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Gegenüber anderen bekannten Widerstandselementen
mit
negativer Widerstandscharakteristik, beispielsweise Tunneldioden (DT-AS 12 12 630),
besitzt die komplementäre Zusammenschaltung eines n-Kanal-und eines p-Kanal-Feldeffekttransistors
den zusätzlichen Vorteil zweier stabiler Schaltzustände, nämlich einerseits einen
stabilen Arbeitspunkt, in welchem ein ganz definierter Strom fließt, und einen zweiten
Arbeitspunkt, in welchem kein Strom fließt und der über dem vorbestimmten Schwellwert
der anzuzeigenden Spannung liegt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein aus zwei komplementär zusammengeschalteten Feldeffekttransistoren
aufgebautes Widerstandselement mit negativer Widerstandscharakteristik, wie es bei
einer erfindungsgemäßen Anzeigeschaltung verwendet wird; Fig. 2 zeigt das zugehörige
Spannungs/Stromdiagramm; Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltung; Fig. 4 zeigt das zugehörige Spannungs-Stromdiagramm am Anschlußpunkt
Ä und der Masse nach Fig. 3; F i g. 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltung.
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F i g. 1 zeigt zwei in bekannter Weise beispielsweise nach »IEEE
Transactions on Circuit Theory«, März 1963, S. 25 bis 35, bzw. »Proceeding of the
IEEE«, April 1965, S. 404, zusammengeschaltete Feldeffekttransistoren 21 und 22.
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In Fig. list die Gate-Elektrode bzw. Tor- oder Gatterelektrode G1
eines n-Kanal-FET (Feldeffekttransistors) 21 mit der Drain-Elektrode D 2 eines p-Kanal-FET
22 verbunden, und die Gate-Elektrode G2 des p-Kanal-FET 22 ist mit der Drain-Elektrode
D 1 des n-Kanal-FET 21 verbunden. Die beiden Einspeisungselektroden S 1 und S2 der
beiden FEST 21 und 22 sind ferner zueinander in Serie geschaltet.
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Wenn an den beiden außenliegenden Anschlüssen 31 und 32 eine Spannung
V angelegt wird, d. h. an der einen Drain-Elektrode D 1 und der anderen Drain-Elektrode
D 2 des in Serie geschalteten Paars der FET 21 und 22 (mit dem positiven Pol an
der Elektrode D 1), dann gewinnt man den bekannten Strom/Spannungsverlauf zwischen
der Spannung V und dem Einspeisestrom I, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Wie man
dort sehen kann, nimmt für einige Zeit von der Ausgangsspannung 0 der Strom I zu,
wobei positive Widerstandscharakteristik auftritt, wenn die Spannung zunimmt, aber
der Strom weist in zunehmendem Maße eine Sättigungscharakteristik auf, und nachdem
der Strom die Spannung übersteigt, die dem Gipfelwert des Stroms m zugeordnet ist
(d. h. die erste Schwellspannung Vt dann nimmt der Strom bei zunehmender Spannung
ab, und zwar im Bereich zwischen Vtj und V,2, und es tritt eine sog. negative Widerstandscharakteristik
auf. Wenn schließlich die Spannung eine zweite Schwellspannung Vt2 überschreitet,
dann tritt der Strom l in einen Unterbrechungszustand ein. Dieser Unterbrechungszustand
des Stroms I dauert so lange an, bis die Spannung die Kippspannung Vts erreicht,
bei der einer der FETs beginnt abzubrechen. Wenn die Spannung über diesen Vt 3-Punkt
hinaus steigt, wird ein Abbruchstrom erzeugt. Bei der Schaltungsausbildung gemäß
F i g. 1 tritt ein erster stabiler Bereich auf, bei dem Spannung
0< J' < Vt1
ist, und ein zweiter stabiler Bereich »AUS«-Bereich, bei dem die Spannung Vt 2 <
V < V 3 beträgt, und der unstabile Zustand liegt vor, wenn ein Spannungsbereich
von Vt < V < Vt2angelegt wird.
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F i g.3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Spannungsabfall-Warnvorrichtung, bei der ein Anschluß B mit einer Gleichstromquelle
verbunden ist, beispielsweise mit einer Gleichrichterschaltung, die aus einer herkömmlichen
Wechselstromquelle betrieben wird. Eine Spannung Vcc wird dem Anschluß B zugeführt
und ist so ausgewählt, daß sie zwischen den Spannungen von Vt2 und Vt3liegt.
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Ein Ladewiderstand 2, eine Licht aussendende Diode 3 und der Kollektor
bzw. Emitter eines Transistors 4 sind in Reihe miteinander verbunden, wobei an den
Enden dieser Reihe die Gleichspannung Vcc anliegt.
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Ein Ende der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1
ist über einen Wechselschalter 5 mit dem positiven Anschluß B verbunden. Das andere
Ende dieser Einrichtung 1 ist mit der Basis des Transistors 4 verbunden. Ein üblicherweise
geschlossener Kontakt b wird bei der Verbindungsstelle A zwischen den Ladewiderstand
2 und die Licht aussendende Diode 3 zwischengeschaltet.
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Die Schaltung gemäß Fig. 3 wirkt folgendermaßen: Als erstes wird
der Schalter 5 zu der Seite des normalerweise geöffneten Kontakts 5 a hin umgelegt,
und dementsprechend wird eine Spannung Vcc direkt an der Einrichtung mit negativer
Widerstandscharakteristik angelegt, deren Betriebspunkt zu dem Punkt V = Vcc, 1=
0 gebracht wird, um den Strom auf 0 zurückzustellen.
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Der Schalter 5 wird dann in seine Ausgangsstellung zurückgeschaltet,
und zwar auf die Seite des normalerweise geschlossenen Kontakts 5b, um darauf zu
warten, eine Spannungsunterbrechung anzeigen zu können.
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1. Wenn keine Spannungsunterbrechung vorkommt, wird die Speisespannung
Vcc an die Einrichtung mit negativer Widerstands charakteristik angelegt, da sich
der Transistor 4 aufgrund des Nullstroms in der Einrichtung, der durch den Zurückstellvorgang
bewirkt wurde, in »AUS«-Zustand befindet. Daher ist der Betriebspunkt (s. Fig. 4)
an der Stelle V = Vcc, I = 0.
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Somit ist der Basisstrom des Transistors 4 0, und dementsprechend
bleibt die Licht aussendende Diode 3 unbetätigt.
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2. Wenn eine Unterbrechung der Spannung auftritt: Wie oben erwähnt,
ist die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1 bereits durch das
Hin- und Zurückschalten des Schalters 5 auf den normalerweise geöffneten Kontakt
5 a zurückgestellt. Bei der Unterbrechung der Spannung am Anschluß B wird die Spannung
über beide Enden der Einrichtung 1 Null, so daß die Spannung auf der Abszisse von
Fig. 4 auf den Punkt V = 0, 1 = 0 gelangt; der Transistor 4 befindet sich im »AUS«-Zustand.
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Sowie dann die Spannungsversorgung wieder hergestellt ist, steigt
die Gleichspannung am Anschluß B bis zur Spannung VCC an. Aufgrund dieses Spannungsanstiegs
bis zu einer Spannung, die V = J'BEam Anschluß B übersteigt, wird der Transistor
4 in »EIN«-Zustand gebracht. Deswegen fließt ein Strom vom Anschluß B durch den
Widerstand 2, den Schalter 5, die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristìk1,
die Basis und den Emitter des Transistors 4 zur Masse. Somit ist, wenn die Speisespannung
am Anschluß B die vorher festgelegte Spannung VBB
übersteigt, die
Licht emittierende Diode 3 zum Leuchten gebracht. Wenn dann die Speisespannung ansteigt,
nimmt der Strom durch die Vorrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1
längs des positiven Gradiententeils der charakteristischen Kurve zu, und dementsprechend
nimmt auch der Kollektor strom des Transistors 4 zu, der um hFE-male größer ist
als der des Basisstroms.
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Der Widerstand R des Ladewiderstands 2 sollte innerhalb eines derartigen
Bereichs ausgewählt werden, daß die schräge Linie »1«, die dem Punkt V = 0, -= Vcc
und den Punkt V = Vene, I = 0 verbindet B und die den Lastwiderstand R in F i g.
4 darstellt, am Punkt P im positiven Gradiententeil der charakteristischen Kurve
der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik einen Schnittpunkt bildet,
d. h.
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mit dem Teil der Kurve im Bereich zwischen den Spannungen VBE und
Vt 1. Mittels der obenerwähnten Auswahl des Widerstands R bleibt der Strom, der
in die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik einfließt, stabil, sogar
wenn die Spannung am Punkt B den Wert Vcc erreicht, und mit diesem gleichmäßigen
Strom wird die Licht emittierende Diode 3 gezündet. Dieses Leuchten der Licht emittierenden
Diode 3 zeigt an, daß die Spannung am Anschluß B unterbrochen war und warnt somit
den Benutzer vor der Ungenauigkeit der verarbeitenden Daten oder der angezeigten
Zeit nach einem derartigen Vorfall.
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Nachdem die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1
sowie der Transistor 4 in »EIN«-Zustand gebracht sind, und wenn die Anzeige vom
Benutzer bestätigt wurde, dann muß der Benutzer die Schaltung für das weitere Überwachen,
Beobachten oder Aufzeigen eines Spannungsabfalls in der folgenden Zeit zurückstellen.
Ein derartiges Zurückstellen wird dadurch bewerkstelligt, daß die Speisespannung
V¢e an die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1 angelegt wird,
in dem der Schalter 5 auf die Seite mit dem normalerweise geöffneten Kontakt 5 a
umgelegt wird. Bei einer derartigen Verwendung der elektromotorischen Kraft Vcc
wird der Betriebspunkt der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1
in einen Zustand versetzt, der durch V = Vcc, 1=0 (Fig. 4) dargestellt ist, wobei
der Transistor 4 durch Unterbinden seines Basisstroms in ausgeschalteten Zustand
versetzt wird, wodurch er die Licht emittierende Diode zum Erlöschen bringt.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist ebenso in der Lage, das Nachlassen
einer Trockenzelle oder Batterie anzuzeigen. Für eine derartige Anzeige wird die
erfindungsgemäße Schaltung nach folgenden Bedingungen erstellt: 1. Der Gradient
der Ladekurve »1« ist nahezu gleich dem Gradienten der Kurve zwischen den Spannungen
Vtt und Vt2 der charakteristischen Kurve tr für die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik
1, wie in Fig.4 dargestellt, und 2. die elektromotorische Kraft Vcc für den Normalzustand
der Trockenzelle oder der Batterie übersteigt um ein Geringes die Spannung Vt 2.
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Wenn sich die Batterie oder Trockenzelle in ihrem Normalzustand befindet,
dann schneidet die gerade Ladekurve »l« nicht die Kurve tr,
und der Betriebspunkt
ist V = Vcc, I = O. Dementsprechend fließt kein Basisstrom und somit auch kein Kollektorstrom
in Transistor 4.
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Wenn dann die Trockenzelle oder die Batterie nachläßt, und wenn dementsprechend
die Spannung Vcc am Anschluß B unter Vt2 absinkt, dann schneidet die schräge Ladelinie
»1« die Kurve tr im Bereich zwischen VilE < V < Vti. Deshalb wird der Betriebspunkt
an einem Schnittpunkt stabil, und der Kollektorstrom des Transistors 4, der durch
den Stromwert für den Schnittpunkt dargestellt ist, fließt durch die Licht emittierende
Diode 3 und regt sie an.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
die Einrichtung zur Zurückstellung ein mit einer Feder versehener Druckknopf-Arbeitsschalter
6 ist, der zwischen den Anschluß zum Einspeisen positiver elektrischer Energie B
und der Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik direkt mit dem VerknüpfungspunktA
zwischen dem Widerstand 2 und der Licht emittierenden Diode 3 verbunden ist. Andere
Teile stimmen mit denen gemäß Fig. 3 überein bzw. sind mit ihnen identisch.
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Das Zurückstellen wird durch einfaches Drücken und somit Schließen
des Schalters 6 für eine kurze Zeit vorgenommen. Mittels dieses Schließens des Schalters
6 wird die Speisespannung Vcc an die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik
1 angelegt, und die Schaltung wird in der gleichen Weise zurückgestellt, als es
in Zusammenhang mit Fig. 3 bereits erläutert worden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Handhabung des Rückstellschalters erleichtert, da der Rückstellschalter6
selbstrückstellend ist und da man daher nicht zu befürchten braucht, daß vergessen
wird, den Rückstellschalter 5 in seine übliche Betriebsstellung zurückzustellen.
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Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei
ein Paar Licht emittierender Dioden, beispielsweise eine Rot emittierende LED 3
(Licht emittierende Diode) und eine Grün emittierende Diode 7 verwendet werden.
Die Rot emittierende Diode 3 ist in ähnlicher Weise wie in F i g. 5 geschaltet,
aber die Anordnung von Transistor 4 und Diode 3 ist umgekehrt. Ein zweiter Transistor
8 ist mit seinem Emitter mit der Grün emittierenden LED 7, mit seinem Kollektor
über den Widerstand 10 zum Einspeisungspunkt für positive Spannung B und mit seiner
Basis über den Widerstand 9 mit der Verbindungsstelle A zwischen dem Kollektor des
ersten Transistors 4 und dem Ladewiderstand 2 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß F i g. 6 ist wie folgt: Als
erstes wird die Schaltung mittels des Rückstellschalters 6 zurückgestellt, und zwar
in ähnlicher Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Wenn
das Potential am PunktA, der zwischen dem Kollektor des Transistors 4 und dem Ladewiderstand
2 vorgesehen ist, höher ist als Vt2 (F i g. 4), dann wird hiermit die Einrichtung
mit negativer Widerstandscharakteristik 1 und somit der erste Transistor 4 in »AUS«-Zustand
versetzt. Dementsprechend fließt ein Strom durch die Widerstände 2 und 9 in die
Basis des Transistors 8, der diesen in »EIN«-Zustand versetzt und somit das Zünden
der Licht emittierenden Diode 7 auslöst. Deshalb zeigt die Anzeige mit dem grünen
Licht an, daß die Spannungsquelle Vcc in Ordnung war und ist.
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Wenn in der Stromversorgung eine Unterbrechung auftritt und das Potential
am Anschluß B unter Vt2
oder noch weiter zu Null hin absinkt, und
wenn die Spannung Vcc später wieder hergestellt wird, dann gelangt die Einrichtung
mit negativer Widerstandscharakteristik 1 in ihren »EIN«-Zustand, wie es bereits
oben in Zusammenhang mit den F i g. 2, 3 und 4 beschrieben ist, und somit wird der
erste Transistor 4 ebenfalls in »EIN«-Zustand mit dem Kollektorstrom versetzt, der
durch den Punkt P in F i g. 4 dargestellt ist, und er zündet somit die rote Licht
aussendende Diode 3. Diese Anzeige mit rotem Licht zeigt an, daß die Stromversorgung
Ver einen Ausfall oder einen Spannungsabfall erlitten hat. Wenn das rote Licht gezündet
hat, dann wird das Potential am Punkt A gering, und deswegen wird der Transistor
8 in »AUS«-Zustand versetzt, wodurch er die Licht emittierende Diode 7 für grünes
Licht ausschaltet.
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Somit zeigt bei einer Schaltung gemäß F i g. 6 das Aufleuchten lediglich
des grünen Lichtes an, daß die Stromversorgung normal einspeist, und das Aufleuchten
lediglich des roten Lichtes zeigt eine zurückliegende Unterbrechung der Stromversorgung
an, und ein Auslöschen beider Lichter, sowohl des grünen als auch des roten, zeigt
an, daß gegenwärtig eine Stromunterbrechung vorliegt.
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Im folgenden sind praktische Daten zu den Anwendungsbeispielen aufgeführt.
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Beispiel gemäß Fig. 5: Die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik
1 besteht aus einander ergänzenden komplementären FETs mit einem n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor
und einem p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor, die nach der in Fig. 1 dargestellten
Art miteinander verbunden sind, wobei Vti= 3V, Vt2= V, Vt3 = 22V.
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Die Licht emittierende Diode 3 ist eine Rotlicht emittierende Diode,
die aus einem GaAs00P0,4-Kristall hergestellt ist. Transistor 4 ist ein planparalleler
npn-Silicium-Transistor mit einem Gleichstromverstärkungsfaktor hEr von etwa 100.
Die Gleichspannungsquelle Vcc liefert 10 V Gleichspannung.
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Die Vorrichtung arbeitet, wie oben erwähnt, mit einem Ladewiderstand,
der in einem Bereich zwischen 400 und 1000 Q ausgewählt ist.
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Beispiel nach F i g. 6: Die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik
1 besteht aus komplementären FETs mit einem n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor
und einem p-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor, die in der in F i g. 1 dargestellten
Weise miteinander verbunden sind, wobei Vti=l1,OV, Vt2=2,5 V, V13=28,0V.
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Die Licht emittierende Diode 3 ist eine Rotlicht-Diode, die aus einem
GaAs0 6P0 4-Kristall hergestellt ist.
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Die Licht emittierende Diode 7 ist eine Grünlicht emittierende Diode,
die aus einem GaP-Kristall hergestellt ist.
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Die Transistoren 4 und 7 sind planparallele npn-Silicium-Transistoren
mit einem Gleichstromverstärkungsfaktor hFE von ungefähr 200.
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Die Gleichspannungsversorgung Vcc liefert Gleichstrom mit 5 V Spannung.
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Wie oben erwähnt, arbeitet die Vorrichtung mit folgenden Widerständen:
Widerstand 2: 150 Q, Widerstand 9: 33 kQ, Widerstand 10: 150 Q.
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Bei Realisieren der Erfindung ist die Schaltungsausbildung nicht
nur auf die oben dargestellten beispielhaften Schaltungen beschränkt, innerhalb
des Bereichs der Erfindung kann jede Veränderung vorgenommen werden. Beispielsweise
kann bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Licht emittierende
Diode 3 an der oberen Seite des Punkts beispielsweise zwischen dem Punkt B und dem
Widerstand 2 angeschlossen werden, anstatt im Fall der unteren Seite, wie es in
F i g. 3 dargestellt ist.
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Ebenso kann die Licht emittierende Diode 3 durch eine andere Warneinrichtung
ersetzt werden, beispielsweise durch einen Summer oder durch eine Glühlampe. Ferner
kann eine Darlington-Schaltung bzw. eine Schaltung mit einer Darlington-Verbindung
mit zwei Transistoren anstelle des Transistors 4 oder 8 verwendet werden, wenn eine
starke Ausgangsleistung verlangt wird.
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Die Einrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik 1 kann anstelle
des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors, der in den Beispielen dargestellt ist,
einen Feldeffekt-Transistor mit isoliertem Gate aufweisen (einen sog. MOS-Transistor
bzw. einen Metalloxid-Silicium-Transistor) .
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Wie oben klar herausgestellt wurde, wird gemäß der Erfindung eine
Unterbrechung oder Verringerung der herkömmlichen Netzversorgung oder ein Nachlassen
einer Gleichstromquelle dem Benutzer einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung
zur Kenntnis gebracht, wie beispielsweise eine Uhr oder ein Datenverarbeitungsgerät,
und daher kann der irrtümliche Gebrauch einer derartigen Zeit oder derartigen Daten
nach Ausfall der Stromversorgung verhindert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Schaltungsausführung einfach.
In den Beispielen nach F i g. 3 und 5 weist die Schaltung den Vorteil auf, daß sie
im wesentlichen keine Leistung verbraucht.
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Das Aufspüren des Nachlassens einer Batterie kann einfach dadurch
vorgenommen werden, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dieser Batterie verbunden
wird.