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Die
Erfindung betrifft eine Transistorklemmvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
der Hochfrequenztechnik werden Geräte und Baugruppen in der Regel
aus Schirmungsgründen
in einem geschirmten Gehäuse,
d. h. einem Metallgehäuse
untergebracht. Die Leistungstransistoren haben eine hohe Verlustleistung
und müssen
deshalb mit entsprechend groß dimensionierten
Kühlkörpern versehen
sein.
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Üblicherweise
wird deshalb ein entsprechendes zu kühlendes elektrisches Bauteil,
so z. B. auf einer Leiterplatte angeschlossen, dass dessen Kühlfläche mit
einem von der Leiterplatte vorstehenden und je nach abzuführender
Wärmemenge
mit verschieden geformten und einer unterschiedlichen Anzahl von
einzelnen Rippen versehenen Kühlkörper in Kontakt
steht. Der Metallflansch des zu kühlenden Bauteils (HF-Leistungstransistor)
ragt durch eine Aussparung der Leiterplatte und liegt flächig auf
einer planen Ausfräsung
der Kühlplatte.
Die Anschlussfahnen des Transistors sind mit den Anschlussflächen der
Leiterplatte verlötet.
Die Kühlplatte
dient dabei zunächst
zur Spreizung der Wärme.
Die Verlustwärme
kann je nach Ausführung über Kühlkanäle, die sich
in der Kühlplatte
befinden, an eine Kühlflüssigkeit
oder über
Kühlrippen,
die thermisch mit der Kühlplatte
verbunden sind, an die durch die Rippen geführte Luft abgegeben werden.
Die Kühlrippen
befinden sich typisch auf der den Leistungstransistoren gegenüberliegenden
Seite des Kühlkörpers.
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Um
einen Leistungstransistor in entsprechender Lage in gutem Kontakt
zur Gehäusewand-Innenfläche zu halten,
ist bei der
DE 43 27
335 A1 eine Vorspanneinrichtung vorgesehen. Mittels der Vorspanneinrichtung,
die aus einer Federspange bzw. einem Federbügel besteht, wird das Bauteil
in vorbestimmter Lage gehalten. Dadurch ist es möglich, als Kühlkörper die
Gehäusewand
selbst zu verwenden. Die rückwärtige Abstützung ist
in Form einer das elektrische Bauteil überspannenden Brücke gestaltet
und kann so in ausreichendem Seitenabstand von dem elektrischen
Bauteil mittels Schrauben direkt an der Gehäusewand befestigt werden. Nachteilig
an dieser Klemmvorrichtung ist insbesondere die nur punktuell wirkende
Federspange, die keine gleichmäßige Verteilung
der Kraft auf das komplette elektrische Bauteil gewährleistet
und damit nut einen begrenzt guten Wärmetransport zum Kühlkörper bewerkstelligt.
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Zu
den Unterschieden der vorliegenden Erfindung zur
DE 43 27 335 A1 ist noch
auf Folgendes hinzuweisen:
Bei der
DE 43 27 335 A1 sollen netzspannungsgeführte Bauteile
elektrisch isolierend zur Wärmeableitung
auf eine Kühlplatte
gedrückt
werden. Das Material Kunststoff wird hier also als Isolation von
hohen elektrischen Spannungen verwendet und nicht zur Unterbrechung
einer elektromagnetisch funktionierenden Übertragerwicklung, die sich
aus leitendem Material um den Transistor bildet. Ein Hauptgesichtspunkt
der
DE 43 27 335 A1 ist
es, durch die Verwendung der Feder eine Montage mit der relativ
dünnwandigen
Gehäusewand
zu erzielen, um diese bei gleichzeitig ausreichender elektrischer
Isolation als Kühlkörper zu
verwenden. Dies kommt bei der erfindungsgemäßen Anwendung wegen der hohen
Verlustleistung nicht in Betracht. Bei der
DE 43 27 335 A1 drückt die
Haltevorrichtung nicht auch auf den Transistorflansch. Der Druck
erfolgt hier ausschließlich über die
Feder.
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Die
DE 43 27 335 A1 ist
bezüglich
der Stabilität
des Halteklotzes unkritisch, da lediglich das zu kühlende Bauteil
plan an die Gehäusewand
angedrückt
wird. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
muss soviel Kraft von der Feder aufgebracht werden, dass sich der
vergleichsweise sehr breite Transistorflansch mittig soweit durchbiegt,
dass es zu einem guten thermischen und auch elektrischen Kontakt
in der Mitte des Bauteils kommt, von wo die meiste Wärme abgeführt werden
muss. Der Halteklotz kann dabei vorzugsweise als Gegenlager diese
gesamte Kraft aufnehmen. Die technische Realisierbarkeit bei der
Verwendung von Kunststoff als Material für den Halteklotz wird erst
durch konstruktive Maßnahmen
ermöglicht,
damit dieser den Kräften
dauerhaft standhält.
Die hohen Belastungen an dem Halteklotz werden erfindungsgemäß so minimiert,
dass die Verwendung von Kunststoff erst ermöglicht wird.
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Ein
weiterer Unterschied besteht in der bevorzugten konstruktiven Ausführung: Bei
der
DE 43 27 335 A1 befinden
sich die Gewinde für
die Befestigungsschrauben in der Haltevorrichtung. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
befinden sich an vergleichbarer Stelle Durchgangsbohrungen. Die Gewinde
sind in der massiven Kühlplatte
eingebracht, da die Schrauben den Druck der Feder standhalten müssen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Transistorklemmvorrichtung
bereitzustellen, die optimal für
den Wärmeabfluss
sorgt und damit für
die bestmögliche
Kühlung
des Leistungstransistors sorgt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der hierauf rückbezogenen
Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Transistorklemmvorrichtung bei
der ein Halteklotz den Transistor übergreift. Eine zwischen Halteklotz
und einer Andrückplatte
liegende Feder, vorzugsweise eine metallene Blattfeder, wird vorzugsweise
durch das Anziehen von z. B. zwei Schrauben vorgespannt. Sie drückt dadurch
auf die zwischen Transistor und Feder aufliegende Andrückplatte,
so dass die Andrückplatte
gleichmäßig auf
dem Transistor fixiert wird. Der über die Andrückplatte
auf den Transistor gleichmäßig ausgeübte Druck
bedingt eine gute Wärmeleitung
und zusätzlich
eine gute elektrische Masseanbindung zu dem Kühlkörper auf der der Andrückplatte
abgewandten Seite.
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Der über die
Andrückplatte
ausgeübte Druck,
verteilt sich so gleichmäßig über die
gesamte Transistorfläche,
dass keine punktuellen Druckstellen entstehen und die Wärmeleitung
optimal funktioniert und damit die harte und zerbrechliche Keramikkappe
bei dem hohen Druck nicht beschädigt
wird was beim einem punktuellen Druck der Fall sein könnte, da
die Kappe in der Mitte hohl ist.
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Die
Blattfeder wirkt in vorteilhafter Weise über die gesamte Breite auf
den Halteklotzes. Ein mittiges Durchbiegen des Halteklotz wird dadurch ausgeschlossen.
Das Durchbiegen wird vorzugsweise dadurch verhindert, dass die Enden
der Blattfedern sehr nahe der Schrauben zum Aufliegen kommen. Beim
Stand der Technik erfolgt der Druck dagegen über eine mittige Schraube,
was ein Durchbiegen des Klotzes zur Folge hat, insbesondere wenn dieser
aus Kunststoff ist. Das Aufliegen der Feder über die Breite des Halteklotzes
verhindert ein Nachgeben bzw. ein Fliessverhalten des Kunststoffs
durch den hohen Druck über
die Lebensdauer.
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Die
Blattfeder hat vorzugsweise einen abgerundeten Rand. Die Blattfeder
befindet sich in einem Zwischenraum, der ein Teil einer Ausnehmung
des Halteklotzes ist. Sie ist zwischen Halteklotz und der Andrückplatte
eingespannt. Über
die Federvorspannung und den Abstand zwischen Halteklotz und Andrückplatte
wird ein definierter Anpressdruck erzeugt. Es wird kein definiertes
Anzugsdrehmoment der Schrauben zum Erzeugen eines definierten Anpressdrucks
benötigt,
da dieses automatisch bei der Montage der beiden Schrauben im Halteklotz
erreicht wird.
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Die
zwischen Blattfeder und Transistor liegende Andrückplatte erfüllt in vorteilhafter
Weise die Funktion eines Klemmelementes. Sie liegt plan auf dem
Transistor auf und wird von der vorgespannten Blattfeder in dieser
Position fixiert. Der durch die Blattfeder ausgeübte Druck verteilt sich gleichmäßig über die
Oberfläche
der Andrückplatte
und wird auf die gesamte Auflagefläche des Transistors übertragen.
Es entstehen wegen der planen Druckverteilung keine punktuellen
Druckstellen, die einen deutlich schlechteren Wärmeabfluss zum Kühlkörper bewirken
würden.
Außerdem
kommt es zu keinen lokalen Materialdeformationen. Auch besteht eine
schlechte Masseanbindung und die Gefahr der Beschädigung der
Keramikkappe des HF-Leistungstransistors.
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Beim
Transistor wird das Auftragen von Wärmeleitpaste auf der Andruckplatte
abgewandten Seite sinnvoll. Die Wärmeleitpaste verbessert die
Wärmekopplung
zwischen Transistor und Kühlkörper so weit,
dass der Wärmeabfluss
mit einem deutlich geringeren Wärmeleitkoeffizienten über die
gesamte aufliegende Fläche
erfolgt. Die Wärmeleitpaste
kann zur Verbesserung der Masseanbindung idealer Weise auch elektrisch
leitfähig
sein. Es kann auch eine Wärmeleitfolie
zwischen Transistorflansch und Kühlkörper gelegt
werden. Diese muss dann jedoch eine gute elektrische Leitfähigkeit
aufweisen, da sonst die Masseanbindung unterbrochen wird.
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Die
neuartige Transistorklemmvorrichtung, insbesondere der Halteklotz,
besteht in vorteilhafter Weise aus einem druck- und temperaturfesten
Kunststoff. Das hat Auswirkungen auf die elektrischen und thermischen
Materialeigenschaften. Der Halteklotz muss insbesondere elektrisch
isolierend ausgeführt sein,
deshalb vorzugsweise Kunststoff, damit es nicht zu einer Spulenwicklung
kommt. Die Wärme
wird nicht über
die gesamte Vorrichtung verteilt, sondern nur an den wärmeleitenden
Stellen lokalisiert und abgeführt.
Die Erwärmung
des Transistors und des Kühlkörpers hat
keinen Einfluss auf andere Teile der Vorrichtung. Deshalb wird auch
aufgrund der thermischen Belastung kein Teil der Vorrichtung deformiert.
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Durch
die elektrischen Isoliereigenschaften des Kunststoffs wird die elektromagnetische
Verkopplung zum Hochfrequenz-Leistungstransistor unterbunden. Der
Halteklotz hat nicht mehr die Möglichkeit über eine
elektromagnetische Kopplung zum Transistor einen Stromkreis zu schließen, der
wie eine kurzgeschlossene Übertragerwicklung
wirkt. Dadurch können
keine Resonanzen entstehen, die die Hochfrequenzeigenschaften des
Transistors empfindlich stören
könnten.
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Die
Druckbeständigkeit
des Kunststoffmaterials ist im Zusammenhang mit der Spannung der Blattfeder
ein Vorteil. Die Belastung des Kunststoffs wird dadurch minimiert,
dass die Blattfeder in unmittelbarer der Nähe der Schrauben über die
gesamte Breite auf dem Halteklotz auf liegt. Der Halteklotz, der als
Gegenlager für
die Feder dient, muss deshalb den Druck nicht über einen langen Hebel übertragen, wodurch
er sich verbiegen würde
und auf Dauer ein Setzverhalten aufweisen würde. Die Blattfeder steht nach
dem Einbau unter ständiger
Spannung. Durch den Druck, den sie auf den Halteklotz permanent ausübt, kann
sie ihn deformieren und sogar durchbiegen. Durch die Druckbeständigkeit
ist auch auf Dauer die Formerhaltung des Halteklotzes erreicht.
Das wirkt sich in vorteilhafter Weise auf den Erhalt des Drucks
auf die Andruckplatte und damit auch auf die Wärmeleitfähigkeit des Transistors zum
Kühlkörper aus.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen, in der ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung schematisch dargestellt ist, beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Querschnitt der erfindungsgemäßen Transistorklemmvorrichtung;
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2 eine
Draufsicht auf die erfindungsgemäße Transistorklemmvorrichtung
und
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3 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Transistorklemmvorrichtung.
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In
der 1 wurde eine Querschnittsdarstellung gewählt um den
inneren Aufbau der Transistorklemmvorrichtung zu verdeutlichen.
Der Halteklotz 2, der den gesamten Transistor 4 übergreift
bzw. überspannt
ist als die von den Schrauben 5 begrenzt Kunststoffbrücke zu erkennen.
Der Halteklotz 2 überdeckt
den Rest der gesamten Vorrichtung. Der Halteklotz 2 beginnt
an seiner Oberseite mit den Bohrungen für die Schrauben 5 und
erstreckt sich nach unten. Seitlich außerhalb der Ausnehmung 6 sind
die Schrauben 5 geführt,
die den Halteklotz 2 auf dem Kühlkörper 18 befestigen.
Die Führungen 20 der Schrauben 5 sind
in einer rechteckigen Ausnehmung 14 auf der Oberseite des
Halteklotzes 2 eingebohrt, so dass die Schrauben 5 nach
dem Anziehen komplett in der Ausnehmung 14 im Halteklotz 2 verschwinden.
Die Ausnehmung ist vorzugsweise durch zwei Längsstege auf dem Halteklotz 2 gebildet,
die diese Ausnehmung 14 bilden und zur Stabilität gegen Durchbiegen
dienen.
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Im
Inneren des Halteklotzes 2 befindet sich eine rechteckige
Ausnehmung 6, in der sich der Transistor 4, die
Andruckplatte 1 und die Blattfeder 3 befinden.
Seitlich reicht die Größe der Ausnehmung 6 bis
fast zu den eingebohrten Führungen 20 der Schrauben 5.
In vertikaler Richtung reicht die Ausnehmung 6 von der
unteren Kante bis etwa zur halben Höhe des Halteklotzes 2.
Der Halteklotz 2 stellt in der Ausnehmung 6 einen
ausreichend großen
Zwischenraum für
die Blattfeder 3 bereit, die sich beim Befestigen der Schrauben 5 in
dem Zwischenraum definiert anspannt.
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Die
Blattfeder 3 ist im Querschnitt bogenförmig geformt und ist in ihrem
mittleren Teil U-förmig durchgebogen.
Ihre seitlichen Ränder
sind etwas in Gegenrichtung nach unten gebogen, so dass sie sich beim
anspannen der Blattfeder 3 nicht in den Halteklotz 2 bohren
können.
Mit der Bauchseite des U-förmigen
Teils der Blattfeder 3 wird die Andrückplatte 1 fixiert.
Auf die Blattfeder 3 wird der Halteklotz 2 gelegt und
mittels der Schrauben 5 mit dem Transistor 4 auf dem
Kühlkörper 18 verschraubt.
Die Blattfeder 3 liegt in einem Zwischenraum, der auch
die Andrückplatte 1 aufnimmt,
so dass das Anziehen der Schrauben 5 die Blattfeder 3 definiert
spannt und die Andrückplatte 1 auf
dem Transistor 4 fixiert.
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Die
Blattfeder 3 ist von ihren Ausmaßen her etwa so breit wie der
Zwischenraum in dem sie sich befindet. Die Andrückplatte 1 liegt plan
auf dem Transistor 4 auf und wird von der gespannten Blattfeder 3 gleichmäßig auf
den Transistor 4 gedrückt.
Durch die Verteilung des Drucks über
die Andrückplatte 1 auf den
Transistor 4, wird eine gleichmäßige Wärmekopplung zwischen dem Transistor 4 und
dem Kühlkörper 18 auf
der der Andrückplatte 1 abgewandten Seite
aufgebaut. Die Andrückplatte 1 ist
im Ausführungsbeispiel
genauso breit wie der darunter liegende Transistor 4. Die
Dicke der Andrückplatte 1 ist
in etwa vergleichbar mit der Höhe
des Zwischenraums, in dem sich die angespannte Blattfeder 3 befindet.
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Auf
dem Transistor 4 liegt eben die Andrückplatte 1. Er liegt
eben auf dem Kühlkörper 18 in
einer rechteckigen Ausnehmung 16 des Kühlkörpers 18 auf. Er füllt die
Ausnehmung 16 nicht vollständig aus, sondern schließt bündig mit
den Kanten des Halteklotzes 2 ab, so dass eine kleine Lücke an beiden Seiten
der Klemmvorrichtung in der Ausnehmung 16 entsteht.
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Neben
dem seitlichen Rand des Transistors 4 befinden sich die
Bohrungen. Die Schrauben 5 werden durch den Halteklotz 2 in
den Kühlkörper 18 geschraubt.
Das Gewinde 7 der Schrauben 5 reicht bis tief
in den Kühlkörper 18,
jedoch nicht bis zur Bohrungstiefe, so dass ein kleiner überstehender
Teil unten in den Schraubenbohrungen 20 verbleibt.
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Die
Höhe des
Transistors in diesem Bereich entspricht in etwa der doppelten Höhe der Andrückplatte 1.
Die Breite entspricht nicht ganz der Breite der Ausnehmung 6 im
Halteklotz 2, so dass seitlich ein Hohlraum bleibt und
die darüber
liegende Andrückplatte 2 und
Blattfeder 3 überstehen.
Seitlich neben der Vorrichtung auf dem Kühlkörper 18 ist eine dünne Leiterplatte 9 aufgelegt,
die mit den kleinen Schrauben 8 am Kühlkörper 18 festgeschraubt
ist.
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In
der 2 ist die Transistorklemmvorrichtung von oben
zu sehen. Man erkennt den Halteklotz 2 mit den Schrauben 5 die
die Vorrichtung auf dem Kühlkörper 18 fixieren.
Der Halteklotz 2 hat eine rechteckige Form und deckt nahezu
den gesamten Transistor 4 ab. Es ist auch die Ausnehmung 14 auf dem
Halteklotz 2 zwischen den Schrauben 5 zu erkennen.
Sie ist etwas breiter als die Schrauben 5 selbst und reicht
von der linken Kante bis zur rechten Kante. Die Tiefe der Ausnehmung 14 entspricht
fast der Höhe
eines Schraubenkopfes 5.
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An
den Ecken des Halteklotzes 2 sind ebenfalls Ausnehmungen 10 zu
erkennen. In diesen Ausnehmungen 10 befinden sich Schrauben 11,
die am Kühlkörper 18 festgeschraubt
sind.
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Zwei
um die Mitte der oberen Kante angeordnete rechteckige Streifenleiter 13 sind
die nach außen
geführten
Anschlüsse
des Transistors 4. An der untern Kante in der 2 sind
ebenfalls zwei Streifenleiter 15 um die Mitte der Kante
angeordnet, die ebenfalls die nach außen geführten Anschlüsse 15 des
Transistors 4 sind. Die zur Mitte der Kante zeigende Seite
der Streifenleiter 15 ist schräg ausgeschnitten.
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In
der 3 ist in perspektivischer Ansicht die Transistorklemmvorrichtung
dargestellt. Man sieht in perspektivischer Draufsicht den Halteklotz 2 mit
den in die Ausnehmung 14 eingedrehten Schrauben 5.
Man kann erkennen, dass die Schraubenköpfe 5 in der Ausnehmung 14 versenkt
sind und dass sie eine Unterlegscheibe 19 haben. An den
Ecken des Halteklotzes 2 sind die bis zum Kühlkörper 18 reichenden
Ausnehmungen 10 zu erkennen. Weiterhin sieht man an den
langen Seiten des Halteklotzes 2, dass der untere Teil
der Seite ebenfalls ausgenommen ist. Dort befinden sich die Streifenleiteranschlüsse 13 des
Transistors 4.
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Der
erfindungsgemäße Halteklotz
ist vorzugsweise derart konstruiert, dass dieser kostengünstig mit
einem Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Eine weitere
Ergänzung
sind insgesamt vier Führungen,
die seitlich an den Halteklotz angegossen sein können. Diese verändern die
Ausnehmung derart, dass eine Art Führung für die Feder und die Andrückplatte
innerhalb der Ausnehmung erreicht wird und dadurch eine automatische
Zentrierung die der beiden Komponenten bei der Montage entsteht.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere könnte auch
eine andere Feder als eine Blatt- oder Tellerfeder zum Einsatz kommen.
Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der
Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.