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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung zum Schutz eines Verbrauchers, mit einem Überspannungsbauelement, insbesondere einer Funkenstrecke oder einem gasgefüllten Überspannungsableiter, mit einer der Zündung des Überspannungsbauelements dienenden Zündvorrichtung und mit einer Detektionseinrichtung, wobei die Detektionseinrichtung ein an der Überspannungsschutzanordnung anliegendes Störereignis detektiert und ausgangsseitig mit der Zündvorrichtung verbunden ist.
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Wenn Überspannungen auftreten, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der jeweiligen Nennspannung liegen, müssen die betroffenen Geräte, Anlagen und Leitungen - allgemein Verbraucher - in möglichst kurzer Zeit mit dem Potentialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür werden je nach Einsatzort (Schutzzone) und Art der zu schützenden Geräte und Anlagen unterschiedliche Überspannungsbauelemente verwendet. Die einzelnen Überspannungsbauelemente unterscheiden sich dabei im Wesentlichen durch ihr Ansprechverhalten und ihr Ableitvermögen.
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In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen häufig Überspannungsableiter auf Basis von Funkenstrecken eingesetzt, d. h. Überspannungsableiter deren wesentlicher Bestandteil eine Funkenstrecke ist, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht. Beim Zünden der Funkenstrecke entsteht dabei zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen. Da Überspannungsableiter mit Funkenstrecken insbesondere zum Schutz bei energiereichen Ereignissen wie Blitzeinschlägen eingesetzt werden, können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen.
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Sowohl Funkenstrecken als auch gasgefüllte Überspannungsableiter, die auch als Gasableiter oder GDT (Gas Discharge Tube) bezeichnet werden, weisen zwei einander gegenüberliegende Elektroden auf, zwischen denen der Entladungsraum ausgebildet ist. Steigt die Spannung zwischen den beiden Elektroden auf die Überschlagspannung an, so führt das entstehende elektrische Feld zu einer Ionisation des im Entladungsraum befindlichen Gases, so dass dieses leitfähig wird und die Strecke zwischen den beiden Elektroden aufgrund von Stoßionisation innerhalb von Bruchteilen einer Mikrosekunde durch einen Funken, den sogenannten Lichtbogen, kurzgeschlossen wird.
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Gasableiter unterscheiden sich von Funkenstrecken u. a. durch die enger spezifizierte und enger tolerierte Ansprechspannung, was durch die hermetische Kapselung und eine definierte Gasfüllung erreicht wird. Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke haben zwar den Vorteil einer hohen Stoßstromtragfähigkeit, jedoch auch den Nachteil einer relativ hohen Ansprechspannung. Daher werden insbesondere zur Zündung von Funkenstrecken, aber auch zur Zündung von gasgefüllten Überspannungsableitern, bereits seit vielen Jahren unterschiedliche Arten von Zündhilfen verwendet, mit deren Hilfe die Ansprechspannung der Funkenstrecke bzw. des Überspannungsbauelements verringert wird.
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Aus der
EP 0 933 860 B1 ist beispielsweise eine Überspannungsschutzanordnung mit einer Funkenstrecke bekannt, bei der eine Zündhilfe vorgesehen ist. Die Zündhilfe weist einen Zündkreis mit einer Zündelektrode und einem Zündtransformator auf, der ausgangsseitig mit einer Zündelektrode verbunden ist. Außerdem gehört zu dem Zündkreis noch ein Zündschaltelement, das mit der Primärwicklung des Zündtransformators verbunden ist. Bei der bekannten Überspannungsschutzanordnung führt eine Überspannung zu einem Ansprechen des Zündschaltelements, so dass durch den Zündtransformator bzw. dessen Primärwicklung ein Strom fließt, der in der Sekundärwicklung des Zündtransformators eine hohe Spannung erzeugt, was zum Ansprechen der Zündfunkenstrecke zwischen einer der beiden Hauptelektroden der Funkenstrecke und der Zündelektrode führt.
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Die
DE 103 38 835 A1 offenbart einen Überspannungsableiter, der ebenfalls eine Funkenstrecke als Überspannungsbauelement aufweist. Bei diesem Überspannungsableiter ist eine Zündhilfe vorgesehen, die ein resistives Zündelement und eine Zündelektrode umfasst, die beide mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen. Das resistive Zündelement ist dabei auf der einen Seite mit der ersten Elektrode und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode elektrisch leitend verbunden. Zusätzlich weist diese bekannte Zündhilfe noch ein Spannungsschaltelement auf, das beim Anstehen einer entsprechenden Überspannung anspricht, so dass über das Spannungsschaltelement, die Zündelektrode und das Zündelement ein Strom von der einen Elektrode zur anderen Elektrode fließt. Aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit des Zündelements kommt es im Bereich des Zündelements zu einer Ionisierung in der Lichtbogenbrennkammer, was schließlich zu einem Zünden eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden führt.
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Den aus dem Stand der Technik bekannten Zündhilfen ist dabei gemeinsam, dass sie eine Reduzierung der Ansprechspannung der Funkenstrecke bewirken. Damit die Zündhilfen selber ansprechen, ist das Anliegen einer entsprechenden Überspannung erforderlich, wobei die Energie für die Erzeugung des Zündfunkens bzw. Initiallichtbogens der anstehenden transienten Überspannung entnommen wird. Dies führt dazu, dass zwischen dem Anstehen einer transienten Überspannung und dem Zünden des Überspannungsbauelements eine - wenn auch relativ geringe - Zeitverzögerung besteht. Diese Zeitverzögerung kann unter Umständen dazu führen, dass der durch die Überspannungsschutzanordnung zu schützende Verbraucher bereits beschädigt ist, bevor die Überspannungsschutzanordnung angesprochen hat.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzanordnung zur Verfügung zu stellen, mit der der Schutz eines Verbrauchers weiter verbessert werden kann. Die Überspannungsschutzanordnung soll dabei insbesondere einen möglichst niedrigen Schutzpegel aufweisen.
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Diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist die Überspannungsschutzanordnung einen Energiespeicher auf, in dem bei anliegender Betriebsspannung Energie zum Zünden des Überspannungsbauelements gespeichert ist. Im Falle eines von der Detektionseinrichtung detektierten Störereignisses, beispielsweise einer transienten Überspannung, wird der Zündvorrichtung die zum Zünden des Überspannungsbauelements erforderliche Energie direkt aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt, wozu der Energiespeicher mit der Zündvorrichtung verbunden ist. Durch die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie ist es dabei möglich, das Überspannungsbauelement sehr schnell mit Hilfe der Zündvorrichtung zu zünden, sobald von der Detektionseinrichtung ein entsprechendes Störereignis festgestellt und daraufhin ein entsprechender Zündbefehl erfolgt ist. Die schnelle Zündung des Überspannungsbauelements führt dazu, dass an der Überspannungsschutzanordnung bei ansonsten gleicher Dimensionierung die Restspannung reduziert werden kann, da das Überspannungsbauelement aufgrund des schnellen Zündens schon anspricht, wenn die Überspannungs- sowie Überstrombelastung noch geringer ist, im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzanordnung, bei der die Energie für die Erzeugung des Zündfunkens bzw. Initiallichtbogens der anstehenden Überspannung entnommen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung ist der Energiespeicher derart ausgebildet, dass er bei anliegender Betriebsspannung aus der Betriebsspannung gespeist wird. Dadurch kann die zum Zünden des Überspannnungsbauelements erforderliche Energie besonders einfach vorgehalten werden, ohne dass im Normalbetrieb zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Gleichzeitig kann dadurch gewährleistet werden, dass beim Detektieren eines entsprechenden Störereignisses die von der Zündvorrichtung benötigte Energie im Energiespeicher gespeichert ist, so dass keine Zeitverzögerung auftritt, da es nicht erforderlich ist den Energiespeicher erst aufzuladen.
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Vorteilhafterweise ist dabei als Energiespeicher ein Kondensator vorgesehen. Hierdurch lässt sich der Energiespeicher sehr einfach realisieren, wobei durch eine entsprechende Dimensionierung des Kondensators sichergestellt werden kann, dass in dem Energiespeicher ausreichend Energie zum Zünden des Überspannungsbauelements gespeichert wird. Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei der Kondensator eingangsseitig mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, so dass der Kondensator als Energiespeicher auch bei einer anliegenden Wechselspannung geladen wird.
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Ist als Energiespeicher ein Kondensator vorgesehen, so ist gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Energiespeicher bei anliegender Betriebsspannung auf die Betriebsspannung aufgeladen wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der Energiespeicher so ausgebildet, dass er bei anliegender Betriebsspannung auf eine Spannung aufgeladen wird, die größer als die Betriebsspannung ist. Hierzu kann der Energiespeicher eine entsprechende elektronische Schaltung, beispielsweise einen Spannungsverdoppler oder eine Kaskadenschaltung aufweisen.
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Gemäß einer grundsätzlich anderen Variante ist anstelle eines Kondensators eine Batterie als Energiespeicher vorgesehen. Dadurch kann die zum Zünden des Überspannungsbauelements benötigte Energie auch unabhängig vom Anlegen der Betriebsspannung zur Verfügung gestellt werden.
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Eingangs ist ausgeführt worden, dass die Überspannungsschutzanordnung eine Detektionseinrichtung aufweist, die ein an der Überspannungsschutzanordnung anliegendes Störereignis detektiert. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung weist die Detektionseinrichtung eine Spannungsmesseinheit auf, die die am Überspannungsbauelement anliegende Spannung erfasst. Der Zündbefehl wird dann ausgelöst, wenn die von der Spannungsmesseinheit gemessene Spannung einen Grenzwert übersteigt, so dass der Zündvorrichtung dann die zum Zünden des Überspannungsbauelements erforderliche Energie aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Detektionseinrichtung eine Strommesseinheit auf, die den Strom erfasst, der in dem zu schützenden System bzw. zu dem zu schützenden Verbraucher fließt. Auch hierbei gilt, dass der Zündvorrichtung die zum Zünden des Überspannungsbauelements erforderliche Energie aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird, wenn der von der Strommesseinheit gemessene Strom einen Grenzwert übersteigt. Vorzugsweise wird dabei von der Strommesseinheit eine Stromänderung und nicht, jedenfalls nicht nur, ein konstanter Strom gemessen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Detektionseinrichtung sowohl eine Spannungsmesseinheit als auch eine Strommesseinheit auf. Hierdurch besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Störereignisse frühzeitig detektieren zu können. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Detektionseinrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit und einen der Auswerteeinheit vorgeschalteten A/D-Wandler aufweist. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass in der Detektionseinrichtung bereits eine Vorverarbeitung der von der Spannungsmesseinheit und/oder der Strommesseinheit ermittelten Messwerte erfolgen kann.
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Damit ein Störereignis, insbesondere eine anstehende transiente Überspannung, möglichst schnell und sicher detektiert werden kann, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine Logikeinheit vorgesehen, die eingangsseitig mit der Detektionseinrichtung und ausgangsseitig mit der Zündvorrichtung verbunden ist. Die Logikeinheit weist dabei zumindest einen Speicher und eine Auswerteeinheit auf, so dass in der Auswerteeinheit eine Analyse bzw. ein Vergleich der von der Detektionseinrichtung gelieferten Messwerte mit gespeicherten Messwerten durchgeführt werden kann. Auf diese Art und Weise kann auch eine Bewertung bzw. Klassifizierung verschiedener Störereignisse vorgenommen werden, so dass bei besonders relevanten bzw. gravierenden Störereignissen entsprechend schneller ein Zündbefehl ausgegeben und damit der Zündvorrichtung die zum Zünden des Überspannungsbauelements erforderliche Energie aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird.
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Im Einzelnen gibt es mehrere Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die Schutzansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung,
- 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung,
- 3 drei Schaltbilder dreier Varianten des Energiespeichers der Überspannungsschutzanordnung, und
- 4 zwei Schaltbilder zweier Varianten der Zündvorrichtung der Überspannungsschutzanordnung.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1. Die Überspannungsschutzanordnung 1 weist insbesondere ein Überspannungsbauelement 2 auf, bei dem es sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils um eine Funkenstrecke handelt. Zur Überspannungsschutzanordnung 1 gehört darüber hinaus noch eine Zündvorrichtung 3, die der Zündung der Funkenstrecke dient, und eine Detektionseinrichtung 4, die ein an der Überspannungsschutzanordnung 1 anliegendes Störereignis detektiert. Außerdem weist die Überspannungsschutzanordnung 1 noch einen Energiespeicher 5 auf, in dem bei anliegender Betriebsspannung Energie zum Zünden des Überspannungsbauelements 2 gespeichert ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Detektionseinrichtung 4 und der Energiespeicher 5 beide ausgangsseitig mit der Zündvorrichtung 3 verbunden, so dass im Falle eines von der Detektionseinrichtung 4 detektierten Störereignisses der Zündvorrichtung 3 die zum Zünden des Überspannungsbauelements 2 erforderliche Energie aus dem Energiespeicher 5 zur Verfügung gestellt wird.
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Bei dem in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1 ist als Energiespeicher 5 ein Kondensator 6 vorgesehen, der aus der Betriebsspannung gespeist wird, so dass der Kondensator 6 bei anliegender Betriebsspannung auf die Betriebsspannung aufgeladen ist. In 3 sind drei mögliche alternative Ausgestaltungen des Energiespeichers 5 dargestellt. Gemäß dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Kondensator 6 eingangsseitig eine Gleichrichterschaltung 7 vorgeschaltet. Bei der Variante gemäß 3b ist der Gleichrichterschaltung 7 eingangsseitig noch ein Transformator 8 vorgeschaltet, so dass der Energiespeicher 5 einen Kondensator 6, eine Gleichrichterschaltung 7 und einen Transformator 8 aufweist. Bei der in 3c dargestellten Ausführungsvariante ist als Energiespeicher 5 eine Batterie 9 vorgesehen, so dass die im Energiespeicher 5 gespeicherte Energie unabhängig von der anliegenden Betriebsspannung sein kann.
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Dem in 2 dargestellten Schaltbild kann darüber hinaus entnommen werden, dass die Detektionseinrichtung 4 sowohl eine Spannungsmesseinheit 10 als auch ein Strommesseinheit 11 aufweist. Mit Hilfe der Spannungsmesseinheit 10 wird die am Überspannungsbauelement 2 anliegende Spannung erfasst, um von der Betriebsspannung abweichende Überspannungen, insbesondere transiente Überspannungen möglichst schnell zu detektieren. Zusätzlich wird von der Strommesseinheit 11 der in der Anschlussleitung fließende Strom, insbesondere eine Stromänderung erfasst, woraus Rückschlüsse auf die Art des Störereignisses gezogen werden können.
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Neben der Spannungsmesseinheit 10 und der Strommesseinheit 11 weist die Detektionseinrichtung 4 darüber hinaus noch einen A/D-Wandler 12 und eine Auswerteeinheit 13 auf. Mit Hilfe der Auswerteeinheit 13 kann dabei bereits eine Vorverarbeitung der von der Spannungsmesseinheit 10 und der Strommesseinheit 11 ermittelten Messwerte erfolgen. Die derart von der Detektionseinrichtung 4 ermittelten Messwerte werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer nachfolgenden Logikschaltung 14 weiterverarbeitet, wobei die Logikschaltung 14 insbesondere einen Speicher 15 und eine Auswerteeinheit 16 aufweist. Zusätzlich kann in der Logikschaltung 14 eingangsseitig noch eine Vorverarbeitung bzw. Klassifizierung des von der Detektionseinrichtung 4 gelieferten Messwertes erfolgen.
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Auf der Grundlage der von der Detektionseinrichtung 4 gelieferten Messwerte und der von der Logikschaltung 14 vorgenommenen Auswertung der Messwerte wird dann von der Logikschaltung 14 ein Zündbefehl ausgegeben, der dazu führt, dass im Falle eines von der Detektionseinrichtung 4 detektierten und von der Logikschaltung 14 ausgewerteten Störereignisses der Zündvorrichtung 3 die zum Zünden des Überspannungsbauelements 2 erforderliche Energie aus dem Energiespeicher 5 zur Verfügung gestellt wird. Dies ist bei dem in 2 dargestellten Schaltbild mittels eines Schalters 17 dargestellt, über den die Zündvorrichtung 3 bei anstehendem Zündbefehl mit dem Energiespeicher 5 verbunden werden kann.
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Wie zuvor ausgeführt worden ist, handelt es sich bei dem in den Figuren dargestellten Überspannungsbauelement 2 um eine Funkenstrecke, die zwei einander gegenüberliegende Elektroden 18, 19 aufweist. Die Funkenstrecke kann dabei eine Zündvorrichtung 3 aufweisen, die prinzipiell so aufgebaut ist, wie dies in dem Schaltbild gemäß 4a dargestellt ist. Hierbei weist die Zündvorrichtung 3 insbesondere ein resistives Zündelement 20 auf, das auf der einen Seite mit der ersten Elektrode 18 verbunden ist. Darüber hinaus ist noch eine Zündelektrode 21 vorgesehen, die mit der anderen Seite des Zündelements 20 elektrisch leitend verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Zündvorrichtung 3 darüber hinaus noch einen Gasableiter 22 und einen Varistor 23 auf, die in Reihe zu der Zündelektrode 21 geschaltet sind.
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Wenn bei dieser Zündvorrichtung 3 am Gasableiter 22 eine Spannung anliegt, die oberhalb der Ansprechspannung des Gasableiters 22 ist, wird der Gasableiter 22 leitend, so dass zunächst ein Strom von der Elektrode 19 über die Reihenschaltung aus Gasableiter 22, Varistor 23, Zündelektrode 21 und Zündelement 20 zur Elektrode 18 fließt. Aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit des Zündelements 20 kommt es im Bereich des Zündelements 20 zu einer Ionisierung, die dann zum Zünden eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden 18, 19 führt.
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Bei dem in
4b dargestellten Ausführungsbeispiel der Zündvorrichtung weist diese ebenfalls eine Zündelektrode
21 auf. Die Zündelektrode
21 ist dabei mit dem Ausgang eines Zündtransformators
24 verbunden, dessen Eingangsseite bzw. Primärwicklung über einen Gasableiter
25 mit einem Spannungsteiler
26 verbunden ist, der parallel zur Funkenstrecke geschaltet ist. Eine derartige Zündvorrichtung
3 ist beispielsweise aus der
EP 0 933 860 B1 bekannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Überspannungsschutzanordnung
- 2.
- Überspannungsbauelement
- 3.
- Zündvorrichtung
- 4.
- Detektionseinrichtung
- 5.
- Energiespeicher
- 6.
- Kondensator
- 7.
- Gleichrichterschaltung
- 8.
- Transformator
- 9.
- Batterie
- 10.
- Spannungsmesseinheit
- 11.
- Strommesseinheit
- 12.
- A/D-Wandler
- 13.
- Auswerteeinheit
- 14.
- Logikschaltung
- 15.
- Speicher
- 16.
- Auswerteeinheit
- 17.
- Schalter
- 18, 19.
- Elektroden
- 20.
- Zündelement
- 21.
- Zündelektrode
- 22.
- ÜSaG
- 23.
- Varistor
- 24.
- Zündtransformator
- 25.
- ÜSaG
- 26.
- Spannungsteiler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0933860 B1 [0006, 0027]
- DE 10338835 A1 [0007]
