DE102016008335A1

DE102016008335A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Schaltung von Energiequellen für ein Beatmungsgerät

Info

Publication number: DE102016008335A1
Application number: DE102016008335.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hansen
Original assignee: Loewenstein Medical Technology SA
Current assignee: Loewenstein Medical Technology SA
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schaltung von Energiequellen für ein Beatmungsgerät mit zumindest einer primären Energiequelle und zumindest zwei sekundären Energiequellen, wobei die sekundären Energiequellen in Parallelschaltung von der primären Energiequelle geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers, entladen werden.

Description

Diese Erfindung dient der Versorgung wichtiger Funktionen eines Beatmungsgerätes mit elektrischer Energie, wenn eine primäre Energiequelle ausgefallen ist. Das Beatmungsgerät wird über ein Netzteil an das Versorgungsnetz (ortsübliches Wechselspannungsnetz z. B. in Deutschland 230 V 50 Hz) angeschlossen. Das Netzteil versorgt das Gerät mit Energie. Die interne Betriebsspannung beträgt je nach Gerät zwischen 12 V und 48 V. Ist das Gerät mit einem Akkumulator ausgestattet, ist seine Nennspannung in demselben Bereich angeordnet. Netzteil und/oder Akkumulator dienen somit im regelgerechten Betrieb als primäre Energiequelle. Da bei einem Ausfall der primären Energiequelle der Elektromotor nicht mehr mit Energie versorgt wird, kann der Patient nicht mehr beatmet werden. Daher ist insbesondere bei der lebenserhaltenden Beatmung ein Energieausfall-Alarm notwendig. Hierfür ist üblicherweise eine sekundäre Energiequelle zuständig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Energieversorgung bei Ausfall der primären Energiequelle zu schaffen. Im Falle eines Gerätes mit zwei primären Energiequellen (Akku und Netzteil) gilt dies für den Ausfall beider Energiequellen oder einer Energiequelle.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Schaltung von Energiequellen für ein Beatmungsgerät mit zumindest einer primären Energiequelle und zumindest zwei sekundären Energiequellen, wobei die sekundären Energiequellen in Parallelschaltung von der primären Energiequelle geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers, entladen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät mit zumindest einer primären Energiequelle und zumindest zwei sekundären Energiequellen wobei die sekundären Energiequellen in Parallelschaltung von der primären Energiequelle geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers, entladen werden.
Die sekundären Energiequellen sind vorteilhaft als SuperCap-Kondensatoren ausgeführt. Superkondensatoren (kurz Supercaps), auch Ultrakondensatoren genannt, sind elektrochemische Kondensatoren und als solche eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren.
Die Umschaltung der sekundären Energiequellen erfolgt vorteilhaft unter Verwendung einfacher und kostengünstiger analoger Schaltelemente, z. B. MOSFET-Schalttransistoren. Die Umschaltung der sekundären Energiequellen erfolgt beispielsweise nach Erkennung einer Spannungsunterbrechung der primären Energiequelle, um den Ausfallalarm zu aktivieren. Sie hat grundsätzlich den Zweck, einen wesentlich vergrößerten Anteil der in den Kondensatoren gespeicherten Ladung nutzen zu können.
Die Superkondensatoren können beliebige am Markt erhältliche Artikel sein, die mittlerweile in vielen Leistungsstufen angeboten werden. Die hier genannten Werte der Leistungsstufen dienen daher nur als Beispiele. Die Kapazitanz je Superkondensator kann liegen bei 0.1 F bis 3000.0 F. Die Nennspannung je Superkondensator kann beispielsweise liegen bei 2.0 V, 2.5 V, 2.7 V, 3.0 V, 5.5 V, 6.0 V bis 12.0 V, 15.0 V, 20.0 V, 24.0 V, 48.0 V, 80.0 V oder noch höher. Die Superkondensatoren haben einzeln vollgeladen eine Spannung von beispielsweise bis zu 3 V. Aus der Spannung der Kondensatoren, die sich im Betrieb durch Entladung ständig verringert, wird in der Regel durch Spannungs-Schaltregler eine oder mehrere konstante Spannung(en) erzeugt, die der Speisung der Alarm-erzeugenden oder der Abnehmer-Schaltungsteile dient. Solche Spannungsregler funktionieren in der Regel nur bis zu einer Mindest-Eingangsspannung, hier beispielsweise ca. 1,5 V. Unterschreitet die Kondensatorspannung, die ja die Eingangsspannung dieses Spannungsreglers darstellt, diesen Wert, so hört der Spannungsregler auf zu funktionieren und es kann kein Alarm mehr abgegeben werden. Die dann noch im Kondensator gespeicherte Ladung kann nicht mehr genutzt werden. Zur Berechnung wird die Tatsache genutzt, dass die in einem Kondensator gespeicherte Ladung direkt proportional zu seiner Spannung ist, darum gilt: Das Verhältnis von dem genutzten Kondensator-Spannungsbereich (Un) zur max. Kondensatorspannung (Uc) zeigt den Prozentsatz, zu dem die Ladung der Kondensatoren genutzt werden kann (Wirkungsgrad W): W = (Un/Uc)·100% (1)
Der genutzte Spannungsbereich (Un) ergibt sich aus der Differenz von max. Kondensator-Spannung (Uc) und min. Regler-Eingangsspannung (Ur) wie folgt: Un = Uc – Ur (2)
In der Parallelschaltung ist die Kondensatorspannung (Uc_p) 3 V. Die Nutzspannung Un_p ist dann: Un_p = 3 V – 1,5 V = 1,5 V (2)
Damit ergibt sich der Parallel-Wirkungsgrad W_p): W_p = (Un_p/Uc_p)·100% = (3 V/1,5 V)·100% = 50% (1)
Ein solch niedriger Wirkungsgrad ist wirtschaftlich nachteilig. Deshalb ist es sinnvoll, die Kondensatoren zur Entladung in Reihe zu schalten.
In der Reihenschaltung ist die Kondensatorspannung (Uc_r) 3 V. Die Nutzspannung Un 3 ist dann: Un_r = 6 V – 1,5 V = 4,5 V (2)
Damit ergibt sich der Reihen-Wirkungsgrad W_r): W_r = (Un_r/Uc_r)·100% = (4,5 V/6 V)·100% = 75% (1)
Der Wirkungsgrad verbessert sich also durch die Reihenschaltung der Super-Kondensatoren um 25% auf 75%. Damit können die kostenintensiven Super-Kondensatoren wesentlich wirtschaftlicher genutzt werden.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Beatmung. Im Bereich des Beatmungsgerätes (1) mit Bedienfeld (2) sowie Anzeige (3) ist in einem Geräteinnenraum ein Elektromotor (13, nicht dargestellt) mit Gebläse angeordnet. Über eine Kopplung (4) wird ein Verbindungsschlauch (5) angeschlossen. Entlang des Verbindungsschlauches (5) kann ein zusätzlicher Druckmessschlauch (6) verlaufen, der über einen Druckeingangsstutzen (7) mit dem Gerätegehäuse (1) verbindbar ist. Zur Ermöglichung einer Datenübertragung weist das Gerätegehäuse (1) eine Schnittstelle (8) auf. Im Bereich einer dem Gerätegehäuse (1) abgewandten Ausdehnung des Verbindungsschlauches (5) ist ein Ausatmungselement (9) angeordnet. Ebenfalls kann ein Ausatemventil verwendet werden.
1 zeigt darüber hinaus eine Beatmungsmaske (10), die als Nasalmaske ausgebildet ist. Eine Fixierung im Bereich eines Kopfes eines Patienten kann über eine Kopfhaube (11) erfolgen. Im Bereich ihrer dem Verbindungsschlauch (5) zugewandten Ausdehnung weist die Beatmungsmaske (10) ein Kupplungselement (12) auf.
Der Motor des Beatmungsgerätes ist beispielsweise als ein mehrphasiger Motor realisiert. Als Motor können bürsten- und sensorlose Gleichstrommotoren sowie Synchronmotoren verwendet werden. Im Bereich des Gerätegehäuses befindet sich ein Bedienfeld für die Anwenderinformation und/oder Anwendersteuerung. Bevorzugt ist das Beatmungsgerät tragbar und verfügt optional über eine Energieversorgung, die die Beatmung zumindest für mehr als 2 Stunden aufrechterhält, wenn das Gerät nicht über einen Netzstecker mit Energie versorgt wird. Die Mobilität ist durch die zusätzliche Anschlussmöglichkeit an das Bordnetz eines Fahrzeugs (über 12 oder 24 Volt) oder an eine entsprechende andere Energieversorgung erweiterbar. In einem Geräteinnenraum ist eine Atemgaspumpe angeordnet, die beispielsweise als Elektro-Motor mit Lüfterrad ausgeführt ist, dessen Betrieb über eine Motorsteuerung regelbar ist. Der Betrieb des Motors und dessen Leistungsregelung sind durch die Motorsteuerung regelbar. Die Motorsteuerung berücksichtigt Daten von zumindest einer Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtung ermittelt zumindest ein mit dem Atemgasstrom in Zusammenhang stehendes Signal. Ein Analysator ermittelt aus dem mit dem Atemgasstrom in Zusammenhang stehenden Signal beispielsweise Inspirationsphasen und Exspirationsphasen. In zumindest einem Betriebszustand regelt die Motorsteuerung die Lüfterraddrehzahl in Abhängigkeit der ermittelten Atemphase derart, dass während der Inspirationsphase ein im Wesentlichen konstanter positiven Druck aufrechterhalten wird. Der Motor ist derart ausgelegt, dass durch Drehzahländerung ein Druckbereich einstellbar ist. Druckänderungen werden beispielsweise durch Drehzahländerungen des Lüfterrades realisiert.
2 und 3 zeigen einen schematischen Schaltaufbau. Als primäre Energiequelle (13) für das Beatmungsgerät dient das Netzteil und/oder der Akkumulator (13'). Die primäre Energiequelle (13) versorgt auch die sekundären Energiequellen, beispielsweise als Superkondensator (15) ausgeführt, mit Energie, die dort gespeichert wird. Ein Laderegler (14) setzt die parallele Ladung der sekundären Energiequellen (15) um. Ein optionaler Comparator (18) überwacht den Ladezustand der sekundären Energiequellen (15). Ein Schaltmodul (19) schaltet die sekundären Energiequellen (15) zur Entladung in Reihe. Dies erfolgt nachdem festgestellt wurde, dass keine oder nicht ausreichend Energie von der primären Energiequelle (13) bereit gestellt wird. Über einen DC-DC-Converter (16) wird ein Abnehmer (17) wie beispielsweise ein Alarmlautsprecher oder ein Schaltventil oder eine Speichereinrichtung oder ein Prozessor aus der sekundären Energiequelle (15) gespeist.
Die Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät mit zumindest einer primären Energiequelle (13), die zur Energieversorgung des Beatmungsgerätes dient, weist zumindest zwei sekundären Energiequellen (15) – die bevorzugt als SuperCap-Kondensatoren (15) ausgeführt sind – auf, die in Parallelschaltung von der primären Energiequelle (13) geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers (17), entladen werden. Die Umschaltung der sekundären Energiequellen erfolgt bevorzugt unter Verwendung analoger Schaltelemente (19) und/oder die Umschaltung ist in Software (Firmware) realisiert. Die Umschaltung der sekundären Energiequellen (15) erfolgt nach Erkennung (20) einer Spannungs- oder Strom-unterbrechung der primären Energiequelle, wenn also die Energieversorgung des Beatmungsgerätes unterbrochen ist. Dann wird zumindest ein Abnehmer (17), beispielsweise ein Ausfallalarm (17) oder ein Schaltventil durch die Energie der in Reihe geschalteten SuperCap-Kondensatoren mit Energie versorgt. Bevorzugt öffnet das Schaltventil dann, um dem Patienten einen freien Zugang zur Umgebungsluft zu ermöglichen. Beispielsweise kann auch eine Abspeicherung der Beatmungseinstellungen oder der Beatmungshistorie kurz vor der Energieunterbrechung gespeichert werden.
4 und 5 zeigen die Schaltungsanordnung, wie in 2 und 3, jedoch mit einem zusätzlichen ein Erkennungsmittel (20), welches in den 2 und 3 zur Vereinfachung weg gelassen wurde, aber auch vorgesehen sein kann. für ein Beatmungsgerät (1) mit zumindest einer primären Energiequelle (13) und zumindest zwei sekundären Energiequellen (15) wobei die sekundären Energiequellen (15) in Parallelschaltung von der primären Energiequelle (13) geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers (17), entladen werden. Die sekundären Energiequellen sind beispielsweise als SuperCap-Kondensatoren (15) ausgeführt. Ein Laderegler (14) setzt hier beispielsweise die parallele Ladung der sekundären Energiequellen (15) um. Ein Comparator (18) kann beispielsweise den Ladezustand der sekundären Energiequellen (15) überwachen. Dieser Comparator (18) ist jedoch nicht zwingend notwendig. Ein Schaltmodul (19) kann die sekundären Energiequellen (15) zur Entladung in Reihe schalten. Ein Abnehmer (17) wird beispielhaft über einen DC-DC-Converter (16) aus der sekundären Energiequelle (15) gespeist. Die Umschaltung der sekundären Energiequellen (15) erfolgt nach Erkennung einer Spannungsunterbrechung der primären Energiequelle durch ein Erkennungsmittel (20), um den Ausfallalarm (17) zu aktivieren oder einen Abnehmer (17) zu versorgen. Das Erkennungsmittel (20) überprüft die Spannung oder den Strom aus der primären Energiequelle (13). Bei einer Unterschreitung eines Schwellwertes für Spannung oder Strom schaltet das Erkennungsmittel (20) das Schaltmodul (19) frei, um die sekundären Energiequellen in Reihe zu schalten. Das Erkennungsmittel (20) kann zusätzlich den Ausfallalarm (17) aktivieren oder einen Abnehmer (17) aktivieren.

Claims

Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät (1) mit zumindest einer primären Energiequelle (13) und zumindest zwei sekundären Energiequellen (15), dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Energiequellen (15) in Parallelschaltung von der primären Energiequelle (13) geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers (17), entladen werden.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Energiequellen als SuperCap-Kondensatoren (15) ausgeführt sind.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Laderegler (14) die parallele Ladung der sekundären Energiequellen (15) umsetzt.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Comparator (18) den Ladezustand der sekundären Energiequellen (15) überwacht.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltmodul (19) die sekundären Energiequellen (15) zur Entladung in Reihe schaltet.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der sekundären Energiequellen unter Verwendung analoger Schaltelemente (19) erfolgt.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Abnehmer (17) über einen DC-DC-Converter (16) aus der sekundären Energiequelle (15) gespeist wird.
Schaltungsanordnung für ein Beatmungsgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der sekundären Energiequellen (15) nach Erkennung einer Spannungsunterbrechung der primären Energiequelle durch ein Erkennungsmittel (20) erfolgt, um den Ausfallalarm (17) zu aktivieren oder Abnehmer (17) zu versorgen.
Verfahren zur Schaltung von Energiequellen für ein Beatmungsgerät (1) mit zumindest einer primären Energiequelle (13) und zumindest zwei sekundären Energiequellen (15), dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Energiequellen (15) in Parallelschaltung von der primären Energiequelle (13) geladen werden und in Reihenschaltung, zur Versorgung zumindest eines Abnehmers (17), entladen werden.
Verfahren zur Schaltung von Energiequellen für ein Beatmungsgerät (1) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der sekundären Energiequellen (15) in die Reihenschaltung nach Erkennung (20) einer Spannungsunterbrechung der primären Energiequelle (13) erfolgt, um den Abnehmer (17) zu versorgen.