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Um den zuverlässigen Betrieb von medizinischen Geräten zu gewähr- leisten, spielen EMV-Filter eine wichtige Rolle. Neben der Entstörung auf den eingesetzten Komponenten wie Schaltnetzteilen oder Controller- Systemen ermöglicht ihr zentraler Einsatz in der Netzzuleitung ein flexibles Gerätedesign.
Um elektromagnetische Störaussendungen zu unterdrücken, ist der Netzanschluss eines Gerätes selbst bei EMV-gerechtem Design der Einzelkomponenten immer noch einer der Hauptansatzpunkte zur Geräte-Entstörung. Den IEC-Stecker eines Gerätes mit dem EMV-Filter zu kombinieren, entspricht dem Optimum, die Entstörung direkt bei der Netz-Zuleitung eines Gerätes anzubringen und ist meist auch noch die wirtschaftlichste Lösung.
Das Rundum-Metallgehäuse der IEC-Stecker-Filter von Schaffner mit der flächi- gen Verbindung zur Gehäusewand schafft eine klare Trennstelle zwischen dem nicht entstörten oder teilentstörten Innenbereich des Gerätes und der äußeren Umgebung. Selbst bei engstem Bauraum im Inneren des Gerätes mit Baugruppen oder Kabeln in unmittelbarer Nähe des Filters kommt es zu keinem Übersprechen.
Bild 1: Der High-Performance-IEC-Steckerfilter von Schaffner: FN9244
Für die elektrische Sicherheit in medizinischen Geräten kommen verschiedene Standards zur Anwendung. Aktuell findet man in der Liste der EU-weit harmoni- sierten Normen der Niederspannungs-Richtlinie zur elektrischen Sicherheit für medizinische Geräte neben der IEC/EN 61010 auch die IEC/EN 60601. Die Frage welche der Normen angewendet werden muss, ergibt sich im Wesentlichen aus der Unterscheidung nach medizinischen Geräten (MD = Medical Devices) oder Diagnosegeräten (IVD = In Vitro Diagnostics).
Bild 2: Eine elektronische Spritzpumpe im Einsatz
Medizinische elektrische Geräte
Produkte wie Spritzenpumpen, Beatmungsgeräte, Laser oder Geräte zur Pa- tientenüberwachung, von denen Anwendungsteile direkt in physikalischem oder elektrischem Kontakt mit dem Patienten stehen, werden als medizinische elek- trische Geräte (MD) definiert. Da MD-Geräte oft vom AC-Netz versorgt werden, müssen sie neben den allgemeinen Anforderungen der Niederspannungsrichtlinie auch der IEC/EN 60601 entsprechen.
Diese fordert höhere Luft- und Kriechstrecken sowie geringere Ableitströme. Bei 250 VAC sind hier 2,5 mm Luft- sowie 4 mm Kriech-Strecke als Basisisolierung gefordert. Die maximal zulässigen Gehäuse-Ableitströme im Normalbetrieb sind 0,1 mA.
Bezüglich EMV verweist die IEC/EN 60601 auf die entsprechenden Grenzwerte der CISPR-Standards. Die meisten medizinischen elektrischen Geräte werden ähnlich wie bei den allgemeinen Standards in Klassen nach Einsatz im Haushalt und Arztpraxis (B) oder im Krankenhaus in gesonderter Netzversorgung (A) eingeteilt. Die Emissionen müssen die Grenzwerte nach CISPR11 einhalten. Für einfache elektrische Komponenten wird auf CISPR14, bei Beleuchtungsein- richtungen auf CISPR15 und bei IT-Systemen auf CISPR22 verwiesen.
Spezielle Anforderungen an das Design des EMV-Filters.
FN 9244 ist von 1-15A lieferbar und wie die bestehenden Baureihen für eine maximale Dauerbetriebsspannung von 250VAC mit einem Frequenzbereich bis zu 400Hz ausgelegt. Zur zusätzlichen Unterdrückung von Störungen auf dem Erdleiter sind die IEC-Stecker-Filter auch mit einer Schutzleiterdrossel (FN9244E) erhältlich.
Um bei Geräten dieser Kategorie den hohen Anforderungen an die Ableitströme gerecht zu werden, sind alle Baureihen ohne Y-Kondensatoren als sogenannte B- Typen lieferbar. Alle B-Typen mit (FN92xxEB) oder ohne (FN92xxB) Erdleiter- drossel können daher ohne Einschränkung für MD-Geräte eingesetzt werden.
Bild 3: Eine Anwendungs-Übersicht für IEC-Stecker-Filter der Baureihe FN92xx
Die EMV-Anforderungen für Diagnosegeräte
Die zweite Gerätegruppe sind Diagnosegeräte (IVD = In Vitro Diagnostics), die zur Aufbereitung und der Analyse von Körperflüssigkeiten oder menschlichem Gewebe eingesetzt werden. Darunter fallen Zentrifugen, Blutbild-Analysatoren, Gas- oder Flüssigkeits-Chromatographen sowie diverse Labor-Geräte, die zwar als medizinisches Produkt, aber nicht als elektrisch medizinisches Gerät gemäss IEC/EN60601 klassifiziert werden. Hier wird die IEC/EN61010 angewendet. Die Grenzwerte für den Ableitstrom betragen 0,5 mA effektiv unter normalen Be- dingungen sowie maximal 3,5 mA effektiv im Fehlerfall für sinusförmige Größen. Die EMV-Anforderungen für IVD-Geräte sind in der harmonisierten EN 61326 geregelt. Es können alle IEC-Stecker-Filter dieser Baureihen sowohl mit Y-Kon- densatoren (FN92xx) als auch mit integrierter Schutzleiterdrossel (FN92xxE) eingesetzt werden, da ihr Ableitstrom im Normalfall 0,16 mA und im schlechtesten Fall höchstens 0,373 mA beträgt. Das ermöglicht die IEC-Stecker-Filter auch parallel zu geräteinternen Netzteilen mit integrierter Filterung einzusetzen. Dabei muss auf den Gesamtableitstrom geachtet werden.
Identische Bauform aller Baureihen
Kennzeichnend ist auch die durchgehend identische Bauform dieser Baureihen. Neben der klassischen Flansch-Montage sind alle auch für Snap-In-Montage lieferbar. EMV-Filter mit Snap-In-Montage werden in den Ausschnitt der Gehäu- sewand hineingedrückt und rasten durch die Metallzungen ohne zusätzlichen Schraubvorgang dauerhaft mit definiertem Anpressdruck ein. Das spart Montage- zeit und erhöht die Gerätesicherheit.
Der Blechausschnitt ist bei allen Produkten der gleichen Montageart, nämlich Flansch- oder Snap-In-Montage, horizontal oder vertikal, identisch. Mit dem IEC- Stecker Typ C14 in der Ausführung mit oder ohne Schutzleiterdrossel ist ein weiter Bereich von Anforderungen im Wesentlichen mit zwei Gehäusegrößen abgedeckt. EMV-Filter für höhere Ströme bis zu 20 A mit Typ C20 oder Typ C16 (Hot-Inlet) sind ebenfalls standardmäßig lieferbar.
Bild 4a: Prinzipschema EMV-Filter
Die erhöhten Anforderungen
Das Bild 4 zeigt das typische Prinzip-Schaltbild der IEC-Stecker-Filter. Sowohl an den X-Kondensatoren, die zwischen den aktiven Leitern sitzen, als auch an den Y- Kondensatoren, die zwischen aktivem Leiter und der Erde sitzen, werden aufgrund ihrer direkten und ständigen Verbindung mit dem Versorgungsnetz erhöhte Anforderungen an Spannungsfestigkeit, Selbstheilung, Isolation oder Lebensdauer gestellt, die in der IEC/EN 60384-14 beschrieben sind.
Man unterscheidet prinzipiell zwei Arten von Störung:
Störpegel die zwischen den aktiven Leitern auftreten, werden als symmetrische Störung (DM = Differential Mode) bezeichnet.
Störungen auf den aktiven Leitern, deren Strompfad über die Erde zurückführt, sind so genannte asymmetrische Störungen (CM = Common Mode).
Weiteres Kern-Element der EMV-Filter ist daher die stromkompensierte Drossel. Sie dämpft die vom Gerät auf die Netzleitung ausgehenden asymmetrischen Störungen. Ausserdem bildet sie mir ihrer Streuinduktivität und dem netzseitigen X-Kondensator einen Tiefpass für die symmetrischen Störungen. Daneben unter- drückt sie Netzstörungen und verbessert die Geräteimmunität.
Gefährliche Berührspannungen vermeiden
Die B-Typen der IEC-Stecker-Filter sind aufgrund der erwähnten Anforderungen zu den Ableitströmen von MD-Geräten ohne Y-Kondensatoren ausgeführt. Um bei Geräten mit Netzanschluss, die über ein weiteres Verbindungskabel wie eine Schnittstelle oder einen Bus miteinander verbunden sind, Störschleifen über die Erdleitung gezielt zu unterdrücken, sind alle Filterfamilien auch mit einer Schutz- leiterdrossel (E-Ausführung) lieferbar.
Der in den Schaltbildern dargestellte Widerstand R zwischen den aktiven Leitern sorgt für eine Entladung der Kondensatoren, damit bei einer Berührung der Pole des abgezogenen Netzsteckers keine gefährliche Berührspannung auftreten kann. Es empfiehlt sich deshalb immer die Option R (Bleed Resistor) zu wählen, wenn geräteintern dafür keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen wurden.
Einfügungsdämpfung mit 50 Ohm
Die Einfügungsdämpfung von EMV-Filtern wird gemäß CISPR 17 mit jeweils 50 Ω Eingangsimpedanz und Abschlussimpedanz gemessen und der Frequenzverlauf in allen Datenblättern dargestellt. Für eine erste Orientierung sind diese Dia- gramme sicher hilfreich. Die tatsächliche Dämpfung eines EMV-Filters hängt von den in der Applikation herrschenden Impedanzverhältnissen ab.
Diese sind nicht immer 50 Ω und meist auch komplexer Natur. In der Praxis kom- men meist ein induktiver Anteil auf der Netzseite sowie ein kapazitiver Anteil auf der Lastseite hinzu. Deshalb muss die Wirksamkeit eines EMV-Filters im Gerät überprüft werden. Schaffner verfügt über ein weltweites Netz von Engineering- Organisationen und kann entsprechend Unterstützung bei der Entstörung von Geräten bieten. Neben dem Standardprogramm können auf Anfrage auch kun- denspezifische Lösungen umgesetzt werden. So sind auch Versionen mit verklei- nerten Y-Kondensatoren mit Ableitströmen < 0,1 mA möglich.
Verbesserte Dämpfung
Wie die Messkurven zu den Einfügungsdämpfungen im Bild 5 zeigen, nimmt die Dämpfung für asymmetrische Störungen bei den B-Ausführungen durch das Fehlen der Y-Kondensatoren speziell im höheren Frequenzbereich ab. In der Regel erfolgt dies nach der Resonanzstelle, die von der Hauptinduktivität der eingesetzten stromkompensierten Drossel und der parallelen Wicklungskapazität bestimmt wird.
Die um ungefähr Faktor 5 höheren Induktivitätswerte der Baureihe FN9244 ver- schieben diese Resonanzstelle nach oben und verbessern somit bei der B-Aus- führung über den gesamten Bereich die Einfügungsdämpfung.
Bild 5: Einfügungsdämpfung FN9222B-3-06 und FN9244B-3-06
Medizinische Geräte mit Patientenkontakt
Um flexibel auf die unterschiedlichen Anforderungen eingehen zu können, hat Schaffner seine IEC-Stecker-Filter FN9222 und FN9233 in der Filter-Performance nach oben ergänzt. Die Baureihe FN9244 bietet identische Blechausschnitte und gleiche Baugröße und ist flexibel in der zentralen Entstörung von Gerätekonstruk- tionen. Gegenüber der Baureihe FN9222 erreicht FN9244 eine um 8 bis 10 dB bessere Einfügungsdämpfung. Für den weltweiten Einsatz in Geräten sind die Filter nach ENEC, UL, CSA und CQC geprüft und entsprechen den Anforderungen zu RoHS und REACH.
Durch die Konstruktion stellen die EMV-Filter bei einem engen Gerätebauraum eine saubere Entstörung sicher und sorgen für eine Erhöhung der Geräteimmu- nität gegenüber Störungen von der Netzzuleitung. Wie die bisherigen IEC-Stecker- Filter wurde FN9244 speziell auf die Anforderungen der Gerätenormen für medizinische Geräte mit Patientenkontakt oder im medizinischen Umfeld abge- stimmt.
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Schaffner EMV AG
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