DE112005003419B4

DE112005003419B4 - Aktiver EMC Filter für medizinische Anwendungen

Info

Publication number: DE112005003419B4
Application number: DE112005003419.4T
Authority: DE
Inventors: Roland Kuepfer; Peter Kull
Original assignee: Schaffner EMV AG
Current assignee: Schaffner EMV AG
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: TW200703891A; US20080143433A1; JP2008530836A; US7983746B2; DE112005003419T5; WO2006084505A1

Abstract

System umfassend eine elektrische medizinische Vorrichtung (31) und ein elektrischen EMC Filter zur Unterdrückung von Störkomponenten in der elektrischen medizinischen Vorrichtung (31), der in einer Versorgungsleitung der besagten elektrischen medizinischen Vorrichtung (31) eingesetzt wird, in welchem besagter EMC Filter einen aktiven Schaltkreis umfasst, um die Störkomponenten von der besagten Vorsorgungsleitung zu unterdrücken.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen aktiven elektrischen Filter zur Unterdrückung von ungewollten Störkomponenten in medizinischen elektrischen Ausrüstungen. Besonders, aber nicht ausschliesslich, handelt die vorliegende Anmeldung mit elektromagnetischen Kompatibilitätsfiltern für Hauptleitungen oder elektrische Versorgungsleitungen von medizinischen Geräten.
Beschreibung des Standes der Technik
Elektromagnetische Kompatibilität (EMC) ist heutzutage ein wachsender kritischer Faktor in der elektrischen und elektronischen Industrie. Eine grosse Anzahl von elektrischen Schaltkreisen und Geräten existieren, welche anfällig sind, ungewollte Radiofrequenz elektromagnetische Interferenz (RF EMI) zu generieren, oder welche an solchen Interferenzen leiden, die von anderen Schaltkreisen oder Geräten generiert wurden.
Die geleiteten Geräusche und Störungen in elektrischen Geräten werden allgemein durch das Einsetzen eines Tiefpass-LC-Filters in die Hauptlinie von störungserzeugenden Vorrichtung oder von störungssensiblen Vorrichtungen behandelt. Solche Filter schwächen die ungewollten Frequenzkomponenten auf ein harmloses Niveau ab. Viele Filtertopologien, dabei die klassischen „L“, „T“ und „pi“ Filtertopologien, können angewendet werden.
Europäische Patentanmeldung EP1069673 zeigt ein Beispiel eines dreiphasigen, Störungen unterdrückenden Filters, der passive Elemente umfasst.
US Patentanmeldung US 2004/0008527 A1 beschreibt einen aktiven Filter, der an eine Last, insbesondere an ein invertergetriebenes Motorsystem anschliessbar ist.
Für passive EMC Filter wurde gezeigt, dass diese in einer Anzahl von Anwendungen effektiv sind. Ein Nachteil dieser Technik ist jedoch, dass hochwertige Kapazitäten und Induktivitäten für diese Anwendungen benötigt werden, um das erforderlichen Dämpfungsniveau zu erreichen. Die Grösse und die Kosten von dem resultierenden Filter werden hauptsächlich durch diese grossen Komponenten bestimmt, insbesondere, wenn eine hohe Dämpfung von Gleichtaktstörspannungen benötigt wird. Zusätzlich ist der Kriechstrom direkt proportional zu der Kapazität von den Filterkondensatoren.
Elektrische medizinische Geräte haben spezielle Sicherheitserfordernisse zu erfüllen, sowohl bezüglich der Zuverlässigkeit und der Unanfälligkeit für externe Störungen als auch bezogen auf die Minimierung von elektrischen Stössen für die Patienten, die daran angeschlossen sind. Besonders Kriechströme sind von grossem Interesse in einem medizinischen Gerät, wenn ein Patient der Empfänger eines Schlags sein kann. Sogar ein geringes Niveau von Kriechströmen kann genügend sein, um einem geschwächten oder unbewussten Patienten einen fatalen Schlag zu geben, oder wenn der Kriechstrom an die internen Organe angewendet wird.
Gegenwärtige Sicherheitsregulierungen legen schwere Begrenzungen an die Kriechströme in medizinischen Geräten fest. Diese führt zu speziellen Problemen für die Stromversorgung und den EMC Filtern von diesen Geräten, weil die Aussenleiter-Erde-Kondensatoren, gewöhnlich als „Y“ Kondensatoren bezeichnet, sowohl ein wichtiger Teil von dem EMC Filter sind, um ordnungsgemäss zu funktionieren, als auch eine Hauptursache von Kriechströmen sind.
Die Kriechströme, die aufgrund des EMC Filters auf die Erde gehen, können durch Reduzierung des Werts der „Y“ Filterkondensators verringert werden. Dies beeinflusst jedoch die Effektivität des Filters schwerwiegend.
Erhöhen des Induktivitätswerts der Filterdrossel kann den geringen Wert der „Y“ Kapazität kompensieren, aber nur zu einer geringen Reichweite. Grössere Induktivitäten haben grössere Streukapazitäten, welche die Dämpfung begrenzen, und sind teurer und voluminöser als konventionelle. Weiter schwächt die Kombination von einer grossen Induktivität und einem kleinen Kapazität die Stabilität des Filters und kann die Quelle von ungewollten Resonanzoszillationen sein.
Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung einen EMC Filter für medizinische elektrische Geräte zu schaffen, die einen geringern Kriechstrom aufweisen.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen EMC Filter für medizinische elektrische Geräte mit geringeren Produktionskosten als die bekannten Vorrichtungen zu schaffen.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung einen EMC Filter für medizinische elektrische Geräte zu schaffen, welcher kompakter als die bekannten Vorrichtungen ist.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Diese Ziele werden durch eine Vorrichtung erreicht, welche Thema der angehängten, unabhängigen Ansprüche ist, und zusätzliche nützliche Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen eingeführt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 repräsentiert einen passiven EMC Filter von bekanntem Typ.
2 repräsentiert einen EMC Filter, der an eine medizinische Vorrichtung verbunden ist, gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
3 repräsentiert einen aktiven Teil des Filters der 2.
4 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Filters umfassend einen negativen Impedanzkonverter gemäss einem Aspekt der Erfindung.
5 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Filters umfassend einen Aufnahmedetektor gemäss einem Aspekt der Erfindung.
6 zeigt eine Variante des Filters der 5.
7 zeigt eine andere Variante eines Nebenschlussmoduls für den Filter der 2.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 stellt einen passiven EMC Filter von bekanntem Typ dar, umfassend eine stromkompensierende Windung 15, einen interphasen Kondensator 11 und zwei „Y“ Aussenleiter-Erde-Kondensatoren 12. Die „Y“ Kondensatoren 12 sind in der Unterdrückung von Gleichtaktinterferenzen, die auf den Hauptleitungen übertragen werden, effektiv, was sie zu einer wichtigen Quelle von Kriechströmen macht.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung enthalten die EMC Filter aktive Elemente, um ungewollte RF EMI Komponenten, die durch die Hauptleitungen geleitet werden, zu unterdrücken, ohne den Kriechstrom zu erhöhen, wies dies in konventionellen passiven EMC Filtern der Fall ist. Mit Bezug auf 2 umfasst ein EMC Filter gemäss der Erfindung eine stromkompensierte Windung 15 und ein aktives Nebenschlussmodul 32, welche eine geringe Impedanz für die RF EMI Komponente, welche auf die Erde geleitet wird und verhindert, dass das medizinische Gerät 31 erreicht wird, darstellt. Die Effektivität des aktiven Nebenschlussmoduls kann in dem unteren Teil des Frequenzspektrums durch die endliche Antwortzeit der Elektronik begrenzt werden. In diesem Fall können zwei kleine „Y“ Kondensatoren, die eine vernachlässigbare Kriechung einführen, hinzugefügt werden, um die Hochfrequenzdämpfung zu verbessern.
Das EMC Filter und die medizinische Vorrichtung, die in den 1 und 2 dargestellt sind, werden als einphasige Vorrichtungen gezeichnet. Es muss jedoch verstanden werden, dass drei- oder mehrphasige Vorrichtungen und Filter auch möglich sind, und in der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Ein Beispiel eines aktiven Nebenschlussmoduls 32 wird nun mit Bezug auf 3 diskutiert. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen dreiphasigen Schaltkreis. Es würde möglich sein, im Schutzbereich dieser Erfindung, ihn zu einem einphasigen Schaltkreis zu modifizieren. Der aktive Nebenschluss 32 handelt als ein kapazitiver Bypass, um hohe Frequenzspannungskomponenten zu dämpfen, besonders Störungen, die in die Stromleitungen 33a, 33b und 33c vorhanden sind. Es umfasst zwei komplementäre Folgetransistoren 34, um die RF EMI durch die Impedanz abzuleiten.
Ein weiteres Beispiel eines aktiven Nebenschlussmoduls 32 wird in der 7 dargestellt. Das aktive Modul 32 wird angeordnet, um den Eingangspunkt 72 an einem Potential nahe dem Erdpotential zu halten, bei Frequenzen, an denen die ungewünschten Störungen erwartet werden. Die Kondensatoren 76a, 76b, 76c und 77a, 77b, 77c formen einen Spannungsteiler für die Versorgung eines aktiven Nebenschlusses. Auf diese Weise wird das aktive Nebenschlussmodul mit einer Spannung versorgt, welche geringer ist, als die Hauptspannung, zum Beispiel der Hälfte der Hauptspannung. Dies reduziert die Fehlerspannung auf ein harmloses Niveau, sogar in Fällen eines Zusammenbruchs von einigen Komponenten, und verhindert den Gebrauch von Sicherungen, welche eine grosse Streuinduktivität haben. Weiter werden die Vorrichtungsspannungen in dem aktiven Nebenschluss durch den kapazitiven Teiler auf überschaubarem Niveau gehalten.
Das oben gezeigte Beispiel bezieht sich auf den Fall einer dreiphasigen Hauptversorgung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht begrenzt auf diese Ausführung und das gezeigte Beispiel könnte leicht für den Betrieb für eine einphasige Versorgungsleitung modifiziert werden, wenn der Bedarf aufkommen sollte.
4 stellt schematisch eine andere des EMC Filters gemäss der vorliegenden Erfindung dar. Das Filter umfasst einen Negativen Impedanz Konverter (NIC) 42 dank dessen eine Windung des Transformators 41 und 44 als ein grosser Serienwiderstand für die Störungen auf den Stromleitungen 45, 40 erscheint. Die Schaltung der 4 erlaubt ein effektives Filtern der EMI für die medizinische Vorrichtung 31 durch die Verwendung eines kleinen „Y“ Kondensators, welcher nur vernachlässigbar zu dem Kriechstrom beiträgt.
Vorteilhaft kann man auf die „Y“ Kondensatoren in diesem Fall total verzichten. Der NIC Schaltkreis handelt als eine Spannungsquelle, welche die Störungen in den Leitungen 40 und 45 annulliert.
5 stellt eine andere Variante eines Filters gemäss der vorliegenden Erfindung dar, umfassend Stromsensoren 47 und 47’ und einen aktiven Schaltkreis 48, um eine Störkorrektionsspannung in die Stromleitungen 45 und 45’ zu injizieren, um die EMI zu stornieren, die zu der medizinischen Vorrichtung 31 gerichtet sind. Isolation zwischen dem Schaltkreis 48 und den Vorsorgungsleitungen 45, 45’ werden durch die Isolationskondensatoren 49 und 49’ bereitgestellt. Der Stromsensor 47 umfasst zum Beispiel eine Aufnahmewindung, um den RF EMI zu lesen, der entlang der Versorgungsleitung 45 zirkuliert.
Weiter, wenn auch nicht dargestellt, versteht es sich, dass einer der Stromsensoren ausgelassen werden könnten, und in einer Variante nur eine der Leitungen gemessen werden könnten. In einer weiteren Variante könnte eine magnetische Windung mit beiden Stromleitungen 45 und 45’ gekoppelt werden, um zum Beispiel eine Gleichtaktstörkomponente zu messen.
6 stellt eine andere Variante des Filters der Erfindung dar, in welcher das Korrektionssignal, das durch das aktive Modul 48 generiert wird, in die Vorsorgungsleitung 45, 45’ durch Mittel eines Transformators 50, welcher die Vorsorgungsleitungen 45, 45’ magnetisch zu dem Korrektionssignal koppelt, injiziert wird. Es versteht sich, dass mehrere Formen des magnetischen Kerns und der Windungen für diesen Zweck verwendet werden können. In einer vorteilhaften Variante stellt der Transformator 50 in Bezug auf die Stromleitungen 45, 45’ eine stromkompensierte Impedanz dar.
In nicht dargestellten Varianten der Ausführungsform der 5 und 6 können die Stromsensoren 47 und 47’ durch Transformator oder durch Aufnahmekapazitäten als Spannungssensoren ersetzt werden. Diese Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnte auch für dreiphasige Konfigurationen angepasst werden.
Es ist ein Vorteil der oben genannten Ausführungsform, dass der Schaltkreis 48 nicht direkt mit der Erde verbunden ist, und komplett gefloatet werden könnte, wenn es notwendig sein sollte. Auf diese Weise wird die ungewollte Möglichkeit einer Streukriechspannung weiter reduziert.
Das EMC Filter der Erfindung wird in einem System eingesetzt, welches auch ein medizinisches Gerät umfasst, verbunden mit einer Hauptversorgungsleitung, wobei der EMC Filter die Dämpfungen der EMI, die entlang der Versorgungsleitung übertragen werden, bereitstellt.

Claims

System umfassend eine elektrische medizinische Vorrichtung (31) und ein elektrischen EMC Filter zur Unterdrückung von Störkomponenten in der elektrischen medizinischen Vorrichtung (31), der in einer Versorgungsleitung der besagten elektrischen medizinischen Vorrichtung (31) eingesetzt wird, in welchem besagter EMC Filter einen aktiven Schaltkreis umfasst, um die Störkomponenten von der besagten Vorsorgungsleitung zu unterdrücken.
Das System gemäss Anspruch 1, in welchem besagter EMC Filter mindestens eine Induktivität und ein aktives Nebenschlussmodul (32) enthält, um einen geringen Impedanzpfad für besagte Störkomponenten bereitzustellen.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagter EMC Filter angeordnet ist, um eine Gleichtaktstörkomponente, die auf der Versorgungsleitung übermittelt wird, zu unterdrücken.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagte Versorgungsleitung eine einphasige oder dreiphasige Hauptleitung ist.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagter EMC Filter weiter einen Aussenleiter-Erde-Kondensator (12) umfasst.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagter EMC Filter einen Impedanzkonverter (42) umfasst.
Das System gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem besagter EMC Filter einen Transformator umfasst, wobei eine Windung davon in Serie mit besagter Versorgungsleitung verbunden ist, und wobei eine andere Windung davon mit einem negativen Impedanzkonverter verbunden ist.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagter Filter ein Spannungs- oder Stromaufnahmemittel (47) umfasst, um ein Störungssignal in besagter Versorgungsleitung zu detektieren, einen aktiven Schaltkreis (48), um ein Korrektionssignal basierend auf besagtem Störungssignal zu generieren, und ein Signalinjektionsmittel (49, 50), um besagtes Korrektionssignal in besagte Versorgungsleitung zu injizieren.
Das System gemäss dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Versorgungsleitung eine Wechselspannungsversorgungsleitung ist, und die Signalinjektionsmittel (49, 50) ausgebildet sind, das Korrektionssignal in besagte Wechselspannungsversorgungsleitung zu injiziern.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem besagter Filter weiter ein Spannungsreduzierungsmittel (76a, 76b, 76c) umfasst, um besagten aktiven Schaltkreis mit einer Spannung, die geringer als die Spannung der besagten Versorgungsleitung ist, zu versorgen.
Das System gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der EMC Filter Teil der elektrischen medizinischen Vorrichtung (31) ist.