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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ein Elektrowerkzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Steuervorrichtung für ein Elektrowerkzeug.
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Stand der Technik
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An handgeführten Elektrowerkzeugen werden zu einer Steuerung eines Motors in Abhängigkeit von Betriebszuständen elektronische Schaltungen eingesetzt. Üblicherweise sind derartige elektronische Schaltungen im Inneren des Elektrowerkzeugs angeordnet und benötigen daher Bauraum des Elektrowerkzeugs, was seine Gesamtabmessung vergrößern kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Steuervorrichtung für ein Elektrowerkzeug bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Steuervorrichtung für ein Elektrowerkzeug, aufweisend eine Platine mit einem darauf angeordneten elektronischen Leistungsbauelement. Die Steuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in einem Netzstecker des Elektrowerkzeugs angeordnet ist. Vorteilhaft kann das Elektrowerkzeug dadurch kleiner ausgebildet werden und es können Umgebungsbauteile (z.B. ein Elektronikgehäuse, Vergußmasse, usw.) für die Steuervorrichtung eingespart werden, weil die genannten Umgebungsbauteile großteils vom Netzstecker bereitgestellt werden.
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Im Ergebnis ist dadurch eine platz- und kostensparende Ansteuervorrichtung für das Elektrowerkzeug realisierbar.
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Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Steuervorrichtung für ein Elektrowerkzeug aufweisend die Schritte:
- – Anordnen eines Leistungsbauelements auf einer Platine; und
- – Anordnen der Platine in einem Netzstecker für das Elektrowerkzeug.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Steuervorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung sieht vor, dass Mittel zum Abführen von thermischer Energie vom Leistungsbauelement vorgesehen sind. Auf diese Weise kann im Betrieb des Elektrowerkzeugs eine Überhitzung des Leistungsbauelements im Netzstecker weitestgehend vermieden werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsbauelement wenigstens abschnittsweise direkt oder mittels einer Wärmeleitverbindung mit einer Litze eines Netzkabels verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich auf einfache Weise thermische Energie vom Leistungsbauelement in das Netzkabel des Elektrowerkzeugs abführen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmeleitverbindung mit der Litze verlötet oder vernietet oder verschraubt ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche technische Möglichkeiten für ein Abführen von Wärme des Leistungsbauelements bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung sieht vor, dass auf dem Leistungsbauelement ein Kühlkörper angeordnet ist. Dadurch kann vorteilhaft thermische Energie in erhöhtem Ausmaß von der Steuervorrichtung abgeführt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper mit dem Leistungsbauelement vernietet oder durch Umspritzen mit einer Vergußmasse am Leistungsbauteil anliegend ist. Auch auf diese Weise können unterschiedliche Varianten einer effektiven Wärmeabfuhr vom Leistungsbauelement realisiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung sieht vor, dass der Kühlkörper Erhebungen aufweist, die sich in Öffnungen im Netzstecker erstrecken. Auf diese Weise kann eine Lösung für leistungsfähigere Geräte realisiert werden, die es erlaubt, noch mehr Wärme abzuführen. Dies kann für einen Überlastbetrieb des Elektrowerkzeugs oder für eine kurzzeitige Speicherung von Wärme im Kühlkörper vorteilhaft sein.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung sieht vor, dass der Netzstecker einen wärmeleitfähigen Kunststoff aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise in einem Spritzgießverfahren des Netzsteckers eine Wärmeabführungseinrichtung zu realisieren.
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Eine weitere Ausführungsform der Steuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff integral ausgebildete Kühlrippen aufweist. Auf diese Weise kann auf einfache Weise eine Vergrößerung der Oberfläche des Netzsteckers und damit ein erhöhtes Ausmaß von abgeführter Wärme erreicht werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung sieht vor, dass die Platine mit Komponenten des Elektrowerkzeugs über eine Datenverbindung verbindbar ist. Auf diese Weise kann eine funktionale Kommunikation zwischen der Platine und dem Leistungsbauelement und dem Elektrowerkzeug bereitgestellt werden. Beispielweise kann dies zu einer Abfrage einer Werkzeugtemperatur oder weiterer Kenngrößen des Elektrowerkzeugs durch die Platine sinnvoll sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren und unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu ausgeführt und sind insbesondere zu einer qualitativen und prinzipiellen Erläuterung der Erfindung gedacht.
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In den Figuren zeigt:
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1 Darstellungen eines herkömmlichen Elektrowerkzeugs und einer Platine mit einem Leistungsbauelement;
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2 Darstellungen eines Netzsteckers und einer Platine mit einem Leistungsbauelement;
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3 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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5a, 5b eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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6a, 6b Kühleinrichtungen für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung;
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7a, 7b eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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9 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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10 ein prinzipielles Blockschaltbilde eines Elektrowerkzeugs mit einer Steuervorrichtung; und
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11 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen der Steuervorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt in einer unteren Darstellung ein Elektrowerkzeug 200 (beispielsweise ein Winkelschleifer) mit teilweise geöffnetem Gehäuse. Innerhalb einer Umrahmung ist eine herkömmliche Steuervorrichtung 100 erkennbar, die eine Vergußmasse aufweist, unter der eine Elektronikbaugruppe, d.h. eine Platine 10 mit einem Leistungsbauelement 20 und gegebenenfalls weiteren elektronischen Bauelementen angeordnet sind (nicht sichtbar). In einer oberen Darstellung von 1 ist eine Platine 10 bzw. Leiterplatte mit einem Leistungsbauelement 20 erkennbar, wobei erkennbar ist, dass eine Größenordnung der Platine 10 der oberen Darstellung um ca. zwei bis drei kleiner ist als ein Elektronikmodul bzw. eine Platine 10 der herkömmliche Steuervorrichtung 100 der unteren Abbildung.
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2 zeigt in zwei Darstellungen einen Vergleich eines herkömmlichen elektrischen Netzsteckers 30 mit einer Netzleitung bzw. einem Netzkabel 40 und der genannten Platine 10, woraus ersichtlich ist, dass aufgrund der Größenrelationen die Platine 10 vollständig innerhalb des Netzsteckers 30 untergebracht werden kann. Die beiden Darstellungen von 2 sind dabei lediglich qualitativ anzusehen, wobei z.B. Abmessungen und Ausrichtungen der drei Kontaktfahnen bzw. Platinenstecker der Platine 10 nicht unbedingt den tatsächlichen Erfordernissen zur Einbringung in den Netzstecker 30 entsprechen müssen.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 100. Die Steuervorrichtung 100 umfasst einen Netzstecker 30 mit Steckerstiften 31 und einem Netzkabel 40, über das ein Elektrowerkzeug 200 (nicht dargestellt) aus einem elektrischen Netz mit elektrischer Energie versorgt wird. Erkennbar ist, dass eine Platine bzw. Leiterplatte 10 vorgesehen ist, auf der ein elektronisches Leistungselement 20 (z.B. in Form eines ein Triacs zur Motorsteuerung) angeordnet ist. Das Leistungsbauelement 20 ist vollständig innerhalb des Netzsteckers 30 angeordnet, beispielsweise mit Vergußmasse umspritzt.
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Vorzugsweise kann eine funktionale Kommunikation der Platine 10 und/oder des Leistungsbauelements 20 mit dem Elektrowerkzeug 200 vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass aufgrund von erhöhter Leistungsaufnahme des Elektrowerkzeugs 200 ein erhöhter elektrischer Strom vom Leistungsbauelement 20 erkannt wird und daraus ein eingeschalteter Zustand des Elektrowerkzeugs 200 abgeleitet wird. Alternativ ist es auch möglich, dass für Motorsteuerfunktionen, die beispielsweise eine Erfassung von Motortemperatur und/oder anderen Motorkenngrößen bzw. eine Kommunikation mit Komponenten des Elektrowerkzeugs 200 (z.B. einem Ein/Aus-Schalter) erfordern, eine oder mehrere Kommunikations- bzw. Steuerleitungen im Netzkabel 40 angeordnet sind (nicht dargestellt). Alternativ kann für die Zwecke der genannten Kommunikation auch eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Elektrowerkzeug 200 und der Platine 10 mit dem Leistungsbauelement 20 vorgesehen sein.
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Da die Platine 10 mit dem Leistungsbauelement 20 vor allem zu einer Steuerung des Elektrowerkzeugs 200 vorgesehen ist, schaltet das Leistungsbauelement 20 unter Umständen den vollen elektrischen Betriebsstrom des Motors des Elektrowerkzeugs 200. Es kann daher günstig sein, für Elektrowerkzeuge 200 mit höherer Leistung eine Wärmeabfuhr vorzusehen, um eine Überhitzung und damit Schädigung des Leistungsbauelements 20 zu vermeiden.
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Hierzu ist in der in 4 prinzipiell dargestellten Ausführungsform der Steuervorrichtung 100 vorgesehen, dass die Wärme vom Leistungsbauelement 20 auf ein Leitungsmetall (in der Regel Kupfer bzw. Litze aus Kupfer) des Netzkabels 40 abgeführt wird. Mittels einer Wärmeleitverbindung 50 ist dies beispielsweise dadurch möglich, dass das Leistungsbauelement 20 mit einer abisolierten Litze des Netzkabels 40 verbunden wird, z.B. mittels einer Lötverbindung. Alternativ ist auch denkbar, die genannte Wärmeleitverbindung 50 mittels einer Nietung oder einer Verschraubung des Leistungsbauelements 20 mit der Litze des Netzkabels 40 zu realisieren.
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Alternativ kann zu einer Wärmeabfuhr auch vorgesehen sein, die Wärme vom Leistungsbauelement 20 auf ein Kühlblech bzw. einen Kühlkörper 60 und in weiterer Folge an die Umgebungsluft abzuführen. Damit nicht Finger eines Benutzers beim Ziehen des Netzsteckers 30 mit dem heiß gewordenen Kühlkörper 60 in Berührung kommen können, wird eine Abdeckstruktur im Gehäuse des Netzsteckers 30 vorgesehen. Beispielsweise kann diese im Steckergehäuse gitterförmig, mit resultierenden Öffnungen 32 zum Wärmeaustritt ausgebildet sein.
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Das Ausführungsbeispiel der 5a und 5b zeigt derartige Öffnungen 32. Erkennbar ist außerdem, dass das Steckergehäuse mit einer Zusatzfunktion ausgestattet ist, welches am Kabelaustrittsende zwei Haken 33 als Kabelhaltehilfen vorsieht, die das Aufwickeln und Zusammenhalten des Netzkabels 40 zum Elektrowerkzeug 200 erleichtern. Derartige Netzstecker 30 mit Zusatzfunktion haben in der Regel etwas größere Außenabmessungen und sind deshalb besonders geeignet, um im Inneren eine Platine 10 aufzunehmen. Auch lässt sich hier vorteilhaft ein besonders großer Kühlkörper 60 für Elektrowerkzeuge 200 mit besonders hoher Motorleistung unterbringen.
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6a ein zeigt eine Ausführungsform des Kühlkörpers 60 als eine spezifisch geformte Blechplatte („Kühlblech“). Falls das ebene Kühlblech von 6a bei gegebenem Einbauraum zu wenig Oberfläche zur Wärmeableitung aufweist, ist alternativ ein Kühlkörper 60 mit einer größeren Oberfläche bei ähnlichen Ausdehnungen möglich, beispielsweise ein kostengünstig herstellbares Aluminium-Strangpressprofil mit Rippen 61, wie prinzipiell in 6b dargestellt. Die Rippen 61 erstrecken sich in die Öffnungen 32 im Steckergehäuse, wie in 7a dargestellt. Dadurch sind sie in der Lage, Wärme an die Umgebungsluft abzugeben, sind jedoch bezüglich der Gesamtaußenkontur des Steckergehäuses geringfügig versenkt, was einen Schutz des Benutzers vor Verbrennungen aufgrund eines überhitzten Kühlkörpers 60 bewirkt. Erkennbar ist die Versenkung der Rippen 61 gegenüber der Außenkontur des Netzsteckers 30 in 7b, die eine Aufsicht der Steuervorrichtung 100 von 7a zeigt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Steuervorrichtung 100 ist auch denkbar, dass das Steckergehäuse des Netzsteckers 30 wenigstens teilweise aus wärmeleitfähigem Kunststoff gebildet ist, der die erforderlichen isolierenden Eigenschaften gegenüber der innen geführten elektrischen Netzspannung aufweist.
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8 zeigt eine derartige Variante, wobei der Netzstecker 30 vollständig aus wärmeleitfähigem Kunststoff ausgeführt ist. Die Platine 10 ist in diesem Fall gleichermaßen, wie es für Netzkabel 40 und für Steckerstifte 31 bekannt ist, in diesem Kunststoff eingebettet. Auf diese Weise kann die Wärme vom Leistungsbauelement 20 über den wärmeleitfähigen Kunststoff an die Umgebungsluft abgeführt werden. Bekannte formgebende Verfahren zur Kunststoffverarbeitung, wie z.B. Spritzguss bieten vielfältige Möglichkeiten zur Formgebung. Optional kann vorgesehen sein, die Außenfläche des Netzsteckers 30 durch Rippen 34 zu vergrößern, wodurch eine nochmals verbesserte Wärmeabfuhr bereitgestellt ist.
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In einer in 9 angedeuteten Variante der Steuervorrichtung 100 ist es möglich, den Hauptanteil des Netzsteckers 30 aus herkömmlichem Kunststoff zu fertigen und nur die Platine 10 mit dem Leistungsbauteil 20 mit dem wärmeleitenden Kunststoff zu umspritzen. Dies ist beispielsweise in einem Zweikomponenten-Spritzgießverfahren für Fälle möglich, wo besondere Materialeigenschaften gefordert sind. Dadurch kann eine höhere Elastizität am Gesamtgehäuse, zum Beispiel zum Realisieren eines elastischen Bereichs für eine Kabelbiegetülle des Netzsteckers 30 erreicht werden. Angedeutet ist der Unterschied des wärmeleitenden Kunststoffs gegenüber dem herkömmlichen Kunststoff durch unterschiedliche Schraffuren.
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Nachfolgend sind spezifische Elektronikfunktionen für Elektrowerkzeuge 200, die auf der Platine 10 im Netzstecker 30 integriert werden können, aufgelistet, wobei die Auflistung lediglich exemplarisch und keineswegs abschließend ist:
- – Wiederanlaufsperre, die es ermöglicht, dass das Elektrowerkzeug 200 nach dem Ziehen und Widereinstecken des Netzsteckers 30 nicht anläuft, auch wenn der Werkzeugschalter in „Ein“-Position arretiert ist
- – Sanftanlauf, der es ermöglicht, dass das Elektrowerkzeug 200 ohne Anlaufruck anläuft
- – Lastabhängige Motorsteuerung, die eine Drehzahl des Elektrowerkzeugs 200 (z.B. eine Bohrmaschine oder dgl.) unter Betriebslast nahezu konstant hält. Eine Regelgröße kann beispielsweise ein cos φ der elektrischen Netzspannung oder ein aufgenommener elektrischer Strom sein.
- – Motorschutz, der mittels einer gemessenen Stromaufnahme und einer Motorabschaltung bei Überlast realisiert wird
- – Ableitstromprüfung, die eine elektrische Spannungsverschleppung nach außen auf das Maschinengehäuse detektiert
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10 zeigt schematisch ein Elektrowerkzeug 200 mit einer Steuervorrichtung 100.
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11 zeigt prinzipiell einen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Steuervorrichtung 100 für ein Elektrowerkzeug 200.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Leistungsbauelement 20 auf einer Platine 10 angeordnet.
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In einem zweiten Schritt S2 wird die Platine 10 in einem Netzstecker 30 für das Elektrowerkzeug 200 angeordnet.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine in einem Netzstecker integrierte Steuervorrichtung mit einem Leistungsbauteil für ein Elektrowerkzeug vorgeschlagen. Dies ist aufgrund der miniaturisierten Elektronikbaugruppe mit SMD-Bauteilen auf einfache Weise möglich, wobei gegenüber der herkömmlichen Realisierung Vergußmasse innerhalb des Elektrowerkzeuge eingespart werden kann, was Bauraumgewinn im Elektrowerkzeug bedeutet, die im Ergebnis dadurch kleiner gebaut sind. Ferner können vorteilhaft periphere Bauteile eingespart werden, wie z.B. ein Bauteilbecher für das Leistungsbauelement. Im Ergebnis ist es dadurch möglich, eine kostenoptimierte Fertigung von Elektrowerkzeugen bereitzustellen. Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Integration der Platine in jeglichen verwendeten Netzsteckertypen möglich, wobei eine Form des Steckergehäuses und eine Anzahl von Steckerstiften beliebig sind.
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Obwohl die Erfindung vorangehend mit konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie keinesfalls darauf beschränkt. Der Fachmann wird die Möglichkeit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Ausführungsformen erkennen und deshalb vorangehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsbeispiele gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien realisieren.
