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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuer- und Sicherheitsvorrichtung
für Absperrorgane
gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruches.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Besonderen, jedoch nicht ausschließlich, auf
den technischen Produktionsbereich von Einrichtungen zum Steuern
der Gaszufuhr bei Brennern, die Absperrorgane aufweißen, deren Öffnen und
Schließen
zu steuern ist, und die reguliert werden können.
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Nach
den derzeit geltenden Vorschriften müssen solche Vorrichtungen,
die zum Öffnen
und Schließen
von Absperrorganen ausgelegt sind, auch in Bezug auf eine sekundäre Fehlfunktion
sicher sein, das heißt,
wenn in dieser Vorrichtung zwei Fehlfunktionen unabhängig voneinander
auftreten, muss das Absperrorgan geschlossen bleiben können, um
einen gefährlichen
Gasaustritt zu verhindern.
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In
den bekannten Steuereinrichtungen, die auf einer "komplexen Elektronik" basieren, werden die
Heizkessel-Schaltanlagen mit einem Mikroprozessor ausgestattet,
der zum Senden eines Gaszufuhr-Anforderungssignals an einen Schaltkreis
konzipiert ist, welcher ein Antriebselement steuert, das zum Öffnen des
Absperrventils dient. Der gleiche Mikroprozessor erfasst in der
Regel eventuelle Fehlfunktionen, die in diesem Schaltkreis auftreten
können,
durch eine entsprechende Rückkopplung
und veranlasst dann Gegenmaßnahmen,
um zu verhindern, dass sich das Absperrventil öffnet.
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Das
US-Patent 4,854,852 offenbart ein Flammenwächter-Steuerungssystem mit einem Flammenüberschuss-Erfassungsschaltkreis,
um das Hauptbrennerventil mithilfe eines Relais abzusperren, für den Fall,
dass der Mikroprozessor nicht in der Lage sein könnte, das Hauptbrennerventil
abzuschalten.
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Das
heißt
jedoch, dass der Mikroprozessor mit einer Software ausgerüstet sein
muss, die zum Steuern der zuvor erwähnten Funktionen ausreichend
komplex ausgestattet ist, was dazu führt, dass das gesamte Einrichtungssystem
in Bezug auf die verwendeten Ressourcen viel umfangreicher, und dessen
Schaltkreise viel komplexer sein müssen.
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In
bekannten Schaltanlagen ist darüber
hinaus im Falle einer Fehlfunktion des Mikroprozessors in der Regel
zum Ergreifen von Maßnahmen
und zum Steuern ein Modul, das auch als „Überwachungsgerät mit Wächterfunktion" bezeichnet wird,
separat zum Steuerschaltkreis des Antriebselements vorgesehen, um
den Betrieb des Mikroprozessors zu überwachen, und um die Steuervorrichtung
abzusperren, sobald bei dieser eine Fehlfunktion eintritt.
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Das
technische Problem als Grundlage für die vorliegende Erfindung
besteht darin, eine Steuer- und Sicherheitsvorrichtung für Absperrorgane
bereitzustellen, die strukturell und funktional so konzipiert ist,
dass die vorstehend erwähnten
Nachteile nach dem bisherigen Stand der Technik beseitigt werden können.
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Darlegung
der Erfindung
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Dieses
Problem wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst, wie
sie im Wesentlichen im Hauptanspruch aufgeführt und kennzeichnend dargestellt
ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
kennzeichnenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der nachfolgenden Beschreibung über eine diesbezügliche Ausführungsform
in näheren
Einzelheiten herausgestellt, die aber lediglich anhand eines nicht
einzuschränkenden
Ausführungsbeispiels
erläutert
und unter Bezug auf die zugehörige
Zeichnung veranschaulicht wird, in welcher die Figur einen Schaltkreis
zeigt, der die erfindungsgemäße Sicherheits-
und Steuervorrichtung darstellen soll.
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Bevorzugte
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung
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In
der einzigen Figur wird eine Steuer- und Sicherheitsvorrichtung
für Absperrorgane,
welche im Ruhezustand geschlossen sind (nicht dargestellt), insgesamt
mit dem Bezugszeichen 1 veranschaulicht.
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Die
Steuer- und Sicherheitsvorrichtung 1 umfasst einen Steuerschaltkreis 2 mit
einem Betätigungsglied,
im Besonderen ein Relais 3, das so ausgelegt ist, um die
vorgenannten Absperrorgane zu öffnen,
wenn Strom durch den Steuerschaltkreis 2 fließt, und
um diese Absperrorgane zu schließen, wenn kein Strom durch
den Steuerschaltkreis hindurchführt.
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Der
Steuerschaltkreis 2 wird von einer Relais-Einspeisespannungsquelle
Vr versorgt und weist einen Eingangsanschluss IN(EN2) auf, der zum Empfangen
eines ersten Gleichstromspannungssignals EN2 ausgelegt ist, das
von einer Steuereinheit erzeugt wurde, wie beispielsweise von einem
Mikroprozessor 4, der mit dem Steuerschaltkreis 2 elektrisch
verbunden ist.
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Der
Steuerschaltkreis 2 umfasst einen ersten Transistor Q1, eine
erste Diode D1 und die Spule eines Relais 3, die zwischen
dem Kollektor dieses ersten Transistors Q1 und dem Relais-Einspeisespannungsanschluss
Vr in Parallelschaltung miteinander verbunden und angeordnet sind.
Die Diode D1 ist zum Verhindern von Stromzufuhren ausgelegt, welche
von Elektrizität
erzeugenden Kräften
generiert worden sind, die bei Erreichen des ersten Transistors Q1
auf das Relais 3 einwirken und es beschädigen könnten. Die Einspeisespannungsquelle
Vr ist außerdem
mit einem Entstörvorrichtungsanschluss
verbunden, der zum Herausfiltern von elektromagnetischen Störbeeinflüssen ausgelegt
ist, und der einen Kondensator C1 aufweist, welcher zwischen den
Leitungsversorgungsanschlüssen
(Vr und Betriebserdung) angeschlossen ist.
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Der
Transistor Q1 wird bei Abwesenheit eines Gleichstromspannungssignal
EN2, welches durch den Mikroprozessor generiert wird, in eine Absperrvorspannung
gesetzt. Dieses Signal kann an den Eingangsanschluss IN(EN2) des
Steuerschaltkreises 2 als Folge eines Steuersignals bereitgestellt werden,
um das Absperrorgan zu öffnen,
das zum Mikroprozessor 4 führen soll (dieses Steuersignal kann
entweder von Sensoren kommen, wie zum Beispiel von Temperatur-Sensoren, oder von
anderen Schaltkreisen, die mit der betreffenden Vorrichtung verbunden
sind). Das Signal EN2 wird an den Steuerschaltkreis 2 für die Zeitspanne
bereitgestellt, mit der die Absperrorgane offen gehalten werden
sollen.
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Erste
Mittel für
ein Zerhacken von Signalen mit niedriger Amplitude, die eine erste
Zener-Diode D2 und einen ersten Widerstand R1 aufweisen, der auch
als Basiswiderstand bezüglich
des Transistors Q1 bezeichnet wird, sind zwischen der Basis des Transistors
Q1 und dem Eingangsanschluss IN(EN2) angeordnet. Eine Anschlussklemme
eines zweiten Widerstands R2, dessen zweite Anschlussklemme mit
der Betriebserdung verbunden ist, ist zwischen dem ersten Widerstand
R1 und der ersten Zener-Diode D2 verbunden.
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Die
erfindungsgemäße Steuer-
und Sicherheitsvorrichtung 1 umfasst des Weiteren einen Überwachungsschaltkreis 5,
der noch nachstehend in den Einzelheiten beschrieben wird, und der
zum Aktivieren oder Deaktivieren des Betriebs bezüglich des Steuerschaltkreises 2 als
Funktion auf ein Wechselstromspannungssignal EN1 ausgelegt ist,
und zwar in diesem Ausführungsbeispiel
auf einen rechteckigen Impuls mit einem vorgegebenen Frequenzwertebereich,
der von dem Mikroprozessor 4 erzeugt worden ist. Der Überwachungsschaltkreis 5 weist
einen zweiten Transistor Q2 auf, dessen Kollektor mit dem Emitter
des ersten Transistors Q1 verbunden ist, sowie zwei weitere Transistoren
Q3 und Q4.
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Der
Kollektor des vierten Transistors Q4 ist – über einen Ladewiderstand R5 – mit einem
Spannungsversorgungsanschluss (Vcc) verbunden, dessen Emitter an
die Betriebserdung angeschlossen ist, und dessen Basis – über einen
Basiswiderstand R7 – mit
einem Eingangsanschluss IN(EN1) in Verbindung steht, an den das
Wechselstromspannungssignal EN1 zugeführt wird. Eine erste und eine
zweite Abzweigung, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei
jede mit einer Zener-Diode und einem Widerstand in Reihe geschaltet
zueinander vorgesehen ist, welche mit D3 und R3 in der ersten Abzweigung
bzw. mit D4 und R4 in der zweiten Abzweigung veranschaulicht werden,
sind zwischen dem Spannungsversorgungsanschluss Vcc und der Basis
des Transistors Q4 verbunden. Die Zener-Dioden D3 und D4 bilden
die ersten und zweiten Mittel für
ein Zerhacken von Signalen mit hoher Amplitude.
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Zweite
Mittel für
ein Zerhacken von Signalen mit niedriger Amplitude, die eine fünfte Zener-Diode D5
aufweisen, befinden sich auch zwischen dem Eingangsanschluss IN(EN1)
und dem Basiswiderstand R7. Eine weitere Abzweigung mit einem sechsten
Widerstand R6, dessen zweite Anschlussklemme mit der Betriebserdung
verbunden ist, wird von der Zener-Diode D5 und dem Basiswiderstand
R7 abgeleitet.
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Mittel
für ein
Blockieren von Signalen mit einer Frequenz, die höher als
ein vorgegebener Wert ist, und einen Kondensator C5 aufweisen, befinden sich
außerdem
zwischen der Basis des Transistors Q4 und der Betriebserdung. Der
Kollektor des Transistors Q4 ist mit ersten und zweiten Mitteln
für ein Blockieren
von Eingangssignalen mit einer Frequenz verbunden, die niedriger
als ein vorgegebener Wert ist, und sie weisen zwei Kondensatoren
C2 und C3 auf, die in Reihe zueinander geschaltet sind, von denen
nachgeschaltet zwei Abzweigungen abgeleitet sind, wovon eine erste
Abzweigung eine inversionsvorgespannte, dritte Diode D6 umfasst,
deren Anode geerdet ist, und wovon eine zweite Abzweigung Mittel zum
Zerhacken der negativen Komponente in dem Eingangssignal aufweist,
die eine vierte Diode D7 umfasst. Mithilfe der dritten Diode D6
wird die negative Komponente des Wechselstromspannungssignals, die
aus den zwei Kondensatoren C2, C3 herauskommt, in der Erdung entladen,
was dazu führt, dass
nur die positive Komponente des Signals durch die vierte Diode D7
passiert. Die Kathode von der Diode D7 ist mit einem Netzknoten
A verbunden, von dem drei Abzweigungen abgeleitet werden, von denen
die ersten zwei mit den Transistoren Q2 und Q3 verbunden sind, und
welche – präzise erklärt – über die
Diode D8 in Reihenschaltung mit dem Widerstand R10 in Bezug auf
die Basis des zweiten Transistors Q2 und über den Widerstand R8 in Bezug
auf die Basis des dritten Transistors Q3 verbunden sind, und von
dem die dritte Abzweigung ein Mittel zur Schaltbetätigung des
zweiten Transistors Q2 und des dritten Transistors Q3 umfasst, genauer
gesagt, einen Elektrolytkondensator C4 aufweist, der an die Betriebserdung
angeschlossen ist. Die vierte Diode D7 verhindert, dass sich der
Elektrolytkondensator C4 in die Richtung zu den zwei Kondensatoren
C2, C3 hin entladen kann. Das korrekte Laden des Elektrolytkondensators
C4 entscheidet über
die Leitungsleistung der beiden Transistoren Q2 und Q3.
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Der
zweite Transistor Q2 hat seinen Kollektor an den Emitter des ersten
Transistors Q1 des Steuerschaltkreises 2 und seinen Emitter
an den Kollektor des dritten Transistors Q3 angeschlossen, wobei
dessen Emitter mit der Betriebserdung verbunden ist. Die Basis und
der Emitter des zweiten Transistors Q2 sind außerdem über einen Widerstand R11 miteinander
verbunden. Die Basis des dritten Transistors Q3 ist über einen
Widerstand R9 mit der Betriebserdung verbunden.
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Sobald
das Steuersignal zum Öffnen
der Absperrorgane den Mikroprozessor 4 erreicht, sendet dieser
die Signale EN1 und EN2 an den Überwachungsschaltkreis 5 bzw.
an den Steuerschaltkreis 2. Das Signal EN1 weist bei normalen
Betriebsbedingungen eine Amplitude und einen Frequenzwert auf, die
innerhalb eines vorgegebenen Bereiches von Spannungswerten bzw.
eines vorgegebenen Bereiches von Frequenzwerten liegen. Ebenso weist
das Signal EN2 einen Amplitudenwert auf, der größer als ein vorgegebener Wert
ist. Unter diesen Bedingungen übertragen
die Transistoren Q1 und Q4 als Leiter. Sobald ein Wechselspannungssignal
durch die Leitung kommt, werden zudem die drei Transistoren Q4,
Q2 Q3 zum Übertragen
veranlasst, wobei auf diese Weise der Steuerschaltkreis 2 aktiviert
wird. Wenn ein Spannungssignal, das größer als der durch die Zener-Diode D2 auferlegte
Schwellenwert ist, in dem Eingangsanschluss IN(EN2) vorhanden ist, überträgt der leitende
Transistor Q1 und Strom erregt das Relais 3. Die Absperrorgane
werden durch das Relais 3 solange geöffnet gehalten, wie die Signale EN1
und EN2 an die Schaltkreise 5 und 2 gesendet werden.
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Gemäß den kennzeichnenden
Hauptmerkmalen der vorliegenden Erfindung werden im Falle einer
Fehlfunktion – seitens
des Mikroprozessors 4 oder seitens der Zufuhr der Betriebsspannung
Vcc und/oder Vr – die
Absperrorgane geschlossen gehalten, da es keine Steuersignale EN1
und EN2 gibt, bzw. da keine Stromerregung in Bezug auf das Relais 3 zustande
kommt. Auf diese Weise funktioniert die erfindungsgemäße Steuer-
und Sicherheitsvorrichtung 1 als ein „Überwachungsgerät" im Hinblick auf den
Mikroprozessor 4 und die Betriebsspannungen Vcc und Vr.
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Wenn
das Wechselspannungssignal EN1 und/oder das Gleichstromspannungssignal
EN2 eine Amplitude aufweist, die jeweils niedriger als der untere
Grenzwert des vorgegebenen Spannungswertebereiches und/oder des
vorgegebenen Schwellenwertes sind, wird der leitfähige Schwellenwert
der Zener-Diode D5 und/oder D2 nicht erreicht und es gibt keine
Spannungsversorgung an der Basis des vierten Transistors Q4 und/oder
des ersten Transistors Q1. Demzufolge zirkuliert kein Strom in den
Steuerschaltkreis 2 und die Absperrorgane bleiben geschlossen.
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Darüber hinaus
werden Spannungssignale, die an den Überwachungsschaltkreis 5 bereitgestellt werden
und eine Amplitude aufweisen, die zu hoch ist, von der Zener-Diode
D3 und/oder D4 zerhackt.
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Wenn
das Signal EN1 eher eine Gleichstromspannung als eine Wechselstromspannung
ist, oder eine Frequenz aufweist, die niedriger als der untere Grenzwert
des vorgegebenen Frequenzwertebereiches liegt, dann können die
Transistoren Q2 und Q3 nicht leitend übertragen, da der Durchlass von
solch einem Signal zwischen dem vierten Transistor Q4 und den beiden
Basiselementen der Transistoren Q2 und Q3 von den Kondensatoren
C2 und C3 versperrt wird.
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Wenn
darüber
hinaus die Frequenz des Signals EN1 niedriger als der untere Grenzwert
des Frequenzwertebereichs liegt, wird das Laden des Elektrolytkondensators
C4 unzureichend, um bewirken zu können, dass die Transistoren
Q2 und Q3 leitend übertragen,
da auch in diesem Fall der Strom nicht in den Steuerschaltkreis 2 zirkulieren
kann.
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Auf ähnliche
Weise wird der Durchlass eines Signals EN1, das eine Frequenz aufweist,
die höher als
der obere Grenzwert des vorgegebenen Frequenzwertebereiches ist,
durch den fünften
Kondensator C5 versperrt.
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Gemäß einem
weiteren kennzeichnenden Merkmal der vorliegenden Erfindung weist
der Überwachungsschaltkreis 5 Sicherheitsvorrichtungen
auf, die so ausgelegt sind, um das Zirkulieren des Stroms in den
Steuerschaltkreis 2 zu verhindern, und damit das Öffnen der
Absperrorgane, falls in einer oder in zwei Komponenten des Steuerschaltkreises 2 oder des Überwachungsschaltkreises 5 eine
Fehlfunktion auftritt.
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Drei
Transistoren Q1, Q4, Q3 oder Q1, Q4, Q2, ein einziger Kondensator
von dem Kondensatorenpaar C2, C3 und eine einzige Zener-Diode von dem
Diodenpaar D3, D4, die parallel zueinander angeordnet sind, reichen
tatsächlich
aus, um die „Überwachungsfunktion" in Bezug auf den
Mikroprozessor 4 und die Versorgungsspannung Vcc auszuführen, wie
bereits vorstehend beschrieben wurde. Die Tatsache, dass ein vierter
Transistor Q2 (oder Q3), die Diode D8, ein zweiter Kondensator C2
oder C3 und eine zweite Zener-Diode D3 oder D4 zum Überwachungsschaltkreis 5 hinzukommen,
macht diesen Überwachungsschaltkreis 5 in
Bezug auf eine zweite Fehlfunktion noch sicherer, da, falls in einer
oder in zwei Komponenten des Überwachungsschaltkreises 5 oder
des Steuerschaltkreises 2 eine Fehlfunktion auftritt, die
erfindungsgemäße Steuer-
und Sicherheitsvorrichtung 1 dennoch eine sichere Einrichtung bleibt,
da dann der Steuerschaltkreis 2 keinen Strom mehr erhält, der
durchfließen
kann, und da dann die Absperrorgane geschlossen bleiben. Der Begriff „Fehlfunktion" bedeutet entweder,
dass ein Kurzschluss in einem betreffenden Bauelement auftritt, oder
dass diese Komponente sich wie ein offener Stromkreis verhält. Bezüglich spezifischer
Bauelemente, wie beispielsweise der Transistoren, kann der Begriff „Fehlfunktion" außerdem die
Verbindung eines Kurzschlusses mit einem offenen Stromkreis bedeuten.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung löst
daher das Problem, wie vorstehend dargestellt worden ist, und bietet
eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen.
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Ein
erster Vorteil liegt in der Tatsache, dass eine einzige Einrichtung
die Funktionen in Bezug auf die Betriebssteuerung des Mikroprozessors
und die korrekte Zufuhr der Betriebsversorgungsspannung ausführt, und
zwar autonom und unabhängig
von weiteren, äußeren Schaltkreisen,
die angeschlossen sein können.
Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Steuer-
und Sicherheitsvorrichtung in Bezug auf eine zweite Fehlfunktion
eine sichere Einrichtung, das heißt, sie bleibt selbst dann
sicher, wenn zwei ihrer Bauelementekomponenten eine eigenständige Fehlfunktion
aufweisen, da sie dann kein Öffnen
der Absperrorgane bewirkt.
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Da
die Steuer- und Sicherheitsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darüber
hinaus von dem Betrieb äußerer Schaltkreise
unabhängig ist,
ist sie eine komplette Modullösung,
und kann daher in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Die
erfindungsgemäße Steuer-
und Sicherheitsvorrichtung ermöglicht
außerdem
den Einsatz eines Mikroprozessors, der viel einfacher und ökonomischer
operieren kann, da dieser nicht für die Steuerung von Fehlfunktionen
in der Einrichtung zuständig
ist, und da er deshalb keine komplexe Softwareanwendung benötigt.
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Die
Steuer- und Sicherheitsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist sehr einfach herzustellen und ermöglicht ein Produkt bei niedrigen Produktionskosten.