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Verfahren und Anordnung zur Verringerung von elektrischen Störungen
beim Empfang hochfrequenter Schwingungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Verringerung von elektrischen Störungen atmosphärischen oder anderen Ursprungs
beim _ Empfang hochfrequenter Schwingungen.
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Während es, theoretisch wenigstens, unmöglich ist, einen Apparat zu
entwerfen, der von sich aus die Signale von den statischen Störungen trennt oder
unterscheidet, so ist es doch möglich, das Verhältnis der Stärke der statischen
Störungen zu der Stärke der Signale so zu beeinflussen, daß die Störungen in allen
praktischen Verwendungszwecken für das Ohr oder das Auge nicht wahrnehmbar werden.
Ein bekanntes System benutzt z. B. die nicht gerichtete Eigenschaft der statischen
Störungen in Verbindung mit einem gerichteten Empfänger, um teilweise die Wirkung
der. statischen Störungen aufzuheben oder zu neutralisieren.
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Es wurde ferner vorgeschlagen, einen Amplitudenbegrenzer zu verwenden,
der die Größe der Störstromstöße begrenzen soll. Ein solcher Amplitudenbegrenzer
hat eine charakteristische Kurve, bei der beim überschreiten der Gitterspannung
Null der Anodenstrom zwar nicht mehr wesentlich zunimmt, aber doch noch ständig
größer wird. Die störenden Stromstöße mit besonders großer Amplitude werden durch
eine solche Vorrichtung zwar in ihrer Größe etwas verringert, sind aber immer noch
größer als die verstärkten Maximalwerte der Signalschwingungen. Alle die bekannten
Amplitudenbegrenzersind als Hochvakuumentladungsröhren ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung werden dagegen die Störungen dadurch weiter beseitigt,
daß zur Begrenzung der Empfangsamplituden eine an sich bekannte gasgefüllte Verstärkerröhre
mit einer Gasentladungsstrecke als Elektronenquelle derart verwendet wird, daß Steuerspannungen
mit;' über der maximal zulässigen Nutzamplitude liegenden Werten in dem Gebiet mit
negativer Steilheit der Kennlinie wirksam sind.
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Die ankommenden Wellen werden zweckmäßig einem Vorverstärker zugeführt,
welcher die Empfangsamplituden auf einen Betrag hebt, wenig unterhalb desjenigen,
bei dem die Begrenzung einsetzt.
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Die Anordnung zur Ausführung des Verfahrens enthält zwischen Aufnahme-
und Detektorkreis eines Empfangsgerätes eine oder mehrere an sich bekannte, gasgefüllte
Elektronenröhren mit einer Gasentladungsstrecke
als Elektronenquelle,
deren Kennlinie mit Bezug auf die Größe der Empfangsamplituden so gewählt ist, daß
-ihre Verstärkung für Sten:erspännungen mit@über einer maximal zulässigen Amplitude
liegenden Werten negativ ist. Die Anordnung kann dadurch ergänzt werden, daß ein
Vorverstärker vor der gasgefüllten Röhre angeordnet ist.
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D,as Wesen der Erfindung besteht deshalb in der Erkenntnis, daß bei
Anwendung der an sich bekannten Glimmverstärkungsröhre in solcher Weise, daß Steuerspannungen
mit über der maximal Äulässigen Nutzamplitude liegenden Werten in dem Gebiet mit
negativer Steilheit der Kennlinie wirksam .werden, eine weitergehende Unterdrückung
der Störschwingungen erzielt wird als mit den bekannten Begrenzern, die alle aus
Hochvakuumentladungsröhren bestehen.
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Die im folgenden beschriebene Ausführung bezieht sich insbesondere
auf einen Rundfunkempfangsapparat; es ist jedoch ersichtlich, daß das Verfahren
auf verschiedenen Gebieten der Hochfrequenztechnik angewemdet werden kann und nicht
auf die im folgenden dargestellten Beispiele beschränkt ist.
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In den Zeichnungen ist: , Fig. i eine Ausführung des Erfindungsgegenstandes
in Verbindung mit einem Rundfunkempfänger, Fig.2 eine Kurve, die die Charakteristik
der Röhren i und 2o der Fig. i zeigt, Fig. 3 eine Kurve einer gewöhnlichen Vakuumröhre,
-Fig. q. und 5 j e eine Kurve ähnlich der der Fig. 2 einer gasgefüllten Verstärkerröhre
mit einer Gasentladungsstrecke als Elektronenquelle, Fig.6 eine schematische Darstellung
der Anordnung des Erfindungsgegenstandes in Verbindung mit einem normalen Rundfunkempfänger
für Wellenlängen über Zoo m, Fig.7 eine Abänderung des Systems der Fig. i.
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Fig.2 zeigt die Gitterspannungsanodenstromkennlinie einer Entladungsvorrichtung
zur Begrenzung der Störamplitude mit einem Begrenzungsgebiet - negativer? Steilheit.
Die Vorrichtung wird für die Nutzsignale zweckmäßig in dem Abschnitt XZ der Kurve
betrieben, wobei Punkt Z nähe der Spitze oder direkt an der Spitze der Kurve liegt.
Der Nrorspannungspunkt ist bei Y angedeutet. Ein atmosphärischer oder anderer plötzlicher
Störungsimpuls von größerer Amplitude als das Nutzsignal kann nicht über die Spitze
Z hinaussteigen, denn wenn er diesen Punkt erreicht, fällt der Anodenstrom auf dem
Abschnitt ZD der Kurve sofort unter die Stärke des durch die Signalschwingung ausgesteuerten
Stromes. Eine Anordnung mit Röhren dieser Eigenschaft verstärkt ein gewöhnliches
Signal, dessen Amplitude kleiner ist als die Grenzamplitude ohne Verzerrung. Wird
die Grenzamplitude überschritten, so ist die Verstärkung nicht mehr verzerrungsfrei,
und es ergibt sich eine Grundwelle beschränkter Amplitude und eine Gruppe von harmonischen
Schwingungen.
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Die nachgeschalteten Stromkreise sind zweckmäßig - auf die Grundfrequenz
abgestimmt und wirken als Filter, um die höheren Harmonischen zu unterdrücken. Sollten
die Harmonischen dazu neigen, eine Verzerrung in den Audionstufen hervorzurufen,
so kann diese Verzerrung durch irgendwelche Mittel beseitigt werden.
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Es ist wesentlich, daß bei der Anwendung der Erfindung in mehreren
Stufen die Aufnahmefähigkeit der Vorrichtung für die Signale in Übereinstimmung
mit der Verstärkung der vorhergehenden Stufe oder Stufen gebracht wird und mit der
Signalspannung, die von der Antenne stammt. Die erhöhte Aufnahmefähigkeit kann durch
Erhöhung der Elektronenaussendung von der Kathode vergrößert werden oder durch Vergrößerung
der Elektronengeschwindigkeit am Gitter oder durch Vergrößerung der Ausgangsimpedanz.
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Fig. 3 zeigt zum Vergleich die allgemeine Form einer Gitterspannungsanodenkurve
einer gewöhnlichen Glühkathodenröhre. Die Röhre wird meistens in dem Abschnitt XZ
der Kurve betrieben, wobei S den Sättigungspunkt andeutet. Wenn daher plötzlich
elektrische Impulse, wie z. B. statische Störungen, eintreffen, so steigt der Anodenstrom
über Z hinaus, wodurch der Lautsprecher oder der betreffende am Ende angeschlossene
Apparat besser auf diese Störungsimpulse anspricht als auf die Signalimpulse, die
unterhalb Z verbleiben. Dadurch werden die Störungsimpulse die Signalimpulse vollständig
überdecken, so daß die Signale nicht mehr hörbar sind.
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Wenn dagegen eine gasgefüllte Verstärkerröhre mit einer Gasentladungsstrecke
als Elektronenquelle derart verwendet wird, daß Steuerspannungen mit über der maximal
zulässigen Nutzamplitude liegenden Werten in dem Gebiet mit negativer Steilheit
der Kennlinie wirksam sind, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, dann können die
atmosphärischen oder andere Störungsimpulse nicht über den höchsten Punkt der Kurve
steigen, und es werden deshalb die Störungsamplituden in dem die- Signalamplituden
überschreitenden Teil geringer verstärkt als das Signal selbst. Die Ausführung der
Fig. 4 und 5 ist ähnlich der der Fig. 2: Ebenso wie dort geben XZ
den
Arbeitsbereich der Kurve an. Der Punkt Z liegt zweckmäßig am oder nahe am Gipfel
der Kurve, so daß, wenn atmosphärische oder andere Störungsimpulse den höchsten
Punkt der Kurve überschreiten, die Impulse sofort wieder unter die Stärke der Signalschwingung
auf dem Stück ZD der Kurve fallen.
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Die Ausführung nach den Fig. 6 und 7 gibt ein Mittel, um sicherzustellen,
daß die maximale Signalamplitude am Eingangskreis der Störbefreiungsvorrichtung
dem Aufnahmebereich der Vorrichtung entspricht. Wenn die Gitterspannungs-Anodenstrom-Kurve
der Störbefreiungsvorrichtung den Verlauf der Fig.2 und 4 besitzt, so läßt sich
die beste Wirkung gemäß der Erfindung erreichen, wenn die maximale Signalschwingung
zwischen den Punkten X und Z (Fig. 5) liegt, so daß eine Schwingung, die eine größere
Amplitude als das Signal besitzt, auf den Arbeitsbereich mit fallender Verstärkung.
der Vorrichtung beschränkt wird.
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Die gasgefüllte Entladungsvorrichtung, die in den Stromläufen der
Fig. i schematisch dargestellt ist, besitzt die gewünschten elektrischen Eigenschaften
und kann entweder eineInnenkathoden- oder eineAußenkathodenröhre sein. Der Aufbau
und die Wirkungsweise dieser gasgefüllten Verstärkerröhren mit einer Gasentladungsstrecke
als Elektronenquelle sei in Verbindung mit der Röhre i der Fig. i kurz erläutert:
Zwei Elektroden 2 und 3 können als Erreger der Elektronenemission betrachtet werden,
wobei das ionisierbare Medium in der Hülle i die Ouelle der Elektronen bildet. Eine
der Elektroden, z. B. die Elektrode 3, ist gegenüber der Kathode 2 positiv und gegenüber
der Hauptanode .4 negativ. Die Elektrode 3 wird wegen ihrer doppelten Eigenschaft
als Kathanode bezeichnet. Die Anode 4 hat eine ähnliche Wirkungsweise wie die Anode
in einer Glühkathodenröhre, sie dient dazu, die Elektronen anzuziehen und wird als
Ausgangselektrode verwendet. Ein Gitter 5 liegt zwischen den Kathodenelementen 2,
3 und der Anode 4, ähnlich wie das Gitter einer Glühkathodenröhre. Beim Betrieb
wird infolge der Gegenwart des ionisierbaren Mediums, zweckmäßig eines Gases der
einatomigen Gruppe, eine Ionenschicht um das Gitter auf der der Anode zugewandten
Seite desselben gebildet. Die Wirkung des Gitters entspricht der eines kontinuierlich
veränderlichen Ventils, wobei die Elektronen, die durch die Gitteröffnungen hindurchgehen,
die Schicht in Übereinstimmung mit der Gittervorspannung und der Spannung der ankommenden
Signale neutralisieren in Abhängigkeit von der wirksamen Fläche der Gitteröffnungen.
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Der Strom zur Erzeugung der Elektronen kann einfachheitshalber von
einer einzelnen Spannungsquelle abgenommen- werden. In der Ausführung nach Fig.
i ist eine Gleichstrombatterie io vorgesehen, und die gewünschte Spannungsverteilung
in der Röhre i kann durch geeignete Wahl der Widerstände 6, 7, 8 und 9 erzeugt werden.
Wie bereits erwähnt, können Röhren mit Außen- oder Innenkathode Verwendung finden,
in welch letzterem Fall der Spannungsabfall zwischen Gitter und Anode zweckmäßig
unterhalb der Ionisierungsspannung des Gasinhaltes der Röhre liegt.
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Der Widerstand 9 hat die Aufgabe, den Arbeitsbereich der Vorrichtung
auf den gewünschten Abschnitt der Gitterspannungs-Anodenstrom-Kurve zu verlegen.
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An die Röhre i. ist eine Eingangskopplung i i, deren Primärspule mit
der Antenne 14 in Verbindung steht, die bei 1.5 geerdet ist, angeschlossen. Die
Enden der Sekundärspule 13 werden von einem Kondensator 16 überbrückt und sind mit
dem Gitter 5 und der Kathanode 3 verbunden. Ein Kondensator 17 dient dazu, die Sekundärspule
13 von der Gleichstromquelle 1o zu trennen. Die Ausgangswicklung 18 liegt
zweckmäßig in Reihe mit der Anode.
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Es können mehrere aufeinanderfolgende Störbefreiungsstufen vorgesehen
sein, wenn dies notwendig oder erwünscht ist. Mit zwei Einheiten A, die der der
Fig. i ähnlich sind, in Verbindung mit einem normalen Hochfrequenzempfänger B ist
es möglich., die Geräuschstärke unterhalb der Signalstärke nicht nur bei schweren
atmosphärischen Störungen zu halten, sondern auch wenn die ,Antenne den Störwirkungen
von sogenannten Hochfrequenz- (medizinischen) Apparaten, Induktionsspulen, Elektromotoren
usw. ausgesetzt ist. Auch unter diesen Bedingungen ist es möglich, andauernd einen
klaren und einwandfreien Empfang zu haben.
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In der Ausführungsform nach Fig. i ist die zweite Störbefreiungsstufe
der ersten Stufe in jeder Hinsicht ähnlich, d. h. die Röhre 2o ist eine gasgefüllte
Verstärkerröhre mit einer Gasentladungsstrecke als Elektronenquelle, die eine Kathanode,.eine
Anode und Steuerelektrode besitzt, die mit 21, 22, 23 und 24 bezeichnet sind. Dieselbe
Spannungsquelle io dient dazu, die Energie für beide Röhren i und 2o zu liefern.
Es kann jedoch irgendeine Spannungsquelle verwendet werden und wenn dies bevorzugt
wird, kann auch die Spannungsquelle, die in jedem anderen. Empfangsapparat vorhanden
ist, angezapft werden.
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Der Kondensator 25 zwischen den Endpunkten der Sekundärspule i9 sowie
der Kondensator 16 ist, wie bei Empfangsschaltungen
üblich, veränderlich..,
=Eine Hochfrequenzdrosselspule 26 im Ausgangskreis der Röhre 2o wird benutzt, um
die Hochfrequenzströme abzusperren, so daß die Wechselstromkomponente über den Kondensator
27 in den Eingangskreis 3o des Empfängers B fließen muß, der hier .durch eine einzelne
Hochfrequenzverstärkerröhre 31 -dargestellt ist. Die Klemmen 28 und 29 sind die
üblichen Antennen-und Erdklemmen des Empfängers B.
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Der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung kann vergrößert werden, indem
eine oder mehrere Röhren Verwendung finden, die eine hohe Verstärkung mit den vorher-
erwähnten elektrischen Eigenschaften verbinden. Während es theoretisch möglich ist,
eine Glühkathodenröhre mit diesen Eigenschaften zu entwerfen, so wird bevorzugt,
eine gasgefüllte Verstärkerröhre mit einer Gasentladungsstrecke als Elektronenquelle
zu benutzen, bei der der Kathodenfall der Spannung zwischen der Steuerelektrode
und der Anode beträchtlich über der Ionisierungsspannung des Gases liegt. Die,verhältnismäßig
.hohe Verstärkung, die mit Röhren dieser Art erzielt werden kann, ist wenigstens
zum Teil auf eine Rückkopplungsverstärkung zurückzuführen. Infolge dieser Tatsache
kann eine Steuerung für diese Rückkopplung zweckmäßig sein.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine Abänderung der Anordnung der Fig. i,
um das richtige Verhältnis zwischen den ankommenden Signalen und der charakteristischen
Kurve der Störbefreiungsvorrichtung zu erzeugen. Im einfachsten Aufbau besitzt die
Vorrichtung einen Vorverstärker PA, um die Signalstärke innerhalb des Arbeitsbereiches
zu halten, eine Störbefreiungseinheit S und einen Empfänger R. Der Vorverstärker
PA und der Stör-. befreier S können im Interesse der Einfachheit in einer Einheit
zusammengefaßt werden, die in verschiedenen Zuleitungsanordnungen benutzt werden
kann.
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Der Vorverstärker PA, der schematisch in der Fig. 6 angedeutet ist,
kann irgendeinen belibigen Aufbau besitzen. Er kann z. B. eine glühfadenlose, gasgefüllte
Röhre enthalten oder eine normale Drei-Elektrodenverstärkerröhre oder irgendeine
andere Vorrichtung zur Verstärkung elektrischer Impulse.
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In Fig.7, die eine kombinierte Vorverstärker- und Störbefreiungseinheit
zeigt, ist eine Antenne 61 mit Erde 62 über einen Transformator 63 verbunden, der
eine Primärwicklung 64 und eine Sekundärwicklung 65 besitzt. Die Anschlüsse der
Sekundärwicklung 65 werden durch einen Abstirnmkondensator 66 überbrückt und sind
an die Steuerelektrode 67 und die Kathode 68 einer Glühkathodenröhre 69 angeschlossen.
Die Kathode 68 wird durch einen Glühfaden 7o indirekt geheizt. Die Verstärkerröhre
69 enthält eine Hauptanode 71 und ein Schirmgitter 72 außer den Eingangselektroden
67 und 68. Eine Stromquelle ist durch Plus- und-Minuszeichen angedeutet. Widerstände
73 und 74 erzeugen eine passende Vorspannung an dem Schirmgitter 72 und dem Steuergitter
67. In der Anordnung nach Fig. 7 ist die Ausgangswicklung des Vorverstärkers bei
74 angedeutet.
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An Stelle des Transformators 63 und des Kondensators 66 kann irgendeine
Form von Eingangskreis benutzt werden.
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Die gasgefüllte Verstärkerröhre 75 mit einer Entladungsstrecke als
Elektronenquelle ist ähnlich den Röhren i und 2o der Fig. i. Sie besitzt eine Kathode
76 und " eine Kathanode 77, die zur Erregung der Elektronenemission dient. Die Anode
78 wirkt ähnlich wie die Anöde einer Glühkathodenröhre; sie zieht Elektronen an
und dient als Ausgangselektrode. Die Stellung des Gitters 79 zwischen dn Elementen
76, 77 und der Anode 78 entspricht der eines Gitters in einer Glühkathodenröhre.
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Die Wirkungsweise des Steuergitters ist bereits im # Zusammenhang
mit den Fig. i und 2 erläutert. Die Eingangsimpedanz zwischen den Elektroden 77
und 79 ist in einer solchen Röhre abhängig von der Stärke der ankommenden Signale,
so daß für starke Signale die Eingangsimpedanz erniedrigt wird und die Dämpfung
des abgestimmten Kreises 85, 86 entsprechend wächst, d. h. der abgestimmte Kreis
spricht weniger auf Stoßerregung an.
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Wesen und Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig.7 entsprechen im wesentlichen
dem der Einrichtung nach Fig. i.
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Eine harmonische Verzerrung, die durch ein Überschreiten des Arbeitsbereiches
der Röhr 75 durch statische Störungen eintreten kann, kann wirkungsvoll dadurch
beseitigt werden, daß in. dem Ausgangskreis eine Vorrichtung; die über den ganzen
Bereich der gewünschten Frequenzen anspricht, vorgesehen ist, die jedoch die ungewünschten
Harmonischen dämpft. Eine solche Vorrichtung ist z. B. ein Eisentransformator 89.
Es wurde festgestellt, daß die Verzerrung in dem Kern eines solchen Transformators
gwöhnlich genügt, um die unerwünschten harmonischen Schwingungen zu dämpfen. Im
Interesse der Einfachheit sind weitere Stufen des Empfängers von den Zeichnungen
fortgelassen. Es ist jedoch aus dem Vorhergehenden klar, daß die Einheit der Fig.
7 in Verbindung mit verschiedensten Stromkreisen benutzt werden kann und daß die
von Störungen freie Energie, die bei 9o zur Verfügung steht, irgendeinem Apparat
zugeführt werden kann.
Es wurde festgestellt, daß, wenn die statische
Komponente -der Grundschwingungen die Primär- oder Hochfrequenzstufen des Empfängers,
an dem die Einheit der Fig.7 angeschlossen ist, erreicht, die gewünschte störbefreiende
Wirkung verringert oder gänzlich aufgehoben wird. Aus diesem Grunde wird die übliche
Verbindung nach Erde des Empfangsapparates aufgehoben. Gleichgültig, ob die Vorrichtung
der Erfindung als Einheit für sich in. Verbindung mit üblichen Empfängern oder ob
sie als eingebaute Einheit verwendet wird, ist es wünschenswert, daß die gesamte
Anordnung, die unter dem Einfluß des Antennenerdkreises 61, 62, 64 steht,
frei bleibt, d. h. es sollte keine Verbindung zu dem Empfangsapparat oder zu der
Einheit der Fig.7 führen, die Gleichstrom nach Erde hin ableitet, außer wie dies
im Antennenkreis dargestellt ist, und die praktisch unvermeidbare kapazitive Kopplung
zwischen der Sekundärwicklung 65 und der Primärwicklung 64 sollte sehr gering sein
und zweckmäßig nicht größer als einige Mikromikrofar ad. ' Wird die Erfindung auf
Empfängerstromkreise mit zwei oder mehr Hochfrequenzverstärkerstufen angewandt,
so können eine oder mehrere: dieser Stufen als Vorverstärker entsprechend der Röhre
69 benutzt werden, und ein Störbefreier entsprechend der Röhre 75 kann an Stelle
.einer oder der anderen dieser Stufen eingesetzt werden.