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Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken mit einer an oder in einer der Hauptelektroden befindlichen, gegenüber dieser Hauptelektrode isolierten Triggerelektrode, wobei die Triggerelektrode mit der weiteren Hauptelektrode über mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsüberwachendes Element elektrisch verbindbar ist und zwischen der Hauptelektrode und der weiteren Hauptelektrode ein Luftspalt besteht, wobei die Triggerelektrode mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur bildet, die Isolationsschicht als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet ist und die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit mit einer der Hauptelektroden in Kontakt steht oder auf dieser aufliegt gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Funkenstrecken können hinsichtlich ihres Verhaltens als Durchschlag- oder Gleitfunkenstrecke differenziert werden. Solche Funkenstrecken sind getriggert, aber auch ungetriggert ausführbar. Bei getriggerten Funkenstrecken existiert neben den Hauptelektroden mindestens eine Triggerelektrode. Die Zündung bei getriggerten Funkenstrecken erfolgt entweder über den Einsatz eines Zündtransformators mit der Folge einer hohen Ansprechspannung der entsprechend gut isolierten Triggerelektrode oder bei einer Alternative durch eine besondere Anordnung der Triggerelektrode bezüglich der Hauptelektrode ohne Zündtransformator.
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Getriggerte Funkenstrecken verfügen grundsätzlich über ein steuerbares Ansprechverhalten.
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Bei der druckfest gekoppelten Funkenstreckenanordnung zum Ableiten von schädlichen Störgrößen durch Überspannungen nach
DE 200 20 771 U1 ist unmittelbar über ein dort vorhandenes leitfähiges Gehäuse zur Bildung einer Teilfunkenstrecke im Entladungsraum eine Triggerspannung anlegbar. Über die Teilfunkenstrecke wird die Hauptfunkenstrecke zwischen den Hauptelektroden gezündet. Weiterhin kommt dort ein Zündtransformator zum Einsatz, der Bestandteil der Triggereinrichtung ist.
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Zündtransformatoren benötigen jedoch einen nicht unerheblichen Bauraum. Darüber hinaus ist die Größe der im Zündtransformator sekundärseitig generierten Zündspannung von der primärseitigen Stromänderung di/dT abhängig. Wenn ein solcher Stromimpuls nicht über eine ausreichende Steilheit verfügt, genügt die sekundärseitige auftretende Spannung nicht, um die Funkenstrecke sicher durchzuzünden.
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Wenn die Triggerelektrode mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, kann ein Zündtransformator entfallen. Während des Zündvorganges wird bei derartigen Lösungen zwischen einer der Hauptelektroden und der Triggerelektrode eine Gleitentladung ausgelöst, die nach einer bestimmten Zeit die weitere Hauptelektrode erreicht und den Zündvorgang auslöst.
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Derartige Triggerelektroden haben permanent elektrischen Kontakt zu einer der beiden Hauptelektroden. Dies bedeutet, dass keine galvanische Trennung der Hauptpotentiale vorliegt. Aus diesem Grunde muss in den Triggerstromkreis ein spannungsschaltendes Element, zum Beispiel in Form eines Gasableiters, geschalten werden.
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Aus der
DE 10 2011 102 937 A1 ist eine Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken vorbekannt, welche eine an oder in einer der Hauptelektroden befindliche, gegenüber diesen Hauptelektroden isolierten Triggerelektrode aufweist und mit der das Ansprechverhalten in einem großen Bereich vorgebbar ist.
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Diesbezüglich weist die gattungsbildende Lösung eine Triggerelektrode auf, die mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur bildet. Die Isolationsschicht ist bevorzugt als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet. Die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit steht mit einer der Hauptelektroden in Kontakt oder liegt auf dieser auf.
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Das Schichtdielektrikum der Sandwichstruktur stellt sich als eine Reihenschaltung einer ersten Teilkapazität mit dem Dielektrikum der Isolationsstrecke und einer zweiten Teilkapazität mit dem Material geringerer Leitfähigkeit als Dielektrikum dar, wobei die Teilkapazitäten sehr gering gewählt sind.
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Das Material M der Sandwichstruktur besitzt eine vielfach schlechtere Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden. Über die Dicke der Schicht aus dem Material M erfolgt eine Verlängerung des Zündlichtbogens.
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Die dünne Isolationsstrecke zwischen der Triggerelektrode und der Schicht aus schlecht leitendem Material kann bevorzugt durch Leiterplatten realisiert werden. Die Triggerelektrode entspricht dann der aufgebrachten Leiterbahn und die Isolationsschicht der darüber befindlichen Lackschicht, wobei ein stirnseitiger Abschnitt lackschichtfrei bleibt.
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Die vorbekannte Lösung nach
DE 10 2011 102 937 A1 schafft einen Plasma-Jet oder Plasma-Strahl im Fußpunktbereich einer bevorzugt als Hörnerfunkenstrecke ausgebildeten Anordnung. Dieser Strahl führt zu einer starken und schnellen zielgerichteten Bewegung von ionisierten Gasen und Ladungsträgern. Dieser Transport wird dazu genutzt, um die Zündung der Hauptstrecke zwischen den Hauptelektroden deutlich zu beschleunigen, wodurch die Belastung der Triggerelektrode und der Sandwichstruktur reduziert werden kann und die Restspannung der Funkenstrecke sinkt.
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Der vorstehend erläuterte Plasma-Jet-Effekt ist gekennzeichnet durch die Ausprägung einer bevorzugten Richtung der ionisierten Gasströmung. Es können gemäß dem Stand der Technik Maßnahmen ergriffen werden, die zum einen die Entstehung des Strahles, aber auch die Richtung beeinflussen, so dass der Effekt einer raschen Zündung der Hauptstrecke entsteht. Zur Überwindung der Luftstrecke zwischen den Hauptelektroden ist der vorgeschlagene Strahl mit seiner sehr effektiven Ionisierung von Luftdistanzen besonders geeignet, was wiederum für ein effektives Betreiben der bevorzugten Hörnerfunkenstrecke sorgt. Durch die Elektrodenanordnung sowie die Isolationsschicht und die Schicht aus dem Material mit geringerer Leitfähigkeit ergibt sich eine bevorzugte Ausrichtung ansonsten nur stochastischer Plasma-Jets. Insbesondere das Material mit geringerer Leitfähigkeit kann zur Gasabgabe geeignet sein, das eine weitere gezielte Erzeugung des Plasma-Jets ermöglicht.
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Die Lösung nach
DE 10 2011 102 937 A1 bietet gegenüber klassischen, unisolierten Stromtriggerungsverfahren den Vorteil einer sehr schnellen Zündung der Hauptfunkenstrecke, wodurch alle anderen Komponenten der Funkenstreckenanordnung energetisch geringer belastet werden und somit miniaturisiert auslegbar sind.
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Nachteilig ist jedoch die Tatsache, dass auch kleinste, relativ energieschwache Impulse von Überspannungsereignissen genügen, um die Gesamtfunkenstrecke zu zünden. Hierdurch ergibt sich eine mögliche nachteilige Alterung der entsprechenden Überspannungsableiteranordnung.
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Die
DE 10 2012 112 480 A1 zeigt ebenso wie die
DD 290 123 A7 triggerbare Funkenstrecken, wobei eine Triggerelektrode die Zündung zwischen den Hauptelektroden unterstützt. Bei der
DE 10 2012 112 480 A1 ist mindestens eine zweite von einer ersten unabhängige Zündeinrichtung vorhanden, welche die Funkenstrecke ohne die Notwendigkeit des Vorhandenseins von Überspannungen oder Impulsströmen, jedoch beim Vorliegen einer Mindestspannung zwischen den Hauptelektroden der Funkenstrecke aktivieren kann.
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Bei der zentral getriggerten Funkenstrecke nach
DD 290 123 A7 ist die dortige Triggerelektrode kapazitiv mit der Hauptelektrode verbunden und die Isolierung der Triggerelektrode sowie die Triggerelektrode selbst gestaffelt hinter der Elektrodenoberfläche einer der Hauptelektroden in einer Bohrung angeordnet. Hierdurch soll die Triggerfähigkeit über die gesamte Lebensdauer der Funkenstrecke erhalten bleiben.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken unter Nutzung einer Triggerelektrode anzugeben, wobei diesbezüglich auf das Grundprinzip der Plasma-Jet-Zündung zurückgegriffen werden soll, um die hierdurch gegebenen Vorteile zu nutzen, andererseits aber auch sicherzustellen ist, dass keine vorzeitige Alterung entsprechend ausgerüsteter Überspannungsableiter mit derartigen Funkenstrecken resultiert, indem bei geringen Energiegehalten von Überspannungsereignissen verhindert wird, dass der eigentliche Überlastbereich zwischen den Hauptelektroden, insbesondere den Hauptelektroden einer Hörnerfunkenstrecke, aktiviert wird.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Demnach wird von einer Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken mit einer an oder in einer der Hauptelektroden befindlichen, gegenüber dieser Hauptelektrode isolierten Triggerelektrode ausgegangen.
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Die Triggerelektrode ist mit der weiteren Hauptelektrode über mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsüberwachsendes Element elektrisch verbindbar.
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Zwischen der Hauptelektrode und der weiteren Hauptelektrode besteht ein Luftspalt.
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Die Triggerelektrode bildet mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur.
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Die Isolationsschicht ist bevorzugt als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet. Die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit steht mit einer der Hauptelektroden in Kontakt oder liegt auf dieser auf.
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Erfindungsgemäß wird die Anordnung nun so weitergebildet, dass eine energetische Grenze bzw. ein energetischer Schwellwert festlegbar ist, wobei unterhalb des festgelegten Grenz- oder Schwellwertes energetisch schwache Überspannungsereignisse ohne Ansprechen der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden abgeleitet werden. Tritt ein Überschreiten des Grenz- oder Schwellwertes ein, erfolgt der entsprechend getriggerte Ableitvorgang durch Zünden der Hauptfunkenstrecke.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun weiterhin darin, für die Grenz- oder Schwellwertfestlegung und die hierfür vorzusehenden Mittel nur auf solche zurückzugreifen, die in die Funkenstrecke selbst räumlich und baulich integrierbar sind. Eine zusätzliche externe Beschaltung bei gegebenenfalls notwendigen Gehäusedurchführungen und sonstigen baulichen Maßnahmen gilt es explizit auszuschließen.
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Demnach wird erfindungsgemäß für ein Ableiten energetisch schwacher Überspannungsereignisse ohne Ansprechen der zwischen den Hauptelektroden gebildeten Funkenstrecke die Isolationsschicht der Sandwichstruktur außerhalb des Zündbereiches unterbrochen. Alternativ oder ergänzend ist zwischen der Triggerelektrode und der Hauptelektrode in die Funkenstrecke integriert ein das Ansprechverhalten beeinflussendes elektrisches Bauelement geschalten.
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Durch die Unterbrechung der Isolationsschicht ist eine elektrische Verbindung zwischen der Triggerelektrode und der Schicht geringerer Leitfähigkeit gebildet, wobei durch die begrenzte Leitfähigkeit bzw. den Widerstand der Schicht geringerer Leitfähigkeit der ableitbare Energiegehalt des Überspannungsereignisses bestimmbar ist. Hierdurch wiederum kann der vorerwähnte Grenz- oder Schwellwert festgelegt werden.
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Bei einer Ausführungsform ist das vorerwähnte elektrische Bauelement ein integrierbarer, miniaturisierter Widerstand.
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Überspannungsereignisse mit kleinsten Energiegehalten, zum Beispiel Burst-Impulse, führen im Allgemeinen nicht mehr zum Zünden der Gesamtfunkenstrecke, da die geringe bzw. minimale Impulsenergie in der Schicht geringerer Leitfähigkeit abgebaut wird.
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Ist der Energiegehalt der Überspannung bzw. des Überspannungsereignisses höher, zündet die Gesamtfunkenstrecke quasi verzögert. Übersteigt die Energie des Impulses ein vorgegebenes Maß, fällt an der Schicht geringerer Leitfähigkeit eine so hohe Spannung ab, dass die Zündhilfsfunkenstrecke zündet und somit die Hauptfunkenstrecke gezündet werden kann. Das Maß der Verzögerung kann über die konstruktive Gestaltung und die Materialgrößen bzw. Materialeigenschaften beeinflusst werden. Das Zünden der Zündhilfsfunkenstrecke erfolgt durch einen Überschlag der Isolationsstrecke im Zündbereich.
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Bei all den Überspannungen mit größeren Energiegehalten, zum Beispiel bei direkten oder indirekten Blitzimpulsen, zündet die Hauptfunkenstrecke vergleichbar schnell, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Triggerelektrode durch eine Leiterbahn einer Folienleiterplatte und die Isolationsschicht durch eine isolierende Abdeckung, insbesondere eine Lackschicht auf der Leiterbahn gebildet.
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Für die Unterbrechung ist die isolierende Abdeckung freigelegt, so dass der freigelegte Abschnitt der Leiterbahn mit der Schicht geringerer Leitfähigkeit in Verbindung bringbar ist.
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Die Schicht geringerer Leitfähigkeit kann bevorzugt aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial bestehen oder aus einem Material mit einem Kohlefaseranteil gebildet werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 ein Ersatzschaltbild mit der prinzipiellen Anordnung von Hauptelektroden einer Funkenstrecke sowie einer Sandwichstruktur, umfassend eine Triggerelektrode mit einer Isolationsschicht sowie einer Schicht aus einem Material geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden und Parallelschaltung eines elektrischen Bauelementes in Form eines Widerstandes zwischen Triggerelektrode und zugehöriger Hauptelektrode sowie
- 2 eine Darstellung ähnlich nach 1, jedoch mit angedeuteter Unterbrechung der Isolationsschicht, so dass die Triggerelektrode außerhalb des Zündbereiches in Kontakt zur Schicht mit dem Material geringerer Leitfähigkeit gelangt, um bei geringen Energiegehalten eines Überspannungsereignisses ein unmittelbares Ableiten ohne Ansprechen der Gesamt-Funkenstrecke zu erreichen.
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Die Darstellung nach den 1 und 2 umfasst eine elektrische leitfähige Triggerelektrode T, die von einer Isolationsschicht I in Richtung der Hauptelektrode H2 bedeckt ist.
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Der Isolationsschicht I folgt eine Schicht aus einem Material M mit geringerer Leitfähigkeit.
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Die Schicht aus dem Material M liegt auf der Oberfläche der zweiten Hauptelektrode H2 auf.
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Über eine Verbindung A können externe Elemente zwischen Triggerelektrode T und der Hauptelektrode H1 geschalten werden. Die dort vorgesehenen Mittel können zum Beispiel Gasableiter, Varistoren, Dioden oder ähnliche elektrische Bauelemente umfassen.
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Die durch die Hauptelektroden H1 und H2 gebildete Funkenstrecke kann als Hörnerfunkenstrecke ausgebildet sein und ist elektrisch zwischen den Pfaden L und N/PEN geschalten.
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Die dargestellte Konfiguration entspricht im Prinzip der Anordnung zur Plasma-Jet-Erzeugung nach
DE 10 2011 102 937 A1 und den dortigen Erläuterungen zum konstruktiven Aufbau. Insofern wird auf die diesbezüglichen Darlegungen in der
DE 10 2011 102 937 A1 verwiesen, die das Wissen des hier relevanten Fachmannes verkörpern.
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Erfindungsgemäß wird nach 1 zwischen der Triggerelektrode T und der Hauptelektrode H2 ein das Ansprechverhalten beeinflussendes elektrisches Bauelement R geschalten. Der Wert des Widerstandes R bestimmt das Ansprechverhalten und damit einen energetischen Grenzwert bezogen auf den Zündvorgang der entsprechenden Funkenstrecke.
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Bei geringen Energiegehalten entsprechender Überspannungsereignisse reicht der über den Widerstand R sich ergebende Spannungsabfall nicht aus, um eine Zündung im Zündbereich der Anordnung zu ermöglichen. Es gelingt also durch die Anordnung des Widerstandes R energieschwache Überspannungsereignisse unmittelbar abzuleiten, ohne dass die Hauptfunkenstrecke anspricht und hierdurch unnötig altert.
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Gemäß der Darstellung nach 2 ist anstelle der Parallelschaltung des Widerstandes R eine vollintegrierte Lösung gezeigt.
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Diesbezüglich wird die dünne Isolationsschicht I außerhalb des Zünd- und Überschlagsbereiches unterbrochen, so dass eine leitfähige Verbindung der Triggerelektrode T mit dem Material geringerer Leitfähigkeit M erfolgt. Hierdurch wird bedingt durch den Widerstandswert des Materials M eine Möglichkeit geschaffen, Überspannungsereignisse über den Pfad Triggerelektrode, Material geringerer Leitfähigkeit M und Hauptelektrode H2 abzuleiten, ohne dass es zu einem Ansprechen der Hauptfunkenstrecke zwischen den Elektroden H1 und H2 kommt.
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In einem solchen Fall ist also der Energiegehalt der Überspannung so niedrig, dass nur ein sehr kleiner Strom fließt und die im schlecht leitfähigen Material M abfallende Spannung nicht ausreicht, die Isolationsschicht I zu überschlagen. Damit spricht der Überschlagsbereich nicht an und es wird die Überspannung allein durch den Energieabbildbereich abgeleitet.
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Steigt hingegen der Strom aufgrund eines Überspannungsereignisses sehr stark an, so dass die im Material M abfallende Spannung die Isolationsschicht I überschlägt und ein Zündfunken generiert, kommt es zur Zündung der Gesamt-Funkenstrecke.
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Es kommt bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung der Schicht aus dem Material M nicht nur die Aufgabe der Verlängerung des Zündlichtbogens durch Verlängerung der direkten Überschlagsstrecke von der Triggerelektrode T zur Hauptelektrode H2 zu, vielmehr wird der Widerstandswert des schlecht leitfähigen Materials über die Kontaktierung der Triggerelektrode mit der Schicht M genutzt, um schwache Überspannungsereignisse abzuleiten. Durch diese Ausgestaltung kann auf jedwede separate elektrische oder elektronische
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Bauelemente zur Steuerung des Ansprechverhaltens, insbesondere bei sehr schwachen Überspannungsereignisse, komplett verzichtet werden.
