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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Schutzschalter, um die elektrische Energieversorgung für eine Benutzerschaltung zu unterbrechen, wenn der Strom einen vorab eingestellten Wert, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses, überschreitet.
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Derzeit existieren zahlreiche Arten von Schutzschaltern zum Schützen von Schaltungen vor Überströmen. Einige dieser Schutzschalter sind von einer Thermo-Bauart und basieren auf der Verwendung von Bimetallstreifen, deren Verformung infolge der Wärmeableitung durch den jouleschen Effekt infolge des Hindurchgehens von Strom die Öffnung des Schaltkreises durch einen Schalter verursacht. Bei anderen Schutzschaltern, jenen vom elektromagnetischen Typ, wird die Unterbrechung durch die Bewegung eines Ankers unter Einwirkung eines Magnetfeldes verursacht, das durch eine Spule erzeugt wird, durch welche der Strom fließt. In jedem Fall verursacht ein übermäßiger Strom, der durch den Streifen (im Fall des thermischen Schutzschalters) oder durch die Spule (im Fall eines magnetischen Schutzschalters) fließt, das Schalten des Schutzschalters.
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Thermische Schutzschalter haben den Nachteil, dass sie eine hohe Schaltzeit haben und infolge der Auswirkungen, die Umgebungstemperaturänderungen auf ihren Betrieb ausüben können, beträchtlich unzuverlässig sind, selbst wenn geeignete Gegenmaßnahmen getroffen worden sind, um die Auswirkung dieser Änderungen auszugleichen.
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Magnetische Schutzschalter können so gebaut sein, dass sie sehr schnell schalten, dies ist für das Schützen derzeitiger Schaltungen, welche Festkörperbauteile enthalten, notwendig. Ihre Schaltgeschwindigkeit ist jedoch insgesamt nicht zufriedenstellend. Zusätzlich ist ihre Zuverlässigkeit gering, da sie auf die Auswirkungen von externen Faktoren, wie beispielsweise Temperaturänderungen, mechanische Vibrationen, Magnetinterferenz etc. reagieren. Zusätzlich setzt die Anwesenheit eines mobilen Ankers unter Berücksichtigung des Einflusses, welche die Gravitationskräfte auf die Schalteigenschaften dieser Vorrichtungen haben können, der Wahlfreiheit der Position, an welcher dieser Schutzschalter installiert werden können, Grenzen.
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Es gibt auch elektronische Schutzschalter, beispielsweise der in der
US-A-4,979,068 beschriebenen Bauart. Auch diese Schutzschalter sind insgesamt nicht zufriedenstellend.
EP-A-1150410 offenbart einen elektronischen Schutzschalter. Dieses Dokument ist Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ.
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Ein weiterer elektronischer Schutzschalter ist aus
US-A-4,853,820 bekannt. Dieser bekannte Schutzschalter kann an eine externe Fernsteuerung angeschlossen sein, die Ein/Aus-Steuerfunktionen und einen Mikroprozessor hat.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronischen Schutzschalter zu schaffen, der die Nachteile, welche den herkömmlichen Schutzschaltern eigen sind, überwindet.
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Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen zuverlässigen elektronischen Schutzschalter zu schaffen, der die Eigenschaften hoher Lebensdauer und sehr kurzer Schaltzeiten hat und eine Begrenzung des Spitzenstromes ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die programmiert werden kann.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile, welche für den Fachmann aus dem folgenden Text hervorgehen, sind mit einem Schutzschalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Grundsätzlich hat der elektronische Schutzschalter:
- – zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Schutzschalters wenigstens einen Schalter und einen Begrenzungsblock, der den Schalter so steuert, dass er wenigstens eine partielle Unterbindung im Fall des Überstroms verursacht;
- – einem Mikroprozessor, der mit dem Begrenzungsblock verbunden ist, um die Energieversorgung der Last, die mit dem Schutzschalter verbunden ist, abzuschalten.
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Auf diese Weise verursacht bei Überstrom ein Abschalten des Begrenzungsblockes und wenigstens ein teilweises Öffnen der Schaltung durch den Schalter, beispielsweise einen MOSFET. Die Schaltzeit ist extrem kurz, d. h. in der Größenordnung von hunderten von Mikrosekunden. Innerhalb einer Verzögerungszeit, die vorteilhafter Weise durch den Mikroprozessor programmiert sein kann, schickt Letzterer den Schutzschalter in einen Unterbrechungszustand und schaltet die Versorgung der Last ab. Der Schutzschalter kann nun mittels des Rücksetzsignals des Mikroprozessors zurückgesetzt werden, wenn die Ursache seines Abschaltens bestimmt worden ist.
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Die Verwendung eines Mikroprozessors ermöglicht, dass eine Anzahl von Funktionen und Vorteilen erzielt werden können. Insbesondere sind die Verzögerung des Eingreifens des Schalters, die eine vollständige Unterbindung oder Abschaltung des Schutzschalters hervorbringt (sogenanntes ”Abschalten”) und der Wert des Stroms, der das Öffnen der Schaltung durch den Schutzschalter verursacht, programmierbar, und können möglicherweise auch mittels Fernbedienung mittels eines Eingang-/Ausgangsanschlusses des Mikroprozessors und eines seriellen Ports modifiziert werden. Die Betriebsparameter des Schutzschalters (Spannung an den Anschlüssen, Strom) können gespeichert werden und immer dann wenn nötig mittels des gleichen Eingangs-/Ausgangsanschlusses und des gleichen seriellen Ports, der die Programmierung ermöglicht, gelesen werden. Der Schutzschalter kann ferngesteuert sein.
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Der Schutzschalter gemäß der Erfindung hat zahlreiche Vorteile verglichen mit den Schutzschaltern gemäß dem Stand der Technik. An erster Stelle ist er zuverlässiger, mit einer mittleren Zeit zwischen Ausfällen (MTBF), die bis zu fünfmal höher ist als diejenige der bekannten Schutzschalter. Der Strom ist selbst während der Abschaltzeit, d. h. dem Zeitintervall bis zum vollständigen Öffnen der Schaltung, in extrem kurzen Zeitintervallen begrenzt. Die Programmierbarkeit der Vorrichtung macht sie extrem anpassungsfähig. Weiterhin ist es, wie im Folgenden klargestellt wird, durch die Verwendung des Mikroprozessors möglich, verschiedene Funktionen bereitzustellen, ohne dass Hilfskomponenten benötigt werden. Insbesondere ist es möglich, die Eingangsspannung des Schutzschalters zu detektieren und das Öffnen der Schaltung mittels des Mikroprozessors zu programmieren, wenn die Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, der programmierbar ist. Dies macht die Verwendung von anderen elektromechanischen Vorrichtungen, die gegenüber Überspannungen empfindlich sind, überflüssig. Der Strom, welcher durch den Schutzschalter fließt, kann durch den Mikroprozessor selbst bestimmt und mit der Außenwelt kommuniziert werden; diese Tatsache beseitigt die Notwendigkeit für separate Stromsensoren.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung sind in den anhängenden, abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein besseres Verständnis der Erfindung erfolgt durch die folgende Beschreibung und die anhängenden Zeichnungen, die eine mögliche, nicht begrenzende Ausführungsform der Erfindung zeigen. In den Zeichnungen zeigt:
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1 ein Blockschaltbild des Schutzschalters gemäß der Erfindung;
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2 ein detaillierteres Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine Strom-Zeit-Charakteristik des Schutzschalters gemäß der Erfindung.
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Zunächst mit Bezug auf das Schaltbild in 1 ist der Schutzschalter insgesamt mit 1 bezeichnet, hat einen Eingang, bestehend aus zwei Anschlüssen A und B und einen Ausgang, bestehend aus zwei Anschlüssen C und D. An der Leitung A–C ist ein Block 3 angeordnet, der einen Stromlesewiderstand 4 enthält, mittels welchem der Strom, welcher durch den Schutzschalter hindurch geht, und der eine Lastschaltung, oder Last speist, die zwischen die Ausgangsanschlüsse C und D geschaltet ist, gemessen wird. Der Block 3 enthält darüber hinaus wenigstens eine Sicherung 5 und einen elektronischen Schalter 7. Die Sicherung 5 bildet einen sogenannten ”Katastrophenschutz”; d. h. sie brennt durch, so dass der Durchgang des Stroms beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses definitiv unterbrochen wird. In diesem Fall muss die Vorrichtung ausgetauscht werden oder es muss wenigstens die Sicherung ausgetauscht werden, während in anderen Abschaltsituationen, wie dies im Folgenden erläutert wird, ausreicht, den Schutzschalter, der angesichts eines Überstroms abgeschaltet hat, zurückzusetzen. Der elektronische Schalter 7, beispielsweise ein MOSFET, bildet gegenüber kurzzeitigen Überströmen einen Schutz und öffnet die Schaltung auf die im Folgenden beschriebenen Art und Weise.
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Die Bezugziffer 9 bezeichnet einen Begrenzungsblock, der einen Operationsverstärker 11 enthält und sowohl mit dem Block 3 als auch mit einem Mikroprozessor 13 verbunden ist. Der Begrenzungsblock 9 und der Mikroprozessor 13 werden durch eine Hilfsspannungsgenerator 15 gespeist.
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Zusätzlich ist mit dem Begrenzungsblock 9 der Mikroprozessor 13 auch mit dem Block 3 und mit einem Widerstand 17 verbunden, der mit der Temperatur variieren kann, beispielsweise einem PTC- oder einen NTC-Widerstand, der thermisch an die Bauelemente des Schutzschalters gekoppelt ist, die einer Überhitzung ausgesetzt sind.
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Der Betrieb der vorstehend angegebenen Vorrichtung ist so wie im Folgenden beschrieben. Unter Bedingungen von normaler Versorgung der Last Z (die an die Anschlüsse C, D der Vorrichtung angelegt ist), wird ein Strom IN zugeführt. Die Sicherung 5 ist intakt und der MOSFET 7 hat seine volle Leitfähigkeit.
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Im Fall eines Katastrophenfalles, wie beispielsweise eines Kurzschlusses bewirkt die Sicherung 5, dass der Schutzschalter 1 die Schaltung sofort und irreversibel öffnet und die Energieversorgung der Last somit unterbrochen ist.
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Im Fall eines Überstroms zur Last Z, d. h. im Fall eines Stromes, der einen vorab eingestellten Grenzwert Ilimit überschreitet, schickt der Begrenzungsblock 9 mittels des Operationsverstärkers 11 den MOSFET 7 des Blocks 3 in einen Zustand von teilweiser Sperrung. Die Zeit, die für das Auftreten dieser Sperrung erforderlich ist, ist sehr kurz, d. h. im Bereich von 300 Mikrosekunden und noch weniger. Der Strom, der nun durch den Schutzschalter fließt, wird für eine Verzögerungszeit, die mittels des Mikroprozessors 13 programmiert werden kann, unter einem Wert Ilimit gehalten. Wenn dieses Zeitintervall einmal abgelaufen ist, bewirkt der Mikroprozessor 13 eine vollständige Sperrung des MOSFET 7 oder anderen äquivalenten Schaltvorrichtung, um den Strom an der Last auf einen Stand-by-Wert Istand-by zu bringen, der sehr begrenzt ist.
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3 zeigt die Abschaltcharakteristik des Schutzschalters unter diesen Bedingungen. Die Zeit ist an der Abzisse aufgetragen und die Stromwerte sind an der Ordinate aufgetragen, wie dies vorstehend angegeben ist. Die grafische Darstellung zeigt die Eintragungen des nominellen oder Nennstroms Inom und des Maximalstroms Imax, für den der Schutzschalter konstruiert ist. Der Spitzenstromwert ist mit Ipeak bezeichnet, dieser Wert wird in einem sehr kurzen Zeitintervall Ts erreicht, d. h. die Zeit, die der Begrenzungsblock 9 benötigt, um in Aktion zu treten. Die Verzögerungszeit zwischen dem Eingreifen des Begrenzungsblocks 9 und dem Eingreifen des Mikroprozessors 13 (Abschalten) ist mit Td bezeichnet.
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Der Widerstand 17, der gemäß der Temperatur variabel ist, bildet einen Temperatursensor für den Mikroprozessor 13, dieser Temperatursensor ermöglicht die Unterbrechung der Energieversorgung im Falle einer Überhitzung mittels einer geeigneten Programmierung des Mikroprozessors selbst.
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Da der Mikroprozessor 13 mit dem Block 3 verbunden ist, kann er mittels des Stromlesewiderstandes 4 den Strom bestimmen, der momentan durch den Schutzschalter fließt. Eine Verbindung zwischen den Anschlüssen A und B ermöglicht darüber hinaus das Messen der momentanen Spannung und daher das Öffnen der Schaltung, was durch den Mikroprozessor selbst auch im Fall der Überspannung gesteuert wird.
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2 zeigt ein detaillierteres Schaltbild einer Ausführungsform des Schutzschalters gemäß der Erfindung, bei dem nur die Komponenten gezeigt sind, die für das Verständnis und die Wiedergabe der Erfindung wesentlich sind. Die gleichen Bezugsziffern bezeichnen Teile, welche die gleichen oder entsprechend zu denen im Blockschaltbild gemäß 1 sind.
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Die Schaltung gemäß 2 hat drei Blöcke, die mit 3A, 3B, 3C bezeichnet sind, welche funktional äquivalent zum Block 3 der 1 sind, wobei die Blöcke parallel miteinander verbunden sind und grundsätzlich einander gleich sind. Die Blöcke 3 können bezüglich ihrer Anzahl gemäß dem Maximalstrom, für welchen der Schutzschalter ausgelegt ist, variieren. Je größer der Strom ist, für den der Schutzschalter ausgelegt ist, um so größer ist die Anzahl der Blöcke 3, 3A, 3B, 3C, ..., die parallel zueinander geschaltet sind, welche jeweils von einem Teil des Gesamtstroms durchflossen werden, der der Last Z zugeführt wird.
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Jeder Block 3A, 3B, 3C hat einen Operationsverstärker 11, dessen Ausgang an den Gate-Anschluss des MOSFET 7 angeschlossen ist. Der Source-Anschluss des MOSFET 7 ist an den Anschluss A des Schutzschalters 1 angeschlossen, während der Drain-Anschluss an den Anschluss C angeschlossen ist. Der Stromlesewiderstand ist mit 4 bezeichnet und die Sicherung ist mit 5 bezeichnet, beide sind zwischen dem Source-Anschluss des MOSFET 7 und dem Anschluss A des Schutzschalters 1 eingesetzt. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 11 und dem Gate-Anschluss des MOSFET 7 ist eine weitere Schutzsicherung 21 eingesetzt, die in Reihe zu einer Parallel-RC-Zelle gesetzt ist.
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Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 11 jedes Blocks 3A, 3B, 3C ist mittels eines Widerstandes 22 zwischen dem Stromlesewiderstand 4 und die Sicherung 5 geschaltet, während an dem nichtinvertierenden Anschluss des Verstärkers selbst eine Referenzspannung Vref angelegt ist, die durch eine Schaltung erzeugt wird, die insgesamt mit 23 bezeichnet ist, welche mit dem Mikroprozessor 13 verbunden ist und die später im Einzelnen beschrieben wird.
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Die Spannung an dem Stromlesewiderstand 4 wird an die Eingänge des Operationsverstärkers 25 angelegt, dessen Ausgang mit dem Mikroprozessor 13 verbunden ist, der somit ein Signal empfängt, das proportional zu dem Strom ist, der durch den Widerstand 4 fließt. Die insoweit beschriebene Schaltungsanordnung ist nur für den Block 3A angegeben, während sie für die Blöcke 3B und 3C abwesend ist. Da die drei Blöcke 3A, 3B, 3C grundsätzlich gleich sind, ist der Gesamtstrom, welcher an die Last Z angelegt wird, gleich dem dreifachen des Stroms, der vom Mikroprozessor 13 mittels des Stromlesewiderstandes 4 durch den Verstärker 25 ermittelt wird.
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In dem Schaltbild gemäß 2 sind zwei Anschlüsse 27 gezeigt, die mittels einer Schnittstelle 28 an einen Eingangs-/Ausgangsanschluss 29 angeschlossen sind, der einen Anschluss für den Mikroprozessor 13 mit der Außenwelt bildet. Mittels dieser Schnittstelle kann der Mikroprozessor 13 programmiert und abgefragt werden, beispielsweise um die Betriebsbedienungen der Vorrichtung zu überprüfen. Die Abfrage und Programmierung kann auch mittels Fernbedienung durchgeführt werden.
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Die Bezugsziffer 31 bezeichnet einen Rücksetzanschluss des Mikroprozessors 13, während 33 einen Anschluss bezeichnet, über welchen der Mikroprozessor 13 mit den Blöcken 3A, 3B, 3C verbunden ist. Genauer gesagt ist der Anschluss 33 mit dem invertierenden Eingang jedes Operationsverstärkers 11 der verschiedenen Blöcke 3A, 3B, 3C über einen Transistor 35 und eine entsprechende Diode 37 verbunden. Die Verbindung zwischen jeder Diode 37 und dem entsprechenden invertierenden Eingang des entsprechenden Operationsverstärkers 11 ist durch den Buchstaben X repräsentiert.
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In dem Schaltbild gemäß 2 sind auch zwei LEDs 41 und 43 gezeigt, die mit entsprechenden Stiften des Mikroprozessors 13 verbunden sind und die eine Anzeige der Betriebsbedienungen des Schutzschalters 1 ermöglichen und ein Speicherblock 45 ist mit dem Mikroprozessor 13 verbunden, in welchem die Information bezüglich der Betriebsbedingungen des Schutzschalters 1 gespeichert sind, wobei diese Information mittels des Eingangs-/Ausgangsanschluss 29 lesbar ist.
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Die Schaltung 23 hat einen Operationsverstärker 24, dessen invertierender Eingang an dem Mikroprozessor 13 angeschlossen ist und an dessen Ausgang die Referenzspannung Vref anliegt. Der Wert Letzterer ist mittels des Mikroprozessors 13 gemäß den Eigenschaften, die der Schutzschalter 1 haben soll, programmierbar.
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2 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration in der in an sich bekannter Weise der Hilfsspannungsgenerator 15 mit den zwei Anschlüssen A und B des Schutzschalters 1 verbunden ist. Der Hilfsspannungsgenerator 15 erzeugt zwei Gleichstrom-Spannungen, beispielsweise 12 V und 3 V an den Anschlüssen, die mit Vcc und 3 V bezeichnet sind. Diese Spannungen werden dazu verwendet, die verschiedenen Schaltungskomponenten gemäß der Darstellung in dem Schaltbild gemäß 2 zu speisen.
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In Übereinstimmung mit dem was kurz unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild gemäß 1 beschrieben worden ist, arbeitet die Schaltung gemäß 2 wie im Folgenden beschrieben. Unter normalen Betriebsbedingungen fließt der Strom durch die Blöcke 3A, 3B, 3C zur Last Z. Die MOSFETs 7 sind vollständig leitfähig. Im Fall eines Überstroms erfolgt eine Intervention jedes der Operationsverstärker 11. Der Wert, bei dem Letztere in Aktion treten, ist durch die Referenzspannung Vref festgelegt, die durch eine entsprechende Programmierung des Mikroprozessors 13 bestimmt ist. Der Zeitpunkt für die Intervention der einzelnen Operationsverstärker 11 ist sehr begrenzt (weniger als 300 Mikrosekunden) und dies hat die Wirkung, dass der Strom, welcher vom Anschluss A zum Anschluss C in Richtung auf die Last fließt, verringert wird. Nach einer programmierbaren Verzögerungszeit tritt der Mikroprozessor 13 in Aktion und zwar mittels der Ausgangsspannung am Stift 33, die zu den einzelnen Verstärkern 11 der Blöcke 3A, 3B, 3C geschickt wird und bringt die einzelnen MOSFETs 7 in einen Sperrzustand, wodurch der Strom auf den Abschaltwert Istand-by reduziert wird. Der Mikroprozessor kann auch im Fall der Überhitzung, die durch den Widerstand 17, welcher temperaturvariabel ist, detektiert wird, auf die Blöcke 3 einwirken, was ein Sperren der Schalter 7 verursacht.
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Es ist klar zu ersehen, dass die Zeichnungen nur eine mögliche beispielhafte Ausführungsform der Erfindung illustrieren, die in ihren Ausführungsformen und Anordnungen ohne dass sie vom Umfang der Ansprüche abweicht, variieren kann. Die mögliche Anwesenheit von Bezugsziffern in den anhängenden Patentansprüchen hat allein den Zweck der Erleichterung des Lesens desselben angesichts der vorstehenden Beschreibung und der anhängenden Zeichnungen und stellt keine Begrenzung des Schutzumfanges dar, wie er durch die Patentansprüche repräsentiert ist.
