DE19912376C2 - Ionenstrommeßgerät - Google Patents

Ionenstrommeßgerät

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines dem Tonenstrom zwischen den Elektroden einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine entsprechenden Signals bestehend aus einer Meßeinrichtung, die in Reihe zur sekundärseitigen Wicklung einer Zündspule parallel zu den Elektroden der Zündkerze angeordnet ist, wobei die Meßeinrichtung über den Funkenstrom aufgeladene Meßmittel zur Speicherung einer Meßspannung sowie Erfassungsmittel für den von der Meßspannung nach Abriß der Funkenentladung getriebenen Ionenstrom aufweist.
Der Verbrennungsvorgang bei Ottomotor- Brennkraftmaschinen, d. h. die Entflammung des Benzin- Luftgemischs, wird durch eine Hochspannungsfunkenentladung initiiert. Durch die Entladung bzw. die dabei entstehende UV-Strahlung und durch die bei der Verbrennung ablaufende chemische Reaktion entstehen elektrisch geladene Teilchen, die auch nach Abriß der Funkenentladung im Brennraum vorhanden sind, und deren Dichte u. a. vom Druck im Zylinder abhängig ist. Es ist bekannt, daß durch Anlegen einer Meßspannung an die Elektroden der Zündkerze ein Teil dieser elektrisch geladenen Teilchen (Ionen) zu den Elektroden der Zündkerze hin beschleunigt werden und als sogenannter Ionenstrom in den Verbindungsleitungen zwischen der Meßspannungsquelle und den Zündkerzenelektroden gemessen werden kann. Dies ist von erheblicher Bedeutung für die Steuerung des Verbrennungsvorgangs, da der zeitliche Verlauf des Ionenstromsignals Informationen über den Verbrennungsvorgang enthält. Durch die entsprechende Auswertung des Ionenstromsignals können wichtige Funktionen für die Verbrennungssteuerung, beispielsweise die Zündaussetzungserkennung, Klopfdetektion, Zylinderkennung zur Verfügung gestellt werden.
Vorrichtungen zur Erfassung eines solchen Ionenstromes sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus William G. Rado und Wayne J. Johnson in "Automotive Engineering Congress and Exposition", Detroit, Michigan, February 24-28, 1975 (SAE Paper 750354) sowie aus Nick Collings, Steve Dinsdale, Tim Hands, Veröffentlichung International Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Toronto, Canada, October 7-10, 1991 (SAE Paper 912318) bekannt.
Fig. 1 zeigt die hieraus bekannte Prinzipschaltung:
Eine Zündkerze 1 wird von der Sekundärwicklung 2b einer Zündspule 2 mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, wobei die Primärwicklung 2a der Zündspule 2 über eine Zündendstufe 3 angesteuert wird. Ein besonderes Problem bei Schaltungen dieser Art ist das Auftreten von sog. Einschaltfrühimpulsen. Diese entstehen auf der Sekundärseite der Zündspule infolge des Ladens der Primärwicklung mit einer bestimmten Stromanstiegsgeschwindigkeit. Die Richtung der hierdurch sekundärseitig induzierten Spannung ist der (für die Erzeugung des Zündfunkens durch die Entladung der Zündspule) gewünschten Hochspannung entgegengesetzt. Zur Vermeidung der Weiterleitung von solchen Einschaltfrühimpulsen an die Zündkerze ist diese mit der Sekundärwicklung 2b über eine Hochspannungsdiode 4 verbunden. Parallel zu den Zündelektroden der Zündkerze 1 ist eine externe Gleichspannungsquelle 5' angeordnet, die über eine weitere Entkopplungsdiode 4' von der Zündkerze 1 derart entkoppelt ist, daß der positive Zündimpuls nicht auf die Seite der Gleichspannungsquelle 5 gelangt. Zur meßtechnischen Erfassung des nach dem Verlöschen des Funkens an der Zündkerze 1 fließenden Ionenstromes ist ein Meßwiderstand 9 vorgesehen. Am Meßabgriff des Meßwiderstandes 9 kann das dem Ionenstrom proportionale Meßsignal abgegriffen und weiterverarbeitet werden, wobei der Meßabgriff durch eine zusätzliche Schutzdiode 10 abgesichert ist. Diese bekannte Schaltung zeichnet sich durch einen hohen Schaltungsaufwand aus insbesondere, da eine Hochspannungsdiode zur Entkopplung des Meßspannungserzeugungskreises und des Zündspannungskreises erforderlich ist.
Eine andere Schaltung zur Erfassung des Ionenstromes ist aus der EP 0 260 177 bzw. DE 41 36 835 bekannt. Die prinzipielle Darstellung dieser bekannten Schaltung geht aus Fig. 2 hervor. Bei dieser Schaltung ist der von der Meßspannung verursachte Strompfad und der Funkenstromkreis vereinheitlicht, allerdings muß auf eine Hochspannungsdiode zur Unterdrückung der Einschaltfrühimpulse verzichtet werden. Die Meßeinrichtung bestehend aus der Meßgleichspannungsquelle 5' und dem Meßwiderstand 9 ist in den Funkenstromkreis derart integriert, daß Funkenstrom und Tonenstrom entlang desselben Pfades fließen. Dies setzt zum einen voraus, daß eine ausreichend leistungsstarke Meßspannungsquelle erforderlich ist und bedingt zum anderen den Nachteil, daß durch die entgegengesetzte Polarität von Zündspannung und Meßspannung eine Einschaltfrühimpulsunterdrückung ausgeschlossen ist.
Die DE 41 36 835 beschreibt eine Schaltung zur Erfassung des Ionenstromes. Bei einer solchen Schaltung wird eine Brückenschaltung an der niederspannungsseitigen Klemme der Hochspannungsspule zur Erfassung des Ionenstroms angeordnet. Aufgrund der Ausgestaltung einer solchen Brückenschaltung ist es nicht möglich, den Einschaltfrühimpuls mit Hilfe einer Diode im Hochspannungszweig der Hochspannungsspule zu unterdrücken. Die Meßeinrichtung ist derart aufgebaut, daß eine Meßgleichspannungsquelle in einem ersten Brückenzweig angeordnet ist, daß eine Zenerdiode in einem zweiten Brückenzweig angeordnet ist, daß eine Zenerdiode in einem dritten Brückenzweig angeordnet ist und daß ein Meßwiderstand in einem vierten Brückenzweig angeordnet ist.
An der Niederspannungsseite der sekundärseitigen Spule ist eine Brückenschaltung als Meßeinrichtung angeordnet. Diese Brückenschaltung ist in ihrem Querzweig kurzgeschlossen und das Meßmittel ist in einem Brückenzweig angeordnet. Funkenstrom und Ionenstrom werden außerhalb der Meßschaltung nicht gleichsinnig geführt, was dazu führt, daß eine Unterdrückung des Einschaltfrühimpulses mit Hilfe nur einer Diode nicht möglich ist.
Eine Vorrichtung zur Erfassung eines dem Ionenstrom zwischen den Elektroden einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine entsprechenden Signals der eingangs genannten Art ist aus den Druckschriften DE 42 39 592 A1, DE 198 27 221 A1 bzw. DE 41 38 823 A1 bekannt. Die prinzipielle Darstellung dieser bekannten Schaltung geht aus Fig. 3 hervor. Anstelle einer Gleichspannungsquelle zur Erzeugung der Meßspannung ist bei dieser bekannten Anordnung ein Kondensator 5 vorgesehen, welcher in Reihe zur Sekundärwicklung 2b der Zündspule 2 parallel zu der Zündkerze 1 angeordnet ist. Dabei wird die erforderliche Meßspannung durch den Funkenstrom selbst erzeugt, so daß sich ein entsprechend minimaler Schaltungsaufwand ergibt. Nach dem Abriß des Funkens liegt die Meßspannung, auf die der Kondensator 5 aufgeladen ist, an den Elektroden der Zündkerze 1 an und der Ionenstrom kann über den Spannungsabfall am Meßwiderstand 9 gemessen werden. Um die Meßspannung konstant zu halten, ist bei dieser Schaltung vorgesehen, daß parallel zum Kondensator 5 ein Spannungsbegrenzungselement 6 beispielsweise in Form einer Zenerdiode vorgesehen ist. Um den Meßabgriff vor Überspannungen zu schützen, ist parallel zum Meßwiderstand 9 ein weiteres Spannungsbegrenzungselement, z. B. eine Zenerdiode, vorgesehen. Auch bei dieser Anordnung besteht ein wesentlicher Nachteil darin, daß eine Unterdrückung des Einschaltfrühimpulses nicht möglich ist, da Zündspannung und Meßspannung bei dieser Schaltungsanordnung entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
Aus der DE 42 41 471 A1 ist eine Verbrennungsermittlungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt. Eine derartige Verbrennungsermittlungsvorrichtung wird in einer Brennkraftmaschine mit einer Zündspule, in welcher eine Hochspannung für die Zündung an einer Sekundärwicklung erzeugt wird, wenn ein Strom einer Primärwicklung abgeschnitten wird, und mit einer Zündkerze für eine Entladung und zum Zünden eines Gasgemisches, wenn an sie die Hochspannung zur Zündung angelegt wird, verwendet. Diese Verbrennungsermittlungsvorrichtung soll der Verhinderung eines Einschaltfrühimpulses bei gleichzeitiger Erfassung des Ionenstroms dienen.
Hierzu wird eine Verbrennungsermittlungsvorrichtung mit einer Ionenstromermittlungsvorrichtung zur Feststellung eines Ionenstroms, der durch Verbrennung eines Gasgemisches erzeugt wird, durch Anlegen einer Spannung an eine Zündkerze, und einer Begrenzungsvorrichtung zur Begrenzung einer Spannung, die in der Sekundärwicklung erzeugt wird, wenn eine Primärwicklung leitend gemacht wird, vorgeschlagen.
Die Fig. 3 der DE 42 41 471 A1 zeigt eine Meßeinrichtung, die an die niederspannungsseitige Wicklung einer Zündspule angeschlossen ist. Diese Meßeinrichtung besteht aus einer Zenerdiode, einem Widerstand, über den eine Meßspannung mit Hilfe des Meßabgriffs erfaßt wird, Meßmittel, in Form einer aufladbaren Kapazität, sowie einer Diode. Diese Meßschaltung ist mit der Hochspannungsseite der Spule über die Diode verbunden. Zur Vermeidung einer Zerstörung der Meßeinrichtung muß die Diode im Zündzeitpunkt eine Spannung von ca. 30 kV sperren. Die Begrenzungsschaltung, bestehend aus der Diode und dem Widerstand, dient der Begrenzung eines Einschaltfrühimpulses. Im Fall eines Einschaltfrühimpulses wird die an der Spule erzeugte Spannung über den Widerstand und die Diode kurzgeschlossen. Dadurch entsteht ein Energieverbrauch in der Zündspule, wodurch diese sich erwärmt und somit eine schlechte Verlustleitungsbilanz und geringe Lebenserwartung aufweist. Die Diode verhindert einen Kurzschluß der Meßspannung, die am Kondensator anliegt, über die Spule.
Unter Berücksichtigung der Zündspule sowie der Zündkerze hat die aus der DE 42 41 471 A1 bekannte Meßeinrichtung die Topologie einer P-Schaltung. Somit kann das Meßmittel, welches eine auf die Meßspannung aufladbare Kapazität ist, nicht im Querzweig einer Brückenschaltung angeordnet sein. Außerhalb der Meßschaltung fließen Funkenstrom und Tonenstrom nur in der Zündkerze gleichsinnig. Ansonsten sind Funkenstrom und Ionenstrom durch vollkommen andere Zweige der Vorrichtung geführt. Insbesondere fließt hier der Funkenstrom durch die Zündspule, die Diode 15, die Zündkerze 3, die Diode 10 und über den Kondensator 7 zurück zur Zündspule. Der Ionenstrom fließt über den Kondensator 7, die Diode 16, die Zündkerze 3 und über den Meßwiderstand 8 zurück zum Kondensator 7. Durch die Kopplung der Meßschaltung mit der Hochspannungsseite der Zündspule durch die Diode 16 muß diese Meßeinrichtung in die Zündkerze integriert sein.
Aus einer solchen Schaltungsanordnung parallel zur sekundärseitigen Wicklung der Zündspule, ist ein Einschaltfrühimpuls unterdrückbar. Mit Hilfe der Parallelschaltung von Diode und Widerstand zur sekundärseitigen Wicklung der Zündspule gelingt es, den Einschaltfrühimpuls zu unterdrücken. Jedoch wird Ionenstrom und Funkenstrom gleichsinnig geführt. Mit Hilfe einer weiteren Diode ist es möglich, den Zündstrom als auch den Ionenstrom in der Zündkerze gleichsinnig fließen zu lassen, doch ist diese Lösung mit dem Nachteil behaftet, daß eine solche Diode die Kosten einer Meßeinrichtung für den Ionenstrom enorm steigerten. Da diese Diode eine Hochspannung von 30 kV sperren muß, ist sie nicht als Standardbauelement erhältlich.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß unter Beibehaltung eines möglichst geringen und kostengünstigen Schaltungsaufwandes die Möglichkeit der Unterdrückung von Einschaltfrühimpulsen gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung durch eine Brückenschaltung gebildet ist, wobei das Meßmittel eine in dem Querzweig der Brückenschaltung angeordnete auf die Meßspannung aufladbare Kapazität ist und das Erfassungsmittel für den Ionenstrom in einem der Brückenzweige angeordnet ist und wobei Funkenstrom und Ionenstrom auf jeweils unterschiedlichen Brückenzweigen geführt sind derart, daß außerhalb der Meßschaltung Funkenstrom und Ionenstrom gleichsinnig fließen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß durch die Anordnung der Meßeinrichtung in Form einer Brückenschaltung die Polaritäten von Zündspannung und Meßspannung an der Zündkerze gleichsinnig gerichtet sind, so daß eine wirksame Unterdrückung von Einschaltfrühimpulsen möglich ist, d. h. daß die Einschalthochspannung abgeblockt werden kann, während die Zündspannung und ebenso die Meßspannung für die Ionenstrommessung unverändert an die Kerze weitergeleitet wird. Durch die Auslegung der Meßeinrichtung in Form der Brückenschaltung wird erreicht, daß unterschiedliche Strompfade ausgebildet werden, nämlich einerseits ein Strompfad für das Führen des Funkenstromes und das gleichzeitige Aufladen des Kondensators und andererseits ein Strompfad, über den nach dem Verlöschen des Funkens der von der Meßspannung verursachte Strom aus dem aufgeladenen Kondensator als Ionenstrom durch die Zündkerze fließt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Meßschaltung zwischen dem masseseitigen Anschluß der Sekundärwicklung der Zündspule und der Masseelektrode der Zündkerze angeordnet ist.
Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, daß die Sekundärwicklung (2b) der Zündspule (2) über eine Hochspannungsdiode (4) derart mit der Zündkerze (1) verbunden ist, daß eine Einschalthochspannung an der Sekundärwicklung (2b) nicht an die Zündkerze (2) weitergeleitet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß parallel zur Kapazität ein Spannungsbegrenzungsmittel, insbesondere in Form einer Zenerdiode, zur Begrenzung der Meßspannung der Kapazität vorgesehen ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß das Erfassungsmittel durch einen Meßwiderstand gebildet ist, dem bevorzugt eine Schutzdiode parallelgeschaltet ist. Der am Meßwiderstand auftretende Spannungsabfall kann von einer Auswerteeinrichtung weiterverarbeitet und um den entsprechenden Proportionalitätsfaktor korrigiert zur absoluten Angabe des Ionenstromes aufbereitet werden.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, daß in den Brückenzweigen Dioden angeordnet sind, um eine Entladung des Kondensators durch die in der Schaltung vorhandenen Widerstände außerhalb des für die Messung vorgesehenen Zeitraumes auszuschließen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erste aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Erfassung eines Ionenstromes,
Fig. 2 eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Erfassung eines Ionenstromes,
Fig. 3 eine dritte aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Erfassung eines Ionenstromes, und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Ionenstromes
Fig. 4 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schaltung zur Erfassung eines Ionenstromes zwischen den Elektroden einer Zündkerze 1 einer Brennkraftmaschine.
Die Elektroden der Zündkerze 1 werden von der Sekundärwicklung 2b einer Zündspule 2 mit Hochspannungsimpulsen beaufschlagt, wobei die Zündspule 2 darüber hinaus eine Primärwicklung 2a aufweist, die von einer Zündendstufe 3 versorgt wird.
Die Mittenelektrode der Zündkerze 1 ist über eine Hochspannungsdiode 4 mit der Sekundärwicklung 2b der Zündspule 2 verbunden und dadurch von dieser im Fall des Einschaltfrühimpulses hochspannungstechnisch entkoppelt. Die Diode 4 kann nach einer (in Fig. 4 nicht dargestellten) Schaltungsalternative auch zwischen dem masseseitigen Ende der Sekundärwicklung 2b und der Meßeinrichtung angeordnet sein. Zwischen der Sekundärwicklung 2b der Zündspule 2 und der Masseelektrode der Zündkerze 1 ist eine Meßeinrichtung eingefügt, die durch eine Brückenschaltung gebildet ist. Diese Brückenschaltung besteht aus Brückenzweigen 7a, 7b, 7c, 7d und einem Querzweig 7e. In den Brückenzweigen 7b und 7c sind jeweils Dioden 8b', 8c' angeordnet. In den Brückenzweigen 7a und 7d befinden sich darüber hinaus Brückenwiderstände 8a, 8d und im Brückenzweig 7d zusätzlich ein zum Brückenwiderstand 8d in Reihe geschalteter Meßwiderstand 9. Parallel zum Meßwiderstand 9 ist eine Spannungsbegrenzungsdiode 10 angeordnet. Der zwischen den Widerständen 8d und 9 gegenüber Masse gebildete Meßabgriff führt auf eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung zur Aufbereitung des dem Tonenstrom entsprechenden Spannungsabfalls UM am Meßwiderstand 9.
Der Querzweig 7e der Brückenschaltung wird gebildet durch die Parallelschaltung eines Kondensators 5 und einer Zenerdiode 6.
Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:
In der den Funkenstrom führenden Phase fließt der Strom von der Sekundärwicklung 2b bei nicht aufgeladenem Kondensator 5 über den Brückenzweig 7b, den Kondensator 5 und den Brückenzweig 7c zur Masseelektrode der Zündkerze 1. Hierdurch wird der Kondensator 5 auf eine gewünschte Spannung aufgeladen. Der Wert dieser Spannung ("Meßspannung) wird durch die Durchbruchspannung der parallel zum Kondensator 5 angeordneten Zenerdiode 6 bestimmt. Sobald die Spannung des Kondensators 5 die vorgegebene Meßspannung erreicht, wird der Funkenstrom überführt in die parallel geschaltete Zenerdiode 6. Dabei ruft ein Teil des Funkenstromes einen Spannungsabfall im Widerstand 8a des Brückenzweiges 7a hervor. Im Anschluß an die oben beschriebene Funkenstromphase ist der Kondensator 5 somit in der in Fig. 4 dargestellten Polarität auf die vorgegebene Meßspannung aufgeladen.
Nach dem Abriß des Funkens liegt die Meßspannung des Kondensators 5 über den Strompfad, der durch die Brückenzweige 7a und 7d gebildet ist, an den Elektroden der Zündkerze 1 an und der von der Meßspannung durch die Zündkerze 1 fließende Strom, d. h. der Tonenstrom, ist als Spannungsabfall am Meßwiderstand 9 detektierbar.
Um eine unbeabsichtigte Entladung des Kondensators 5 nach der Funkenstromphase zu verhindern, befinden sich in den Brückenzweigen 7b und 7c Dioden 8b', 8c'.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erfassung eines dem Ionenstrom zwischen den Elektroden einer Zündkerze (1) einer Brennkraftmaschine entsprechenden Signals bestehend aus einer Meßeinrichtung (5-10), die in Reihe zur sekundärseitigen Wicklung (2b) einer Zündspule (2) parallel zu den Elektroden der Zündkerze (1) angeordnet ist, wobei die Meßeinrichtung (5-10) über den Funkenstrom aufgeladene Meßmittel (5) zur Speicherung einer Meßspannung sowie Erfassungsmittel (9) für den von der Meßspannung nach Abriß der Funkenentladung getriebenen Ionenstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung durch eine Brückenschaltung (7a, b, c, d, e) gebildet ist, wobei das Meßmittel eine in dem Querzweig (7e) der Brückenschaltung angeordnete auf die Meßspannung aufladbare Kapazität (5) ist und das Erfassungsmittel für den Tonenstrom in einem der Brückenzweige (7a, e, d) angeordnet ist und wobei Funkenstrom und Ionenstrom auf jeweils unterschiedlichen Brückenzweigen geführt sind derart, daß außerhalb der Meßschaltung Funkenstrom und Ionenstrom gleichsinnig fließen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung zwischen dem masseseitigen Anschluß der Sekundärwicklung (2b) der Zündspule (2) und der Masseelektrode der Zündkerze (1) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (2b) der Zündspule (2) über eine Hochspannungsdiode (4) derart mit der Zündkerze (1) verbunden ist, daß eine Einschalthochspannung an der Sekundärwicklung (2b) nicht an die Zündkerze (1) weitergeleitet wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den die Kapazität bildenden Ladekondensator (5) ein Mittel zur Begrenzung der Meßspannung zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Begrenzung der Meßspannung eine Zenerdiode (6) ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel für den Tonenstrom ein Meßwiderstand (9) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwiderstand (9) eine Schutzdiode (10) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die am Meßwiderstand (9) abfallende Meßspannung UM einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brückenzweigen der Brückenschaltung Dioden (8b', 8c') vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zweig der Brückenschaltung (7a) Mittel (8a) zur Erzeugung eines Spannungsabfalls mindestens in Höhe der Meßspannung vorgesehen sind derart, daß durch diese Mittel der Funkenstrom zumindest teilweise übernommen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (8a) zur Erzeugung des Spannungsabfalls ein Widerstand, ein Varistor oder eine Zenerdiode ist.
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