DE2522964A1 - Photoelektrische kopplervorrichtung - Google Patents
Photoelektrische kopplervorrichtungInfo
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Description
TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
I35OO North Central Expressway
Dallas« Texas, V.St.A.
I35OO North Central Expressway
Dallas« Texas, V.St.A.
Photoelektrische Kopplervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische
Kopplervorrichtung, wie sie allgemein als Trennelement zwischen elektrischen Stromkreisen verwendet wird, und
sie bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung der Stromübertragungscharakteristik dieser Kopplervorrichtungen.
Eine photoelektrische Halbleiter-Kopplervorrichtung besteht aus einer elektrolumineszierenden Halbleiterdiode
und aus einem Halbleiter-Lichtdetektor, die in einem Metall- oder Kunststoffgehäuse untergebracht und
voneinander isoliert sind. Wenn an die elektrolumineszierende Diode ein Strom I^ angelegt wird, dann sendet
sie eine Lichtstrahlung aus, die den Lichtdetektor anregt. Dieser liefert dann einen Strom I2, der von der Stärke
des an die elektrolumineszierende Diode angelegten Stroms abhängt. Das Verhältnis I2/1-! stellt die Übertragungscharakteristik
der Kopplervorrichtung dar.
Schw/Ba
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Dieses Verhältnis hängt ebenso wie die Isolation zwischen der elektrolumineszierenden Diode und dem Lichtdetektor
vom Abstand zwischen diesen zwei Bauelementen ab.
Bei herkömmlichen photoelektrischen Kopplervorrichtungen ist zwischen die. elektrolumineszierende Diode und den
Lichtdetektor ein Übertragungsmedium eingefügt, das von einem lichtdurchlässigen Harz, einer Glasplatte oder
einem im Gehäuse der Kopplervorrichtung enthaltenen Gas gebildet ist. Wenn die Kopplervorrichtung in einem
Gehäuse ausgeformtem Kunststoff wie einem Epoxydharz oder einem Silikon enthaltenden Kunststoff untergebracht
wird, absorbiert das Material des Gehäuses einen beträchtlichen Teil der von der eiektrolumineszierenden
Diode abgestrahlten Energie. Wenn die Kopplervorrichtung in einem Metallgehäuse untergebracht wird, reflektiert
dieses Gehäuse auf Grund der Tatsache, daß ssine Innenwände
in einem relativ großen Abstand von der Diode und vom Lichtdetektor liegen, nur einen kleinen Teil
des Lichts, das es von der elektrolumineszierenden Diode empfängt, gegen den Lichtdetektor. Dies führt
dazu, daß bei bekannten photoelektrischen Kopplervorrichtungen ein nicht vernachlässigbarer Anteil des von
der elektrolumineszierenden Diode ausgesendeten Lichts den Lichtdetektor nicht erreicht, was eine Reduzierung
des Verhältnisses Ip/^1 nack si°k zieht.
Mit Hilfe der Erfindung wird demgemäß eine photoelektrische Kopplervorrichtung mit einem Lichtsender und einem
Lichtdetektor geschaffen, bei der zwischen dem Lichtsender und dem Lichtdetektor ein lichtdurchlässiges
Medium eingefügt ist und ein lichtreflektierendes Material wenigstens einen Teil der Oberfläche des lichtdurchlässigen
Mediums überdeckt, damit wenigstens ein Teil des vom Lichtsender abgegebenen Lichts gegen den Lichtdetektor
reflektiert wird, das sonst im lichtdurchlässigen Medium gestreut würde.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Lichtsender und der Lichtdetektor so angeordnet, daß sich
ihre aktiven Oberflächen gegenüberliegen, wobei das lichtreflektierende Material den Lichtsender und den
Lichtdetektor umgibt und etwa parallel zur Richtung der Lichtübertragung verläuft.
In einer weiteren Ausführungsform liegen der Lichtsender und der Lichtdetektor seitlich nebeneinander, und ihre
aktiven Oberflächen sind gegen eine Fläche des mit einem lichtreflektierenden Material bedeckten lichtdurchlässigen
Mediums gerichtet, wobei diese Fläche zur Verstärkung der Reflexion des Lichts vom Lichtsender zum Lichtdetektor
geformt sein kann. Diese Ausführungsform kann besonders kompakt mit geringer Höhe aufgebaut werden.
Eine Kopplervorrichtung kann in einem herkömmlichen Gehäuse, einem Kunststoff- oder Metallbecher untergebracht
sein. Zur Erzielung einer größeren Kompaktheit und zur Vereinfachung der Herstellung kann jedoch das licht reflektierende
Material selbst eine äußere Schutzhülle oder ein Gehäuse für die Kopplervorrichtung bilden.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Schnittansicht einer herkömmlichen
photoelektrischen Kopplervorrichtung,
Fig.2 und 3 schematische Schnittansichten verschiedener
Aüsführungsformen einer erfindungsgemäßen photoelektrischen
Kopplervorrichtung,
Fig.4 eine abwechselnde Aneinanderreihung herkömmlicher
und erfindungsgemäßer Kopplervorrichtungen,
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Fig.5 und 6 Vergleichskurven über das Verhalten herkömmlicher
und erfindungsgemäßer Kopplervorrichtungen bezogen auf Fig.4 und
Fig.7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kopplervorrichtung.
Die in Fig.1 dargestellte herkömmliche Kopplervorrichtung
enthält einen Lichtsender 1, beispielsweise eine elektrolumineszierende
Halbleiterdiode, und einen Halbleiter-Lichtdetektor 2, dessen aktive Oberfläche der aktiven
Oberfläche der elektrolumineszierenden Diode gegenüberliegt. Der eigentliche Aufbau des Lichtsenders 1 und
des Lichtdetektors 2 sind bekannt, so daß sie hier nicht beschrieben werden müssen. Zwischen die elektrolumineszierende
Diode 1 und den Lichtdetektor"2 ist' ein
lichtdurchlässiges Medium 3, beispielsweise ein Harz, eine Glasplatte oder ein Gas, eingefügt; die auf diese
Weise gebildete Anordnung ist von einem Gehäuse 4 aus Kunststoff (oder Metall) umschlossen, durch das elektrische
Anschlußleiter 14 zur Diode 1 und zum Detektor 2 führen.
Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die Stroraübertragungscharakteristik
der Kopplervorrichtung, die durch das Verhältnis zwischen dem der elektrolumineszierenden Diode
zugeführten Strom I^ und dem vom Lichtdetektor 2 abgegebenen
Strom Ip gegeben ist, von der beispielsweise vom Gehäuse 4 bewirkten Absorption eines Teils des
"von der Diode 1 ausgesendeten Lichts ungünstig beeinflußt.
In Fig.2 ist eine gemäß der Erfindung ausgebildete photoelektrische
Kopplervorrichtung dargestellt, die eine
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beträchtliche Verbesserung dieser Charakteristik erlaubt.
Die in Fig.2 dargestellte Kopplervorrichtung ist allgemein
ebenso aufgebaut wie die Kopplervorrichtung von Fig.1, so daß für entsprechende Teile dieser zwei Kopplervorrichtungen
geeignete Bezugszeichen verwendet sind.
Der Unterschied zwischen der herkömmlichen Kopplervorrichtung und der in Fig.2 dargestellten Kopplervorrichtung
besteht darin, daß zwischen das lichtdurchlässige Medium 3,(das zweckmässigerweise aus einem Lackfirnis
Dow-Corning R6104 bestehen kann) und das Gehäuse 4 eine Schicht 5 aus reflektierendem Material eingefügt
ist, damit wenigstens ein Teil des von der elektrolumineszierenden Diode ausgesendeten Lichts, das sonst
vom Material des Gehäuses 4 absorbiert würde, zum Lichtdetektor 2 reflektiert wird. Diese Schicht 5 umgibt den
Lichtübertragungsweg zwischen der Diode und dem Lichtdetektor. Das reflektierende Materiel ist ebenfalls ein
elektrischer Isolator, so daß er das lichtdurchlässige Medium 3 gegenüber dem Gehäuse 4 der Kopplervorrichtung
isoliert.
Das Material der reflektierenden Schicht kann allgemein von einem isolierenden Pulver gebildet sein, das auf
Grund seiner Granulatstruktur oder seiner ihm eigenen Eigenschaften einen hohen Reflexionskoeffizienten aufweist.
Dieses Pulver bildet vorzugsweise das Füllmaterial eines Kunststoffs, der als Binder wirkt. Beispielsweise
kann der reflektierende Überzug aus einem Lackfirnis Dow-Corning R61O3 bestehen, der mit
0,5 wm Aluminiumoxid gefüllt ist.
Als Pulver, die verwendet werden können, haben sich Pulver aus Oxiden wie TiO2, MgO, BeO oder Pulver
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aus chemischen Verbindungen von Barium wie Bariumsulfat
oder andere Salze dieses Metalls als besonders geeignet erwiesen. Die Oxide können auch durch Aufdampfen direkt
auf dem lichtdurchlässigen Medium 3 aufgebracht werden.
Es ist auch möglich, Teilchen aus Polytetrafluoräthylen
oder aus anderen weißen Harzen mit den entsprechenden Isolations- und Reflexionseigenschaften zu verwenden.
Die in Fig.3 dargestellte photoelektrische Kopplervorrichtung
ist eine Alternativausführung zu der in Fig.2 dargestellten Kopplervorrichtung. Sie enthält eine
elektrolumineszierende Diode 6 und einen seitlich im Abstand davon angebrachten Lichtdetektor 7. Diese zwei
Bauelemente sind in einem lichtdurchlässigen, kuppeiförmig ausgebildeten Körper 8 eingeschlossen. Die
aktiven Oberflächen der Diode 6 und des Lichtdetektors 7 sind gegen die kuppeiförmige Fläche des Körpers 8 gerichtet.
Eine aus reflektierendem Material bestehende Kappe 9 umgibt die obere kuppelförraige Oberfläche des
lichtdurchlässigen Mediums, während eine ebenfalls aus reflektierendem Material bestehende kleinere Kappe 10
einen Teil des lichtdurchlässigen Körpers zwischen der Diode 6 und dem Detektor 7 gegenüber der i'appe 9 umgibt.
Die gesamte Anordnung ist von einem (nicht dargestellten)
Gehäuse aus Kunststoff umschlossen, durch das in einer Ebene liegende elektrische Anschlußleiter 15 zu der
Diode 6 und zum Detektor 7 verlaufen.
Aus der relativen Lage der elektrolumineszierenden Diode und des Lichtdetektors 7 ist zu erkennen, daß die Kappe
eine wichtige Rolle spielt, da ein großer Teil des von der Diode 6 ausgesendeten Lichts gegen den Lichtdetektor
reflektiert wird. Eine geeignete Formgebung und Dimensionierung der Kappe erhöht d-en Anteil des einfallenden Lichts,
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der zum Lichtdetektor 7 reflektiert wird.
Eine Kopplervorrichtung der in Fig.3 angegebenen Art,
bei der der Lichtsender und der Lichtdetektor in einer Ebene angebracht sind, kann als Folge der Verwendung der
reflektierenden Flächen der Kappen 9 und 10 direkt, d.h. ohne Verwendung eines äußeren Gehäuses , verwendet werden.
Eine solche koplanare Anordnung ist vorteilhaft, da sie beispielsweise eine Verringerung der Höhe des
Gesamtgehäuses gestattet.
Mit einer herkömmlichen photoelektrischen Kopplervorrichtung und mit den hier beschriebenen erfindungsgemäßen
Kopplervorrichtungen sind Wirkungsgrad-Vergleichsmessungen durchgeführt worden. Dazu wurden
Lichtsender aus elektrolumineszierenden Halbleiterdioden und Lichtdetektoren aus Phototransistoren
verwendet, die jeweils aus einer speziellen Herstellungscharge stammten.
Die Dioden und ihre zugehörigen Phototrancistoren waren auf einem Band 10 (Fig.4) gegenüberliegend oder
Seite an Seite befestigt, wobei der Abstand zwischen einer Diode und einem Transistor , die für die Bildung
eines photoelektrischen Koppelpaars vorgesehen waren, zwischem jedem Paar konstant gehalten wurde. Zwischen
der Diode und dem Phototransistor eines Paars wurde jeweils ein lichtdurchlässiges Harz angebracht. Abwechselnde
Paare aus Diode und Phototransistor wurden in ein elektrisch isolierendes Harz eingeschlossen, das
mit einem fein verteilten Pulver aus Aluminiumoxid gefüllt war.
Dabei ergab sich die in Fig.4 dargestellte Anordnung,
bei der auf einem einzigen Band 10 herkömmliche photoelektrische Kopplervorrichtungen 11 abwechselnd mit
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photoelektrischen Kopplervorrichtungen 12 nach der Erfindung aufeinanderfolgen. Die photoelektrischen Kopplervorrichtungen
werden auf diese Weise unter den gleichen Bedingungen hergestellt und getestet, so daß die erhaltenen
Ergebnisse verglichen werden können. Die Tests werden bezüglich der elektrischen Parameter der Testvorrichtungen ausgeführt,
und die Ergebnisse sind in den Figuren 5 und dargestellt.
In Fig.5 zeigt die Kurve (a) die Verstärkung (hyg) des
Lichtdetektors einer herkömmlichen Kopplervorrichtung ohne reflektierende Oberfläche wie die Kopplervorrichtung von
Fig.1.
Die Kurven (b) und (c) zeigen die Verstärkung der Lichtdetektoren der erfindungsgemäßen Kopplervorrichtungen
nach Fig.2 bzw.Fig.3.
In Fig.6 gibt die Kurve (a) die Verteilung des Stromwerts
eines Lichtdetektors einer herkömmlichen Kopplervorrichtung an, wie sie in Fig.1 dargestellt ist.
Die Kurve (b) zeigt die Verteilung des entsprechenden Stroms für eine Kopplervorrichtung mit einer reflektierenden
Oberfläche nach der Erfindung, wie sie in Fig.2 dargestellt ist.
Die Kurve (c) zeigt die Verteilung des Lichtdetektorstroms aus einer Kopplervorrichtung mit einer reflektierenden
Schicht nach der Erfindung, wie sie in Fig.3 dargestellt ist.
Es ist bei einer Kopplervorrichtung gemäß Fig.2 im Vergleich zu der in Fig.1 dargestellten Kopplervorrichtung
eine Verbesserung der Stromübertragung von etwa 60% zu erkennen.
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Bei der Kopplervorrichtung nach Fig.3, deren elektrolumineszierende
Diode und deren Lichtdetektor.nebeneinander angebracht sind, ist die Übertragungscharakteristik
zwar niedriger als die einer herkömmlichen photoelektrischen Kopplervorrichtung nach Fig.1, doch bietet sie
wegen der Einfachheit der Herstellung und der Kompaktheit, insbesondere der Erniedrigung der Gehäusehöhe
immer noch Vorteile.
Die in Fig.2 dargestellte photoelektrische Kopplervorrichtung
enthält ebenso wie die Kopplervorrichtung nach Fig.3 eine Schicht 5 (9) aus reflektierendem Material
zwischen dem lichtdurchlässigen Medium 3 (8) und dem Gehäusematerial. Das Gehäuse kann jedoch auch von dem
reflektierenden Material selbst gebildet sein. Beispielsweise könnten der Lichtsender, der Lichtdetektor und das
lichtdurchlässige Medium mittels eines Presspritzverfahrens
in einer lichtreflektierenden Spritzmasse eingeschlossen werden, beispielsweise in einer Spritzmasse,
die ein Pulver enthält, wie es oben beschrieben wurde.
In der in Fig.7 dargestsUten weiteren Ausführungsform
sind die lumineszierende Diode 6 und der Lichtdetektor nebeneinander angebracht und von einem lichtdurchlässigen
Körper 16 mit rechtwinkligem Querschnitt umgeben. Die
aktiven Oberflächen der Diode 6 und des Lichtdetektors sind gegen die ebene obere Fläche des Körpers 16
gerichtet, die mit einer Schicht 17 aus einer lichtreflektierenden Farbe überzogen ist. Vorzugsweise sind
auch die Seitenwände 18 des Körpers 16 mit der lichtreflektierenden Farbe überzogen. In diesem selbst abkapselnden
Aufbau liegen die elektrischen Anschlußleiter 19 der Diode 6 und des Lichtdetektors 7 in einer
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Ebene miteinander und mit der Bodenfläche des Körpers 16. Wenn es vorgezogen wird, können die Anschlußlei-
■feer 19 auch beispielsweise in der in den Figuren 1 und
dargestellten Weise gegenüber der Bodenfläche des Körpers 16 verschoben werden.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Lichtsender in geeigneter Weise
von einer Halbleiterdiode gebildet sein, und der Lichtdetektor kann aus einer Photodiode oder aus einem
Phototransistor bestehen. Die Bezugnahme auf "photoelektrisch", "lichtdurchlässig" und "lichtreflektierend"
umfassen sowohl sichtbare als auch nicht sichtbare Abschnitte des Spektrums.
Die Erfindung ist hier zwar an Hand spezieller Ausführungsbeispiele
beschrieben worden, doch sind im Rahmen der Erfindung auch weitere Abwandlungen möglich.
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Claims (21)
- PatentansprüchePhotoelektrische Kopplervorrichtung mit einem Lichtsender, einem im Abstand vom Lichtsender angebrachten Lichtdetektor und einem wenigstens zwischen den Lichtsender und den Lichtdetektor eingefügten lichtdurchlässigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auf einem Teil der Oberfläche des lichtdurchlässigen Mediums ein Lichtreflektor angebracht ist, der vom Lichtsender abgestrahltes Licht, das auf ihn auftrifft, zum Lichtdetektor reflektiert.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor eine äußere Schutzhülle der Kopplervorrichtung bildet.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einem gefüllten Kunststoffmaterial besteht.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial mit einem Pulver gefüllt ist, das aus Titanoxid (TiO2), Magnesiumoxid (MgO), Berylliumoxid (BeO) oder Aluminiumoxid (AlpO-*) besteht.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einem mit einer pulverförmigen Berylliumverbindung gefüllten Kunststoffmaterial besteht.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einem mit Harzteilchen gefüllten Kunststoffmaterial besteht.509849/0777
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor aus einem Harz besteht.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz Polytetrafluorathylen ist.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einer aufgedampften isolierenden Oxidschicht gebildet ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Oxidschicht aus Titanoxid (TiO2), Magnesiumoxid (MgO), Berylliumoxid (BeO) oder Aluminiumoxid (AIpO,) besteht.
- 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einer Schicht aus einer reflektierenden Farbe auf einer Außenfläche des lichtdurchlässigen Mediums besteht.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Gehäuse umgeben ist.
- 13. Photoelektrische Kopplervorrichtung, gekennzeichnet durch einen Halbleiterleiter-Lichtsender, der neben einem Halbleiter-Lichtdetektor angeordnet ist, wobei der Lichtsender und der Lichtdetektor eine aktive Oberfläche aufweisen, die zur gleichen Richtung hin gerichtet sind, einen isolierenden, lichtdurchlässigen Körper, der den Lichtsender und den Lichtdetektor umgibt, und einen Lichtreflektor, der wenigstens einen Teil eines Oberflächenbereichs des lichtdurchlässigen Körpers zum Reflektieren von Licht vom Lichtsender gegen den Lichtdetektor überdeckt.509849/0777
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13f dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Körper eine kuppeiförmige Fläche aufweist, daß die aktiven Oberflächen des Lichtsenders und des Lichtdetektors gegen diese kuppeiförmige Fläche gerichtet sind und daß der Lichtreflektor eine lichtreflektierende Schicht enthält, die die kuppeiförmige Fläche bedeckt.
- 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtsender und dem Lichtdetektor an einer der kuppeiförmigen Fläche gegenüberliegenden Fläche des lichtdurchlässigen Körpers ein kappenförmiger Lichtreflektor angebracht ist.
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor eine äußere Schutzhülle der Vorrichtung bildet.
- 17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Körper aus einem Harzkörper besteht, der eine im wesentlichen ebene, zu den aktiven Oberflächen des Lichtsenders und des Lichtdetektors gerichtete Fläche aufweist, und daß der Lichtreflektor aus einer Schicht aus lichtreflektierendem Material besteht, die wenigstens die im wesentlichen ebene Fläche. des lichtdurchlässigen Körpers bedeckt.
- 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Körper einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, daß der Lichtsender und der Lichtdetektor bei einer Fläche des lichtdurchlässigen Körpers angebracht sind, die der im wesentlichen ebenen Fläche des Körpers gegenüberliegt,509849/0777und daß in dem lichtdurchlässigen Körper eine in einer Ebene liegendeAnordnung aus elektrischen Anschlußleitern ragt, die die elektrische Verbindung zu dem . Lichtsender und dem Lichtdetektor herstellt.
- 19. PhotQglektrische Kopplervorrichtung, mit einem Halbleiter-Lichtsender mit einer aktiven Oberfläche, einem Halbleiter-Lichtdetektor mit einer der aktiven Oberfläche des Lichtsenders gegenüberliegenden aktiven Oberfläche und einem lichtdurchlässigen Medium zwischen den aktiven Oberflächen des Lichtsenders und des Lichtdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender und der Lichtdetektor von einem Lichtreflektor umgeben sind, der etwa parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts vom Lichtsender gegen den Lichtdetektor verläuft.
- 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtreflektor aus einer Schicht aus lichtreflektierendem Material besteht.
- 21. Vorrichtung nach Anspruch 19,- gekennzeichnet durch ein äußeres Schutzgehäuse»509849/0777Leerseite
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