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Die Erfindung betrifft Überspannungsableiter, z. B. solche mit Funkenstrecke, die empfindliche Schaltungselemente vor starken Stromstößen schützen können.
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Überspannungsableiter mit Funkenstrecke weisen i.a. zwei räumlich voneinander getrennte und elektrisch voneinander isolierte Elektroden auf. Tritt in einem Stromkreis ein unerwünschter Spannungspuls auf, der die Aktivierungsspannung des im Stromkreis verschalteten Überspannungsableiters überschreitet, so kann die elektrische Leistung durch einen Ladungstransfer zwischen den beiden Elektroden – z. B. gegen Masse – abgeleitet werden.
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Wird ein Überspannungsableiter während einer Stoßstrombelastung aktiviert, so schlagen Ladungsträger, i.a. Elektronen, der Kathode auf der Anode ein, was zum einen eine starke Belastung für das Anodenmaterial darstellt. Auch zeigt sich zum anderen, dass sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Isolationswiderstand nach einer Stoßstrombelastung, von Ableitern mit zunehmender Aktivierungszahl verschlechtern.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, Überspannungsableiter anzugeben, die gegenüber bisherigen Ableitern verbessert sind und dabei insbesondere auch nach vielen Aktivierungen noch zuverlässig arbeiten und einen hohen Isolationswiderstand aufweisen.
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Dafür wird ein Überspannungsableiter vorgeschlagen, der eine erste Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material und eine zweite Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material umfasst. Der Ableiter umfasst ferner einen Entladungsraum, der dafür vorgesehen ist, eine elektrische Ladung zwischen den beiden Elektroden zu ermöglichen. Der Entladungsraum hat dabei einen ersten aktiven Bereich und einen zweiten aktiven Bereich.
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Der Ableiter umfasst ferner einen Isolationsraum mit einem elektrischen Isolator. Der elektrische Isolator ist dazu vorgesehen, die beiden Elektroden mechanisch zu verbinden und galvanisch zu trennen. Der Abstand der Elektroden im ersten aktiven Bereich des Entladungsraums ist dabei kleiner als der Abstand der Elektroden im zweiten aktiven Bereich. Der zweite aktive Bereich schirmt den Isolationsraum vom ersten aktiven Bereich ab.
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Es ist also vorgesehen, dass der Ladungstransfer im Entladungsraum des Überspannungsableiters stattfindet. Es ist ferner vorgesehen, dass der Isolationsraum die beiden Elektroden galvanisch trennt.
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Es wurde erkannt, dass beim Aktivieren eines Ableiters Anodenmaterial aus der Anode herausgelöst wird. Dieses herausgelöste Anodenmaterial kann sich auf dem Isolator, der die beiden Elektroden elektrisch trennt, niederschlagen. Damit wird mit zunehmender Aktivierungszahl eine elektrische Brücke, d. h. eine galvanische Verbindung mit immer geringer werdendem elektrischen Widerstand, zwischen den beiden Elektroden gebildet, wodurch sich die Isolationsspannung verringert.
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Dadurch, dass der Entladungsraum in zwei unterschiedliche Bereiche aufgeteilt wird und insbesondere der erste aktive Bereich einen geringeren Abstand zwischen den beiden Elektroden aufweist, wird der Ladungstransfer im ersten aktiven Bereich gebündelt. Dadurch, dass der zweite aktive Bereich den empfindlichen Isolationsraum vom ersten aktiven Bereich abschirmt und der zweite aktive Bereich aufgrund des größeren Abstands zwischen den Elektroden weniger zur Aktivität des Ableiters beiträgt, ist der Isolationsraum und insbesondere der darin enthaltene elektrische Isolator vor einem Bedampfen mit leitenden Partikeln der Anode geschützt. Es ist zwar weiterhin möglich, dass Anodenmaterial im Inneren des Ableiters verteilt wird. Aufgrund der abschirmenden Wirkung des zweiten aktiven Bereichs werden dabei im Wesentlichen jedoch lediglich Oberflächen im Entladungsraum, also im Wesentlichen die Elektroden selbst, bedampft. Der Isolator im Isolationsraum wird dadurch nicht kurzgeschlossen und der Isolationswiderstand des Ableiters kann auch nach einer hohen Anzahl an Stoßstrombelastungen zuverlässig arbeiten.
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Auf den ersten Blick problematisch scheint das Hinzufügen eines zusätzlichen Bereichs im Entladungsraum, da Überspannungsableiter in ihren räumlichen Abmessungen häufig normiert sind und deshalb die Baugröße nicht willkürlich vergrößert werden kann. Der Vorteil der Aufteilung des Entladungsraums in zwei aktive Bereiche mit unterschiedlichem Elektrodenabstand besteht nun darin, dass der zusätzliche Platzbedarf aufgrund des geringeren Abstands im ersten aktiven Bereich nur so hoch ausfällt, dass der Überspannungsableiter mit der neuen Topologie des Entladungsraums den üblichen Anforderungen bezüglich der räumlichen Abmessungen genügen kann.
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Da die elektrische Entladung im Entladungsraum nun auf einen weiteren aktiven Bereich verteilt ist, sinkt die lokale Belastung der Anode zusätzlich, da die gesamte aktive Fläche, die der Entladung zur Verfügung steht, vergrößert ist. Dadurch ist auch die Strombelastbarkeit des Ableiters positiv beeinflusst.
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Der vorgeschlagene Überspannungsableiter zeigt sich dabei auch in üblichen Normen zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Ableitern, bei denen ein Ableiter einer Vielzahl an unterschiedlichen Impulsen unterschiedlicher Dauer, unterschiedlicher Flankensteilheit der Spannung, unterschiedlicher Stromstärke usw. ausgesetzt wird.
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Es ist möglich, dass der zweite aktive Bereich den ersten aktiven Bereich umgibt. Ferner ist es möglich, dass der Isolationsraum den Entladungsraum umgibt. Mit anderen Worten: Der Isolationsraum befindet sich auf einer Seite des zweiten, weniger aktiven Bereichs, während der erste, aktivere Bereich auf der jeweils anderen Seite des zweiten aktiven Bereichs angeordnet ist. Dadurch kann der zweite aktive Bereich den ersten, aktiveren Bereich sehr wirkungsvoll vom Isolationsraum abschirmen.
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Es ist ferner möglich, dass der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich sowie der Isolationsraum koaxial ineinander angeordnet und rotationssymmetrisch geformt sind.
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Durch die Rotationssymmetrie ist es besonders einfach, einen zweiten aktiven Bereich zu bilden, der ringförmig geschlossen ist und den ersten, aktiveren Bereich umgibt.
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Es ist möglich, dass die beiden Elektroden im zweiten aktiven Bereich wie Elektroden vom Stift-Napf-Typ geformt sind.
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Das heißt, dass die eine Elektrode ein Segment der Oberfläche, z. B. eine innere oder äußere Mantelfläche aufweist, die einem entsprechenden Segment der anderen Elektrode, entsprechend eine Außen- bzw. Innenfläche eines Zylindermantels, gegenübersteht.
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Dabei kann der Abstand der Elektroden über breite Segmente konstant sein.
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Es ist möglich, dass die erste Elektrode rotationssymmetrisch geformt ist und eine ringförmige Ausnehmung aufweist.
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Es ist ferner möglich, dass die zweite Elektrode rotationssymmetrisch geformt ist und eine zentrale Ausnehmung aufweist.
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Dann ist es insbesondere möglich, dass die zweite Elektrode in die ringförmige Ausnehmung der ersten Elektrode ragt und die erste Elektrode eine zentrale Erhebung aufweist, die in die zentrale Ausnehmung der zweiten Elektrode ragt.
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Die erste Elektrode kann dabei einen Querschnitt durch die Symmetrieachse aufweisen, die ähnlich dem Buchstaben W geformt ist. Die zweite Elektrode kann dabei einen durch die Symmetrieachse gehenden Querschnitt haben, der der Form des Buchstabens U ähnelt.
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Dadurch wird eine besonders gute Abschirmung des Isolationsraums vom ersten aktiven Bereich erhalten.
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Es ist möglich, dass der Überspannungsableiter ferner eine erste Kontaktelektrode und eine zweite Kontaktelektrode umfasst. Die erste Kontaktelektrode verbindet die erste Elektrode mechanisch mit dem Isolator. Die zweite Kontaktelektrode verbindet die zweite Elektrode mechanisch mit dem Isolator.
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Über die beiden Kontaktelektroden existieren externe Anschlüsse, über die der Überspannungsableiter leicht wie übliche Überspannungsableiter in externe Schaltungen integriert werden kann. Die Kontaktelektroden sind somit die periphere Schnittstelle des Ableiters.
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Es ist möglich, dass die beiden Kontaktelektroden und der Isolator einen mit einem Gas, z. B. einem Edelgas, gefüllten Hohlraum einschließen. Im Hohlraum sind die beiden gegenüberliegenden Elektroden mit unterschiedlichen Abständen in den unterschiedlichen aktiven Bereichen angeordnet. Der Überspannungsableiter ist dann ein Gasentladungs-Überspannungsableiter.
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Es ist möglich, dass das Material der ersten Elektrode W (Wolfram) oder Cu (Kupfer) umfasst. Ferner ist es möglich, dass das Material der zweiten Elektrode Wolfram oder Kupfer umfasst. Ferner ist es möglich, dass das Material des Isolators eine Keramik umfasst. Außerdem ist es möglich, dass das Material der ersten und der zweiten Kontaktelektrode Kupfer umfasst.
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Der Isolator kann dabei eine Zusammensetzung aufweisen, in der 94% Aluminiumoxid, z.B. Al2O3, enthalten sind.
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Als Edelgase kommen insbesondere Neon und Argon in Frage. Wasserstoff als Gasfüllung für den Ableiter ist ebenfalls möglich.
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Ein derartiger Ableiter kann in einem Arbeitsfrequenzbereich von 50 bis 60 Hz Wechselstrom aktiviert werden bei einer Spannungsflanke von 100 V/s und bei einer anliegenden Spannung, die ≥ 600 V ist. Damit kann ein Überspannungsableiter insbesondere Strom- bzw. Spannungsstöße durch Blitzeinschlag, üblicherweise mit 5 kV/µs und Spannungen im kV-Bereich, schützen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Material der ersten Elektrode zu 70 % aus Wolfram und zu 30 % aus Kupfer. Das Material der zweiten Elektrode besteht ebenfalls zu 70 % aus Wolfram und zu 30 % aus Kupfer. Das Material des Isolators besteht aus einer Keramik und das Material der ersten und der zweiten Kontaktelektrode besteht aus Kupfer.
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Es ist ferner möglich, dass eine dem Innenraum des Überspannungsableiters zugewandte Seite der ersten und/oder der zweiten Kontaktelektrode eine zusätzliche Beschichtung, die z. B. Wolfram umfassen kann oder aus Wolfram besteht, aufweist. Zwar ist bevorzugt, dass der Ladungsaustausch zwischen den Elektroden und nicht zwischen einer Elektrode und einer Kontaktelektrode der gegenüberliegenden Polarität stattfindet. Eine derartige Beschichtung stellt dabei einen Schutzfilm für den Fall, dass ein Teil des Stroms den direkten Weg zur Kontaktelektrode nimmt, dar.
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Es ist ferner möglich, dass das Material des Isolators eine Abstufung, z. B. in der Nähe einer Kontaktelektrode, aufweist, um den Isolationswiderstand zusätzlich zu erhöhen.
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Im Bereich der Stufe kann dann eine zusätzliche Isolation zwischen den beiden Kontaktelektroden an einer Seite einer Kontaktelektrode vorgesehen sein.
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Ebenfalls ist es möglich, die nach innen gerichtete Seite des Isolators mit Stufen, Kanten und Knicken zu versehen, um Leckströme und/oder Kriechströme zu verringern.
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Der Überspannungsableiter kann eine Höhe zwischen 10 und 20 mm, z. B. 15 mm, aufweisen. Der Ableiter kann ferner eine Breite bzw. einen Durchmesser zwischen 20 und 40 mm, z. B. 30 mm, aufweisen. Der Abstand d1 im ersten aktiven Bereich kann zwischen 1,2 und 1,5, z. B. bei 1,35 mm, liegen. Der Abstand d2 im zweiten aktiven Bereich kann größer als 1,35 mm sein.
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Innere und/oder äußere Materialkanten können abgerundet sein oder eine Fase aufweisen, um Spitzenspannungen an unerwünschten Stellen zu vermeiden. Umgekehrt können bestimmte Abschnitte der Elektroden, insbesondere im ersten aktiven Bereich, besonders scharf ausgeprägte Kante aufweisen, um den elektrischen Ladungstransfer zu lokalisieren.
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Insbesondere im zweiten aktiven Bereich, wo ein geringeres Maß an Ladungstransfer erwünscht ist, sind Kanten vorzugsweise abgerundet.
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Der Überspannungsableiter und die ihm zugrundeliegenden Funktionsprinzipien sowie konkrete Ausführungsbeispiele sind durch die schematischen Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1: die Aufteilung des Entladungsbereichs in zwei Teilbereiche,
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2: einen üblichen Spannungsableiter,
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3: eine Ausführungsform eines Ableiters mit ineinandergreifenden Elektroden,
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4: eine bevorzugte Ausführungsform des Ableiters mit abgerundeten Kanten, einer zusätzlichen Beschichtung einer Kontaktelektrode, einer Abstufung im Isolator und einer zusätzlichen Isolierung.
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1 zeigt das dem Ableiter zugrundeliegende Funktionsprinzip. Der Ableiter ABL umfasst eine erste Elektrode EL1 und eine zweite Elektrode EL2. Die erste Elektrode EL1 und die zweite Elektrode EL2 sind dabei über einen Isolator IS verbunden und galvanisch durch den Isolator IS getrennt. Der Ableiter ABL hat einen ersten aktiven Bereich AB1 mit einem ersten Abstand d1 zwischen der ersten Elektrode EL1 und der zweiten Elektrode EL2. Der Ableiter hat ferner einen zweiten aktiven Bereich AB2 mit einem zweiten Abstand d2 zwischen der ersten Elektrode EL1 und der zweiten Elektrode EL2. Ferner hat der Ableiter ABL den empfindlichen Isolationsraum IR, in dem der Isolator IS angeordnet ist. Da die voneinander beabstandeten Elektroden EL1, EL2 für einen Ladungstransfer zwischen einander vorgesehen sind, stellt ein Ableiter ABL praktisch eine Sputterkammer dar, bei der Elektrodenmaterial verdampft werden kann, das sich später auf Innenseiten des Ableiters niederschlägt. Würde der Isolator IS des Isolationsraums IR mit elektrisch leitendem Material bedampft, würde eine elektrisch leitende Brücke zwischen den Elektroden EL1, EL2 gebildet werden und der Ableiter ABL hätte eine deutlich erhöhte elektrische Leitfähigkeit, wodurch der zu schützende Stromkreis kurzgeschlossen würde. Deshalb ist der Isolationsraum IR vor dem Bedampfen mit elektrisch leitendem Material zu schützen. Dies geschieht durch den zweiten aktiven Bereich AB2, der den deutlich aktiveren ersten Bereich AB1 und den Isolationsraum IR voneinander abschirmt. Dabei soll insbesondere vermieden werden, dass es eine direkte Verbindung bzw. Flugbahn vom ersten aktiven Bereich AB1 zum Isolationsraum IR gibt. Der zweite aktive Bereich AB2 bzw. Teile der dem zweiten aktiven Bereich zugeordneten Elektrode wirken als Barriere für verdampftes Anodenmaterial, sodass eine Ablagerung von Anodenmaterial im Isolationsraum höchstens durch unwahrscheinliche Diffusionsprozesse im Gas des Überspannungsableiters möglich sind.
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2 zeigt zum Vergleich einen üblichen Ableiter vom Stift-Napf-Typ (englisch: pin-cube-design). Eine Stift-Elektrode ragt in eine Napf-Elektrode und Material der Anode kann auf direktem Weg (dargestellt durch den Pfeil) aus dem peripheren Bereich der Elektroden zum Isolator gelangen und diesen kurzschließen. Der Weg von Anodenmaterial in einem Ableiter gemäß der hier gezeigten Idee endet schon vor dem Isolator.
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3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der die erste Elektrode EL1 und die zweite Elektrode EL2 rotationssymmetrisch geformt sind. Entsprechend zeigt 3 einen Querschnitt durch die Symmetrieachse. Die erste Elektrode EL1 weist eine ringförmige Ausnehmung auf. Die zweite Elektrode EL2 weist eine zentrale Ausnehmung auf. Die erste Elektrode EL1 weist zusätzlich eine zentrale Erhebung auf, die in die zentrale Ausnehmung der zweiten Elektrode EL2 ragt. Zusätzlich ragt die zweite Elektrode EL2 in die ringförmige Ausnehmung der ersten Elektrode EL1. Der Abstand d1 zwischen der ersten Elektrode EL1 und der zweiten Elektrode EL2 ist in einem ersten aktiven Bereich AB1 geringer als der Abstand d2 in einem zweiten aktiven Bereich AB2. Der zweite aktive Bereich AB2 stellt somit eine Barriere für Anodenmaterial, das im ersten aktiven Bereich AB1 herausgeschlagen wird, dar. Der Isolator IS ist sehr gut vor Bedampfen mit Anodenmaterial geschützt.
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Zusätzlich ist der Ableiter über eine erste Kontaktelektrode KEL1 und über eine zweite Kontaktelektrode KEL2, die mechanischen Kontakt zwischen den Elektroden EL1, EL2 und dem Isolator IS herstellen, möglich.
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4 zeigt eine Ausführungsform des Überspannungsableiters, bei dem zusätzliche Maßnahmen zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des Langzeitverhaltens, enthalten sind. So umfasst die zweite Kontaktelektrode KEL2 eine Beschichtung B, die das Material der zweiten Kontaktelektrode KEL2 vor direktem Einschlagen von Ladung aus der Kathode schützt. Zusätzlich hat der Isolator IS eine Abstufung ABS zur Verbesserung der Isolation. Im Bereich der Abstufung ABS ist ferner eine zusätzliche Isolation ZI gegen Leckströme vorgesehen. Insbesondere an Stellen, wo ein geringeres Maß an Ladungstransfer gewünscht ist, z. B. an Kanten im zweiten aktiven Bereich AB2, weisen die Kanten eine Fase F oder abgerundete Kanten AGK auf.
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Das Volumen V innerhalb des Ableiters ABL ist vorzugsweise hermetisch abgedichtet und mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt, dessen Zusammensetzung entsprechend den Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften ausgesucht ist.
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Der Überspannungsableiter ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Ableiter mit weiteren mehr oder weniger aktiven Bereichen und zusätzlichen Barrieren zwischen Bereichen starken Ladungstransfers und zu schützenden Isolationsraumen stellen ebenso Ausführungsbeispiele dar.
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Bezugszeichenliste
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- AB1:
- erster aktiver Bereich erhöhter Aktivität
- AB2:
- zweiter aktiver Bereich verringerter Aktivität
- ABL:
- Überspannungsableiter
- ABS:
- Abstufung im Isolator IS
- AGK:
- abgerundete Kante
- B:
- Beschichtung
- d1:
- Abstand der Elektroden im ersten aktiven Bereich AB1
- d2:
- Abstand der Elektroden im zweiten aktiven Bereich AB2
- EL1:
- erste Elektrode
- EL2:
- zweite Elektrode
- F:
- Fase
- IR:
- Isolationsraum ohne Aktivität
- IS:
- Isolator
- KEL1:
- erste Kontaktelektrode
- KEL2:
- zweite Kontaktelektrode
- ZI:
- zusätzliche Isolation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005036265 A1 [0003]
- DE 102008029094 A1 [0003]
- DE 102008036265 A1 [0003]
