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Die Erfindung betrifft einen symmetrischen Spannungsteiler mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
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Gemäß dem allgemeinen, bekannten Fachwissen weist ein solcher Spannungsteiler zumindest auf:
- – einen Eingang mit vorzugsweise zwei Eingangsanschlüssen,
- – jedem Eingangsanschluss nachgeordnet einen Zweig von spannungsmindernden Elementen, vorzugsweise gleichen Widerstandswertes in den beiden Zweigen, und
- – einen Spannungsabgriff der heruntergeteilten Spannung.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass bei der Auslegung von symmetrischen Spannungsteilern widerstreitende Randbedingungen eine Rolle spielen. So wird die Unempfindlichkeit der Spannungsteilerschaltung gegenüber Störungen von außen durch eine räumlich möglichst dichte Anordnung der spannungsmindernden Elemente begünstigt, da sich Störungen weitestgehend symmetrisch auf den Spannungsteiler auswirken. Allerdings reduziert die durch die dichte Anordnung hervorgerufene, starke kapazitive Kopplung zwischen den beiden Spannungsteilerzweigen die Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung.
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Um die vorstehende Problematik zu entschärfen, werden bekanntermaßen symmetrische Spannungsteiler üblicherweise geschirmt oder mit geeignetem Abstand zu elektromagnetischen Störfeldern aufgebaut. Für einen kompakten Aufbau einer elektrischen Schaltung, die einen solchen Spannungsteiler beinhaltet, bedeutet dies allerdings einen unerwünschten Raumbedarf für die Realisierung der Schaltung mit zugehörigem Isolationsschutzraum. Auch die oben erwähnte Schirmung ist in dieser Hinsicht nachteilig.
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Zum Stand der Technik sind auch Druckschriften zu nennen, die sich mit unsymmetrischen Teilern und deren Frequenzgangkompensation befassen. So offenbart die
GB 2 168 495 A eine Kompensation für parasitäre Kapazitäten bei einem Spannungsteiler, bei der eine um einen Widerstand herum geführte, halbzylindrische Schirmfläche zum Einsatz kommt.
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Aus der
US 7 268 663 A ist ein Präzisions-Spannungsteiler auf Dünnfilmbasis bekannt, bei dem verschiedene metallische Abschirmflächen kapazitive Kopplungen zu den Widerständen zur Kompensation von Streukapazitäten aufweisen.
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Die
US 6 100 750 A schließlich zeigt einen frequenzunabhängigen Spannungsteiler, bei dem durch Kompensationskapazitäten parasitäre kapazitive Einflüsse eliminiert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Aufbau eines symmetrischen Spannungsteilers zu ermöglichen, der störunempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern, insbesondere Gleichtaktbelastungen auf den Zuleitungen ist und eine hohe Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung bei gleichzeitig geringem Mindestabstand der Zuleitungen aufweist.
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Das Grundkonzept der erfindungsgemäßen Lösung ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruch 1 angegeben, nämlich eine räumliche Anordnung der beiden Zweige von spannungsmindernden Elementen derart, dass die Abstände zwischen spannungsmindernden Elementen aus unterschiedlichen Zweigen, welche spannungsmindernden Elemente schaltungstechnisch jeweils näher zum Eingang oder Ausgang des Spannungsteilers angeordnet sind, geringer sind als die Abstände zwischen den verbleibenden, zentraler angeordneten spannungsmindernden Elementen unterschiedlicher Zweige.
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An dieser Stelle soll allgemein darauf hingewiesen werden, dass es sich bei spannungsführenden Elementen in erster Linie um ohmsche Widerstände handelt, es kann allerdings auch andere geeignete elektronische Bauelemente, wie Kapazitäten und Induktivitäten eingesetzt werden.
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Wie später noch anhand der Beschreibung des konkreten Ausführungsbeispiels detaillierter verdeutlicht wird, werden diese Eigenschaften durch zwei erfindungsgemäße Forderungen an den Aufbau des Teilers erfüllt. Zum einen wird die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen durch eine räumlich dichte Anordnung der jeweiligen spannungsmindernden Elemente erreicht. Störungen wirken daher weitestgehend symmetrisch auf den Teiler. Die damit verbundene starke kapazitive Kopplung zwischen den Teilerzweigen reduziert die Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung. Zum anderen werden, um die Ausprägung dieses unerwünschten Effektes so gering wie möglich zu halten, die Positionen der spannungsmindernden Elemente entsprechend ihrer Auswirkung auf die Störunempfindlichkeit und die Frequenzbandbreite im Abstand erfindungsgemäß variiert, indem die zentraler gelegenen spannungsmindernden Elemente gegenüber den eingangs- und ausgangsseitigen spannungsmindernden Elementen weiter beabstandet sind.
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Der vorliegende, elektrisch symmetrische Spannungsteiler ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass er bei Unempfindlichkeit gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern, insbesondere ausgehend von den Anschlussleitungen und Gleichtaktbelastungen auf diesen, eine hohe Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung aufweist und dadurch die Führung der spannungsmindernden Elemente zwischen oder im Allgemeinen in der Nähe der Anschlussleitungen erlaubt, welches eine kompakte Bauform mit reduziertem Isolationsschutzraum ermöglicht.
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In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes angegeben. So kann der Spannungsteiler schirmungslos ausgebildet sein. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann durch die erreichte Störunempfindlichkeit nämlich auf eine Schirmung gegen elektrische und/oder magnetische Felder verzichtet werden. Dies ermöglicht eine hochimpedante Anbindung beider elektrischer Anschlüsse an das Bezugspotential. Dieser Vorteil eines symmetrischen Teilers geht durch die Schirmung und evtl. benötigte Maßnahmen zur Frequenzgangkompensation üblicherweise, speziell bei hohen Frequenzen und transienten Störungen, zumindest teilweise verloren. Der Verzicht auf einen elektrisch leitfähigen Schirm ermöglicht einen kompakten Aufbau, der die Isolationsanforderungen erfüllt, die Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung weniger beeinträchtigt, sowie entsprechend leichter und somit günstiger fertigbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Verteilung der Abstände im Rahmen der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die spannungsmindernden Elemente als Widerstände ausgelegt sind, in den beiden Zweigen gleiche Anzahl aufweisen sowie Zweig-übergreifende Widerstandspaare bilden, wobei der Abstand dieser spannungsmindernden Elemente ausgehend vom Eingang zum zentralen Paar von spannungsmindernden Elementen hin zunimmt und danach zum Spannungsabgriff der heruntergeteilten Spannung hin wieder abnimmt. Damit wird der idealisierte Kompromissfall einer hohen Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen einerseits und einer möglichst großen Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung angenähert.
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Der auf den Maximalabstand der paarigen Widerstände normierte Abstand der jeweiligen paarigen Widerstände beträgt vorzugsweise eingangsseitig zwischen 0,4 und 0,8 und/oder ausgangsseitig zwischen 0,1 und 0,5. Damit lassen sich die Kenngrößen des Teilers weiter optimieren.
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Eine konstruktiv einfache Weiterbildung für den Spannungsteiler besteht darin, dass eine zwischen den Zweigen angeordnete Isolationsbarriere durch die Leiterplatte gebildet ist, auf der die beiden Zweige der spannungsmindernden Elemente auf jeweils einander abgewandten Seiten angeordnet sind.
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Der jeweilige Abstand der spannungsmindernden Elemente auf den einander abgewandten Seiten der Leiterplatte kann dann vorzugsweise durch einen Versatz der spannungsmindernden Elemente parallel zur Leiterplattenebene definiert werden. Die Erfindung kann also in vorteilhafter Weise sehr einfach durch eine entsprechende Auslegung des Platinen-Layouts realisiert werden, indem die Leiterbahnen und Löt-Pads für die einzelnen spannungsmindernden Elemente entsprechend versetzt auf den beiden Oberflächen der Leiterplatte angelegt und damit die entsprechenden Abstände der spannungsmindernden Elemente erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die beiden Zweige von spannungsmindernden Elemente einen bogenförmigen Verlauf auf. Damit kann die erfindungsgemäße Schaltung noch kompakter ausgelegt und insbesondere an die Einbausituation innerhalb eines elektronischen Gerätes, wie beispielsweise einem Trennverstärker, angepasst werden.
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Demselben Zweck dient die weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes, wonach die spannungsmindernden Elemente innerhalb eines Zweiges zumindest in einem Teilbereich davon mäanderartig aneinandergesetzt angeordnet sind.
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Praktisch besonders relevante Dimensionsbereiche für die Abstände der paarigen Widerstände innerhalb der Teilerschaltung liegen bei einem minimalen Abstand im niedrigen Millimeterbereich, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 mm, und einem maximalen Abstand im niedrigen Zentimeterbereich, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2,5 cm.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der elektrotechnischen Grundlagen dazu anhand der beigefügten Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Schaltbild eines symmetrischen Spannungsteilers,
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2 ein Diagramm der Empfindlichkeit der Differenzsignalübertragungsbandbreite des Spannungsteilers auf parasitäre Kapazitäten zwischen Widerständen eines Paares,
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3 ein Diagramm der Empfindlichkeit des Spannungsteilers bei unsymmetrischer Einkopplung von Störsignalen auf diesen,
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4 ein Diagramm eines optimierten Distanzprofils über Spannungsteiler-Elementepaare, und
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5 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem Spannungsteiler.
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Bevor auf die Beschreibung der einzelnen Figuren eingegangen wird, werden die dafür in den Zeichnungen verwendeten Symbole und Bezeichnungen der Übersichtlichkeit halber zusammenfassend definiert:
| Eingangsspannung: | Ue = φep – φen |
| Differenzmessspannung: | Um = φmp – φmn |
| Bezugspotential: | φg |
| Differenzsignalbandbreite: | Grenzfrequenz (–3dB) der Differenzmessspannung am Spannungsabgriff des Spannungsteilers (Um). |
| Anzahl der Teilerpaare: | N |
| Teilerelementepaar: | Rin, Rip – mit i = 1 ... N |
| Störempfindlichkeit: | Si – Störempfindlichkeit des Paares i. |
| | Smax – maximale Störempfindlichkeit eines Paares im Teiler. |
| Empfindlichkeit der Bandbreite: | sfi – Empfindlichkeit der Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung auf parasitäre Kapazitäten zwischen Elementen des Paares i. |
| | sfmax – maximale Empfindlichkeit der Bandbreite auf parasitäre Kapazitäten zwischen Elementen eines Paares. |
| Abstand innerhalb eines Paares: | di – Abstand zwischen den Teilerelementen RiP, RiN. |
| | dmax – maximaler Abstand zwischen zwei Elementen eines Paares im Teiler. |
| | dnorm – Abstand zwischen den Teilerelementen RiP, RiN normiert auf den maximalen Anstand dmax. |
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1 zeigt einen Spannungsteiler mit einem Eingang 1, der zwei Eingangsanschlüsse 2, 3 aufweist. An letzterem liegt die Eingangsspannung Ue an. Den Eingangsanschlüssen 2, 3 ist jeweils ein Zweig 4, 5 von seriell geschalteten Widerständen R1N, R2N, ... RNN; R1P, R2P, ... RNP jeweils gleicher Anzahl N nachgeordnet, die paarweise einen gleichen Widerstandswert aufweisen. Damit erzeugt der Spannungsteiler einen äquipotentialen Abbau pro Widerstandspaar 6.1, 6.2, ... 6.N. Grundsätzlich können allerdings in den Zweigen 4, 5 die Widerstandselemente auch beispielsweise durch mehrere Widerstände in beliebiger Serien- und/oder Parallelschaltung gebildet sein.
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Am Ausgang 7 des Hochspannungsteilers mit den beiden Ausgangsanschlüssen 8, 9 wird die Differenzmessspannung Um = φmn – φmp über die zum Spannungsabgriff 10 führende Messwiderstandsschaltung RM, RMN, RMP abgegriffen.
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Wie in 1 strichpunktiert angedeutet ist, ist zwischen den beiden Zweigen 4, 5 des Spannungsteilers eine Isolationsbarriere 11 angeordnet, die später noch näher erörtert wird.
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Die dem erfindungsgemäßen Aufbau des Spannungsteilers zu Grunde liegenden elektrophysikalischen Grundlagen werden nun anhand der 2 bis 4 erläutert.
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Die Empfindlichkeit der Differenzsignalübertragungsbandbreite des Spannungsteilers auf parasitäre Kapazitäten zwischen Widerständen an gleicher Position im Teiler (d.h. RiP zu RiN) ist in 2 in Abhängigkeit von der Position innerhalb des Teilers dargestellt.
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Die Empfindlichkeit gegenüber ungleichmäßiger Einkopplung auf die entsprechenden Stellen des Teilers, Si, d.h. die Neigung zur Erzeugung eines Differenzsignals aus einem Gleichtaktsignal Um(Uen = Uep, mit Uen, Uep ≠ 0) ~ Si Um(φen = φep, mit φep, φen ≠ 0) ~ Si durch unterschiedliche kapazitive Kopplung mit den Zuleitungen sind in 3 dargestellt. Die Positionen der Spannungsteilerwiderstände innerhalb des Teilers sind hier, wie in 3 zu sehen, von i = 1 bis i = N durchnummeriert, wobei Position i = 1 hinter dem ersten Widerstandspaar von den Eingangsanschlüssen 2, 3 aus gesehen liegt. Position i = N, in diesem Beispiel i = 10, befindet sich am Spannungsabgriff 10, also hinter dem letzten Widerstandspaar RNN, RNP von den Eingangsanschlüssen 2, 3 aus gesehen.
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4 zeigt die Verteilung der Abstände di, normiert auf den gewählten maximalen Abstand dmax, unter der Annahme, dass die parasitären Kapazitäten zwischen den Zweigen 4, 5 und zur Umwelt gleich bleiben und symmetrisch auf beide Zweige 4, 5 wirken. Es lassen sich unterschiedliche Ergebnisse erzielen, wenn bei gleicher Störempfindlichkeit eine geringere Bandbreite in Kauf genommen wird.
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Wichtige Erkenntnis aus den Betrachtungen ist der Verlauf des Abstandes innerhalb der Spannungsteiler-Widerstandspaare 6.1, 6.2 etc. Im mittleren Bereich des Teilers ist dieser Abstand di am größten (siehe 4 Mitte), nahe des Spannungsabgriffs 10 werden die Abstände di so gering wie möglich gehalten (siehe 4 rechts). Die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen nimmt zum Spannungsabgriff 10 hin nämlich stark zu (siehe 3 rechts), wohingegen die Frequenzbandbreite der Differenzsignalübertragung dort nur geringfügig beeinflusst wird (siehe 2 rechts). Dies fordert eine dichte Anordnung der Teilerelemente innerhalb der unteren Paare ..., 6.(N – 1), 6.N. In der Mitte hingegen nimmt die Empfindlichkeit der Bandbreite ihr Maximum an (siehe 2 Mitte), während die Auswirkung auf die Störempfindlichkeit hier noch moderat ist (siehe 3 Mitte). In der oberen Hälfte des Spannungsteilers spielt die Auswirkung auf die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen eine untergeordnete Rolle.
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Die geeigneten Stellen zur Variation der Eigenschaften des Spannungsteilers sind also die mittleren Widerstandspaare. Hier kann durch Festlegung des maximalen Abstandes di die Gewichtung der Unempfindlichkeit gegenüber der Bandbreite beeinflusst werden. Ein geringerer maximaler Abstand liefert bessere Störunempfindlichkeit bei geringerer Bandbreite. Die übrigen Bereiche ergeben sich direkt aus den zuvor dargelegten Sachverhalten.
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Ein praktisch realisierbares Layout für einen solchen Spannungsteiler ist in 5 dargestellt. Dort ist eine Leiterplatte 12 ausschnittsweise in Draufsicht dargestellt, auf der durch entsprechend gedruckte Leiterbahnen auf den beiden Oberflächen in üblicher Weise die notwendigen Kontaktverbindungen und Anschlüsse für die unterschiedlichen Elemente der Schaltung angelegt werden. Im Einzelnen sind dies die beiden Eingangsanschlüsse 2, 3, die mit nicht näher dargestellten Eingangsanschlussbolzen in Kontaktverbindung stehen. Damit kann auf den Spannungsteiler eine Eingangsspannung Ue von beispielsweise 4800 V AC/DC eingespeist werden. Die vom Eingangsanschluss 2 wegführende Leiterbahn 13 mit den als kleine schwarze Rechtecke gezeichneten Lötpads 14 für die einzelnen Widerstände RiN ist oben auf der Leiterplatte 12 aufgebracht und dementsprechend als durchgehende Linie dargestellt.
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Die vom Eingangsanschluss 3 wegführende Leiterbahn 15 mit den ebenfalls als kleine schwarze Rechtecke gezeichneten Lötpads 16 für die einzelnen Widerstände RiP ist auf der dem Betrachter von 5 abgewandten Unterseite der Leiterplatte 12 aufgebracht und gestrichelt dargestellt.
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Dementsprechend sind auch die einzelnen Widerstände RiN, die oben auf der Leiterplatte 12 in üblicher Weise über die Lötpads 14 befestigt und kontaktiert sind, mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die entsprechenden Widerstände RiP auf der Unterseite der Leiterplatte 12 sind mit gestrichelten Linien gezeichnet. Der Übersichtlichkeit halber sind von diesen Widerständen RiN, RiP im Folgenden nur die für die Beschreibung relevanten Widerstände einzeln mit Bezugszeichen versehen.
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Grundsätzlich sind die jeweiligen Widerstände RiN, RiP in ihren Zweigen 4, 5 zumindest auf Teillängen mäanderartig aneinander gesetzt angeordnet. Dies wird beispielsweise deutlich aus den entlang der oberen Randkante 17 positionierten Widerständen R7N, R8N, R9N R10N, ... R15N bzw. R7P, R8P, ... R14P. Natürlich können die einzelnen Widerstände RiN, RiP innerhalb der Reihen auch anders, beispielsweise über Eck aneinandergesetzt, wie die Widerstände R14P, R15P, linear aneinandergesetzt, wie die Widerstände R18N, R19N bzw. R18P, R19P, oder auch mit Abstand zueinander und durch entsprechende Leiterbahnstücke 18 zwischen den entsprechenden Lötpads 14, 16 verbunden, angeordnet sein.
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Der in 4 idealisiert wiedergegebene Abstand zwischen verschiedenen Paaren 6.i von Widerständen RiN zu RiP wird bei der konkreten Ausführungsform gemäß 5 abgebildet durch die eingangsseitig eng und nur um die Breite der Bauelemente versetzt beiderseits der Leiterplatte 12 angeordneten Widerstandspaare 6.2, 6.3 und 6.4 aus den Widerständen R2N, R2P; R3N, R3P; R4N, R4P mit den übereinstimmenden Abständen d2, d3 und d4. Das allererste Widerstandspaar 6.1 weist einen demgegenüber etwas größeren Abstand d1 auf, da die Widerstände R1N, R1P auf den hier auseinanderlaufenden Passagen der Leiterbahnen 13, 15 liegen und einen geringen Einfluss auf die beschriebenen Eigenschaften haben.
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Der zentrale Bereich mit den größeren Abständen di von Widerständen ist durch die Widerstandspaare 6.7 bis 6.20 aus den Widerständen R7N, R7P; ... R20N, R20P gebildet, wobei das Widerstandspaar 6.16 den größten Abstand d16 zeigt. Die Abstände d7 bis d14 sind demgegenüber etwas geringer ausgelegt. Die Abstände d17 bis d20 der Widerstandspaare 6.18 bis 6.20 wiederum sind gegenüber den Abständen 6.7 bis 6.14 etwas geringer, aber größer als die oben erwähnten Abstände 6.21 bis 6.29 der ausgangsseitigen Widerstände R21N, R21P bis R29N, R29P ausgelegt. Insgesamt ergibt sich also ein Abstandsverlauf der Widerstandspaare entsprechend dem erfindungsgemäßen Konzept, wobei sich die unterschiedlichen Abstände di durch eine entsprechend parallel zur Ebene der Leiterplatte 12 versetzte Montage der einzelnen Widerstands-Bauelemente ergibt.
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Wie aus 5 schließlich auch deutlich wird, ist die Tatsache, dass die gesamte Schaltung des Hochspannungsteilers durch einen gebogenen Verlauf auf der Leiterplatte 12 raumsparend untergebracht werden kann. So erstreckt sich ein erstes Segment 19 der Schaltung mit den Widerständen R1N, R1P bis R14N, R14P im Wesentlichen entlang der Randkante 17 der Leiterplatte 12, um danach bei den Widerständen R15N, R15P und R16N, R16P etwa um 90° in ein kurzes Segment 20 einzubiegen. Die Widerstände R17N, R17P bis R20N, R20P folgen nach einer weiteren Verlaufsänderung um 90° in ein Segment 21 einer Richtung parallel zum Segment 19, wonach die letzten Widerstandspaare 6.21 bis 6.29 in einem Segment 22 etwas schräg zum Segment 21 weglaufen.
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Der Ausgang 7 mit dem Spannungsabgriff 10 der Spannungsteilerschaltung ist in 5 nicht näher dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2168495 A [0005]
- US 7268663 A [0006]
- US 6100750 A [0007]
