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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich auf Schaltleistungswandler und insbesondere auf einen Schaltleistungswandler mit verbesserter Gesamtleistungsfaktorkorrektur durch Rückkopplungssignalmittelung.
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Die Einstufen-Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandlung ist eine preiswerte und somit verbreitete Leistungsversorgungstopologie für Anwendungen wie etwa Festkörperbeleuchtung. Ein wichtiger Parameter für einen Einstufen-Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungsschaltwandler ist sein Leistungsfaktor, der das Verhältnis der Wirkleistung, die durch das Wechselstromnetz an den Einstufen-Wechselstrom-Gleichstrom-Schaltleistungswandler geliefert wird, im Vergleich mit der Scheinleistung, die an den Einstufen-Wechselstrom-Gleichstrom-Schaltleistungswandler geliefert wird, ist. Im Gegensatz zu der Wirkleistung ist die Scheinleistung unempfindlich für die Phaseneinstellung zwischen dem Eingangsstrom und der Eingangsspannung. Somit wird der Leistungsfaktor (PF) verringert, falls der Eingangsstrom und die Eingangsspannung phasenverschoben sind. Die gleichgerichtete Eingangsspannung zu einem Einstufen-Wechselstrom-Gleichstrom-Schaltleistungswandler wiederholt zyklisch mit dem Doppelten der Frequenz für das Wechselstromnetz sich von näherungsweise null Volt bis zu einer Spitzenleitungsspannung (z. B. 120 V . 1,414 in den USA). Wenn dieses sinusförmige Pulsieren oder zyklische Wiederholen der gleichgerichteten Eingangsspannung vorausgesetzt wird, sollte der Eingangsstrom ein ähnliches Profil aufweisen, um wie etwa unter Verwendung einer Methodik eines geeignet geänderten Spitzenstroms oder einer konstanten Einschaltzeitregelung einen hohen PF zu erzielen.
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In diesen beiden Techniken regelt der Schaltleistungswandler das zyklische Betätigen des Leistungsschalttransistors in der Weise, dass der Eingangsstrom in den Schaltleistungswandler während Zeitdauern hoher Last ein Profil aufweist, das mit dem Profil oder mit der Einhüllenden für die gleichgerichtete Eingangsspannung phasengleich ist. Jeder Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung beginnt mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung (z. B. null Volt), um in der Mitte des Zyklus eine Spitzenspannung zu erreichen, und fällt daraufhin auf eine verhältnismäßig niedrige Spannung. Um einen hohen PF zu erzielen, hat der Spitzenwert für jeden Zyklus des Eingangsstroms in den Schaltleistungswandler ein Profil oder eine Schwellenwert-Einhüllende, das bzw. die ähnlich der Einhüllenden einer gleichgerichteten Eingangsspannung ist. Somit wiederholt sich der Spitzeneingangsstrom mit der gleichgerichteten Eingangsspannung phasengleich zyklisch, so dass der Spitzeneingangsstrom zu Beginn eines Zyklus verhältnismäßig klein ist, in der Mitte des Zyklus durch einen Spitzenwert geht und daraufhin an dem Ende jedes Zyklus wieder auf einen verhältnismäßig kleinen Wert fällt.
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In 1 ist ein Beispiel des Eingangsspannungsprofils oder der Eingangsspannungseinhüllenden 110 über zwei Zyklen gezeigt. In jedem Zyklus steigt die Eingangsspannung in der Mitte des Zyklus auf einen Maximalwert. Ein Nulldurchgangszeitpunkt 115 trennt die zwei Zyklen. Um einen hohen PF zu erzielen, sollte der Spitzeneingangsstrom zu dem Schaltleistungswandler ein ähnliches Profil aufweisen. Die Sinusform des Spitzeneingangsstromprofils veranlasst, dass die Ausgangsspannung, wie in 2 gezeigt ist, für dieselben zwei Zyklen der gleichgerichteten Eingangsspannung eine niederfrequente Welligkeit oder Schwingung aufweist. Die Rückkopplungsschleife in dem Schaltleistungswandler vergleicht die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung, um eine Regelspannung zu erzeugen, die ebenfalls eine entsprechende niederfrequente Welligkeit oder Schwingung aufweist. Die Rückkopplungsschleife reagiert auf diese niederfrequente Welligkeit in dem Regelspannungssignal in der Weise, dass das sinusförmige Sollprofil des Spitzeneingangsstroms (Schwellenwert von I_PEAK) hinsichtlich des gleichgerichteten Eingangsspannungsprofils (V_IN), wie in 3 gezeigt ist, verformt wird. Die entsprechende Verformung des Spitzeneingangsstromprofils verringert den PF.
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Dementsprechend besteht im Gebiet ein Bedarf an Einstufen-Leistungswandlern mit einer robusten Leistungsfaktorkorrektur.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Um den Leistungsfaktor zu verbessern, wird ein Schaltleistungswandler mit einem Controller mit einer Rückkopplungsschleife, der ein Rückkopplungssignal in Bezug auf Zyklen einer gleichgerichteten Eingangsspannung mittelt, geschaffen. Die Mittelung des Rückkopplungssignals findet über einen aktuellen Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung statt, um ein gemitteltes Rückkopplungssignal zu bilden, das durch die Rückkopplungsschleife in einem nachfolgenden Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung verwendet wird. Jeder Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung entspricht einem halben Zyklus einer Netzeingangswechselspannung. Ein gegebener Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung verläuft von einem Nulldurchgangszeitpunkt für die Netzeingangswechselspannung bis zu einem folgenden Nulldurchgangszeitpunkt.
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Die Rückkopplungsschleife ist Teil eines Controllers, der die zyklische Wiederholung eines Leistungsschalttransistors moduliert, um eine Ausgangsspannung zu regeln. Die Rückkopplungsschleife vergleicht die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das kompensiert wird, um eine Regelspannung zu bilden. Der Controller moduliert das zyklische Betätigen des Schaltleistungstransistors als Reaktion auf die Regelspannung. Bei einer derartigen gegebenen Rückkopplungsschleifenstruktur kann das gemittelte Rückkopplungssignal die Ausgangsspannung oder das Fehlersignal oder die Regelspannung sein.
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Der Controller moduliert das zyklische Betätigen des Leistungsschalters unter Verwendung einer bekannten Leistungsfaktorkorrekturtechnik wie etwa der Verwendung einer konstanten Einschaltzeit für den Leistungsschalttransistor oder in der Weise, dass die Einschaltzeit des Leistungsschalttransistors in der Weise geregelt wird, dass er einen Spitzeneingangsstrom, der proportional zu der gleichgerichteten Eingangsspannung ist, erzeugt. Die resultierende Formung der Einhüllenden des Eingangsstroms proportional zu der Einhüllenden für die gleichgerichtete Eingangsspannung führt für den Schaltleistungswandler eine niederfrequente Welligkeit oder Schwingung der Ausgangsspannung ein. Allerdings verhindert die Mittelung des Rückkopplungssignals über jeden Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung, dass das Regelsignal (oder das gemittelte Regelsignal in Ausführungsformen, in denen das Regelsignal das gemittelte Rückkopplungssignal ist) eine entsprechende niederfrequente Welligkeit aufweist. Da die niederfrequente Welligkeit andernfalls bewirken würde, dass der Controller die Einhüllende des Spitzeneingangsstroms in der Weise verformt, dass es mit der Einhüllenden für die gleichgerichtete Eingangsspannung phasenverschoben ist, wird die resultierende Leistungsfaktorkorrektur somit verbessert.
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Diese vorteilhaften Merkmale können durch eine Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung besser gewürdigt werden.
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Figurenliste
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- 1 stellt die gleichgerichtete sinusförmige Eingangsspannungseinhüllende über zwei aufeinanderfolgende Zyklen der gleichgerichteten Eingangsspannung dar.
- 2 stellt die Ausgangsspannung für einen herkömmlichen Einstufen-Leistungswandler, der die zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der gleichgerichteten Eingangsspannung aus 1 empfängt, dar.
- 3 stellt die Einhüllende des Spitzeneingangsstroms für den herkömmlichen Einstufen-Leistungswandler aus 2 und die entsprechende Einhüllende für einen Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung dar.
- 4 stellt einen beispielhaften Hochsetzsteller, der dafür konfiguriert ist, eine Rückkopplungssignalmittelung auszuführen, gemäß einem Aspekt der Offenbarung dar.
- 5 stellt drei beispielhafte Ausführungsformen für einen Schaltleistungswandler-Controller, der eine Rückkopplungsschleife mit Rückkopplungssignalmittelung enthält, gemäß einem Aspekt der Offenbarung dar.
- 6 stellt eine beispielhafte Einhüllende des Spitzeneingangsstroms für einen Schaltleistungswandler mit Rückkopplungssignalmittelung im Vergleich mit der Einhüllenden eines Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung gemäß einem Aspekt der Offenbarung dar.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ihre Vorteile werden am besten verständlich mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung. Es ist zu erkennen, dass zur Identifizierung gleicher Elemente, die in einer oder in mehreren der Figuren dargestellt sind, gleiche Bezugszeichen verwendet sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Um den Einstufenleistungsfaktor für einen Schaltleistungswandler zu verbessern, wird die Rückkopplungsschleifenschaltung geändert, damit sie auf einen Mittelwert der Ausgangsspannung reagiert. Insbesondere erzeugt die Rückkopplungsschleifenschaltung eine Regelspannung, die auf einen Fehler zwischen einer gefilterten Ausgangsspannung und einer Referenzspannung (dem Sollwert der Ausgangsspannung) reagiert. Um zu verhindern, dass die Regelspannung wegen einer entsprechenden niederfrequenten Welligkeit der Ausgangsspannung eine niederfrequente Welligkeit aufweist, ist die gefilterte Ausgangsspannung ein Mittelwert der Ausgangsspannung über einen Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung. Die Mittelung der Ausgangsspannung beginnt zu Beginn des Zyklus und endet mit dem Ende des Zyklus. Somit ist die Integration oder Mittelung der Ausgangsspannung eine „Integrieren- und Ausgeben-“ Operation über den Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung. Alternativ kann anstelle der Mittelung der Ausgangsspannung die Regelspannung selbst über den Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung gemittelt werden. Unabhängig davon, ob die Ausgangsspannung oder die Regelspannung das über den Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung gemittelte Rückkopplungssignal ist, ist die resultierende Verformung zwischen der Einhüllenden für den Spitzeneingangsstrom in den Schaltleistungswandler und der Einhüllenden für die gleichgerichtete Eingangsspannung im Vergleich mit herkömmlichen Rückkopplungsschleifen wesentlich verringert, so dass der Leistungsfaktor dementsprechend verbessert ist.
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Ein beispielhafter Schaltleistungswandler ist ein Hochsetzsteller 200, wie er in 4 gezeigt ist, wobei aber gewürdigt werden wird, dass die vorliegende Rückkopplungsschleifenmittelung leicht auf andere Typen von Schaltleistungswandlern wie etwa einen Tiefsetzsteller oder einen Sperrwandler anwendbar ist. Ein Brückengleichrichter 410 richtet eine Netzeingangswechselspannung (V_INAC) gleich, um an einer Eingangsspannungsschiene die gleichgerichtete Eingangsspannung (Vin) zu bilden. Die gleichgerichtete Eingangsspannung weist für jeden halben Zyklus der Netzeingangswechselspannung einen Zyklus auf, wie er in 1 diskutiert ist. Ein zwischen die Eingangsspannungsschiene und die Masse geschalteter Eingangskondensator Cin speichert und filtert die gleichgerichtete Eingangsspannung. Ein Controller 305 regelt eine Ausgangsspannung (V_OUT) durch Modulieren des zyklischen Betätigens eines Leistungsschalttransistors S. Ein Anschluss (z. B. ein Source-Anschluss) des Leistungsschalttransistors ist an Masse gebunden, während ein verbleibender Anschluss (z. B. ein Drain-Anschluss) über ein induktives Bauelement L mit der Eingangsspannungsschiene gekoppelt ist. Während der Leistungsschalttransistor zyklisch eingeschaltet wird, fließt ein Eingangsstrom (lin) durch das induktive Bauelement und durch den Leistungsschalttransistor zur Masse. Während dieser Einschaltzeit ist eine Ausgangsdiode D1 in Sperrrichtung gepolt, um zu verhindern, dass aus dem Hochsetzsteller ein Ausgangsstrom (lout) fließt, der einen Ausgangskondensator Cout mit der Ausgangsspannung lädt. Wenn der Leistungsschalttransistor zyklisch ausgeschaltet wird, wird die Ausgangsdiode in Durchlassrichtung betrieben, so dass das induktive Bauelement freiläuft, um den Ausgangsstrom anzusteuern und die Ausgangsspannung zu laden. In alternativen Ausführungsformen kann die Ausgangsdiode durch einen synchronen Gleichrichterschalttransistor ersetzt sein.
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Um einen hohen PF zu erzielen, kann der Controller 300 den Leistungsschalttransistor in jedem Leistungsschalttransistorzyklus zyklisch betätigen, um eine konstante Einschaltzeit zu haben. Die Schaltperiode für das zyklische Betätigen des Leistungsschalttransistors ist im Vergleich mit der Zyklusperiode der gleichgerichteten Eingangsspannung verhältnismäßig klein, so dass der Leistungsschalttransistor über den gleichgerichteten Eingangsspannungszyklus mehrfach zyklisch betätigt wird. Da es in jedem Leistungsschalttransistorzyklus eine konstante Einschaltzeit gibt, ist eine Einhüllende für den Spitzeneingangsstrom proportional zu der Einhüllenden der gleichgerichteten Eingangsspannung. Alternativ kann der Controller 300 für jeden Zyklus des Leistungsschalttransistors einen Spitzeneingangsstrom bestimmen, der proportional zu der gleichgerichteten Eingangsspannung ist. Nachdem er für einen gegebenen Zyklus des Leistungsschalttransistors einen Sollspitzeneingangsstrom bestimmt hat, würde der Controller 300 den Leistungsschalttransistor zyklisch einschalten, bis der Sollspitzeneingangsstrom erreicht ist. Obgleich sowohl eine Vorgehensweise einer konstanten Einschaltzeit als auch die eines Spitzeneingangsstroms für die Leistungsfaktorkorrektur herkömmlich sind, leiden beide Techniken an der in 3 gezeigten Verformung, falls eine herkömmliche Rückkopplungsschleife genutzt ist.
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Um die Leistungsfaktorkorrektur zu verbessern, wird die Rückkopplungsschleife, wie in 5 gezeigt ist, geändert, um ein Rückkopplungssignal in dem Controller 300 zu mitteln. In 5 sind drei Konfigurationen oder Ausführungsformen gezeigt. In einer ersten Ausführungsform 501 mittelt eine Mittelungsschaltung 505 die Ausgangsspannung über einen Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung, um eine gemittelte Ausgangsspannung (Vout(avg)) zu bilden. Ein Fehlersignalgenerator 500 erzeugt auf der Grundlage einer Differenz oder eines Fehlers zwischen der gemittelten Ausgangsspannung und einer Referenzspannung ein Fehlersignal, um ein Fehlersignal zu bilden, das durch ein Schleifenfilter 510 kompensiert wird, um eine Regelspannung Vc zu bilden. Eine Logikschaltung 515 regelt das zyklische Betätigen des Leistungsschalttransistors S als Reaktion auf die Regelspannung Vc.
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Anstatt die Ausgangsspannung zu mitteln, kann die Mittelungsschaltung, wie in der Ausführungsform 502 gezeigt ist, stattdessen das Fehlersignal mitteln, um ein gemitteltes Fehlersignal (error(avg)) zu bilden. In einer derartigen Ausführungsform greift die Mittelungsschaltung zwischen dem Fehlersignalgenerator und dem Schleifenfilter ein, so dass das Schleifenfilter das gemittelte Fehlersignal kompensiert, um die Regelspannung Vc zu bilden. In einer abermals anderen alternativen Ausführungsform 503 mittelt die Mittelungsschaltung stattdessen das Regelsignal Vc von dem Schleifenfilter, um ein gemitteltes Regelsignal (Vc(avg)) zu bilden. In der Ausführungsform 503 regelt die Logikschaltung das zyklische Betätigen des Leistungsschalttransistors S als Reaktion auf das gemittelte Regelsignal.
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Unabhängig davon, welches Rückkopplungssignal gemittelt wird, beginnt die Mittelungsschaltung ihr Mitteln zu Beginn eines aktuellen Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung und beendet sie das Mitteln am Ende des aktuellen Zyklus. Somit erfolgt die Integration oder Mittelung auf zyklusweiser Grundlage in Bezug auf die gleichgerichtete Eingangsspannung. Wieder anhand von 1 gibt es für die Netzeingangswechselspannung einen Nullpunktdurchgangszeitpunkt 115, der aufeinanderfolgenden Zyklen der gleichgerichteten Eingangsspannung trennt. Zum Beispiel wird der erste Zyklus der in 1 gezeigten gleichgerichteten Eingangsspannung betrachtet. Die Integration des Rückkopplungssignals würde zu Beginn dieses ersten Zyklus beginnen und bei dem Nulldurchgangszeitpunkt 115, der das Ende des ersten Zyklus markiert, enden. Somit verläuft die Mittelung durch die Mittelungsschaltung über jeden halben Zyklus der Netzeingangswechselspannung. Daraufhin wird das summierte oder integrierte Rückkopplungssignal gemittelt und in dem nachfolgenden Zyklus der gleichgerichteten Eingangsspannung als das Rückkopplungssignal verwendet.
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Die Logikschaltung detektiert die Nulldurchgangszeitpunkte, so dass die Mittelungsschaltung dementsprechend zeitlich eingestellt werden kann, um ihre Mittelung zu beginnen und zu beenden. Wie im Gebiet der Schaltleistungswandler bekannt ist, kann eine derartige Detektion der Nulldurchgangszeitpunkte auf eine Anzahl von Arten ausgeführt werden. Zum Beispiel kann in den Masserückweg zu dem Brückengleichrichter ein Erfassungswiderstand (nicht dargestellt) eingefügt sein. Die Logikschaltung kann dann die Spannung über einen derartigen Erfassungswiderstand überwachen, um die Nulldurchgangszeitpunkte zu erfassen. Alternativ kann die Logikschaltung die Spannung über einen Erfassungswiderstand (nicht dargestellt) in Reihe mit dem Leistungsschalttransistor verwenden, um die Nulldurchgangszeitpunkte zu detektieren.
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In diesen verschiedenen Ausführungsformen ist die Rückkopplungsschleife durch den Fehlersignalgenerator 500 und durch das Schleifenfilter 510 gebildet. In einer analogen Ausführungsform für die Rückkopplungsschleife ist der Fehlersignalgenerator 505 ein Fehlerverstärker. In einer digitalen Ausführungsform sind sowohl die Ausgangsspannung (oder die gemittelte Ausgangsspannung in Abhängigkeit davon, welches Rückkopplungssignal gemittelt wird) als auch die Referenzspannung digitale Signale, so dass der Fehlersignalgenerator 505 einen Addierer umfassen würde, der die digitalisierte Referenzspannung von der digitalisierten Ausgangsspannung subtrahiert, um ein digitales Fehlersignal zu bilden. Das Schleifenfilter 510 wäre in einer analogen Ausführungsform ein analoges Filter und in einer digitalen Ausführungsform ein digitales Filter.
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Die Logikschaltung 515 moduliert das zyklische Betätigen des Leistungsschalttransistors S1 entweder unter Verwendung einer konstanten Einschaltzeit für jeden Zyklus des Leistungsschalters oder in der Weise, dass ein Spitzenstrom für jeden Zyklus des Leistungsschalters proportional zu der gleichgerichteten Eingangsspannung ist. Derartige Leistungsfaktorkorrekturtechniken sind im Gebiet bekannt und werden hier somit nicht ausführlicher diskutiert. Allerdings führt die Integration dieser bekannten Leistungsfaktorkorrekturtechniken mit einem gemittelten Rückkopplungssignal, wie in den Ausführungsformen 501, 502 und 503 gezeigt ist, zu einer wesentlichen Verbesserung der Leistungsfaktorkorrektur. Zum Beispiel ist in 6 eine beispielhafte Einhüllende des Spitzeneingangsstroms (des Schwellenwerts von I_PEAK) für einen wie hier offenbarten Schaltleistungswandler mit einem gemittelten Rückkopplungsschleifensignal gezeigt. Die Phaseneinstellung zwischen der Einhüllenden des Spitzeneingangsstroms über einen halben Zyklus der Einhüllenden für die Netzeingangswechselspannung (Form von V_IN AC) ist im Vergleich mit der in Bezug auf 3 diskutierten herkömmlichen Verformung wesentlich verbessert.
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Wie der Fachmann auf dem Gebiet nun würdigen wird und in Abhängigkeit von der bestimmten vorliegenden Anwendung können in und an den Materialien, Vorrichtungen, Konfigurationen und Verfahren der Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung viele Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von deren Erfindungsgedanken und Schutzumfang abzuweichen. In diesem Licht soll der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf die hier dargestellten und beschriebenen bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein, da sie lediglich als einige Beispiele dafür gegeben sind, sondern soll er vielmehr vollständig im Einklang mit den im Folgenden angefügten Ansprüchen und ihren funktionalen Entsprechungen sei.
