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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität nach 35 USC 119(e) der gleichzeitig anhängigen, am 15. März 2013 eingereichten, Vorläufigen US-Anmeldung, Seriennummer 61/799 124 mit dem Titel „New Power Management Integrated Circuit Partitioning With Dedicated Primary Side Control Winding” („Neue Aufteilung integrierter Stromsparschaltungen mit zweckbestimmter primärseitiger Steuerwicklung”). Diese Anmeldung schließt durch Verweis die Vorläufige US-Anmeldung, Seriennummer 61/799 124, als Ganzes ein.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von MOSFET-Treibern. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Treiber mit MOSFET des Verarmungstyps.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist ein Transistor, der zum Verstärken oder Schalten von elektronischen Signalen verwendet wird. Bei MOSFETs vom Anreicherungstyp (Anreicherungsfeldeffekttransistor) induziert ein Spannungsabfall über dem Oxid einen leitenden Kanal zwischen den Kontakten der Source- und der Drainelektrode durch den Feldeffekt. Der Begriff „Anreicherungstyp” bezieht sich auf die Zunahme der Leitfähigkeit mit dem Anstieg im Oxidfeld, das Stromträger zu dem Kanal hinzufügt, auch als Inversionsschicht bezeichnet. Um den MOSFET vom Anreicherungstyp einzuschalten, wird an die Steuerelektrode eine Spannung angelegt. Bei MOSFETs vom Verarmungstyp (Sperrschichtfeldeffekttransistoren) besteht der Kanal aus Stromträgern in einer Oberflächenstörstellenschicht eines zum Substrat entgegen gesetzten Typs, wobei die Leitfähigkeit durch Anlegen eines Feldes, das Stromträger von dieser Oberflächenschicht verarmt, vermindert wird. MOSFETs vom Verarmungstyp sind so dotiert, dass selbst bei einer Nullspannung von der Steuerelektrode zur Sourceelektrode ein Kanal existiert. An sich ist der MOSFET vom Verarmungstyp eingeschaltet, ohne dass Spannung an der Steuerelektrode anliegt. Um den Kanal zu steuern, wird eine negative Spannung an die Steuerelektrode (für ein Bauelement mit n-leitendem Kanal) angelegt, die den Kanal verarmt, wobei dies den Stromfluss durch das Bauelement reduziert.
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MOSFETs vom Verarmungstyp werden üblicherweise in Treiberschaltungen genutzt. Um den MOSFET vom Verarmungstyp abzuschalten, muss eine negative Gate-Source-Spannung angelegt werden. Dies wird typischerweise vollzogen, indem eine Spannungssteuerung genutzt wird, um die Gatespannung gegen Erde zu ziehen.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Eine Treiberschaltung wird mittels eines MOSFET vom Verarmungstyp konfiguriert, um eine Ausgangsspannung über einem Ausgangskondensator anzulegen. Die Treiberschaltung umfasst einen Widerstand, der zwischen zwei Anschlüssen des MOSFET angeordnet ist. Im Fall eines MOSFET vom Verarmungstyp mit n-leitendem Kanal ist der Widerstand mit der Sourceelektrode und der Steuerelektrode gekoppelt. Die Schaltung ist ein stromgesteuerter Verarmungstreiber, der den MOSFET vom Verarmungstyp abschaltet, indem ein Sperrstrom durch den Widerstand geleitet wird, um ein negatives Potenzial an der Steuerelektrode relativ zur Sourceelektrode aufzubauen. Zwischen der Sourceelektrode des MOSFET vom Verarmungstyps und dem Ausgangskondensator ist eine Zenerdiode gekoppelt, um eine Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang und der Sourceelektrode des MOSFET herzustellen.
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In einer Ausführungsform ist eine Treiberschaltung auf der Basis eines stromgesteuerten MOSFET vom Verarmungstyp offenbart. Die Treiberschaltung weist einen MOSFET vom Verarmungstyp, einen Ausgangskondensator, einen Transistor und einen Widerstand auf. Der MOSFET vom Verarmungstyp hat einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und eine Steuerelektrode, wobei der erste Anschluss mit einer Stromversorgung gekoppelt ist. Der Ausgangskondensator ist mit dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt. Der Transistor hat einen ersten Anschluss, um eine Steuerspannung aufzunehmen, einen zweiten Anschluss und einen mit Erde gekoppelten dritten Anschluss. Der erste Anschluss des Transistors ist mit dem Ausgangskondensator gekoppelt, wobei der zweite Anschluss des Transistors mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt ist. Der Widerstand hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des Widerstands ist mit dem Ausgangskondensator und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt. Der zweite Anschluss des Widerstands ist mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp und dem zweiten Anschluss des Transistors gekoppelt.
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In einigen Ausführungsbeispielen ist der MOSFET vom Verarmungstyp ein N-Kanal MOSFET, wobei der erste Anschluss des Widerstands mit einer Sourceelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt ist. Nach weiteren Ausführungsbeispielen ist der MOSFET vom Verarmungstyp ein P-Kanal MOSFET, wobei der erste Anschluss des Widerstands mit einer Drainelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt ist. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Treiberschaltung außerdem einen Spannungsteiler auf, der zwischen dem Ausgangskondensator und dem ersten Anschluss des Transistors gekoppelt ist. Nach einigen Ausführungsbeispielen ist der Spannungsteiler so konfiguriert, dass der Steuerelektrode des Transistors eine Einschaltspannung zugeführt wird, wenn eine Spannung über dem Ausgangskondensator gleich oder größer als eine Schwellenspannung ist.
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Wenn nach einigen Ausführungsbeispielen der Transistor eingeschaltet ist, fließt ein Sperrstrom durch den Widerstand, wobei dies ein negatives Spannungspotenzial zwischen der Steuerelektrode und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp zur Folge hat, welches den MOSFET vom Verarmungstyp abschaltet. In einigen Ausführungsbeispielen fließt der Sperrstrom vom Ausgangskondensator durch den Widerstand und durch den Transistor. Nach einigen Ausführungsbeispielen führt der Sperrstromfluss zu einem Spannungsabfall über dem Ausgangskondensator, wobei ferner, wenn die Spannung über dem Ausgangskondensator unter einen Minimalwert fällt, die der Steuerelektrode des Transistors zugeführte Spannung unter die Einschaltspannung fällt, wobei der Transistor abgeschaltet wird. Wenn nach einigen Ausführungsbeispielen der Transistor abschaltet, wird der Sperrstrom unterbrochen, wobei der MOSFET vom Verarmungstyp eingeschaltet wird.
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Nach einigen Ausführungsbeispielen weist die Treiberschaltung außerdem eine Zenerdiode mit einer mit dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelten Katode und einer mit dem Ausgangskondensator gekoppelten Anode auf. In einigen Ausführungsbeispielen ist der erste Anschluss des Widerstands mit der Katode der Zenerdiode und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine weitere Treiberschaltung auf der Basis eines stromgesteuerten MOSFET vom Verarmungstyp offenbart. Die Treiberschaltung weist einen MOSFET vom Verarmungstyp, einen Ausgangskondensator, eine Zenerdiode, einen Spannungsteiler, einen Transistor und einen Widerstand auf. Der MOSFET vom Verarmungstyp hat einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und eine Steuerelektrode, wobei der erste Anschluss mit einer Stromversorgung gekoppelt ist. Die Zenerdiode hat eine mit einem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelte Katode und eine mit einem ersten Anschluss des Ausgangskondensators gekoppelte Anode. Der Spannungsteiler ist mit einem ersten Anschluss des Ausgangskondensators gekoppelt. Der Transistor hat einen ersten Anschluss, um eine Steuerspannung aufzunehmen, einen zweiten Anschluss und einen mit Erde gekoppelten dritten Anschluss. Der erste Anschluss des Transistors ist mit dem Spannungsteiler gekoppelt, wobei der zweite Anschluss des Transistors mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt ist. Der Widerstand hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss des Widerstands ist mit der Katode der Zenerdiode und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelt. Der zweite Anschluss des Widerstands ist mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp und dem zweiten Anschluss des Transistors gekoppelt.
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Nach noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung der Treiberschaltung auf der Basis eines MOSFET vom Verarmungstyp offenbart. Das Verfahren umfasst das Konfigurieren einer Treiberschaltung mit einem MOSFET vom Verarmungstyp, einem Ausgangskondensator, einem Transistor und einem Widerstand. Der MOSFET vom Verarmungstyp weist einen mit einer Stromversorgung gekoppelten ersten Anschluss, einen mit dem Ausgangskondensator gekoppelten zweiten Anschluss und eine Steuerelektrode auf. Der Transistor weist eine mit dem Ausgangskondensator gekoppelte Steuerelektrode, einen mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelten ersten Anschluss und einen mit der Erde gekoppelten zweiten Anschluss auf. Der Widerstand weist einen mit dem Ausgangskondensator und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp gekoppelten ersten Anschluss sowie einen mit der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp und dem ersten Anschluss des Transistors gekoppelten zweiten Anschluss auf. Das Verfahren umfasst außerdem das Einschalten des Transistors, wobei dadurch ein Sperrstrom durch den Widerstand vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss geleitet wird, wobei dies zu einem negativen Spannungspotenzial zwischen der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp und dem zweiten Anschluss des MOSFET vom Verarmungstyp führt, welches den MOSFET vom Verarmungstyp abschaltet.
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Nach einigen Ausführungsbeispielen fließt der Sperrstrom vom Ausgangskondensator durch den Widerstand und durch den Transistor. In einigen Ausführungsbeispielen hat der Sperrstromfluss einen Spannungsabfall über dem Ausgangskondensator zur Folge, wobei die an die Steuerelektrode des Transistors angelegte Spannung unter eine Einschaltspannung des Transistors fällt, wenn die Spannung über dem Ausgangskondensator unter einen Minimalwert fällt, wobei der Transistor abschaltet. Wenn nach einigen Ausführungsbeispielen der Transistor abschaltet, wird der Sperrstrom unterbrochen, wobei der MOSFET vom Verarmungstyp einschaltet. Nach einigen Ausführungsbeispielen weist das Verfahren außerdem das Zuführen einer Einschaltspannung an die Steuerelektrode des Transistors auf, wenn eine Spannung über dem Ausgangskondensator gleich oder größer als eine Schwellenspannung ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Mit Bezug auf die Zeichnungen werden verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Die beispielhaften Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung veranschaulichen, jedoch nicht beschränken. Die Zeichnungen weisen die folgenden Figuren auf, in denen zeigen:
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1 eine Treiberschaltung mit MOSFET vom Verarmungstyp gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 einen Sperrstromfluss in der Treiberschaltung mit MOSFET vom Verarmungstyp nach 1.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung betreffen einen Treiber mit MOSFET vom Verarmungstyp. Der Fachmann wird erkennen, dass die folgende ausführliche Beschreibung des Verarmungs-MOSFET-Treibers nur veranschaulichend ist und in keiner Weise einschränkend sein soll. Weitere Ausführungsbeispiele des Verarmungs-MOSFET-Treibers werden sich dem Fachmann, der den Nutzen aus dieser Offenlegung zieht, von selbst erschließen.
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Es wird nun ausführlich Bezug auf Umsetzungen des Verarmungs-MOSFET-Treibers genommen, wie er in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist. In allen Zeichnungen und der folgenden ausführlichen Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu kennzeichnen. Im Interesse der Klarheit werden nicht alle der hier beschriebenen üblichen Merkmale der Umsetzungen dargestellt und beschrieben. Man wird natürlich erkennen, dass bei der Entwicklung einer derartigen beliebigen eigentlichen Umsetzung zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie die Übereinstimmung der Anmeldung mit den unternehmensbezogenen Einschränkungen, und dass diese speziellen Ziele von einer Umsetzung zur anderen und von einem Entwickler zum anderen variieren werden. Man wird darüber hinaus erkennen, dass derartige Entwicklungsbemühungen komplex und zeitraubend sein könnten, aber nichts desto weniger ein übliches Vorhaben der Technik für den Fachmann wären, der den Nutzen aus dieser Offenlegung zieht.
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1 veranschaulicht eine Treiberschaltung mit MOSFET vom Verarmungstyp gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Treiberschaltung weist einen MOSFET vom Verarmungstyp Q1, eine Zenerdiode Z1, einen Transistor Q2, Widerstände R1, R2 und R3, einen Kondensator C1 und einen Widerstand RL auf, der einen mit dem Kondensator C1 gekoppelten Verbraucher darstellt. Nach diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der MOSFET vom Verarmungstyp Q1 ein n-Kanal MOSFET vom Verarmungstyp, wobei der Transistor Q2 ein NPN bipolarer Sperrschichttransistor (BJT) ist. Es wird verständlich, dass der MOSFET vom Verarmungstyp Q1 alternativ ein p-Kanal MOSFET vom Verarmungstyp sein kann. Es wird auch verständlich, dass der Transistor Q2 eine andere Art von Transistor als ein BJT sein kann. Eine Zenerdiode ist eine Diode, die es dem Strom ermöglicht, in die Vorwärtsrichtung in der gleichen Weise zu fließen wie eine ideale Diode, es aber auch erlaubt, dass der Strom in Sperrrichtung fließt, wenn die Spannung über einem bestimmten Wert liegt.
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Bei Verbindung zur Spannungsquelle Vcc ist der natürliche Zustand des MOSFET vom Verarmungstyp Q1 eingeschaltet, wenn Nullspannung an der Steuerelektrode anliegt. Wenn der MOSFET vom Verarmungstyp Q1 eingeschaltet ist, fließt Strom durch den Transistor, durch die Zenerdiode Z1 zum Kondensator C1, so dass der Kondensator C1 geladen wird.
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Um den MOSFET vom Verarmungstyp Q1 auszuschalten, muss an die Steuerelektrode eine negative Spannung angelegt werden, oder spezieller, die Spannung von der Gate-Source-Spannung Vgs muss negativ sein, wobei in diesem Fall die Gatespannung niedriger ist als die Sourcespannung.
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Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, um der Steuerelektrode des Transistors Q2 eine Steuerspannung zuzuführen. Nach einer beispielhaften Anmeldung beträgt Vcc = 200 V, wobei der Kondensator C1 auf 15 V geladen wird. Die Widerstände R1 und R2 sind so konfiguriert, um der Steuerelektrode des Transistors Q2 eine ausreichende Einschaltspannung zuzuführen, wenn der Kondensator C1 eine Schwellenspannung wie zum Beispiel voll geladen aufweist. Nach einer beispielhaften Anmeldung beträgt die Einschaltspannung für den Transistor Q1 annähernd 1 V, wobei der Spannungsteiler so konfiguriert ist, dass 1 V an die Steuerelektrode des Transistors Q1 angelegt wird, wenn der Kondensator C1 auf 15 V geladen ist.
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In einer beispielhaften Anmeldung beträgt der Spannungsabfall über der Zenerdiode Z1 5 V. Wenn der Kondensator C1 auf 15 V geladen ist, beträgt die Spannung Vs an der Sourceelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp Q1 10 V. Liegt die Spannung über dem Kondensator C1 mindestens bei der Schwellenspannung, ist die Spannung an der Steuerelektrode des Transistors Q2 ausreichend, um den Transistor Q2 einzuschalten. Wenn der Transistor Q2 einschaltet, fließt nach 2 ein Sperrstrom I vom Kondensator C1 durch die Zenerdiode Z1, durch den Widerstand R3, durch den Transistor Q2 zur Erde. Bei einem Sperrstromfluss durch den Widerstand R3 gibt es einen Spannungsabfall VR3 über dem Widerstand R3, wobei daher die Spannung Vg an der Steuerelektrode des Transistors Q1 niedriger ist als die Spannung Vs an der Sourceelektrode, Vg = Vs – VR3. Der Sperrstrom durch den Widerstand R3 baut ein negatives Potenzial an der Steuerelektrode des MOSFET vom Verarmungstyp Q1 relativ zur Sourceelektrode auf. Dies ist eine negative Gate-Source-Spannung Vgs, die den MOSFET vom Verarmungstyp Q1 abschaltet. In einer beispielhaften Anwendung weist der Widerstand R3 einen Widerstand von 1 Megaohm auf.
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Diese Schaltungskonfiguration ist ein stromgesteuerter Verarmungstreiber, der Sperrstrom vom Kondensator C1 durch den Transistor Q2 steuert. Der Sperrstrom wird durch den Widerstand R3 zum Transistor Q2 geführt, um den MOSFET vom Verarmungstyp Q1 abzuschalten. Insbesondere die Steuerung des Sperrstroms durch den Widerstand R3 führt zu einem Spannungsabfall über dem Widerstand R3, wobei dies zu einer negativen Gate-Source-Spannung Vgs am MOSFET vom Verarmungstyp Q1 führt. Die negative Gate-Source-Spannung Vgs schaltet den MOSFET vom Verarmungstyp Q1 ab. Dieser stromgesteuerte Treiber steht im Gegensatz zu herkömmlichen Verarmungs-MOSFET-Treibern, die eine Spannungssteuerung nutzen, um den MOSFET vom Verarmungstyp abzuschalten.
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Die Zenerdiode Z1 baut ein Spannungspotenzial zwischen der Sourcespannung Vs und der Ausgangspannung Vout auf. Die Zenerdiode Z1 und der Kondensator C1 wirken als eine Stromquelle, wenn der Transistor Q2 eingeschaltet ist. Die Zenerdiode Z1 wird außerdem als ein zusätzliches Vorspannungselement verwendet, um eine größere Bandbreite der Ausgangspannung herzustellen, in der der Transistor Q1 abgeschaltet werden kann.
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Wenn Sperrstrom I vom Kondensator C1 durch die Zenerdiode Z1, den Widerstand R3 und den Transistor Q2 fließt, wird der Kondensator C1 entladen. Sobald der Kondensator C1 auf einen bestimmten Pegel entladen ist, fällt die der Steuerelektrode des Transistors Q2 zugeführte Spannung unter die Einschaltspannung, wobei der Transistor Q2 abschaltet, wodurch der Sperrstromfluss unterbrochen wird. Ohne Sperrstromfluss ist die Gate-Source-Spannung Vgs des MOSFET vom Verarmungstyp nicht mehr negativ, wobei der MOSFET vom Verarmungstyp wieder einschaltet.
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Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist es, dass der Kriechstrom des MOSFET vom Verarmungstyp Q1 mit dem Sperrstromfluss an Erde abgeleitet wird. Der Kriechstrom fließt nicht mehr zum Ausgang.
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Die vorliegende Anmeldung wurde im Hinblick auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben, die Einzelheiten enthalten, um das Verständnis der Grundsätze des Aufbaus und Betriebs des MOSFET vom Verarmungstyp zu erleichtern. Viele der in den verschiedenen Figuren dargestellten und beschriebenen Bauteile können ausgetauscht werden, um die notwendigen Ergebnisse zu erzielen, wobei diese Beschreibung so gelesen werden sollte, dass auch ein derartiger Austausch darin eingeschlossen ist. An sich sollen hier Bezüge zu speziellen Ausführungsbeispielen und deren Einzelheiten den Umfang der hier angehängten Ansprüche nicht einschränken. Dem Fachmann erschließt sich, dass an den zur Veranschaulichung ausgewählten Ausführungsbeispielen Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Anmeldung abzuweichen.
