Eine einzige Stromversorgung für die Lasertechnologie

Im Mai 1960 erstrahlte erstmals der Laser, eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Nicht nur durch Filme wie Star Trek oder Star Wars wurde er als Superwaffe berühmt, sondern auch in der Medizintechnik löste er, hervorgerufen durch einen Augenarzt, der ihn als Lichtpräzisionswerkzeug in der optischen Chirurgie erprobte, einen wahren Forschungsboom aus. Seitdem wird er in unterschiedlichen Bereichen des Alltags eingesetzt: zum Beispiel beim Scannen der Ware an der Kasse oder als Pointer bei Präsentationen, aber auch in der industriellen Fertigung, in der Messtechnik oder in der Unterhaltungselektronik. Die Möglichkeiten des Lasers sind noch lange nicht ausgeschöpft. Und auch in der Medizin gibt es bereits heute viele Bereiche, in denen Lasertechnologien zum Einsatz kommen.

Laserbehandlungen werden in fast allen medizinischen Fachbereichen durchgeführt. Dabei nutzt die Medizin die physikalischen Eigenschaften des Lasers. Denn bei Laserlicht handelt es sich um kohärente, stark gebündelte elektromagnetische Strahlung mit hoher Intensität und sehr engem Frequenzband. Die Anwendungen von Lasern zu medizinischen und vermehrt auch zu kosmetischen Zwecken haben meistens das Abtragen, Abschneiden oder Verdampfen von Gewebe oder die Gerinnung von Körperflüssigkeiten zum Ziel. In der Chirurgie werden zum Beispiel endoskopische Eingriffe mit Hilfe von Lasern möglich. Das sind operative Eingriffe im Körperinneren, bei denen die Instrumente durch kleine Öffnungen eingeführt werden, ohne dass große chirurgische Schnitte nötig sind.

Laser werden auch zur Behandlung von Gewebeveränderungen genutzt. Dabei lässt sich die Eindringtiefe des Lasers in das Gewebe über die Lichtintensität genauestens einstellen. Diese Präzision ist auch bei ophthalmologischen Einsätzen am Auge notwendig, wenn zum Beispiel Erkrankungen oder Funktionsstörungen des Sehorgans behandelt werden. Weiterhin werden Laser in der Zahnmedizin im Zahn-, Mund- und Kieferbereich eingesetzt, wenn blutungsarme Schnitte durchgeführt werden sollen. Darüber hinaus finden sie Anwendung in der Dermatologie und der ästhetischen Chirurgie. Die bekanntesten Einsatzgebiete sind die Haarentfernung (siehe Abb. 1), Behandlung von Narben und Falten, aber auch die Entfernung von Tattoos.

Herkömmliche Laser- und IPL-Systeme (Intense Pulsed Light Therapy, dt. breitbandig gepulstes Licht) arbeiten mit Kondensatoren, die hohe und pulsweise Ströme in hoher Frequenz zur Verfügung stellen können. Diese müssen durch ein spezielles Kondensatorladegerät kontinuierlich geladen werden. Hierfür werden hohe Leistungen und hohe Spannungen benötigt und eine kontinuierliche Impuls-zu-Impuls-Stabilität muss gewährleistet sein.

Für die Systemelektronik, wie beispielsweise medizinische Touchpanels, Pumpen oder Kühlelemente, kommen in der Regel Niederspannungs-Netzteile zum Einsatz. Grundsätzlich stellt es eine Herausforderung dar, wenn mehrere Netzteile in einem medizinischen System eingesetzt werden, da jedes Netzteil einen Ableitstrom über den Y-Kondensator aufweist. Diese unterschiedlichen Ableitströme addieren sich im Endsystem auf und überschreiten schnell die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte.

Zum Patientenschutz müssen bei medizinischen Geräten mit Patientenkontakt die Ableitströme im Normalbetrieb minimiert werden, so dass der Patient im Fehlerfall durch eine sichere Trennung zur Erde geschützt wird. Dies kann beispielsweise zum Einsatz von zusätzlichen sperrigen Trenntransformatoren führen oder Probleme bei der Zertifizierung nach sich ziehen.

Um diese Herausforderungen zu meistern und um den Systemstrombedarf für medizinische Laseranwendungen zu decken, entwickelte Advanced Energy Industries, Inc. (Nasdaq: AEIS) das branchenweit erste vollständig integrierte Kondensatorladegerät mit Mehrfachausgangsnetzteil. Das Excelsys™ Flexicharge FC2500 liefert eine konstante Ladeleistung von 2500 W über alle Ladespannungen von 200 V DC bis 1000 V DC. Für die Systemleistung bietet das integrierte und konfigurierbare Niederspannungsnetzteil eine maximale Nennleistung von 800 W und bis zu zehn isolierte DC-Ausgänge. Die vor Ort konfigurierbaren Ausgänge bieten einen "Plug-and-Play"-Ansatz, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Zur Verfügung stehen hierfür verschiedene Ausgangsmodule im Bereich zwischen 1 und 205 V DC. Durch die Möglichkeit, Ausgänge in Reihe und parallel zu schalten, können Entwickler höhere Spannungen und Ströme erreichen.

Die Kombination aus Kondensatorladegerät und AC/DC-Netzteil des FC2500 versorgt das komplette System und hält hierbei einen maximalen Ableitstrom von 300 µA ein (siehe Abb. 2). Conor Duffy, Vice President of Marketing, Medical Power Products bei Advanced Energy, erklärt: „Diese einzigartige Lösung bietet viele Vorteile, darunter eine 30-prozentige Größen- und Gewichtsreduzierung, höhere Zuverlässigkeit, bessere EMV und vereinfachte Sicherheitszertifizierung und -konformität.“ Diese Eigenschaften verkürzen darüber hinaus auch die Markteinführungszeit.

Für das Laden von Kondensatoren kann das Flexicharge FC2500 sowohl mit großen als auch mit kleinen Kapazitäten arbeiten und eine konstante Leistung von bis zu 2500 Joule pro Sekunde mit programmierbaren Ladespannungen von 0 bis 1000 V DC liefern. Die Impuls-zu-Impuls-Stabilität mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,2 % wird durch die adaptive Steuerung jedes Impulses erreicht, während es dem System durch die programmierbare Leistungsbegrenzung ermöglicht wird, die Stromaufnahme für die Steckdose zu maximieren. Ein Strommesssignal erhöht die Zuverlässigkeit, da die Belastung der Systemkondensatoren genau berechnet werden kann.

Volker Gräbner, Produktmanager bei der FORTEC Power GmbH, die sich als Partner für die Auswahl und Beschaffung von Stromversorgungskomponenten positioniert hat, erklärt: „Im Vergleich zur markttypischen Ladung über einen konstanten Strom, ermöglicht das Laden über eine konstante Leistung ein schnelleres Aufladen der Kondensatoren bei niedrigen Spannungen.“ Hierdurch können höhere Pulsraten der Laser erreicht werden, was die Behandlungszeiten verkürzt.

Das FC2500 verfügt über eine intelligente analoge und digitale Steuerung über den PMBus (Power Management Bus) mit "Set and Forget"-Funktionen und Speichermöglichkeiten. Dank des Designs und der intelligenten Steuerung kann es als eigenständiges Kondensatorladegerät verwendet werden. Es entspricht IEC 60601-1 (3. Auflage) und IEC 60601-1-2 (4. Auflage), ist für Stoßspannungsfestigkeiten (Surge nach EN 61000-4-5) der Stufe 4 ausgelegt, bis zu einer Höhe von 3000 m sicherheitsgeprüft und hat eine MTBF (Mean Time Between Failures) nach Telecordia SR-332 (Berechnungsstandard) von über 900.000 Stunden.

Neben einer einfachen Montage bietet die Lösung sowohl Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten über analoge Schnittstellen als auch über den digitalen PMBus. Dies sorgt für eine hohe Flexibilität bei Wartungs- und Servicearbeiten. Der PMBus ist mit I2C kompatibel und diesem in mancher Hinsicht überlegen, zum Beispiel bei mit I2C häufig in Verbindung gebrachten Herausforderungen (u. a. Rauschen). Durch Fernüberwachung können frühzeitiger Verschleiß oder kritische Betriebszustände rechtzeitig erkannt werden. Das Host-Gerät fragt permanent alle PMBus-Geräte ab und wird beim Auftauchen eines Fehlers oder einer Unterbrechung sofort alarmiert. 

Mit zunehmendem Alter kann sich die Ausgangsleistung der Laser stellenweise verändern, wodurch falsche Dosierungen des Laserstrahls möglich sind. Damit eine ordnungsgemäße Funktion des Lasers gewährleistet werden kann, muss eine regelmäßige sicherheitstechnische Kontrolle (= Laser-STK) und wiederkehrende Laser-Wartungen stattfinden. Die Prüfungen medizinischer Laser nach OStrV, TROS & DGUV 11 sowie die Laser-STK nach § 7 MpBetriebV umfassen gerätespezifische Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen gemäß Herstellerangaben. Dazu gehören auch elektrische Prüfungen nach DIN VDE 0751 / EN 62353, eine Laser-Leistungsmessung, die Multifunktionsmessung der Widerstände und die Messung des Patientenableitstroms. So können Messfehler oder Geräteschäden korrigiert und damit die Laufzeit der Laser-Anwendungen verlängert und die Ausfallzeit der Geräte minimiert werden.

Durch die große Auswahl an medizinischen Laser- und IPL-Systemen und der dazugehörigen Systemelektronik gilt es, eine Vielzahl an Vorschriften zu beachten. Je mehr Komponenten integriert werden, umso herausfordernder gestaltet sich der Zertifizierungsprozess, die Zulassung des Endproduktes. Dieser kann sich von der Entscheidung eines Netzteils bis hin zur Einführung in den Markt erstrecken. Eine Komplettlösung wie FlexiCharge FC2500 erlaubt es, die Markteinführungszeit zu verkürzen und ermöglicht es den Entwicklern , sich auf das Lasergerät zu konzentrieren.

Um auf der sicheren Seite zu sein, sind Branchenkenntnisse für diese anwendungsspezifischen Lösungen notwendig. Erfahrene Stromversorgungspartner, die nicht nur beraten, sondern auch technische Kompetenz besitzen, sind in der Lage, professionell den Design-In-Prozess zu begleiten.