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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte in einem Lagenaufbau mit Übertrager zur galvanischen Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen.
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Mit
US 2011/0095620 A1 ist ein induktiver Wandler in einem Lagenaufbau zur galvanischen Trennung eines Sendestromkreises zu einem Empfangsstromkreis bekannt. Auf der Ober- und Unterseite einer Substratplatte sind Leiterbahnen zur Bildung von Spulenwindungen vorgesehen, die von Isolationsdeckschichten geschützt werden, auf denen teilweise zuführende Leiterbahnen verlaufen, die in einer ersten Ausführungsform über Vias mit der Sendeschaltung bzw. der Empfangsschaltung verbunden sind. Die Vias durchsetzen die Isolationsdeckschichten und teilweise auch die Substratschicht. Die Spulenwindungen bilden einen induktiven Wandler, der in einer zweiten Ausführungsform über Drahtverbindungen mit der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung verbunden ist. Die elektrischen oder elektronischen Bauelemente dieser Sende- und Empfangsschaltungen sind außerhalb des den Lagenaufbau aufweisenden induktiven Übertragers angeordnet.
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Ein Breitband-Radiofrequenz-Transformator in Lagenaufbau ist aus
US 5,015,972 bekannt, wobei Primärwicklung und Sekundärwicklung zwischen dielektrischen Schichten angeordnet sind, die wiederum zwischen Ferrit-Deckplatten sitzen. Elektrische oder elektronische Bauelemente sind in den Lagenaufbau nicht einbezogen.
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Eine Energieversorgungseinheit zur Übertragung von Hilfsenergie ist aus der
EP 1 310 036 B1 bekannt und umfasst auf Trägerplatten angebrachte Primär- und Sekundärspulen mit Luftspalt dazwischen. Um die Luftstrecke zwischen den Spulen zu verlängern, ist eine die Trägerplatten überkragende Isolierplatte im Luftspalt vorgesehen. Ein Lagenaufbau einer Leiterplatte wird dadurch nicht gebildet.
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Bei elektrischen/elektronischen Geräten müssen teilweise hohe Spannungen bewältigt werden, und zum Schutz gegenüber Überspannungen erfolgt häufig eine galvanische Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen oder Potentialgruppen innerhalb des Gerätes. Um elektrische Überschläge in den Geräten zu vermeiden, müssen zwischen den zu trennenden Stromkreisen bestimmte Luft- und Kriechstrecken von Entladungsströmen eingehalten werden, oder es muss Isolationsmaterial vorbestimmter Qualität und Mindestdicke zwischen die Stromkreise angeordnet werden. Zwischen den einzelnen Stromkreisen gibt es somit eine galvanische Trennstrecke, über die elektrische Energie ausgetauscht werden soll, welche zur Energieversorgung oder zum Datenaustausch bzw. Informationsaustausch dienlich ist. Diese elektrische Energie wird nachfolgend als elektrisches Signal bezeichnet.
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Häufig werden als Träger für elektrische/elektronische Bauteile und Baugruppen sowie Leiterbahnen (nachfolgend als „Komponenten“ bezeichnet) Leiterplatten eingesetzt, die auch als Leiterkarten oder Platinen bezeichnet werden, flexibel oder starr sein können und in einer als Lagenaufbau bezeichneten Bauweise vorkommen. Zur galvanischen Trennung zwischen verschiedenen Stromkreisen oder Potentialgruppen auf der Leiterplatte ist es bekannt, einen „Graben“ auf der Leiterplatte vorzusehen, über den sich keine Komponente erstreckt. Die Breite des Isolationsgrabens entspricht dem Mindestabstand in Luft oder der Mindestkriechstrecke über die Oberfläche des Isolationsgrabens, die eingehalten werden müssen, um ausreichenden elektrischen Spannungsschutz zu erzielen. Je breiter der Isolationsgraben auf der Leiterplatte gewählt wird, umso weniger steht Nutzfläche zur Unterbringung von elektrischen/elektronischen Bauelementen zur Verfügung.
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Galvanisch voneinander getrennte Stromkreise werden durch Koppelbauteile miteinander zum Signalaustausch verbunden, und hierzu sind induktive und kapazitive Übertrager bzw. im elektromagnetischen Nahfeld arbeitende Antennensysteme nützlich, die jeweils ein erstes und ein mindestens zweites Koppelelement aufweisen, zwischen denen sich festes Isolationsmaterial erstreckt. Die Spannungsfestigkeit dieses Isolationsmaterials bestimmt die tolerierbare Spannungsdifferenz zwischen den Potentialgruppen bzw. einzelnen Stromkreisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte mit galvanischer Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen zu schaffen, bei denen relativ hohe Spannungen zwischen den einzelnen Stromkreisen toleriert werden können, ohne dass relativ große Luft- und Kriechstrecken elektrischer Entladungsströme über die Oberfläche der Leiterplatte in Kauf genommen werden müssen. Die Leiterplatte soll ferner einen möglichst einfachen, günstigen und platzsparenden Aufbau der aufgenommenen Komponenten aufweisen.
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.
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Zur galvanischen Trennung zwischen den einzelnen Stromkreisen weist die Leiterplatte mindestens einen induktiven und/oder kapazitiven Übertrager auf, der jeweils aus einem ersten und einem zweiten Koppelelement unter Zwischenlage einer isolierenden Barriereschicht besteht. Diese isolierende Barriereschicht bringt möglichst viel der benötigten Isolation auf. Dadurch können Isolationsgräben für Luft- bzw. Kriechstrecken auf der Leiterplatte zum Großteil entfallen bzw. kann deren Anzahl stark reduziert werden. Dies beruht darauf, dass im Hinblick auf gleiche Isolationswerte die Abmessung von flächigen Isolationsregionen für Luft- und Kriechstrecken größer ist als die Dicke der isolierenden Barriereschicht. Unter einer flächigen Isolationregion wird ein Oberflächenbereich verstanden, der sich auf der Leiterplatte, auch um den Rand der Leiterplatte herum erstreckt und, gemessen als Luft- und Kriechstrecke von elektrischen Überschlägen oder Kriechströmen, einen Mindestabstand zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen oder Potentialgruppen einnimmt. Eine präzise Definition von Luft- und Kriechstrecken sowie deren Anforderungen können beispielsweise den Beschreibungen und Figuren der Normen DIN EN 60664-1, DIN EN 60079-11/15 und DIN EN 61010-1 entnommen werden. Isolierende Anbauten an der Leiterplatte zur Verlängerung der Luft- und Kriechstrecken bzw. Vergrößerung der Abmessung der flächigen Isolationsregion werden entsprechend als Teil der Leiterplatte betrachtet, auch wenn diese Anbauten keinen Lagenaufbau aufweisen.
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Die Reduzierung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte durch Fortfall bzw. Minimierung von Isolationsgräben führt ferner zu einer Reduzierung des Kostenaufwands bei der Herstellung der Leiterplatte. Weitere Kostenersparnis wird durch baulich einfache Koppelelemente ermöglicht, die auf Planartechnik beruhen. Dabei werden die Koppelelemente beispielsweise als Leiterbahnenschleifen oder als Kondensatorplatten hergestellt.
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Im Einzelnen wird mit der isolierenden Barriereschicht das Leiterplattenmaterial selber als Isolationsmedium zwischen benachbarten Stromkreisen verwendet. Dabei werden die beiden sich gegenüberliegenden Seiten des Lagenaufbaus für die verschiedenen Stromkreise oder Potentialgruppen verwendet und die Leiterplatte beidseitig mit den elektrischen/elektronischen Bauelementen bestückt. Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte über Vias oder Durchsteiger werden weitgehend vermieden oder nur im seitlichen Abstand von den Übertragern ausgeführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 einen induktiven Übertrager in Explosionsansicht der verschiedenen Lagen als Abschnitt einer Leiterplatte,
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2 einen Längsschnitt durch eine Leiterplatte, mit beidseitig angebrachten Komponenten,
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3 einen weiteren Längsschnitt durch eine Leiterplatte in schematischer Darstellung, und
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4 eine Draufsicht auf Schichtteile einer weiteren Leiterplatte.
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1 zeigt den Lagenaufbau einer erfindungsgemäßen Leiterplatte mit den einzelnen Schichten des Lagenaufbaus in Z-Richtung auseinandergezogen. Der Lagenaufbau umfasst eine erste Isolationsabstandsschicht 71, eine isolierende Barriereschicht 61 und eine zweite Isolationsabstandsschicht 72. Die erste Isolationsabstandsschicht 71 bietet eine Montagefläche für Komponenten, d. h. elektrische/elektronische Bauelemente 13 und für Leiterbahnen 14 (siehe 2) dar. Auch die zweite Isolationsabstandsschicht 72 weist eine Montagefläche für Komponenten, d. h. elektrische/elektronische Bauelemente 23 sowie für Leiterbahnen 24 auf. Elektrische Kontaktierungen 8 führen durch die jeweilige Isolationsabstandsschicht 71 bzw. 72 hindurch, um die jeweiligen Leiterbahnen auf der Oberseite mit der Unterseite der betreffenden Isolationsabstandsschicht zu verbinden. Auf der Oberseite der Isolationsabstandsschicht 71 erstreckt sich eine spiralförmige Spule 11, welche mit ihrem Anschlussende 82 an elektrische/elektronische Bauelemente kontaktiert werden kann, wobei das andere Anschlussende 81 mittels der elektrischen Kontaktierung 8 auf die andere Seite der Isolationsabstandsschicht 71 hinüberführt, um von dort ebenfalls an elektrische/elektronische Bauelemente kontaktiert zu werden. Unterhalb der isolierenden Barriereschicht 61 befindet sich ebenfalls eine spiralförmige Spule 21 mit zwei Anschlussenden 83 und 84, die auf unterschiedlichen Seiten der zweiten Isolationsabstandsschicht 72 angeordnet sind, wobei die Verbindung von Oberseite zur Unterseite der Isolationsabstandsschicht wiederum durch eine elektrische Kontaktierung 8 erfolgt. Die Spulen 11 und 21 sind durch die isolierende Barriereschicht 61 voneinander getrennt und stellen die Koppelelemente eines induktiven Übertragers 10 dar. Zur Erhöhung der Wirksamkeit des induktiven Übertragers 10 und zur Abschirmung gegenüber Störeinflüssen können Ferritplatten 41 bzw. 42 in räumlicher Überdeckung mit den Spulen 11 und 21 vorgesehen sein. Um ein Kurzschließen von Spulenwindungen durch elektrisch leitende Körper zu verhindern, ist zwischen den Ferritelementen und den Spulenwindungen eine zusätzliche, (nicht dargestellte) Isolationsschicht vorhanden, z. B. in Form eines geeigneten Lackes.
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2 zeigt eine Leiterplatte 100. Der durch die Spulen 11, 21 gebildete induktive Übertrager 10 weist einen Überdeckungs- und Übertragungsbereich auf, welcher der hauptsächlichste Bereich der Ausbreitung der magnetischen Wechselfelder ist, wie in 2 mit H dargestellt. Mittels des Übertragers 10 kann Energie zwischen einem ersten Stromkreis 1 und einem zweiten Stromkreis 2 ausgetauscht werden. Diese ausgetauschte Energie wird in vorliegender Anmeldung als Signal bezeichnet und kann dem Datenaustausch nutzbar gemacht werden, wie es bekannt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Stromkreis 1 und der zweite Stromkreis 2 noch über einen kapazitiven Übertrager 20 miteinander gekoppelt, der Kondensatorplatten 12, 22 in einem Überdeckungs- und Übertragungsbereich enthält und über elektrische Wechselfelder E die Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis ermöglicht.
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Der erste Stromkreis 1 enthält elektrische/elektronische Bauelemente 13, die auf der freien Oberseite der Isolationsabstandsschicht 71 angebracht sind und die über Leiterbahnen 14 mit Spannung/Strom versorgt werden. Die Leiterbahnen 14 erstrecken sich auf beiden Seiten der Isolationsabstandsschicht 71 und sind über Kontaktierungen 8 verbunden, wie dargestellt. Der zweite Stromkreis 2 ist auf der Ober- und Unterseite der zweiten Isolationsabstandsschicht 72 angeordnet und umfasst elektrische/elektronische Bauelemente 23 und Leiterbahnen 24 in ähnlicher Weise, wie dies hinsichtlich der Bauelemente 13 und der Leiterbahnen 14 für den Stromkreis 1 beschrieben worden ist. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist noch ein zusätzlicher induktiver Übertrager 26 vorgesehen, der den Stromkreis 2 in zwei Abschnitte 2a und 2b unterteilt. Damit sollen die diversen Möglichkeiten der Bestückung und Unterteilung der Leiterplatte illustriert werden.
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Um die Leiterplatte 100 in ein Gerät einzubeziehen, bedarf es elektrischer Anschlussleitungen 91, 92 zu Zwecken der Energieversorgung und der Signalhandhabung. Solche Leitungen können an einer Isolationsabstandsschicht 71 oder 72 befestigt sein. Zur Befestigung solcher Leitungen 91, 92 können aber auch Verankerungen in Form von elektrischen Durchkontaktierungen 9 vorgesehen sein, die sich durch den Lagenaufbau der Leiterplatte 100 hindurch, erstrecken. Solche elektrische Durchkontaktierungen schwächen die Spannungsfestigkeit des Lagenaufbaus und insbesondere der isolierenden Barriereschicht 61, und zwar in einem gewissen Umkreis, der als Mindestabstand D0 zu „fremden“ oder „benachbarten“ Stromkreisen zu betrachten ist. Die Anschlussleitungen 91 zur Strom- und Signalversorgung des Stromkreises 1 können natürlich unmittelbar benachbart zu den Elementen 11, 12, 13, 14 des Stromkreises 1 angeordnet werden, während der Mindestabstand D0, der die Luft- bzw. Kriechstrecke zu dem Stromkreis 2 darstellt, zwischen der elektrischen Durchkontaktierung 9 und der nächstliegenden Komponente des Stromkreises 2 eingehalten werden muss. In gleicher Weise muss die mit den Anschlussleitungen 92 verbundene elektrische Durchkontaktierung 9 den Mindestabstand D0 zu der nächstliegenden Komponente des Stromkreises 1 einhalten. Zum Schutz von Überschlägen zwischen den Stromkreisen ist es ferner notwendig, eine Mindestdicke Di der isolierenden Barriereschicht zwischen den Stromkreisen einzuhalten. Diese Mindestdicke Di hängt von der Güte des Isolationsmaterials und von der Höhe der zu tolerierenden Überspannung ab. Wird beispielsweise das Leiterplattenmaterial FR4 als Isolationsmedium verwendet, kann in etwa mit einer Spannungsfestigkeit von 40 kV pro Millimeter ausgegangen werden. Eine Mindestdicke von 0,2 mm würde demnach einer Spannungsfestigkeit von 8 kV entsprechen, während eine Mindestdicke von 0,5 mm entsprechend 20 kV Spannungsfestigkeit aufweisen könnte. Nach verschiedenen Normen und Richtlinien können erhöhte Sicherheitsaufschläge zu einer Verringerung der Spannungsfestigkeit bzw. Spannungsklasse bei vorgegebener Mindestisolationsdicke führen.
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Durch diese Maßnahmen der Mindestdicke Di bzw. des Mindestabstandes D0 ist es möglich, die im Lagenaufbau konzipierte Leiterplatte für Hochspannungsanwendungen zur Verfügung zu stellen. Zwischen den Anschlüssen 91 und 92 können somit Spannungsdifferenzen im kV-Bereich bewältigt werden. Die erfindungsgemäße Leiterplatte kann in Messgeräten zur Messung hoher Spannungen eingesetzt werden. So kann z. B. eine zu messende Hochspannung in ein Messsignal umgesetzt werden, das mit vergleichsweise geringen Spannungen und Strömen ausgewertet werden kann. Die Leiterplatte kann auch in Geräten eingesetzt werden, die an sich für Niederspannungen ausgelegt sind, jedoch im Fehlerfall hohen Spannungen ausgesetzt sein können.
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3 zeigt eine Leiterplattenkonstruktion 200 mit drei Stromkreisen 1, 2, 3. Es werden zwei isolierenden Barriereschichten 61 und 62 sowie drei Isolationsabstandsschichten 71, 72, 73 und drei Gruppen von Anschlussleitungen 91, 92, 93 verwendet. Die Stromkreise 1 aus 2 und 3 sind konstruktiv identisch. Der Stromkreis 2 ist Teilen der isolierenden Barriereschicht 62 und der Isolationsabstandsschicht 73 zugeordnet. Der Stromkreis 3 erstreckt sich über Teile der Isolationsabstandsschicht 72, der isolierenden Barriereschicht 62 und der Isolationsabstandsschicht 73. Der induktive Übertrager 10 verbindet jedoch alle drei Stromkreise miteinander und der kapazitive Übertrager 20 koppelt nur den Stromkreis 1 mit dem Stromkreis 3. Zwischen allen Stromkreisen wird der nötige Isolationsabstand eingehalten, und zwar einerseits durch den Mindestabstand D0 der Luft- bzw. Kriechstrecken zwischen den Stromkreisen und der Mindestdicke Di der Isolationsschichten zwischen den Stromkreisen. Dadurch werden flächige, sich über die Oberfläche der Leiterplatte erstreckende Isolationsregionen zwischen den Überdeckungs- und Übertragerbereichen der Übertrager 10, 20 gebildet, wodurch Luft- und Kriechstrecken ausreichender Länge zwischen leitenden Komponenten benachbarter Stromkreise geschaffen werden, die die Mindestabstände D0 einhalten oder übersteigen. Die flächigen Isolationsregionen können sich über den Rand der Leiterplatte erstrecken, wie am rechten Rand der Leiterplatte 200 in 3 angedeutet.
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4 zeigt eine Leiterplatte mit einem Lagenaufbau wie in 2, jedoch für drei Stromkreise 1, 2 und 3. Die Oberseite des Lagenaufbaus ist mit Diagonalschraffierung dargestellt, während die Unterseite mit karierter Schraffur visualisiert ist. Es werden drei induktive Übertrager 10 zur Kopplung zwischen den Schaltkreisen verwendet, und zwar 10a zur Kopplung der Schaltkreise 1 und 2, 10b zur Kopplung der Schaltkreise 1 und 3 sowie 10c zur Kopplung der Schaltkreise 2 und 3. Die galvanische Trennstrecke hinsichtlich der Mindestdicke Di wird jeweils über die isolierende Barriereschicht 61 gebildet. Der Mindestabstand D0 als Luft- bzw. Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen ist überall eingehalten, auch bei dem Übertrager 10b, da die Kriechstrecke sich über den Rand der Leiterplatte hinweg erstreckt, ähnlich wie in 3 am rechten Bildrand dargestellt. So ist z. B. der Übertrager 10a vom ersten zum zweiten Stromkreis von einer zugehörigen flächigen Isolationsregion mit Abstand D0 + X zu den Anschlussleitungen 92 des zweiten Stromkreises umgeben, der Übertrager 10b vom dritten zum ersten Stromkreis ist von einer zugehörigen flächigen Isolationsregion um den Rand der Leiterplatte herum mit Abstand 2 D0/2 + Y zu den Anschlussleitungen 91 des ersten Stromkreises umgeben und der Übertrager 10c des zweiten zum dritten Stromkreises ist von einer zugehörigen flächigen Isolationsregion mit Abstand D0 + Z zu den Anschlussleitungen 92 des zweiten Stromkreises umgeben. X, Y und Z kennzeichnen Zusatzlängen zur minimalen Luft- und Kriechstrecke D0.
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Zur Konstruktion von Leiterplatten mit vier oder noch mehreren voneinander zu trennenden Stromkreisen werden die Oberflächen der Leiterplatte noch stärker intelligent aufgeteilt und/oder es werden mehrere isolierende Barriereschichten verwendet. Wie im Falle der 4 werden die Komponenten und die Leiterbahnen für manche Stromkreise sowohl auf der Oberseite als auf der Unterseite des Lagenaufbaus angebracht. Um dabei konform mit den geforderten Luft- und Kriechstrecken gemäß dem Mindestabstand D0 zu sein, sind bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Innerhalb eines Bereichs mit dem Abstand D0 um die Übertrager 10 befinden sich keine Durchbrechungen oder Durchkontaktierungen der Isolationsschichten. Auch Komponenten benachbarter Stromkreise wahren diesen Abstand D0 zu dem Übertrager. Die kreisförmigen Bereiche in 4 verdeutlichen diesen Sachverhalt. Der Stromkreis 3 verteilt sich auf zwei Seiten der Leiterplatte, die mittels Durchkontaktierungen 9 miteinander verbunden sind, welche sich außerhalb der flächigen Isolationsregionen um die Übertrager 10b und 10c befinden. Die geschilderte Methode ermöglicht es somit, auch mehrere galvanisch zu trennende Stromkreise mit möglichst wenigen Durchkontaktierungen auszustatten und nur eine oder wenige isolierende Barriereschichten in dem Lagenaufbau zu verwenden.
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Der Aufbau der beschriebenen Leiterplatte kann modifiziert werden. So ist es möglich, zwei oder mehrere Isolationsabstandsschichten übereinander vorzusehen, innerhalb welchen die Komponenten der Stromkreise untergebracht sind. Dabei können elektrische/elektronische Bauelemente mittels SMD-Technologie (Surface Mounting Devices) angebracht und gegebenenfalls auch eingeschlossen werden. Für die hohe Spannungsfestigkeit der Leiterplatte bleibt jedoch die isolierende Barriereschicht bzw. Barriereschichten verantwortlich.
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Bei drei oder mehr zu trennenden Stromkreisen können die Werte Di und D0 individuell je nach Anforderungen der Spannungsfestigkeiten an die individuellen Stromkreise auch unterschiedlich gewählt werden. So können beispielsweise für D0 bei drei zu trennenden Stromkreisen drei verschiedene Werte D012 für die Trennung von Stromkreis 1 und 2, D013 für die Trennung von Stromkreis 1 und 3 sowie D023 für die Trennung der Stromkreise 2 und 3 verwendet werden. Entsprechendes gilt auch für Di.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0095620 A1 [0002]
- US 5015972 [0003]
- EP 1310036 B1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60664-1 [0010]
- DIN EN 60079-11/15 [0010]
- DIN EN 61010-1 [0010]
