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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Stromkreis-Schutzvorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine Stromkreis-Schutzvorrichtung, die ein Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und eine Sekundärsicherung zur Erleichterung einer Lichtbogenlöschung und galvanischen Öffnung enthält.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Sicherungen werden gewöhnlich als Stromkreis-Schutzvorrichtungen verwendet und typischerweise zwischen einer elektrischen Stromquelle und einer zu schützenden Komponente in einem Stromkreis installiert. Eine herkömmliche Sicherung (Schmelzsicherung) enthält ein Schmelzelement, das in einem hohlen, elektrisch isolierenden Sicherungskörper angeordnet ist. Bei Auftreten eines Störzustands, wie eines Überstromzustands, schmilzt das Schmelzelement oder trennt sich anderweitig, um den Stromfluss durch die Sicherung zu unterbrechen.
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Wenn sich das Schmelzelement einer Sicherung infolge eines Überstromzustands zertrennt, kann sich manchmal ein elektrischer Lichtbogen durch die Luft zwischen den abgetrennten Teilen des Schmelzelements ausbreiten (z. B. durch verdampfte Stoffteilchen des geschmolzenen Schmelzelements). Wenn dieser Lichtbogen nicht ausgelöscht wird, können erhebliche Folgeströme von einer Stromquelle zu einer geschützten Komponente in einem Stromkreis fließen, was zu einer Beschädigung der geschützten Komponente trotz der körperlichen Öffnung des Schmelzelements führt.
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Eine Lösung, die zur Beseitigung von Lichtbögen in Sicherungen verwirklicht worden ist, ersetzt das Schmelzelement einer Schmelzsicherung durch ein Element mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC). Ein PTC-Element wird von einem PTC-Material gebildet, das aus elektrisch leitenden Partikeln zusammengesetzt ist, die in einem nicht leitenden Medium (z. B. einem Polymer) suspendiert sind. PTC-Materialien weisen innerhalb eines normalen Betriebstemperaturbereichs einen relativ geringen elektrischen Widerstand auf. Wenn die Temperatur eines PTC-Materials jedoch den normalen Betriebstemperaturbereich überschreitet und eine „Auslösetemperatur“ erreicht, wie sie beispielsweise durch einen übermäßigen Stromfluss durch das PTC-Material entstehen kann, steigt der Widerstand des PTC-Materials stark an. Durch diesen Anstieg des Widerstands wird der Stromfluss durch das PTC-Element abgeschwächt oder arretiert. Wenn das PTC-Material abkühlt (z. B. wenn der Überstromzustand nachlässt), sinkt der Widerstand des PTC-Materials anschließend und das PTC-Element wird wieder leitfähig. Das PTC-Element wirkt somit wie eine rückstellbare Sicherung. Da sich das PTC-Element nicht körperlich wie ein Schmelzelement öffnet, besteht keine Möglichkeit zur Ausbildung oder Ausbreitung eines Lichtbogens.
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Während sich PTC-Elemente als wirksame Mittel zur Verringerung von Lichtbögen in Stromkreisen erwiesen haben, gibt es viele Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, eine galvanische Öffnung (d. h. eine permanente, nicht-rücksetzbare Öffnung) in einem Stromkreis bei Auftreten eines Überstromzustands zu bewerkstelligen. PTC-Elemente stellen keine galvanische Öffnung wegen ihres „rücksetzbaren“ Charakters bereit. Es ist somit wünschenswert, eine Stromkreis-Schutzvorrichtung bereitzustellen, die elektrische Lichtbögen wirksam verhindert oder abschwächt und bei Auftreten eines Überstromzustands auch eine galvanische Öffnung in einem Stromkreis bereitstellt.
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Im Hinblick auf diese und andere Überlegungen können die vorliegenden Verbesserungen von Nutzen sein.
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ÜBERBLICK
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Dieser Überblick wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Vorstellungen, die weiter unten in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden, in vereinfachter Form vorzustellen. Dieser Überblick ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes festzustellen, noch ist er als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes gedacht.
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Eine Stromkreis-Schutzvorrichtung gemäß einer nicht-einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Primärsicherung und eine Vorrichtung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) und eine Sekundärsicherung, die elektrisch miteinander in Reihe und parallel zur Primärsicherung geschaltet sind, enthalten, wobei die Sekundärsicherung von einer auf einer dielektrischen Oberfläche angeordneten Lotmenge gebildet wird, wobei die dielektrische Oberfläche eine Entnetzungseigenschaft in Bezug auf das Lot derart aufweist, dass sich das Lot, wenn es geschmolzen wird, von der dielektrischen Oberfläche abzieht, um eine galvanische Öffnung zu erzeugen.
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Eine andere Stromkreis-Schutzvorrichtung gemäß einer nicht-einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein dielektrisches Substrat, eine auf einer ersten Seite des dielektrischen Substrats angeordnete und einen ersten und zweiten, elektrisch mit einem entsprechenden ersten und zweiten Leiterstrang auf dem dielektrischen Substrat verbundenen Anschluss aufweisende Primärsicherung, eine Vorrichtung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) und eine Sekundärsicherung, die elektrisch in Reihe miteinander und parallel zu der Primärsicherung verbunden sind, wobei die PTC-Vorrichtung an einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats über eine dielektrische, ein Ende der PTC-Vorrichtung abdeckende Abdeckung angebracht ist, wobei die Sekundärsicherung von einer sich von einer ersten Elektrode der PTC-Vorrichtung auf die dielektrische Abdeckung erstreckenden Lotmenge gebildet wird, wobei die dielektrische Abdeckung eine Entnetzungseigenschaft in Bezug auf das Lot derart aufweist, dass sich das Lot, wenn es geschmolzen wird, von der dielektrischen Abdeckung abzieht, um eine galvanische Öffnung zu erzeugen, und eine erste Verbindungsleitung und eine zweite Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden der Stromkreis-Schutzvorrichtung innerhalb eines Stromkreises enthalten, wobei die erste Verbindungsleitung elektrisch mit dem ersten Anschluss der Primärsicherung und mit der Sekundärsicherung verbunden ist und die zweite Verbindungsleitung elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Primärsicherung und mit einer zweiten Elektrode der PTC-Vorrichtung verbunden ist, wobei die erste und die zweite Verbindungsleitung mit dem ersten beziehungsweise zweiten Anschluss der Primärsicherung durch erste und zweite elektrisch leitende, in dem dielektrischen Substrat gebildete Durchkontaktierungen verbunden sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die eine Stromkreis-Schutzvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht, welche die in 1 dargestellte Stromkreis-Schutzvorrichtung mit der Primärsicherung der Stromkreis-Schutzvorrichtung in einem offenen Zustand zeigt;
- 3 ist eine seitliche Querschnittsansicht, welche die in 1 und 2 gezeigte Stromkreis-Schutzvorrichtung zeigt, wobei sowohl die Primärsicherung als auch die Sekundärsicherung der Stromkreis-Schutzvorrichtung in einem offenen Zustand sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine beispielhafte Ausführungsform einer Stromkreis-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden. Die Stromkreis-Schutzvorrichtung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist.
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Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung dem Fachmann bestimmte beispielhafte Aspekte der Stromkreis-Schutzvorrichtung vermittelt.
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In 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Stromkreis-Schutzvorrichtung 10 (im Folgenden „die Vorrichtung 10“) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Die Vorrichtung 10 kann im Allgemeinen ein dielektrisches Substrat 12, eine Primärsicherung 14, eine Vorrichtung 16 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), eine dielektrische Abdeckung 18 und eine Sekundärsicherung 20 enthalten. Der Einfachheit und Klarheit halber können hierin Begriffe wie „vorne“, „hinten“, „oben“, „unten“, „hoch“, „runter“, „links“ und „rechts“ verwendet werden, um die relative Anordnung und Ausrichtung verschiedener Komponenten der Vorrichtung 10 jeweils in Bezug auf die Geometrie und Ausrichtung der Vorrichtung 10, wie sie in 1 dargestellt ist, zu beschreiben. Diese Terminologie wird die speziell erwähnten Ausdrücke, Ableitungen davon und Ausdrücke mit ähnlicher Bedeutung enthalten.
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Das dielektrische Substrat 12 kann ein im Wesentlichen ebenes Element sein, das von einem elektrisch isolierenden, thermisch beständigen Material gebildet wird. In einer besonderen Ausführungsform kann das dielektrische Substrat 12 aus einem glasverstärkten Epoxid-Laminatmaterial wie FR-4 gebildet werden. Die vorliegende Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt und es wird in Betracht gezogen, dass das dielektrische Substrat 12 alternativ aus verschiedenen anderen elektrisch isolierenden Materialien, einschließlich verschiedener Keramiken, Kunststoffe, Verbundstoffe usw., aber nicht darauf beschränkt, gebildet werden kann.
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Die Primärsicherung 14 kann auf einer Oberseite des dielektrischen Substrats 12 angeordnet sein und kann ein Schmelzelement 22 enthalten, das sich durch einen dielektrischen Sicherungskörper 24 zwischen ersten und zweiten elektrisch leitenden Anschlüssen 26, 28 an gegenüberliegenden Enden des Sicherungskörpers 24 erstreckt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Primärsicherung 14 eine herkömmliche oberflächenmontierte Sicherung, Patronensicherung oder Ähnliches sein. Die Anschlüsse 26, 28 können elektrisch mit elektrisch leitenden Strängen 30, 32, die sich entlang der Oberseite des dielektrischen Substrats 12 erstrecken, verbunden (z. B. verlötet) sein. Die Stränge 30, 32 können elektrisch mit entsprechenden Durchkontaktierungen 31, 33 verbunden sein, die sich durch das dielektrische Substrat 12 erstrecken. Leitungsdrähte 35, 37 können mit den unteren Endpunkten der Durchkontaktierungen 31, 33 durch entsprechende Lötausrundungen 39, 41 elektrisch verbunden sein und können verwendet werden, um die Vorrichtung 10 innerhalb eines Stromkreises (z. B. zwischen einer elektrischen Stromquelle und einer Last) elektrisch zu verbinden. Die Primärsicherung 14, die Stränge 30, 32 und die Durchkontaktierungen 31, 33 stellen somit einen Strompfad zwischen den Leitungsdrähten 35, 37 bereit.
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Die Primärsicherung 14 kann für einen bestimmten Strom („Nennstrom“) ausgelegt sein, bei dessen Überschreitung das Schmelzelement 22 schmelzen wird und sich trennt. Wie den Fachleuten bekannt ist, kann der Nennstrom der Primärsicherung 14 durch verschiedene Faktoren einschließlich der Größe, Form und des Materials des Schmelzelements 22 aber nicht beschränkt darauf beeinflusst werden.
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Die PTC-Vorrichtung 16, die durch die dielektrische Abdeckung 18 (wie unten beschrieben) mit einer Unterseite des dielektrischen Substrats 12 verbunden sein kann, kann eine Laminatstruktur sein, die im Allgemeinen ein PTC-Element 34 mit elektrisch leitenden oberen und unteren Elektroden 36, 38 enthält, die auf dessen Ober- und Unterseite angeordnet sind. Die obere Elektrode 36 kann mit der Durchkontaktierung 31 und dem Leitungsdraht 35 durch die Lötausrundung 39 elektrisch verbunden sein. Die obere und die untere Elektrode 36, 38 können von jedem geeigneten, elektrisch leitenden Material gebildet werden, einschließlich Kupfer, Gold, Silber, Nickel, Zinn usw. aber nicht beschränkt darauf. Das PTC-Element 34 kann von jeder Art von PTC-Material (z. B. polymerem PTC-Material, keramischem PTC-Material usw.) gebildet werden, das so formuliert ist, einen elektrischer Widerstand, der mit steigender Temperatur des PTC-Elements 34 zunimmt, aufzuweisen. Insbesondere kann das PTC-Element 34 eine vorbestimmte „Auslösetemperatur“ haben, oberhalb der der elektrische Widerstand des PTC-Elements 34 schnell und drastisch ansteigt (z. B. auf nicht-lineare Weise), um einen durchkommenden Strom im Wesentlichen zu arretieren. In einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 10 kann das PTC-Element 34 eine Auslösetemperatur in einem Bereich von 80 Grad Celsius bis 130 Grad Celsius haben. Außerdem kann das PTC-Element 34 in seinem normalen Betriebstemperaturbereich (d. h. unterhalb seiner Auslösetemperatur) einen Widerstand aufweisen, der größer ist als der Widerstand der Primärsicherung 14.
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Die dielektrische Abdeckung 18 kann ein Längsende der PTC-Vorrichtung 16 (z.B. das rechte Ende der PTC-Vorrichtung 16, wie in 1 dargestellt) umgeben oder abdecken, sodass Abschnitte der dielektrischen Abdeckung 18 auf Abschnitten der oberen und unteren Elektroden 36, 38 der PTC-Vorrichtung 16 angeordnet sind und diese abdecken. In verschiedenen Ausführungsformen kann die dielektrische Abdeckung 18 einen im Wesentlichen „C-förmigen“ Querschnitt aufweisen, der durch einen aneinandergrenzenden oberen, seitlichen und unteren Abschnitt wie in 1 dargestellt definiert ist. Die vorliegende Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Eine Oberseite der dielektrischen Abdeckung 18 kann an der Unterseite des dielektrischen Substrats 12 z. B. durch Klebstoff (z. B. Epoxid), mechanische Befestigungsmittel, Ultraschallschweißungen usw. befestigt werden. Die dielektrische Abdeckung 18 kann von einem elektrisch isolierenden, thermisch beständigen Material mit niedriger Oberflächenenergie gebildet werden. Beispiele für solche Materialien enthalten Perfluoralkoxy (PFA), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), sind aber nicht darauf beschränkt.
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Die Sekundärsicherung 20 kann von einer Lotmenge gebildet werden, die auf der unteren Elektrode 38 der PTC-Vorrichtung 16 angeordnet ist und sich auf die untere Fläche der dielektrischen Abdeckung 18 erstreckt. Ein elektrisch leitender Strang oder eine elektrische leitende Leitung 40 kann sich von der Sekundärsicherung 20 um die dielektrische Abdeckung 18 herum und in Verbindung mit der Lotausrundung 41 auf der Unterseite des dielektrischen Substrats 12 erstrecken. Auf diese Weise können die Sekundärsicherung 20 und die Leitung 40 die untere Elektrode 38 der PTC-Vorrichtung 16 in elektrische Verbindung mit der Durchkontaktierung 33 und der Verbindungsleitung 37 bringen, wobei die dielektrische Abdeckung 18 jeweils eine elektrisch isolierende Barriere zwischen der PTC-Vorrichtung 16 und den Leitungen 40, der Lötausrundung 41, der Verbindungsleitung 37 und der Durchkontaktierung 33 bildet. Das Lot, von dem die Sekundärsicherung 20 gebildet wird, kann so ausgewählt werden, dass es eine Schmelztemperatur aufweist, die höher als die Auslösetemperatur des PTC-Elements 34 ist. Wenn beispielsweise ein übermäßiger Strom durch die Sekundärsicherung 20 und die PTC-Vorrichtung 16 fließt, kann sich das PTC-Element 34 erwärmen und seine Auslösetemperatur erreichen, sodass ein durchfließender Strom arretiert wird, bevor die Sekundärsicherung 20 ausreichend erhitzt ist, um zu schmelzen (wie unten ausführlicher beschrieben). Zusätzlich können das Lot, von dem die Sekundärsicherung 20 gebildet wird, und das Material, von dem die dielektrische Abdeckung 18 gebildet wird, so ausgewählt werden, dass das Lot, wenn es sich in einem geschmolzenen oder halb-geschmolzenen Zustand befindet, eine Abneigung oder Neigung hat, sich von der Oberfläche der dielektrischen Abdeckung 18 abzuziehen oder auf ihr Perlen zu bilden. Das heißt, das Material der dielektrischen Abdeckung 18 kann bezüglich des Lots, von dem die Sekundärsicherung 20 gebildet wird, eine signifikante „Entnässungs“-Eigenschaft aufweisen. In einem Beispiel kann die dielektrische 18 von PFA gebildet werden und das Lot kann SAC305-Lot sein. In einem anderen Beispiel kann die dielektrische Abdeckung 18 von ETFE gebildet werden und das Lot kann eutektisches Lot sein. In einem anderen Beispiel kann die dielektrische Abdeckung 18 von PVDF gebildet werden und das Lot kann ein niedrig schmelzendes Lot sein (d. h. ein Lot mit einer Schmelztemperatur unter 175 Grad C). Die vorliegende Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
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Während des normalen Betriebs kann die Vorrichtung 10 über die Verbindungsleitungen 35, 37 in einem Stromkreis (z. B. zwischen einer elektrischen Stromquelle und einer Last) angeschlossen sein und der Strom kann zwischen den Verbindungsleitungen 35, 37 über einen Pfad fließen, der die Durchkontaktierungen 31, 33, die Stränge 30, 32 und die Primärsicherung 14 enthält. Auf das Auftreten eines Überstromzustands, wobei ein durch die Vorrichtung 10 fließender Strom den Nennstrom der Primärsicherung 14 übersteigt, kann das Schmelzelement 22 der Primärsicherung 14 schmelzen oder sich anderweitig trennen wie in 2 dargestellt. Der Strom wird dann so umgeleitet, dass er durch den einzigen verfügbaren alternativen Pfad fließt, d. h. durch die Leitung 40, die Sekundärsicherung 20 und die PTC-Vorrichtung 16. Da der Strom durch diesen alternativen Pfad fließen kann, kann sich kein elektrisches Potential zwischen den getrennten Enden des geschmolzenen Schmelzelements 22 ansammeln, wodurch die Bildung und Ausbreitung eines elektrischen Lichtbogens in der Primärsicherung 14 ausgeschlossen wird.
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Der anhaltende Überstrom, der durch den alternativen Pfad in der Vorrichtung 10 fließt, kann dazu führen, dass sich das PTC-Element 34 schnell erwärmt und seine Auslösetemperatur überschreitet, wodurch der Widerstand des PTC-Elements 34 schnell ansteigt und den durchfließenden Strom im Wesentlichen arretiert. Gleichzeitig (oder im Wesentlichen gleichzeitig) kann die vom PTC-Element 34 abgestrahlte Wärme dazu führen, dass die Sekundärsicherung 20 schmilzt und sich trennt wie in 3 dargestellt. Der geringen Oberflächenenergie der dielektrischen Abdeckung 18 und der abweisenden „Entnässungs“-Eigenschaft der dielektrischen Abdeckung 18 bezüglich des geschmolzenen oder halb-geschmolzenen Lots der Sekundärsicherung 20 (wie oben beschrieben) zugestanden können sich die getrennten Abschnitte 20a, 20b der Sekundärsicherung 20 voneinander und von der Oberfläche der dielektrischen Abdeckung 18 entfernen und sich auf der unteren Elektrode 38 der PTC-Vorrichtung 16 beziehungsweise auf der Leitung 40 ansammeln, wodurch eine galvanische Öffnung (d.h. eine permanente, nicht-rücksetzbare Öffnung) in der Vorrichtung 10 bereitgestellt wird. Selbst wenn der Überstromzustand nachlässt und sich das PTC-Element 34 unter seine Auslösetemperatur abkühlt und wieder leitfähig wird, sorgen die getrennten Abschnitte 20a, 20b der Sekundärsicherung 20 somit für eine galvanische Öffnung in der Vorrichtung 10, sodass kein Strom durch die Vorrichtung 10 fließen kann.
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In Anbetracht des Vorgesagten werden die Fachleute erkennen, dass die Vorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil bereitstellt, insofern sie elektrische Lichtbögen wirksam verhindert oder abschwächt und außerdem eine galvanische Öffnung auf ein Auftreten eines Überstromzustands bereitstellt. Darüber hinaus bietet die Vorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung eine sehr schnelle Reaktion (d. h. ein sehr schnelles Öffnen der Sekundärsicherung 20) im Falle eines Überstromzustands, weil die Sekundärsicherung 20 direkt mit der unteren Elektrode 38 der PTC-Vorrichtung 16 verbunden ist und daher als Reaktion auf eine Erwärmung des PTC-Elements 34 schnell schmilzt.
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Wie hierin ein in dem Singular rezitiertes und mit dem Wort „ein“ oder „eine“ eingeführtes Element oder Schritt als mehrere Elemente oder Schritte nicht ausschließend verstanden werden, soweit solch ein Ausschluss nicht explizit vorgebracht wird. Weiter sind Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ der vorliegenden Offenbarung nicht beabsichtigt, als die Existenz zusätzlicher Ausführungsformen, die die angegebenen Merkmale auch enthalten, ausschließend interpretiert zu werden.
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Während die vorliegende Offenbarung Bezug auf bestimmte Ausführungsformen nimmt, sind zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Umstellungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne von dem Gebiet und dem Umfang der vorliegenden, in dem/n angehängten Patentanspru/üch/en definierten Offenbarung abzuweichen. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die vorliegenden Ausführungsbeispiele nicht durch die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, sondern dass sie den vollen, durch die Sprache der folgenden Patentansprüche und Äquivalente davon definierten Umfang aufweisen können.
