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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Sicherheitsschaltungen für Gleichstrommotoren (Gs-Motoren)
in Infusionsgeräten
und, in besonderen Ausführungsformen,
Sicherheitsschaltungen für
Gleichstrommotoren in Medikament-/Arzneimittelinfusionspumpen, um
einer zufälligen Überdosierung
von Medikamenten/Arzneimitteln durch Störungen der Steuerschaltung
des Gleichstrommotors entgegenzuwirken.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Herkömmliche
Arzneimittelabgabesysteme, wie z. B. Infusionspumpen, die während eines
Zeitraums Insulin abgeben, nutzen verschiedene Motortechnologien
zur Steuerung einer Infusionspumpe. Typische Motortechnologien sind
unter anderem Gleichstrommotoren (Gs-Motoren), Schrittmotoren oder
Solenoidmotoren. Jeder Motortyp hat in Bezug auf Kosten, Zuverlässigkeit,
Leistung, Gewicht und Sicherheit verschiedene Vorteile und Nachteile.
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Bei
der Arzneimittelabgabe unter Verwendung von Infusionspumpen ist
die Genauigkeit der Medikamentabgabe kritisch (wie zum Beispiel
für Insulin,
HIV-Medikamente oder dergleichen), da geringe Unterschiede in der
Medikamentemnenge die Gesundheit des Patienten dramatisch beeinflussen
können.
Daher müssen
Sicherheitseinrichtungen in das Abgabesystem eingebaut werden, um
den Patienten gegen Über-
oder Unterdosierung des Medikaments zu schützen. In dem Fall, wo Insulin
mittels einer Infusionspumpe einem Diabetiker verabreicht wird, könnte zum
Beispiel eine Überdosierung
der Arzneimittels zu Komplikationen infolge Hypoglykämie und möglicherweise
sogar zum Tode führen.
Daher ist für Arzneimittelabgabesysteme
die kontrollierte Abgabe mit Sicherheitsmaßnahmen gegen Überdosierung von
Medikamenten erforderlich, wenn Überdosierung zu
Komplikationen, dauernder Schädigung
oder zum Tode des Patienten führen
könnte.
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In
herkömmlichen
Systemen sind diese Sicherheitseinrichtungen gegen Überdosierung
auf verschiedene Weise in die Antriebssysteme von Infusionspumpen
eingebaut worden. Zum Beispiel nutzt die Motorsteuerelektronik Querkontrollen,
Codiererzählwerte,
den Motorstromverbrauch, den Okklusionsnachweis oder dergleichen
als Form der Rückkopplung
zum Schutz gegen Über-
oder Unterdosierung des Medikaments. Bei diesem Herangehen kann
jedoch ein Nachteil auftreten, wenn die Steuerelektronik in einer
gleichstrommotorgetriebenen Infusionspumpe ausfallen sollte, so
daß ein
direkter Kurzschluß von
der Stromquelle zu einem Gleichstrommotor in der Infusionspumpe
auftritt. Zum Beispiel wäre
es bei einer Ausfallart möglich,
daß der Gleichstrommotor
während
eines zu langen Zeitraums kontinuierlich weiter läuft, zum
Beispiel bis die Stromquelle erschöpft oder entfernt wurde, oder
bis der Kurzschluß beseitigt
wurde. Dieser Zustand wird gewöhnlich
als "Durchgehen" des Motor bezeichnet und
könnte
dazu führen,
daß das
gesamte in der Infusionspumpe enthaltene Medikament sofort während eines
zu kurzen Zeitraums infundiert wird, was zur Schädigung oder zum Tode des Patienten
führt.
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Um
diesen Nachteil zu vermeiden, haben einige Infusionspumpenhersteller
die Verwendung von Gleichstrommotoren vermieden und haben statt
dessen Solenoid- oder Schrittmotortechnologien eingesetzt. Bei diesen
Motortypen würde
ein etwaiger Kurzschluß in
der Steuerelektronik höchstens
zu einem einzigen Motorschritt führen.
Daher würde
das "Durchgehen" des Motors nicht
auftreten. Dadurch wird folglich das Problem eines Ausfalls mit "Durchgehen" vermieden. Ein Nachteil
der Verwendung von Solenoid- oder Schrittmotortechnologien ist jedoch, daß sie im
allgemeinen eine weniger wirkungsgradgünstige Leistung aufweisen und
gewöhnlich
mehr kosten als die Gleichstrommotoren.
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EP-A-0
324 614 offenbart ein Sicherheitsschaltungssystem mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1. Das Dokument offenbart eine ausfallsichere
Schaltung zur Verwendung bei einem intervallbetriebenen Gleichstrommotor,
der über
einen Trennschalter mit einer Stromversorgung verbunden ist, wobei
eine Steuerschaltung intermittierend Steuerimpulse zum Motor übermittelt.
Die ausfallsichere Schaltung enthält einen Kondensator, der aufgeladen
wird, wenn die Ansteuerungsimpulse an den Motor angelegt werden,
und entladen wird, wenn die Ansteuerungsimpulse nicht an den Motor
angelegt werden. Eine Bezugsspannung wird erzeugt und mit der in
dem Kondensator gespeicherten Spannung verglichen. Wenn die Spannung
am Kondensator die Bezugsspannung übersteigt, wird veranlaßt, daß der Trennschalter
die Stromversorgung zum Motor unterbricht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER OFFENBARUNG
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Eine
Aufgabe einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Gleichstrommotorsicherheitsschaltungen
bereitzustellen, die für
praktische Zwecke die oben erwähnten
Beschränkungen
beseitigen.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Sicherheitsschaltungssystem
für ein
gleichstrombetriebenes Gerät
zur Verwendung bei einem Infusionsgerät bereitgestellt, wobei das
Sicherheitsschaltungssystem der Definition in Anspruch 1 entspricht.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
ist das gleichstrombetriebene Gerät ein Gleichstrommotor in einer
Infusionspumpe. Alternativ ist das gleichstrombetriebene Gerät ein Gasgenerator
in einer Infusionspumpe. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Sicherheitsschaltung
durch ein Wechselstromsignal von der Steuereinrichtung gesteuert,
so daß die Sicherheitsschaltung
durch das Wechselstromsignal aktiviert wird, um einen Gleichstromfluß zuzulassen und
die Vorwärtsbewegung
des Gleichstrommotors zu ermöglichen,
während
das Wechselstromsignal durch die Steuereinrichtung angelegt wird.
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In
Ausführungsformen,
die einen Gleichstrommotor nutzen, bewirkt die Sicherheitsschaltung im
Sperrzustand die Blockierung der Vorwärtsbewegung des Gleichstrommotors,
wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials bezüglich des
zweiten Spannungspotentials positiv ist. Außerdem bewirkt die Sicherheitsschaltung
im Sperrzustand nicht die Blockierung einer Rückwärtsbewegung des Gleichstrommotors,
wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials bezüglich des
zweiten Spannungspotentials negativ ist. Alternativ oder zusätzlich dazu bewirkt
die Sicherheitsschaltung im Sperrzustand die Blockierung einer Rückwärtsbewegung
des Gleichstrommotors, wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials
bezüglich
des zweiten Spannungspotentials negativ ist. Außerdem bewirkt die Sicherheitsschaltung
im Sperrzustand die Blockierung der Vorwärtsbewegung des Gleichstrommotors,
wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials bezüglich des
zweiten Spannungspotentials negativ ist. Ferner bewirkt die Sicherheitsschaltung
im Sperrzustand nicht die Blockierung einer Rückwärtsbewegung des Gleichstrommotors,
wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials bezüglich des
zweiten Spannungspotentials positiv ist. Alternativ bewirkt die Sicherheitsschaltung
im Sperrzustand die Blockierung einer Rückwärtsbewegung des Gleichstrommotors,
wenn die Differenz des ersten Spannungspotentials bezüglich des
zweiten Spannungspotentials positiv ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
betreffen eine Infusionspumpe, in der die Sicherheitsschaltung dazu
dient, den Betrieb des Gleichstrommotors während eines Ausfalls der Steuereinrichtung
zu verhindern, um die unbeabsichtigte Abgabe von zu viel Flüssigkeit
zu verhindern. In bestimmten Ausführungsformen ist die Sicherheitsschaltung
in den Gleichstrommotor integriert. In anderen Ausführungsformen
ist die Sicherheitsschaltung gemeinsam mit der Steuereinrichtung
angeordnet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden
ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich,
die anhand von Beispielen verschiedene Merkmale von Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend
werden Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben,
in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen
Figuren bezeichnen.
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1 zeigt
ein Schaltschema einer Sicherheitsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
ein erläuterndes
Schaltschema einer Sicherheitsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
ein Schaltschema einer Sicherheitsschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
ein Schaltschema einer Sicherheitsschaltung, die eine Variante der
in 3 dargestellten Ausführungsform ist.
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5(a) zeigt ein Schaltschema einer Sicherheitsschaltung,
die eine weitere Variante der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ist.
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5(b) zeigt eine Draufsicht einer Anschlußstiftbelegung
für eine
Komponente, die in der in 5(a) dargestellten
Schaltung verwendet wird.
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5(c) zeigt eine Draufsicht einer Anschlußstiftbelegung
für eine
weitere Komponente, die in der in 5(a) dargestellten
Schaltung verwendet wird.
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6 zeigt
ein Schaltschema einer Sicherheitsschaltung, die eine weitere Variante
der in 3 dargestellten Ausführungsform ist.
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7 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Motors gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild eines Motors und einer Sicherheitsschaltung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
ein Wellenformdiagramm, das die Funktion der Sicherheitsschaltung
und die einem Gleichstrommotor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zugeführte
Leistung darstellt.
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10 zeigt
ein die Funktion der Sicherheitsschaltung und die einem Gleichstrommotor
zugeführte
Leistung darstellendes Wellenformdiagramm, das eine vergrößerte Ansicht
des in dem gestrichelten Kreis 10-10 von 9 dargestellten
Abschnitts ist.
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11 zeigt
ein die Funktion der Sicherheitsschaltung und die einem Gleichstrommotor
zugeführte
Leistung darstellendes Wellenformdiagramm, das eine vergrößerte Ansicht
des in dem gestrichelten Kreis 11-11 von 9 dargestellten
Abschnitts ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
in den Zeichnungen zu Erläuterungszwecken
dargestellt, wird die Erfindung in Sicherheitsschaltungen für Gleichstrommotoren
(Gs-Motoren) verwirklicht, die in Infusionsgeräten eingesetzt werden. In bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung übermitteln
Steuereinrichtungen zusätzlich
zur Stromversorgung für
den Gleichstrommotor in einer Infusionspumpe ein Signal an die Sicherheitsschaltung,
das den Betrieb des Gleichstrommotors erst dann freigibt, wenn ein
Freigabesignal an die Sicherheitsschaltung übermittelt wird. Man wird jedoch
erkennen, daß weitere
Ausführungsformen
der Erfindung eingesetzt werden können, um den Motorbetrieb mit
zusätzlichen
Signalen oder durch Steuerung anderer Aspekte der Infusionspunkte
zu sperren. Die Sicherheitsschaltungen sind hauptsächlich für den Einsatz
in Infusionspumpen eingerichtet, die ein Medikament (oder Fluid)
an menschliches Subkutangewebe abgeben. Es können jedoch noch weitere Ausführungsformen
mit Infusionspumpen für
andere Gewebearten eingesetzt werden, wie z. B. Muskel-, Lymph-,
Organgewebe, Venen, Arterien oder dergleichen, und in tierischem
Gewebe eingesetzt werden. Die Infusionspumpen dienen außerdem hauptsächlich für externe
Anwendung; jedoch können
alternative Ausführungsformen in
den Körper
eines Patienten implantiert werden. Die Infusionsgeräte sind
außerdem
hauptsächlich
für die Abgabe
von Medikamenten, Drogen und/oder Fluiden an einen Patienten bestimmt,
jedoch können
andere Ausführungsformen
mit anderen Infusionsgeräten
eingesetzt werden, die einen hohen Sicherheitsgrad erfordern, damit
kein "Durchgehen" eines Gleichstrommotors
auftritt, wie z. B. bei gewissen Herstellungsverfahren oder dergleichen.
Bevorzugte Ausführungsformen
betreffen Sicherheitsschaltungen für Gleichstrommotoren. Alternative
Ausführungsformen
können
jedoch mit anderen gleichstrombetriebenen Geräten eingesetzt werden, wie
z. B. bei einem gleichstromaktivierten Gasgenerator in einer Infusionspumpe
oder dergleichen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
betreffen Schaltungen und Verfahren für die Anwendung der Gleichstrommotor-Technologie
in Infusionsgeräten mit
zusätzlichen
Sicherheitsschaltungen, um ein "Durchgehen" des Gleichstrommotors
zu verhindern. Der Einsatz dieser Technologie macht die Verwendung
von vergleichsweise weniger effizienten und kostspieligeren Schrittmotoren
und Solenoidmotoren unnötig.
Alle dargestellten Ausführungsformen schließen einen
Gleichstrommotor und einige Steuerelektronik für Gleichstrommotoren ein, obwohl
auch andere Komponenten oder gleichstrombetriebene Geräte verwendet
werden können.
Die Steuerelektronik kann relativ einfach sein und beispielsweise
nur die Fähigkeit
aufweisen, den Gleichstrommotor durch Stromzufuhr für die Dauer
eines Tastendrucks ein- und auszuschalten, oder sie kann komplexer sein
und Mikroprozessoren mit mehrfachen programmierbaren Steuerungsprofilen
verwenden, die eine Rückkopplung
von einem Codierer, Steuerstrom oder dergleichen nutzen.
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1 zeigt
eine Sicherheitsschaltung 110 nach einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist ein Gleichstrommotor 112 so
konfiguriert, daß er
eine Wicklung mit einer Nennspannung aufweist, die wesentlich höher als
eine Speisespannung von einer Batterie 114 ist. Um eine
ausreichende Spannung für
den Betrieb des Gleichstrommotors 112 zu erzeugen, nutzt
die Sicherheitsschaltung 110 einen Gs-Gs-Aufwärtswandler 116 (oder ähnliches),
der einen Integralregler 118 zwischen der Batterie 114 und
dem Gleichstrommotor 112 enthält, um den Gleichstrommotor 112 auf
seine Nennspannung zu steuern (siehe 1). Wenn
ein Gleichstrommotor mit der Nennspannung gespeist wird (wobei auch
angenommen wird, daß ein
ausreichender Strom verfügbar
ist), dann liefert der Gleichstrommotor im allgemeinen ein bekanntes
Drehmoment. Wenn zum Beispiel die Speisespannung halbiert wird,
dann liefert der Gleichstrommotor nur annähernd die Hälfte des Abtriebsdrehmoments
bei voller Spannung. Zwischen der Batterie und dem Gleichstrommotor
könnte
jedoch ein Zweifach- oder Mehrfach-Gs-Gs-Aufwärtswandler eingesetzt werden,
um die Nennspannung für
den Gleichstrommotor bereitzustellen. Um eine Sicherheitsschaltung
bereitzustellen, wird daher die Motornennspannungswicklung so gewählt, daß ihre Spannung
irgendein hohes Vielfaches der Speisespannung von der Batterie ist,
wie z. B. zehnmal höher
oder dergleichen als die Speisespannung von der Batterie. Wenn daher
die Batterie 114 direkt zum Gleichstrommotor 112 kurzgeschlossen
wird (d. h. wenn ein Ausfall der Steuerelektronik 118 und/oder des
Gs-Gs-Aufwärtswandlers 116 auftritt),
dann wäre das
Abtriebsdrehmoment des Gleichstrommotors 112 nur etwa 1/10
des Nennwerts.
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Wenn
die Reibung in dem vollständigen
Antriebssystem (z. B. Antriebsräder,
Welle oder dergleichen) etwa 1/10 des Nennwerts beträgt, dann
weist der Gleichstrommotor 112 im allgemeinen kein ausreichendes
verfügbares
Drehmoment auf, um das System anzutreiben und einen Zustand des "Durchgehens" zu verursachen.
Um den Gleichstrommotor 112 mit ausreichendem Drehmoment
anzutreiben, wäre
ein Gs-Gs-Aufwärtswandler 116 mit
einer etwa zehnfachen Spannungsüberhöhungsfähigkeit
erforderlich. Zur zusätzlichen
Sicherheit würden
alternative Ausführungsformen
der Sicherheitsschaltung 10 den Gs-Gs-Aufwärtswandler 116 enthalten,
so daß er nur
durch ein zusätzliches
internes Signal S1 (in gestrichelten Linien dargestellt) von der
integrierten Steuerelektronik 118 aktiviert würde. Bei
einem Ausfall der Steuerelektronik 118 gäbe es daher
kein Freigabesignal zur Bereitstellung der erforderlichen überhöhten Spannung,
um den Gleichstrommotor 12 in einen Zustand des "Durchgehens" zu steuern. Alternative
Ausführungsformen
können
andere Verhältnisse
der Batteriespeisespannungen zu den Motornennspannungen verwenden,
wobei die Auswahl auf der Reibung des Systems, der Bewegungstoleranz, den
Kosten der Steuerelektronik und der Gleichstrommotoren oder dergleichen
basiert. In weiteren Alternativen kann die Steuerelektronik 118 von
dem Gs-Gs-Aufwärtswandler 116 getrennt
und als eigenständiges
Element bereitgestellt werden, das vor oder hinter dem Gs-Gs-Aufwärtswandler 116 angeordnet
wird.
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2 zeigt
eine Sicherheitsschaltung 200 nach einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die auf der in 1 dargestellten
Ausführungsform
aufbaut. Die Sicherheitsschaltung 200 nutzt einen Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 (der
eine integrierte Steuerelektronik 210 aufweist) und eine
Zenerdiode 204. Der Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 wandelt
die Speisespannung von der Batterie 206 in einen Wert um,
welcher der Summe aus der Nennspannung der Motorwicklung des Gleichstrommotors 208 und
der Zenerdiode 204 entspricht. Wenn z. B. der Gleichstrommotor 208 eine
Motorwicklung von 3,0 V und die Zenerdiode 204 eine Durchbruchsspannung
von 2,0 V aufweist, dann muß der Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 eine
Spannung von 5,0 V bereitstellen, um den Betrieb des Gleichstrommotors 208 bei
seiner Nennspannung zu erleichtern, wenn der Gleichstrommotor 208 mit
der Nennspannung angetrieben werden soll. Wenn daher in diesem Beispiel
die Speisespannung von der Batterie 206 als positives Spannungspotential
auf 5 V angehoben wird, gehen 2 Volt durch die Zenerdiode 204 verloren, und
für den
Betrieb des Gleichstrommotors 208 werden 3 Volt bereitgestellt.
In umgekehrter Richtung (d. h. bei einem negativen Spannungspotential)
braucht der Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 die
Speisespannung von 1,5 V von der Batterie 206 nur auf 3
V anzuheben, da in umgekehrter Richtung nur ein geringer Verlust
durch die Zenerdiode 204 auftritt. In einer alternativen
Ausführungsform
kann eine Schottky-Diode 250 (in 2 in gestrichelten
Linien dargestellt) parallel zu der Zenerdiode 204 geschaltet
werden, um einen niedrigen und voraussagbaren Spannungsabfall in
umgekehrter Richtung (d. h. bei negativem Spannungspotential) sicherzustellen.
Als Alternative kann, wenn ein Rücklauf
mit höherer
Geschwindigkeit (z. B. mit höherem
Drehmoment) erwünscht und/oder
erforderlich ist, der Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 nach
wie vor auf die 5 Volt angehoben werden, um den mit 3 Volt ausgelegten
Gleichstrommotor 208 zu übersteuern. Alternativ kann
der Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 einen
Bereich von verschiedenen Spannungswerten bereitstellen, um den
Gleichstrommotor 208 mit verschiedenen Nennleistungen entweder
in Vorwärts-
oder in Rückwärtsrichtung
anzutreiben.
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Wenn
in dieser Ausführungsform
die integrierte Steuerelektronik 210 ausfallen und einen
direkten Kurzschluß zwischen
der Batterie 206 und dem Gleichstrommotor 208 mit
der umgekehrt vorgespannten Zenerdiode 202 (oder einer
umgekehrt vorgespannten Zenerdiode 202 in Parallelschaltung
mit einer Schottky-Diode 250) verursachen würde, dann würde der
Gleichstrommotor 208 in der Vorwärtsrichtung nicht laufen (d.
h. es würde
keine Medikamentenabgabe erfolgen) und würde nur einen Bruchteil des
Nenndrehmoments in Rücklaufrichtung
aufweisen (oder keinen Rücklauf,
wenn im Antriebsmechanismus eine ausreichende Reibung vorhanden
ist). Zur zusätzlichen
Sicherheit würden
alternative Ausführungsformen
der Sicherheitsschaltung 200 den Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 enthalten,
so daß dieser nur
durch ein zusätzliches
internes Signal S2 (in gestrichelten Linien dargestellt) von der
Steuerelektronik 210 aktiviert würde. Wenn daher die Steuerelektronik 210 ausfallen
sollte, wäre
kein Freigabesignal vorhanden, um die erforderliche Spannungsüberhöhung für den Antrieb
des Motors 208 in einem Zustand des "Durchgehens" bereitzustellen. In bevorzugten Ausführungsformen
ist die Zenerdiode 204 in der Gleichstrommotor-Baugruppe 212 enthalten
(siehe auch 7), so daß der Gleichstrommotor 208 unabhängig vom
Typ der Steuerelektronik 210, an die der Gleichstrommotor 208 angeschlossen
ist, geschützt
wird. In alternativen Ausführungsformen könnte die
Zenerdiode 204 in der Steuerelektronik enthalten sein,
und die Elektronik wird dann mit einem herkömmlichen Gleichstrommotor verbunden (siehe
auch 8). In alternativen Ausführungsformen kann eine zweite
Zenerdiode verwendet werden, die bezüglich der ersten Diode umgedreht
ist und in Reihe mit der ersten Diode liegt, so daß der Gleichstrommotor
in beiden Richtungen ähnlich
arbeitet. Im Fall eines direkten Kurzschlusses zum Gleichstrommotor
in umgekehrter Richtung würde die
Batteriespannung nicht ausreichen, um den Motor 208 in
einer der beiden Richtungen laufen zu lassen. In weiteren Alternativen
kann die Steuerelektronik 210 vom Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 getrennt und
als eigenständiges
Element bereitgestellt werden, das vor oder hinter dem Gs-Gs-Aufwärtswandler 202 angeordnet
wird.
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In
den ersten beiden Ausführungsformen wird
das "Durchgehen" des Gleichstrommotors
im wesentlichen verhindert. Wenn das System jedoch so ausfallen
würde,
daß ein
Kurzschluß zwischen
der überhöhten Spannung
vom Gs-Gs-Wandler zum Gleichstrommotor aufrechterhalten würde und/oder die Zenerdiode
ausfallen würde,
dann besteht bei den obigen Ausführungsformen
die Möglichkeit
eines "Durchgehens" des Motors.
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3 zeigt
eine Sicherheitsschaltung 300 nach einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die weitere Verbesserungen enthält, um Schutz
gegen das "Durchgehen" des Gleichstrommotors 302 zu
bieten. Die Sicherheitsschaltung 300 weist eine zusätzlich in
die Gleichstrommotor-Baugruppe eingebaute Elektronik auf (wie in 7 dargestellt),
die von der Steuerelektronik unabhängig ist. Alternativ kann die
zusätzliche
Elektronik in der Steuerelektronik enthalten sein (wie in 8 dargestellt) oder
einen getrennten Satz der Steuerelektronik bilden (nicht dargestellt).
In bevorzugten Ausführungsformen
muß die
Steuerelektronik ein bestimmtes Signal (am Anschluß 3)
für die
Zusatzelektronik bereitstellen, um den Betrieb des Gleichstrommotors 302 zu
ermöglichen.
Wie in 3 dargestellt, wird die Nennspeisespannung von
der Batterie (nicht dargestellt) an die Anschlüsse 1 und 2 als
negatives bzw. positives Spannungspotential angelegt, um den Betrieb
des Gleichstrommotors 302 in Vorwärtsrichtung zu steuern. Durch
den Gleichstrommotor 302 fließt jedoch kein Strom, bis von
der Steuerelektronik ein spezifisches Wechselstromsignal (z. B.
eine Rechteckwelle mit 3 Volt Spitze-Spitze bei etwa 32 kHz – siehe 9–11)
an den Anschluß 3 und
die Sicherheitsschaltung 300 angelegt wird. Dadurch wird ein
zweites unabhängiges
System zur Steuerung des Betriebs des Gleichstrommotors 302 bereitgestellt. Damit
ein "Durchgehen" auftritt, muß die Steuerelektronik
die Batterie zu den Stromanschlüssen 1 und 3 kurzschließen und
muß außerdem ein
Wechselstromsignal an den Anschluß 3 der Sicherheitsschaltung 300 anlegen.
Wenn daher ein direkter Kurzschluß zwischen der Batterie und
den Stromanschlüssen 1 und 3 bei
der Sicherheitsschaltung 300 auftritt, läuft der
Gleichstrommotor 302 nicht, da das erforderliche Wechselstromsignal
am Anschluß 3 nicht
vorhanden ist. Vorzugsweise verwendet die Sicherheitsschaltung 300 zwei
Schottky-Dioden 304 und 306 (z. B. BAT54SCT-ND
von Zetex) und einen FET 308 (z. B. IRMLMS1902 von International
Rectifier).
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Wenn
die Steuerelektronik im Betrieb ein positives Gleichspannungspotential
an den Anschluß 2 und
ein negatives Spannungspotential an den Anschluß 1 anlegt, dann läuft der
Gleichstrommotor 302 nicht, da an dem Gate G des FET 308 kein
positives Signal anliegt, das von dem Eingangssignal am Anschluß 3 der
Sicherheitsschaltung 300 abgeleitet ist. In dieser Situation
sperrt das Gate G den Stromfluß von
der Drain-Elektrode D zur Source-Elektrode S des FET 308.
Der Gleichstromfluß durch
den Anschluß 3 wird
durch den Kondensator C1 gesperrt. Daher läuft der Gleichstrommotor 302 nicht,
wenn kein Wechselstromsignal am Anschluß 3 der Sicherheitsschaltung 300 anliegt.
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Wenn
ein Wechselspannungspotentialsignal (z. B. eine Rechteckwelle von
3 Volt Spitze-Spitze mit einer Frequenz von etwa 32 kHz – siehe
die 9–11)
am Anschluß 3 der
Sicherheitsschaltung 300 anliegt, erfolgt eine Gleichrichtung
und Verdopplung des Signals durch die Schottky-Dioden 304 und 306,
um das Gate G positiv vorzuspannen; Strom fließt dann von der Drain-Elektrode
D zur Source-Elektrode S des FET 308 und zum Anschluß 1.
Dadurch wird dann wieder der Gleichstrommotor 302 angesteuert,
der mit dem positiven Gleichspannungspotential am Anschluß 2 verbunden
ist. In alternativen Ausführungsformen
kann eine andere Anzahl von Komponenten, wie z. B. Dioden, Kondensatoren, Widerständen oder
dergleichen, verwendet werden. Außerdem kann die Auswahl des
FET-Typs, der Diode, der Größe der Spannungspotentiale
an den Anschlüssen 1, 2 und 3,
des Wechselstrom-Signaltyps (einschließlich der Dauer der Maxima,
der Wellenform und der Frequenz) verschieden sein, wobei die Auswahl
von der Nennbetriebsspannung des Motors, der Systemreibung, den
Toleranzen, Sicherheitsproblemen, der Steuerelektronik oder dergleichen
abhängig
ist.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
verwendet die Sicherheitsschaltung 300 das zusätzliche Wechselstromsignal
zur Steuerung des Vorwärtsbetriebs
des Gleichstrommotors 302, da Bedenken wegen des "Durchgehens" des Gleichstrommotors
nur von der Möglichkeit
der übermäßigen Abgabe
eines Fluids wegen Ausfalls der Sicherheitsschaltung 300 herrühren. Weniger
Bedenken gibt es für
die Situation, in der das Infusionsgerät zurückläuft, da in diesem Szenarium
kein Fluid abgegeben wird. In alternativen Ausführungsformen kann das Antriebssystem
jedoch auch ein zusätzliches
Signal nutzen, um den Betrieb des Gleichstrommotors in Rücklaufrichtung
zu steuern.
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4 zeigt
eine Sicherheitsschaltung 400 nach einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Sicherheitsschaltung 400 ist ähnlich der
Ausführungsform
von 3, nutzt aber ein BJT 402 (FMMT 491ACT-ND
von Zetex) anstelle des FET 308 und eine zusätzliche
Schottky-Diode 404 (z. B. BAT54CT-ND von Zetex).
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Die 5(a)–(c)
zeigen eine Sicherheitsschaltung 500 nach einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Diese Sicherheitsschaltung 500 ist
gleichfalls ähnlich
der Ausführungsform von 3,
nutzt aber einen FET 502 (IRML1902 von International Rectifier)
anstelle des FET 308 sowie eine zusätzliche Schottky-Diode 504 (z.
B. BAT54CT-ND von Zetex).
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6 zeigt
eine Sicherheitsschaltung 600 nach einer sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Sicherheitsschaltung 600 ist ähnlich der
Ausführungsform
von 3, nutzt aber einen FET 606 (IRML1902
von International Rectifer) anstelle des FET 308 sowie
eine zusätzliche
Schottky-Diode (z.
B. BAT545CT-ND von Zetex). Außerdem werden
die Kondensatoren und Widerstände
so gewählt,
daß sie
ein Bandfilter bilden, um für
eine bessere Rauschisolierung und Schaltungsleistung zu sorgen.
Die Leistung der Sicherheitsschaltung 600 bei der Stromversorgung
des Gleichstrommotors 604 aus einer Batterie 602 ist
in den 9–11 dargestellt.
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7 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Gleichstrommotor-Baugruppe 700,
die eine Sicherheitsschaltung 702 innerhalb der Baugruppe 700 aufweist,
die einen Gleichstrommotor 704 enthält. Ein Vorteil dieser Konfiguration
ergibt sich aus der Tatsache, daß der Gleichstrommotor 704 die
Sicherheitsschaltung 702 enthält, die angeschlossen und aktiviert
sein muß,
da sonst der Gleichstrommotor 704 nicht läuft. Dadurch
wird die Möglichkeit
minimiert, daß ein
Gleichstrommotor 704 in einem Infusionsgerät falsch
installiert wird, indem sichergestellt wird, daß ein Wechselstromsignal am
Anschluß 3 auf der
Leitung 706 anliegen muß, um den Betrieb des Gleichstrommotors 704 freizugeben.
In alternativen Ausführungsformen,
wie in 8 dargestellt, enthält das Infusionsgerät 800 eine
zusätzliche
Sicherheitsschaltung 802 (d. h. zusätzlich zu anderen Schaltern und
Steuerelementen, die in der Steuerschaltung zu finden sind), die
innerhalb der Steuerelektronik 804 enthalten ist. Die Steuerelektronik 804 wird
dann mit einem normalen Gleichstrommotor 806 mit zwei Eingängen verbunden,
ohne daß ein
zusätzlicher
Anschluß zum
Gleichstrommotor 806 nötig
ist. Zum Beispiel betätigt
die Sicherheitsschaltung 802 einen Schalter 808,
um die Stromversorgung und den Antrieb des Gleichstrommotors 806 freizugeben.
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Die 9–11 zeigen
Betriebswellenformen für
die Sicherheitsschaltung 600 (siehe 6) beim
Anlegen von Gleichstrom an die Schaltung. Wenn im Diagrammabschnitt 902 Gleichstrom
an den Gleichstrommotor 604 angelegt wird, wie in 9 dargestellt,
wird kein Strom gezogen, da das Wechselstrom-Freigabesignal im Diagrammabschnitt 908 nicht
vorhanden ist. Wenn das Wechselstromsignal im Diagrammabschnitt 910 angelegt wird,
dann wird durch die Batterie 602 schnell Gleichstrom an
den Gleichstrommotor 604 angelegt, wie im Diagrammabschnitt 904 dargestellt.
Wenn das Wechselstromfreigabesignal weggenommen wird, wie im Diagrammabschnitt 912 dargestellt,
dann wird der dem Gleichstrommotor 604 zugeführte Gleichstrom
unterbrochen, wie im Diagrammabschnitt 906 dargestellt.
In den 10 und 11 sind
Abschnitte von 9 hervorgehoben und erweitert,
um das verwendete Wechselstromsignal und die Reaktion der Sicherheitsschaltung 600 zu
veranschaulichen. Das dargestellte Wechselstromsignal liegt bei
etwa 3 V Spitze-Spitze bei einer Frequenz von etwa 32 kHz. In alternativen
Ausführungsformen
können
jedoch andere Wellenformen, wie z. B. die Sägezahnform, die Sinusform oder
dergleichen, verwendet werden. Außerdem können andere Spannungsbereiche
verwendet werden, wobei die Auswahl von der Motornennleistung und
der Anwendung abhängig
ist, in welcher der Motor eingesetzt wird. Ferner können höhere oder
niedrigere Frequenzen genutzt werden, wobei die Auswahl von der
Ansprechcharakteristik der Sicherheitsschaltung, dem Rauschen oder
dergleichen abhängig
ist. Die in den 10 und 11 beobachteten
Verzögerungen
sind ein Ergebnis der in der Sicherheitsschaltung 600 verwendeten
Glättungs-
und Bandfilter. Zum Beispiel dauert es etwa 125 Mikrosekunden, bis
der Gleichstrommotor 604 anspricht, nachdem das Wechselstromsignal
angelegt wird, und etwa 80 Mikrosekunden bis zum Ansprechen des
Gleichstrommotors 604 nach Beendigung des Wechselstromsignals.
Ein Vorteil des linearen Anstiegs und Abfalls des Gleichstroms ist,
daß er die
Wirkungen von Spannungsspitzen und elektromagnetischen Störungen minimiert.
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Die
gegenwärtig
offenbarten Ausführungsformen
sind daher in jeder Hinsicht als erläuternd und nicht als einschränkend anzusehen,
wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche und
nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird.