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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben von LED-Lichtquellen mit Eingangsklemmen zum Anschließen an eine Spannungsquelle, mit eingangsseitigen Eingangsfiltern, sowie einem Schaltelement mit zugehöriger Steuerschaltung zum periodischen Aus- und Einschalten des Schaltelementes sowie einem dem Schaltelement zugeordneten Wandler mit Ausgangsklemmen zum Anschluss der LED-Lichtquellen.
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Für den Fall, dass die Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle ist, wird den Eingangsfiltern ein Gleichrichter zur Erzeugung einer pulsierenden Gleichspannung nachgeschaltet.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. So ist der Wandler in der Regel ein Sperrwandler und dient als Schaltnetzteil für die Stromversorgung der LED-Lichtquelle, bei dem die zugehörige Steuerschaltung den Ein- und Ausschaltzeitpunkt für das Schaltelement des Schaltnetzteiles vorgibt.
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Leuchtdioden werden in zunehmendem Maße als Lichtquellen eingesetzt, da diese gegenüber Glühlampen eine wesentlich höhere Nutzungslebensdauer aufweisen und wesentlich weniger Energie verbrauchen. Ein weiterer Vorteil von LED-Lichtquellen ist, dass diese beim Einschalten sofort die volle Lichtleistung abgeben. Damit sind LED-Lichtquellen auch für Signalleuchten geeignet. Da die von der LED-Lichtquelle abgegebene Lichtmenge unmittelbar vom durchfließenden Strom abhängt, sollte der Wandler als Stromquelle aufgebaut sein.
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Bei herkömmlichen Wandlern, die an eine Wechselspannungsversorgung angeschlossen sind, ist der Leistungsfaktor deutlich geringer, als bei Glühlampen, die direkt an der Wechselspannungsquelle betrieben werden. Unter Leistungsfaktor wird das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung verstanden. Bei einer Glühlampe beträgt der Leistungsfaktor 1, da die Blindleistung bei Null liegt, d. h. es gibt zwischen dem durch die Glühlampe fließenden Strom und der anliegenden Spannung keine Phasenverschiebung.
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Um nun Energienetze nicht mit hoher Blindleistung zu belasten, sollte der Leistungsfaktor generell über 0,98 liegen. Aus diesem Grund ist zu erwarten, dass wegen der zunehmenden Nutzung von LED-Lichtquellen zukünftig hohe Anforderungen an den Leistungsfaktor gestellt werden, um eine Zulassung zum Verkauf von LED-Lichtquellen zu erhalten.
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Üblicherweise kann der Leistungsfaktor durch zusätzliche Schaltungselemente verbessert werden, was allerdings eine Erhöhung des materiellen Aufwandes bedeuten würde. Der größte Nachteil, der jedoch mit solchen zusätzlichen Schaltungselementen verbunden ist, ist die Tatsache, dass dadurch die Lebendauer der Ansteuerschaltung für die LED-Lichtquelle verringert wird. Dadurch wird der Vorteil der langlebigen LED-Lichtquelle wieder zunichte gemacht.
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Der Wandler kann in unterschiedlichen Betriebsweisen, wie in diskontinuierlicher, in kontinuierlicher oder in kritischer Betriebsweise, betrieben werden. Bei der diskontinuierlichen Betriebsweise fließt einige Zeit kein Strom in der zum Wandler gehörenden Wicklung eines Transformators oder einer Spule, wohingegen im kontinuierlichen Betrieb immer etwas Strom durch die Wicklung fließt. Im kritischen Betrieb wird zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom in der Wicklung zu Null wird, das Schaltelement wieder eingeschaltet, so dass erneut Strom fließt. Im kontinuierlichen und im kritischen Betrieb wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, da zu jeder Zeit ein Strom durch die Wicklung des Wandlers fließt.
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Um einen guten Leistungsfaktor zu erreichen, ist es notwendig, dass der Eingangsstrom die gleiche Wellenform aufweist, wie die Eingangswechselspannung und dass zwischen beiden keine nennenswerte Phasenverschiebung besteht.
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Bei Wandlern, die in kontinuierlicher und kritischer Betriebsweise betrieben werden, muss zum Erreichen dieser Anforderung die Wellenform der Eingangswechselspannung in der Steuerschaltung erfasst werden und der Ein- oder Ausschaltzeitpunkt, oder beide Zeitpunkte, gemäß dieser Wellenform verändert werden.
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Allerdings vergeht zwischen dem Erfassen der Wellenform und dem Verändern der Ein- und Ausschaltzeitpunkte eine gewisse Verarbeitungszeit, die im Wandler dann zu einer Phasenverschiebung zwischen Eingangswechselspannung und Eingangsstrom führt.
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Durch diese Phasenverschiebung sind allerdings der Verbesserung des Leistungsfaktors in diesen Betriebsarten hin zu hohen Werten Grenzen gesetzt. Wird nun einer von beiden Zeitpunkten, d. h. der Ein- oder Ausschaltzeitpunkt, verändert, hat das eine Veränderung der Schaltfrequenz zur Folge, die die Wellenform des Eingangsstromes gegenüber der Eingangswechselspannung moduliert. Das wiederum führt zu einer Begrenzung der Verbesserung des Leistungsfaktors zu hohen Werten hin.
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Darüber hinaus bedeutet die variable Schaltfrequenz zusätzlich einen höheren Aufwand in den Filtermitteln, um den Pegel der harmonischen Verzerrungen (THD) niedrig zu halten, da ein breiteres Frequenzband gefiltert werden muss. Unter THD (Total Harmonic Distortion) ist das Gesamt-Oberschwingungsverhältnis zu verstehen.
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So geht aus der
DE 600 07 610 T2 ein Sperrwandler als LED-Treiber hervor, der in der kritischen Betriebsart betrieben wird, mit einer Integration über eine Periode von mindestens 2,5 T. Die zum Schaltelement gehörende Steuerschaltung verfügt über mehrere Messeingänge.
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Weiterhin wird in der
EP 2 315 499 A1 eine LED-Stromversorgung mit einer sehr aufwändigen Regelung des Sekundärstroms durch eine LED-Anordnung beschrieben
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Die
DE 197 32 828 A1 bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leuchtdioden-Arrays mit einer Spule als Speicherelement sowie einem Pulsweitenmodulationsschalter.
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In der
DE 102 25 670 wird eine Ansteuerschaltung für mindestens einen LED-Strang beschrieben. Die Ansteuerschaltung enthält einen Regelkreis mit einem Spitzenwertdetektor für die an einem Widerstand abfallende Spannung infolge des durch den LED-Strang fließenden Stromes, mit dem ein Schalter derart angesteuert wird, dass ein einstellbarer Mittelwert des den LED-Strang durchfließenden Stroms erzielt wird.
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Aus der
DE 698 16 023 T2 geht schließlich eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Halbleiterlichtquelle mit Eingangsklemmen zum Entnehmen eines Speisestroms aus einer Speisequelle und mit Mitteln zum Generieren eines Steuersignals, sowie ein Wandler mit einem Schaltelement, hervor. Das Schaltelement wird mit hoher Frequenz in Abhängigkeit vom Wert des Steuersignals getriggert. Die sehr aufwändige Schaltungsanordnung wird in kritischer Betriebsart betrieben.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer LED-Lichtquelle mit möglichst wenigen Schaltungselementen zu schaffen, mit der ein Leistungsfaktor von größer 0,98 erreicht wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst dass der am Gleichrichter angeschlossene Wandler ein Sperrwandler oder ein Drossel-Abwärtswandler mit einem Schaltelement ist, wobei der Steuerausgang der Steuerschaltung mit dem Schaltelement verbunden ist und wobei die Steuerimpulse am Steuerausgang eine konstante Frequenz und ein konstantes Tastverhältnis aufweisen.
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Frequenz und Tastverhältnis werden unabhängig von der Speisespannung, unabhängig von der Ausgangsspannung und unabhängig vom Ausgangsstrom vorgegeben. Jegliche Messvorgänge in der Steuerschaltung können somit entfallen.
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Der Wandler wird bevorzugt mit maximaler Speisespannung in diskontinuierlicher Betriebsweise betrieben.
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Die am Wandler zwischen den Anschlussklemmen anliegende Speisespannung ist nicht geglättet.
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Zwischen den Anschlussklemmen ist weiterhin ein Filterelement angeordnet, das bevorzugt ein Kondensator ist. Die Kapazität des Kondensators wird bevorzugt so bemessen, dass der Schwingungsgehalt gemäß DIN40110-1 über 0,85 liegt. Mit diesem Filterelement werden hochfrequente Oberwellen ausgefiltert.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis der Ein- und Ausschaltzeitpunkte konstant gehalten werden und dass der Wandler im diskontinuierlichen Betrieb arbeitet, so dass die Nachteile des Standes der Technik mit geringem Aufwand vermieden werden können. Insbesondere wird ein Leistungsfaktor von größer 0,98 erreicht.
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Die LED-Lichtquellen werden in Flussrichtung betrieben. Damit ist die Spannung über den beiden Anschlussklemmen der LED-Lichtquelle über deren Kennlinie direkt vom durchfließenden Strom abhängig. Deshalb ist es nicht notwendig, die Ausgangsspannung in der Steuerschaltung zu erfassen, wenn der Wandler als Stromquelle arbeitet, wie im vorliegenden Fall. Ein Wandler, der nach dem Sperrwandler Prinzip arbeitet, erfüllt diese Forderung.
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Dieses Prinzip wird bei der vorliegenden Erfindung angewandt. Aus der konstanten Einschaltzeit lässt sich über die Eingangsspannung und die Induktivität der Spule der Strom bestimmen. Ein Messen des Stromes in der Steuerschaltung ist nicht erforderlich.
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Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben einer netzgetrennten LED-Lichtquelle;
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2: ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben einer nicht netzgetrennten LED-Lichtquelle; und
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3: ein Beispielschaltbild für ein Filterelement mit nachgeschaltetem Gleichrichter.
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Gemäß 1 ist eine Speisespannung VIN aus einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle an Eingangsklemmen A, B der Schaltungsanordnung angeschlossen, wobei die Speisespannung eine Wechselspannung sein kann. Die Speisespannung VIN wird über ein Filterelement FE an einen Gleichrichter GL weitergeleitet, so dass an den Anschlussklemmen K+ und K– des Gleichrichters GL eine pulsierende Gleichspannung zur Verfügung steht.
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Zwischen den positiven und negativen Anschlussklemmen K+ und K– des Gleichrichters GL ist ein Kondensator C1 geschaltet. Der Kondensator C1 dient als Filterelement, dessen Kapazität so zu bemessen ist, dass der Schwingungsgehalt der zwischen den Anschlussklemmen K+ und K– anliegenden Spannung gemäß DIN40110-1 über 0,85 liegt.
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Parallel zu dem Kondensator C1 ist eine Steuerschaltung ST geschaltet, deren Steuerausgang SA mit einem Schaltelement Q1 verbunden ist. Als Schaltelement Q1 kann ein MOSFET in Sourceschaltung, oder ein anderes steuerbares Schaltelement, eingesetzt werden, d. h. der Steuerausgang SA ist mit dem Gate G des Schaltelementes Q1 verbunden, Source S ist mit der Anschlussklemme K– des Gleichrichters GL und Drain D ist über die Primärwicklung eines Transformators TR mit der Anschlussklemme K+ verbunden.
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Der Transformators TR ist ein Wandler, dessen Sekundärwicklung über eine Diode D1 mit Ausgangsklemmen E, F verbunden ist, an denen die LED-Lichtquelle D4 ... Dn angeschlossen ist. Die konkrete Anzahl der LED's D4 bis Dn richtet sich nach der maximalen Speisespannung, dem Wicklungsverhältnis von Primar- und Sekundärspule des Transformators TR und dem Tastverhältnis der Ansteuerung des Schaltelements Q1 durch den Steuerausgang SA der Steuerschaltung ST.
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Parallel zur Primärwicklung des Transformators TR liegt eine Schutzschaltung, bestehend aus einer Reihenschaltung einer Diode D3 mit einem Widerstand R1 sowie einem parallel zum Widerstand R1 geschalteten Kondensator C1. Diese Schutzschaltung dient der Unterdrückung kurzer Hochspannungsimpulse und schützt somit das Schaltelement Q1.
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Weiterhin ist die Source des Schaltelements Q1 direkt mit der Anschlussklemme K– des Gleichrichters GL verbunden und parallel zu Drain und der Anschlussklemme K– befindet sich eine Diode D2. Die Diode D2 ist in Sperrichtung geschaltet und schützt das Schaltelement ST somit vor negativen Spannungen.
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Der Transformator TR stellt in dieser Schaltungsanordnung das induktive Speicherelement dar. Mit der Diode D1 wird der im Transformator TR gespeicherte Strom in der Ausschaltphase des Schaltelements Q1 über die Ausgangsklemmen E, F über die LED's D4 ... Dn geleitet.
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Im eingeschalteten Zustand des Schaltelements Q1 fließt der Strom von der positiven gleichgerichteten Spannung an der Anschlussklemme K+ des Gleichrichters GL durch die Primärspule des Transformators TR über das Schaltelement Q1 zur Anschlussklemme K–. Dieser Strom wird im Transformator TR gespeichert und in der Ausschaltphase des Schaltelements Q1 über die Sekundärspule und die Diode D1 an die LED's D4 ... Dn der LED-Lichtquelle abgegeben.
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Die diskontinuierliche Betriebsart wird dadurch erreicht, dass das Übertragungsverhältnis des Transformators TR so gewählt wird, dass bei dem in der Steuerschaltung ST fest eingestellten Tastverhältnis der Strom in der Sekundärspule auf Null gefallen ist, wenn das Schaltelement Q1 wieder einschaltet. Die Steuerschaltung ST benötigt außer der Stromversorgung über die Anschlussklemmen K+, K– keine weiteren Eingangssignale, da Taktfrequenz und Tastverhältnis konstant sind. Damit kann die Steuerschaltung ST sehr einfach mit wenigen Bauelementen aufgebaut werden, so dass die Gesamtlebensdauer der LED's D4 ... Dn nicht nennenswert eingeschränkt wird.
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In 2 ist ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben einer nicht netzgetrennten LED-Lichtquelle D4 ... Dn dargestellt.
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Diese Schaltungsanordnung ist hinsichtlich der Zuführung der Speisespannung VIN, das daran angeschlossene Filterelement FB, dem Gleichrichter GL, dem Filterkondensator C1 und der Steuerschaltung ST, sowie das an den Steuerausgang SA angeschlossene Gate G des Schaltelements Q1 mit der Schaltungsanordnung nach 1 identisch. Hier kann ebenfalls ein MOSFET als Schaltelement Q1 eingesetzt werden. Im Unterschied zu der Schaltungsanordnung nach 1 wird in der Schaltungsanordnung nach 2 als induktives Speicherelement und Wandler eine Spule L1 verwendet, die als Drossel-Abwärtswandler genutzt wird.
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Zwischen Drain D des Schaltelements Q1 und der Anschlussklemme K+ ist eine Diode D3 in Sperrichtung geschaltet.
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Weiterhin ist die Source des Schaltelements Q1 direkt mit der Anschlussklemme K– des Gleichrichters GL verbunden und parallel zu Drain D und der Anschlussklemme K– befindet sich eine Diode D2. Die Diode D2 ist in Sperrichtung geschaltet und schützt das Schaltelement ST somit vor negativen Spannungen.
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Am Drain D des Schaltelements Q1 ist weiterhin die Spule L1 angeschlossen, die über die Ausgangsklemme F mit einem Anschluss der LED's D4 ... Dn der LED-Lichtquelle verbunden ist. Der andere Anschluss der LED's D4 ... Dn ist über die Anusgangsklemme E mit der Anschlussklemme K+ des Gleichrichters GL verbunden.
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Im eingeschalteten Zustand des Schaltelements Q1 fließt der Strom von der Ausgangsklemme F durch die Spule L1 und das Schaltelement Q1. Dieser Strom wird in der Spule L1 gespeichert und in der Ausschaltphase des Schaltelements Q1 an die LED's abgegeben. Es fließt also in beiden Schaltphasen des Schaltelements Q1 ein Strom durch die LED's D4 ... Dn. Nur in der Pause des diskontinuierlichen Betriebes fließt kein Strom durch die LED's D4 ... Dn. Die Steuerschaltung benötigt auch bei dieser Schaltungsanordnung außer der Speisespannungsversorgung VIN keine weiteren Eingangssignale, da die Taktfrequenz und das Tastverhältnis der Steuerschaltung konstant sind.
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Die vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen können grundsätzlich auch an einer Gleichspannungsquelle betrieben werden. In diesem Fall kann der Gleichrichter entfallen.
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In 3 ist ein Beispielschaltbild für ein Filterelement FE mit nachgeschaltetem Gleichrichter GL dargestellt, die für beide vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen geeignet ist. Das Filterelement ist ein π-Filter, bestehend aus einem mit der Eingangsklemme A verbundenen Sicherungswiderstand RS und einer nachgeschalteten Spule L2 mit einem zu dieser parallel geschalteten Dämpfungswiderstand RD. Eingang und Ausgang der Spule L2 sind über jeweils einen Kondensator C2, C3 mit der Eingangsklemme B verbunden. Dem Filterelement FE folgt ein üblicher Gleichrichter GL mit vier Dioden in Brückenschaltung GB.
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Bezugszeichenliste
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- VIN
- Speisespannung
- FE
- Filterelement
- GL
- Gleichrichter
- ST
- Steuerschaltung
- SA
- Steuerausgang
- TR1
- Transformator
- Q1
- Schaltelement
- RS
- Sicherungswiderstand
- L1, L2
- Spule
- A, B
- Eingangsklemmen
- K+, K–
- Anschlussklemmen
- G
- Gate
- S
- Source
- D
- Drain
- D1 ... D3
- Diode
- D4 ... Dn
- LED-Lichtquelle
- C1 ... C4
- Kondensator
- RD
- Dämpfungswiderstand
- GB
- Gleichrichterbrückenschaltung
- E, F
- Ausgangsklemmen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60007610 T2 [0014]
- EP 2315499 A1 [0015]
- DE 19732828 A1 [0016]
- DE 10225670 [0017]
- DE 69816023 T2 [0018]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN40110-1 [0024]
- DIN40110-1 [0033]
