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Die Erfindung betrifft ein Steckmodul für Steuergeräte von mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere von Gewinnungsmaschinen für den übertägigen oder untertägigen Bergbau, mit einem Gehäuse, mit einem an einer Seite des Gehäuses freiliegenden, an eine Busplatine eines Steuergerätes lösbar anschließbaren Verbindungsstecker, mit einer im Gehäuse angeordneten Elektronikplatine und mit wenigstens einer am Gehäuse freiliegenden Steckerbuchse zum Anschließen von Aktoren, Sensoren od. dgl. für die Arbeitsmaschine an das Steckmodul.
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Bei dem Abbau von Mineralienstätten wie Kohlenflöze, Erzlagerstätten, Braunkohleablagerungen, aber auch beim Abbau von Steinbrüchen, Salzlagerstätten o. dgl. kommen mobile Arbeitsmaschinen zum Einsatz, bei denen die gesamte Steuerelektronik mit sämtlichen für einen halbautomatischen oder automatischen Ablauf der Arbeitsgänge benötigten Funktionen einem oder mehreren Steuergeräten zugeordnet ist, das ”onboard” auf der mobilen Arbeitsmaschine angeordnet ist. Bei mobilen Arbeitsmaschinen bestehen grundsätzlich Beschränkungen für sämtliche zu verwendenden Konstruktions- und Bauteile hinsichtlich Größe und Gewicht, wobei gleichzeitig aufgrund der Mobilität ein ausreichender Schutz gegenüber Vibrationen berücksichtigt werden muss, da Vibrationen schon aufgrund des Verfahrens der Arbeitsmaschine zusätzlich zu der eigentlichen Arbeitsbewegung auftreten. Bei Maschinen für den Bergbau, die das bevorzugte Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung bilden, kann zusätzlich noch zu berücksichtigen sein, dass die gesamte Steuerelektrik und Steuerelektronik eigensicher aufgebaut und ausgelegt sein muss, um selbst in explosionsgefährdeten Bereichen sicher das Entstehen von Zündfunken oder Zündspannungen zu verhindern.
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Aufgrund steigender Automatisierungsbestrebungen werden zunehmend höhere Ansprüche an die Onboard-Steuerung der mobilen Arbeitsmaschine gestellt und für eine bessere Bedienbarkeit werden Diagnosemöglichkeiten, insbesondere auch Ferndiagnosemöglichkeiten gefordert. Um eine Vollautomatikbetriebsart zu ermöglichen, muss die Steuerelektronik auch in der Lage sein, Sensoren von Mess- und Diagnosesystemen und Sensoren zur Sondierung des Umfeldes der mobilen Arbeitsmaschine auswerten zu können und gleichzeitig unterschiedlichste Aktoren ansteuern zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steckmodul für Steuergeräte von mobilen Arbeitsmaschinen zu schaffen, welches zur Verwendung mit unterschiedlichen Aktoren oder Sensoren geeignet ist oder hierfür adaptiert werden kann und zugleich vorteilhaft in einem onboard-Steuergerät einer mobilen Arbeitsmaschine eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse aus einem Kasten mit vorzugsweise rechteckförmiger Gehäusewandung mit Vorderwand, Rückwand, zwei Seitenwänden und Bodenplatte besteht, die mit einer Aussparung für den Verbindungsstecker zum Anschluss des Steckmoduls an eine Busplatine eines Steuergerätes versehen ist, und dass die Elektronikplatinen zu einem Platinenkasten mit zwei Stirnplatinen und zwei Seitenplatinen verbunden sind, wobei der Platinenkasten im Gehäuseinnenraum des Gehäuses angeordnet ist, der Verbindungsstecker mit der einen Stirnplatte des Platinenkastens und die wenigstens eine Steckerbuchse mit der gegenüberliegenden Stirnplatte elektrisch leitend verbunden ist, und die Steckerbuchse mit dem Gehäuse über einen Entlastungsbügel mechanisch gekoppelt ist. Durch das Verbinden mehrerer Elektronikplatinen zu einem Platinenkasten wird zum Einen erreicht, dass Einzelplatinen mit unterschiedlichen Funktionen relativ einfach miteinander verbunden werden können und zugleich eine relativ biegesteife und insofern für Vibrationen und Stossbelastungen wenig störanfällige Steuerelektronik für das Steckmodul bereitgestellt werden kann. Der Entlastungsbügel zwischen Steckerbuchse und Kunststoffgehäuse wiederum sorgt zusammen mit dem kastenförmigen Aufbau der Elektronikplatinen für eine ausreichende Robustheit des Gesamtaufbaus, da über den Entlastungsbügel Zug- und Druckbelastungen auf die Steckerbuchse in das Gehäuse abgeleitet werden können, ohne dass sie sich schadhaft auf die Elektronik im Gehäuse auswirken.
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Bei einer insbesondere vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Gehäuse aus einem Kunststoffgehäuse mit vorzugsweise integral angeformter Bodenplatte. Mit einem Kunststoffgehäuse wird bei einem erfindungsgemäßen Steckmodul ein relativ leichtes und zugleich gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz u. dgl. vorteilhaft resistentes Gehäuse geschaffen, welches relativ kostengünstig selbst als Massenprodukt herstellbar ist. Die Verwendung eines Kunststoffgehäuses anstelle eines massiven Edelstahlgehäuses, wie es bisher insbesondere im Bergbau eingesetzt wird, sorgt für eine erhebliche Gewichts- und auch Größennominierung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Entlastungsbügel aus einem U-förmigen Winkelblech insbesondere aus Metall wie Edelstahl. Durch den U-förmigen Aufbau des Winkelblechs ist ein besonders einfacher Anschluss des Winkelblechs am Kunststoffgehäuse möglich, indem z. B. eine Verschraubung zwischen den Endstücken des Winkelblechs und den Seitenwänden der Gehäusewandung des Kunststoffgehäuses vorgenommen wird. Insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Winkelblech abgewinkelte Endschenkel und einen Mittelschenkel aufweist, wobei der Mittelschenkel mit wenigstens einem Aufnahmeloch für eine Steckerbuchse versehen ist und die Endschenkel mit den Seitenwänden des Kunststoffgehäuses verbunden sind, beispielsweise verschraubt sind. Zur weiteren Minimierung ist besonders vorteilhaft, wenn am Mittelschenkel mehrere Aufnahmelöcher, insbesondere zwei Aufnahmelöcher zum Befestigen mehrerer, insbesondere zwei Steckerbuchsen vorgesehen sind. Bei zwei Steckerbuchsen können an jedes Steckmodul zwei Sensoren oder Aktoren angeschlossen werden, wobei insbesondere bei Rundsteckerbuchsen relativ leicht sämtliche Anforderungen an Eigensicherheit erfüllt werden können.
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Um eine einfache Montage zu erreichen, ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Steckerbuchse/n mittels einer Schraubverbindung unmittelbar oder mittelbar am Mittelschenkel des Zugbügels befestigt ist/sind. Für eine unmittelbare Schraubverbindung kann jedes Aufnahmeloch mit einem Gewindegang versehen sein, an dem ein Gewindestutzen an der Steckerbuche unmittelbar festgeschraubt wird. Für eine mittelbare Schraubverbindung kann jede Steckerbuchse mit einem Buchsenfortsatz mit Außengewinde versehen sein, der von der einen Seite durch das Aufnahmeloch hindurch gesteckt wird, wobei von der anderen Seite her auf den Gewindeabschnitt eine Mutter aufgeschraubt wird, um die Steckerbuchse dreh- und zugfest am Mittelschenkel zu verankern. Alternativ oder zusätzlich kann der Mittelschenkel mit einem oder mehreren Fenstern für Signalanzeigemittel versehen sein, um z. B. über LED's anzuzeigen, ob an die Steckerbuchse ein funktionsfähiger Aktor angeschlossen ist und/oder ob dieser momentan angesteuert wird.
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Zur zusätzlichen Aussteifung des Steckmoduls ist vorteilhaft, wenn den Seitenwänden des Kunststoffgehäuses L-förmige Laschen zugeordnet sind, die mit dem Entlastungsbügel verbindbar oder verbunden sind und sich bis zur Bodenplatte des Gehäuses oder Kunststoffgehäuses erstrecken. In einfachster Ausgestaltung können die L-förmigen Laschen von außen lose angelegt werden und dann mit dem Befestigungsmittel für das Winkelblech mit diesem und dem Kunststoffgehäuse verbunden werden. Vorteilhafterweise werden Gehäuse bzw. Kunststoffgehäuse und Laschen mit Befestigungsmitteln zum Festschrauben des Steckmoduls an der Busplatine oder Grundplatte festgelegt. Im Montagezustand bilden dann die L-förmigen Laschen einerseits und das Winkelblech andererseits eine äußerst stabile Befestigung und Schirmung für die Steckerbuchsen und die Elektronikplatinen. Die Bodenplatte kragt gemäß einer insbesondere vorteilhaften Ausgestaltung seitlich über die Seitenwände mit einem Befestigungssteg vor, und der Befestigungssteg und der Laschenschenkel der jeweiligen Lasche sind mit einem Durchgriff für ein Befestigungsmittel zum Arretieren des Steckmoduls an der Busplatine versehen.
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Um Fehlmontagen zu vermeiden, kann zweckmäßigerweise der der Bodenplatte zugeordnete Verbindungsstecker asymmetrisch zu einer Seitenwand, der Vorderwand oder der Rückwand des Gehäuses oder Kunststoffgehäuses versetzt angeordnet werden. Eine Fehlmontage kann zusätzlich oder alternativ noch durch Justierstifte verhindert werden, sofern diese eine Montage des Steckmoduls an der Busplatine nur in einer bestimmten Position ermöglichen.
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Die benachbarten Stirnplatinen und Seitenplatinen, die zu einem Platinenkasten verbunden sind, werden vorzugsweise jeweils über wenigstens eine flexible Leiterbahn elektrisch miteinander verbunden. Die benachbarten Stirnplatinen und Seitenplatinen werden vorzugsweise nur zusammengesteckt, indem z. B. die Stirnkanten der Seitenplatinen mit Arretiernasen versehen sind, die durch Schlitze in den Stirnplatinen hindurchgesteckt und verstiftet werden.
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Um ein Eindringen von Feuchtigkeit, Schmutz und anderer Umgebungseinflüsse in den Innenraum des Kunststoffgehäuses zu vermeiden, ist vorzugsweise zwischen der bodenwandseitigen Stirnplatte des Platinenkastens und der Bodenplatte des Kunststoffgehäuses eine Dichtung eingebaut und/oder an der Außenseite der Bodenplatte des Kunststoffgehäuses ist eine den Verbindungsstecker umgebende Dichtung angeordnet. Weiter vorzugsweise können die Steckerbuchsen über die Oberkante des Kunststoffgehäuses hinausragen und der Innenraum des Kunststoffgehäuses ist mit Vergussmasse gefüllt. Durch das Füllen des gesamten Steckmoduls mit Vergussmasse kann das Steckmodul auch einer Schutzart wie IP65 oder IP68 genügen, wobei gleichzeitig die mechanische Stabilität des Steckmoduls durch die Vergussmasse erhöht wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Steckmoduls ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Steuergerät mit Busplatine mit sechs Steckplätzen, wobei in drei Steckplätze erfindungsgemäße Steckmodule eingesteckt sind;
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2 perspektivisch ein erfindungsgemäßes Steckmodul in bevorzugter Ausgestaltung;
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3 das Steckmodul aus 2 in Explosionsdarstellung;
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4 einen Längsschnitt durch das Steckmodul aus 3; und
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5 das Steckmodul aus 2 im Schnitt parallel zu den Seitenwänden.
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In 1 ist schematisch stark vereinfacht eine Draufsicht auf ein Steuergerät gezeigt, bei welchem die erfindungsgemäßen Steckmodule bevorzugt zum Einsatz kommen und welches insbesondere für die Verwendung auf mobilen Arbeitsmaschinen, die in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen, ausgebildet ist. Das Steuergerät 1 umfasst eine Grundplatte 2 z. B. aus Edelstahl, an der eine Backplane oder Busplatine 3 mit hier sechs Steckplätzen 6 auf geeignete Weise befestigt ist. Die Busplatine 3 ist zusätzlich zu den Steckplätzen 6 mit nicht dargestellten Leiterbahnen und Elektronikelementen versehen und die einzelnen Steckplätze 6 sind an die hier zentral an einer Seite der Grundplatte 2 des Steuergerätes 1 angeordnete Anschlussleiste 4 angeschlossen. Die Anschlußleiste 4 weist hier drei Rundstecker 5, 5A auf, wobei die Rundstecker 5, 5A z. B. derart ausgelegt sein können, dass ein Rundstecker 5 einen Netzwerkeingang, ein Rundstecker 5 einen Netzwerkausgang und ein dritter Rundstecker 5A einen Versorgungsanschluss für elektrische Spannung, insbesondere eigensichere Gleichspannung, bildet. In drei der Steckerplätze 6 an der Busplatine 3 des Steuergerätes 1 sind bereits erfindungsgemäße Steckmodule 10, 10A, 10B eingesteckt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei eingesteckten Steckmodule 10, 10A, 10B weitestgehend denselben Aufbau haben, jedoch mit unterschiedlichen Funktionalitäten ausgerüstet sind und geringfügig andere Anzeigeeinrichtungen oder Anschlussstecker aufweisen. Jeder Steckplatz 6 ist vorzugsweise mit mehreren, ungleichmäßig verteilten Justierlöchern 7 versehen, um eine Fehlmontage eines Steckmoduls 10, 10A, 10B zu vermeiden. Der Aufbau der Steckmodule 10, 10A, 10B wird nun unter Bezugnahme insbesondere auf die 2 bis 5, in der das Steckmodul 10 detailliert dargestellt ist, erläutert.
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Das Steckmodul 10 weist ein einteiliges, vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestelltes Kunststoffgehäuse 11 mit einer Vorderwand 12, einer Rückwand 13, zwei Seitenwänden 14 sowie einer integral angeformten Bodenplatte 15 auf und das Kunststoffgehäuse ist vorzugsweise kastenförmig ausgebildet. Die Bodenplatte 15 ist mit einer Aussparung 16 versehen, innerhalb der ein Verbindungsstecker 17 derart frei zugänglich liegt, dass der Verbindungsstecker 17 bei am Steuergerät (1, 1) angeschlossenem Steckmodul 10 in den am Steuergerät ausgebildeten Steckplatz (6, 1) einfasst. Der Verbindungsstecker 17 ist vorzugsweise asymmetrisch versetzt zur Vorderwand 12 oder Rückwand 13 angeordnet, damit das Steckmodul 10 nur in einer Ausrichtung am Steuergerät unter Herstellung einer Steckverbindung zwischen dem Verbindungsstecker 17 und dem zugehörigen Steckplatz montiert werden kann. Zur Vermeidung einer Fehlmontage und gleichzeitig sicherem Herstellen einer Steckverbindung können an der Bodenplatte 16 integral angeformte Justierzapfen 18 ausgebildet sein, die in die Justierlöcher (7, 1) für jeden Steckplatz formschlüssig einsteckbar sind.
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Der Verbindungsstecker 17 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel an einer untere Stirnplatine 21 fest angelötet, die zusammen mit zwei Seitenplatinen 22 sowie einer weiteren Stirnplatine 23 einen Platinenkasten 24 bildet, der vollständig innerhalb des Innenraums 19 innerhalb des Kunststoffgehäuses angeordnet werden kann. Durch seinen kastenförmigen Aufbau mit über die Seitenplatinen 22 versteiften Stirnplatinen 23 erhält hierdurch die gesamte Elektronik einen robusten und biegesteifen Aufbau. Die Seitenplatinen 22 und die Stirnplatinen 21, 23 sind zu dem Platinenkasten 24 zusammengesteckt, wozu die Seitenplatinen 22 Nasen aufweisen, die durch Schlitze in den Stirnplatinen hindurchgesteckt sind und am vorragenden Nasenabschnitt verstiftet werden können. An der zweiten, oberen Stirnplatine 23 sind die Anschlusskontakte von zwei Steckerbuchsen 25 angeschlossen, insbesondere angelötet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus metallischen Rundsteckerbuchsen bestehen. Jeweils benachbarte Platinen wie beispielsweise die untere Stirnplatine 21 und die Seitenplatinen 22 oder die Seitenplatinen 22 mit der oberen Stirnplatine 23 sind über nicht gezeigte, flexible Leiterbahnen miteinander verbunden, weswegen die gesamte, im Steckmodul 10 integrierte Steuer- und Schaltelektronik verteilt auf den Leiterplatinen 21, 22, 23 mit beliebigen Funktionen angeordnet werden kann. Durch diesen Aufbau ist es auch möglich, gleichartige Stirnplatinen 21, 23 mit unterschiedlichen Seitenplatinen 22 zu verbauen, um jedes Steckmodul kostengünstig an seine Funktionalitäten zu adaptieren. An der Leiterplatine 23 für die Steckerbuchsen 25 können ferner Anzeigeelemente 26 für einfache Kontrollfunktionen oder Signalblöcke 27 zur Schrift- oder Wertevisualisierung angeschlossen sein.
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Aus den 3 bis 5 ist gut ersichtlich, dass die beiden Steckerbuchsen 25 an einem U-förmig gebogenen Winkelblech 30 befestigt sind, welches für die Befestigung der Rundstecker 25 mit zwei Aufnahmelöchern 31 versehen ist, die hier oval ausgeformt sind. Die Rundstecker 25 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel nur mittelbar an einem Mittelschenkel 32 des Winkelblechs 30 angeschraubt und jeder Rundstecker 25 weist einen Gewindefortsatz 28 auf, auf welchen von der anderen Seite des Winkelblechs 30 her eine Befestigungsmutter 29 aufgeschraubt ist, um die Rundstecker 25 zug- und drehfest am Winkelblech 30 zu verankern. Der Mittelschenkel 32 des Winkelblechs 30 geht jeweils in einen rechtwinklig abgewinkelten Endschenkel 33 über, wobei im Montagezustand das Winkelblech 33 über Gewindelöcher 34 in den Endschenkel 33 sowie mittels Befestigungsschrauben 35 mit den Seitenwänden 14 des Kunststoffgehäuses 11 verschraubt ist. Da die Verbindungsstecker 25 am Winkelblech 30 angeschraubt sind und das Winkelblech 30 wiederum am Kunststoffgehäuse 11 angeschraubt ist, kann das Winkelblech 30 einen Entlastungsbügel bilden, der verhindert, dass Kräfte, die von an die Verbindungsstecker 25 angeschlossenen Kabeln auf die Steckmodule ausgeübt werden könnten, auf die Elektronikplatinen übertragen werden können. Der Mittelschenkel 32 ist mittig zwischen beiden Aufnahmelöchern 31 mit einem hier rechteckigen Fenster 35 versehen, damit die Anzeigeelemente 26, 27 sichtbar an der Oberseite des Steckmoduls 10 frei liegen.
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Um dem Kunststoffgehäuse 11 zusätzliche Steifigkeit zu verleihen, sind L-förmige Verbindungslaschen 40 von außen lose mittels der Befestigungsschrauben 35 an beiden Stirnseiten 14 angeschraubt. Jeweils ein abgewinkelter kurzer Laschenschenkel 41 der Laschen 40 weist ein Durchgriffsloch 42 für eine Arretierschraube auf, über die das Steckmodul 10 an der Grundplatte (2, 1) des Steuergerätes angeschraubt werden kann. Die Bodenplatte 15 des Kunststoffgehäuses 11 ragt mit Befestigungsstegen 15A seitlich über die Seitenwände 14 des Kunststoffgehäuses 11 hinaus, wobei sich im Montagezustand die Laschenschenkel 41 parallel vor den Befestigungsstegen 15A positionieren. Der lange Schenkelabschnitt der Verbindungslaschen 40 weist ein Durchgriffsloch für die Befestigungsschraube 35 auf. Im Montagezustand können auf diese Weise alle Zugkräfte unmittelbar über den vom Winkelblech 30 gebildeten Entlastungsbügel und die Verbindungslaschen 40 in die Bodenplatte des Steuergerätes eingeleitet werden und das gesamte Innenleben der Steckmodule 10 einschließlich des Kunststoffgehäuses wird nicht mit diesen Kräften belastet.
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Im Montagezustand ragen, wie insbesondere die 4 und 5 erkennen lassen, die Steckerbuchsen 25 über die Oberseite der Seitenwände 14 sowie der Vorderwand 12 und Rückwand 13 des Kunststoffgehäuses 11, hinaus. Unterhalb der Bodenplatte 15 des Kunststoffgehäuses 11 ist eine Dichtung 45 angeordnet, die die Aussparung 16 und insofern auch den Verbindungsstecker 17 umschließt, um im Montagezustand ein Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Der gesamte Innenraum 19 des Steckmoduls 10 wird vorzugsweise mit einer Vergussmasse o. dgl. aufgefüllt, um das Steckmodul 10 zusätzlich zu versteifen und zugleich die Anforderungen an Schutzarten wie IP65 oder IP68 zu erfüllen.
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Das in 1 gezeigte Steckmodul 10A hat denselben inneren Aufbau wie das Steckmodul 10, unterscheidet sich aber z. B. in der auf den Platinen angeordneten Elektronik sowie durch die Wahl anderer, hier drei zueinander gleicher Anzeigeelemente 26A, die jeweils ein separates Fenster im Entlastungsbügel 30A durchfassen. Auch das Steckmodul 10B hat insbesondere innerhalb des Gehäuses 11B denselben Aufbau wie das Steckmodul 10, unterscheidet sich wiederum z. B. über die auf den Platinen angeordneten Elektronik sowie in dem Vorhandensein von nur einem Flachstecker 258, der ein einziges Fenster im Entlastungsbügel 30B durchfasst.
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Für den Fachmann sind aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen ersichtlich, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Anstelle von Rundsteckern und/oder der gezeigten Anzeigemittel kann, insbesondere wenn das Steckmodul nicht für den eigensicheren Betrieb ausgebildet wird, auch ein Flachstecker an der Oberseite des Steckmoduls angeordnet sein und/oder die Anzeigeelemente können entfallen oder anders aufgebaut sein. Ein Steckmodul kann auch weniger oder mehr als zwei Steckerbuchsen aufweisen. Das Gehäuse kann auch aus anderen Materialien als Kunststoff bestehen, auch wenn ein Kunststoffgehäuse die bevorzugte Ausgestaltung bildet.
