DE2203032A1

DE2203032A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2203032A1
Application number: DE19722203032
Authority: DE
Inventors: Max Dipl-Ing Eisele; Guenter Wilhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-22
Filing date: 1972-01-22
Publication date: 1973-08-02
Also published as: JPS4884571A; JPS5392386U; JPS5544363Y2; DE2203032C3; FR2169093A1; BE794291A; GB1416561A; FR2169093B1; DE2203032B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 21. Jan, 1972 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

VPA 72/3005 Nr/Po

Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, bei der mindestens drei in wechselnder Folge an der Strom- führung beteiligte Halbleiterkörper in scheibenförmiger Bauweise zwischen parallelen Kontaktkörpern unter Druck angeordnet und mit einer Kühleinrichtung versehen sind.

Es sind Thyristorstromrichter bekannt, bei denen Thyristoren mit ihrem Gehäuse in Kühlkörper eingeschraubt sind (Schraubthyristoren). Als Kühlmittel dient vorwiegend Luft. Bei einem anderen bekannten Thyristorstromrichter sind die Thyristoren in scheibenförmigen Gehäusen untergebracht, die unter Zwischenschaltung von Kühldosen mit Kühlflüssigkeitszu- und -ableitungen sowie mit elektrischen Anschlüssen säulenförmig hintereinander oder parallel angeordnet sind und über Druckplatten mit Schraubenbolzen verspannt sind. Diese Ausführungen ergeben eine verwickelte Leitungsführung sowohl für die Kühlflüssigkeit als auch für die elektrischen Anschlüsse und führen zu einer räumlich großen Bauweise.

Bei Gleichrichteranordnungen sind ähnliche Ausführungen bekannt. Auch hier ergeben sich Schwierigkeiten bei der Kühlflüssigkeitsführung und bei der Anordnung der elektrischen Anschlüsse.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die elektrischen und thermischen Verbindungen der Halbleiterkörper sowie die Kühlmittelführung bei einer Verkleinerung der Eauweise und des Gewichts möglichst einfach

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zu gestalten. Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß bei Verwendung eines elektrisch isolierenden Kühlmittels die parallelen Kontaktkörper zugleich als unmittelbar mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Kühlkörper und als elektrische Verbindungskörper zwischen den Halbleiterkörpern ausgebildet sind und daß die Halbleiterkörper so angeordnet sind, daß elektrische Anschlußflächen der Halbleiterkörper mit gleichem Potential auf gleichen elektrischen Verbindungskörpern zu liegen kommen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Kühlmittelverbindungen und der elektrischen Schaltverbindungen zwischen den einzelnen Halbleiterkörpern so klein wie möglich gehalten und damit die mechanische und elektrische. Betriebssicherheit gesteigert werden. Dabei wird eine räumlich gedrängte, in sich geschlossene Bauweise mit verringertem Gewicht erzielt.·

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Darin zeigen:

Pig. 1a eine bekannte Gleichrichterbrückenschaltung mit zwei parallelen Dioden je Brückenzweig,

Fig. 1b, 1c eine Draufsicht und einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen räumlichen Anordnung zu der Schaltung gemäß Fig. 1a,

Fig. 2a eine Schaltung eines Umkehrstromrichters, Fig. 2b, 2c einen Längsschnitt und Querschnitt einer räumlichen Anordnung zur Schaltung gemäß Fig. 2a, Fig. 3a eine Schaltung eines Direktumrichters, Fig. 3b, 3c ein zugehöriger Quer- bzw. Längsschnitt, Fig. 4a Schnitte durch einen Transformator und Direktumrichter ,

Fig. 4b eine Stirnansicht des Transformators mit Direktumrichter gemäß Fig. 4a_f und

Fig. 4c einen Direktumrichter, der an einem Transformator abnehmbar angeordnet ist.

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Die in Fig. 1a gezeigte bekannte Gleichrichterbrückenschaltung enthält je Brückenzweig zwei parallele Dioden. Sie sind mit 1a bis 6a bezeichnet. Selbst wenn die parallelen Dioden 1a, 1b usw. mit ihren Kühlkörpern jeweils zu einer Einheit zusammengefaßt würden, ergäbe sich noch eine Vielzahl von elektrischen Schaltverbindungen. Sind die Dioden mit Flüssigkeit gekühlt, dann kommt noch eine große Anzahl von Leitungsverbindungen für die Kühlflüssigkeit dazu.

Wie Fig. 1b und 1c zeigen, sind die in wechselnder Folge an der Stromführung beteiligten Halbleiterkörper 1 bis 3 und 4 bis 6 als Tabletten ausgebildet und in scheibenförmigen Gehäusen 20 (Scheibenzellen) zwischen parallelen Kontaktplatten 13 bis 15 unter Druck angeordnet. Die parallelen Kontaktplatten 13 bis 15 sind zugleich als unmittelbar mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Kühlkörper und als elektrische Verbindungskörper zwischen den Scheibenzellen verwendet und die Scheibenzellen 20 mit ihren Halbleiterkörpern 1 bis 6 sind so angeordnet, daß elektrische Anschlüsse der Halbleiterkörper mit gleichem Potential auf gleichen elektrischen Kontaktplatten 13 bzw. 15 zu liegen kommen. Hierbei ist aus zwei äußeren mit Gleichspannungspolen Plus bzw. Minus verbundenen Kontaktplatten 13, 14 und einer dazwischen angeordneten, mit Wechselspannungspolen R, S, T verbundenen Kontaktplatte 15 ein Paket gebildet, bei dem die Scheibenzellen 20 in Sandwichbauweise zwischen den äußeren und der inneren Kontaktplatte eingespannt sind. Diese Anordnung ermöglicht es in einfacher Weise die gesamte Brücke zu einer Baueinheit zusammenzufassen. Zweckmäßigerweise wird die mittlere Kontaktplatte 15 aus drei voneinander isoliert angeordneten Teilplatten 15a bis 15c gebildet, von denen jede an einen anderen Leitungspol R, S, oder T angeschlossen ist. Auf diese Weise braucht im Gleichrichter überhaupt keine elektrische Schaltverbindung hergestellt zu werden.

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Die Kontaktplatten 13, 14, 15 sind mit Kanälen K für ein Kühlmittel versehen. Durch die Verwendung einer Kühlung mit elektrisch isolierender Flüssigkeit wird dabei eine besonders intensive Wärmeabführung erreicht. Bei bekannten Ausführungen beanspruchen die Zwischenverbindungen zur Kühlflüssigkeitsführung ziemlich viel Platz. Bei der neuen Anordnung hingegen sind die Kühlkanäle K über Isolierstücke 15d durch die Kontaktplatten 15a bis 15c geführt und über Isolierstücke 19a in ein Verbindungsstück 19 eingeführt, von dem die Kühlflüssigkeit in die Kanäle der äußeren Kontaktplatten 13» H (Fig.1c) weitergeleitet wird. Aus dem durch die Pfeile 18 angegebenen Kühlmittelverlauf ist zu ersehen, daß das Kühlmittel an den inneren Kontaktplatten zugeführt und an den beiden äußeren Kontaktplatten wieder abgeführt wird. Auf diese Weise ist mit wenigen Bauteilen - es ist im wesentlichen nur ein Verbindungsstück 19 für die Kühlmittelverzweigung erforderlich eine elektrische Verbindung und Kühlmittelführung bei guter Wärmeableitung auch von den inneren Kontaktplatten trotz der Potentialunterschiede möglich.

Die Anoden der Dioden 1 bis 3 sind durch den Kühlkörper 13, die Kathoden der Dioden 4 bis 6 durch den Kühlkörper 14 verbunden und gekühlt. Die Verbindung und Kühlung der Anoden der Dioden 4 und der Kathoden der Dioden 1 wird durch den Kühlkörper 15a gewährleistet, an dem die Anschlußlasche 16 für den Leitungspol R angebracht ist (Fig. 1b). Die Verbindung und Kühlung zwischen den übrigen Dioden und den Wechselspannungspolen S, T ist in analoger Art vorgenommen. Dabei sind in vorteilhafter Weise die mit dem gleichen Wechselspannungspol (z.B. R) elektrisch verbundenen Dioden (z.B. 1a, 4a) eines Brückenzweigee jeweils axial fluchtend (übereinander) angeordnet. Elektrisch parallel geschaltete Dioden (z.B.1a, 1b) liegen jeweils nebeneinander und sind dadurch mit demselben Wechselspannungspol (R) verbunden. Der erforderliche Anpreßdruck für die Dioden wird mit den isolierten Spannschrauben 17 aufgebracht, wobei die äußeren Kontaktplatten 13, 14 zu-

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sätzlich als Spannplatten dienen.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil auch bei einem Umkehrstromrichter anwenden, dessen Schaltung in Fig. 2a dargestellt ist und für den mindestens zwölf steuerbare Halbleiterkörper (Thyristoren) 1 bis 12 benötigt werden. Die Anordnung einer solch großen Anzahl von Thyristoren zwischen parallelen Kontaktplatten ist insofern schwierig, als große Anforderungen an die planparallele Ausbildung der Berührungsflächen der Halbleiterkörper und der Kontaktplatten gestellt werden, um einen guten Strom- und Wärmeübergang sicherzustellen.

Wie die Fig. 2b und 2c zeigen, können diese Schwierigkeiten dadurch beseitigt werden, daß im Inneren der Baueinheit elastische Glieder 23 angeordnet werden, die einen Druck von innen her erzeugen. Vorzugsweise ist die innere an einen Wechselspannungspol angeschlossene Kontaktplatte (z.3. 15a) aufgeteilt und zwischen die beiden Teilplatten (I5a1, 15a2) als elastisches Glied eine Wendelfeder geschaltet. Diese Bauteile bilden mit zwei Halbleiterkörpern (1, 2) ein Paket in Sandwichbauweise, das zusammen mit weiteren achsparallel angeordneten Paketen zwischen den zwei äußeren Kontaktplatten 13» H unter Bildung einer Baueinheit eingespannt ist. Zwischen den äußeren Kontaktplatten sind isolierte Wände 22 angeordnet. Dabei sind die äußeren Kontaktplatten durch starre und isolierte Haltebügel 29 zusammengehalten. Auf diese Weise werden Unterschiede in der planparallelen Lage der Kontaktflächen durch die elastischen Glieder 23 ausgeglichen. Es können daher Halbleiterkörper und Kontaktplatten mit größeren Fertigungstoleranzen verwendet werden. Dem elastischen Glied 23 ist vorteilhafterweise ein elektrisch leitendes Stahlkupfergewebe o.dgl. zugeordnet. Dadurch wird gleichzeitig eine elektrische und elastische Verbindung zwischen den geteilten inneren Kontaktplatten 15a1 und 15a2 gleichen'Potentials hergestellt. Auch die Kontaktplatten 15b1 und 15b2 liegen an demselben Wechselspannungspol und sind durch ein elektrisches Verbindungsglied 21

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elastisch mit den Kontaktplatten 15a1 verbunden. Die übrigen Thyristoren sind nach demselben Schema angeordnet.

Zwischen den beiden Kontaktplatten sind isolierte Wände 22 angeordnet (Fig. 2c). Dadurch kann der Raum zwischen den Kontaktplatten 13» 14 als Kühlkanal dienen. Auf diese Weise brauchen die Kontaktplatten 15 nicht mit Kühlkanälen versehen zu werden, womit gleichzeitig die Kühlflüssigkeitsverbindungen zwischen den Kontaktkörpern (z.B. 15a1, 15bi) entfallen. Die Anordnung hat also den besonderen Vorteil, daß·mit einfachen Mitteln eine besonders intensive Kühlung erreicht werden kann.

Das Kühlmittel durchströmt die Kanäle der äußeren Kontaktplatten 13, 14 und den inneren Kühlkanal in Richtung der Pfeile 18. Beispielsweise gibt der Thyristor 1 seine Verlustwärme über die Kontaktflächen der Scheibenzelle 20 an die Kontaktkörper 13, 15a1 und zusätzlich über die Mantelfläche der Scheibenzelle 20 unmittelbar an das Kühlmittel. Analoge Kühlwege ergeben sich für die anderen Thyristoren.

In Fig. 3a ist eine Schaltungsanordnung eines Direktumrichters mit sechsunddreißig Thyristoren dargestellt. Der in Fig. 3b und 3c gezeigte innere Aufbau ist im Prinzip ähnlich wie er anhand der Figuren 2b und 2c beschrieben worden ist. Es ist jeweils aus zwei Halbleitertabletten (z.B. 1, 2) unter Zwischenschaltung eines elastischen Gliedes 23 und zweier Kontaktplatten (I5a1 und 15a2) ein Paket in Sandwichbauweise gebildet, bei dem allerdings die Halbleitertabletten 1 bis 12 unmittelbar die äußeren Kontaktplatten 13 und 14 berühren. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Mantelfläche der Halbleitertabletten unmittelbar von Kühlmittel umspült wird. Damit entfallen die Wärmewiderstände der Scheibenzellen, womit eine wesentlich bessere Abführung der Verlustwärme erreicht wird. Darüber hinaus verringert sich das Gewicht des Direktumrichters durch Fortfall der Scheiben-

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zellen 20 selbst.

Ist der Direktumrichter - wie Fig. 3a zeigt - an die Wechselspannungsquelle so angeschlossen, daß die Mittelpunktsleiter Mp des Ausgangs des Wechselspannungssystems Ra, Sa, Ta miteinander verbunden werden können, so können in vorteilhafter Weise alle Thyristoren, bei denen die Anode bzw. Kathode das gleiche Potential wie der Mittelpunktsleiter Mp haben, auf einer gemeinsamen Kontaktplatte H aufgebaut werden (Fig. 3b, 3c). Im vorliegenden Fall sind achtzehn Halbleitertabletten unmittelbar auf die äußere Kontaktplatte 14- aufgesetzt. Me zweite äußere Kontaktplatte 13 ist mit Kühlrippen 24 versehen und aus drei durch Isolierstücke 13d gegeneinander isolierten Teilplatten 13a, 13b, 13c gebildet, die an die Wechselspannungsausgänge Ra, Sa, Ta angeschlossen werden. Die.Baueinheit ist seitlich mit Wänden 22 so ummantelt, daß die Halbleitertabletten, die inneren Kontaktplatten und die elastischen Glieder 23 in einem allseits geschlossenen Raum zu liegen kommen. Dieser Raum ist mit Kühlflüssigkeit gefüllt.

Werden nach einer anderen Ausgestaltung an die Baueinheit ähnlich wie in Fig. 2b Kühlmittelzu- und -ableitungen 25, (in Fig. 3c gestrichelt dargestellt) angeschlossen, dann brauchen im Gegensatz zu bisher üblichen, aus Einzelelementen aufgebauten Direktumrichtern, bei denen zweiundsiebzig elek trische Verbindungen und Zwischenverbindungen für die Kühl- mittelführung erforderlich sind, keine Zwischenverbindungen für die Kühlflüssigkeitsführung hergestellt zu werden. Da durch werden Volumen und Gewicht besonders klein gehalten.

Ein geschlossene Baueinheit ermöglicht ferner die Anwendung einer Siedekühlung, bei der Kühlflüssigkeit durch die Verlust wärme der. Thyristoren bis zum Siedepunkt erhitzt wird. Eine Siedekühlung bewirkt eine besonders gute Wärmeabfuhr. Dabei läßt sich diene durch die erfindungsgemäße Anordnung

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der Thyristoren in einem Kühlflüssigkeitsraum zwischen den zwei äußeren Kontaktkörpern 13, H ohne besonderen Aufwand einsetzen und damit das Gewicht und Volumen noch weiter verkleinern. Ea ist möglich, die Siedekühlung allein oder auch in Kombination mit einer Durchflußkühlung einzusetzen.

Die in den Piguren 3b und 3c dargestellte Ausgestaltung, bei der ein äußerer Kontaktkörper 13 oder beide mit Kühlrippen versehen sein können, ist besonders für eine geschlossene Siedekühlung geeignet, bei der die Baueinheit außen von Luft oder einem anderen Kühlmittel umspült wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung bildet eine Halbleiteranordnung mit der sie speisenden Wechselspannungsquelle eine Einheit. Die Pig. 4a zeigt einen Schnitt durch einen Transformator 27 mit nachgeschalteten! Direktumrichter. Die Wand 14 des Transformators 27 ist gleichzeitig als wärmeleitende Kontak^tplatte und als elektrische Verbindungsschiene für den gemeinsamen Mittelpunkt Mp benutzt (siehe Schaltung gemäß Fig. 3a). Die Anschlußleitungen 28 von der Sekundärwicklung des Transformators 27 sind mit Isolierstücken 14d isoliert durch die Wand 14a geführt. Die Anordnung der Thyristoren 1 bis 12, der inneren Kontaktplatten 15a1, 15a2 usw. und der elastischen Glieder 23 ist ähnlich ausgeführt wie dies in den vorhergehenden Figuren bereits gezeigt ist. Die zweite äußere Kontaktplatte 13 wird aus durch Isolierstücke 13d gegeneinander isolierten Teilplatten 13a, 13b, 13c gebildet, welche die Wechselspannungsausgänge Ra, Sa, Ta darstellen (siehe die in Fig. 4b gezeigte Stirnansicht).

Es sei angenommen, daß der Transformatorkessel mit Öl als Kühlmittel gefüllt ist. Mit 22a ist die Kühlmitteloberfläche angedeutet. Der Raum, in dem sich die Thyristoren befinden, ist ebenfalls als Kessel ausgebildet. Durch die öffnung 30 strömt Öl auch in den Kessel mit den Thyristoren und umgibt und kühlt die Thyristoren unmittelbar. Reicht das öl zur Auf-

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nähme der Verlustwärme nicht aus, dann können die mit Rippen 24 versehenen äußeren Kontaktplatten 13a, 13"b, 13c noch zusätzlich "belüftet werden. Der Einbau bzw. Anbau des Direktumrichters an die Wechselspannungsquelle hat unter anderem den Vorteil, daß beim Aufbau der Schaltungsanordnung die ohnehin vorhandene Wand Ha als Kühl- und Verbindungskörper benutzt wird und die Wechselspannungsquelle sowie die Thyristoranordnung denselben Kühlmittelkreislauf haben und damit für beide Anordnungen dieselbe Kühlflüssigkeit verwendet werden kann.

Wird die Thyristoranordnung nicht auf die Wand 14a der Energiequelle, sondern auf eine gesonderte Kontaktplatte 14 aufgebracht, dann ist es vorteilhaft, die Schaltungsanschlüsse so auszuführen, daß die gesamte Baueinheit oder Teile davon auf die Wechselspannungsquelle durch die Isolierplat :■? He getrennt aufgesteckt werden kann (Fig. 4c). Auf diese Weise ist es möglich, die gesamte Thyristoranordnung oder Teile davon in kürzester Zeit auszutauschen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind in der Wand Ha eines Transformatorkessels Steckhülsen 31 durch Isolierstücke Hd isoliert angeordnet, welche die Drehstromanschlüsse bilden. In diese Steckhülsen 31 greifen die Steckstifte 32 der Thyristorbaueinheit ein. Zur Herstellung eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs ist im Transformatorkessel mindestens eine Öffnung 30 vorgesehen, in die ein mit dem Kühlmittelraum der Thyristorbaueinheit verbundener Rohrstutzen 33 einsteckbar ist. Der Anschluß ist dabei so ausgebildet, daß sich der Rohrstutzen 33 und die Öffnung 30 im Transformatorkessel nur dann öffnet, wenn die Thyristorbaueinheit aufgesteckt ist.

4 Figuren Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

/ 1J Halbleiteranordnung, bei der mindestens drei in wechselnder Folge an der Stromführung beteiligte Halbleiterkörper in scheibenförmiger Bauweise zwischen parallelen Kontaktkörpern unter Druck angeordnet und mit einer Kühleinrichtung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines elektrisch isolierenden Kühlmittels die parallelen Kontaktkörper (13> H, 15) zugleich als unmittelbar mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Kühlkörper und als elektrische Verbindungskörper zwischen den Halbleiterkörpern (1 bis 12) verwendet sind und daß die Halbleiterkörper (1 bis 12) so angeordnet sind, daß elektrische Anschlüsse der Halbleiterkörper mit gleichem elektrischen Potential auf gleichen Kontaktkörpern (13 bzw. 15) zu lieget! kommen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus mindestens einer an einen Wechselspannungspol (z.B. R) angeschlossenen inneren Kontaktplatte (z.B. 15a) und mindestens zwei Halbleiterkörpern (1) ein Paket in Sandwichbauweise gebildet ist, das zusammen mit mindestens zwei weiteren, gleich aufgebauten achsparallelen Stapeln zwischen zwei äußeren Kontaktkörpern (13, H) unter Bildung einer Baueinheit eingespannt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei äußeren Kontaktplatten (13, H) mit Gleichspannungspolen verbunden sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus drei voneinander isoliert in einer Ebene angeordneten inneren Kontaktplatten (15a, 15b, 15c) eine zusammenhängende, mit Kühlkanälen versehene Platte (15) gebildet ist.

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ORtBINAL INSPECTED

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5. Anordnung nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die äußeren Kontaktplatten (13, 14) mit Kühlkanälen (K) versehen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dein Paket in Sandwichbauweise zusätzlich ein elastisches Glied (23), insbesondere mit einem elektrisch leitenden Stahl-Kupfergewebe angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den äußeren Kontaktkörpern (13, H) als Kanal für das Kühlmittel ausgebildet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die Scheibenzellen, in denen die Halbleiterkörper (1 bis 6) angeordnet sind, unmittelbar von Kühlflüssigkeit umgeben sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Tabletten ausgebildete Halbleiterkörper derart angeordnet sind, daß sie mit ihren parallelen Flächen auf den Kontaktplatten (13, 15, 14) direkt aufliegen und vom Kühlmittel unmittelbar umgeben sind.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Siedekühlung.
11. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit mit einer Wechselspannungsquelle, insbesondere einem Transformator (27), eine Einheit bildet.
12. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit mit elektrischen Steckanschlüssen (31, 32) und/oder hydraulischen Steckanschlüssen (30, 33) versehen ist.

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it

L e e r s e ί t e