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Hochspannungszündeinrichtung für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Hochspannungszündeinrichtung für gemischverdichtende
Brennkraftmaschinen mit einer Zündspule, einem ersten steuerbaren Halbleiterschalter,
der in Reihe mit der Primärspule der Zündspule an einer Gleichstromquelle, insbesondere
an der Starterbatterie der Brennkraftmaschine, angeschlossen ist, und mit einem
durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt im Takt der Maschinendrehzahl gesteuerten
monostabilen Multivibrator zum Steuern des Halbleiterschalters.
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Aus der deutschen Patentschrift 1134 246 ist eine Hochspannungszündeinrichtung
dieser Art bekannt, die durch einen mechanischen Unterbrecherkontakt gesteuert wird.
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Als Unterbrecherkontakt verwendet man in solchen Zündeinrichtungen
vorwiegend die bekannten und seit Jahrzehnten üblichen Unterbrecherkontakte. Dabei
können dadurch Schwierigkeiten entstehen, weil bei hohen Drehzahlen diese Kontakte
in Schwingungen geraten und nach dem Schließen kurzzeitig nochmals öffnen, ein Vorgang,
der als Schließungsprellen bezeichnet wird. Auch kommt es bei niederen Drehzahlen
der Brennkraftmaschine vor, daß der Unterbrecherkontakt nach dem Öffnen noch ein-oder
mehrmals zurückfedert und Kontakt gibt. Dieser Vorgang wird als Öffnungsgrellen
bezeichnet.
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Beide Prellarten wirken bei elektronischen Zündeinrichtungen störend,
da diese Zündeinrichtungen auch auf ganz kurzzeitige Spannungsänderungen ansprechen
und dann Fehlzündungen auslösen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei einer Hochspannungszündeinrichtung
der eingangs genannten Art solche durch störendes Kontaktgrellen verursachten Fehlzündungen
zu unterdrücken.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß parallel zu dem mechanischen
Unterbrecherkontakt ein durch den monostabilen Multivibrator gesteuerter zweiter
Halbleiterschalter angeordnet ist, der den Unterbrecherkontakt im Augenblick der
ersten Kontaktgabe überbrückt und dadurch eine Fehlsteuerung des Multivibrators
zufolge Kontaktprellens verhindert.
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Der zweite Halbleiterschalter übernimmt dann die Stromführung so lange,
bis der Unterbrecherkontakt sich beruhigt hat und seinerseits die Stromführung endgültig
übernimmt.
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Eine solche Zündeinrichtung erhält dadurch einen besonders einfachen
Aufbau, daß der Multivibrator mit pnp-Transistoren bestückt ist und der zweite Halbleiterschalter
aus einem npn-Transistor besteht.
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Um auch schädliche Wirkungen des Öffnungsprellens zu unterdrücken,
wird die Zündeinrichtung mit Vorteil so ausgebildet, daß ein Zeitglied vorgesehen
ist, das nach dem ersten Öffnen des Unterbrecherkontakts den monostabilen Multivibrator
während einer bestimmten Zeit in seiner Ruhelage blockiert. Dieses Zeitglied kann
unter Umständen als ein Integrierglied, z. B. ein RC-Glied, aufgebaut sein. In vielen
Fällen wird das Zeitglied jedoch mit Vorteil als monostabiler Multivibrator aufgebaut,
der über ein Schaltglied den Eingang des den ersten Halbleiterschalter steuernden
monostabilen Multivibrators kurzschließt.
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Mit besonderem Vorteil wird eine derartige Zündeinrichtung dann so
ausgebildet, daß die beiden Multivibratoren gegenseitig verriegelt sind. Auf einfache
Weise kann dies durch einen dritten steuerbaren Halbleiterschalter erreicht werden,
der parallel zum Eingang des den ersten Halbleiterschalter steuernden monostabilen
Multivibrators liegt und von dem das Zeitglied bildenden monostabilen Multivibrator
gesteuert wird. Dieser dritte Halbleiterschalter schließt dann im leitenden Zustand
den Eingang des den ersten Halbleiterschalter steuernden Multivibrators kurz.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte WeiterbiIdungen der Erfindung
sind nachstehend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt F i g. 1 das Schaltbild einer von einem mechanischen Unterbrecher über
eine Kippstufe gesteuerten Hochspannungszündeinrichtung, bei der eine Beeinflussung
der Kippstufe durch Schließungsgreller vermieden ist, und F i g. 2 das Schaltbild
einer von einem mechanischen Unterbrecher über eine Kippstufe gesteuerten Hochspannungszündeinrichtung,
bei der eine Beeinflussung durch Schließungs- und Öffnungsgreller vermieden ist.
F
i g. 1 zeigt eine Transistorzündeinrichtung, die durch einen üblichen Unterbrecherkontakt
11 gesteuert wird, der durch einen von der Kurbelwelle einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine
angetriebenen Nocken 12 periodisch geöffnet und geschlossen wird und über einen
Verbindungspunkt 13 in Reihe mit einem Widerstand 14 zwischen einer mit Masse
und dem Minuspol einer- Starterbatterie 15 verbundenen Minusleitung 16 und einer
über einen Zündschalter 17 mit dem Flü"spol der Starterbatterie 15 verbundenen Plusleitung
18 liegt. Die Starterbatterie kann eine Spannung von 12 V haben.
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Der Unterbrecherkontakt 11 steuert einen mit 21 bezeichneten ersten
monostabilen Multivibrator, der zwei pnp-Transistoren 22, 23 enthält, und dieser
steuert seinerseits über, einen. npn-Steuertransistor 24 einen im Stromkreis der
Primärspule 25 einer Zündspule 26 liegenden pnp-Leistungstransistor 27. Im Stromkreis
der Sekundärspule 28 der Zündspule 26 liegt eine Zündkerze 29 (bzw., über einen
nicht gezeigten Verteiler gesteuert, mehrere Zündkerzen).
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Außerdem ist ein npn-Transistor 30 vorgesehen, der ebenfalls vom ersten:
Multivibrator 21 gesteuert wird und mit seinem-Emitter an der Minusleitung 16 und
mit seinem Kollektor am Verbindungspunkt 13, also mit seinen Schaltelektroden parallel
zum Unterbrecherkontakt 11, liegt.
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An der Basis des Transistors 23 liegt ein mit der Plusleitung 18 verbundener
Widerstand 31, ein mit dem Kollektor des Transistors 22 verbundener Widerstand
32 und die Anode einer Diode 33, deren Kathode über einen Kondensator 34 mit dem
Verbindungspunkt 13 und über einen Widerstand 35 mit der Plusleitung 18 verbunden
ist. Kondensator 34 und Widerstand 35 bilden' ein Diüerenzierglied für die Potentialänderungen
des Verbindungspunktes 13, bezogen auf das als Referenzpotential 0 dienende Potential
der Plusleitung 18.
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Den Emitter des Transistors 23 verbindet eine Halbleiterdiode 36 mit
der Plusleitung 18 und ein Widerstand 37 mit der Minusleitung 16. Diode 36 und Widerstand
37 dienen in an sich bekannter Weise dazu, die Emitter-Basis-Spannung des Transistors
23 zu stabilisieren und Temperaturänderungen zu kompensieren. Für diesen Zweck ist
eine solche Diode dank ihrer Strom-Spamiung-Charakteristik besonders gut geeignet.
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Der Kollektor des Transistors 23 ist über einen Kollektorwiderstand
40 'mit der Minusleitung 16, über einen Kopplungswiderstand
41 mit der Basis des Transistors 30 sowie mit der einen Elektrode
eines Kondensators 42 verbunden, an dessen andere Elek= trode die Kathode -eider
anodenseitig mit der Basis des Transistors 22 verbundenen Diode 43 und ein zur Minusleitung
16 führender Widerstand 44 angeschlossen sind. Die Basis des -Tiansistors 22 ist
über einen Widerstand 45 mit der' Plusleitung 18 verbunden, auf deren Potential
auch der Emitter dieses Transistors liegt, während sein Noilektör über einen Kollektorwiderstand
48 mit* -der ' Minusleitung 16 und über einen Kopplungswiderstand 49 mit
der Basis des Steuertransistors 24 in`Verbindung steht. Der Emitter des Steuertransistors
24 liegt am Potential der Minusleitung 16; sein Kollektör ist finit der Basis des
Leistungstransistors 27 -verbunden, dessen Emitter mit der Plusleitung 18 'und dessen
Kollektor mit der Primärspule 25 und tder Sekundärspule 28 verbunden ist. _. . -
. ., Die Anordnung nach F i g. 1 arbeitet wie folgt: Solange bei geschlossenem Zündschalter
17 der Unterbrecherkontakt 11 geöffnet ist, ist der Transistor 22 in seinem leitenden
Zustand, da seine Basis über die Widerstände 44, 45 ein negatives Potential erhält.
Entsprechend hat sein Kollektor ein Potential, das nur wenig negativer ist als das
der Plusleitung 18, so daß die Basis des Transistors 23 - über die Widerstände 31,
32 - fast das Potential der Plusleitung 18 hat und dieser Transistor gesperrt ist,
wodurch sein Kollektor ein stark negatives Potential erhält. Dadurch wird der Kondensator
42 aufgeladen, und zwar über den Kollektorwiderstand 40 einerseits und die Diode
43 sowie die Parallelschaltung des Widerstandes 45 und der Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 22 andererseits. Zwischen seinen Elektroden herrscht dann ein Potentialunterschied
von z. B. 10 V, der durch die -1-- und --Zeichen in F i g. 1 angedeutet ist.
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über den Kopplungswiderstand 49 erhält auch die Basis des Steuertransistors
24 das positive Potential des Kollektors des Transistors 22, d. h., der Steuertransistor
24 ist leitend, und durch seinen Emitter-Kollektor-Strom, der gleich dem Basisstrom
des Leistungstransistors 27 ist, ist auch der letztere leitend, so daß ein Strom
durch die Primärspule 25 fließt und diese magnetisiert, also in ihr Energie speichert.
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Der npn-Transistor 30 ist dagegen nichtleitend, da seine Basis über
den Kopplungswiderstand 41 das negative Potential des Kollektors vom Transistor
23 erhält.
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Wird nun der Unterbrecherkontakt 11 geschlossen, so springt das Potential
am Verbindungspunkt 13 vom Potential der Plusleitung 18 zu dem der Minusleitung
16. Dieser Potentialsprung wird vom RC-Differenzierglied 35, 34 differenziert und
ergibt einen negativen Impuls 50, der von der Diode 33 auf die Basis des Transistors
23 übertragen wird und diesen leitend macht. Dadurch springt das Kollektorpotential
dieses Transistors von beispielsweise vorher -12 V auf -2 V, und entsprechend erhöht
sich das Potential an der Kathode der Diode 43 auf einen Wert, der um die etwa 10
V betragende Spannung zwischen den Elektroden des Kondensators 42 höher liegt
als -2 V, d. h. auf etwa + 8 V gegenüber der Plusleitung 18 (Referenzpotential
0).
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Infolge der Diode 43 kann diese Spannung nicht an der Basis des Transistors
22 wirken, doch fließt kein Querstrom mehr durch den Spannungsleiter 44, 45, und
diese Basis erhält dadurch das Potential der Plusleitung 18. Transistor 22 wird
also gesperrt, und sein Kollektorpotential wird plötzlich stark negativ. Dadurch
wird über den Kopplungswiderstand 49 auch die Basis des Steuertransistors
24 stark negativ, und dieser Transistor sperrt. Die Basis des Leistungstransistors
27 erhält dadurch keinen Steuerstrom mehr, so daß der Leistungstransistor 27 den
Batteriestrom durch die Primärspule 25 sperrt. An der Primär- und der Sekundärwicklung
25 und 28 werden jetzt Spannungen induziert, und die Spannung an der Sekundärspule
28 erzeugt einen Funken an der Zündkerze 29, der einen Verbrennungstakt der Brennkraftmaschine
einleitet.
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Es hat sich gezeigt, daß besonders bei hohen Drehzahlen der Unterbrecherkontakt
11 leicht ins Schwingen kommt, d. h., die Kontaktstücke treffen zunächst aufeinander,
prallen dann wieder - voneinander ab, treffen erneut aufeinander usw. Dieser Vorgang
wird
als »Prellen« bezeichnet. Bei Anlagen, wo die Primärspule der
Zündspule direkt vom Unterbrecherkontakt geschaltet wird, hat diese Erscheinung
keine größere Bedeutung, abgesehen davon, daß der Kontakt schneller abgenutzt wird.
Bei elektronischen Anlagen mit ihrer hohen Empfindlichkeit und extrem kurzer Ansprechzeit
wirken sie jedoch sehr störend, da bei jedem Zusammentreffen der Kontaktstücke ein
neuer Impuls an den Multivibrator 21 geht und diesen anstößt.
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Dies wird durch den Transistor 30 verhindert, dei sogleich nach dem
ersten Schließen des Unterbrecherkontakts 11 durch das positiver gewordene Kollektorpotential
des Transistors 23 in seinen leitenden Zustand gesteuert wird und den Unterbrecherkontakt
11 für die Standzeit des Multivibrators 21 kurzschließt. Der Transistor 30 braucht
nicht hoch belastbar zu sein, da er nur kurzzeitig eine ohmsche Last speisen muß
und da er bereits nicht mehr leitend ist, wenn der Unterbrecherkontakt 11 wieder
öffnet. (Die Standzeit des Multivibrators beträgt etwa 1 bis 2 msec.) Der Multivibrator
21 kehrt in seinen eingangs beschriebenen Zustand zurück, sobald sich der Kondensator
42 über den Widerstand 44 so weit entladen hat, daß wieder ein Strom über die Diode
43 fließen kann und der Spannungsabfall am Widerstand 45 groß genug ist, um den
Transistor 22 wieder leitend zu machen.
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Die Schaltung nach F i g. 1 arbeitet an sich sehr zufriedenstellend,
doch kann bei niederen Drehzahlen der Brennkraftmaschine der Unterbrecherkontakt
11
auch beim Öffnen ins Schwingen kommen (Öffnungsprellen), so daß dieser
Kontakt z. B. zunächst öffnet, dann nochmals kurz schließt usw. Bei diesem nochmaligen
Schließen geht ein neuer negativer Impuls 50 an den Multivibrator 21, und es wird
erneut gezündet. Dieser Zündfunken entsteht dann am Ende des Ausstoßhubs. Zu dieser
Zeit sind aber die Einlaßventile bereits wieder geöffnet, so daß die Zündung in
das Ansaugrohr und in den Vergaser erfolgt.
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Bei der Anordnung nach F i g. 2 wird auch diese bei niederen Motordrehzahlen
auftretende Gefahr vermieden.
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Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind zwei Zündeinrichtungen dargestellt.
Im Normalfall kann eine dieser beiden Zündeinrichtungen weggelassen werden. Nur
für Hochleistungsmotoren mit zwei Zündkerzen je Zylinder werden beide benötigt.
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In F i g. 2 werden die Teile, die denen der F i g.1 entsprechen, mit
den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie dort. Es handelt sich dabei um den ersten
Multivibrator 21 mit seinen Bauelementen und die ihm nachgeschaltete Zündeinrichtung
mit den -Transistoren 24, 27 und der Zündspule 26, ferner um das RC-Differenzierglied
34, 35, den npn-Transistor 30 sowie den Unterbrecherkontakt 11 und den in Serie
mit ihm über der Batteriespannung liegenden Widerstand 14.
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Zusätzlich ist ein zweiter monostabiler Multivibratos 121 vorgesehen,
der weitgehend gleich aufgebaut ist wie der erste Multivibratos 21. Gleiche Teile
werden deshalb mit um 100 erhöhten Bezugsziffern versehen und nicht nochmals beschrieben.
Auch die beiden Zündeinrichtungen sind gleich aufgebaut, so daß bei der zweiten
ebenfalls um 100 erhöhte Bezugsziffern verwendet werden können. Der Steuertransistor
124 ist jedoch ein pnp-Transistor im Gegensatz zum npn-Transistor 24.
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Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind außerdem folgende, noch nicht
beschriebene Bauteile notwendig: Parallel zum RC-Differenzierglied 34, 35 des ersten
Multivibrators 21 liegt ein als pnp-Transistor 53 ausgebildeter steuerbarer Halbleiterschalter,
dessen Emitter mit der Plusleitung 18 und dessen Kollektor mit dem Kondensator 34
sowie über einen Widerstand 54 mit dem Verbindungspunkt 13 verbunden ist, während
seine Basis über einen Steuerwiderstand 55 mit dem Kollektor des Transistors 122
in Verbindung steht. Die Basis des Transistors 122 ist, außer mit dem Widerstand
145 und der Diode 143,. noch mit der Kathode einer Diode 56 verbunden, deren Anode
über einen Kondensator 57 mit dem: Verbindungspunkt 13 und über einen Widerstand
58
mit der Plusleitung 18 in Verbindung steht. Kondensator 57 und Widerstand
58 bilden zusammen ein Differenzierglied.
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Der erste Multivibrator 21 und die hierzu gehörende Zündeinrichtung
24 bis 29 arbeiten wie bei F i g. 1 beschrieben. Wenn der Multivibrator 21 in seinem
instabilen Zustand ist, überbrückt der zweite steuerbare Halbleiterschalter, nämlich
der Transistor 30, den Unterbrecherkontakt 11 und schließt gleichzeitig den Eingang
des zweiten Multivibrators 121 kurz, so daß durch Schließprellen des Unterbrecherkontakts
11 hervorgerufene Impulse weder den Multivibrator 21 noch den Multivibrator 121
anstoßen können.
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Beim zweiten Multivibrator 121 ist zunächst, d. h. im Ruhezustand,
der Transistor 122 leitend und der Transistor 123 gesperrt. Entscheidend ist das
Kollektorpotential des Transistors 123 stark negativ, und dieses negative Potential
liegt über den Kopplungswiderstand 149 auch an der Basis des pnp-Steuertransistors
124, der also ebenfalls leitend ist und durch seinen Kollektorstrom den Leistungstransistor
127 leitend erhält, durch den ein Batteriestrom zur Primärspule 125 der Zündspule
126 fließt und in dieser ein Magnetfeld aufbaut und erhält.
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Wenn der Unterbrecherkontakt 11 wieder öffnet, ist der Multivibrator
21 bereits wieder in seine Ruhelage zurückgekehrt, könnte also durch Schließungsprellen
wieder in seinen instabilen Zustand gelangen.
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Beim ersten öffnen des Unterbrecherkontakts 11
wird nun am Differenzierglied
57, 58 ein positiver Impuls 59 erzeugt, der über die Diode 56 zur Basis des zuvor
leitenden Transistors 122 gelangt und diesen sperrt. Dadurch wird das Kollektorpotential
dieses Transistors stark negativ, ebenso .- über den Widerstand 132 - die Basis
des Transistors 123, dieser wird leitend, und sein Kollektorpotential wird positiver,
wodurch der Steuertransistor 124 gesperrt wird, der seinerseits den Leistungstransistor
127 sperrt. An der Primär- und der Sekundärwicklung 125 und 128 werden jetzt Spannungen
induziert, und die Sekundärspule 128 erzeugt einen Funken in der Zündkerze 129,
der einen Verbrennungstakt der Brennkraftmaschine einleitet.
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Gleichzeitig mit dem Sperren des Transistors 122 wird durch dessen
negativer gewordenes Kollektorpotential der Transistor 53 leitend und schließt den
Eingang des ersten Multivibrators 21 kurz, so daß weitere Impulse, die durch ein
Schließungsprellen des Unterbrecherkontakts 11. entstehen, gar nicht mehr zum ersten
Multivibratos 21 gelangen können. Die
beiden Multivibratoren
21 und 121 sind also gegeneinander verriegelt: Wenn Multivibrator 21 in seinem instabilen
Zustand ist, kann Multivibrator 121 nicht umgeschaltet werden, und umgekehrt.
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Naturgemäß könnten die beiden Multivibratoren auch auf andere Weise
gegeneinander verriegelt werden, doch bietet die vorliegende Art der Verriegelung
den Vorteil der Einfachheit und ist besonders auf eine Anordnung mit mechanischem
Unterbrecherkontakt abgestimmt.
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Wie bereits erwähnt, können für übliche Zündeinrichtungen entweder
die Teile 24 bis 29 oder die Teile 124 bis 129 entfallen. Im ersten
Fall wird dann gezündet, wenn der Unterbrecherkontakt 11 öffnet, im zweiten dann,
wenn der Unterbrecherkontakt 11 schließt.
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Auch ist es mit der Anordnung nach F i g. 2 gut möglich, einen Thyristor
an Stelle eines Leistungstransistors zu verwenden, besonders einen Thyristor, der
durch einen bestimmten Steuerstrom einschaltbar und durch einen anderen Steuerstrom
wieder ausschaltbar ist. Diese Steuerströme können an geeigneten Stellen den Multivibratorschaltungen
entnommen werden. Auch die Transistoren 30 und 53 können durch Thyristoren ersetzt
werden, was bei Transistor 30 besonders leicht möglich ist, da er nicht abschalten
muß.