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Es wird ein elektrisches Modul zur Einschaltstrombegrenzung angegeben.
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Für die Einschaltstrombegrenzung von Zwischenkreis- und Glättungskondensatoren werden als Einschaltstrombegrenzer (Inrush Current Limiter, ICL) üblicherweise Festwiderstände eingesetzt oder es kommen, beispielsweise bei Industrieanwendungen im Netzspannungsbereich, PTC-Widerstände zum Einsatz.
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Ein Nachteil der Festwiderstände liegt darin, dass sie keine energiebegrenzende Funktion aufweisen. Beispielsweise werden bei einem Kurzschluss oder einer Fehlschaltung vor- beziehungsweise nachgeschaltete Elemente des Schaltkreises übermäßig thermisch belastet. Auch wird der Festwiderstand durch die anliegende Versorgungsspannung einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt, die im Normalfall zur Zerstörung des Festwiderstandes führt.
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Die bisher vorwiegend bei Industrieanwendungen zum Einsatz kommenden PTC-Widerstände weisen andererseits entweder lange bis teilweise sehr lange Rückstellzeiten, d. h. Abkühlzeiten bis zum Ausgangswiderstand, auf, da sie aufgrund der hohen mechanischen Anforderungen, beispielsweise durch Beschleunigungskräfte, meist in geschlossenen Gehäusen verbaut sind. Alternativ werden PTC-Widerstände in Form von bedrahteten Scheiben eingesetzt, wobei weniger lange Abkühlzeiten erzielbar sind. Aufgrund des sehr hoch liegenden Schwerpunktes eignen sie sich jedoch nicht für hohe mechanische Belastungen.
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Eine Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen ist es, ein elektrisches Modul zur Einschaltstrombegrenzung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Ein elektrisches Modul gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein PTC-Keramik-Element auf. Vorzugsweise weist das PTC-Keramik-Element einen Grundkörper mit rechteckigen Seitenflächen, beispielsweise einen quaderförmigen Grundkörper, auf. Das PTC-Keramik-Element kann aber auch einen Grundkörper mit einer anderen geometrischen Form, beispielsweise einen Grundkörper mit zumindest teilweise gekrümmten Seiten oder einen ringförmigen Grundkörper, aufweisen. Vorzugsweise ist das PTC-Keramik-Element mit einer Längsseite des Grundkörpers parallel zu einer Montagefläche des elektrischen Moduls angeordnet, mittels derer das elektrische Modul auf einem Träger angeordnet werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise eine optimale Schwerpunktlage erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das PTC-Keramik-Element in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse kann beispielsweise einen hochtemperaturfesten Kunststoff aufweisen. Das elektrische Modul weist vorzugsweise eine geringe Baugröße auf.
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Das elektrische Modul kann vorzugsweise als Modul zur Einschaltstrombegrenzung ausgebildet sein und/oder verwendet werden. Hier und im Folgenden kann das elektrische Modul auch als Einschaltstrombegrenzungsmodul beziehungsweise als Lade- und Entladestrombegrenzungswiderstandsmodul oder auch als Inrush-Current-Limiter beziehungsweise ICL-Modul bezeichnet werden.
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Das hier beschriebene Lade- beziehungsweise Entladestrombegrenzungswiderstandsmodul ermöglicht es, den Lade- bzw. Entladestrom auf eine für vor- bzw. nachgeschaltete mechanische oder elektronische Schalter günstige Stromstärke zu begrenzen, beispielsweise für Schalter, die hinsichtlich Leitungsquerschnitt, Kontaktquerschnitt etc. für den Normalbetrieb dimensioniert sind.
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Des Weiteren begrenzt der Widerstand des PTC-Keramik-Elements im Fehlerfall zum einen die thermische und die elektrische Belastung der Leitungen sowie der Schalter und zum anderen schützt sich das elektrische Modul selbst durch den Übergang in den hochohmigen Zustand vor thermischer Zerstörung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse eine Rahmenform auf. Vorzugsweise ist das Gehäuse in einem geschlossenen Zustand an zwei gegenüberliegenden Seiten geöffnet, wobei die geöffneten Bereiche großflächige Aussparungen darstellen.
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Durch diese offene Rahmenkonstruktion des Gehäuses mit den großflächigen Aussparungen wird vorteilhafterweise eine große freie Oberfläche für eine Wärmeabgabe durch Konvektion gewährleistet. Dies hat beispielsweise zur Folge, dass das hier beschriebene Einschaltstrombegrenzungsmodul sehr kurze Rückstellzeiten aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse zumindest zwei Gehäuseteile auf. Die Gehäuseteile weisen vorzugsweise Rastnasen auf, mittels derer die Gehäuseteile über eine Rastverbindung miteinander verbunden sind. Durch die Rastverbindung mittels der Rastnasen sind die Gehäuseteile bevorzugt mehrfach miteinander verankert. Dadurch können vorteilhafterweise Beschleunigungskräfte, beispielsweise vertikale Beschleunigungskräfte, die auf das Gehäuse wirken können, aufgenommen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das elektrische Modul ein erstes und ein zweites Anschlusselement auf. Dabei ist das PTC-Keramik-Element vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusselement angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das PTC-Keramik-Element durch Klemmung zwischen den Anschlusselementen befestigt. Vorzugsweise sind das PTC-Keramik-Element, die Anschlusselemente und das Gehäuse fest miteinander verklemmt, wobei ein großflächiger Kontakt zwischen dem PTC-Keramik-Element und den Anschlusselementen entsteht. Die Anschlusselemente können auf einem Träger wie etwa einer Bodenplatte oder Leiterplatte montiert beziehungsweise befestigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das erste und das zweite Anschlusselement jeweils wenigstens ein Rastelement auf. Die Anschlusselemente sind vorzugsweise mittels der Rastelemente mit dem Gehäuse verrastet. Die Rastelemente können zum Beispiel als Rasthaken ausgebildet sein, die in Aussparungen des Gehäuses greifen.
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Beispielsweise sind die Rastelemente in einem oberen Bereich der Anschlusselemente angeordnet. Die Rastelemente greifen dabei vorzugsweise in Aussparungen innerhalb des Gehäuses. Dadurch können im elektrischen Modul auftretende Kräfte auf die Bodenplatte übertragen werden. Beispielsweise können durch Querbeschleunigungen auftretende horizontale Beschleunigungskräfte über die Anschlusselemente an die Bodenplatte übertragen werden. Das elektrische Modul kann beispielsweise Beschleunigungskräfte von bis zu 150·g aufnehmen.
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Die Anschlusselemente dienen neben ihrer Funktion als Kraftübertragungselement auch der Wärmeabführung sowie der elektrischen Kontaktierung des elektrischen Moduls.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das erste und das zweite Anschlusselement jeweils zumindest eine Anschlussfahne auf. Die Anschlussfahnen können beispielsweise gestanzte und geformte Teilbereiche der Anschlusselemente sein. Sie sind vorzugsweise nach außen aus dem Gehäuse herausgeführt, d. h. sie ragen im geschlossenen Zustand des Gehäuses aus dem Gehäuse heraus. Insbesondere können die Anschlussfahnen aus den großflächigen Aussparungen des rahmenförmigen Gehäuses herausragen, die auch zur Kühlung des PTC-Keramik-Elements dienen. Die Anschlussfahnen dienen vorzugsweise der externen elektrischen Kontaktierung des elektrischen Moduls.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Anschlussfahnen Löcher zur mechanischen Befestigung des elektrischen Moduls auf. Mittels der Löcher können die Anschlusselemente auf einer Bodenplatte oder Leiterplatte, beispielsweise mittels Schrauben, montiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das elektrische Modul ein erstes und ein zweites Kontaktelement auf. Das erste Kontaktelement ist vorzugsweise zwischen dem ersten Anschlusselement und dem PTC-Keramik-Element angeordnet. Das zweite Kontaktelement ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Anschlusselement und dem PTC-Keramik-Element angeordnet. Die Kontaktelemente können beispielsweise als Federbleche ausgeführt sein.
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Vorzugsweise ist das PTC-Keramik-Element zwischen den Kontaktelementen mit den Anschlusselementen eingespannt. Das PTC-Keramik-Element ist dabei beispielsweise über die Kontaktelemente zwischen den Anschlusselementen dauerhaft über eine Klemmung kontaktiert. Die dauerhafte Klemmung zwischen den Anschlusselementen und dem PTC-Keramik-Element über die Kontaktelemente ermöglicht einen Ausgleich von Toleranzen sowie temperaturbedingten Materialdehnungen. Gleichzeitig wird die Stromdichte durch die großflächigen Kontakte zwischen dem PTC-Keramik-Element, den Kontaktelementen und den Anschlusselementen verringert.
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Des Weiteren weist das hier beschriebene elektrische Modul vorteilhafterweise ein hohes elektrisches Energieabsorptionsvermögen auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktelemente in ihrer Größe an die Größe des PTC-Keramik-Elements angepasst. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktelemente in ihrer Form an die Form des PTC-Keramik-Elements angepasst. Insbesondere wird bevorzugt, dass die Kontaktelemente hinsichtlich ihrer Größe und/oder Form an die ihnen zugewandte Oberfläche des PTC-Keramik-Elements angepasst sind. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Kontaktelemente eine Größe beziehungsweise Fläche aufweisen, die mindestens der Größe beziehungsweise Fläche der kontaktierten Seitenfläche des PTC-Keramik-Elements entspricht. Dadurch kann ein optimaler elektrischer sowie thermischer Kontakt zwischen dem PTC-Keramik-Element und den Kontaktelementen gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das elektrische Modul zumindest ein Kühlelement auf. Vorzugsweise weist das elektrische Modul zwei Kühlelemente auf. Die Kühlelemente sind dabei vorzugsweise jeweils auf den dem PTC-Keramik-Element abgewandten Seiten der Anschlusselemente angeordnet. Beispielsweise können die Kühlelemente einen thermischen Widerstand kleiner oder gleich 40 K/W l aufweisen.
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Die Kühlelemente können dabei insbesondere der Ableitung speziell höherfrequenter thermischer Impulse mit vergleichsweise niedrigem Energieinhalt dienen.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse konstruktiv so angepasst, dass die Kühlelemente formschlüssig eingebaut sind. Die Kühlelemente können beispielsweise in das Gehäuse eingesteckt sein. Insbesondere können die Kühlelemente in den großflächigen Aussparungen des Gehäuses, die der Kühlung des PTC-Keramik-Elements dienen, angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Kühlelemente ebene Grundplatten auf, die in vollflächiger Berührung mit den Anschlusselementen stehen. Dadurch kann erreicht werden, dass Wärme besonders gut vom PTC-Keramik-Element abgeführt werden kann. Vorzugsweise weisen die Kühlelemente Aluminium auf. Die Kühlelemente können aber auch andere gut wärmeleitende Materialien aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Kühlelemente Rippen auf. Die Rippen, die hier und im Folgenden auch als Kühlrippen bezeichnet werden können, gewährleisten aufgrund der vergrößerten Oberfläche der Kühlelemente eine besonders effiziente Wärmeableitung und somit eine besonders kurze Rückstellzeit.
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Mittels der Kühlelemente können sowohl höherfrequente thermische Impulse abgeleitet als auch die thermische Zeitkonstante des Gesamtsystems verringert werden.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel anhand der 1 bis 3 dargestellt.
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Moduls 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht des elektrischen Moduls 1 aus 1. In 3 ist das elektrische Modul 1 aus 1 in Form einer Explosionsdarstellung gezeigt.
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Das elektrische Modul 1 weist ein quaderförmiges PTC-Keramik-Element 3 auf, das in einem Gehäuse 2 aus hochtemperaturfestem Kunststoff angeordnet ist. Das Gehäuse 2 umfasst zwei Gehäuseteile 21, 22, die mittels Rastnasen 23 miteinander verbunden und ineinander verrastet sind. Die beiden Gehäuseteile 21, 22 weisen jeweils eine L-Form mit einer Längsseite und einer etwas kürzeren Querseite auf. Dadurch kann es möglich sein, dass das quaderförmige PTC-Keramik-Element 3 mit seiner längeren Längsseite parallel zur Montageseite des Gehäuses 2 angeordnet werden kann. Alternativ können die Querseiten auch länger als die Längsseiten ausgeführt sein oder Quer- und Längsseiten können eine gleiche Länge aufweisen.
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Wie in der Explosionsdarstellung in 3 zu erkennen ist, sind jeweils zwei Rastnasen 23 an einer Stirnseite der Längsseiten der Gehäuseteile 21, 22 angeordnet. Alternativ können die Gehäuseteile 21, 22 auch mehr Rastnasen 23 aufweisen. Im geschlossenen Zustand des Gehäuses 2 rasten die Rastnasen 23 des einen Gehäuseteils 21, 22 jeweils in zwei rillenförmige Ausnehmungen an der Querseite des anderen Gehäuseteils 21, 22 ein. Dadurch wird gewährleistet, dass die beiden Gehäuseteile 21, 22 fest miteinander verbunden und verankert sind, so dass das Gehäuse 2 die im Betrieb des elektrischen Moduls 1 auftretenden Beschleunigungskräfte effektiv aufnehmen kann. Des Weiteren weisen die Gehäuseteile 21, 22 an ihrer Längsseite jeweils vier Aussparungen 24 auf, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
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Das Gehäuse 2 weist im geschlossenen Zustand eine Rahmenform auf. Die Längs- und Querseiten der L-förmigen Gehäuseteile 21, 22 bilden einen Rahmen, so dass das Gehäuse 2 im geschlossenen Zustand an seinen Seitenflächen großflächig offen bleibt und großflächige Aussparungen aufweist. Durch die offene Rahmenkonstruktion und die großflächigen Aussparungen wird die Wärmeabgabe an die Umgebung optimiert und damit eine geringe Rückstellzeit, also eine geringe Abkühlzeit bis zum Ausgangswiderstand des PTC-Keramik-Elements, realisiert.
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Weiterhin weist das elektrische Modul 1 ein erstes und ein zweites Anschlusselement 41, 42 auf, zwischen denen das PTC-Keramik-Element 3 angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind die beiden Anschlusselemente 41, 42 in ihrer Größe an die Größe des PTC-Keramik-Elements 3 angepasst. Die Anschlusselemente 41, 42 können beispielsweise als Bleche oder als massive Aluminiumkörper ausgeführt sein.
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Die Anschlusselemente 41, 42 weisen an einer Längsseite jeweils zwei Anschlussfahnen 44 auf. Die Anschlussfahnen 44 bilden beispielsweise aus den Anschlusselementen 41, 42 gestanzte und ausgebogene Teilbereiche der Anschlusselemente 41, 42. Sie sind stufenförmig ausgebildet, d. h. sie weisen jeweils zwei Bereiche auf, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Anschlusselementes 41, 42 ausgebildet sind, sowie einen diese zwei Bereiche verbindenden Bereich, der parallel zur Haupterstreckungsebene des Anschlusselementes 41, 42 ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung der Anschlussfahnen 44 ist es möglich, die Anschlusselemente 41, 42 innerhalb des Gehäuses 2 anzuordnen, wobei die Anschlussfahnen 41, 42 über einen stegförmigen Bereich des Gehäuseteils 22 aus dem Gehäuse 2, insbesondere aus den großflächigen Aussparungen des Gehäuses 2, herausragen.
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Die Anschlussfahnen 41, 42 weisen in dem aus dem Gehäuse 2 ragenden Bereich, der parallel zur Montageseite des Gehäuses 2 ist, ein Loch auf. Dadurch kann das elektrische Modul 1, beispielsweise mittels Schrauben, auf einem Träger wie etwa einer Bodenplatte befestigt werden. Im elektrischen Modul 1 auftretende horizontale Beschleunigungskräfte können vorteilhafterweise über die in der Bodenplatte verschraubten Anschlusselemente 41, 42 an die Bodenplatte übertragen werden. Zusätzlich dienen die Anschlusselemente 44 der externen elektrischen Kontaktierung des elektrischen Moduls 1.
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Die Anschlusselemente 41, 42 weisen auf den den Anschlussfahnen 44 gegenüberliegenden Seiten Rastelemente 43 auf, die zum Beispiel als Rasthaken ausgebildet sind und die in die Aussparungen 24 des Gehäuseteils 21 greifen. Mittels der Rastelemente 43 kann bei im elektrischen Modul 1 auftretenden Beschleunigungskräften ein Kraftfluss am PTC-Keramik-Element 3 vorbei direkt auf das Gehäuse 2 übertragen werden.
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Das elektrische Modul 1 weist des Weiteren ein erstes und ein zweites Kontaktelement 51, 52 auf. Die Kontaktelemente 51, 52 sind jeweils zwischen dem PTC-Keramik-Element 3 und einem der Anschlusselemente 41, 42 angeordnet, wobei sie sich in direktem Kontakt mit dem PTC-Keramik-Element 3 und einem der Anschlusselemente 41, 42 befinden. Weiterhin sind die Kontaktelemente 51, 52 jeweils in ihrer Form und ihrer Größe an die ihnen zugewandte Seitenfläche des quaderförmigen PTC-Keramik-Elements 3 angepasst. Dadurch kann zum einen die dauerhafte Klemmwirkung zwischen den Anschlusselementen 41, 42 und dem PTC-Keramik-Element 3 verbessert werden, da ein besonders guter auf das PTC-Keramik-Element 3 wirkender Pressdruck realisiert werden kann und gewährleistet wird, dass die von den Anschlusselementen 41, 42 ausgeübte Klemmkraft gut auf das PTC-Keramik-Element 3 übertragen wird. Zum anderen wird für einen optimalen elektrischen sowie thermischen Kontakt zwischen dem PTC-Keramik-Element 3 und den Kontaktelementen 51, 52 gesorgt, so dass sogenannte Kontaktspitzen vermieden werden können und eine gute Wärmeableitung garantiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elektrische Modul 1 zur Kühlung des PTC-Keramik-Elements 3 zwei Kühlelemente (nicht gezeigt) aus Aluminium auf, wobei ein Kühlelement an dem ersten Anschlusselement 41 und ein Kühlelement an dem zweiten Anschlusselement 42 angeordnet ist. Die Kühlelemente weisen ebene Grundplatten auf, die in vollflächiger Berührung mit den dem PTC-Keramik-Element 3 abgewandten Seitenflächen der Anschlusselemente 41, 42 stehen, wodurch eine gute thermische Anbindung zwischen den Kühlelementen und den Anschlusselementen 41, 42 gewährleistet wird. Weiterhin weisen die Kühlelemente auf den den Anschlusselementen 41, 42 abgewandten Seiten Kühlrippen auf. Mittels der Kühlrippen wird die Oberfläche der Kühlelemente vergrößert, damit besonders viel Wärme vom PTC-Keramik-Element 3 abgeführt werden kann. Dadurch lässt sich insbesondere die Rückstellzeit des elektrischen Moduls 1 verkürzen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisches Modul
- 2
- Gehäuse
- 21, 22
- Gehäuseteil
- 23
- Rastnase
- 24
- Aussparung
- 3
- PTC-Keramik-Element
- 41
- erstes Anschlusselement
- 42
- zweites Anschlusselement
- 43
- Rastelement
- 44
- Anschlussfahne
- 51
- erstes Kontaktelement
- 52
- zweites Kontaktelement
