Elektronik Herzschrittmacher

[McFleu]

Hallo,
kann mir jemand die Bauteile und deren Funktion vom ersten Herzschrittmacher erklären? Das Schaltbild befindet sich im Anhang.

Vielen Dank.

geschichte10.gif

[anders]

Oha, das ist ja ein richtig altes Schätzchen!
Zuerst dachte ich, dass es sich um pnp-Germaniumtransistoren handelt, aber nein, das ist schon Silizium. Intermetall verkaufte diese Transistoren ab 1956.

In Kürze:
In den Spulen befinden sich mit Sicherheit zwei hier nicht eingezeichnete Kerne aus weichmagnetischem Material (z.B. Mu-Metall) um die Induktivität der Wicklungen zu erhöhen.
In der linken Spule dürfte das ein stabförmiges Gebilde ähnlich einer Ferritantenne sein.
Das rechte Spulenpaar ist gemeinsam auf einen Kern mit geschlossenem Magnetfeld (Ringkern oder EI-Kern) gewickelt und bildet einen Transformator (Übertrager).


Nun aber:

Die linke Spule dient zum Aufladen des Akkus mittels eines externen hochfrequenten Magnetfeldes.
Die linke OA200 richtet die so in der Spule induzierte Wechselspannung gleich und lädt damit den Akku, der aus zwei (vermutlich) Nickel-Cadmium-Zellen (NiCd) besteht und dann eine Gesamtspannung von 2,4V liefert.
Minus ist an der oberen Schiene, Plus an der unteren.

Die Mittelanzapfung des Akkus und den 400kΩ Widerstand ignorieren wir für den Moment einmal.


Der linke OC460 bildet zusammen mit dem Übertrager und dem Kondensator einen Oszillator, und zwar handelt es sich um einen so genannten Sperrschwinger.

Da es wichtig ist, werden bei solchen Transformatoren die Anschlüsse gleicher Phase (z.B. die Wicklungsanfänge) mit einem Punkt gekennzeichnet, was hier versäumt wurde.
Die richtige Polarität erschliesst sich aber auch aus der Funktionalität der Schaltung:
Angenommen das mit dem Kollektor verbundene (untere) Ende der Primärwicklung (rechts) wäre mit einem solchen Punkt gekennzeichnet und der Transistor wäre momentan leitend.
Dann führt das untere Ende eine positivere Spannung (ca. 2,2V) als das obere und in der Sekundärwicklung (links) entsteht eine dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechende Spannung, die so gepolt sein muss, dass der Transistor kräftig angesteuert wird.
Bei einem pnp-Transistor ist dafür eine in Bezug auf den Emitter negative Spannung erforderlich.
Demzufolge müsste bei der Sekundärwicklung (links) das obere Ende mit dem Punkt gekennzeichnet werden.
Das Übertragungs- bzw. Windungsverhältnis diese Transformators könnte nahe an 1:1 liegen, aber das ist Feinarbeit und für die Funktion in weitem Bereich nicht entscheidend.

Im weiteren Verlauf passiert nun folgendes:
Wie bereits gesagt, entsteht in der Sekundärwicklung des Übertragers eine Spannung, durch welche die Basis-Emitter-Strecke des Transistors leitend wird. Der Flußspannung der B-E-Diode beträgt bei Si-Transistoren etwa 0,65V (bei Körpertemperatur).
Durch den Stromfluß wird der linke Kondensator aufgeladen, und zwar wird sein oberes Ende positiver (!) als die positive Versorgungsschiene.
Wenn der Kondensator fast auf die Höhe der in der Sekundärspule erzeugten Spannung aufgeladen ist, ist er "voll" und sein Ladestrom nimmt ab.
Dieser Ladestrom diente aber auch zur Ansteuerung des Transistors, die nun schnell schwächer wird, so dass der Transistor immer weniger Kollektorstrom führt.
Hinzu kommt noch, dass der Strom in der Primärspule wegen deren Induktivität immer mehr ansteigen möchte, was wegen der schwächer werdenden Ansteuerung des Transistors nicht stattfinden kann.
Im Ergebnis führen diese Effekte dazu, dass der Transistor schlagartig sperrt und sich die Polarität der Trafowicklungen für einen kurzen Moment umkehrt (wegen der im Magnetfeld gespeicherten Energie und der Induktionsgesetze).
Diese Umkehr dauert nur ein paar Millisekunden, danach ist die Spannung der Spulen des Übertragers 0.
Die vorangegangene Leitphase des Transistors, die ja durch die Ladezeit des Kondensators bestimmt wird, könnte hingegen in der Gegend von 100ms liegen.

Im jetzigen Zustand ist also der Transistor gesperrt, es fliesst kein Strom durch die Transformatorwicklungen und ihre Spannung ist Null, aber im Kondensator ist weiterhin die positive Spannung gespeichert, die den Transistor tief sperrt (Plus an der Basis, Sperrichtung der B-E-Diode).

Nun kommt der 400kΩ Widerstand ins Spiel, der mit der Mittelanzapfung des Akkus verbunden ist.
Über diesen Widerstand fliessen ein paar µA, durch welche die positive Ladung des Kondensators allmählich verschwindet und schliesslich kehrt sich die Spannung des Kondensators sogar um und wird negativ (immer bezogen auf die positive Versorgungsschiene bzw. den Emitter).

Wenn die Spannung des Kondensators etwa -0,6V erreicht, beginnt die BE-Diode zu leiten und es setzt wieder der um gut dsas 20-fache *) verstärkte Kollektorstrom ein.
Durch den Stromfluss entsteht wieder eine positive Spannug am gepunkteten Ende der Trafowicklungen, der Transistor wird stärker angesteuert und kippt dann schlagartig in den leitenden Zustand, der wie oben erwähnt ca 100 Millisekunden anhält und dann wieder durch die viel längere Sperrphase beendet wird.

Die B-E-Strecke des zweiten OC460 ist parallelgeschaltet zu der B-E-Strecke des Oszillatortransistors und deshalb leitet und sperrt dieser Transistor zu den gleichen Zeiten. An seinem 1kΩ-Kollektorwiderstand llegt dadurch eine Rechteckschwingung an, die -bezogen auf die negative Versorgungsschiene- für ca 100 Millisekunden positiv ist und für etwa 1 Sekunde Null.
Die Amplitude dieser Rechteckschwingung beträgt etwa 2V, und weil der Mittelwert nicht Null ist, entfernt man den daraus resultierenden Gleichspannungsanteil mit dem Ausgangskondensator, dessen Wert ich leider nicht entziffern kann.
Je nach Größe des Lastwiderstandes (Elektrodenpaar im Körpergewebe) könnte der Rechteckimpuls durch diesen Kondensator auch differenziert werden. An den Elektroden würden dann abwechselnd positive und negative Nadelimpulse anliegen, die aus den Flanken des Rechtecks entstehen:
----Plus--Minus------------------Plus--Minus------------------Plus--Minus----
Maßgeblich für die Impulsform ist die Zeitkonstante, die sich als Produkt von Kapazität und Widerstand berechnet.




*) Die Stromverstärkung des OC460 wurde tatsächlich nur mit mindestens 20 bei 1mA angegeben. Moderne Transistoren erreichen einige Hundert)

P.S.:
Die rechte OA200 und den 200k-Widerstand habe ich nicht in der Beschreibung erwähnt, weil diese Bauteile für die prinzipielle Funktion der Schaltung nicht entscheidend sind.
Die Diode arbeitet als so genannte Freilaufdiode und begrenzt die Höhe des Spannungsimpulses, welcher sich beim Abschalten einer Induktivität ergibt und der sehr hohe Werte erreichen kann, evtl sogar den Transistor beschädigt. Durch die Begrenzung dauert dieser Spannungsimpuls aber auch etwas länger.

Der Widerstand erzwingt einen gewissen Mindeststrom bei dem der Transistor einschalten kann. Ohne ihn könnte die Schaltung u.U. in eine schnelle Schwingung mit geringer Amplitude verfallen. Wäre doch schlecht, wenn der Schrittmacher selbst zu flimmern anfängt.

[McFleu]

Vielen Dank für die sehr gute Erklärung!

[Erfinderlein]

Aus fast aktuellem Anlass kann ich da am Rande berichten. Am vergangenen Heilig Abend verstarb mein Freund Vasili in Athen weil die Batterie leer war.

LG Lothar

[anders]

weil die Batterie leer war.

Das ist natürlich traurig, aber die sichere Betriebsdauer lässt sich doch vorhersagen?

[SAD]

@ Erfinderlein
Mein Beileid.

@ anders
Wie lange hält denn so eine Batterie?

[anders]

@ anders
Wie lange hält denn so eine Batterie?

Bis sie leer ist.
Die Kapazität der Batterie sowie die Stromaufnahme des Schrittmachers sind den jeweiligen Herstellern narürlich bekannt und durch eine geheime mathematische Operation namens Division lässt sich vorhersagen, wann definitiv Feierabend ist.
So lange wartet man natürlich nicht, sondern wechselt die Batterie bzw. lädt sie mit einem gehörigen Sicherheitsabstand vorher.

[SAD]

Auch wenn es jetzt etwas offtopic wird.
Ist zum Batteriewechsel eine OP nötig oder wird die Batterie/Akku aufgeladen?
So wie z.b. bei der elektr. Zahnbürste.
Und dann nochmal aufschnibbeln...nur für'n neuen Akku,
habe ich gar kein Bock drauf.
Sorry, hab Null Ahnung davon. Die wollen mir so'n Ding vlt. einbauen,
weil die Pumpe stolpert.

[anders]

Ist zum Batteriewechsel eine OP nötig oder wird die Batterie/Akku aufgeladen?
So wie z.b. bei der elektr. Zahnbürste.
Und dann nochmal aufschnibbeln...nur für'n neuen Akku,
habe ich gar kein Bock drauf.

Auch Akkus unterliegen natürlich einem Verschleiß. Sicherlich werden da bessere Modelle eingebaut als bei einer elektrischen Zahnbürste und die Technologie bleibt ja nicht stehen. Selbst für E-Autos werden derzeit wohl Garantiezeiten von 8 Jahren erreicht und 10 Jahre angepeilt.
Außerdem muß der Wechsel ja kein großer Eingriff sein, wenn wesentliche Teile wie die Elektroden an ihrem Platz bleiben können.
Details solltest du aber mit deinen Ärzten, evtl. auch den Herstellern besprechen, denn manches wird auch von deiner persönlichen Erkrankung abhängen.

Für den Anfang kannst du dich ja hier mal einlesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Herzschrittmacher
Dort findet man z.B.:

Ein moderner Herzschrittmacher hat eine Funktionsdauer zwischen fünf und zwölf Jahren, durchschnittlich sind es acht Jahre. In Einzelfällen wurde eine Funktionsdauer von über 19 Jahren erreicht. Ist die zuverlässige Funktion nicht mehr gewährleistet, wird in einem kleinen operativen Eingriff ein Gerätewechsel durchgeführt. Der Austausch ist dank genormter Elektrodensteckverbinder (IS-1-Standard) inzwischen nicht mehr aufwendig.

[SAD]

Danke anders!