Schutz vor dem Kurzschluss

Für industrielle Applikationen genügt eine einfache, funktionale Isolation, bei der die Primär- und Sekundärwicklung eines Trafos direkt übereinander gewickelt werden. Die Magnetfelder überlagern sich dabei vollständig, sodass der maximale Wirkungsgrad erreicht wird. Beide Wicklungen sind dabei nur durch die Lackschicht der Drähte voneinander isoliert, was in einwandfreiem Zustand für Prüfspannungen von einigen Tausend Volt ausreicht. Werden die Lackschichten allerdings durch Alterung und Vibration beschädigt, kann dies zum Kurzschluss zwischen Primär- und Sekundärkreis führen. Da in der Medizinelektronik ein solcher Defekt fatale Konsequenzen für den Patienten hätte, muss der Patient von der Elektronik durch doppelt isolierte Re-inforced-Wandler getrennt sein.

Die weltweit anerkannte UL60601-1 definiert hierfür unter anderem die Luft- und Kriechstrecken des Trafos. Diese sind, von der Eingangsspannung abhängig, in mehrere Klassen unterteilt. Genügt für einen einfach isolierten DC/DC-Wandler mit einem Eingangsbereich von 18 bis 72 V eine Luft- strecke von 0,7 mm, so ist die Forderung für die Re-inforced isolierte Version mit 2,4 mm schon mehr als dreimal so hoch. Ähnliches gilt für die Kriechstrecken.

Große Luft- und Kriechstrecken sind recht einfach zu realisieren, indem man Primär- und Sekundärwicklung getrennt voneinander auf die entgegengesetzten Hälften eines Ringkerns wickelt. Dies hat allerdings zwei unerwünschte Nebeneffekte: Zum einen sind Ringkerntrafos größer. Zum anderen verschlechtern sich mit wachsendem Abstand der Wicklungen die elektromagnetische Performance und damit der Wirkungsgrad des Trafos. Ein Beispiel aus der Praxis: Liegt der Wirkungsgrad eines Wandlers mit einfach isoliertem Trafo bei rund 85 %, so schafft die Re-inforced isolierte Version mit Ringkern-trafo nur 75 %. Bei 3,5 W Nennleistung läge der Energieverlust eines in konventioneller Ringkerntechnik aufgebauten Re-inforced-Wandlers bei 1,17 W und damit um fast 90 % höher als der des einfach isolierten mit 0,62 W. Ein weiterer Nachteil: Da der Energieverlust in Wärme umgewandelt wird, die zulässige Betriebstemperatur des Ringkernwandlers mit etwa +70 °C aber rund 15 °C niedriger ist, muss unter Umständen eine zusätzliche Kühlung erfolgen.

Entwicklungsingenieuren der Recom Development GmbH, Gmunden, ist es gelungen, Primär- und Sekundärwicklung des Trafos so ineinander zu verzahnen, dass sich die Magnetfelder nahezu optimal überlappen können. Ein speziell geformter Trafokern und neue Isolationsmaterialien sorgen darüber hinaus dafür, dass nicht nur die in UL 60601-1 vorgeschriebenen Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden, sondern auch höhere Isolationsspannungen bis 10 kVDC erreicht werden. Außerdem konnte die Wicklungskapazität je nach Type auf Werte zwischen 1,5 pF und 20 pF reduziert werden. Dies sorgt für sehr niedrige Ableitströme, wie sie in der Medizintechnik erforderlich sind. Die neue Technik wurde unter der Bezeichnung Re3-inforced zum Patent an- gemeldet.

Zwar sind die neuen Trafos noch immer etwas größer als jene mit einfacher Isolation, aber dank Miniaturisierung bei anderen Bauteilen wie beispielsweise dem Gleichrichter oder den Leistungstransistoren konnten die neuen Wandler ausnahmslos im Gehäuse der einfach isolierten Versionen untergebracht werden. Sie sind dabei dauerhaft gegen Kurzschluss und Überlast geschützt und optional auch mit Unterspannungsschutz und Remote-Pin lieferbar.

Auf diesem Trafokonzept basiert eine ganze Generation neuer Re-inforced-Wandler für medizinische Applikationen. Die beiden kleinen Serien sind im SIP7-Gehäuse lieferbar und haben eine Nennleistung von 1 W (Rxx/Pxx) beziehungsweise 2 W (Rxx/P2xx). Sie sind ungeregelt und bis 6,4 kVDC und 8 kVDC Re-inforced isoliert. Die beiden größeren Serien haben 3,5 W (REC3.5) und 6 W (REC6) Nennleistung und sind im DIP24-Gehäuse lieferbar. Sie sind geregelt und bis 8 kVDC beziehungsweise 10 kVDC Re-inforced isoliert. Den 2-W-Wandler gibt es ebenfalls im DIP24-Gehäuse (RV). Er ist pin-kompatibel zu größeren Wettbewerbsmodellen. Der Wirkungsgrad erreicht je nach Modell Werte bis 88 % – die zulässige Betriebstemperatur ist mit -40 °C bis + 85 °C spezifiziert.

Die neu entwickelten Re3-inforced- Serien sind ausnahmslos im Gehäuse der einfach isolierten Version untergebracht und haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Obwohl die Produkte kostengünstig in Taiwan produziert werden, sieht sich Recom als europäischer Hersteller mit Entwicklung und Qualitätsmanagement in Gmunden/Österreich. Neue Produkte werden schon während der Entwicklung im eigenen Umweltlabor ausgiebigen Highly Accelerated Life Tests (HALT) unterzogen, um gegebenenfalls frühzeitig Schwachstellen erkennen zu können. Dieser Schnellalterungstest ist ein Verfahren mit dem Ziel, vorzugsweise elektronische und elektromechanische Baugruppen noch im Entwicklungsstadium einer beschleunigten Alterung auszusetzen, um Schwachstellen und Designfehler aufdecken zu können. Die Gewährleistungsfrist für die neuen Wandler beträgt drei Jahre. Muster sind ab Lager lieferbar.

Reinhard Zimmermann Recom Electronic, Dreieich

Isolationsspannungen werden in den Datenblättern mit unterschiedlichem Bezug angegeben – wahlweise in VDC/1 s, VDC/1 min, VAC/1 s, VAC/1 min oder für kontinuierlichen Betrieb. Da Wandler dabei unterschiedlich stark beansprucht werden, ergeben sich unterschiedliche Grenzwerte. Ein Wert von beispielsweise 4000VDC/1 s entspricht 2000VAC/1 min. Mit dem Isolation Calculator hat der Nutzer eine „schlaue Scheibe“ zur Hand, mit der alle gängigen Werte leicht umgerechnet werden können. Einfach den bekannten Wert durch Verdrehen auswählen und die äquivalenten Werte im Fenster ablesen. Die farblich gekennzeichneten Einsatzgebiete am Rand – beispielsweise grün für Medical – dienen der schnelleren Orientierung. Der Calculator kann auf der Website des Unternehmens als persönliches Exemplar kostenlos angefordert oder online genutzt werden.