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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer
Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Beleuchtungssystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 14 mit dieser Entladungslampe.
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Es handelt sich dabei um eine Entladungslampe,
insbesondere auch um eine Leuchtstofflampe, bei der sämtliche
Elektroden auf der Außenwandung
des Entladungsgefäßes angeordnet
sind. Die Außenwandung
dient dabei unter anderem als dielektrische Schicht, welche während des
Betriebs der Lampe die Elektroden von der Entladung trennt. Man nennt
diese Art von Entladung deshalb auch zweiseitig dielektrisch behinderte
Entladung.
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Das Spektrum der von dieser Lampe
emittierten elektromagnetischen Strahlung kann dabei sowohl den
sichtbaren Bereich als auch den UV(Ultraviolett)/VUV(Vakuumultraviolett)-Bereich
sowie den IR(Infrarot)-Bereich
umfassen. Ferner kann auch eine Leuchtstoffschicht zur Konvertierung
unsichtbarer in sichtbare Strahlung vorgesehen sein.
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Des weiteren handelt es sich um eine
Entladungslampe mit rohrförmigem,
beidseitig verschlossenem Entladungsgefäß. Der Querschnitt des Entladungsgefäßes ist
bevorzugt kreisförmig.
Geeignet sind aber auch nur näherungsweise
kreisförmige Querschnitte,
beispielsweise regelmäßige Vielecke, z.B.
Sechsecke etc.. Der Begriff „rohrförmig" ist hier nicht auf
gerade rohr förmige
Entladungsgefäße beschränkt sondern
umfaßt
ebenso gebogene, beispielsweise abgewinkelte, rohrförmige Entladungsgefäße. Da die
Entladungsrichtung im wesentlichen senkrecht zu Lampenlängsachse
verläuft,
ist auch der Länge
der Lampe keine prinzipielle Grenze gesetzt.
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Derartige Lampen werden insbesondere
in Geräten
für die
Büroautomation
(OA = Office Automation), z.B. Farbkopierer und -scanner, für die Signalbeleuchtung,
z.B. als Brems- und Richtungsanzeigelicht in Automobilen, für die Hilfsbeleuchtung,
z.B. der Innenbeleuchtung von Automobilen, sowie für die Hintergrundbeleuchtung
von Anzeigen, z.B. Flüssigkristallanzeigen,
als sogenannte „Edge
Type Backlights" eingesetzt.
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In diesen technischen Anwendungsfeldern sind
sowohl besonders kurze Anlaufphasen, aber auch möglichst temperaturunabhängige Lichtströme erforderlich.
Deshalb enthalten diese Lampen kein Quecksilber. Vielmehr sind diese
Lampen üblicherweise
mit Edelgas, vorzugsweise Xenon, bzw. Edelgasmischungen gefüllt.
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Für
die genannten Anwendungen ist sowohl eine hohe Leuchtdichte als
auch eine über
die Länge der
Lampe gleichmäßige Leuchtdichte
notwendig. Zur Erhöhung
der Leuchtdichte werden die Lampen für den OA-Einsatz üblicherweise
mit einer Apertur entlang der Längsachse
versehen. Um die Leuchtdichte weiter zu steigern, genügt es nicht,
die in bisherige Systeme eingekoppelte Leistung zu erhöhen, da
die Belastung einer Lampe für
einen dauerhaften und zuverlässigen
Betrieb nicht beliebig gesteigert werden kann. Erschwerend kommt
hinzu, daß bei den
bisher in Kopiergeräten
und Scannern eingesetzten Systemen die Effizienz der Entladung mit
zunehmender Leistungseinkopplung abnimmt.
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Stand der Technik
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Aus der Schrift
US 5,117,160 ist bereits eine Edelgas-Entladungslampe
für OA-Geräte bekannt. Auf
der Außenfläche der
Wand eines rohrförmigen Entladungsgefäßes sind
zwei streifenförmige
Elektroden entlang der Lampenlängsachse
angeordnet. Die Lampe wird mit Wechselspannung bei einer bevorzugten
Frequenz zwischen 20 kHz und 100 kHz betrieben. Im Betrieb wird
die 147 nm Xenon-Linie angeregt. Die mit der verwendeten Betriebsweise
erzielbare Nutzstrahlungseffizienz und folglich die resultierende
Leuchtdichte ist relativ gering.
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Aus der
US 5,604,410 ist außerdem bekannt, daß sich die
Effizienz von dielektrisch behinderten Entladungen mit Hilfe eines
auf die speziellen Verhältnisse
(Schlagweite, Elektrodenkonfiguration, Elektrodengeometrie, Füllgas und
Fülldruck)
angepaßten
Pulsbetriebes (gepulste, dielektrisch behinderte Entladung) gegenüber den
mit Wechselspannung angeregten dielektrisch behinderten Entladungen
(siehe
US 5,117,160 )
deutlich steigern läßt.
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In der
EP 0 766 286 A1 ist eine rohrförmige Edelgas-Entladungslampe
mit einem Paar streifenartiger Elektroden offenbart. Auf der einen
Seite zwischen den beiden Elektroden ist ein für die Lichtabstrahlung vorgesehener
Teil freigehalten. Auf der entgegengesetzten Seite sind die Elektroden
nahe benachbart, wobei ein dazwischen angeordnetes Isoliermaterial
parasitäre
Entladungen an dieser Stelle verhindern soll. Außerdem ist eine rohrförmige Edelgas-Entladungslampe
mit drei und eine weitere mit acht streifenartigen Elektroden offenbart.
Dabei sind die Elektroden sehr dicht nebeneinander aufgereiht angeordnet
und jeweils mittels dazwischen angeordnetem Isoliermaterial voneinander
isoliert. Auch hier ist jeweils ein für die Lichtabstrahlung vorgesehener Teil
freigehalten, ähnlich
wie bei der Lampe mit einem Elektrodenpaar.
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Darstellung
der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
genannten Nachteile zu beseitigen und eine Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere auch eine Leuchtstofflampe, mit verbesserter
Leuchtdichte bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Zum besseren Verständnis des
folgenden wird zunächst
der Begriff des „Elektrodenpaares" eingeführt. Darunter
sind hier zwei längliche,
zueinan der parallele Elektroden mit im Betrieb unterschiedlichen Polaritäten zu verstehen,
zwischen denen im Betrieb eine „Entladungsebene" brennt. Im Falle
der bevorzugten impulsartigen Wirkleistungseinkopplung gemäß
US 5,604,410 ist die Entladungsebene
eine ebene Entladungsstruktur, die aus einer Vielzahl von Einzelentladungen
besteht.
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Erfindungsgemäß weist die Entladungslampe
drei oder mehr längliche
Elektroden auf, die auf der Außenwandung
des rohrförmigen
Entladungsgefäßes der
Lampe und parallel zur Längsachse
des rohrförmigen
Entladungsgefäßes angeordnet
derart, sind daß die
folgende Beziehung erfüllt
ist:
wobei
s den maximalen Abstand definiert, den die gedachte Verbindungslinie
eines Elektrodenpaares zur nächstbenachbarten
Wand des Entladungsgefäßes aufweist
und a den gegenseitigen Abstand der Elektroden dieses Elektrodenpaares
definiert (mittig von den Elektroden aus gemessen). In diesem Zusammenhang
wird auch auf die
6 verwiesen, welche
den maximalen Abstand s, den die gedachte Verbindungslinie
20 eines
Elektrodenpaares
3,
4 bzw.
3,
5 zur
nächstbenachbarten
Wand des Entladungsgefäßes
2 aufweist,
am Beispiel einer Entladungslampe
1 mit drei Elektroden
3-5 schematisiert zeigt.
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Im Betrieb werden also mindestens
zwei Entladungsebenen erzeugt, die sich zwischen korrespondierenden
Elektrodenpaaren und entlang der Längsachse des Entladungsgefäßes erstrecken.
In dieser Ebene sind eine Vielzahl von Einzelentladungen nebeneinander
entlang der Elektroden aufgereiht, die im Grenzfall in eine Art
vorhangähnliche Entladungsform übergehen.
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Dabei können die Entladungsebenen auch eine
gemeinsame Elektrode haben, beispielsweise im Falle von drei Elektroden,
in dem die beiden Elektro den gleicher Polarität nur eine gemeinsame Gegenelektrode
mit entgegenge- setzter Polarität
haben. Mit andern Worten teilen sich in diesem Fall zwei Elektrodenpaare
eine gemeinsame Elektrode. Bevorzugt ist dies bei unipolaren Spannungspulsen
die Kathode und die beiden anderen Elektroden sind als Anoden geschaltet.
Um die Leuchtdichte der Lampe darüber hinaus zu erhöhen, können weitere
Entladungsebenen innerhalb des Entladungsgefäßes erzeugt werden.
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Im Falle von drei Elektroden sind
diese bevorzugt – im
Querschnitt betrachtet – zumindest
näherungsweise
an den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkligen oder gleichseitigen
Dreiecks angeordnet. Der letztere Fall hat den Vorteil, daß sich die Lampe
relativ einfach herstellen läßt, da zum
Aufbringen der zweiten sowie dritten Elektrode die Lampe jeweils
nur um 120° gedreht
werden muß.
Außerdem läßt sich
anhand einfacher geometrischer Überlegungen
zeigen, daß in
diesem Fall der Quotient s/a immer den Wert 1/(2·√3) ≈ 0,29 annimmt,
unabhängig vom
Lampendurchmesser, und folglich die weiter oben genannte Beziehung
erfüllt.
Die Anordnung in Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat hingegen den
Vorteil, daß sich
damit größere Schlagweiten
für die
beiden Entladungsebenen realisieren lassen, sofern der von den beiden
Entladungsebenen gebildete Winkel kleiner als 120° gewählt wird.
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Mit vier Elektroden lassen sich entweder zwei
unabhängige
Entladungsebenen oder aber drei Entladungsebenen mit einer gemeinsamen
Elektrode realisieren, je dem, nach ob bei unipolarer Anregung die
vier Elektroden als zwei Kathoden und zwei Anoden oder aber als
eine Kathode und drei Anoden (bzw. eine Anode und drei Kathoden)
geschaltet sind.
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Im Prinzip lassen sich auf diese
Weise auch mehr als drei Entladungsebenen erzeugen. Allerdings hängt es im
wesentlichen vom Durchmesser des Entladungsrohres ab, ob sich für drei und
mehr Entladungsebenen überhaupt noch
eine Elektrodenanordnung finden läßt, welche die oben genannte Beziehung
erfüllt.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre
wird eine höhere
Nutzstrahlungseffizienz erzielt. Dies ist unter anderem auf die
höhere
elektrische Leistungseinkopplung mittels mehrerer Entladungsebenen
bei gleichzeitig optimierter Schlagweite der Entladungen und geringen
Wandverlusten zurückzuführen.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich durch mehr
als zwei Elektroden zwar zunächst
eine höhere elektrische
Leistung in die Lampe einkoppeln läßt. Allerdings nimmt die Effizienz
der Nutzstrahlungserzeugung mit zunehmender Anzahl der Elektroden unter
Umständen
wieder ab. Dafür
werden nach dem heutigen Stand der Erkenntnisse unter anderem zunehmende
Wandverluste verantwortlich gemacht, wenn nämlich die von einem Elektrodenpaar
erzeugten Entladungen zu nahe an der Innenwandung des Entladungsgefäßes verlaufen
oder sich gar eine Oberflächengleitentladung
ausbildet. Außerdem
ist es vorteilhaft, eine möglichst
große
Schlagweite anzustreben, weil dadurch die Zünd- bzw. Brennspannung steigt
und folglich eine höhere
elektrische Leistung eingekoppelt werden kann. Aus diesem Grunde ist
die Anzahl der Elektroden sowie deren Polarität und Positionierung abhängig vom
Durchmesser des Entladungsgefäßes so zu
wählen,
daß die
oben genannte Beziehung erfüllt
ist. Bei einer geraden Anzahl von Elektroden ist prinzipiell ein
Betrieb sowohl mit unipolaren als auch mit bipolaren Spannungspulsen
zur Wirkleistungseinkopplung gemäß der
US 5,604,410 geeignet. Bei
einer ungeraden Anzahl von Elektroden ist ein Betrieb mit unipolaren
Spannungspulsen bevorzugt.
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Ferner hat es sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung
relativ hohe Fülldrücke des
aktiven Entladungsgases ermöglicht, typisch
20 000 Pa und mehr, ohne daß sich
einer effizienten Nutzstrahlungserzeu gung abträgliche Entladungsinstabilitäten, beispielsweise
Entladungbögen ausbilden.
Der höhere
Fülldruck
des aktiven Entladungsgases – darunter
ist die Gaskomponente zu verstehen, welche die Strahlung erzeugt – trägt ebenfalls
zu einer höheren
Nutzstrahlungseffizienz bei. Als aktive Gasfüllung innerhalb des Entladungsgefäßes ist
ein Edelgas, insbesondere Xenon, oder ein Edelgasgemisch, z.B. Xenon
und Krypton, geeignet. Zusätzlich
kann dem aktiven Entladungsgas noch ein Puffergas zugefügt sein,
welches an der Strahlungserzeugung nicht direkt beteiligt ist, z.B.
Neon.
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Jede Außenwandungselektrode ist als
elektrisch leitfähiger, „linienartiger" Streifen ausgebildet – der allerdings
auch noch eine Unterstruktur aufweisen kann – und parallel zur Längsachse
des rohrförmigen
Entladungsgefäßes orientiert.
Die Breite eines Streifens beträgt
typisch ca. 1 mm und weniger. Auf diese Weise wird zum einen die
Abschattung durch drei und mehr Elektroden auch bei Lampen mit kleinem
Durchmesser gering gehalten. Zum anderen hat es sich gezeigt, daß dadurch
eine höhere
Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung erzielt wird.
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Außerdem kann zumindest ein Teil
der Innenwandung eine Leuchtstoffschicht aufweisen. Zusätzlich können unterhalb
der Leuchtstoffschicht eine oder mehrere Reflexionsschichten für sichtbares Licht,
z.B. aus Al2O3 und/oder
TiO2, aufgebracht sein. Dadurch wird gegebenenfalls
verhindert, daß ein
Teil des von der Leuchtstoffschicht emittierten Lichts durch die
Gefäßwand transmittiert
wird. Vielmehr wird das Licht durch Reflexion bzw. Mehrfachreflexion
im wesentlichen auf die Apertur gelenkt und folglich dort die Leuchtdichte
erhöht.
Alternativ kann die Leuchtstoffschicht auch selbst zusätzlich als
Reflexionsschicht mitbenutzt werden, indem die Leuchtstoffschicht
ausreichend dick aufgebracht wird. In beiden Fällen bleibt lediglich eine
streifenförmige
Apertur unbeschichtet bzw. ist nur mit einer relativ dünnen Leuchtstoffschicht
beschichtet. Dadurch weist die Apertur im Betrieb eine erhöhte Leuchtdichte
auf.
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Aus Gründen des Berührungsschutzes
kann es vorteilhaft sein, die Lampe mit einer transparenten elektrischen
Isolierung, z.B. mit einem durchsichtigen Kunststoff-Schrumpfschlauch,
Schutzlack o.ä.
zu ummanteln.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leuchtstofflampe mit Apertur
und mit drei Außenwandungselektroden,
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2 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leuchtstofflampe mit Apertur
und mit vier Außenwandungselektroden,
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3 ähnlich 2, aber mit geänderter
Anordnung der Elektroden und Polaritätsverteilung,
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4 ein
Beleuchtungssystem mit der Apertur-Leuchtstofflampe aus 1 und Impulsspannungsquelle,
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5 einen
qualitativen Vergleich zweier Meßkurven der Lampe aus 1 mit einer Lampe mit nur
zwei Außenwandungselektroden.
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6 eine
schematische Prinzipskizze zur Erläuterung des maximalen Abstands
s, den die gedachte Verbindungslinie eines Elektrodenpaares zur nächstbenachbarten
Wand des Entladungsgefäßes aufweist.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt einer Apertur-Leuchtstofflampe 1 für OA-Anwendungen
in stark schematischer Darstellung. Dabei sind insbesondere die
Dicken der Wand, der Reflexionsschicht und des Leuchtstoffes sowie
die Breite der Elektrodenstreifen aus darstellerischen Gründen deutlich vergrößert dargestellt.
Die Lampe 1 besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Entladungsgefäß 2 mit
kreisförmigem
Querschnitt sowie einer ersten, einer zweiten und einer dritten
streifenförmigen
Elektrode 3-5. Die Innenwandung des Entladungsgefäßes 2 weist
mit Ausnahme einer rechteckigen Apertur 6 eine Reflexionsschicht 7 auf.
Auf diese Reflexionsschicht 7 sowie die Innenwandung im
Bereich der Apertur 6 ist eine Leuchtstoffschicht 8 aufgebracht. Das
Entladungsgefäß 2 ist
an seinen beiden Enden kuppelförmig
gasdicht verschlossen (nicht dargestellt). Innerhalb des Entladungsgefäßes 2 befindet sich
Xenon mit einem Fülldruck
von ca. 21 000 Pa.
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Die drei Elektroden
3-5 sind
als Metallfolienstreifen ausgebildet. Die erste Elektrode ist als
Kathode
3 und die beiden anderen sind als Anoden
4,
5 vorgesehen
(unipolarer Betrieb). Die Elektroden
3-5 sind im Querschnitt
betrachtet an den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkeligen
Dreiecks auf der Außenwandung
des Entladungsgefäßes
2 angeordnet.
Folglich bilden sich im gepulsten Betrieb gemäß der
US 5,604,410 zwei Ebenen mit dielektrisch
behinderten Einzelentladungen aus (nicht dargestellt). Eine erste
Entladungsebene erstreckt sich innerhalb des Entladungsgefäßes
2 zwischen
dem Kathodenstreifen
3 und dem ersten Anodenstreifen
4.
Die andere Entladungsebene erstreckt sich entsprechend zwischen
dem Kathodenstreifen
3 und dem zweiten Anodenstreifen
5.
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Die jeweilige Breite der Anodenstreifen 4, 5 beträgt 0,9 mm.
Die Breite des Kathodenstreifens 3 beträgt 0,8 mm. Der Außendurchmesser
des aus Glas bestehenden rohrförmigen
Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 9
mm bei einer Wandstärke
von ca. 0,5 mm. Die Breite und die Länge der Apertur 6 betragen ca.
6,5 mm bzw. 255 mm. Bei der Leuchtstoffschicht 7 handelt
es sich um einen Dreibandenleuchtstoff. Er besteht aus einer Mischung
der Blaukomponente BaMgAl10O17:Eu,
der Grünkomponente
LaPO4:Ce,Tb und der Rotkomponente (Y,Gd)BO3:Eu. Die resultierenden Farbkoordinaten
betragen x = 0,395 und y = 0,383, d.h. es wird weißes Licht
erzeugt.
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Die Lampe in 2 – gleichartige
Merkmale sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet – weist vier Außenwandungselektroden 9-12 auf.
Davon sind zwei Elektroden als Kathoden 9, 10,
und die restlichen zwei Elektroden als Anoden 9, 10 vorgesehen.
Die beiden Elektrodenpaare 9, 12 bzw. 10, 11 sind
derart auf der Außenwandung
angeordnet, daß die
beiden im Betrieb zwischen je einem Elektrodenpaar brennenden Entladungsebenen (nicht
dargestellt) parallel zueinander orientiert sind. Nachteilig ist
zwar die gegenüber 1 etwas geringere Schlagweite.
Allerdings eignet sich diese elektrisch symmetrische Anordnung gut
für einen
bipolaren Betrieb. Die Apertur 6 ist mittig zwischen einem Elektrodenpaar
derart angeordnet daß die
Apertur 6 quasi senkrecht zu den beiden Entladungsebenen orientiert
ist.
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Die Lampe aus 2 ist für die Automobilbeleuchtung
vorgesehen und zwar je nach verwendetem Leuchtstoff beispielsweise
als Bremslicht oder Blinklicht.
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Die Lampe in 3 unterscheidet sich von jener in 1 durch eine weitere Elektrode 13,
die zwischen den beiden Anoden angeordnet ist und ebenfalls als
Anode vorgesehen ist. Im vorzugsweise unipolaren gepulsten Betrieb
bilden sich somit insgesamt drei Entladungsebenen aus, und zwar
jeweils zwischen der ersten Kathode 3 und je einer der
drei Anoden 4, 13 und 5. Die Innenwandung
des Entladungsgefäßes 2 weist
eine Leuchtstoffschicht 6 auf. Auf eine Reflexionsschicht
sowie eine Apertur ist hier verzichtet.
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Die 4 zeigt
ein Beleuchtungssystem für OA-Vorrichtungen.
Die Apertur-Leuchtleuchtstofflampe 1 aus 1 weist an ihrem zweiten Ende zusätzlich einen
Sockel 14 auf. Der Sockel 14 besteht im wesentlichen
aus einem Sockeltopf 15 sowie zwei Anschlußstiften 16a,16b.
Der Sockeltopf 15 dient primär der Aufnahme der Lampe 1.
Außerdem
sind im Innern des Sockeltopfes 15 die Außenwandungskathode 3 sowie
die Anoden 4 und 5 (vom Entladungsgefäß 2 verdeckt
und deshalb nicht zu sehen) mit den beiden Anschlußstiften 16a bzw. 16b verbunden (nicht
dargestellt). Die Anschlußstifte 16a,16b sind ihrerseits über elektrische
Leitungen 17a,17b mit den beiden Polen 18a bzw. 18b einer
Impulsspannungsquelle 19 verbunden.
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Die Impulsspannungsquelle 19 liefert
eine Folge von unipolaren Spannungspulsen mit Pulshöhen von
ca. 3 kV und mit einer Wiederholfrequenz von 80 kHz. Die Pulsdauer
beträgt
jeweils ca. 1,1 μs. Bei
einer Lampenlänge
von 300 mm lassen sich bis zu ca. 20 W elektrische Leistung effizient
einkoppeln. Bei Verwendung eines reinen Grünleuchtstoffes (LaPO4:Ce,Tb) wird bei einer Leistungsaufnahme von
10 W eine Leuchtdichte von ca. 45000 cd/m2 erzielt.
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Da es sich hier um eine beidseitig
dielektrisch behinderte Entladung handelt, ist nicht nur der Betrieb
mit unipolaren Spannungspulsen sondern ebenso mit bipolaren Spannungspulsen
möglich.
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In der 5 ist
die durch die Apertur gemessene Leuchtdichte L [cd/m2]
in beliebigen Einheiten als Funktion der zeitlich Bemittelten elektrischen Leistung
P in W dargestellt. Die Kurve 20 bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem
gemäß 4 mit den dort spezifizierten
Betriebsparametern und drei Außenwandungselektroden.
Die Kurve 21 bezieht sich auf eine vergleichbare Lampe
mit nur zwei Elektroden. Aus der Figur ist qualitativ zu entnehmen,
daß die
erfindungsgemäße Lampe
mit drei Elektroden bei elektrischen Leistungen von mehr als 10
W eine deutlich höhere
Leuchtdichte erzielt als die konventionelle Lampe. Außerdem steigt
die Kurve 20 auch bei einer elektrischen Leistung von 20
W noch an, wohingegen die Kurve 21 bereits leicht abflacht,
d.h. ein Sättigungsverhalten
zeigt.
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Die Erfindung beschränkt sich
nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele.
Insbesondere sind auch Kombinationen von Merkmalen unterschiedlicher
Ausführungsbeispiele
eingeschlossen.