DE2514331A1

DE2514331A1 - Eigensichere stromquelle

Info

Publication number: DE2514331A1
Application number: DE19752514331
Authority: DE
Inventors: Peter Henk Burrie; Harmen Hein Dijstelbergen; Cornelis Willem Koreman
Original assignee: Nederlandse Gasunie NV
Current assignee: Nederlandse Gasunie NV
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1975-04-02
Publication date: 1975-10-16
Also published as: BE827423A; AT337831B; NL7404518A; CH600665A5; CA1031418A; SU751338A3; ATA252875A; ES436235A1; GB1509563A; JPS50140826A; US4024449A; FR2266966B1; IT1035154B; FR2266966A1

Description

Kennzeichen 2672 DT O C ¹I Λ Q *3

Br. F. Zumstein sen.-Dr. E. Aesmsnn Dr. R. Koenigebe-n^r - Diof. - Fhve. R. Holzhauer Dipl.-Ing. F. Kli.-i., „jisen - Dr. i^:. Zumstein jun.

Patentanwälte
8 München 2, BriuhausstraBo 4

N.V. Nederlandse Gasunie, Groningen/Niederlande

Eigensichere Stromquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umformerschaltung, wobei eine 50- oder eine 60-Hz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, diese in eine Wechselspannung höherer Frequenz und diese wiederum Über einen Umspanner in eine oder mehrere getrennte Gleichspannungen umgeformt wird.

Eine solche Schaltung ist aus der niederländischen Patentanmeldung 6916659 bekannt, insbesondere Figur 3c; die in ihr angegebene Ausfuhrung der Schaltung ist für Verwendung in Fernsehgeräten gemeint. In der niederländischen Patentanmeldung 7010506 wird diese Schaltung schon zum bekannten Stand der Technik gerechnet.

Unter gewissen Bedingungen kann eine Umformerschaltung vom vorstehend genannten Typ zum Erreichen einer oder mehrerer eigensicheren Stromquellen benutzt werden, zum Beispiel zum Speisen elektrischer, in einer Umgebung mit Explosionsgefahr aufgestellter Mess- und Regelapparatur. Eigensicher sind die elektrischen oder elektronischen Geräte, die unter keiner Bedingung eine ausreichend hohe Temperatur oder einen ausreichend energiereichen Funken zur Herbeiführung einer Explosion erzeugen können.

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FUr eigensichere Geräte liegen mehrere Normen und Vorschriften vor, wie VDE 0171 d/2.65 und VDE 0165. Im Absatz 49 der Vorschrift VDE 0171 d/2.65 ist angegeben, innerhalb welcher Grenzen Spannung, Strom, Selbstinduktion, Kapazität und Widerstand zur Aufrechterhaltung eigensicherer Bedingungen in einer explosiven Umgebung verbleiben müssen. Die Vorschrift VDE 0165 gibt im Absatz 8 Installationsvorschriften für eigensichere Schaltungen. Im allgemeinen muss die im eigensicheren Gerät dissipierte Leistung geringer sein als der bestimmte Wert und dürfen die Selbstinduktionen und die Kondensatoren gewisse Werte nicht überschreiten. Ferner gibt es oft zusätzliche Vorschriften über die Spezifikationen der Komponenten, die Gewährleistung der Sicherheit beim Ausfallen einer Komponente und die mechanische Ausführung. Die Speisung solcher Geräte findet heutzutage iiäufig über sogenannte Zener-Trennungen statt (Schrifttum Redding, Towle; Barrier Method of Ensuring the Safety of Electrical Currents in Explosive Atmospheres; proc IEE 113, (1966) Seiten 2070-2074). Diese Schaltungen genügen den Vorschriften VDE 0165 Absatz 8.h nur beschränkt. Die aus der bereits genannten niederländischen Patentanmeldung 6916659 bekannte Schaltung entspricht in der dort erwähnten Ausführung diesen Vorschriften nicht.

Die Erfindung bezweckt die Beschaffung einer Vorrichtung, wobei eine Umformerschaltung wie im Anfang gemeint benutzt wird zum Erreichen einer oder mehrerer eigensicheren Stromquellen in Übereinstimmung mit den erforderlichen Vorschriften und die nachstehende spezifische Vorteile aufweist:

1. eine vollständige Isolation, auch in bezug auf Erde;

2. eine Schaltung, die kurzgeschlossen werden kann, ohne dass irgendein Teil schadhaft wird;

3. eine niedrige kapazitive Kupplung zwischen der Netzspannungserde und der durch die Umformerschaltung gespeisten Apparatur;

4. eine niedrige kapazitive Kupplung zwischen Ausgangsklemmen und Erde;

5. eine hohe StbrungsunterdrUckung von sowohl 'common mode¹ als auch 'differential mode' von Störungen, die im Netz anwesend sein können;

6. die Möglichkeit zur Erdung des an die Speisung angeschlossenen Kreises, an einer willkürlich zu wählenden Stelle. Dadurch ist es möglich, die Erdung an der optimalen Stelle anzuordnen, ohne die Beschränkung von Erdschleifen.

7. die Beschaffung mehrerer Stromquellen in einfacher Weise.

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Die Erfindung nun bezieht sich auf eine Umformerschaltung, wobei eine 50-Hz- oder eine 60-Hz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, diese in eine Wechselspannung höherer Frequenz und diese wiederum über einen Umspanner in eine oder mehrere getrennte Gleichspannungen umgeformt wird. Erfindungsgemäss wird dies erreicht, wenn eine Anzahl konstruktiver und ■elektrotechnischer Massnahmen miteinander vereinigt werden. Die Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass der Umspanner einen teilbaren Ferritkern umfasst, bestehend aus einem ersten Kern, um den die Primärwicklung angebracht ist, einem etwa gegenüber dem ersten Kern liegenden zweiten Kern, um den eine oder mehrere Sekundärwicklungen angebracht sind, und zwei Jochen, die die Enden der Kerne verbinden, wobei die kapazitive Kupplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sowie zwischen den Sekundärwicklungen untereinander gering ist und jede Sekundärwicklung zusammen mit zugehörender Gleichricht-, Abflach- und Stabilisierungsschaltung sowie zugehörendem Begrenzungswiderstand als eigensicherer Stromquelle an einer gedruckten Schaltplatte angebracht ist und mehrere solcher gedruckten Schaltplatten parallel zueinander um den Sekundärkern angeordnet sein können, in einer Anzahl entsprechend der gewünschten Anzahl Stromquellen, dass die höhere Frequenz mindestens einige kHz beträgt und dass die Anzahl der Sekundärwindungen an jeder gedruckten Schaltung sowie die dementsprechende Anzahl der Primärwindungen, die Kapazität des Kondensators (der Kondensatoren) in der Abflachschaltung und der Begrenzungswiderstand derart dimensioniert sind, dass:

a. bei einer gewählten Ausgangsspannung mit einer Spannungswelligkeit von weniger als 1 % die Kapazität am Ausgang der Stromquelle mit angeschlossener gespeister Apparatur geringer ist als die Kapazität, wobei das 1,5 fache der gewählten Ausgangsspannung gleich der Entzündungsspannung ist, wie gemäss der Vorschrift VDE 0171 d/2.65, Absatz 49 in einem explosiven Gasgemisch bestimmt, in dem die angeschlossene Apparatur eigensicher eingesetzt werden können muss;

b. die Selbstinduktion der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Selbstinduktion, wobei das 1,5 fache der Stromstärke, die aus der gewählten Ausgangsspannung und dem Mindestwiderstand der angeschlossenen Apparatur folgt, gleich dem Entzündungsstrom ist, wie gemäss vorgenannter Vorschrift im explosiven Gasgemisch bestimmt;

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c. der Widerstand der Stromquelle so gross ist, dass immer, besonders auch • bei Kurzschluss in der angeschlossenen Schaltung, die Spannung und der Strom beide geringer bleiben als 2/3 irgendwelcher Kombination von Spannung und Strom, wobei fur das explosive Gasgemisch eine Entzündung gemäss der genannten Vorschrift auftreten kann. Die höhere Frequenz wählt man vorzugsweis zwischen 20 und 80 kHz, zum Beispiel 50 kHz.

Für den Fall, dass das explosive Gasgemisch entweder ein Gemisch aus Methan und Luft oder eins aus Wasserstoff und Luft ist, gibt die Vorschrift VDE 0171, Absatz 49 in den Kennlinien Figur 2, 3 und 4 den Zusammenhang zwischen den unter a, b und c aufgeführten Grossen. In diesen Fällen entwirft man somit erfindungsgemäss die Umformerschaltung derart, dass:

a. die höhere Frequenz zwischen 20 und 80 kHz liegt;

b. die Kapazität am Ausgang der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Kapazität, wobei das 1,5 fache der gewählten Ausgangsspannung der EntzUndungsspannung fUr ein Gemisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft gemäss der Vorschrift VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Fig. 4 entspricht;

C die Selbstinduktion der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Selbstinduktion, wobei das 1,5 fache der Stromstärke, die aus der gewählten Ausgangsspannung und dem Mindestwiderstand der angeschlossenen Apparatur folgt, dem EntzUndungsstrom für ein Gemisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Fig. 3 entspricht; d_r- der Widerstand der Stromquelle so gross ist, dass immer, besonders auch bei Kurzschluss in der angeschlossenen Schaltung, die Spannung und der Strom beide geringer bleiben als 2/3 irgendeiner Kombination von Spannung und Strom, wobei für ein Gemisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft eine Entzündung gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Fig. 2 auftreten kann. Mit diesen Daten kann der Fachmann die Werte der Teile für die Schaltung näher berechnen, was mit einem Rechenbeispiel angegeben- werden wird. Die Erfindung wird zuerst mit einer Zeichnung erläutert. In dieser ist: Fig. 1: ein Prinzipschema einer erfindungsgemässen Schaltung; Fig. 2: eine Kennlinie, auf der für ein Gemisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft in der Kurve 21 bzw. 22 der minimale EntzUndungsstrom I als Funktion der Spannung V für einen Ohmschen Stromkreis eingetragen ist. Diese Kennlinie ist der Vorschrift VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Fig. 2 entnommen;

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Fig. 3: eine Kennlinie, auf der für ein Gemisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft in der Kurve 31 bzw. 32 der minimale EntzUndungsstrom I als

Funktion der Induktivität L, für einen induktiven Stromkreis, eingetragen ist. Diese Kennlinie ist der genannten Vorschrift, Absatz 49, Fig. 3 entnommen;

Fig. 4: eine Kennlinie, auf der für ein Geraisch aus Methan bzw. Wasserstoff und Luft in der Kurve 41 bzw. 42 die minimale Entztindungsspannung V als Funktion der Kapazität C, fUr einen" kapazitiven Stromkreis, eingetragen ist. Die Kennlinie ist der genannten Vorschrift, Absatz 49, Fig. 4 entnommen;

Fig. 5: eine schematische Darstellung des Ausgangsumspanners mit einigen sekundären gedruckten Schaltungen in Draufsicht;

Fig. 6: der Umspanner von Fig. 6 in Seitenansicht.

Gemäss dem in Fig. 1 wiedergegebenen Prinzipschema besteht die Schaltung aus einem Umspanner 1, der an einem 50- oder einem 60-Hz-Lichtnetz angeschlossen werden kann und an dem sekundär ein'Gleichrichter 2 angeschlossen ist. Der Umspanner 1 ist vorzugsweise ein sogenannter 'ferro-resonanter' Umspanner, wobei primäre Spannungsanderungen nur relativ geringe sekundäre Spannungsänderungen zur Folge haben; solche 'Konstantspanmmgs'-Umspanner sind im Handel erhältlich. Die abgeflachte Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters 2 wird einer Generatorschaltung 3 zugeführt, die eine Wechselspannung mit einer Frequenz erzeugt, die vorzugsweise zwischen 20 und 80 kHz liegt, zum Beispiel 50 kHz. Diese Wechselspannung wird der Primärwicklung 5 eines Umspanners 4 zugeführt, der mit einer Anzahl Sekundärwicklungen 6, 6¹ und 6" versehen ist; jede Sekundärwicklung 6 ist mit einer Gleichricht-', Abflach- und Stabilisierungsschaltung 7, 7' und 7" verbunden.

In den Figuren 5 und 6 ist die Art und Weise, wie die Teile 5 bis 7 zu einem Ganzen vereinigt sind, näher angegeben. Der magnetische Kreis des Umspanners 4 hat die Form eines Rechtecks und setzt sich aus zwei aus Ferrit bestehenden und vorzugsweise gleichen Teilen 8 und 9 zusammen, die mit Flächen 10 und 11 gegeneinander liegen. Die zwei Seiten A und B des Rechtecks, in dem sich die Teilungsflächen 10 und 11 befinden, bilden die Kerne des Umspanners, die anderen Seiten C und D bilden zwei diese Kerne verbindende Joche. An dem einen Kern A ist die Primärwicklung 5 angebracht, auf den anderen Kern B kann nach Bedarf eine Anzahl Sekundärwicklungen 6 aufgeschoben werden.

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Jede Wicklung 6 ist bei dieser Ausfuhrung in Form einer flachen Spirale an einer gedruckten Schaltplatte 12 angeordnet, auf der ebenfalls die in der Figur 1 mit 7 angegebene Schaltung untergebracht ist. Die Teile dieser Schaltung sind ein Gleichrichter 13 (zinn Beispiel eine aus 4 Dioden aufgebaute Graetz-Schaltung für doppelte Gleichrichtung), ein Kondensator 14, ein Widerstand 15, ein Kondensator 16, ein Stabilisator 17 und ein Kondensator 18. Der Widerstand hat die Funktion eines Begrenzungswiderstands und ist zugleich ein Teil des durch die Kondensatoren 14, 16 und 18 gebildeten Glättungsfilters. Der Gleichrichter 13 und der Stabilisator 17 sind in Form von auf eine gedruckte Schaltung montierbaren Blöckchen im Handel erhältlich.

Rechenbeispiel·

Verlangt wird eine eigensichere Speisung gemäss dem erfindungsgemässen Prinzip mit einer stabilisierten Spannung von 12 V, die eine maximale Stromstarke von 50 mA liefern kann; die Speisung soll in einem explosiven Wasserstoff-Luft-Gemisch brauchbar sein.

Zunächst ist nachzuprüfen, ob diese 50 mA zulässig sind. Der verwendete Spannungsstabilisator 17 hat bei maximalem Strom einen eigenen Spannungsverlust von 3 V, so dass dann die Spannung vor dem Stabilisator (bei einer richtigen Dimensionierung des Begrenzungswiderstands.15) 15 V beträgt. Bei einer Spannung, deren erforderlicher Sicherheitsfaktor 1,5-mal so gross ist, also 22,5 V, findet man in der Kennlinie Figur 2 für das erwähnte Gasgemisch einen minimalen Entztlndungsstrom von mehr als 300 mA, so dass die höchstzulässige Stromstärke gut 200 mA beträgt, nämlich einen Sicherheitsfaktor 1/1,5 = 2/3-mal so gross. Ein Strom von 50 mA ist mithin gewiss zulässig. Ferner folgen daraus der Mindestwert R des Begrenzungswiderstands 15 und die dazugehörende Ausgangsspannung

V des Gleichrichters 13. V soll in erster Linie der Summe der verlangten oo

Spannung (12 V) , des Spannungsverlusts im Stabilisator (3 V) und des Spannungsverlusts bei einer maximalen Stromabnahme von 50 mA im Begrenzungswiderstand entsprechen, also

V = 12 + 3 + 50 . 10~ . R (V in Volt, R in 0hm). ο ο _

Des weitern soll der Begrenzungswiderstand den Strom auf die vorstehend genannten 200 mA beschränken können, mithin

V = 200 . 10 R.
o

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Aus diesen zwei Gleichungen folgen fUr den Mindestwert R des Begrenzungswiderstands 15 ein Wert von 100 Ohm und ein dazu passender Wert der Ausgangsspannung V_q des Gleichrichters von 20 V.

Aus den Figuren 3 und 4 findet man, dass am Ausgang die Selbstinduktion und die Kapazität etwa 10 mH bzw. 2 ßF betragen dürfen, ohne dass die Eigensicherheit beeinträchtigt wird. FUr die Kondensatoren 14, 16 und 18 kann man drei Kondensatoren von je 0,5 μ F nehmen; die Welligkeit wird dann geringer als 100 mV. Wichtig ist, dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Prinzips die Selbstinduktion der Sekundärwicklung kein Problem darstellt, weil bei der angewandten hohen Frequenz die benötigte Anzahl der Windungen gering ist, zum Beispiel etwa 10, so dass die Selbstinduktion unter 1 mH bleibt. Ausserdem ist die Ubergangsleistung der Windungen am Kern auch aüsserst gering.

In Figur 5 ist angegeben, dass der Umspanner mit drei sekundären gedruckten Schaltungen ausgestattet ist. Mit einigen gestrichelt gezeichneten gedruckten Schaltungen wird dargestellt, dass sich diese Anzahl nach Bedarf erweitern lässt, sofern der Platz am Kern dies erlaubt. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Ausführungsform beschränkt. So können die Wicklungen 6 statt als flache gedruckte Spiralen als flache, auf den gedruckten Schaltungen befestigte Scheibenwicklungen ausgeführt sein, und die Ausführung der gedruckten Schaltung kann anders sein als hier schematisch angegeben, der magnetische Kreis braucht nicht notwendigerweise rechteckig zu sein, sondern kann auch eine andere geeignete Form besitzen. Diese und derartige Variationen werden als zur Erfindung gehörend betrachtet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.) Umformerschaltung, wobei eine 50- oder eine 60-Hz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, diese in eine Wechselspannung höherer Frequenz und diese wiederum über einen Umspanner (4) in eine oder mehrere getrennte Gleichspannungen umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Umspanner (4) einen teilbaren Ferritkern umfasst, bestehend aus einem ersten Kern (A) , um den die Primärwicklung (5) angebracht ist, einem etwa gegenüber dem ersten Kern liegenden zweiten Kern (B), um den eine oder mehrere Sekundärwicklungen (6) angebracht sind, und zwei Jochen (C und D) die die Enden der Kerne verbinden, wobei die kapazitive Kupplung zwischen der Primärwicklung (5) und der Sekundärwicklung (6) sowie zwischen den Sekundärwicklungen (6) untereinander gering ist und jede Sekundärwicklung zusammen mit zugehörender Gleichricht-, Abflach- und Stabilisierungsschaltung (7) sowie zugehörendem Begrenzungswiderstand (15) als eigensicherer Stromquelle an einer gedruckten Schaltplatte (12) angebracht ist und mehrere solcher gedruckten Schaltplatten parallel zueinander um den Sekundärkern (B) angeordenet sein können, in einer Anzahl entsprechend der gewünschten Anzahl Stromquellen, dass die höhere Frequenz mindestens einige kHz .beträgt und dass die Anzahl der Sekundärwindungen auf jeder gedruckten Schaltung (12) sowie die dementsprechende Anzahl der Primärwindungen, die Kapazität der Kondensatoren in der Abflachschaltung und der Begrenzungswiderstand derart dimensioniert sind, dass:

a. bei einer gewählten Ausgangsspannung mit einer Spannungswelligkeit von

■ weniger als 1 % die Kapazität am Ausgang der Stromquelle mit angeschlossener • gespeister Apparatur geringer ist als die Kapazität, wobei das 1,5-fache der gewählten Ausgangsspannung gleich der Entzündungsspannung ist, wie gemäss der Vorschrift VDE 0171 d/2.65, Absatz 49 in einem explosiven Gasgemisch bestimmt, in dem die angeschlossene Apparatur eigensicher eingesetzt werden können muss;

b. die Selbstinduktion der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Selbstinduktion, wobei das 1,5-fache der Stromstärke, die aus der gewählten Ausgangsspannung und dem Mindestwiderstand der angeschlossenen Apparatur folgt, gleich dem Entzundungsstrom ist, wie gemäss vorgenannter Vorschrift in dem explosiven Gasgemisch bestimmt;

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c.-der Widerstand der Stromquelle so gross ist, dass immer, besonders auch bei Kurzschluss in der angeschlossenen Schaltung, die Spannung und der Strom beide geringer bleiben als 2/3 irgendwelcher Kombination von Spannung und Strom, wobei für das explosive Gasgemisch eine Entzündung gemäss der genannten Vorschrift auftreten kann.

2. Umformerschaltung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass:

a. die höhere Frequenz zwischen 20 und 80 kHz liegt;

b. die Kapazität am Ausgang der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Kapazität, wobei das 1,5-fache der gewählten Ausgangsspannung gleich der Entzündungsspannung für ein Gemisch aus Methan und Luft gemäss der Vorschrift VDE d/2.65, Absatz 49, Figur 4 ist;

c. die Selbstinduktion der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Selbstinduktion, wobei das 1,5-fache der Stromstärke, die aus der gewählten Ausgangsspannung und dem Mindestwiderstand der angeschlossenen Apparatur folgt, dem Entzündungsstrom für ein Gemisch aus Methan und Luft gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Figur 3 entspricht;

d. der Widerstand der Stromquelle so gross ist, dass immer, besonders auch bei Kurzschluss in der angeschlossenen Schaltung, die Spannung und der Strom beide geringer bleiben als 2/3 irgendeiner Kombination von Spannung und Strom, wobei für ein Gemisch aus Methan und Luft eine Entzündung gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Figur 2 auftreten kann.

3. Umformerschaltung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass:

a. die höhere Frequenz zwischen 20 und 80 kHz liegt;

b. die Kapazität am Ausgang der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Kapazität, wobei das 1,5-fache der gewählten Ausgangsspannung der Entzündungsspannung für ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft gemäss der Vorschrift VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Figur 4 entspricht;

c. die Selbstinduktion der Stromquelle mit angeschlossener Apparatur geringer ist als die Selbstinduktion, wobei das 1,5-fache der Stromstärke, die aus der gewählten Ausgangsspannung und dem Mindestwiderstand der angeschlossenen Apparatur folgt, dem Entzündungsstrom für ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Figur 3 entspricht;

d. der Widerstand der Stromquelle so gross ist, dass immer, besonders auch

bei Kurzschluss in der angeschlossenen Schaltung, die Spannung und der Strom beide geringer bleiben als 2/3 irgendeiner Kombination von Spannung und Strom, wobei für ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft eine Entzündung gemäss VDE 0171 d/2.65, Absatz 49, Figur 2 auftreten kann.

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