DE2444023A1

DE2444023A1 - Elektrostatischer wandler

Info

Publication number: DE2444023A1
Application number: DE19742444023
Authority: DE
Inventors: John Bowers
Original assignee: BOWERS AND WILKINS ELECTRONICS
Current assignee: BOWERS AND WILKINS ELECTRONICS
Priority date: 1973-09-15
Filing date: 1974-09-14
Publication date: 1975-03-20
Also published as: IT1021359B; JPS5089017A; DK484774A; BE819975A; NL7412195A; FR2246150B3; FR2246150A1; SE7411457L

Description

Dipl.-Ing. Heinz Bardehle

Patentanwalt
8 München 22, Herrnstr. 15

München, den 14. September 1974

Mein Zeichen: P 2022

Anmelder: Bowers and ¥ilkins Electronics Ltd.

10 Old Steyne

Brighton BH1 1EI

Sussex, England

Dlektrostatischer Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Wandler.

Ein Verfahren zur Steigerung der Belastbarkeit eines elektrostatischen Wandlers besteht darin, eine Anzahl von Wandlerelementen unter Bildung einer einzigen Einheit mit der benötigten Ausgangsleistung zu kombinieren. Wenn jedoch die Anzahl der Elemente und insbesondere die Gesamtabmessungen der Einheit über eine bestimmte Grenze hinaus gesteigert werden, zeigen die akustischen Eigenschaften der Einheit eine Verschlechterung. Insbesondere im Falle von elektrostatischen Lautsprechern sollte vorzugsweise der gesamte Lautsprecher in

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zumindest einer Ebene gekrümmt sein. Zu diesem Zweck ist eine Anzahl von Wandlerelementen Seite an Seite in einem gekrümmten Rahmen angeordnet. Eine derartige Anordnung reduziert jedoch die Richtwirkung auf lediglich eine Ebene. Außerdem ergeben sich konstruktive Probleme, wenn ein Versuch gemacht wird, die Elemente derart anzuordnen, daß die Abstrahlungsflache in mehr als einer Ebene gekrümmt ist.

Unter der Annahme, daß die maximal zufriedenstellende Abmessungen bezüglich eines bestimmten Lautsprechers erreicht worden sind, kann die Leistungsaufnahme bzw. Belastbarkeit weiter dadurch gesteigert werden, daß ermöglicht wird, die PolarisationsSpannung und die Signalspannung zu erhöhen, ohne daß ein elektrischer Durchschlag auftritt. Dies kann z.B. in einer Weise erfolgen, wie es in der GB-PS 1 239 658 angegeben ist. In dieser GB»-Patent schrift (siehe deren Anspruch 1) ist ein elektrostatischer Lautsprecher angegeben, der zwei durchlöcherte bzw. perforierte Platten aus einem weitgehend stabilen, elektrisch isolierenden Material enthält. Die beiden perforierten Platten sind dabei miteinander verbunden, und zwar in Abstand voneinander; sie enthalten jeweils eine leitende Oberfläche auf der von der anderen Platte wegzeigenden Seite. Zwischen den beiden Platten ist eine Membran aus einem flexiblen isolierenden Material befestigt, das mit einem elektrischen Widerstandsmaterial überzogen ist. Die beiden leitenden Oberflächen sind dabei entsprechend der betreffenden perforierten Platte perforiert bzw. gelocht. Der Durchmesser jedes Loches in der jeweiligen leitenden Oberfläche ist jedoch größer als der Durchmesser oder minimale Durchmesser des entsprechenden Loches in der betreffenden Platte.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie die Belastbarkeit eines elektrostatischen Wandlers gesteigert werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch einen elektrostatischen Wandler, der zwei festliegende, in Abstand voneinander angeordnete durchlöcherte Elektroden und zwischen diesen eine flexible Membran aufweist, wobei Funkenstrecken vorgesehen sind, die die Spannung begrenzen, welche sich zwischen jeder der durchlochten Elektroden und der flexiblen Membran auszubilden vermag.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß der Durchbruch zwischen der Membran und einer der festliegenden Elektroden gewöhnlich als Ergebnis des zusätzlichen Auftretens einer Signalspannungsspitze zu der Polarisierungsspannung aufzutreten neigt. Derartige Spannungsspitzen treten relativ selten auf. Da jedoch irgendein zwischen der festliegenden Elektrode und der Membran auftretender Durchbruch zur Ausbildung einer dauerhaften Beschädigung an einem oder beiden dieser Glieder neigt, wird ein bekannter Wandler weit unterhalb seiner vollen Belastbarkeit während des Hauptteiles der Zeit betrieben, da nämlich die Signalspannung und- die Polarisationsspannung zum Zwecke der Vermeidung eines Durchbruchs bei der Spitzenspannung zu begrenzen sind.

Vorzugsweise sind die Funkenstrecken in oder in unmittelbarer Nähe des Wandlers angeordnet und zur Atmosphäre hin offen. Infolgedessen haben jegliche Änderungen in der relativen Feuchtigkeit der Atmosphäre, die die Durchbruchspannung des Wandlers verändern wurden, eine entsprechende Auswirkung

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auf die Funkenstrecken, und zwar derart, daß das System sozusagen selbstkompensierend ist.

Es dürfte einzusehen sein, daß die Spannung, bei der eine Entladung über der Funkenstrecke auftritt, sowohl von dem Abstand als auch der Form der Elektroden abhängt. Damit diese Überschlagspannung so konstant wie möglich bleibt nach.der anfänglichen Einstellung der Elektrodenstellungen, sollte das Material der Elektroden beständig sein gegenüber einer Erosion durch Funkenentladungen.

V/ie in der GB-PS 1 239 658 beschrieben, kann die Durchbruchspannung zwischen dem jeweiligen metallischen Bereich und der Membran dadurch erhöht werden, daß die metallischen Bereiche mit einem Isoliermaterial überzogen werden. Ein für diesen Zweck geeignetes Isoliermaterial umfaßt Epoxyharze, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und die weitgehend nichtleitend sein können. Diese Eigenschaften verringern die Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs bei irgendeiner bestimmten Spannung; sie haben jedoch den Nachteil, daß die Außenfläche des Überzugs dazu neigt, elektrisch aufgeladen zu werden, und zwar infolge des Vorhandenseins der Polarisationsspannung zwischen der Membran und dem von dem Überzug überzogenen metallischen Bereich. Die Eigenschaft des Überzugs, weitgehend nichtleitend zu sein, verhindert, daß diese Ladung abgeleitet wird. Demgemäß ist durch den überzug die Polarisationsspannung effektiv vermindert, die für die Steuerung der Membran in Verbindung mit der Signalspannung verfügbar ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist jede der festliegenden Elektroden mit einem Isoliermaterial

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überzogen, welches ein antistatisches Agens enthält.

Der Ausdruck "antistatisches Agens" wird hier dazu benutzt, eine chemische Substanz zu definieren, die in einem Isolierüberzugsmaterial enthalten sein kann, um die Oberfläche des betreffenden Materials schwach leitend zu machen.

Ist das verwendete Überzugsmaterial ein Epoxyharz, so kann das antistatische Agens z.B. ein kationischer Schaumerzeugera >nsatz sein, wie er unter dem Handelsnamen "Armostat 400" vertrieben wird.

Es dürfte einzusehen sein, daß ein antistatisches Agens bewirkt, daß die Oberfläche des Überzugsmaterials einen spezifischen elektrischen Oberflächenwiderstand besitzt, der - obwohl er sehr hoch ist - noch niedrig genug ist, um jegliche induzierten Spannungen abzuführen, bevor die Spannung, auf die die Oberfläche aufgeladen wird, ausreicht, um die Empfindlichkeit des Wandlers zu vermindern. Antistatische Mittel können die Oberflächenleitfähigkeit eines Überzugsmaterials in bleibender Weise steigern. Vorzugsweise wird die Konzentration des in dem Überzugmaterial verwendeten antistatischen Mittels bzw. Agenzes so gewählt, daß der spezifische Oberflächenwiderstand im Bereich von 1 · 10

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bis 1 · 10 0hm pro 6,452 cm liegt. Ein besonders gunsti-

11 ger spezifischer Widerstand scheint bei 2 · 10 0hm pro 6,452 cm zu liegen.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Vorderansicht eine die Erfindung verkörpernde Lautsprechereinheit, wobei Teile der betreffenden Einheit weggebrochen sind, um den Innenaufbau der betreffenden Einheit zu veranschaulichen. Fig. 2 zeigt eine Rückansicht der in Fig. 1 dargestellten Einheit.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht einer Funkenstreckenanordnung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Einheit.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 3 dargestellten Anordnung.

Die in den Zeichnungen dargestellte Lautsprechereinheit enthält elf elektrostatische LautSprecherelemente. Sie besteht aus einer hinteren perforierten bzv/. gelochten Platte 11, einer vorderen perforierten bzv/. gelochten Platte 12, einem hinteren Abstandsteil 13, einem vorderen Abstandsteil 14 und einer Membran 15. Jede der beiden gelochten bzw. durchlöcherten Platten enthält elf metallisierte perforierte Bereiche, deren einer mit 16 bezeichnet ist. Die metallisierten Bereiche der vorderen Platte 12 sind durch Metallstreifen 17 derart elektrisch miteinander verbunden, daß sie alle in elektrischem Kontakt mit einem Anschlußteil 18 sind. In ähnlicher Weise sind die Metallbereiche 29 der hinteren Platte 11 mittels Metallstreifen 19 elektrisch miteinander verbunden, so daß sie alle in elektrischem Kontakt mit einem Anschlußteil 20 sind, welches unterhalb des Anschlußteiles und mit diesem in einer Linie liegt. Es dürfte einzusehen sein, daß dann, wenn die Platten zusammengebaut sind, die Metallbereiche der jeweiligen Platte auf der von der anderen Platte wegzeigenden Seite angeordnet sind, so daß die nicht metallisierten Seiten einander benachbart sind.

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Jede der Platten ist mit einem Isoliermaterial überzogen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß die jeweilige Platte in einem Einkap sellings- oder Tauchprozess überzogen oder mittels eines Lackes besprüht wird.Das Isoliermaterial kann für diesen Zweck ein Epoxyharz sein, welches, wie oben angegeben, . ein antistatisches Mittel bzw. Agens enthält. Vorzugsweise ist das antistatische Agens ein sogenannter kationischer Sclaauserzeugeransatz, wie er unter dem Handelsnamen "Armostat 400" vertrieben wird.

Die beiden Abstandsteile sind gleiche Preßteile mit Fenstern, die den metallisierten Bereichen entsprechen. Das Abstandsteil 14 ist vorzugsweise an der vorderen Platte 12 mittels eines Klebstoffs befestigt oder durch Anwendung des Einkapelungslackes. Im Falle des hinteren Abstandsteiles ist jedoch an diesem die Membran 15 vor dem Zusammenbau befestigt. Die Membran besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Blattmaterial mit einer Dicke in der Größenordnung von ca. 0,01 mm (entsprechend 0,0004 Zoll). Das Material kann z.B. Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid sein. Das betreffende Material liefert auf beiden Seiten einen mit einem elektrischen Widerstand behafteten Überzug, und zwar derart, daß der spezifische End-Oberflächenwiderstand des Überzugs zwischen 1 · 10' und 5 * 10 0hm pro Quadrat liegt. Um eine elektrische Verbindung zu den Überzügen auf der Membran hin herstellen zu können, ist ein Material, das eine höhere Leitfähigkeit besitzt als der widerstandsbehaftete Überzug, um den Umfang der jeweiligen Seite der Membran herum angebracht. Dieses Material kann aufgestrichen sein, oder es kann z.B. ein elektrisches Widerstandsmaterial sein, wie es unter dem Handelsnamen "Aquadag" vertrieben wird.

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Ferner wird ein dünnes Blattkupferteil 24 um die Kante der Membran herumgelegt, und zwar unter Berührung der leitenden Streifen auf den beiden Seiten der Membran. Das betreffende Blattkupferteil wird mittels Muttern und Schrauben 54 und 55 in seiner Stellung festgeklemmt. Wenn die Einheit zusammengebaut ist, sind die Köpfe der Schrauben 54 und 55 in Schlitzen 56 und 57 in der vorderen Platte 12 aufgenommen; sie befinden sich mittels Muttern und Schraubenbolzen 25 und 26 mit dem Kupferteil 24 in Kontakt. Die Köpfe der Schraubenbolzen sind ebenfalls in den Schlitzen 56 und 57 aufgenommen. Die Köpfe der Schrauben ₄bzw. Schraubenbolzen 25 und 26 stellen eine Verbindung zu einer Seite des Kupferteiles 24 her, und zwar über in dein vorderen Abstandsteil 14 enthaltene Löcher 27 und 28. Demgegenüber stellen die zugehörigen Muttern, die in den Zeichnungen nicht sichtbar sind, einen Kontakt zu der gegenüberliegenden Seite des Kupferteiles her, und zwar über ähnliche Löcher in dem hinteren Abstandsteil 13..

Die Funkenstreckenanordnung ist generell mit 31 bezeichnet· ; sie ist in ihrer Lage in Fig. 2 dargestellt und im einzelnen und in vergrößertem Maßstab in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Die betreffende Anordnung enthält einen Rahmen 32 aus einem Kunstharzmaterial, zwei äußere Elektroden 33 und 34 und zwei innere Elektroden 35 und 36. Der Rahmen ist mit sechs Löchern 37 bis 42 und einem kleineren versenkten Mittelloch 46 geformt. In einer Seite des Rahmens, die in der Draufsicht gemäß Fig. 3 gezeigt ist, sind die Löcher 39 und 40 durch eine längs verlaufende Ausnehmung 43 miteinander verbunden. Demgegenüber sind auf der anderen Seite die Löcher 38 und 39 mittels einer Ausnehmung 44 miteinander verbunden, und die

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Löcher 40 und 41 sind mittels einer Ausnehmung 45 miteinander verbunden.

Der Rahmen 32 ist mit zwei Elektroden 33 und 34 an den in den Zeichnungen dargestellten Stellen geformt bzw. versehen. Die Elektroden 35 und 36 werden an der jeweiligen Stelle angebracht, nachdem der Rahmen aus der Form herausgenommen ist. Jede dieser beiden Elektroden enthält einen vorstehenden Ansatz, der im Falle der Elektrode 35 mit 47 und im Falle der Elektrode 36 mit 48 bezeichnet ist. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist Jede Elektrode mit ihrem hinteren Teil, einschließlich des Ansatzes, in der Ausnehmung 43 und mit dem vorderen Teil in der Ausnehmung 44 oder 45 je nach Lage untergebracht. Die beiden Elektroden sind mittels einer Scheibe in der entsprechenden Stellung gehalten, die mittels einer Senkschraube 50 und einer Mutter 51 an den beiden Ansätzen und 48 festgeklemmt ist. Es dürfte einzusehen sein, daß der Abstand zwischen den Punkten des jeweiligen Paares von Elektroden durch Lockern der Mutter und der Schraube 50, 51 und Verschiebung der mittleren Elektrode 35 oder 36 um die erforderliche Strecke eingestellt werden kann.

Die Anschlüsse 18 und 20 sind in Form von relativ langen Bolzen vorhanden, die an der Anordnung der perforierten Platten mittels Muttern befestigt sind, welche in den Zeichnungen nicht sichtbar sind. In ähnlicher Weise sind die Bolzen 25 und 26, die Anschlüsse für die Membran bilden, ebenfalls relativ lang; sie erstrecken sich auf der Rückseite der Einheit, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Abstände zwischen den Löchern 37, 39, 40 und 42 entsprechen den Abständen zwischen den Anschlüssen 20, 26, 25 und 18. Demgemäß

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kann die Funkenstreckenanordnung 31 auf diesen Bolzen in Stellung gebracht und mittels zusätzlicher Muttern befestigt werden. Demgemäß werden die Elektroden 35 und 36 elektrisch mit der Membran 15 verbunden. Die Elektrode 33 wird mit den metallisierten perforierten Bereichen 16 der vorderen Platte verbunden, und die Elektrode 35 wird mit den metallisierten perforierten Bereichen 29 der hinteren Platte 11 elektrisch verbunden. Infolgedessen ist eine Funkenstrecke 52 elektrisch zwischen den metallisierten Bereichen der vorderen Platte und der Membran und eine Funkenstrecke 53 zwischen den metallisierten Bereichen auf der hinteren Platte und der Membran angeschlossen.

Infolge der Bereitstellung dieser Funkenstrecken ist es möglich, eine höhere Polarisationsspannung und höhere Spitzensignalspannungen zu verwenden als dies sonst mit der Folge einer bleibenden Beschädigung der Membran oder der metallisierten Bereiche der beiden Platten möglich wäre. Wenn eine solche Spitzensignalspannung auftritt, daß die Gesamtspannung zwischen den beiden Anschlüssen höher ist als die Ionisierungsspannung der betreffenden Funkenstrecke, tritt eine Entladung über der betreffenden Funkenstrecke auf, wodurch verhindert ist, daß die Spitzenspannung zwischen der Membran und dem entsprechenden metallisierten Bereich angelegt wird.

Wie bereits ausgeführt, ist es wünschenswert, daß die Spannung, bei der eine Entladung über der jeweiligen Funkenstrecke auftritt, unter jeglichen besonderen Umgebungsbedingungen so konstant wie möglich gehalten v/erden sollte. Demgemäß bestehen die Elektroden aus einem Material, was beständig ist gegenüber einer ürosion durch Funkenentladüngen. Sin für diesen Zweck

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besonders geeignetes Material ist eine Legierung aus Chrom, Aluminium, Kobalt und Eisen. Eine relativ hohe Funkenerosionsbeständigkeit wird insbesondere dann erzielt, wenn diese Bestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden sind: 20$, 5$, 1$ bzw. 7k%. Ein derartiges. Material wird unter dem Handelsnamen "Kanthai ¹A¹ " vertrieben.

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Claims

Patentansprüche

(iy Elektrostatischer Wandler mit zwei in Abstand voneinander vorgesehenen festliegenden perforierten Elektroden und einer zwischen diesen Elektroden vorgesehenen flexiblen Membran, dadurch gekennzeichnet, daß Funkenstrecken (52,53) vorgesehen sind, die die Spannung begrenzen, welche sich zwischen den perforierten Elektroden (33, 34; 35, 36) und der flexiblen Membran (15) auszubilden vermag.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (52, 53) zur Atmosphäre hin offen und in unmittelbarer Wandlernähe angeordnet sind.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Funkenstrecken (0)2., 53) verstellbar sind.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Funkenstrecke (52, 53) eine erste, in einem Kunstharzmaterialrahmen geformte Elektrode (33> 34) und eine in dem Rahmen (32) relativ zu der ersten Elektrode (33,34) bewegbare zweite Elektrode (35, 36) enthält und daß Blockierungseinrichtungen (50, 51) vorgesehen sind, die den Abstand der zweiten Elektrode (35, 36) von der ersten Elektrode (33, 34) festzuhalten gestatten.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (33, 34, 35, 36) jeweils aus einem Material bestehen, welches gegenüber einer Erosion durch Funkenentladungen beständig ist.

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6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (33, 34, 35, 36) aus einer Legierung aus Chrom, Aluminium, Kobalt und Eisen besteht.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Elektroden (33, 34) der Funkenstrecken (52, 53) mit einer der perforierten Elektroden (11; 12) elektrisch verbunden ist und daß die zweiten Elektroden (35, 36) der Funkenstrecken (52, 53) mit der flexiblen Membran (15) verbunden sind.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

zv/ei Funkenstrecken (52, 53) in einem einzigen Rahmen (31) angeordnet sind, der .an mit den perforierten Elektroden (11, 12) und der Membran (15) verbundenen Anschlüssen (18, 20, 25, 26) direkt angebracht ist.
9. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (52, 53) in einer Anordnung (31) untergebracht sind, die einen langgestreckten Kunstharzmaterial-Rahmen enthält, der sechs in Längsrichtung voneinander in Abstand vorgesehene Löcher enthält, daß die betreffenden Löcher auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie des Rahmens in zwei Gruppen aufgeteilt sind, deren jede Gruppe ein inneres Loch, ein äußeres Loch und ein mittleres Loch zwischen dem jeweiligen inneren Loch und dem jeweiligen äußeren Loch enthält, daß zwei erste Elektroden (33, 34) in dem Rahmen (32) geformt sind, daß jede der ersten Elektroden (33, 34) einen ersten Teil, der sich über eines der beiden in dem Rahmen (32) enthaltenen Endlöcher erstreckt, und einen

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zweiten Teil aufweist, der in das jeweils benachbarte mittlere Loch hineinragt, daß zwei zweite Elektroden (35» 36) in den Rahmen (32) befestigt sind und daß jede der zweiten Elektroden (35, 36) einen ersten Teil, der sich über eines der beiden inneren Löcher des Rahmens (32) erstreckt, und einen zweiten Teil auf v/eist, der sich in das jeweils benachbarte mittlere Loch gegenüber einer der ersten Elektroden (33, 34) erstreckt.
10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder der zweiten Elektroden (35> 36) in einer Ausnehmung (43) untergebracht ist, die auf einer Seite des Rahmens (32) die beiden inneren Löcher miteinander verbindet, und daß ein weiterer Teil der beiden zweiten Elektroden (35, 36) jeweils in einer Ausnehmung zweier weiterer Ausnehmungen auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmens (32) liegt und eines der inneren Löcher mit dem jeweils benachbarten mittleren Loch in dein Rahmen (32) verbindet.
11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierten Elektroden (11, 12) jeweils mit einem Isoliermaterial überzogen sind, welches ein antistatisches Mittel enthält.
12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial ein Spoxyharz ist und daß das antistatische Mittel ein kationischer Schaumerzeugeransatz ist.
13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches, die Oberflächenleitfähigkeit des Isoliermaterials erhöhendes antistatisches Mittel verwendet ist, dass/der spezifische Oberflächenwiderstand im Bereich zxvischen

1 · 10⁸ bis 1· 10¹^ Ohm pro Quadrat liegt.

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