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Die
Erfindung betrifft ein Steuergerät,
insbesondere Motorsteuergerät,
eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, das mindestens
drei elektrische Module mit unterschiedlichen Funktionen aufweist,
wobei die Module über
elektrische Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden sind.
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Stand der Technik
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Steuergeräte der eingangs
genannten Art sind bekannt. Diese weisen beispielsweise Module auf,
von denen eines zur Steuerung und/oder Regelung beispielsweise einer
Einspritzdüse
und ein anders als Leistungs-Bauteil ausgebildet ist. Die beiden Module
sind dabei über
eine elektrische Verbindungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Stanzgitter, miteinander
verbunden. Weiterhin ist es bekannt, eines der Module oder beide
Module mit einem dritten Modul über
eine elektrische Verbindungseinrichtung miteinander zu verbinden,
wobei stets dieselbe (standardisierte) Verbindungseinrichtung vorgesehen
ist, um Herstellungskosten des Steuergeräts zu verringern und die Montage
zu vereinfachen. Das Vorsehen von Modulen für unterschiedliche Funktionen
hat den Vorteil, dass das jeweilige Modul bezüglich seiner Funktion optimal
ausgelegt beziehungsweise konstruiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Steuergerät sieht vor,
dass mindestens zwei der modulbezogenen Verbindungseinrichtungen
eine unterschiedliche elektrische Verbindungstechnik aufeisen. Es
ist zum Einen also vorgesehen, dass das Steuergerät modulbezogene
Verbindungseinrichtungen aufweist. Das bedeutet, dass eine Verbindungseinrichtung
modulbezogen gewählt
ist, sodass die Funktion des Moduls optimal ausgenutzt werden kann.
Darüber
hinaus bedeutet die auf das Modul bezogene Verbindungseinrichtung,
dass das entsprechende Modul vorteilhafterweise nur über diese
Verbindungseinrichtung mit der gewählten Verbindungstechnik kontaktierbar
ist. Zum Anderen ist vorgesehen, dass mindestens zwei der Verbindungseinrichtungen
eine unterschiedliche elektrische Verbindungstechnik aufweisen.
Die unterschiedlichen elektrischen Verbindungstechniken sind zweckmäßigerweise
an die Funktion des entsprechenden Moduls angepasst, sodass nicht
nur das Modul selbst für
seine Funktion optimal gestaltet werden kann, sondern auch die dem
Modul zugeordnete elektrische Verbindungseinrichtung. Hierdurch
lässt sich
das Steuergerät
auf einfache Art und Weise auch an kundenspezifische Mechanikkonzepte
anpassen. Vorteilhafterweise berücksichtigen
die unterschiedlichen elektrischen Verbindungstechniken darüber hinaus
eine thermische Leitfähigkeit,
sodass von den Modulen erzeugte Wärme über die Verbindungseinrichtungen
abgeführt
werden kann, wobei die Verbindungseinrichtungen auch auf eine modulbezogene
thermische Leitfähigkeit
optimierbar sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eines der Module
ein Leistungsmodul des Steuergeräts.
Das Leistungsmodul weist eine Leistungselektronik auf und kann in
einem separaten Prozess hergestellt werden, zum Beispiel mittels
eines heute üblichen
Standardprozesses. Wobei bei der Herstellung des Leistungsmoduls
ebenfalls die modulbezogene, also auf die Leistungselektronik/das Leistungsmodul
bezogene, Verbindungseinrichtung auf einfache Art und Weise miterstellt
wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass mindestens eines der Module ein Logikmodul
ist. Dieses weist beispielsweise eine Recheneinheit auf, die auf
einem hochauflösenden
Substrat angeordnet ist. Die Logikeinheit beziehungsweise das Logikmodul
wird vorteilhafterweise als Ball-Grid-Array-Modul (Kugelgitteranordnungs-Modul)
wie ein oberflächenmontierbares
Bauteil (Surface-Mounted-Device) bestückt und gelötet.
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Vorteilhafterweise
weist mindestens eines der Module eine Leiterplatte auf oder ist
als eine Leiterplatte ausgebildet. Es ist also vorgesehen, dass beispielsweise
das Leistungsmodul eine Leiterplatte aufweist, auf der die entsprechenden Leistungsbauteile
angeordnet sind. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Modul eine weitere
Module miteinander verbindende Leiterplatte ist.
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Vorteilhafterweise
ist mindestens eines der Module eine elektrische Anschlussvorrichtung.
Diese ist mit zumindest einem der anderen Module elektrisch mittels
einer Verbindungseinrichtung verbunden und dient zum Kontaktieren
der Module. Bevorzugt ist die Anschlussvorrichtung derart in oder
an einem Gehäuse
des Steuergeräts
angeordnet, dass die Module im Inneren des Gehäuses vor äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Schmutz,
geschützt sind
und auf einfache Art und Weise mittels der Anschlussvorrichtung
kontaktiert werden können.
Die Ausführung
der Anschlussvorrichtung als ein Modul erlaubt in einfacher Art
und Weise die Anbindung einer kundenspezifischen Anschlussvorrichtung,
sodass das Steuergerät
auf einfache Art und Weise kundenspezifisch ausgebildet werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist mindestens eine Verbindungseinrichtung als Lötverbindung ausgebildet. Dies
kann eine direkte Lötverbindung
zwischen zwei Modulen sein, wie zum Beispiel zwischen dem Logikmodul
und einem eine Leiterplatte aufweisenden Basismodul, wobei das Logikmodul
direkt auf die Leiterplatte gelötet
wird. Bevorzugt ist diese Lötverbindung eine
Reflow-Lötverbindung
(Wiederaufschmelz-Löten).
Natürlich
ist es auch denkbar, die Module mittels mindestens eines Kabels
zu verbinden, das an beiden Modulen angelötet ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens
eine Verbindungseinrichtung als Stanzgitter, Kabelverbindung, Flachkabelverbindung
und/oder Steckverbindung ausgebildet ist. Insbesondere die auf die
Leistungseinheit bezogene Verbindungseinrichtung ist vorteilhafterweise als
Stanzgitter ausgebildet. Hierdurch werden sowohl eine hohe elektrische
als auch eine hohe thermische Leitfähigkeit gewährleistet. Die Kabelverbindungen und/oder
Flachkabelverbindung erlaubt beispielsweise, dass die Module nebeneinander
liegend verbunden und anschließend „zusammengeklappt" werden, sodass sie
einander gegenüberliegend
in dem Steuergerät
angeordnet sind. Das Stanzgitter, die Kabelverbindung und die Flachkabelverbindungen
können dabei
an das entsprechende Modul beispielsweise durch Löten angebracht
sein. Es ist jedoch auch denkbar die genannten Verbindungstechniken
als Steckverbindung auszuführen,
sodass beispielsweise die Flachkabelverbindung durch Einstecken
in entsprechende Aufnahmen der Module erstellt werden kann.
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Weiter
ist vorgesehen, dass mindestens eine Verbindungseinrichtung eine
Oberflächenmontagetechnik
(Surface-Mounting-Technology SMT) aufweist. Hierdurch lässt sich,
wie oben beschrieben die direkte Anordnung eines Moduls auf einem
anderen Modul wie zum Beispiel einer Leiterplatte auf einfache und
kostengünstige
Art und Weise realisieren. Die vorteilhafte Ausbildung des Steuergeräts erlaubt es
ohne bedeutende Zusatzkosten die Module selbst sowie die die Module
elektrisch verbindenden Verbindungseinrichtungen auf die jeweilige
Funktion optimal auszulegen. Bei der Herstellung können bekannte
Herstellungsverfahren verwendet werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Steuergerät mindestens
ein Kühlelement auf,
das dem Leistungsmodul beziehungsweise der Leistungselektronik zugeordnet
ist. Besonders bevorzugt weist das Kühlelement wenigstens einen Kühlkörper und/oder
einen Lüfter
auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines vorteilhaften Steuergeräts,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines vorteilhaften Steuergeräts,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines vorteilhaften Steuergeräts,
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4 eine
vorteilhafte Weiterbildung der dritten Ausführungsbeispiels,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
des vorteilhaften Steuergeräts
und
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6 eine
perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Steuergeräts.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines vorteilhaften Steuergeräts 1 eines
Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät 1 ist
als Motorsteuergerät 2 ausgebildet und
dient zum Ansteuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer
oder mehrerer Zündstufen,
eines Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät 1 weist ein Gehäuse 3 auf,
in dem ein elektrisches Modul 4, das als Basismodul 5 ausgebildet
ist, sowie ein Modul 6, das als Logikmodul 7 ausgebildet
ist, angeordnet sind. Das Basismodul 5 weist eine Leiterplatte 8 auf,
die mit mehreren elektrischen/elektronischen Bauelementen 9 bestückt ist.
Das Logikmodul 7 umfasst im Wesentlichen ein hochauflösendes Substrat 10 auf
dem eine Recheneinheit 11 mit mehreren elektrischen/elektronischen
Bauelementen angeordnet ist. Weiterhin weist das Steuergerät 1 beziehungsweise
das Motorsteuergerät 2 eine
Anschlussvorrichtung 12 auf, die an dem Gehäuse 3 angeordnet
und als Steckanschluss 13 ausgebildet ist. Die Anschlussvorrichtung 12 stellt
hierbei ein weiteres elektrisches Modul 14 des Steuergeräts 1 dar.
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Aus
dem oben Beschriebenen geht bereits hervor, dass die Module 4, 6 und 14 unterschiedliche Funktionen
aufweisen. Das Modul 14 dient zum Anschließen beziehungsweise
Kontaktieren des Steuergeräts 1,
das Modul 6/Logikmodul 7 dient zur Steuerung und
zur elektrischen Anbindung der Bauelemente auf dem Logikmodul und
das Modul 4/Basismodul 5 dient zum elektrischen
und thermischen Verbinden der unterschiedlichen Module sowie der
auf dem Basismodul angeordneten Bauelementen 9 miteinander.
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Weiterhin
sind die Module 4, 6 und 14 mittels modulbezogenen
Verbindungseinrichtungen, die eine unterschiedliche elektrische
Verbindungstechnik aufweisen, miteinander verbunden. Die Anschlussvorrichtung 12/das
Modul 14 ist mittels einer Verbindungseinrichtung 15 mit
der Leiterplatte 8 des Basismoduls 5 verbunden.
Die Verbindungseinrichtung 15 ist hierbei als Stanzgitter 16 ausgebildet,
das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
zwei Leiterbahnen aufweist. Die hier vorgesehene Verbindungstechnik (Stanzgitter 16)
erlaubt eine gute mechanische sowie elektrisch und thermisch leiffähige Verbindung
der Anschlussvorrichtung 12 mit dem Basismodul 5.
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Das
Basismodul 5 ist darüber
hinaus mit dem Logikmodul 7 über eine weitere Verbindungseinrichtung 17 elektrisch
verbunden. Die Verbindungseinrichtung 17 ist hierbei als
eine Lötverbindung 18 ausgebildet.
Die Lötverbindung 18 ist
vorteilhafter Weise mittel eines Reflow-Lötverfahrens (Wiederaufschmelz-Löten) erstellt.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des
Steuergeräts 1 ist
das Logikmodul 7 ein separat erstelltes Modul 6 des
Steuergeräts 1,
wobei die Recheneinheit mit ihren Bauelementen bei einem separaten
Herstellungsverfahren auf dem hochauflösenden Substrat 10 angeordnet
wird. Das Modul 6 kann nunmehr als Ball-Grid-Array-Modul
(Kugelgitteranordnungs-Modul)
wie ein SMT-Bauelement (Surface-Mounting-Technology) bestückt und
gelötet
werden. Im Montagewerk sind somit keine zusätzlichen Prozesse notwendig.
das Logikmodul 7 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
relativ klein (beispielsweise 25 × 25 mm) ausgebildet, sodass
die für die
Kontaktierung benötigte
Fläche
minimale Zusatzkosten zur Folge hat. Der Vorteil bei der Verbindungstechnik
der Verbindungseinrichtung 17 liegt darin, dass sie gute
Hochfrequenzeigenschaften aufweist, die gerade bei schnelltaktenden
Logikmodulen entscheidend ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine Endstufe auf dem Basismodul 5 angeordnet, was
für einfache
Motorsteuergeräte
mit niedriger Verlustleistung ein einfaches und kostengünstiges
Konzept darstellt.
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Die 2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
des Steuergeräts 1,
das im Wesentlichen dem Steuergerät 1 aus der 1 entspricht,
sodass gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind
und im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Der
wesentliche Unterschied besteht darin, dass das Steuergerät 1 nunmehr
ein weiteres Modul 19, das als separates Leistungsmodul 20 ausgebildet ist,
anstelle der auf dem Basismodul 5 angeordneten (Leistungs-)Endstufe
aufweist. Das Leistungsmodul 20 weist eine Leiterplatte 21 auf,
auf der elektrische/elektronische Bauelemente 21, wie zum
Beispiel Elektrolytkondensatoren oder -spulen angeordnet sind. Das
Leistungsmodul 20 ist dem Basismodul 5 gegenüberliegend
angeordnet und liegt mit zwei oder mehreren als Leistungsbausteine 23 ausgebildeten
Bauelementen 22 an der Gehäuseinnenseite des Gehäuses 3 an.
Mittels einer Verbindungseinrichtung 24, die auf das Leistungsmodul 20 bezogen ist,
ist das Leistungsmodul 20 mit dem Basismodul 5 elektrisch
verbunden. Vorteilhafterweise ist die Verbindungseinrichtung hierbei
als Stanzgitter 16 oder als Flachbandkabel 25 ausgebildet.
Das Leistungsmodul 20 ist vorteilhafterweise mittels eines
separaten Herstellprozesses gefertigt, wie zum Beispiel Reflow-Löten der
Vorder- und Rückseite
sowie gegebenenfalls Selektiv-Löten.
Zusammen mit den Bauelementen 22 wird auch die Verbindungseinrichtung 24, beziehungsweise
das Flachbandkabel 25, eingelötet. Bei der Herstellung des
Steuergeräts 1 wird
das Flachbandkabel 25 anschließend an dem sonst fertig gestellten
Basismodul 5 angelötet.
Da sowohl das Basismodul 5 als auch das Leistungsmodul 20 nicht flächig, wie
beispielsweise das Logikmodul 7 und das Basismodul 5,
miteinander verbunden sind, sondern über das Flachbandkabel, geht
keine Layoutfläche auf
einem der Module 4, 19 verloren. Die hier verwendete
Verbindungstechnik ist an die Bedürfnisse des Leistungsmoduls 20 (niedrige
Frequenzen, hohe Spannungen und Ströme) angepasst. Die kompakte Bauform
des Steuergeräts 1 durch
das Übereinanderanordnen
des Basismoduls 5 und des Leistungsmoduls 20 erlaubt
ein kleines und kostengünstiges Gehäuse 3.
Basismodul 5 und Leistungsmodul 20 sind dabei
getrennt voneinander skalierbar.
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An
der Außenseite
des Gehäuses 3 ist
weiterhin ein dem Leistungsmodul 20 zugeordnetes Kühlelement 26 angeordnet,
sodass das Leistungsmodul 20 vorteilhaft gekühlt wird.
Das Kühlelement 26 weist
dazu einen Kühlrippen
aufweisenden Kühlkörper 27 auf.
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Die 3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Steuergeräts 1 in
einer weiteren schematischen Darstellung, wobei für bereits
bekannte Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet und nicht
nochmals erläutert
werden. Der wesentliche Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass die Anschlussvorrichtung 12 über eine
als Steckverbindung 28, zum Beispiel Einpressverbindung,
ausgebildete Verbindungseinrichtung 29 mit einem weiteren
Modul 30 verbunden ist. Das Modul 30 ist wiederum
mittels Verbindungseinrichtungen 31 und 32 mit
dem Basismodul 5 beziehungsweise dem Leistungsmodul 20 elektrisch verbunden,
wobei die Verbindungseinrichtungen 31 und 32 als
Semiflex-Verbindungen 33 ausgebildet sind, die auf die
Leiterplatte 8 beziehungsweise 21 aufgelötet oder
geschweißt
sind.
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Die 4 zeigt
eine vorteilhafte Weiterbildung des in der 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels
des Steuergeräts 1.
Auch hier werden für
gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet und nicht
nochmals erläutert.
Der wesentliche Unterschied zu dem in der 3 dargestellten
Steuergerät 1 besteht
darin, dass dem Kühlkörper 27 ein Lüfter 34 zugeordnet
ist, der für
eine erzwungene Konvektion sorgt. Der Kühlkörper 27 und der Lüfter 34 bilden
hierbei das Kühlelement 26,
das als mechanische Einheit als Gehäusedeckel des Gehäuses 3 ausgebildet
sein kann. Wobei es denkbar ist an dem Gehäusedeckel zusätzlich das
Leistungsmodul 20 anzuordnen und dadurch eine Montagebaugruppe
zu bilden.
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Die 5 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel
des Steuergeräts 1,
das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
der 3 entspricht, sodass gleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals erläutert werden.
Der wesentliche Unterschied besteht hierbei in der Anordnung der
Module 4, 30 und 19 sowie der Ausbildung
des Gehäuses 3.
Anstatt einander gegenüber zu
liegen, wie in der 3 dargestellt, sind hier das Basismodul 5,
die Anschlussvorrichtung 12 mit dem kundenspezifischen
Modul 30 und das Leistungsmodul 20 „aufgeklappt" hintereinander beziehungsweise nebeneinander
angeordnet. Durch diese flächige
Anordnung der Elemente des Steuergeräts 1 lassen sich besonders
vorteilhaft Kühlluftströmungen,
dargestellt durch den Pfeil 35, am Einbauort im Kraftfahrzeug
zur Kühlung
des Steuergeräts 1 nutzen.
Es ist hierbei denkbar, an der Gehäuseaußenseite des Gehäuses 3 einen
oder mehrere Kühlkörper oder
flüssigkeitsgekühlte Platten
zur Kühlung
des Steuergeräts 1 anzuordnen.
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Die 6 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Steuergeräts 1.
Das hier perspektivisch dargestellte Steuergerät 1 entspricht im
Wesentlichen dem in der 3 dargestellten Steuergerät 1.
Dargestellt sind das die Anschlussvorrichtung 12 bildende
Modul 14, sowie das Leistungsmodul 20 und das
das Logikmodul 7 aufweisende Basismodul 5. Wobei
das Basismodul 5 mit dem Logikmodul 7 mittels
der Verbindungseinrichtung 17, wie oben beschrieben, elektrisch
verbunden ist und das Basismodul 5 und das Leistungsmodul 20 mittels
der Verbindungseinrichtungen 31 und 32, wie oben
beschrieben, mit dem an der Anschlussvorrichtung 12 angeordneten
Modul 30 verbunden sind. Die vorteilhaften Semiflex-Verbindungen 33,
die eine elastische Verformung zulassen, gewährleisten hierbei eine hohe
mechanische Robustheit des Steuergeräts 1. Aufgrund des
modulartigen Aufbaus des Steuergeräts 1 können die
unterschiedlichen Module 6, 4 und 19 entsprechend
ihrer Funktion optimal ausgelegt beziehungsweise skaliert werden,
wie in der 6 dargestellt.
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In
einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform des Steuergeräts ist es
denkbar, das Basismodul 5 als Teil der Anschlussvorrichtung 12 beziehungsweise
des Moduls 14 auszuführen. Zur
Kontaktierung von Basismodul 5 und Leistungsmodul 20 am
Modul 30, wie in der 3 dargestellt, es
ist außerdem
denkbar, kleine elektrisch leitfähige Pins
in Basis- und Logikmodul 5, 20 einzulöten und dann
zusammen mit dem Modul 30 an der Anschlussvorrichtung 12 zu
befestigen, beispielsweise durch Selektiv-Löten, Einpressen oder Ähnlichem.