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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen
für Allgemeinbeleuchtung
oder für
fotooptische Zwecke. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hochspannungspulsgenerator, der
insbesondere für
eine Lampe eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Das
Problem der Zündung
von Hochdruckentladungslampen wird derzeit dadurch gelöst, dass das
Zündgerät in das
Vorschaltgerät
integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest
ausgelegt sein müssen.
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In
der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit
in die Lampe zu integrieren. Dabei wurde versucht, sie in den Sockel zu
integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende
Zündung
gelingt mittels sog. Spiral-Puls-Generatoren, siehe US-A 3 289 015.
Vor längerer
Zeit wurden derartige Geräte
bei verschiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenidlampen
oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweise
US-A 4 325 004, US-A 4 353 012. Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen,
weil sie zum einen zu teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie
in den Sockel einzubauen, nicht ausreichend, da das Problem des
Zuführens
der Hochspannung in den Kolben bleibt. Daher die Wahrscheinlichkeit
für Schädigungen
der Lampe, seien es Isolationsprobleme oder ein Durchbruch im Sockel, steigt
stark an. Bisher übiche
Zündgeräte konnten
Im allgemeinen nicht über
100 °C erwärmt werden.
Die erzeugte Spannung musste dann der Lampe zugeführt werden, was
Leitungen und Lampenfassungen mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit
erfordert, typisch etwa 5 kV.
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In üblichen
Zündschaltungen
wird normalerweise ein Kondensator über einen Schalter, z.B. eine Funkenstrecke,
in die Primärwicklung
eines Zündtrafos
entladen. In der Sekundärwicklung
wird dann der gewünschte
Hochspannungspuls induziert. Siehe dazu Sturm/Klein, Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische
Lampen, S. 193 bis 195 (6. Auflage 1992).
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen, deren Zündverhalten
gegenüber
bisherigen Lampen deutlich verbessert ist und bei der keine Schädigung infolge
der Hochspannung zu befürchten
ist. Dies gilt insbesondere für
Metallhalogenidlampen, wobei das Material des Entladungsgefäßes entweder
Quarzglas oder Keramik sein kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Weiterhin
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Hochspannungspulsgenerator
anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 14 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird jetzt
ein Hochspannungspuls mit mindestens 1,5 kV, der zur Zündung der
Lampe notwendig ist, mittels eines speziellen temperaturresistenten
Spiral-Puls-Generators erzeugt, der in unmittelbarer Nähe des Entladungsgefäßes im Außenkolben
integriert wird. Nicht nur eine Kaltzündung sondern auch ein Heißwiederzündung ist
damit möglich.
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Der
jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist insbesondere ein sog.
LTCC-Bauteil. Diese
Material ist eine spezielle Keramik, die bis 600 °C Temperaturfest
gemacht werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen
verwendet, siehe US 2003/0001519 und US-B 6 853 151. Jedoch wurde
es für
ganz andere Zwecke bei praktisch kaum temperaturbelasteten Lampen,
mit typischen Temperaturen unter 100 °C, eingesetzt. Der besondere
Wert der hohen Temperaturstabilität von LTCC in Zusammenhang
mit der Zündung
von Hochdruckentladungslampen, wie vor allem Metallhalogenidlampen
mit Zündproblemen,
zu erkennen.
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Der
Spiral-Puls-Generator ist ein Bauteil, das Eigenschaften eines Kondensators
mit denen eines Wellenleiters zur Erzeugung von Zündpulsen
mit einer Spannung von mindestens 1,5 kV vereint, Für die Herstellung
werden zwei keramische "Grün-Folien" mit metallischer
Leitpaste bedruckt und anschließend versetzt
zu einer Spirale aufgewickelt und schließlich isostatisch zu einem
Formkörper
gepresst. Die folgende Co-Sinterung von Metallpaste und keramischer
Folie erfolgt an Luft im Temperaturbereich zwischen 800 und 900 °C. Diese
Verarbeitung erlaubt einen Einsatzbereich des Spiral-Puls-Generators bis 700 °C Temperaturbelastung.
Dadurch kann der Spiral-Puls-Generator
in direkter Nähe
des Entladungsgefäßes im Außenkolben,
aber auch im Sockel oder in unmittelbarer Nähe der Lampe untergebracht
werden.
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Unabhängig davon
kann ein derartiger Spiral-Puls-Generator auch für andere Anwendungen eingesetzt
werden, weil er nicht nur hochtemperaturstabil ist, sondern auch äußerst kompakt.
Dafür ist wesentlich,
dass der Spiral-Puls-Generator
als LTCC-Bauteil ausgeführt
ist, bestehend aus Keramikfolien und metallischer Leitpaste. Um
ausreichend Ausgangspannung zu liefern, sollte die Spirale mindestens
5 Windungen umfassen.
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Zudem
lässt sich
auf Basis dieses Hochspannungspulsgenerators eine Zündeinheit
angeben, die weiterhin zumindest einen Ladewiderstand und einen
Schalter umfasst. Der Schalter kann eine Funkenstrecke oder auch
ein Diac in SiC-Technologie sein.
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Bevorzugt
ist im Falle einer Anwendung für Lampen
die Unterbringung im Außenkolben.
Denn dadurch entfällt
die Notwendigkeit einer hochspannungsfesten Spannungszuleitung.
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Zudem
lässt sich
ein Spiral-Puls-Generator so dimensionieren, dass der Hochspannungspuls
sogar eine Heißwiederzündung der
Lampe ermöglicht. Das
Dielektrikum aus Keramik zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe
Dielektrizitätskonstante ε von ε > 10 aus, wobei je nach
Material und Bauweise ein ε von
typisch 70, bis zu ε =
100 erreicht werden kann. Das schafft eine sehr hohe Kapazität des Spiral-Puls-Generators
und ermöglicht
eine vergleichsweise große
zeitliche Breite der erzeugten Impulse. Dadurch wird eine sehr kompakte
Bauweise des Spiral-Puls-Generators möglich, so dass ein Einbau in handelsübliche Außenkolben
von Hochdruckentladungslampen gelingt.
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Die
große
Pulsbreite erleichtert zudem den Durchschlag im Entladungsvolumen.
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Als
Material des Außenkolbens
kann jedes übliche
Glas verwendet werden, also insbesondere Hartglas, Vycor oder Quarzglas.
Auch die Wahl der Füllung
unterliegt keiner besonderen Einschränkung.
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Um
nun eine besonders effektive Hochspannung zu erzeugen, wird vorgeschlagen,
einen Spiralpulsgenerator ganz oder teilweise mit einem ferritischen
Material zu umgeben. Hat das ferritische Material eine relativen
Permeabilität
von μr = 1 bis 5000, so induziert der durch den
Kurzschluss in der ersten Wicklung fließende Strom in den restlichen
Wicklungen des Spiralpulsgenerators, der bevorzugt ein LTCC-Generator
ist, den gewünschten
Hochspannungspuls. Bevorzugt ist μr möglichst
hoch, und beträgt
mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 100. Dieser Effekt überlagert
sich überraschender
Weise mit dem Pulsgenerations-Effekt des Spiralgenerators selbst.
Bei einem Spiralgenerator mit n Wicklungen wird die Ladespannung
folglich (n-1)-fach hochtransformiert.
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Die
ferritische Umhüllung
des Kerns kann z.B. ein extra Ferritkern (Topfkern, M-Kern, E-Kern, I-Kern),
eine durch LTCC-Technologie aufgebrachte Keramikschicht oder eine
ferritische Vergussmasse sein. Je nach verwendetem Material kann
der Generator bis 500 °C
temperaturfest und zum Einbau in einer HID-Lampe, bevorzugt im Außenkolben
oder in direkter Nähe
des Kolbens, z.B. im Sockel, geeignet sein. Weitere Anwendungsmöglichkeiten
sind z.B. Erzeugung von Zündpulsen
für Otto-Motoren,
Hochspannungspulse für
Testzwecke (Isolationstest), Generation von Hochspannungspulsen
für dekorative Entladungen
(magische Kugel).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators;
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2 Kenngrößen eines
LTCC-Spiral-Puls-Generators;
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3 den
Prinzipaufbau einer Natriumhochdrucklampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.
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4 den
Prinzipaufbau einer Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.
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5 eine
Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben;
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6 eine
Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Sockel;
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7 ein
Spiral-Puls-Generator, der von einem Ferritkern umhüllt ist.
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8 den
Spannungsverlauf an einem als Zündtrafo
geschalteten Spiralgenerator.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
den Aufbau eines Spiral-Puls-Generators 1 in Draufsicht.
Er besteht aus einem keramischen Zylinder 2, in den zwei
verschiedene metallische Leiter 3 und 4 als Folienband
spiralförmig
eingewickelt sind. Der Zylinder 2 ist innen hohl und besitzt
einen gegebenen Innendurchmesser ID. Die beiden inneren Kontakte 6 und 7 der
beiden Leiter 3 und 4 liegen sich in etwa gegenüber und
sind über
eine Funkenstrecke 5 miteinander verbunden.
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Nur
der äußere der
beiden Leiter besitzt am äußeren Rand
des Zylinders einen weiteren Kontakt 8. Der andere Leiter
endet offen. Die beiden Leiter bilden dadurch zusammen einen Wellenleiter
in einem dielektrischen Medium, der Keramik.
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Der
Spiral-Puls-Generator wird entweder aus zwei mit Metallpaste beschichteten
keramischen Folien gewickelt oder aus zwei Metallfolien und zwei keramischen
Folien aufgebaut. Eine wichtige Kenngröße ist dabei die Zahl n der
Windungen, die bevorzugt in der Größenordnung 5 bis 100 liegen
soll. Diese Wickelanordnung wird dann laminiert und anschließend gesintert,
wodurch ein LTCC-Bauteil entsteht. Die so geschaffenen Spiral-Puls-Generatoren mit Kondensatoreigenschaft
werden dann mit einer Funkenstrecke sowie einem Ladewiderstand beschaltet.
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Die
Funkenstrecke kann sich an den inneren oder den äußeren Anschlüssen oder
auch innerhalb der Wicklung des Generators befinden. Als Hochspannungsschalter,
der den Puls initiiert, kann bevorzugt eine Funkenstrecke verwendet
werden, die auf SiC basiert und sehr temperaturstabil ist. Beispielsweise
kann das Schaltelement MESFET der Fa. Cree verwendet werden. Dieses
ist für
Temperaturen oberhalb 350 °C
geeignet.
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In
einem konkreten Ausführungsbeispiel
wird ein Keramikmaterial mit ε =
60 bis 70 verwendet. Dabei wird bevorzugt als Dielektrikum eine
Keramikfolie, insbesondere ein Keramikband wie Heratape CT 707 oder
bevorzugt CT 765 oder auch eine Mischung beider, jeweils von Heraeus
verwendet. Es hat eine Dicke der grünen Folie von typisch 50 bis
150 μm.
Als Leiter wird insbesondere Ag-Leitpaste wie "Cofirable Silver," ebenfalls von Heraeus, verwendet. Ein
konkretes Beispiel ist CT 700 von Heraeus. Gute Ergebnisse liefert
auch die Metallpaste 6142 von DuPont. Diese Teile lassen sich gut
laminieren und danach ausheizen ("burnout") und zusammen sintern ("co-firing").
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Der
Innendurchmesser ID des Spiral-Puls-Generator ist 10 mm. Die Breite
der einzelnen Streifen ist ebenfalls 10 mm. Die Foliendicke ist 50 μm und auch
die Dicke der beiden Leiter ist jeweils 50 μm. Die Ladespannung beträgt 300 V.
Unter diesen Voraussetzungen erreicht der Spiral-Puls-Generator ein Optimum
seiner Eigenschaften bei einer Windungszahl von n = 20 bis 70.
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In 2 sind
die zugehörige
Halbwertsbreite des Hochspannungspulses in μs (Kurve a), die Gesamtkapazität des Bauteils
in μF (Kurve
b), der resultierende Außendurchmesser
in mm (Kurve c), sowie die Effizienz (Kurve d), die maximale Pulsspannung (Kurve
e) in kV und der Leiterwiderstand in Ω (Kurve f) dargestellt.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Natriumhochdrucklampe 10 mit
keramischem Entladungsgefäß 11 und
Außenkolben 12 mit
darin integriertem Spiral-Puls-Generator 13, wobei eine Zünd-Elektrode 14 außen am keramischen
Entladungsgefäß 11 angebracht
ist. Der Spiral-Puls-Generator 13 ist mit der Funkenstrecke 15 und
dem Ladewiderstand 16 im Außenkolben untergebracht.
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4 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Metallhalogenidlampe 20 mit
integriertem Spiral-Puls-Generator 21, wobei keine Zünd-Elektrode außen am Entladungsgefäß 22,
das aus Quarzglas oder Keramik gefertigt sein kann, ange bracht ist.
Der Spiral-Puls-Generator 21 ist mit der Funkenstrecke 23 und
dem Ladewiderstand 24 im Außenkolben 25 untergebracht.
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5 zeigt
eine Metallhalogenidlampe 20 mit einem Entladungsgefäß 22,
das von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben
gehaltert wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter Draht.
Die zweite 27 ist im wesentlichen ein Stab, der zur sockelfernen
Durchführung 28 führt. Zwischen der
Zuleitung 29 aus dem Sockel 30 und dem Stab 27 ist
eine Zündeinheit 31 angeordnet,
die den Spiral-Puls-Generator, die Funkenstrecke und den Ladewiderstand
enthält,
wie in 4 angedeutet.
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6 zeigt
eine Metallhalogenidlampe 20 ähnlich wie 5 mit
einem Entladungsgefäß 22, das
von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben 25 gehaltert
wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter
Draht. Die zweite 27 ist im wesentlichen ein Stab, der
zur sockelfernen Durchführung 28 führt. Hier
ist die Zündeinheit
im Sockel 30 angeordnet, und zwar sowohl der Spiral-Puls-Generator 21,
als auch die Funkenstrecke 23 und der Ladewiderstand 24.
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Diese
Technik kann auch für
elektrodenlose Lampen angewendet werden, wobei der Spiral-Puls-Generator
als Zündhilfe
dienen kann.
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Weitere
Anwendungen dieses kompakten Hochspannungspulsgenerators liegen
in der Zündung
anderer Geräte.
Die Anwendung ist vor allem bei sog. magischen Kugeln, bei der Erzeugung
von Röntgenpulsen
und der Erzeugung von Elektronenstrahl-Pulsen vorteilhaft. Auch
ein Einsatz in Kfz als Ersatz für
die üblichen
Zündspulen
ist möglich.
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Dabei
werden Windungszahlen von n bis 500 verwendet, so dass die Ausgangsspannung
bis in die Größenordnung
von 100 kV erreicht. Denn die Ausgangsspannung UA ist
als Funktion der Ladespannung UL gegeben
durch UA = 2 × n × UL × η, wobei
die Effizienz η durch η = (AD-ID)/AD
gegeben ist.
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Die
Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen für Autoscheinwerfer,
die mit Xenon unter hohem Druck von bevorzugt mindestens 3 bar und
Metallhalogeniden gefüllt
sind. Diese sind besonders schwer zu zünden, da wegen des hohen Xenondrucks
die Zündspannung
mehr als 10 kV beträgt.
Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen.
Ein Spiral-Puls-Generator
mit integriertem Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der
Kfz-Lampe oder in einen Außenkolben der
Lampe untergebracht sein.
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Die
Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit
Hochdruckentladungslampen, die kein Quecksilber enthalten. Derartige Lampen
sind aus Umweltschutzgründen
besonders erstrebenswert. Sei enthalten eine geeignete Metallhalogenid-Füllung und
insbesondere ein Edelgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen des
fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung
besonders hoch. Sie beträgt
mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit
im Sockel unterzubringen. Ein Spinal-Puls-Generator mit integriertem Ladewiderstand
kann entweder in den Sockel der Quecksilberfreien Lampe oder in
einen Außenkolben der
Lampe untergebracht sein.
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7 zeigt
einen Spiral-Puls-Generator 29 in schematischer Darstellung,
der von einem Ferritkern 31 in klassischer Weise als Doppel-E-Kern
umgeben ist. Der Ferritkern 31 hat einen rechteckigen Rahmen 32 und
einen mittleren Steg 33, der den Hohlraum im Spiral-Puls-Generator 29 durchquert.
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Das
umgebende Ferritmaterial kann beispielsweise auch eine keramische
Metalloxid-Schicht sein, die per LTCC auf den Spiral-Puls-Generator aufgebracht
ist, oder eine ferritische Vergussmasse sein, die den Spiral-Puls-Generator einhüllt.
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Als
Material eignen sich bekannte Ferrite, beispielsweise Eisenoxide.
Als Dotierstoff kommt ggf. beispielsweise Mg oder Al in Frage. Andere
geeignete Metalloxide sind die des Nickels, Mangans, Magnesiums,
Zinks und Kobalts, einzeln oder in Mischung, insbesondere Ni-Zn.
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Grundsätzlich kann
auch ein konventioneller Spiral-Puls-Generator wie eingangs zitiert
zusammen mit einer Ferrit-Hülle
verwendet werden, um den neuartigen Zündtrafo zu realisieren.
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8 zeigt
den Spannungsverlauf (in V) an einem derartigen als Zündtrafo
geschalteten Spiral-Puls-Generator als Funktion der Zeit (in μs).