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Die Erfindung betrifft einen Pegelwandler zur Anpassung eines ersten Bezugspotentials und/oder einer ersten Kommunikationsspannung eines ersten Bauteils auf ein zweites Bezugspotential und/oder eine zweite Kommunikationsspannung eines zweiten Bauteils, wobei der Pegelwandler zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- und Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
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Üblicherweise sind Feldgeräte über eine Zweidrahtleitung, d.h. eine Leitung mit zwei separat ausgebildeten Adern, mit einer übergeordneten Einheit, wie beispielsweise einer Steuereinheit oder einem Leitsystem, verbunden. Die Messwerte der Sensoren oder die Stellwerte der Aktoren werden analog als ein 4-20 mA Stromsignal an die übergeordnete Einheit kommuniziert. Die Energieversorgung der Feldgeräte kann ebenfalls über die Zweidrahtleitung erfolgen, jedoch ist die verfügbare Energie auf diesem Weg recht begrenzt. Benötigt ein Feldgerät mehr Energie, als über die Zweidrahtleitung bereitgestellt werden kann, kommen beispielsweise Drei- oder Vierdrahtleitungen zum Einsatz.
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Neben dieser analogen Anbindung des Feldgeräts über die Zweidrahtleitung spielen zunehmend neue und digitale Übertragungs- und Kommunikationssysteme eine Rolle. Eines dieser Systeme ist IO-Link. IO-Link stellt ein mit Ausgabedatum September 2013 veröffentlichte Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung „Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators“ (SDCI) normiertes Kommunikationssystem zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren dar. Damit stehen im Feldgeräte häufig mehrere Betriebszustände zur Verfügung: ein analoger 4-20 mA Betrieb, ein IO-Link Betrieb und ggf. weitere Betriebszustände. Eine Möglichkeit diese verschiedenen Betriebszustände in eine einheitliche Elektronik einzubetten ist beispielsweise in der
DE 10 2019 116 193 A1 offenbart.
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Sofern einzelne Bauteile einer solchen Schaltung auf einem gemeinsamen Bezugspotential liegen und dieselbe Kommunikationsspannung einsetzen, ist eine direkte Kommunikation der Bauteile, z.B. zum Datenaustausch, untereinander problemlos möglich. Ist dies nicht der Fall, kommen Pegelwandler zwischen den Bauteilen zum Einsatz, welche das Bezugspotential des einen Bauteils auf das des anderen Bauteils anpassen. Beispielsweise besitzen Mikroprozessoren häufig den Ground (GND, 0 V) als Bezugspotential und 3,3 V als Kommunikationsspannung. Ein IO-Device hingegen hat als Bezugspotential typischerweise den sogenannten IOL-Ground (IOL-GND, -10...0 V) und als Kommunikationsspannung IOL-GND + 3V. Bisherige Pegelwandler stellen häufig induktive und galvanisch getrennte Übertragungsbauteile dar, welche relativ teuer sind und vergleichsweise viel Platz in der Schaltung benötigen. Sogenannte Levelshifter setzen hingegen lediglich die Kommunikationsspannung von einem Wert auf einen anderen um und können nur bei identischem Bezugspotential der Bauteile eingesetzt werden.
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Die zu lösende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Pegelwandler anzugeben, welcher auf einfache Weise eine Übersetzung einer Kommunikationsspannung auch bei unterschiedlichem Bezugspotentialen der Bauteile ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Pegelwandler zur Anpassung eines ersten Bezugspotentials und/oder einer ersten Kommunikationsspannung eines ersten Bauteils auf ein zweites Bezugspotential und/oder eine zweite Kommunikationsspannung eines zweiten Bauteils, wobei der Pegelwandler zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist,
wobei der Pegelwandler einen ersten Transistor mit einem nachgeschalteten ersten Widerstand aufweist,
wobei der Pegelwandler derartig ausgestaltet ist, dass in einem gesperrten Zustand des ersten Transistors am ersten Widerstand das zweite Bezugspotential abfällt, und dass in einem geöffneten Zustand des ersten Transistors am ersten Widerstand die zweite Kommunikationsspannung abfällt.
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Der erfindungsgemäße Pegelwandler ist in der Lage, sowohl eine Kommunikationsspannung als auch ein Bezugspotential von dem ersten Bauteil auf das zweite Bauteil zu übersetzen. Dies wird in erster Linie über den ersten Transistor erreicht, dessen Zustand, geöffnet oder gesperrt, darüber entscheidet, welche Spannung am Ausgang des Pegelwandlers erhalten wird. Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Pegelwandlers ist sein einfacher Aufbau. Insbesondere sind keine induktiven oder galvanische Trennungen nötig, sondern es werden lediglich standardisierte Bauteile wie ein Transistor und ein Widerstand benötigt.
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Da im gesperrten Zustand des ersten Transistors das zweite Bezugspotential und im geöffneten Zustand die zweite Kommunikationsspannung erhalten wird, werden somit zwei Pegel als Ober- und Untergrenze bzw. als High- und Low-Pegel bzw. als 0 und 1 an das zweite Bauteil weitergegeben, so dass eine Kommunikation zwischen den beiden Bauteilen ermöglicht wird. Im Rahmen eines Feldgeräts kann der erfindungsgemäße Pegelwandler beispielsweise zwischen einem Mikroprozessor und einem 10-Link zum Einsatz kommen, um deren unterschiedliche Bezugspotentiale, GND bzw. IOL-GND, sowie deren unterschiedliche Kommunikationsspannungen aufeinander abzustimmen.
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Bevorzugterweise ist der erste Transistor ein bipolarer pnp-Transistor oder ein Feldeffekttransistor.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist der erste Widerstand zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Bezugspotential angeordnet. Auf diese Weise wird im gesperrten Zustand des ersten Transistors stets das zweite Bezugspotential am ersten Widerstand abfallen und somit am Ausgang des Pegelwandlers bereitgestellt werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann es zu kleineren Leckströmen am ersten Transistor kommen, so dass die Spannung am Ausgang des Pegelwandlers geringfügig vom zweiten Bezugspotential abweichen kann.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung weist der erste Transistor einen ersten Eingang und einen ersten Ausgang auf, wobei im geöffneten Zustand des ersten Transistors ein Strom durch den ersten Eingang und den ersten Ausgang fließt, wobei der erste Ausgang an das zweite Bezugspotential angeschlossen ist, wobei der erste Eingang an eine erste Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei die erste Spannungsquelle eine Spannung ausgibt, die mit der zweiten Kommunikationsspannung identisch ist oder eine Spannung ist, die höher ist als das zweite Bezugspotential, so dass im geöffneten Zustand des ersten Transistors die zweite Kommunikationsspannung am ersten Widerstand abfällt. Beim Öffnen des ersten Transistors soll am Ausgang des Pegelwandlers die zweite Kommunikationsspannung abfallen. Wenn das zweite Bezugspotential beispielsweise GND, also 0 V ist, gibt die erste Spannungsquelle die zweite Kommunikationsspannung, bspw. 3,3 V, aus, da somit am Ausgang des Pegelwandlers die zweite Kommunikationsspannung erhalten wird. Dazu ist zu bemerken, dass Transistoren typischerweise eine Sättigungsspannung aufweisen, welche zu kleinen Abweichungen der zweiten Kommunikationsspannung führen kann. Im Falle, dass das zweite Bezugspotential beispielsweise -10 V beträgt, sollte die erste Spannungsquelle eine Spannung von 3 V ausgeben, damit 3 V als zweite Kommunikationsspannung erhalten wird.
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Vorteilhafterweise ist der geöffnete oder der gesperrte Zustand des ersten Transistors mittels eines ersten Steueranschlusses des ersten Transistors einstellbar. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, weisen Transistoren einen Eingang, einen Ausgang und einen Steueranschluss auf. Mittels letzterem kann der Zustand des Transistors eingestellt werden. In der Regel wird der Transistor geöffnet, sobald eine definierte Spannung am Steueranschluss bereitgestellt wird, typischerweise liegt diese definierte Spannung bei etwa 0,7 V. Im geöffneten Zustand des Transistors fließt ein Strom durch den Eingang in den Ausgang des Transistors. Wird die definierte Spannung am Steueranschluss unterschritten, bleibt der Transistor gesperrt. Diese grundlegenden Überlegungen gelten sowohl für den ersten Transistor als auch für den zweiten Transistor.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist der erste Eingang mit dem ersten Steueranschluss über einen vierten Widerstand verbunden, wobei ein fünfter Widerstand parallel zum vierten Widerstand mit der ersten Steuerseite verbunden ist. Eine Möglichkeit den ersten Transistor mittels des ersten Steueranschluss zu steuern ist, einen vierten und einen fünften Widerstand in den Pegelwandler zu integrieren. Ist der erste Transistor beispielsweise ein pnp-Transistor, so muss eine Spannung von ca. 0,7 V aus dem ersten Steueranschluss austreten können, damit der erste Transistor geöffnet wird. Durch die Verbindung des ersten Steueranschlusses mit dem ersten Eingang wird der pnp-Transistor nur dann geöffnet, wenn die Differenz aus dem Potential am ersten Eingang und dem Potential am vierten Widerstand größer als etwa 0,7 V ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der erste Steueranschluss mit einem zweiten Transistor verbunden, wobei der zweite Transistor derartig ausgestaltet ist, dass bei einem geöffneten Zustand des zweiten Transistors der erste Transistor geöffnet ist und dass bei einem gesperrten Zustand des zweiten Transistors der erste Transistor gesperrt ist. Anstelle des Einsatzes von Widerständen kann ein zusätzlicher, zweiter Transistor zum Steuern des ersten Transistors eingesetzt werden. Der zweite Transistor kann dabei Teil eines open collector- oder push/pull-Ausgangs eines Bauteils, wie beispielsweise eines IO-Devices, sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass an einem zweiten Ausgang des zweiten Transistors das erste Bezugspotential angeschlossen ist, wobei am zweiten Eingang des zweiten Transistors eine zweite Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei die zweite Spannungsquelle eine Spannung ausgibt, die höher ist als die des ersten Bezugspotentials, wobei der erste Transistor zwischen der zweiten Spannungsquelle und dem zweiten Eingang des zweiten Transistors angeschlossen ist, wobei jeweils ein zweiter Widerstand und ein dritter Widerstand zwischen dem ersten Transistor und der zweiten Spannungsquelle sowie zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Eingang des zweiten Transistors vorgesehen ist. Die zweite Spannungsquelle muss dabei in Abhängigkeit des ersten Bezugspotentials eine solche Spannung ausgeben, dass beim Öffnen des zweiten Transistors eine solche Spannung am ersten Steueranschluss des ersten Transistors abfällt, dass der erste Transistor ebenfalls geöffnet wird.
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Im Nachfolgenden soll die vorliegende Erfindung anhand der Figuren 1-3 näher erläutert werden. Sie zeigen:
- 1: ein Schema der Integration des erfindungsgemäßen Pegelwandlers in eine Schaltung.
- 2: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelwandlers.
- 3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelwandlers.
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Der erfindungsgemäße Pegelwandler kann insbesondere in Feldgeräten aller Art eingesetzt werden, bei denen eine Übersetzung der unterschiedlichen Bezugspotentiale und/oder unterschiedlichen Kommunikationsspannungen zweier Bauteile erforderlich ist.
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In 1 ist ein Schema des erfindungsgemäßen Pegelwandlers L gezeigt, welcher zwischen einem ersten Bauteil E1 und einem zweitem Bauteil E2 angeordnet ist. Das erste und das zweite Bauteil E1,E2 besitzen jeweils unterschiedliche erste und zweite Bezugspotentiale P1,P2 und erste und zweite Kommunikationsspannungen K1,K2. Der Pegelwandler L dient erfindungsgemäß zur Anpassung des ersten Bezugspotentials P1 und/oder der ersten Kommunikationsspannung K1 des ersten Bauteils E1 auf das zweite Bezugspotential P2 und/oder die zweite Kommunikationsspannung K2 des zweiten Bauteils E2. Ohne den zwischen die beiden Bauteile E1,E2 geschalteten Pegelwandler L wäre eine Kommunikation zwischen den beiden Bauteilen E1,E2 nicht möglich. Um eine Kommunikation in beide Richtungen zu ermöglichen, sind zwei Pegelwandler L erforderlich, die in entgegengesetzte Richtungen übersetzen. Das erste Bauteil ist beispielsweise ein Mikroprozessor, welcher ein erstes Bezugspotential von 0 V bzw. GND und eine Kommunikationsspannung von 3 V benötigt, während das zweite Bauteil, ein IO-Device, ein zweites Bezugspotential von -10...0 V bzw. IOL_GND und eine zweite Kommunikationsspannung von IOL-GND + 3 V zur Kommunikation voraussetzt.
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2 zeigt eine erste mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelwandlers L. Der Pegelwandler L weist einen Eingang in und einen Ausgang out auf, über welche der Pegelwandler L mit dem ersten und dem zweiten Bauteil E1,E2 verbunden ist, sowie einen ersten Transistor T1 mit einem nachgeschalteten Widerstand R1. Der erste Transistor weist einen ersten Eingang G1, einen ersten Ausgang A1 und einen ersten Steueranschluss B1 auf. Im geöffneten Zustand des ersten Transistors T1 fließt ein Strom durch den ersten Eingang G1 und den ersten Ausgang A1. Der Pegelwandler L ist dazu ausgestaltet, in einem gesperrten Zustand des ersten Transistors T1 am ersten Widerstand R1 das zweite Bezugspotential P2 zu erhalten und im geöffneten Zustand des ersten Transistors T1 die zweite Kommunikationsspannung K2. Der erste Transistor T1 ist beispielshaft ein bipolarer pnp-Transistor, wobei auch ein Feldeffekttransistor eingesetzt werden kann. Der erste Widerstand R1 ist beispielsweise zwischen dem ersten Ausgang A1 des ersten Transistors T1 und dem zweiten Bezugspotential P2 angeordnet. Durch diese Anordnung fällt im gesperrten Zustand des Transistors T1 das zweite Bezugspotential P2 am ersten Widerstand R1 ab.
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Damit im geöffneten Zustand des ersten Transistors T1 am ersten Widerstand R1 die zweite Kommunikationsspannung K2 abfällt, ist der erste Eingang G1 des ersten Transistors T1 beispielsweise an eine erste Spannungsquelle V1 angeschlossen. Die erste Spannungsquelle V1 dient zur Ausgabe einer Spannung, welche entweder mit der zweiten Kommunikationsspannung K2 identisch ist oder eine Spannung ist, die derart höher als das zweite Bezugspotential P2 ist, dass im geöffnete Zustand des ersten Transistors T1 die zweite Kommunikationsspannung K2 am ersten Widerstand R1 erhalten wird. Insbesondere wenn das zweite Bezugspotential P2 dem GND entspricht, kann die erste Spannungsquelle V1 auf die zweite Kommunikationsspannung K2 eingestellt sein.
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Das Einstellen des Zustands des ersten Transistors T1 bzw. das Öffnen und Sperren des ersten Transistors T1 erfolgt beispielsweise über den ersten Steueranschluss B1. Eine Möglichkeit den ersten Transistors T1 zu steuern ist einen zweiten Transistor T2 mit dem ersten Steueranschluss zu verbinden. Der erste Transistor T1 nimmt dann denjenigen Zustand ein, der durch den zweiten Transistor T2 vorgegeben wird, so dass beide Transistoren T1,T2 entweder gleichzeitig geöffnet oder gesperrt sind.
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Der zweite Transistor T2 weist seinerseits einen zweiten Eingang G2, einen zweiten Ausgang A2 und einen zweiten Steueranschluss B2 auf. So ist beispielsweise am zweiten Ausgang A2 das erste Bezugspotential P1 angeschlossen und am zweiten Eingang G2 eine zweite Spannungsquelle V2. Die zweite Spannungsquelle V2 muss zum Öffnen des ersten Transistors eine Spannung ausgeben, die höher ist als die des ersten Bezugspotentials P1. Die an der zweiten Spannungsquelle V2 ausgegebene Spannung muss beispielsweise mindestens so viel größer sein als das erste Bezugspotential P1 wie der Basisstrom groß ist, der zum Öffnen des ersten Transistors T1 am ersten Steueranschluss B1 nötig ist. Der erste Transistor T1 liegt dabei zwischen der zweiten Spannungsquelle V2 und dem zweiten Eingang G2. Zusätzlich sind zwei weitere Widerstände R2,R3 vorgesehen. Der zweite Widerstand R2 befindet sich zwischen dem ersten Transistor T1 und der zweiten Spannungsquelle V2. Der dritte Widerstand R3 ist zwischen dem ersten Transistor T2 und dem zweiten Eingang G2 angeordnet.
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Der zweite Transistor T2 wird durch den zweiten Steueranschuss B2 gesteuert, an dem beispielsweise zumindest das erste Bezugspotential P1 eingeht. In diesem Fall wäre der zweite Transistor gesperrt, da am zweiten Ausgang A2 ebenfalls das erste Bezugspotential anliegt. Der zweite Transistor T2 öffnet sich dann, wenn eine Spannung am zweitem Steueranschluss B2 anliegt, die mindestens so groß ist wie die Summe aus dem ersten Bezugspotential P1 und derjenigen Spannung, die zum Schalten des zweiten Transistors T2 mindestens nötig ist.
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In 3 ist eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pegelwandlers dargestellt. Zur Steuerung des ersten Transistors T1 wird in diesem Fall kein zweiter Transistor T2 eingesetzt, sondern eine Kombination aus Widerständen. Der vierte Widerstand R4 sorgt für eine Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle V1 und dem ersten Steueranschluss B1. Zwischen dem Eingang in des Pegelwandlers und dem ersten Steueranschluss ist ein fünfter Widerstand R5 parallel zum vierten Widerstand R4 eingebracht. Die in den Pegelwandler eingehende Spannung fällt am fünften Widerstand R5 ab, während am vierten Widerstand R4 die Spannung der ersten Spannungsquelle V1 abfällt. Nur wenn am Knotenpunkt zwischen dem vierten Widerstand R4 und dem fünften Widerstand R5 eine Spannung abfällt, die höchstens der Differenz aus der Spannung der ersten Spannungsquelle V1 und dem Basisstrom des ersten Transistors T1 entspricht, wird der erste Transistor T1 geöffnet. Beispielsweise gibt die erste Spannungsquelle 3,3 V aus. Liegen am Eingang in des Pegelwandlers L ebenfalls 3,3 V an, so ist der erste Transistor T1 gesperrt. Sobald am Eingang des Pegelwandlers L eine Spannung unter 2,6 V anliegt, wird der erste Transistor T1 geöffnet, da die Basisspannung des ersten Transistors T1 in etwa 0,7 V beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- L
- Pegelwandler
- E1
- erstes Bauteil
- E2
- zweites Bauteil
- P1
- erstes Bezugspotential
- P2
- zweites Bezugspotential
- K1
- erste Kommunikationsspannung
- K2
- zweite Kommunikationsspannung
- V1
- erste Spannungsquelle
- V2
- zweite Spannungsquelle
- T1
- erster Transistor
- G1
- erster Eingang des ersten Transistors
- A1
- erster Ausgang des ersten Transistors
- B1
- erster Steueranschluss des ersten Transistors
- T2
- zweiter Transistor
- G2
- zweiter Eingang des zweiten Transistors
- A2
- zweiter Ausgang des zweiten Transistors
- B2
- zweiter Steueranschluss des zweiten Transistors
- R1
- erster Widerstand
- R2
- zweiter Widerstand
- R3
- dritter Widerstand
- R4
- vierter Widerstand
- R5
- fünfter Widerstand
- in
- Eingangssignal des Pegelwandler
- out
- Ausgangssignal des Pegelwandlers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019116193 A1 [0004]