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Die Erfindung betrifft einen Drei-Elektroden-Überspannungsableiter.
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Aus der Druckschrift
DE 4330178 B4 ist ein Überspannungsableiter bekannt.
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Im Inneren des Überspannungsableiters kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung, der Zündspannung, zu einem Lichtbogenüberschlag zwischen zwei bzw. den drei Elektroden. Die Grenzspannung wird bei statischer oder stationärer Beanspruchung mit einem Anstieg der Spannung von 100 V/s als Ansprechgleichspannung Uag und bei dynamischer Belastung mit einem Anstieg der Spannung von 1 kV/μs als Ansprechstoßspannung Uas bezeichnet. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Konzept für einen Drei-Elektroden-Überspannungsableiter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein elektrischer gasgefüllter Drei-Elektroden-Überspannungsableiter weist eine erste Außenelektrode, eine zweite Außenelektrode und eine Mittelelektrode auf, die gemeinsam einen ersten und einen zweiten Hohlraum begrenzen, die beidseitig der Mittelelektrode angeordnet sind. Die erste und die zweite Außenelektrode werden hierbei mit unsymmetrischen Abständen bezüglich der Mittelelektrode angeordnet. Dadurch ergeben sich unterschiedlich lange Abstände zwischen den Außenelektroden und der Mittelelektrode, welche im Zündfall zu unterschiedlich langen Funkenstrecken führen. Dadurch wird beispielsweise erreicht, dass die jeweiligen statischen Zündspannungen zwischen erster Außenelektrode und Mittelelektrode sowie zwischen zweiter Außenelektrode und Mittelelektrode unterschiedlich sind beziehungsweise eine den Abständen entsprechend unsymmetrische Verteilung aufweisen. Dadurch kann ein geringer Zündverzug zwischen den Teilstrecken erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Überspannungsableiters begrenzen die erste Außenelektrode und die Mittelelektrode einen ersten Hohlraum, während die zweite Außenelektrode und die Mittelelektrode einen zweiten Hohlraum begrenzen. Der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum sind zu beiden Seiten der Mittelelektrode angeordnet. Eine erste Funkenstrecke zwischen der ersten Außenelektrode und der Mittelelektrode ist kürzer als eine zweite Funkenstrecke zwischen der zweiten Außenelektrode und der Mittelelektrode. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Zündspannung für die erste Funkenstrecke kleiner ist als die entsprechende Zündspannung der zweiten Funkenstrecke. Das Verhältnis zwischen den Längen der beiden Funkenstrecken und das Verhältnis zwischen den resultierenden Zündspannungen weist eine nichtlineare Abhängigkeit voneinander auf.
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Beispielsweise ist die erste Funkenstrecke wenigstens um den Faktor 2, insbesondere wenigstens um den Faktor 5, kürzer als die zweite Funkenstrecke. In verschiedenen Ausführungsformen beträgt eine Länge der ersten Funkenstrecke maximal 1 mm. Gemäß weiteren Ausführungsformen beträgt eine Länge der zweiten Funkenstrecke mindestens 5 mm.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind die erste Funkenstrecke und die zweite Funkenstrecke bezüglich ihrer Länge so dimensioniert, dass eine Zündspannung zwischen der Außenelektrode und der Mittelelektrode kleiner ist, insbesondere wenigstens um den Faktor 5 kleiner ist, als die Zündspannung zwischen der zweiten Außenelektrode und der Mittelelektrode. Die Zündspannungen sind insbesondere statische Zündspannungen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Länge der ersten Funkenstrecke so eingestellt werden, dass sich eine statische Zündspannung von 300 V zwischen der ersten Außenelektrode und der Mittelelektrode ergibt, während die zweite Funkenstrecke so dimensioniert ist, dass eine statische Zündspannung zwischen der zweiten Außenelektrode und der Mittelelektrode 1500 V beträgt. Bei einer solchen Dimensionierung ergibt sich als Zündspannung zwischen der ersten Außenelektrode und der zweiten Außenelektrode eine Spannung im Wertebereich zwischen 1300 V und 2000 V.
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Die stark unterschiedlichen Abstände der Elektroden beziehungsweise Längen der Funkenstrecken werden beispielsweise durch eine unsymmetrische Ausgestaltung, insbesondere eine hochunsymmetrische Ausgestaltung der Mittelelektrode erreicht.
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Dementsprechend weist die Mittelelektrode in einer Ausführungsform zur Seite der ersten Außenelektrode die Form einer Topfelektrode auf. Dadurch kann beispielsweise ein Abstand zur ersten Außenelektrode hin verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Mittelelektrode zur Seite der zweiten Außenelektrode die Form einer Flachelektrode auf. Dadurch kann ein hoher Abstand zur zweiten Außenelektrode erreicht werden.
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Vorteilhaft weist somit in verschiedenen Ausführungsformen die Mittelelektrode zu der Seite der ersten Außenelektrode eine größere Ausprägung auf als zu der Seite der zweiten Außenelektrode.
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In weiteren Ausführungsformen weist die erste Außenelektrode alternativ oder zusätzlich die Form einer Topfelektrode auf. Diese unterstützt weiterhin die Ausbildung einer ersten Funkenstrecke geringer Länge, insbesondere in Verbindung mit einer entsprechenden Ausformung der Mittelelektrode ebenfalls als Topfelektrode.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen weist die zweite Außenelektrode die Form einer Flachelektrode auf. Damit lässt sich wiederum ein größerer Abstand zur Mittelelektrode aufrechterhalten, um eine entsprechend lange zweite Funkenstrecke zu erhalten.
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Die Elektroden können in verschiedenen Ausführungsformen eine gewaffelte Oberfläche aufweisen. Beispielsweise weisen wenigstens eine der Außenelektroden oder wenigstens eine Seite der Mittelelektrode eine solche gewaffelte Oberfläche auf. Auf die Elektroden kann im Bereich der gewaffelten Oberfläche insbesondere eine Elektrodenaktivierungsmasse aufgebracht sein. Insbesondere können die Oberflächen mit einer Aktivierungsmasse bepastet sein.
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Der Innenraum des Überspannungsableiters ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen. Im Innenraum des Überspannungsableiters befindet sich ein Gas. Dadurch ergeben sich die Parameter des Überspannungsableiters, insbesondere in Bezug auf die Zündspannung vorteilhaft in reproduzierbarer Weise. Der Überspannungsableiter weist in verschiedenen Ausführungsformen einen gemeinsamen Gasraum auf, der durch den ersten Hohlraum und den zweiten Hohlraum gebildet ist. Dementsprechend besteht zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlraum eine gasdurchlässige Verbindung.
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Der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum sind beispielsweise durch einen jeweiligen zylindrischen Keramikkörper begrenzt. In verschiedenen Ausführungsformen sind an der Innenseite eines solchen Keramikkörpers mehrere Zündstriche angeordnet. Diese Maßnahme unterstützt den Aufbau einer Entladung beim Ansprechen des Überspannungsableiters. Die Zündstriche sind entweder mit einer der Seitenelektroden elektrisch verbunden und erstrecken sich bis in den Entladungshinterraum hinter die Mittelelektrode, jedoch nicht bis tief in den Hinterraum der jeweils anderen Seitenelektrode. Dadurch werden Wandentladungen vermieden. Alternativ sind die Zündstriche mit keiner der Elektroden verbunden. In einer weiteren Ausführungsform werden mit Vorteil beide Alternativen der Zündstrichanordnung eingesetzt. Die Aktivierungsmasse wirkt sich positiv auf einen Entladungsaufbau und deren Reproduzierbarkeit aus.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der zweite Hohlraum insbesondere durch einen zylindrischen Keramikkörper begrenzt, der zwei zusammengesetzte, insbesondere verlötete, zylindrische Teilkeramikkörper umfasst. Dadurch kann vorteilhaft der größere Elektrodenabstand zwischen der Mittelelektrode und der zweiten Außenelektrode erreicht werden. Zudem können zwei gleichartige zylindrische Keramikkörper verwendet werden, sodass auf die Produktion eines eigenen Keramikkörpers mit größerer Zylinderhöhe verzichtet werden kann. Dadurch lassen sich die Produktionskosten niedrig halten.
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Die Außenelektroden und die Mittelelektrode weisen in verschiedenen Ausführungsformen elektrische Anschlusskontakte auf. Über die Anschlusskontakte kann ein Kontakt zu einer Platine hergestellt werden. Vorzugsweise ist der Abstand der Anschlusskontakte zwischen der ersten Außenelektrode und der Mittelelektrode kleiner als der Abstand zwischen der Anschlusskontakten zwischen der zweiten Außenelektrode und der Mittelelektrode.
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Der Überspannungsableiter wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
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Gleiche Elemente oder Elemente mit gleichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es zeigen:
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1 eine Skizze einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters im Teilquerschnitt mit Seitenelektroden und einer Mittelelektrode,
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2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters,
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3 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters, und
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4 eine weitere Seitenansicht einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Drei-Elektroden-Überspannungsableiters 1 in einer Schnittansicht. Der Überspannungsableiter 1 weist eine erste Außenelektrode 2, eine zweite Außenelektrode 3 sowie eine Mittelelektrode 4 auf. Zwischen der ersten Außenelektrode 2 und der Mittelelektrode 4 ist ein erster zylindrischer Isolierkörper 5 vorgesehen, welcher insbesondere als Keramikkörper ausgeführt ist. In ähnlicher Weise ist zwischen der zweiten Außenelektrode 3 und der Mittelelektrode 4 auf der gegenüberliegenden Seite ein zweiter zylindrischer Isolierkörper 6 angeordnet, welcher ebenfalls als Keramikkörper ausgeführt ist. Insbesondere ist der zweite Keramikkörper 6 aus zwei zylindrischen Teilkeramikkörpern 16, 16' zusammengesetzt. Die Keramikkörper 5, 6 bilden jeweilige Hohlräume 7, 8. Die Keramikkörper 5, 6, 16, 16 und die Elektroden 2, 3, 4 sind fest miteinander verbunden, insbesondere durch Verlöten, sodass im Inneren der zylindrischen Keramikkörper 5, 6 ein gemeinsamer Gasraum gebildet ist. Der so gebildete Innenraum bzw. Gasraum 7, 8 des Überspannungsableiters 1 ist gasdicht verschlossen und enthält ein Gas, das einen Wasserstoffanteil zwischen 5% und 30%, insbesondere jedoch einen Anteil von etwa 20% hat. An den Elektroden 2, 3, 4 sind jeweilige Anschlusskontakte 12, 13, 14 angebracht. Durch den gemeinsamen Gasraum 7, 8 ergibt sich ein geringer Zündverzug zwischen den einzelnen Funkenstrecken d1, d2.
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Die Elektroden 2, 3, 4 sind vorzugsweise aus Kupfer gebildet oder weisen einen Kupferanteil auf. Die erste Außenelektrode 2 weist die Form einer Topfelektrode auf, wobei die Topfform in Richtung der Mittelelektrode 4 gerichtet ist. Die Mittelelektrode 4 weist auf der Seite, die der ersten Außenelektrode zugewandt ist, ebenfalls eine Form einer Topfelektrode auf, während die der zweiten Außenelektrode 3 zugewandte Seite als Flachelektrode ausgebildet ist. Die zweite Außenelektrode 3 ist selbst ebenfalls als Flachelektrode ausgeführt.
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In den Hohlräumen 7, 8 zwischen den Elektroden 2, 3, 4 sind jeweils an der Innenseite der Keramikkörper 5, 6 Zündstriche 11, 11' vorgesehen. Durch die Zündstriche 11, 11' wird beim Ansprechen des Überspannungsableiters 1 der Aufbau einer Entladung unterstützt.
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Durch die Form der Elektroden 2, 3, 4 ergibt sich ein stark unsymmetrischer Aufbau des Überspannungsableiters 1, insbesondere bezüglich der jeweiligen Abstände zwischen den Außenelektroden 2, 3 und der Mittelelektrode 4. Insbesondere ist die Mittelelektrode 4 deutlich unsymmetrisch aufgebaut. Vorliegend ergibt sich durch die beidseitige topfförmige Gestaltung der ersten Außenelektrode der entsprechenden Seite der Mittelelektrode 4 ein geringer Elektrodenabstand beziehungsweise eine geringe erste Funkenstrecke d1. Zwischen der zweiten Außenelektrode 3 und der entsprechend zugewandten Seite der Mittelelektrode 4 ergibt sich ein größerer Elektrodenabstand beziehungsweise eine größere zweite Funkenstrecke d2. Beispielsweise beträgt eine Länge der ersten Funkenstrecke maximal 1 mm, während eine Länge der zweiten Funkenstrecke mindestens 5 mm beträgt. Durch den gemeinsamen Gasraum 7, 8 ergibt sich ein geringer Zündverzug zwischen den einzelnen Funkenstrecken d1, d2.
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Vorliegend ist beispielsweise für die erste Funkenstrecke d1 eine Länge von 0,4 mm gewählt, während die zweite Funkenstrecke d2 eine Länge von 9,5 mm aufweist. Dadurch ergibt sich für die erste Funkenstrecke d1 eine statische Zündspannung von etwa 300 V, während die statische Zündspannung für die zweite Funkenstrecke d2 1500 V beträgt. Die Größe der Zündspannungen hängt vom jeweiligen Abstand der Elektroden beziehungsweise der Länge der Funkenstrecke ab, wobei der Zusammenhang einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Zwischen der ersten Außenelektrode 2 und der zweiten Außenelektrode 3 ergibt sich eine statische Zündspannung von etwa 1300 V bis 2000 V. Durch die asymmetrische Anordnung wird ein Zündspannungsverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Funkenstrecke von etwa 1:5 erreicht.
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Die Oberflächen 9, 9' sind bei der vorliegenden Ausführungsform insbesondere gewaffelt ausgeführt, wobei in den Vertiefungen der Waffelung eine Elektrodenaktivierungsmasse vorgesehen ist, welche einen Entladungsaufbau unterstützt und reproduzierbare statische Zündspannungen sowie einen stabilen Zündspannungspegel gewährleistet. In verschiedenen Ausführungsformen wird auch die Mittelelektrode 4 auf einer oder beiden Seiten bepastet.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Drei-Elektroden-Überspannungsableiters 1, der beispielsweise gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ausgebildet ist. Hierbei ist der Aufbau des Überspannungsableiters 1 mit den Außenelektroden 2, 3 und der Mittelelektrode 4 sowie den dazwischen angeordneten Keramikkörpern 5, 6 zu erkennen. Der Keramikkörper 6 ist wiederum aus zwei Teilkeramikkörpern 16, 16 zusammengesetzt, wobei die Verbindung der Teilkeramikkörper 16, 16' durch eine Verlötung hergestellt ist. Die Elektroden 2, 3, 4 weisen jeweils einen nach außen geführten metallischen Ring auf, der elektrisch mit den hier nicht sichtbaren Elektrodenoberflächen verbunden sind. An die Ringe der Elektroden 2, 3, 4 sind stiftförmige Anschlusskontakte 12, 13, 14 angebracht, welche jeweils an dem Ende, welches an den Elektroden 2, 3, 4 befestigt ist, gebogen sind. Die Anschlusskontakte 12, 13, 14 sind beispielsweise an die Ringe der Elektroden 2, 3, 4 gelötet oder verschweißt. Mit den Anschlusskontakten 12, 13, 14 kann der Überspannungsableiter 1 beispielsweise auf einer Platine angebracht werden.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Überspannungsableiters 1 in entsprechend einer der zuvor gezeigten Ausführungsformen. Hierbei ist wieder der zusammengesetzte Aufbau des Überspannungsableiters 1 aus Außenelektroden 2, 3, Mittelelektrode 4 und Keramikkörpern 5, 6 zu erkennen.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters 1 entlang der Zylinderachse der Keramikkörper des Überspannungsableiters. In dieser Ansicht sind insbesondere die erste Außenelektrode 2 sowie der Ring der Mittelelektrode 4 zu erkennen. Zudem ist der gebogene Anschlusskontakt 12 zu sehen, der an der ersten Außenelektrode 2 befestigt ist.
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Es erweist sich als vorteilhaft, für die Elektroden im Innenraum des Überspannungsableiters Kupfer zu verwenden und die äußeren Anschlüsse aus einer Eisen-Nickel-Legierung vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist die Eisen-Nickel-Legierung, z. B. Fe58Ni42, verkupfert. Dadurch lassen sich optimale Eigenschaften im Innenraum und bei der Verschlusslötung des Überspannungsableiters erreichen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der gasdichte und mit einem Gas gefüllte Innenraum 7, 8 des Überspannungsableiters 1 einen Zusatz von Wasserstoff enthält. Der Anteil an Wasserstoff darf zwischen 5% und 30% betragen; typisch sind jedoch etwa 20% Wasserstoffzusatz. Dadurch wird die Aufbauzeit für eine Entladung beim Ansprechen des Überspannungsableiters 1 verkürzt und die Ansprechstoßspannung verringert sich.
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Beispielsweise ist der Überspannungsableiter 1 zylindrisch mit einem Außendurchmesser von weniger als 8 mm ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Überspannungsableiter einen Außendurchmesser von höchstens 5 mm. Durch die besonders kleine Bauform und die hervorragenden elektrischen Werte ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, insbesondere zum Schutz kleiner elektronischer Geräte.
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Bevorzugt wird der Überspannungsableiter 1 in einer Telekommunikationseinrichtung, beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet; er ist aber nicht auf Telekommunikationsnetzwerke eingeschränkt und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsableiters abgeführt werden müssen. Insbesondere ist der Überspannungsableiter 1 für Blitzschutzanwendungen geeignet, bei denen der Überspannungsableiter zumindest zeitweise an symmetrischen Spannungen gegen Erde liegt, bzw. liegen kann.
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Der Einsatz eines unsymmetrischen Drei-Elektroden-Überspannungsableiters erlaubt die Auslegung eines Triggerkreises so, dass Ausfälle eines hochohmigen und nur wenig strombelasteten Transformators vermieden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ableiter
- 2
- erste Außenelektrode
- 3
- zweite Außenelektrode
- 4
- Mittelelektrode
- 5
- erster Keramikkörper
- 6
- zweiter Keramikkörper
- 7
- erster Hohlraum
- 8
- zweiter Hohlraum
- 9, 9'
- gewaffelte Oberfläche
- 10
- Elektrodenaktivierungsmasse
- 11, 11'
- Zündstrich
- 12, 13, 14
- Anschlusskontakte
- 16, 16'
- Teil-Keramikkörper
- d1
- erste Funkenstrecke
- d2
- zweite Funkenstrecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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