK-Spannungen sicher beherrscht werden können (siehe Tabelle 1).
Die AC/DC-Stromversorgung muss in der Lage sein, die durch die Gegen-EMK erzeugte Motorspannung entweder mit einem einfachen Motorkondensator oder mit einer geschalteten Bremswiderstandslösung sicher zu beherrschen.
Die RACM140E-Serie verfügt über einen Ausgangsüberspannungsschutz, dessen Schwelle deutlich oberhalb der Nennausgangsspannung liegt, sodass motorbedingt erzeugte Gegen-EMK-Spannungen sicher beherrscht werden können (siehe Tabelle 1).
| Parameter | Modell | Ausgangsspannung | OVP-Ebene |
|---|---|---|---|
| Überspannungsschutz (Hiccup-Modus) |
RACM140E-12SK | 12V | 30V |
| RACM140E-15SK | 15V | 30V | |
| RACM140E-24SK | 24V | 40V | |
| RACM140E-36SK | 36V | 48V | |
| RACM140E-48SK | 48V | 65V |
Tabelle 1: Überspannungsschutz (OVP) am Ausgang der Serie RACM140E
Medizinische Zulassungen und Schutzfunktionen
Das „M" im Namen RACM140E-K steht für „Medical", da diese Serie für den Einsatz in medizinischen Anwendungen zertifiziert ist, d.h. sie verfügt über eine verstärkte 2MOPP-Isolierung (zwei Mittel zum Schutz des Patienten) gemäß den medizinischen Sicherheitsnormen EN/IEC 60601-1 und ANSI/AAMI ES 60601-1 und entspricht der medizinischen EMV-Norm EN 60601-1-2. Der Ausgangsableitstrom gegen Erde liegt unter 300µA und ist somit für Body Floating (BF) Patientenanschlüsse geeignet. Der Berührungsstrom im Normalbetrieb beträgt weniger als 100µA.
Das RACM140E-Netzteil ist mit Molex-Steckern, Push-In-Anschlüssen oder Kabelschuhen erhältlich und kann im Schaltschrank oder Gehäuse montiert werden. Die geringe Bauhöhe von maximal 40mm ermöglicht den Einsatz auch in 1HE-Rack-Gehäusen. Neben der medizinischen Zertifizierung ist das RACM140E gemäß den Sicherheits- und EMV-Normen für Haushalt und Industrie zugelassen, mit Überspannungskategorie OVC III bis 2000m Höhe oder OVC II für den Betrieb bis 5000m Höhe.
Abmessungen:
Zur Vereinfachung der Systemintegration verfügt die RACM140E-Serie über ausreichende Reserven zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte nach EN55032 Klasse B sowie über erhöhte Störfestigkeit gegen Überspannungen und Burst. Der Eingangsspannungsbereich ist universell von 80-264VAC oder 120-370VDC. Die nominalen Ausgangsspannungen von 12VDC, 15VDC, 24VDC, 36VDC oder 48VDC lassen sich über ein integriertes Trimmpotentiometer um bis zu +20% einstellen.
Dank der kompakten Bauform, der kostengünstigen Ausführung, der hohen Spitzenlastfähigkeit und der umfassenden Sicherheits- und EMV-Zertifizierungen für Medizin, Haushalt und Industrie bietet das RACM140E neben der Versorgung von Gleichstrommotoren zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten, z.B. in der Gebäude- und Heimautomatisierung, in medizinischen Robotersystemen, in der Daten- und Telekommunikation, in der Industrieautomatisierung, in der Intralogistik sowie in Prüf- und Messanwendungen.
Abmessungen:
- Enclosed: 147 x 81,5 x 40mm
- Open Frame: 147 x 81,5 x 38mm
Zur Vereinfachung der Systemintegration verfügt die RACM140E-Serie über ausreichende Reserven zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte nach EN55032 Klasse B sowie über erhöhte Störfestigkeit gegen Überspannungen und Burst. Der Eingangsspannungsbereich ist universell von 80-264VAC oder 120-370VDC. Die nominalen Ausgangsspannungen von 12VDC, 15VDC, 24VDC, 36VDC oder 48VDC lassen sich über ein integriertes Trimmpotentiometer um bis zu +20% einstellen.
Dank der kompakten Bauform, der kostengünstigen Ausführung, der hohen Spitzenlastfähigkeit und der umfassenden Sicherheits- und EMV-Zertifizierungen für Medizin, Haushalt und Industrie bietet das RACM140E neben der Versorgung von Gleichstrommotoren zahlreiche weitere Einsatzmöglichkeiten, z.B. in der Gebäude- und Heimautomatisierung, in medizinischen Robotersystemen, in der Daten- und Telekommunikation, in der Industrieautomatisierung, in der Intralogistik sowie in Prüf- und Messanwendungen.
Anwendungen
| Serie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
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RACM140E-K
Fokus
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