Warum verwenden wir Kondensatoren und keine Batterien im Defibrillator?

Batterien verwenden normalerweise elektrochemische Reaktionen, um Energie zu speichern. Diese Reaktionen haben eine Grenze, wie schnell sie diese Energie übertragen können. Beispielsweise kann eine typische Blei-Säure-Autobatterie nur so viel Energie ziehen; ab einem bestimmten Punkt beginnt es zu zerfallen, wobei Wasserstoffgas entsteht, das sich dann mit freiem Sauerstoff in der Luft entzünden kann. Eine Analogie wäre eine Gravitationsbatterie, wie ein großer Wasserdamm auf einem höheren Gravitationsenergieniveau. Das Öffnen einer Tür würde Wasser fließen lassen und könnte vielleicht einen Monat lang einen Stromkreis mit einer gewissen Spannung betreiben. Es kann jedoch sein, dass es nie über dieses Spannungsniveau hinausgeht, wenn es viel höher ist, weil es keine Möglichkeit gibt, die gesamte Energie zu nutzen – als ob der Damm auf einmal vollständig geöffnet würde. Es gibt also klare Grenzen für die Rate, die entladen werden kann.

Kondensatoren können große Potentialunterschiede besser speichern; Sie können die Spannungen jedoch oft nicht über längere Zeiträume aufrechterhalten. Dies liegt daran, dass Kondensatoren einfach ein elektrisches Feld und verschiedene Geometrien verwenden, um Energie zu speichern.

Wenn Sie also nur einen kurzen Energiestoß benötigen, können Sie die benötigte Batteriegröße durch die Verwendung eines Kondensators reduzieren. Grundsätzlich speichert der Kondensator eine höhere Spannung als die Batterieklemmen und gibt sie dann frei. Andernfalls wäre eine viel größere Batterie erforderlich, aber mit der größeren Batterie würden Sie eine nachhaltigere Spannung als mit einem Kondensator erhalten. Schlagen Sie die "Amperestunden" einer Batterie nach. Die Batterie enthält mehr Energie als der Kondensator, dennoch kann der Kondensator eine höhere Spannung abgeben. Siehe auch spezifische Energie oder Energiedichte verschiedener Arten von Batterien und dann für Kondensatoren.

Auch aufgrund der begrenzten Energie des Kondensators verhindert dies möglicherweise die Möglichkeit einer Art festgefahrener Schaltung, bei der Energie kontinuierlich fließen kann. Möglicherweise wären bei einer Batterie komplexere Schaltungen erforderlich, um eine kurze Spannungsspitze zu erhalten, die sich schnell schließt und dann öffnet. Sie können Funken und Rauschen usw. bekommen. Sobald der Stromkreis geschlossen ist, kann der Kondensator geschlossen bleiben, und der Kondensator entleert einfach sein Potenzial und das war's.

Der Defibrillator benötigt für seine Arbeit eine hohe Spannung. Normalerweise würde dies einen sehr großen Batteriestapel (Hunderte von Einzelzellen) erfordern, um die Spannungsanforderung zu erfüllen. Stattdessen verwenden Defibrillatoren ein kleineres Batteriepaket, um einen Zerhackerschaltkreis zu treiben, der die Spannung durch einen Transformator erhöht, wonach das Ergebnis gleichgerichtet, gefiltert und in einer Kondensatorbank mit geringem Leckstrom gespeichert wird. dies minimiert das Gewicht und die Masse der Maschine sowie ihre Kosten.

Die kurze Antwort lautet: Obwohl Kondensatoren nicht so viel Gesamtenergie speichern wie eine Batterie gleicher Größe, können sie Energie schneller abgeben als Batterien.

In einem tragbaren Defibrillator (oder einem Taser!) lädt eine Batterie einen Kondensator auf, dann gibt der Kondensator die Ladung viel, viel schneller an das Subjekt ab, als sie direkt von der Batterie geliefert werden könnte.

Die in Defibrillatoren verwendeten sehr großen Kondensatoren können (kurzzeitig) 2000 bis 6000 Volt liefern.

Die Fähigkeit, Energie relativ schnell zu liefern, ist im Grunde die Unterscheidung zwischen einem „ Kondensator “ und einem „ Akkumulator “. Dies ist nicht so sehr ein physikalisches Faktoid, sondern nur das, was die Worte bedeuten.

Zum Beispiel im folgenden Diagramm:
${\require{color}} {\definecolor{capacitor}{RGB}{255,10,10}} {\definecolor{lightCapacitor}{RGB}{255,131,131}} {\definecolor{battery}{RGB}{186,138,20}} {\definecolor{lightBattery}{RGB}{219,194,133}} % %\text{For example, in the below plot:} \\ \hskip{1em} \lower{2.5ex}{ \begin{array}{l} {\rlap{\color{capacitor}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightCapacitor}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{ {\color{capacitor}{\textbf{Li-ion capacitor}}} ~\text{has a higher discharge rate; though} }} \\ {\rlap{\color{battery}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightBattery}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{{\color{battery}{\textbf{Li-ion battery}}} ~\text{can store more energy.}}} \end{array} }$
$\hskip{50px}$${\require{cancel}} {\def\place#1#2#3{\smash{\rlap{\hskip{#1px}\raise{#2px}{#3}}}}} \place{305}{219}{\color{capacitor}{\bcancel{\phantom{\rule{97px}{25px}}}}} \place{377}{191}{\color{battery}{\cancel{\phantom{\rule{25px}{7px}}}}}$

Beachten Sie, dass die Leistung Einheiten von hat$\left[\frac{\text{energy}}{\text{time}}\right]$. Das heißt, Leistung ist die Rate, mit der Energie geliefert wird.

Konzeptionell scheint es einen Interessenkonflikt zwischen dem Speichern von Energie und der Fähigkeit zu geben, sie schnell zu verlieren (dh Strom zu liefern). Wie oben gezeigt, neigen bestimmte Technologien dazu, einen Kompromiss zwischen ihrer Fähigkeit, Energie zu speichern und zu liefern, einzugehen.

Dieser Konflikt kann ähnlich wie bei der thermodynamischen Reversibilität angesehen werden, bei der langsamere Prozesse tendenziell höhere Wirkungsgrade haben. Zum Beispiel hat nützliches Heizen die höchsten thermodynamischen Wirkungsgrade, wenn es willkürlich kleine Temperaturgradienten herunterfließt, obwohl je kleiner der Temperaturgradient ist, desto länger dauert es, bis sich eine endliche Wärmemenge darüber bewegt.

In der Thermodynamik ist ein reversibler Prozess ein Prozess, dessen Richtung "umgekehrt" werden kann, indem unendlich kleine Änderungen an einer Eigenschaft des Systems über seine Umgebung ohne Erhöhung der Entropie herbeigeführt werden. Während des gesamten reversiblen Prozesses befindet sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung. Da es unendlich lange dauern würde, bis der reversible Prozess abgeschlossen ist, sind perfekt reversible Prozesse unmöglich.

– "Umkehrbarer Prozess (Thermodynamik)" , Wikipedia [Formatierung und Verweise weggelassen]

Es macht eigentlich Spaß, über die informationstheoretischen Aspekte nachzudenken, warum das so ist. Zum Beispiel haben Sie wahrscheinlich schon davon gehört, dass Entropie ein Maß für Unordnung ist; es wird vielleicht besser als eine Qualifizierung dafür angesehen, wie Zustände in einem Ensemble möglicher Zustände fließen könnten. Wenn es mehr ungebundene Flusswege gibt, können sich die Dinge schneller bewegen; Das bedeutet jedoch auch, dass die Entropie wächst und nützliche Arbeit verloren geht.

Auch das Austreten nützlicher Arbeit kommt als thermische Energie (Wärme) zum Vorschein, was bei Hochspannungselektronik ziemlich problematisch sein kann.

Als historische Anmerkung: Kondensatoren waren früher eher physikalische Mechanismen zum Speichern von Energie, während Batterien eher chemische Mechanismen zum Speichern von Energie waren (mit einigen lustigen Ausnahmen ). Dies gilt auch heute noch häufig, obwohl dies vielleicht besser als historischer Zufall angesehen werden sollte als als ein grundlegendes Konzept, das im Auge behalten werden muss. Dinge wie Superkondensatoren und andere Technologien werden weiterhin die Grenze verwischen, da es wirklich keinen Grund gibt, ein ausgereiftes System auf einen einzigen physikalischen Ansatz zu beschränken.

Als letzte Anmerkung: Ein Defibrillator könnte Batterien als Hauptenergiespeicher verwenden und sie zum Laden von Kondensatoren verwenden, die sich schnell entladen könnten. Dieses Konstruktionsmuster wird als transiente Lastentkopplung bezeichnet, wobei die transiente Last der elektrische Bedarf des Schocks ist und die Entkopplung darin besteht, wie die Batterie ihm weniger direkt ausgesetzt ist.

Ein Aspekt, der in der anderen Antwort nicht behandelt wurde, ist, was wirklich benötigt wird, damit ein Defibrillator zuverlässig und sicher funktioniert .

Das Defibrillieren eines Herzens ist nicht einfach "OK, lasst uns den Patienten durch Stromschlag töten"! Um das Herz nicht zu schädigen, ist ein sehr sorgfältiger Energieeinsatz erforderlich. Das bedeutet, dass der Defibrillator einen "guten" elektrischen Impuls erzeugen muss, der einige gut definierte elektrische Eigenschaften hat, die auch entsprechend dem spezifischen Patienten einstellbar sein müssen.

All dies erfordert einiges an Elektronik. Ausgehend von einem Elektronikdesign-POV ist es viel einfacher, eine Schaltung zu bauen, die einige Kondensatoren auf eine genau definierte (hohe) Spannung auflädt und sie dann kontrolliert in den Körper entlädt, all dies unter Verwendung der in "Standard" niedrig gespeicherten Energie Spannungsbatterien, die auch die gesamte Schaltung versorgen.

Während Batterien viel Energie speichern können, sind sie nicht in der Lage, diese schnell genug abzugeben, um den für die Defibrillation erforderlichen Schock abzugeben. Da sich Kondensatoren viel schneller entladen können, werden sie stattdessen verwendet, nachdem sie auf Hochspannung aufgeladen wurden$\left(\approx3000\mathrm{V}\right)$. Durch Auswahl der richtigen Kondensatorgröße kann die Stärke des Schocks kontrolliert werden.

Dieser Artikel enthält weitere Informationen zur Funktionsweise von Defibrillatoren. Grundsätzlich verursachen die Kondensatoren eine große Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden, was einen starken Schock verursacht, wenn diese Elektroden mit dem Körper in Kontakt kommen.