DE202011110007U1 - Thermische Überlastschutzanordnung - Google Patents
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Abstract
Thermische Überlastschutzanordnung (40) zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung (10) mit Stromführungselementen (14, 16) angeordneten elektrischen Bauelements (12), insbesondere elektronischen Bauelements, wobei die Überlastschutzanordnung (40) mehrere, je eines der Stromführungselemente (14, 16) mit einem zugehörigen Anschluss (22, 24) eines elektrischen Bauteils elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements (12) schmelzende Lotverbindungen (18, 20) und eine Abtrennvorrichtung (30) zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen (18, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil das Bauelement (12) ist oder zumindest aufweist und die Abtrennvorrichtung (30) eine das Bauelement (12) gegenüber der Trägereinrichtung (10) zumindest bei Erwärmung vorspannende Abtrennvorrichtung zur räumlichen Separation des Bauelements (12) von mindestens einem der Stromführungselemente (14, 16) ist, die bei Aufschmelzen der Lotverbindungen (18, 20) auslöst.
Description
- Die Erfindung betrifft eine thermische Überlastschutzanordnung zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung mit Stromführungselementen angeordneten elektrischen Bauelements, insbesondere elektronischen Bauelements, wobei die Überlastschutzanordnung mehrere, je eines der Stromführungselemente mit einem zugehörigen Anschluss eines elektrischen Bauteils elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements schmelzende Lotverbindungen und eine Abtrennvorrichtung zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung mit Stromführungselementen angeordneten elektrischen Bauelements, insbesondere elektronischen Bauelements.
- Die Überbeanspruchung von elektronischen Bauelementen kann dazu führen, dass diese außerhalb eines Nennbetriebsbereiches arbeiten. Dabei führt ein zum Beispiel durch eine reduzierte Isolationsfestigkeit des Bauelements hervorgerufene Leistungsumsatz an einem geschädigten Bauelement zu einer erhöhten Erwärmung. Wird eine Erwärmung des Bauelements über eine Zulässigkeitsschwelle hinaus nicht verhindert, kann dies zum Beispiel zur Schädigung umgebender Materialien, Entstehung von Rauchgasen oder zu einer Brandgefahr führen.
- Es ist daher üblich, einem solchen Bauelement eine Temperatursicherung zuzuordnen um eine Abschaltung bei unzulässiger Erwärmung zu ermöglichen. Aufgrund der begrenzten thermischen Ankopplungsmöglichkeit ist diese Anordnung für sehr schnelle Erwärmungsvorgänge jedoch nicht geeignet.
- Bei Überspannungsschutzgeräten ist es üblich, die verwendeten Überspannungsschutzbauelemente insbesondere Varistoren mit thermisch aktivierten Abschalteinrichtungen auszustatten.
- Eine thermische Überlastschutzanordnung zum Schutz eines auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen angeordneten leistungselektronischen Bauelements ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 045 778 A1 bekannt, bei der die Überlastschutzanordnung mehrere, je eine Leiterbahn einer Leiterplatte mit einem zugehörigen Anschlussbereich eines Leiterstegs elektrisch kontaktierende und bei thermischer Überlast schmelzende Lotverbindungen und eine Einrichtung mit Temperatursensor und einem Öffnungselement zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen aufweist. - Durch die räumliche Trennung von Bauelement und Überlastschutzanordnung ergibt sich einerseits eine gewisse Trägheit des Systems, andererseits ein relativ großer Platzbedarf.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überlastschutzanordnung und ein Verfahren zum Schutz von Bauelementen anzugeben, welche beziehungsweise welches einen schnellen und zuverlässigen Schutzmechanismus aufweist und mit einem möglichst geringen Bauraumbedarf auf einer Trägereinrichtung verbunden ist.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Bei der erfindungsgemäßen Überlastschutzanordnung ist das Bauteil das Bauelement selbst oder weist das Bauelement zumindest auf, wobei die Abtrennvorrichtung eine das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung – zumindest bei Erwärmung – vorspannende Abtrennvorrichtung zur räumlichen Separation des Bauelements von mindestens einem der Stromführungselemente ist, die bei Aufschmelzen der Lotverbindungen auslöst. Das vorzugsweise elektronische Bauelement wird auf Stromführungselementen der Trägereinrichtung, zum Beispiel Leiterbahnen einer Leiterplatte, mit einem niedrigschmelzenden Lot befestigt. Die Schmelztemperatur dieses Lots liegt zum Beispiel bei 150°C. Kommt es zu einer thermischen Beanspruchung des Bauelements, so leiten die Anschlüsse Wärme zu den Lotverbindungen. Geht die thermische Beanspruchung über die Schmelztemperatur des Lots hinaus, so schmelzen die Lotverbindungen auf. Da die Abtrennvorrichtung das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung vorspannt, löst das Aufschmelzen der Lotverbindungen die Abtrennvorrichtung umgehend aus, wobei die Abtrennvorrichtung das Bauelement durch dessen Verlagerung dauerhaft von den Stromführungselementen räumlichen separiert. Dadurch dass kein separates Bauteil zum Öffnen eines Stromkreises genutzt wird, ergibt sich eine Verringerung des benötigten Bauraums. Weiterhin kommt es durch die unmittelbar mit dem Bauelement verbundenen Auslöse- und Trennelemente zu einer schnellen Abtrennung.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung einen Aktor aufweist, der als (a) Federeinrichtung und/oder (b) Einrichtung aus intumeszentem Material und/oder (c) Einrichtung aus Formgedächtnismaterial und/oder (d) Einrichtung aus einem seine Form chemisch verändernden Material ausgebildet ist. Ein derartiger Aktor spannt das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung generell oder zumindest bei Erwärmung vor.
- Die Alternativen (b) bis (d) haben den Vorteil, dass die Lotverbindungen beziehungsweise die gesamte Abtrennvorrichtung im Nennbetrieb (Normalbetrieb) kraftfrei ist, da eine entsprechende Kraft erst nach dem Auslösen der Abtrennvorrichtung mit Aktor gemäß einer der Alternativen (b) bis (d) auftritt.
- Bei einer dieser Ausführungsformen weist die Abtrennvorrichtung eine Federeinrichtung auf. Diese ist insbesondere als Druckfeder ausgebildet. Optional kann dabei das Bauelement oder die Federeinrichtung durch einen niedrigschmelzenden Kunststoff fixiert werden um die mechanische Belastung der Lotverbindungen zu minimieren. Die Schmelztemperatur der Lotverbindung liegt dabei über der des Schmelzkunststoffs. Wird das Niedrigtemperaturlot mittels Flussmittel so ausgeführt, dass es aufgrund der Oberflächenspannung bei einer Abtrennung oberhalb der Schmelztemperatur sicher auf den Lotflächen verbleibt, kann die Schmelztemperatur des zur Fixierung des Bauelements oder Federelements verwendeten Schmelzkunststoffs über der Lotschmelztemperatur liegen.
- Insbesondere ist vorgesehen, dass die Überlastschutzanordnung weiterhin eine Fangeinrichtung aufweist, die das separierte Bauelement – alleine oder zusammen mit der Abtrennvorrichtung – in einer definierten Position fixiert. Um ein unkontrolliertes Bewegen des Bauelements in einem die Trägereinrichtung aufweisenden Gerät nach der Abtrennung/Separation zu vermeiden, ist diese Fangeinrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise kann die Fangeinrichtung durch einen die Trägereinrichtung umgebenden Gehäuseteil gebildet werden. Das Fixieren des Bauelements in der Fangeinrichtung ist bevorzugt ein lösbares Fixieren.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung eine Abtrennvorrichtung für ein Verlagern des Bauelements zu dessen Separation von dem mindestens einen Stromführungselement quer zur Oberfläche der Trägereinrichtung ist. Eine derartige Abtrennvorrichtung bewegt das Bauelement zur Separation quer zur Oberfläche der Trägereinrichtung, insbesondere in Richtung der Oberflächennormale der Oberfläche der Trägereinrichtung.
- Generell ist die Abtrennvorrichtung und insbesondere deren Aktor neben dem Bauelement, oberhalb des Bauelements, unterhalb des Bauelements oder sogar unterhalb der Trägereinrichtung angeordnet. Mit Vorteil ist die Abtrennvorrichtung und insbesondere der Aktor der Abtrennvorrichtung jedoch zwischen Trägereinrichtung und Bauelement angeordnet. Eine derartige Überlastschutzanordnung ist besonders platzsparend ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Aktor zwischen der Trägereinrichtung und dem Schwerpunkt des Bauelements angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung – insbesondere bezogen auf die Oberfläche der Trägereinrichtung – zwischen zumindest zwei der Lotverbindungen angeordnet ist.
- Gemäß einer alternativen, jedoch auch vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung eine Abtrennvorrichtung für ein Verlagern des Bauelements zu dessen Separation von mindestens einem der Stromführungselemente entlang der Oberfläche der Trägereinrichtung ist. Eine derartige Abtrennvorrichtung bewegt das Bauelement zur Separation im Wesentlichen entlang der Oberfläche der Trägereinrichtung, insbesondere quer zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei über das Bauelement elektrisch aneinander gekoppelte Lotverbindungen.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Überlastschutzanordnung das Bauelement und/oder die Trägereinrichtung mit aufweist. Generell kann das Bauelement ein beliebiges Bauelement sein. Bevorzugt ist es jedoch als ein oberflächenmontierbares Bauelement (SMD-Bauelement) ausgebildet (SMD: surface-mounted device).
- Vor einem Reflow-Lötprozess (Wiederaufschmelz-Lötprozess) der Oberflächenmontage erfolgt zum Beispiel nur eine Teilbestückung mit einigen der Komponenten der Überlastschutzanordnung. Weitere Komponenten werden erst nach dem Reflow-Lötprozess angebracht. Diese Ausführungsvariante ist für alle zuvor genannten Arten (a) bis (d) von Aktoren möglich.
- Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Überlastschutzanordnung den als Federeinrichtung ausgebildeten Aktor, das SMD-Bauelement und die Lotverbindungen aufweist und als oberflächenmontierbare Anordnung ausgebildet ist. Alternativ zu der Teilbestückung vor dem Reflow-Prozess ist es bei einer oberflächenmontierbaren Anordnung mit als Federeinrichtung ausgebildetem Aktor möglich, dass die gesamte Anordnung Reflow-Prozessfähig ist. Je nach Herstellungsprozess der Anordnung wird dazu entweder (i) die vorgespannte Federeinrichtung während des Reflow-Prozesses blockiert und danach die Federeinrichtung durch entfernen des Blockierelements freigegeben oder (ii) die Federeinrichtung ist während des Reflow-Prozesses kraftfrei und die entsprechende Vorspannung wird erst nach dem Reflow-Prozess aufgebracht.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass mehrere, je eines der Stromführungselemente mit einem zugehörigen Anschluss des Bauelements elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements schmelzende Lotverbindungen und eine Abtrennvorrichtung zum Lösen dieser Verbindungen vorgesehen sind, wobei die Abtrennvorrichtung das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung – zumindest bei Erwärmung – vorspannt und das Bauelement bei Aufschmelzen der Lotverbindungen räumlich von den Stromführungselementen separiert.
- Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhandbevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
- Es zeigen
-
1 ein elektronisches Bauelement und eine thermische Überlastschutzanordnung im unausgelösten Betriebszustand gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
2 das Bauelement und die thermische Überlastschutzanordnung der1 im ausgelösten Betriebszustand, -
3 ein elektronisches Bauelement und eine thermische Überlastschutzanordnung im unausgelösten Betriebszustand gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und -
4 das Bauelement und die thermische Überlastschutzanordnung der3 im ausgelösten Betriebszustand. - Die
1 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt einer als Platine ausgebildeten Trägereinrichtung10 für die Montage und elektrische Kontaktierung von elektrischen Bauelementen12 , insbesondere elektronischen Bauelementen. Dazu weist die Trägereinrichtung10 auf ihrer Oberseite als Leiterbahnen ausgebildete Stromführungselemente14 ,16 auf, von denen zwei Stromführungselemente14 ,16 dargestellt sind. Diese kontaktieren jeweils über eine Lotverbindung18 ,20 mit niedrigschmelzendem Lot je einen zugeordneten Anschluss22 ,24 eines elektronischen Bauelements12 . Dieses ist als SMD-Bauelement26 ausgeführt. Ein Bereich der Trägereinrichtung10 unterhalb dieses Bauelements12 weist eine als Durchbruch ausgebildete Ausnehmung28 auf. In der Ausnehmung28 ist eine Abtrennvorrichtung30 mit einem als Federeinrichtung32 ausgebildeten Aktor34 angeordnet, die das Bauelement12 gegenüber einer Grundplatte36 der Trägereinrichtung10 „auf Druck” vorspannt (Druckfeder). - Die in
1 gezeigte Situation zeigt das Bauelement12 auf der Trägereinrichtung10 in seinem Betriebszustand. Oberhalb, also in Richtung der Oberflächennormale auf der das Bauelement tragenden Seite der Trägereinrichtung10 ist eine Fangeinrichtung38 angeordnet, deren Funktion im Rahmen der Beschreibung der2 diskutiert wird. - Die Anordnung der Lotverbindungen
18 ,20 und der Abtrennvorrichtung30 relativ zu der Trägereinrichtung10 und dem Bauelement12 ist die thermische Überlastschutzanordnung40 . Die thermische Überlastschutzanordnung40 ist eine thermische Überlastschutzanordnung40 zum Schutz des auf der Trägereinrichtung10 angeordneten elektrischen Bauelements12 . In der in den1 bis4 gezeigten Ausführungsbeispielen weist diese Überlastschutzanordnung40 weiterhin auch die Fangeinrichtung38 auf. - Es ergibt sich folgende Funktion der Überlastschutzanordnung
40 : Die Abtrennvorrichtung30 spannt das Bauelement12 gegenüber der Trägereinrichtung10 vor, sodass sich bei erhöhter thermischer Belastung des Bauelements12 auch die das Bauelement12 auf der Trägereinrichtung10 haltenden Lotverbindungen erwärmen. Überschreitet deren Temperatur den Schmelzpunkt des Lots, so schmelzen die Lotverbindungen18 ,20 auf und das Bauteil12 wird mittels des Aktors34 der Abtrennvorrichtung30 in Richtung der Oberflächennormale (Pfeil n) von der Trägereinrichtung und insbesondere deren Stromführungselementen14 ,16 separiert. Diese Situation ist in2 dargestellt. - Um das Bauelement nach dem Abtrennvorgang in einer definierten Position zu halten, ist oberhalb des Bauelements
12 die fangkorbartige Fangeinrichtung38 angeordnet. Der Aktor34 der Abtrenneinrichtung30 verlagert beim Abtrennvorgang (Separationsvorgang) das Bauelement12 in einen Aufnahmebereich42 der Fangeinrichtung38 und fixiert das Bauelement dort durch seine Restspannung. Die Position des Bauelements12 im Aufnahmebereich42 der Fangeinrichtung32 gewährleistet einen hinreichenden Abstand D zu den Stromführungselementen14 ,16 der Trägereinrichtung10 , sodass keine Funkenstrecken entstehen können. - Die Erwärmung des elektronischen Bauelements
12 – aufgrund einer Verlustleistung im Bauelement12 selbst – führt zu dem Festigkeitsverlust der Lotverbindungen18 ,20 . Übersteigt die Kraft der Federeinrichtung32 die Haltekräfte der Lotverbindungen18 ,20 wird das Bauelement12 von der Platine abgehoben. Die Abtrennung von einer die Erwärmung hervorrufenden elektrischen Quelle ist erfolgt, somit ist das Bauelement12 in einen sicheren Zustand überführt. Der sichere Zustand ist dadurch beschrieben, dass eine weitere Erwärmung ausgeschlossen ist und zur Sicherstellung der elektrischen Isolation die elektrischen Verbindungen irreversibel aufgetrennt sind. - Ist die Vorrichtung
30 mit einer Fixierung der Federeinrichtung32 mittels eines niedrigschmelzenden Kunststoffs ausgeführt, schmilzt zunächst dieser Kunststoff und gibt damit die Federeinrichtung32 frei kurz bevor die Lotverbindungen aufschmelzen. - Mit Hilfe eines auf Basis intumeszenter Stoffe, eines Formgedächtnismaterials oder einer thermisch aktivierten chemischen Reaktion wirkenden Aktors
34 (hier nicht gezeigt) kann ebenfalls eine Abtrennung herbeigeführt werden. Erwärmt sich der Aktor34 aufgrund der Bauelemente-Verlustleistung auf seine Aktivierungstemperatur, baut dieser einen Druck auf das Bauelement12 auf. Außerdem führt die Erwärmung zu einem Festigkeitsverlust der Lotverbindungen18 ,20 . Übersteigt die Kraft des Aktors34 die Haltekraft der Lotverbindungen18 ,20 wird das Bauelement12 von der Leiterplatte abgehoben. Die Abtrennung von der elektrischen Quelle ist erfolgt, somit ist das Bauelement12 von der Überlastschutzanordnung40 in einen sicheren Zustand überführt. - Die in den
3 und4 gezeigte Anordnung entspricht im Wesentlichen der Anordnung der1 und2 , sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. - Die
3 und4 zeigen den Ausschnitt der Trägereinrichtung10 mit oberflächenmontiertem Bauelement12 (SMD-Bauelement26 ) in Draufsicht.3 zeigt die Anordnung im Normalbetrieb,4 bei ausgelöster Abtrennvorrichtung30 der Überlastschutzanordnung40 . - Wesentlicher Unterschied zur Anordnung der
1 und2 ist die Anordnung von Abtrennvorrichtung30 , Bauelement12 und Fangeinrichtung38 . Diese sind nun entlang einer gedachten Achse längs der Oberfläche der Trägereinrichtung10 hintereinander angeordnet. Schmelzen die Lotverbindungen18 ,20 auf, so verlagert die Abtrennvorrichtung30 das Bauelement12 zur Separation von den Stromführungselementen14 ,16 im Wesentlichen entlang der Oberfläche der Trägereinrichtung10 , insbesondere quer zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den zwei über das Bauelement12 elektrisch aneinander gekoppelte Lotverbindungen18 ,20 . - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Trägereinrichtung
- 12
- Bauelement
- 14
- Stromführungselement
- 16
- Stromführungselement
- 18
- Lotverbindung
- 20
- Lotverbindung
- 22
- Anschluss
- 24
- Anschluss
- 26
- SMD-Bauelement
- 28
- Ausnehmung
- 30
- Abtrennvorrichtung
- 32
- Federeinrichtung
- 34
- Aktor
- 36
- Grundplatte
- 38
- Fangeinrichtung
- 40
- Überlastschutzanordnung
- 42
- Aufnahmebereich
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005045778 A1 [0005]
Claims (10)
- Thermische Überlastschutzanordnung (
40 ) zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung (10 ) mit Stromführungselementen (14 ,16 ) angeordneten elektrischen Bauelements (12 ), insbesondere elektronischen Bauelements, wobei die Überlastschutzanordnung (40 ) mehrere, je eines der Stromführungselemente (14 ,16 ) mit einem zugehörigen Anschluss (22 ,24 ) eines elektrischen Bauteils elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements (12 ) schmelzende Lotverbindungen (18 ,20 ) und eine Abtrennvorrichtung (30 ) zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen (18 ,20 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil das Bauelement (12 ) ist oder zumindest aufweist und die Abtrennvorrichtung (30 ) eine das Bauelement (12 ) gegenüber der Trägereinrichtung (10 ) zumindest bei Erwärmung vorspannende Abtrennvorrichtung zur räumlichen Separation des Bauelements (12 ) von mindestens einem der Stromführungselemente (14 ,16 ) ist, die bei Aufschmelzen der Lotverbindungen (18 ,20 ) auslöst. - Überlastschutzanordnung nach Anspruch 1, wobei die Abtrennvorrichtung (
30 ) einen Aktor (34 ) aufweist, der als Federeinrichtung (32 ) und/oder Einrichtung aus intumeszentem Material und/oder Einrichtung aus Formgedächtnismaterial und/oder Einrichtung aus einem seine Form chemisch verändernden Material ausgebildet ist. - Überlastschutzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Fangeinrichtung (
38 ), die das separierte Bauelement (12 ) – alleine oder zusammen mit der Abtrennvorrichtung (30 ) – in einer definierten Position fixiert. - Überlastschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abtrennvorrichtung (
30 ) eine Abtrennvorrichtung für ein Verlagern des Bauelements (12 ) zu dessen Separation von dem mindestens einen Stromführungselement (14 ,16 ) quer zur Oberfläche der Trägereinrichtung (10 ), insbesondere in Richtung der Oberflächennormale der Oberfläche der Trägereinrichtung (10 ), ist. - Überlastschutzanordnung nach Anspruch 4, wobei die Abtrennvorrichtung (
30 ) zwischen Trägereinrichtung (10 ) und Bauelement (12 ) angeordnet ist. - Überlastschutzanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Aktor (
34 ) zwischen zumindest zwei der Lotverbindungen (18 ,20 ) angeordnet ist. - Überlastschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abtrennvorrichtung (
30 ) eine Abtrenneinrichtung für ein Verlagern des Bauelements (12 ) zu dessen Separation von dem mindestens einen Stromführungselement (14 ,16 ) entlang der Oberfläche der Trägereinrichtung (10 ) ist. - Überlastschutzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überlastschutzanordnung (
40 ) das Bauelement (12 ) und/oder die Trägereinrichtung (10 ) aufweist. - Überlastschutzanordnung nach Anspruch 8, wobei das Bauelement (
12 ) als SMD-Bauelement (26 ) ausgebildet ist. - Überlastschutzanordnung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung (
40 ) den als Federeinrichtung (32 ) ausgebildeten Aktor (34 ), das SMD-Bauelement (26 ) und die Lotverbindungen (18 ,20 ) aufweist und als oberflächenmontierbare Anordnung ausgebildet ist.
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