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Die
vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten elektronischen Zusatzschaltung
für ohne Vorschaltgeräte direkt an Wechselspannungen
von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel aus.
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Derartige
elektronische Zusatzschaltungen sind in der Regel dafür
vorgesehen, um ein funktionsgerechtes Betreiben von LED-Leuchtmittel
aufweisenden Leuchten zu realisieren, die ohne Vorschaltgeräte
direkt an Wechselspannungen von 110 V–240 V angeschlossen
sind. Solche direkt an Wechselspannung angeschlossene LED-Leuchtmittel
zeichnen sich durch bestimmte Eigenschaften aus, die ihren Einsatz
vereinfachen. Hierzu gehört vor allem die Tatsache, dass
sie unmittelbar an Netzspannung betrieben werden können.
Damit entfallen Probleme, die durch ein anderenfalls erforderliches
Schaltnetzteil bzw. Vorschaltgerät verursacht werden. Es
sind keine nennenswerten Hochfrequenzstörungen zu erwarten.
Es muss kein zusätzlicher Bauraum für Vorschaltgeräte
bzw. Schaltnetzteile vorgesehen werden. Alle Bauteile für
solche LED-Leuchtmittel sind ohne weiteres als SMD-Bauteile erhältlich,
so dass der Einsatz von bedrahteten Bauteilen nicht erforderlich
ist, was eine deutliche Vereinfachung für die Fertigung
darstellt. Während die Toleranzen solcher LED-Leuchtmittel,
sowie die unmittelbare Abhängigkeit der Leistungsaufnahme
von der Netzspannung durch eine einfach aufgebaute elektronische
Schaltung kompensiert werden kann, weisen solche LED-Leuchtmittel
zwei entscheidende Nachteile gegenüber Lösungen
auf, welche die Verwendung von Schaltnetzteilen bzw. Vorschaltgeräten
vorsehen. Bedingt durch die Strom-/Spannungscharakteristik solcher
LED-Leuchtmittel ist die Stromaufnahme nicht sinusförmig.
Hierdurch ist es ohne weitere Maßnahmen nicht möglich,
die Grenzwerte bezüglich der Stromoberwellen einzuhalten,
weshalb die maximal zulässige Leistungsaufnahme pro Leuchte
auf < 25 W (Norm
EN 6100-3-2, Tabelle C) begrenzt ist.
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Solche
LED-Leuchtmittel werden erst bei nennenswerter Netzspannungsamplitude
leitend. Dies führt zu einer nicht unerheblichen Stromflusslücke
in einem weiten Bereich um den Netznulldurchgang. Der Strom für
solche LED-Leuchtmittel beginnt erst ca. 2 ms nach dem Nulldurchgang
zu fließen, welches einer Verzögerung von 10%
der gesamten Periodendauer entspricht. Im Prinzip können
solche LED-Leuchtmittel mit Hilfe von Phasenan- oder Abschnittdimmern
gedimmt werden. Allerdings funktioniert diese Option ohne weitere
Maßnahmen nicht zufriedenstellend, weil der Dimmbereich
stark eingeschränkt ist und ein sprunghaftes Dimmverhalten vorliegt.
Die Ursache dafür liegt darin begründet, dass
je nach Dimmer z. B. die Halteströme von Triacs nicht sauber
erreicht werden, die zur Steuerung erforderliche Netznulldurchgangserkennung
gestört wird oder der Dimmer in bestimmten Dimmstellungen nicht
mehr ausreichend mit Energie versorgt werden kann.
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Zur
Verhinderung des letztgenannten Effektes könnte ein parallel
zur Lampe angeschlossener Hilfswiderstand (Grundlast) zugefügt
werden. Dieser weist allerdings den Nachteil auf, dass er vor allem verstärkt
in Phasen, in denen ein hinreichender Stromfluss in solchen LED-Leuchtmitteln
stattfindet, elektrische Energie in Wärme umsetzt und damit
der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Gesamtapplikation deutlich
reduziert wird, was nicht wünschenswert ist. Nur so ist
die Einhaltung der entsprechenden Norm bei Leuchten mit größerer
Leistungsaufnahme möglich. Eine solche Anordnung ist durch
die Spezifikation AX32X0, Seiten 17 und 18 der Firma Seoul Semiconductor
vom Januar 2009 bekannt geworden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
elektronische Zusatzschaltung zu schaffen, durch welche auf kostengünstige Art
und Weise eine einwandfreie Ansteuerung von direkt an Wechselspannungen
von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel bei Einhaltung
der entsprechenden Normen auch bei Verwendung von Leuchten mit größerer
Leistungsaufnahme (< 25
W) realisiert ist, ohne dass eine wesentliche Verschlechterung des
Wirkungsgrades in Kauf zu nehmen ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die in den beiden Hauptansprüchen angegebenen Merkmale
gelöst.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Zusatzschaltung beginnend in den Phasennulldurchgängen schaltet
und eine definierte ohmsche Zusatzlast zu den LED-Leuchtmitteln
liegt, sowie zeitgleich die Stromaufnahme der gesamten Anordnung
gemessen wird und hat die Stromaufnahme der LED-Leuchtmittel einen
vorgegebenen Wert erreicht, wird die parallel angeschlossene ohmsche
Zusatzlast wieder abgeschaltet, um die Gesamtverlustleistung zu
reduzieren. Die Stromflusslücke in den Nulldurchgängen
wird dadurch vermieden und die von den LED-Leuchtmitteln erzeugte
Kurvenform nähert sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen
elektronischen Zusatzschaltung der vorteilhaften Sinusform an.
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Weiterhin
ist besonders vorteilhaft, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen
elektronischen Zusatzschaltung keine hochfrequenten Schaltvorgänge
(Verwendung von Vorschaltgeräten) ausgelöst werden,
so dass zusätzliche Hochfrequenzstörungen wirkungsvoll
vermieden sind. Des weiteren ist besonders vorteilhaft, dass die
Integration der erfindungsgemäßen Zusatzschaltung
ohne weiteres auf ein und derselben Leiterplatte erfolgen kann,
auf welcher auch die LED-Leuchtmittel der betreffenden Leuchte angeordnet
sind, weil die komplette Bestückung mit SMD-Bauteilen erfolgen
kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Anhand
von 5 Ausführungsbeispielen sei der erfindungsgemäße
Gegenstand näher beschrieben, dabei zeigen:
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1:
prinziphaft ein Blockschaltbild einer elektronischen Zusatzschaltung
für für ohne Vorschaltgeräte direkt an
Wechselspannungen von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel
gemäß erstem Ausführungsbeispiel mit
Stromsensor;
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2:
prinziphaft einen Schaltplan einer elektronischen Zusatzschaltung
für für ohne Vorschaltgeräte direkt an
Wechselspannungen von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel
gemäß erstem Ausführungsbeispiel mit
Stromsensor;
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3:
prinziphaft ein Blockschaltbild einer elektronischen Zusatzschaltung
für für ohne Vorschaltgeräte direkt an
Wechselspannungen von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel
gemäß zweitem Ausführungsbeispiel mit
Zeitglied;
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4:
prinziphaft einen Schaltplan einer elektronischen Zusatzschaltung
für für ohne Vorschaltgeräte direkt an
Wechselspannungen von 110 V–240 V angeschlossene LED-Leuchtmittel
gemäß zweitem Ausführungsbeispiel mit
Zeitglied;
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5:
prinziphaft ein Blockschaltbild gemäß drittem
Ausführungsbeispiel, bei dem die Zusatzschaltung als Baugruppe
auf einer ersten Leiterplatte vorhanden ist, welche zumindest auch
mit einem LED-Leuchtmittel bestückt ist;
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6:
prinziphaft ein Blockschaltbild gemäß viertem
Ausführungsbeispiel, bei dem die Zusatzschaltung als externe
Baugruppe auf einer zweiten Leiterplatte vorhanden ist, welche direkt
im Gehäuse einer Leuchte angeordnet ist, welche zumindest
ein LED-Leuchtmittel aufweist;
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7:
prinziphaft ein Blockschaltbild gemäß füngtem
Ausführungsbeispiel, bei dem die Zusatzschaltung als externe
Baugruppe auf einer dritten Leiterplatte vorhanden ist, welche innerhalb
eines eigenen Gehäuses angeordnet ist und an welche zumindest
eine Leuchte angeschlossen ist, die zumindest ein LED-Leuchtmittel
(1) aufweist.
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Wie
insbesondere aus den 1 und 2 hervorgeht,
besteht eine solche elektronische Zusatzschaltung für ohne
Vorschaltgeräte direkt an Wechselspannungen von 110 V–240
V angeschlossene LED-Leuchtmittel 1 im Wesentlichen aus
einem Stromsensor 2, zumindest einer Laststeuereinheit 3 und zumindest
einer ohmschen Zusatzlast 4. Die elektronische Zusatzschaltung
ist an ein Versorgungsnetz 5 angeschlossen, welches im
vorliegenden Fall eine Netzspannung von 230 V zur Verfügung stellt.
Die elektronische Zusatzschaltung schaltet quasi beginnend in den
Phasennulldurchgängen. Der Stromsensor 2 erfasst
den Gesamtstrom der durch die LED-Leuchtmittel 1 fließt,
welche für den Betrieb an einem 230 V liefernden Versorgungsnetz
ausgelegt sind. Die Laststeuereinheit 3 schaltet die ohmsche
Zusatzlast 4 für einen Zeitraum hinzu in dem der Strom
noch nicht in ausreichender Stärke (Stromlücke)
durch die LED-Leuchtmittel 1 fließt.
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Wie
insbesondere aus 2 hervorgeht, besteht der Stromsensor 2 aus
den Messwiderständen R1–R3, die den durch die
LED-Leuchtmittel 1 fließenden Gesamtstrom erfassen.
Parallel dazu wird über einen Vorwiderstand R4 ein Optokoppler
OK angesteuert, der beim Erreichen der vorgegebenen Stromstärke
(Übernahmegrenze) seinen Ausgang aktiviert. Parallel zum
Stromsensor 2 ist eine Schutzdiode D6 vorhanden um die
Schaltung gegen hochenergetische Störspannungen (Surge)
zu schützen. Damit wird die normgerechte ”EMV-Verträglichkeit” sichergestellt.
Durch den Optokoppler OK wird die im Sensor 2 gemessene
Abschaltschwelle potential getrennt an die Laststeuereinheit 3 weitergegeben.
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Die
Laststeuereinheit 3 besteht aus einem Gleichrichter D3,
einem Vorwiderstand R5 mit Zener-Diode D1 und dem Gatevorwiderstand
R6. Die ohmsche Zusatzlast 4 ist eine Kombination aus den Widerständen
R7, R8, R9 und des ohmschen Anteils der Drain-Source-Strecke (RDS)
des ersten Transistors T1. Die erzeugte Verlustleistung verteilt
sich entsprechend über alle beteiligten Bauteile, um damit die
entstehende Wärmeentwicklung nicht auf einen Punkt zu konzentrieren.
Durch Gleichrichtung der Laststeuereinheit 3 durch den
Gleichrichter D3 findet diese für beide Halbwellen der
Netzspannung Verwendung.
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Beginnend
im Nulldurchgang steigt die Spannung über den Vorwiderstand
R5 an der Zener-Diode D1 an, wodurch sich eine Spannung an dieser
Zener-Diode D1 aufbaut. Diese Spannung liegt gleichzeitig über
den Widerstand R6 am Gateanschluß des ersten Transistors
T1 an und steuert diesen durch, so dass die ohmsche Zusatzlast 4 parallel zu
der durch die LED-Leuchtmittel 1 erzeugten Nutzlast geschaltet
wird. Der Strom durch den Widerstand R9 bewirkt eine Gegenkopplung
des ersten Transistors T1, um eine Schwingneigung zu unterdrücken. Der
Widerstand R8 ist als Thermistor (PTC) ausgelegt, um bei einem Fehler
des ersten Transistors T1 (z. B. ständiger Kurzschluss)
den Laststrom der ohmschen Zusatzlast 4 zu begrenzen und
damit ein Überhitzen der Widerstände R7 und R9
zu verhindern. Beim Erreichen der vorgegebene Übernahmegrenze des
Stromsensors 2 wird der Optokoppler OK aktiviert und schaltet
die Zener-Diode D1 kurz. Ab jetzt ist nur noch der durch die LED-Leuchtmittel 1 verursachte
Strom wirksam. Beim Absinken des Gesamtstromes unter die Übernahmegrenze
wird der Optokoppler OK wieder abgeschaltet und die Spannung über
der Zener-Diode D1 schaltet den ersten Transistor T1 erneut ein.
Damit wird die ohmsche Zusatzlast 4 wieder aktiv.
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Mehrere
LED-Leuchtmittel 1 sind beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,
wie insbesondere aus 2 und 4 hervorgeht,
zu einem LED-Leuchtmittelmodul 6 zusammengefasst. Dabei sind
lediglich beispielhaft drei LED-Leuchtmittel 1 dargestellt.
Die Anzahl der in einem LED-Leuchtmittelmodul 6 zusammengefassten
LED-Leuchtmittel 1 ist jedoch quasi beliebig und kann je
nach Ausführung der Leuchte bzw. der an die Leuchte gestellten Anforderungen
von Fall zu Fall angepasst werden.
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Die
Stromaufnahme eines LED-Leuchtmittelmoduls 6 bzw. einer
LED-Leuchte, mit zumindest einem LED-Leuchtmittel 1 mit
einer Gesamtleistungsaufnahme von > 25
W wird somit derart beeinflusst, dass sich die Kurvenform des Gesamtstromes
einer Sinusform annähert und damit die Anforderungen an Stromoberwellen
gemäß Norm EN 61000-3-2, Tabelle C eingehalten
wird. Vorteilhaft ist dabei auch die Tatsache, dass die elektronische
Zusatzschaltung die Stromaufnahme derart beeinflusst, dass der Stromfluss
im Bereich des Nulldurchganges ausreichend vorhanden ist, um damit
auch handelsübliche Dimmer versorgen zu können,
d. h. es wird ein linearer Dimmbereich von der kleinsten bis zur
größten Dimmstufe ermöglicht.
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Durch
die angenäherte Sinusform des Gesamtstromes wird, wie bereits
erwähnt, die Verwendung von handelsüblichen Phasenanschnittdimmern und
Phasenabschnittdimmern geeigneter Leistung ohne Einschränkungen
für den gesamten Dimmbereich ermöglicht. Diese
elektronische Zusatzschaltung ist somit ohne weiteres in der Lage
LED-Leuchten bzw. LED-Leuchtmittelmodule 6 auch bei einer Leistungsaufnahme > 25 W in allen Betriebsbereichen
normgerecht zu betreiben.
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Der
Wirkungsgrad aus der Kombination der elektronischen Zusatzschaltung
mit zumindest einem zu betreibenden LED-Leuchtmittel 1 ist
ohne weiteres besser, als eine permanent parallel geschaltete ohmsche
Last zu verwenden, da die verwendete ohmsche Zusatzlast 4 nur
in den Bereichen der Nulldurchgänge aktiv ist. Dadurch
wird die Gesamtleistungsaufnahme nur um einen Anteil von unter 10% im
Hinblick auf die durch das zumindest eine LED-Leuchtmittel 1 verursachte
Leistungsaufnahme vergrößert.
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Wie
insbesondere aus 3 und 4 hervorgeht,
besteht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
die Möglichkeit die Ansteuerung der Laststeuereinheit 3 durch
ein Zeitglied 7 erfolgen zu lassen. Bei diesem zweiten
Ausführungsbeispiel wird dann nicht zur Beeinflussung der
ohmschen Zusatzlast 4 der Strom gemessen, sondern es werden
vorab Zeitpunkte festgelegt, bei denen die ohmsche Zusatzlast 4 zu
den zu betreibenden LED-Leuchtmitteln 1 hinzugeschaltet
bzw. abgeschaltet wird.
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Wie
insbesondere aus 4 hervorgeht, besteht das Zeitglied 7 aus
den Widerständen R1 und R2 sowie dem zweiten Transistor
T2. Über das Verhältnis des Basisspannungsteilers
R1, R2 wird festgelegt, ab welcher Netzspannungshöhe und
damit auch nach welcher Zeit (es handelt sich hier um eine mit 100
Hz pulsierende sinusförmige Spannung) der zweite Transistor
T2 schaltet.
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Die
Lastansteuereinheit 3 besteht aus einem Gleichrichter D3,
Vorwiderstand R5 mit Zener-Diode D1 und dem Gatevorwiderstand R6.
Die ohmsche Zusatzlast 4 ist eine Kombination aus den Widerstand
R7, R8, R9 und des ohmschen Anteils der Drain-Source-Strecke (RDS)
des ersten Transistors T1. Die erzeugte Verlustleistung verteilt
sich entsprechend über alle beteiligten Bauteile, um damit
die entstehende Wärmeentwicklung nicht auf einen Punkt
zu konzentrieren. Durch Gleichrichtung der Laststeuereinheit 3 durch
den Gleichrichter D3 findet diese für beide Halbwellen
der Netzspannung Verwendung.
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Beginnend
im Nulldurchgang steigt die Spannung über den Vorwiderstand
R5 an der Zener-Diode D1 an, wodurch sich eine Spannung an dieser
Zener-Diode D1 aufbaut. Diese Spannung liegt gleichzeitig über
den Widerstand R6 am Gateanschluß des ersten Transistors
T1 an und steuert diesen durch, so dass die ohmsche Zusatzlast 4 parallel zu
der durch die LED-Leuchtmittel 1 erzeugten Nutzlast geschaltet
wird. Der Strom durch den Widerstand R9 bewirkt eine Gegenkopplung
des ersten Transistors T1, um eine Schwingneigung zu unterdrücken. Der
Widerstand R8 ist als Thermistor (PTC) ausgelegt, um bei einem Fehler
des ersten Transistors T1 (z. B. ständiger Kurzschluss)
den Laststrom der ohmschen Zusatzlast 4 zu begrenzen und
damit ein Überhitzen der Widerstände R7 und R8
zu verhindern.
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Wenn
die Netzspannung den festgelegten Wert des Zeitgliedes 7 erreicht
hat, wird der zweite Transistor T2 durchgesteuert und damit wird
die Spannung über der Zener-Diode D1 kurzgeschlossen. Damit
wird der erste Transistor T1 gesperrt und die ohmsche Zusatzlast 4 abgeschaltet.
Ab jetzt ist nur noch die Stromaufnahme der LED-Leuchtmittel 1 wirksam.
Beim Absinken der Netzspannung unter den festgelegten Wert (in der
Nähe des Nulldurchgangs) des Zeitgliedes 7 wird
der zweite Transistor T2 wieder sperrend und die Spannung über
der Zener-Diode D1 schaltet den ersten Transistor T1 erneut ein.
Damit wird die ohmsche Zusatzlast 4 wieder aktiv.
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Wie
insbesondere aus 5 hervorgeht, ist die elektronische
Zusatzschaltung als Baugruppe 8 auf einer ersten Leiterplatte
L1 vorhanden, welche zumindest auch mit einem, direkt an Wechselspannungen
von 230 V angeschlossenen LED-Leuchtmittel 1 bestückt
ist. Im vorliegenden Fall sind auf der ersten Leiterplatte L1 drei
LED-Leuchtmittel 1 vorgesehen.
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Wie
insbesondere aus 6 hervorgeht, ist die elektronische
Zusatzschaltung als externe Baugruppe 8 auf einer zweiten
Leiterplatte L2 vorhanden, welche direkt im Gehäuse 9 einer
Leuchte X angeordnet ist, welche zumindest ein, direkt an Wechselspannung
von 230 V angeschlossenes LED-Leuchtmittel 1 aufweist.
Im vorliegenden Fall sind auf der im Gehäuse 9 der
Leuchte X angeordneten ersten Leiterplatte L1 drei LED-Leuchtmittel 1 vorhanden.
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Wie
insbesondere aus 7 hervorgeht, ist die elektronische
Zusatzschaltung als externe Baugruppe 8 auf einer dritten
Leiterplatte L3 vorhanden, welche innerhalb eines eigenen weiteren
Gehäuses 10 angeordnet ist und an welche zumindest
eine mit Gehäuse 9 versehene Leuchte X angeschlossen
ist, die zumindest ein, direkt an Wechselspannung von 230 V angeschlossenes
LED-Leuchtmittel 1 aufweist. Der Einfachheit halber ist
der Aufbau der Leuchte X nicht näher dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Norm EN 6100-3-2,
Tabelle C [0002]
- - Spezifikation AX32X0, Seiten 17 und 18 der Firma Seoul Semiconductor
vom Januar 2009 [0004]
- - Norm EN 61000-3-2, Tabelle C [0022]