Recom RACM e REM: la gamma di alimentatori e convertitori per applicazioni medicali

Recom ha recentemente presentato sul mercato due nuove serie di alimentatori e convertitori DC-DC espressamente progettati per soddisfare le esigenze del settore elettro-medicale. La famiglia RACM comprende due alimentatori AC-DC con potenze fino a 150W, mentre la famiglia REM è composta da tre convertitori DC-DC con potenza di uscita compresa tra 3W e 10W. Tutti i dispositivi sono conformi agli standard di sicurezza previsti per le applicazioni elettro-medicali. Scopriamo più in dettaglio in questo articolo le caratteristiche di questi componenti.

La serie RACM

Questa famiglia di alimentatori AC/DC, composta dai modelli RACM100 e RACM150, è particolarmente indicata per applicazioni nel campo medicale. I due modelli sono in grado di fornire una potenza massima in uscita pari a 100 W e 135 W, rispettivamente, senza la necessità di ricorrere a un sistema di raffreddamento forzato. Per le applicazioni con requisiti più stringenti, è comunque disponibile la versione RACM150 /F, che si differenzia rispetto a quella di base (RACM150-S) per l'aggiunta di una ventola di raffreddamento che permette all'alimentatore di erogare una potenza massima in uscita pari a 150 W (la versione /F è visibile nell'immagine sottostante). Entrambi gli alimentatori presentano caratteristiche comuni quali:

dimensioni estremamente compatte;
elevata efficienza;
contenitore semi-chiuso senza raffreddamento forzato (fatta eccezione per il modello RACM150 /F);
due misure di protezione indipendenti per la protezione del paziente (2xMOPP, un must per le applicazioni medicali di fascia alta).

La tensione in ingresso, di tipo alternato, può variare nel range compreso tra 85 e 264 V_AC, mentre la tensione continua in uscita può assumere, a seconda del modello, uno tra i seguenti valori: 12 V_CC, 15 V_CC, 24 V_CC, e 48 V_CC. La tensione in uscita è totalmente stabilizzata, con una tolleranza inferiore a ±0,2% su tutto il range della tensione in ingresso, e inferiore a ±0,5% su tutto il range di oscillazione del carico collegato (gli alimentatori sono comunque in grado di operare anche in assenza di carico, non essendoci un requisito di valore minimo di carico per il corretto funzionamento). Anche l'efficienza è molto elevata, potendo raggiungere il ragguardevole valore massimo pari al 92%, mentre il range di temperatura può variare tra -25°C e +80°C.

I moduli presentano dimensioni estremamente ridotte (3,6" x 2,44" per la versione RACM100, e 4,6" x 2,44" per la versione RACM150), con un grado di isolamento rinforzato tra ingresso e uscita pari a 4 kVAC, e un grado di isolamento pari a 1,5 kVAC tra l'uscita e il contenitore. L'elevato grado di isolamento galvanico consente agli alimentatori, come già accennato, di soddisfare i requisiti relativi alle applicazioni medicali che prevedono un contatto con il paziente (2xMOPP, distanze di creepage e di clearance pari a 8 mm, alla tensione operativa di 250 V_AC).

Gli alimentatori della serie RACM sono certificati secondo le norme di sicurezza relative alle applicazioni elettromedicali: IEC/ES/EN60601-1 terza edizione, e hanno uscite classificate B e BF con correnti di dispersione inferiori a 100 µA. Tutti i modelli sono inoltre conformi agli standard EMI Classe B, FCC, EN60601-1-2, e EN55022, e godono di una garanzia pari a 5 anni.

Caratteristiche tecniche

Le principali caratteristiche tecniche degli alimentatori della serie RACM sono indicate nella seguente tabella (i valori indicati sono riferiti alla versione RACM150).

Principali caratteristiche tecniche
Parametro	Condizioni	Minimo	Tipico	Massimo
Tensione di ingresso		85 V_AC 120 V_DC		264 V_AC 370 V_DC
Corrente in ingresso	115 V_AC, a pieno carico 230 V_AC, a pieno carico			1,7 A 0,8 A
Corrente di spunto	accensione a freddo, 115 V_ACaccensione a freddo, 230 V_AC			30 A 60 A
Potenza in assenza di carico	230 V_AC, con ventola 230 V_AC, senza ventola		0,6 W 0,25 W	1 W 0,3 W
Range frequenza in ingresso	Ingresso AC	47 Hz		63 Hz
Tempo di start-up			0,7 s	1 s
Tempo di salita			20 ms
Tempo di hold up			30 ms
Carico minimo				0
Fattore di potenza		0,95
Frequenza operativa			60 kHz
Ripple in uscita e rumore	12 V_DC, con 1μF/25V MLCC 15 V_DC, con 1μF/25V MLCC 24 VDC, con 1μF/50V MLCC 48 V_DC, con 0,1μF/100V MLCC		120 mVp-p 150 mVp-p 220 mVp-p 250 mVp-p

Particolarmente significativi sono anche gli andamenti di alcuni segnali caratteristici relativi al funzionamento del componente, riportati nei datasheet indicati nella sezione Riferimenti in coda all'articolo.

Una prima slide riguarda l'andamento dell'efficienza al variare del carico applicato (entrambi i valori sono espressi in percentuale):

Le due curve visibili in figura, riferite alle tensioni di 115 V_AC e 230 V_AC, mostrano come l'efficienza si mantenga costante e stabile (con valore prossimo al 90%) su praticamente tutto il range del carico applicato.

Un'altra slide interessante è la seguente, che mostra la curva di derating nel caso di tensione in ingresso pari a 230 V_AC:

In questo caso possiamo osservare come il componente sia in grado di erogare in modo stabile la corrente di uscita su tutto il range di temperatura ammissibile (da -25°C a +80°C), e sia in grado di sopportare anche l'erogazione di valori di corrente superiore a quello nominale (in questo caso si ha un leggero degrado delle prestazioni, ma solo in corrispondenza del limite superiore di temperatura).

L'importanza dell'isolamento

Dopo aver presentato in dettaglio le caratteristiche tecniche degli alimentatori della serie RACM, è conveniente spendere qualche parola di più sul tema dell'isolamento galvanico, una caratteristica importante e fondamentale per le applicazioni in ambito elettromedicale.

Un isolamento galvanico pari a 4 KV_AC tra ingresso e uscita offerto da questi alimentatori significa che gli stessi sono in grado di resistere a una tensione di test pari a 4kV_AC, applicata per 1 minuto tra i pin di ingresso e pin di uscita, senza riportare un cedimento dell'isolamento del trasformatore. Un eccellente grado di isolamento galvanico presenta numerosi vantaggi sul piano della progettazione elettronica, garantendo un buon disaccoppiamento tra il dispositivo e la parte restante del circuito, e assicurando un funzionamento stabile anche in presenza di più moduli connessi allo stesso bus. Non solo, esso presenta un vantaggio consistente anche sul piano della sicurezza, creando una barriera in grado di prevenire l'insorgenza di scariche elettriche, i picchi eccessivi di corrente, e il conseguente surriscaldamento del componente.

Parlando di isolamento, occorre inevitabilmente introdurre i concetti di creepage e clearance (si veda a questo proposito un precedente articolo, sempre riferito a prodotti Recom, in cui questi concetti sono stati introdotti in modo esauriente). Per creepage si intende la più breve distanza fra due punti misurata seguendo la superficie (distanza minima misurata lungo la superficie), mentre per clearance si intende la più breve distanza fra due punti misurata da punto a punto (distanza minima in aria). Se la distanza minima misurata lungo la superficie è trascurabile, si può utilizzare la distanza minima in aria per entrambe le misure.

Parlando di alimentatori, e più in generale di trasformatori, si possono distinguere tre classi principali di isolamento: base, supplementare, e rinforzato. Tutti gli alimentatori della serie RACM presentano la caratteristica di garantire un isolamento rinforzato, con valori di creepage e clearance (entrambi pari a 8 mm) ben al di sopra dei valori minimi richiesti dagli standard. Siamo quindi in presenza di componenti in grado di garantire un elevato grado di isolamento e la conseguente sicurezza per il paziente, requisiti imprescindibili per tutte le applicazioni elettromedicali.

L'importanza della corrente di dispersione

La terza edizione dello standard IEC/ES/EN/60601-1 impone dei vincoli ai quali le apparecchiature elettroniche devono sottostare affinchè siano soddisfatti particolari requisti "MOP" (Means Of Protection), cioè in sostanza tali apparecchiature devono garantire degli adeguati metodi di protezione sia per il paziente che per l'operatore (nella misura in cui essi siano coinvolti durante l'utilizzo dell'apparecchiatura). Sono stati quindi definiti i concetti espressi tramite gli acronimi "MOOP" (Means Of Protection for Operator, identificano i sistemi di protezione per l'operatore), e "MOPP" (Means Of Protection for Patients, identificano le misure di sicurezza per i pazienti). L'operatore è interessato se l'apparecchiatura elettromedicale, o una sua interfaccia di controllo, è in contatto diretto con l'operatore stesso. Il paziente è invece coinvolto nella misura in cui vengono utilizzati dei sensori o delle sonde collegate tra il paziente e l'apparecchiatura elettromedicale.

In quest'ultimo caso (l'utilizzo dell'apparecchiatura elettromedicale coinvolge direttamente il paziente), assumono un'importanza fondamentale le cosiddette correnti di dispersione ("leakage current"). Nel caso di un soggetto sano, in ottime condizioni di salute, una corrente di dispersione di soli 15 mA può provocare l'irrigidimento del paziente (contrazione dei muscoli), mentre una corrente di dispersione di 30 mA può provocare delle difficoltà respiratorie o addirittura una fibrillazione ventricolare. Questi effetti possono diventare letali se il paziente è affetto da qualche forma di patologia, per cui è di fondamentale importanza limitare il più possibile la corrente di leakage.

Lo standard IEC/ES/EN/60601-1 ha quindi imposto dei valori ben definiti, variabili in genere da paese a paese, per la corrente massima di leakage. I valori più restrittivi, applicati attualmente in Nord America, prevedono una corrente massima di dispersione pari a 0,3 mA (contro i circa 0,5 mA applicati alle altre zone). Anche relativamente a questo importante parametro, gli alimentatori Recom della serie RACM presentano delle caratteristiche tecniche di tutto rispetto, con una corrente di leakage estremamente contenuta (inferiore a 75 μA per il modello RACM100 e inferiore a 100 μA per il modello RACM150).

I convertitori REM

I convertitori DC/DC della serie REM, progettati specificatamente per applicazioni nel campo elettromedicale, sono disponibili in tre versioni con differenti valori di potenza in uscita (3W, 6W, oppure 10W). Tutti i convertitori sono realizzati con un isolamento di tipo rinforzato per tensioni di lavoro fino a 250 V_AC, hanno un isolamento galvanico di 5kV_DC, protezione 2MOPP, valori di creepage e clearance pari a 8 mm, e corrente di dispersione di soli 2µA. Le tre versioni della serie REM presentano differenti range della tensione in ingresso: sono infatti disponibili versioni con 2 oppure 4 differenti range della tensione di ingresso, mentre l'uscita può essere singola oppure duale, con valori compresi tra 3,3V e 24V. Le uscite sono protette dai cortocircuiti e dai sovraccarichi, ed è disponibile anhe una versione con un pin di controllo addizionale in grado di contenere l'assorbimento, nella modalità stand-by, a soli 12 mW. I convertitori hanno dimensioni molto compatte, essendo alloggiati in un comodo contenitore di tipo DIP24. L'efficienza è anch'essa molto elevata, con valori prossimi all'89%, mentre il range di temperatura è compreso tra -40°C e 105°C. I convertitori della serie REM sono ceritificati secondo le norme IEC60601-1 e ANSI/AAMI 606061 CB, e godono di una garanzia di 5 anni.

Caratteristiche tecniche

Le principali caratteristiche tecniche dei convertitori della serie REM sono indicate nella seguente tabella.

Principali caratteristiche tecniche
Parametro	Condizioni	Minimo	Tipico	Massimo
Tensione massima in ingresso (applicata per massimo 3 sec.)	2:1 4:1 5 Vin nom. 12 Vin nom. 24 Vin nom. 48 Vin nom. 24 Vin nom. 48 Vin nom			16 V_DC 25 V_DC 50 V_DC 100 V_DC 50 V_DC 100 V_DC
Under Voltage Lock Out (UVLO)	2:1 4:1 5 Vin nom. 12 Vin nom. 24 Vin nom. 48 Vin nom. 24 Vin nom. 48 Vin nom	4 V_DC 8 V_DC 16 V_DC 33 V_DC 8 V_DC 16 V_DC		4.5 V_DC 9 V_DC 18 V_DC 36 V_DC 9 V_DC 18 V_DC
Tempo di start-up	carico resistivo costante		30 ms
Range frequenza operativa		270 kHz	300 kHz	330 kHz
Ripple in uscita e rumore	10μF/25V 7XR MLCC per 3,3, 5Vout 10μF/25V 7XR MLCC per 12, 15Vout 4,7μF/50V X7R MLCC per 24Vout		30mVp-p 40mVp-p 50mVp-p

Anche in questo caso può essere utile riportare un'immagine tratta dai datasheet relativi ai componenti della serie REM, elencati nella sezione Riferimenti.

La slide seguente mostra l'andamento del fattore di efficienza al variare del carico applicato (espresso in valore percentuale):

Anche in questo caso possiamo osservare come tale parametro si attesti su un valore molto prossimo a 1.0 praticamente su tutto il range del valore di carico applicato.

Ulteriori informazioni sugli alimentatori Recom della serie RACM e sui converitori della serie REM possono essere reperiti sui rispettivi datasheet, disponibili per il download ai link indicati nella sezione Riferimenti.