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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit, wie sie beispielsweise in Verbindung mit Ultraschallsendeempfängern Verwendung finden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektrische Schaltung zur Verkürzung der Einschwingzeit einer Sendeempfangseinheit.
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Sendeempfangseinheiten können gemäß dem Stand der Technik für viele unterschiedliche Anwendungsfälle verwendet werden. Beispielsweise werden sie für Abstandsmessungen im Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei als Sendeempfangseinheiten insbesondere Radar-Lidar- und Schallwandler eingesetzt werden, um von einem ausgesendeten und von einem Umgebungsobjekt reflektierten Signal auf eine aktuelle Entfernung des Fahrzeugs vom Umgebungsobjekt schließen zu können. Bei einem Ultraschallwandler wird hierzu beispielsweise eine Piezo-Membran verwendet. Beim Sendevorgang wird elektrische Energie aufgebracht, um Schall zu erzeugen, während nach dem Sendevorgang und nach abgeklungenen Membran-Restschwingungen auf die Membran eintreffender Schall in elektrische Signale umgewandelt wird. Bekanntermaßen ist hierbei erforderlich, dass der Sendepuls eine möglichst kurze Dauer hat, um bereits kurze Zeit später auf die Membran auftreffenden Reflexionsschall aus den abklingenden Membranschwingungen erkennen zu können. Um dennoch hohe Sendeenergie abstrahlen zu können, ist es erstrebenswert, bereits von Anbeginn des Sendevorgangs ein Maximum an Membranamplituden zu erzeugen und diese über den gesamten (kurzen) Sendevorgang beizubehalten. Um mittels möglichst leistungsschwachen Signalgeneratoren hohe Amplitudenschwingungen zu erzeugen, wird im Stand der Technik der Signalgenerator häufig mit einem ersten Schwingkreis (beispielsweise bestehend aus einer Reihenschaltung einer Spule und eines Kondensator) angeregt, und die Spannung an einem der beiden Energiespeicher als Eingangsgröße für einen zweiten, die Sendeempfangseinheit umfassenden, Schwingkreis verwendet. Hierbei kann der zweite Schwingkreis ausschließlich aus der (ohne weiteres schwingfähigen) Sendeempfangseinheit bestehen oder weitere Energiespeicher umfassen. Allerdings wird zur Anregung beider Schwingkreise eine gewisse Zeitdauer benötigt, um für einen Sendevorgang hinreichende Amplituden an der Sendeempfangseinheit zu erzeugen. Diese Zeitdauer begrenzt u.a. die sogenannte Nahmessfähigkeit eines Abstandsmesssystems.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nahmessfähigkeit eines Ultraschall-basierten Abstandsmesssystems zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird eine elektrische Schaltung vorgeschlagen, welche für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit, beispielsweise eines Ultraschallsendeempfängers, geeignet ist. Dabei umfasst die Schaltung einen ersten Schwingkreis zur Erzeugung eines Sendesignals sowie einen zweiten Schwingkreis mit einer Sendeempfangseinheit. Der erste Schwingkreis kann dabei mit einem Signalgenerator bzw. einer Signalquelle gekoppelt sein, dessen bzw. deren Signal den ersten Schwingkreis zu Schwingungen anregen kann. Der zweite Schwingkreis kann beispielsweise einen oder mehrere Schallwandler umfassen, mittels welcher einerseits Schallenergie abgestrahlt und andererseits Schallenergie aufgenommen und in elektrische Signale gewandelt werden kann. Hierbei kann der zweite Schwingkreis ausschließlich aus der (ohne weiteres schwingfähigen) Sendeempfangseinheit bestehen oder weitere Energiespeicher umfassen. Weiter umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltung eine Schalteinheit, wobei die Schalteinheit eingerichtet ist, den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis mit einander zu koppeln. Mit anderen Worten kann die Schalteinheit dafür sorgen, dass im ersten Schwingkreis gespeicherte elektrische Energie in den zweiten Schwingkreis gelangen kann.
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Erfindungsgemäß wird dies im Ansprechen auf das Erreichen eines ersten vordefinierten Schwellwertes einer Zustandsgröße des ersten Schwingkreises veranlasst. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein Strom und/oder eine Spannung in einem und/oder beiden Energiespeichern des ersten Schwingkreises eine vordefinierte Größe erreichen und im Ansprechen darauf die Schalteinheit veranlasst werden, den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis miteinander zu koppeln. Auf diese Weise kann im zweiten Schwingkreis noch eine Reflexion erwartet und ausgewertet werden, während im ersten Schwingkreis bereits Energie für einen weiteren Sendevorgang gesammelt wird, ohne dass diese sich mit dem Empfangssignal überlagert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt kann der Schwellwert der Zustandsgröße eine minimale Amplitude einer mit der Schwingungsenergie des ersten Schwingkreises gekoppelten Größe sein. Beispielsweise kann eine Spannung und/oder ein Strom über einer Kapazität des ersten Schwingkreises als einen Schaltvorgang der Schalteinheit veranlassende Größe herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strom und/oder eine Spannung in einer Induktivität des ersten Schwingkreises verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung eines geeigneten Auslösezeitpunktes für einen Schaltvorgang zur Verfügung steht, der beispielsweise durch einen Transistor als Schalteinheit mittels analoger Schaltungstechnik als Eingangsgröße verwendet werden kann.
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Weiter bevorzugt kann die Schalteinheit eingerichtet sein, einen Ausgang des ersten Schwingkreises mit einem Eingang des zweiten Schwingkreises zu verbinden. Mit anderen Worten kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schwingkreis und dem zweiten Schwingkreis zur Kopplung der beiden Schwingkreise durch die Schalteinheit hergestellt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Sendeempfangseinheit bis zur Kopplung mit dem ersten Schwingkreis spannungsfrei bleibt.
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Bevorzugt kann der Ausgang des ersten Schwingkreises dabei parallel zu einem Energiespeicher des ersten Schwingkreises angeordnet sein. Mit anderen Worten wird das Signal an einem ersten Anschluss eines parallel zum Ausgang liegenden Energiespeichers abgegriffen, dessen zweiter Anschluss mit der elektrischen Masse verbunden ist. Mit dem ersten Anschluss kann nun die Schalteinheit verbunden sein, welche in geschlossenem Zustand den Ausgang des ersten Schwingkreises mit dem Eingang des zweiten Schwingkreises verbindet. Die vorstehend genannte Anordnung stellt eine einfache und schaltungstechnisch gut beherrschbare Ausführungsform dar.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit eingerichtet sein, einen masseseitigen Anschluss der Sendeempfangseinheit mit der elektrischen Masse elektrisch zu koppeln. Mit anderen Worten kann die Schalteinheit oder eine zusätzliche Schalteinheit eine Verbindung zwischen der Sendeempfangseinheit und der elektrischen Masse ohne Zwischenschaltung weiterer elektrischer Bauelemente vornehmen. Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Aufbau, nach welchem eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schwingkreisen geschaltet wird, bietet die Alternative eine einfachere Möglichkeit zur Ansteuerung des Schalters.
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Weiter bevorzugt kann die Sendeempfangseinheit des zweiten Schwingkreises als Ultraschallwandler ausgestaltet sein oder zumindest einen solchen umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass diese Technik einerseits sicher beherrschbar ist und andererseits die erforderlichen Ultraschallwandler in hoher Stückzahl für den Automobilbau gefertigt werden, wodurch eine erfindungsgemäße Schaltung kostengünstig herstellbar ist. Da sich, wie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren noch diskutiert wird, ein Ultraschallwandler auf Piezobasis bereits selbst wie ein elektrischer Schwingkreis verhält, müssen außer einem solchen Ultraschallwandler keine weiteren elektrischen Bauelemente für den Aufbau des zweiten Schwingkreises vorgesehen werden. Dies bietet den Vorteil eines besonders einfachen und kostengünstigen Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung.
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Weiter bevorzugt kann als Schalteinheit ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, äußerst bevorzugt ein Metalloxidschichtfeldeffekttransistor (MOSFET) vorgesehen sein. Dies bietet den Vorteil, dass Transistoren einerseits als Massenartikel hergestellt und daher günstig erworben werden können, andererseits, insbesondere in Verbindung mit den vorgenannten Feldeffekttransistoren, geringe Schalt- und Sperrverluste entstehen.
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Weiter bevorzugt kann eine Signalquelle mit dem ersten Schwingkreis gekoppelt sein, wobei die Kopplung insbesondere dauerhaft, mit anderen Worten also nicht schaltbar, sein kann. Dies bietet den Vorteil eines besonders einfachen Aufbaus, während die Funktionssicherheit erhöht wird.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Schaltbild eines typischen Ausführungsbeispiels gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 zwei Diagramme, veranschaulichend die Spannung zur Anregung des ersten Schwingkreises (oben) und die resultierende Spannung an der Sendeempfangseinheit (unten),
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4 ein Zeitdiagramm von Strömen durch eine Sendeempfangseinheit gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung (oben) und ein Zeitdiagramm von Spannungen an der Sendeempfangseinheit gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung (unten), und
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5 zwei Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Anregungsdauer nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektrische Schaltung, wie sie aus dem Stand der Technik zur Verwendung eines Ultraschallsendeempfängers verwendet wird. Eine Signalquelle 4 ist eingerichtet, einen aus einer Spule L1 von beispielsweise 285 µH und einem Kondensator C1 von 46 nF bestehenden Schwingkreis mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen. Parallel zum Kondensator C1 ist das Ersatzschaltbild eines Sendeempfängers 2 dargestellt, welches aus einer Parallelschaltung von vier Zweigen besteht. Der erste Zweig besteht auf einer Kapazität C2 von 2 nF. Der zweite Zweig besteht aus einer Induktivität L3 von 350 mH, einer zur Induktivität L3 in Reihe geschalteten Kapazität C3 von 40 pF und einer ebenfalls in Reihe geschalteten ohmschen Last R3 von 3 kΩ. Der dritte Zweig besteht aus einer Induktivität L4 von 50 µH, einem Kondensator C4 von 40 pF und einer ohmschen Last R4 von 3 kΩ. Der vierte Zweig schließlich besteht aus einer Spule L5 von 20 mH, einer Kapazität C5 von 40 pF und einer ohmschen Last R5 von 3 kΩ. Eine Schalteinheit ist nicht vorgesehen, so dass die Signalquelle 4 stets beide Schwingkreise bzw. die gesamte dargestellte Anordnung passiver Elemente als Last sieht.
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2 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 4 treibt einen Schwingkreis SK1, welcher aus einer Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einer ersten Kapazität C1 besteht. Zwischen der Induktivität L1 und der Kapazität C1 ist eine Ausgangsklemme 3 des ersten Schwingkreises SK1 angeordnet. An die Ausgangsklemme 3 schließt sich ein erster Schalter S1 zum Koppeln der beiden Schwingkreise SK1 und SK2 an. Mit dem Schalter S1 ist ein bereits in Verbindung mit 1 diskutiertes Ersatzschaltbild eines Ultraschallwandlers 2 als Sendeempfangseinheit verbunden. Masseseitig ist zwischen dem Ultraschallwandler 2 und der elektrischen Masse 10 ein zweiter Schalter S2 (gestrichelt) als zweite Schalteinheit S2 vorgesehen. Die Elemente des Ersatzschaltbildes der Sendeempfangseinheit 2 stimmen mit den in 1 dargestellten übereinstimmen, so dass auf eine detaillierte Diskussion dieser der Kürze halber verzichtet werden kann. Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung ist wie folgt: Die Signalquelle regt den ersten Schwingkreis SK1 an, im Ansprechen worauf sich über der Kapazität C1 um ein Vielfaches höhere Spannungsamplituden einstellen, als sie die Signalquelle 4 allein zu liefern im Stande ist. Im Ansprechen auf ein Erreichen eines ersten Schwellwertes, der mit für einen Sendeempfangsvorgang geeigneten Amplituden korrespondiert, wird der erste Schalter S1 geschlossen, wodurch die über der ersten Kapazität C1 anliegenden Spannungen nun über dem aus dem Ultraschallwandler gebildeten Zweipol als zweiter Schwingkreis SK2 anliegen. Die vorstehenden Ausführungen treffen für den Fall zu, dass der zweite Schalter S2 entweder geschlossen oder nicht vorhanden ist. Identisch könnte der zweite Schalter S2 verwendet werden, während der erste Schalter S1 geschlossen oder nicht vorhanden ist. Die Funktionsweise ergibt sich für den zweiten Schalter S2 entsprechend. Nach Beenden des Sendevorgangs wird der jeweils verwendete Schalter (oder falls beide Schalter S1/S2 verwendet werden, zumindest einer der beiden Schalter S1/S2) geöffnet, so dass keine Energie mehr aus dem ersten Schwingkreis SK1 in den zweiten Schwingkreis SK2 gelangt und die Membran der Sendeempfangseinheit 2 abklingt oder beispielsweise in bekannter Weise passiv oder aktiv gedämpft wird. An der Sendeempfangseinheit 2 eintreffende Echos können nun ihrerseits die Membran der Sendeempfangseinheit 2 in Schwingungen versetzen und in bekannter Weise aus dem elektrischen Signal der Sendeempfangseinheit 2 detektiert werden.
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3 zeigt in ihrer oberen Hälfte ein Zeitdiagramm eines Spannungssignals V4, wie es durch die in 2 gezeigte Signalquelle 4 erzeugt werden könnte. Die dargestellte Wechselspannung hat eine Amplitude von 3 V. Aufgrund des ersten Schwingkreises SK1 ergibt sich nach einiger Zeit eine bedeutend höhere Amplitude beispielsweise für die Spannung über der ersten Kapazität C1. Diese Spannung wird bereits im Stand der Technik dazu benutzt, die Sendeempfangseinheit 2 mit einem zur Aussendung geeigneten elektrischen Signal zu beaufschlagen. In der unteren Hälfte von 3 ist eine Spannung V2 über der Zeit aufgetragen, welche sich in einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik (siehe 1) am Ultraschallwandler ohne einen erfindungsgemäßen Schaltvorgang ergeben könnte. Es ist erkennbar, dass ab dem Zeitpunkt, ab welchem die Signalquelle 4 eine Spannung V4 ausgibt, auch eine Spannung V2 über dem Ultraschallwandler anliegt, welche jedoch ihre maximale Amplitude erst zeitgleich mit dem Ende des Spannungssignals V4 erreicht. Anschließend klingt die Amplitude der Spannung V2 im Wesentlichen mit einer e-Funktion ab.
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4 zeigt in seiner oberen Hälfte einen Vergleich von Zeitdiagrammen zweier Ströme, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung (I2E) bzw. gemäß dem Stand der Technik (I2PA) bei entsprechender Anregung durch den Ultraschallwandler 2 fließen würden. Die untere Hälfte von 2 zeigt die entsprechenden Spannungssignale (V2E: Spannung am Ultraschallwandler 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, V2PA: Spannung am Ultraschallwandler 2 gemäß dem Stand der Technik), welche zu den jeweiligen Strömen, wie sie in der oberen Bildhälfte von 4 dargestellt sind, gehören. Der Spannungsverlauf gemäß dem Stand der Technik V2PA entspricht im Wesentlichen dem in der unteren Hälfte von 3 dargestellten Verlauf. Da zu Beginn der Anregung des Ultraschallwandlers 2 auch der erste Schwingkreis noch nicht voll erregt ist, steigt die Amplitude der Spannung V2PA nur langsam an. Entsprechendes gilt insbesondere für den Strom I2PA durch den Ultraschallwandler 2 in der oberen Hälfte der 4. Somit wird nur langsam Energie in den zweiten Schwingkreis SK2 "gepumpt". Deutlich andere Verläufe ergeben sich gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Spannung V2E in der unteren Hälfte von 4 beginnt mit einer maximalen Amplitude, da zum Schaltzeitpunkt der erste Schwingkreis SK1 bereits voll erregt und somit die Spannung über der ersten Kapazität C1 bereits ihr Maximum erreicht hat. Die Erregung des Ultraschallwandlers 2 mit maximalen Spannungen führt zu einem deutlich schnelleren Ansteigen des durch ihn fließenden Stromes I2E. Mit anderen Worten ergeben sich deutlich früher für einen Sendevorgang erforderliche Signalamplituden, so dass innerhalb kürzerer Zeit die erforderliche Schallenergie durch den Ultraschallwandler 2 abgestrahlt werden kann. Indem auf diese Weise der Sendevorgang früher beendet und die Membranschwingungen auf ein für einen Empfangsvorgang erforderliches Maß abgeklungen sind, können bereits zu einem früheren Zeitpunkt als gemäß dem Stand der Technik Echos aus dem Signal des Ultraschallwandlers 2 detektiert werden. Auf diese Weise kann die sogenannte "Nahdetektionsschwelle" deutlich gesenkt werden, so dass auch nahe am Fahrzeug bzw. am Ultraschallwandler 2 angeordnete Umgebungsobjekte sicher detektiert werden können.
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5 zeigt zwei Spannungsverläufe (V4E, V4PA) zur Anregung des ersten Schwingkreises SK1 durch die Signalquelle 4, wobei die obere Spannung V4E gegenüber der unten dargestellten Spannung V4PA früher eingeschaltet und früher ausgeschaltet wird. Zwar wird der erste Schwingkreis mit der Spannung V4E bereits zu einem früheren Zeitpunkt mit Energie versorgt, dies stört jedoch noch andauernde Empfangsvorgänge im zweiten Schwingkreis nicht, da zu diesem Zeitpunkt gemäß der vorliegenden Erfindung keine Kopplung der Schwingkreise besteht. Der spätere Signalanfang der Spannung V4PA gemäß dem Stand der Technik fällt zeitlich mit dem Anregungszeitpunkt des zweiten Schwingkreises zusammen. Um für den Sendevorgang hinreichend Energie über den Sendeempfänger abstrahlen zu können, ist gemäß dem Stand der Technik jedoch eine längere Anregungszeit des zweiten Schwingkreises SK2 als gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich. Daher können durch die vorliegende Erfindung kürzere Pulse verwirklicht werden, die eine bessere Entfernungsauflösung und eine bessere Auflösung von Mehrfachechos erlauben.
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Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, einen zur Erzeugung eines Sendesignals für eine Sendeempfangseinrichtung verwendeten ersten Schwingkreis zunächst mit Energie zu versorgen, ohne dass die Sendeempfangseinrichtung bereits Anteile an dieser Energie aufnehmen kann. Erst wenn die abgebbare Energie innerhalb des ersten Schwingkreises ein vorbestimmtes Maß erreicht hat, wird mittels einer Schalteinrichtung ein Energieübertrag aus dem ersten Schwingkreis auf die Sendeempfangseinheit, welche bevorzugt in einem zweiten Schwingkreis angeordnet ist, ermöglicht. Für die Anordnungen und Ausgestaltungen der Schalteinheit sind unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen worden. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, z.B. noch während eines Empfangsvorgangs mittels der Sendeempfangseinheit elektrische Energie in den ersten Schwingkreis zu bringen und somit einen auf den Empfangsvorgang folgenden Sendevorgang vorzubereiten.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere auch mit weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen und Merkmalen, möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
