DE2812911A1 - Verfahren und anordnung zum wiederaufladen eines akkumulators - Google Patents
Verfahren und anordnung zum wiederaufladen eines akkumulatorsInfo
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Description
23, MSix 1978
VERFAHREN UETD ANORDNUNG ZUM WIEDERAUFLADEN EINES AKKDMDIATORS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zum Wiederaufladen eines Akkumulators durch primäre Stromquellen.
Isoliert liegende autonome Anlagen, die nicht vom öffentlichen Stromnetz versorgt werden können, lassen sich durch verschiedene
Stromquellen speisen, beispielsweise durch primäre galvanische Seilen oder Trockenbatterien, durch sekundäre galvanische
Zellen oder Akkumulatoren, denen primäre Stromquellen wie beispielsweise Sonnenzellengeneratoren, thermoelektrische
oder turboelektrische Generatoren, die mit einem Brennstoff versorgt werden, oder nuklear betriebene Stromgeneratoren zugeordnet
werden.
Zur Zeit stellen elektrische Trockenbatterien herkömmlicher Art mit saurem oder alkalischem Elektrolyten kostengünstige
und überall verwendbare primäre Energiequellen dar.
Diese Trockenbatterien können wirtschaftlich mit Akkumulatoren kombiniert werden, wenn Stromspitzen gedeckt werden
müssen, die die Kapazität der Trockenbatterien allein überfordern. Derartige Systeme werden beispielsweise in der US-PS 2 818 543
beschrieben» Wenn die Verbraucherkreise relativ häufig Strom entnehmen, ist es verhältnismäßig einfach, einen geeigneten dauernd
von der Batterie an die Akkumulatoren gegebenen Ladestrom zu wählen, so daß die Akkumulatoren stets ausreichend geladen sind,
ohne daß jedoch die Batterien sich zu stark in die Akkumulatoren entladen, wodurch die Kosten dieses Systems steigen wurden. Die
Verwendung einer Ladevorrichtung mit konstantem Strom bietet den
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Vorteil, den Erschöpfungszeitpunkt für die Batterie mit großer
Genauigkeit vorherzusehen und somit die Xtfartung des Systems zu vereinfachen.
Wenn dagegen der Stromverbrauch sehr unregelmäßig ist und sehr stark schwankt, ist es nicht mehr möglich, einen ausreichenden
Ladestrom vorzugeben, der gleichzeitig wirtschaftlich vertretbar ist. Als Beispiel diene der folgende Fall : Ein Verbraucherkreis
zieht während 10 bis 30 Sekunden einen Strom von IO A. Diese Spitzen treten in Abständen von 30 Minuten bis 12
Stunden auf. Die notwendige Tageskapazität liegt dann zwischen etwa 5 Ah und weniger als 0,1 Ah. In diesem Fall ist ein Aufladen
mit konstantem Strom nicht wirtschaftlich.
Aus der FR-PS 2 055 916 ist ein System bekannt, bei dem
ein Akkumulator eine Schneiladung erfährt, wobei die Dauer dieser Schnelladung durch einen Integrator festgelegt wird, der die vorhergegangene
Entladung des Akkumulators integrierend gemessen hat. Vorteilhafterweise besteht dieser Integrator aus einem kleinen
Akkumulator, der durch die Entladung des Hauptakkumulators geladen
wird und dessen nachfolgende Entladung die Dauer der Schnellladung des Hauptakkumulators gemäß den vorher entnommenen Amperestunden
bestimmt. Danach wird die Ladung auf den Haltestrom beschränkt
oder das Laden vollkommen abgebrochen. Diese Schnellladung und Dauerladung können sowohl mit konstantem Strom als
auch mit konstanter Spannung erfolgen. Das Grundprinzip des Systems besteht darin, die von den Akkumulatoren gelieferte Elektrizitätsmenge zu registrieren und diese Menge wieder in den Akkumulator
einzuspeisen, wobei jedoch ein geeigneter Überladungskoeffizient
angewandt wird. Die Registrierung der Entladekapazität kann auch
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durch Vor- und Rückwärtszählen mithilfe von Logikschaltungen
oder auf eine andere analoge Weise erfolgen, wobei die wesentlich geringere Genauigkeit analoger Verfahren vielfach völlig ausreicht,
während die Kosten dieser Verfahren erheblich niedriger sind.
Vielfach gehört die Batterie zu einer Notstromversorgung,
die bei Netzausfall Strom liefert, wobei das Schnelladen der Batterie bei Rückkehr der Netzspannung eingeleitet wird. Wenn
die Ladestromquelle dagegen dauernd Strom liefern soll, was beim Laden aus einer Batterie oder einem nuklearen Stromerzeuger der
Fall ist, gibt es kein Signal mehr für das Auslösen der Schnellladung.
Mit der Erfindung gemäß Plauptanspruch sollen diese Nachteile
behoben werden„und ein Ladeverfahren geschaffen werden, mit
dem die Akkumulatoren rasch wieder in einen Zustand gebracht werden, in dem sie erneut Strom abgeben können, ohne daß dabei
jedoch die primäre Stromquelle unzulässig weit entladen wird. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen dieses Verfahrens sowie
der dieses Verfahren verwendenden Schaltungsanordnung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden zwei Figuren wird
die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die auf zwei verschiedenen Leistungsstufen mit konstantem Strom laden kann.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die auf zwei verschiedenen Leistungsstufen
mit konstanter Spannung laden kann.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält eine nicht aufladbare Batterie P, einen Ladekreis I2C mit zwei Stromstärken,
der aus einem Akkumulator A versorgt wird, sowie einen Integrierkreis M, der Stromstärke und Dauer der Entladung des
Akkumulators A mißt und das Aufladen mit hohem Strom während einer entsprechend langen Zeit auslöst.
Der Ladekreis I2C enthält einen Widerstand RE in Reihe zwischen dem positiven Pol der Batterie P und dem positiven Pol
des Akkumulators A, der zur Ladungsbegrenzung bei niedrigem Strom dient und dem über einen Kontakt eines Relais Ra ein Hochstrom-Ladewiderstand
RCR parallelgeschaltet werden kann. Zwei pnp-Transistoren Tl und T2, deren Basen miteinander verbunden sind,
bilden den Meßverstärker für den Ladestrom des Akkumulators A und steuern einen npn-Leistungstransistor T3.
Der Emitter des Transistors Tl ist über einen Widerstand Rl mit dem positiven Pol der Batterie P verbunden; sein Kollektor
ist-über in Reihe geschaltete Widerstände R2 und R3 an den negativen
Pol dieser Batterie P angeschlossen. Die Basis des Transistors Tl ist an seinen Kollektor angeschlossen. Der Emitter des
Transistors T2 ist mit dem positiven Pol des Akkumulators A verbunden; sein Kollektor führt zur Basis des Transistors T3 über
einen Widerstand R4. Die Basis des Transistors T3 ist über einen Widerstand R5 mit seinem Emitter verbunden, der seinerseits zur
negativen Klemme der Batterie P führt. Der Kollektor des Transistors T3 ist mit der negativen Klemme des Akkumulators A verbunden.
Der Ladekreis I2C umfaßt darüber hinaus eine Zenerdiode Z, die einerseits mit dem positiven Pol der Batterie P und anderer-
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seits mit dem gemeinsamen Kontaktpunkt der beiden Widerstände R2 und R3 verbunden ist. Der aus Widerstand Rl, Transistor Tl
und Widerstand R2 gebildete Kreis wird also mit einer konstanten Spannung gespeist, die der Kennspannung der Zenerdiode Z
entspricht. Der Wert des Widerstands Rl wird so gewählt, daß der Spannungsabfall an seinen Klemmen bei leitendem Transistor
Tl gleich dem Spannungsabfall an den Klemmen des Widerstands RE bei Ladung mit geringer Stromstärke ist und beispielsweise
0,4 Volt beträgt.
Die Spule des Relais Ra ist einerseits mit dem positiven Pol der Batterie P und andererseits mit dem Kollektor eines npn-Transistors
T4 verbunden, dessen Emitter einerseits mit dem negativen Pol der Batterie P und andererseits über einen Widerstand
R24 mit seiner Basis verbunden ist.
Wie weiter unten noch erklärt wird, löst der Transistor T4 das Relais Ra aus, das die Parallelschaltung des Widerstands
RCR mit RE herbeiführt. Der Gesamtwiderstand dieser Parallelschaltung
bestimmt den Ladestrom bei Starkstromladung.
Der Integrierkreis M enthält einen Meßwiderstand Sh, der den Entladestrom des Akkumulators A mißt, einen Meßakkumulator Vb,
dessen positive Klemme zur positiven Klemme des Akkumulators A
führt. Transistoren T5 und T6, die das Laden des Speicherakkumulators
Vb während des Entladens des Akkumulators überwachen, sowie Entladetransistoren T7, T8, T9, TlO und TIl für den Akkumulator
Vb.
Die verschiedenen Bausteine des Schaltkreises M werden iachfolgend im einzelnen beschrieben.
Der an den negativen Pol des Akkumulators A angeschlossene Widerstand Sh liegt im Entladekreis des Akkumulators in Reihe mit
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dem Verbraucher 1, der zwischen dem Plus*=· und Minuspol des
Speicherkreises M liegt. An den Klemmen des Meßwiderstands Sh
liegt der Ladekreis des Akkumulators Vb mit einem Regelwiderstand R 6 und den beiden npn-^Transistoren T5 und T6# deren Basen
elektrisch miteinander in Verbindung stehen. Der Kollektor des Transistors T5 führt zur negativen Klemme des Akkumulators Vb
über einen Widerstand R22, eine Diode D2 und einen Widerstand R23; sein Emitter führt über den Widerstand R6 zur negativen
Klemme des Akkumulators A.
Der Kollektor des Transistors T6 führt einerseits zu seiner Basis und andererseits über einen Widerstand R5 zur positiven
Klemme des Akkumulators A; sein Emitter ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstands Sh und des Verbrauchers
1 verbunden»
Zwischen den Emittern der Transistoren T5 und T6 liegt
eine Diode Dl. Ein Widerstand R8 liegt zwischen dem positiven Pol des Akkumulators A und dem Emitter des Transistors T5. Ein
Widerstand RIO liegt zwischen dem positiven Pol des Akkumulators A und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Diode D2 und des
Widerstands R22.
Der Transistor T7 ist mit seinem Emitter an den positiven
Pol des Meßakkumulators Vb über einen Widerstand R12 und mit seinem Kollektor einerseits an den negativen Pol des Akkumulators A über
einen Widerstand RlI und andererseits an den negativen Pol des
Akkumulators Vb über den Widerstand R23 angeschlossene
Der Transistor T8 ist mit seinem Emitter an den positiven Pol des Meßakkumulators Vb und mit seinem Kollektor und seiner
Basis über einen Widerstand RlS8, ein Potentiometer Fl und einen
Widerstand R14, die in Reihe geschaltet sind* mit dem Kollektor
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des Transistors TlO verbunden. Die Basis des Transistors T7 führt zum Mittelabgriff des Potentiometers Pl.
Der Transistor T9 ist mit seiner Basis einerseits über
R15
einen Widerstand lan den positiven Pol des Akkumulators Vb und andererseits über einen Widerstand R16 an den Kollektor des Transistors TlO angeschlossen; mit seinem Emitter ist er an den positiven Pol des Akkumulators Vb über in Reihe geschaltete Widerstände R18 und R17 und mit seinem Kollektor an den Kollektor des Transistors T7 angeschlossen.
einen Widerstand lan den positiven Pol des Akkumulators Vb und andererseits über einen Widerstand R16 an den Kollektor des Transistors TlO angeschlossen; mit seinem Emitter ist er an den positiven Pol des Akkumulators Vb über in Reihe geschaltete Widerstände R18 und R17 und mit seinem Kollektor an den Kollektor des Transistors T7 angeschlossen.
Der Transistor TlI ist mit seinem Emitter an den positiven
Pol des Akkumulators A, mit seiner Basis einerseits an den gemeinsamen Anschlußpunkt der Widerstände R17 und R18 und andererseits
über einen Widerstand R19 an den Kollektor des Transistors T5 angeschlossen; sein Kollektor ist einerseits an die Basis des
Transistors TlO über eine Diode D3 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand R20 und andererseits an die Basis des Transistors
T4 über eine Diode D4 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand R21 angeschlossen.
Die Basis des Transistors TlO führt zum negativen Pol des Akkumulators A über einen Widerstand R7# während sein Emitter
direkt mit diesem negativen Pol verbunden ist.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen :
Im Ruhezustand versorgt der vollgeladene Akkumulator A
den Verbraucher nicht, und der Akkumulator Vb ist entladeno
Solange der Verbraucher dem Akkumulator keinen Strom entnimmt,
ist der Spannungsabfall am Meßwiderstand Sh Null. Der Transistor T5 ist fast stromlos, zumal er einer sehr geringen von R8
kommenden umgekehrten Vorspannung unterliegt. Der vom Transistor T5 gelieferte äußerst geringe Strom fließt in den Widerstand RIO,
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ohne den Akkumulator Vb zu laden. Dieser Akkumulator Vb ist daher entladen und die Transistoren T8, T 9, TlO, TlI und T4
sind gesperrt. Der Schaltkreis verbraucht nur ein Minimum an Energie. Das Aufladen des Akkumulators A erfolgt mit geringer
Stromstärke durch die Batterie P.
Entnimmt der Verbraucher 1 plötzlich viel Strom, so wird durch den Spannungsabfall an den Klemmen des Widerstands Sh der
Transistor T5 leitend und der Widerstand R6 bestimmt den Ladestrom
des Meßakkumulators Vb. Der Transistor T5 liefert eine Steuerspannung an die Basis des Transistors TlI, der ebenfalls
leitend wird, worauf auch die Transistoren T4 und TlO durchlässig werden. Wenn T4 leitet, läuft durch die Wicklung des Relais Ra
ein Strom und der Relaiskontakt schließt sich, wodurch RCR parallel zu RE geschaltet wird. Das Aufladen des Akkumulators A
erfolgt also jetzt mit einem starken Strom. Der Transistor TlO steuert den Transistor T9, der den Transistor TlI wie den Transistor
T7 leitend hält, der den Akkumulator Vb mit konstantem Strom "entlädt".
Hört die starke Stromentnahme auf, so lädt der Transistor T5 den Akkumulator Vb nicht mehr, der eine Kapazität eingespeichert
hat, die proportional zu der dem Akkumulator A entnommenen Kapazität
ist.
Es beginnt dann die tatsachliche Entladung des Akkumulators
Vb, und die Transistoren T7, T9, TlO, TlI und T4 werden durch die Spannung des Akkumulators Vb leitend gehalten.
Am Ende der Entladung des Akkumulators Vb nimmt seine Spannung ab. Wenn sie auf etwa 0,8 V abgefallen ist, reicht der
Strom im Transistor T9 nicht mehr aus, um den Transistor TlI
leitend zu halten, der daher sperrt und die Sperrung von TlO
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und T 4 und schließlich von T7 und T9 hervorruft. Das Relais Ra
fällt ab und bewirkt den Ladungswechsel des Akkumulators A vom
Schnelladebetrieb auf das Laden mit schwachem Strom.
Der vom Entladekreis entkoppelte Akkumulator Vb empfängt
dann einen geringen Polarxsierungsstrom in Richtung Laden; dieser Strom ist auf einige ,u A durch den Widerstand RlI beschränkt.
Der Akkumulator Vb ist jetzt wieder bereit, augenblicklich eine kommende Entladung des Akkumulators A zu registrieren.
Je nach dem Werten der Schaltkreisbauteile und der Einstellung des Widerstands R6 und des Potentiometers Pl dauert das
Laden des Akkumulators A mit starkem Strom das vier- bis vierzigfache
der Dauer der starken Stromentnahme, und der Überladungskoeffizient des Akkumulators liegt zwischen 1,3 und 1,6.
Die Kapazität des Akkumulators Vb wird ausreichend groß gewählt, um eventuell eine vollkommene Entladung des Akkumulators
A registrieren zu können.
Die Transistoren Tl, T6, T8, deren Basen jeweils an die
Kollektoren angeschlossen sind, bestimmen jeweils eine thermisch kompensierte Spannungsschwelle,
Figo 2 zeigt eine ähnliche Schaltungsanordnung, bei der
j edoch die Ladung mit zwei unterschiedlichen Spannungen unter Strombegrenzung erfolgt.
Die Schaltungsanordnung enthält wieder die Batterie P, den Akkumulator A, dessen negative Klemme mit der negativen Klemme
der Batterie P verbunden ist, einen Ladekreis V2C mit zwei Ladespannungen, den Speicherkreis M, der gleich dem aus Fig. 1 ist,
sowie das Relais Ra und den dazugehörxgen Transistor T4 wie in Fig· I.
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Der Ladekreis V2C enthält einen pnp-Transistor T31,
einen pnp-Transistor T32, der einen npn-Leistungstransistor
T33 steuert, einen als Spannungsregler wirkenden Verstärker U
und eine Zenerdiode Z2.
Der Verstärker U ist mit einem ersten Eingang Ul einerseits an den positiven Pol des Akkumulators A über die Zenerdiode
Z2 und andeEerseits an den negativen Pol des Akkumulators über einen Widerstand R32 angeschlossen; ein zweiter Eingang U2
führt zum Mittelabgriff eines Potentiometers P32, das einerseits mit der positiven Klemme des Akkumulators A über einen Widerstand
R33 und andererseits mit dem negativen Pol des Akkumulators A über einen Widerstand R34 verbunden ist. Der erste Eingang Ul empfängt ein Bezugsspannungssignal, das durch die Zenerdiode
Z2 festgelegt ist; der zweite Eingang U2 erhält ein Potential, das einem Bruchteil der Spannung des Akkumulators entspricht,
der durch den aus dem Widerstand R33, dem Potentiometer P32 und
dem Widerstand R34 bestehenden Spannungsteiler bestimmt wird«
Ein Widerstand R35 ist über den Kontakt des Relais Ra mit dem Widerstand R33 parallelgeschaltet, wenn das Relais über
den Transistor T4 gespeist wird, wodurch das Teilungsverhältnis
des Spannungsverteilers geändert wird»
Die Speiseeingänge U3 und U4 des Verstärkers sind mit dem positiven bzw, negativen Pol des Akkumulators A verbundeno
Der Ausgang U5 das Verstärkers führt über einen Wider= stand R24 einerseits zur Basis des Transistors T32 und anderer=
seits zum Kollektor des Transistors T31O Der Transistor T3l ist
mit seinem Emitter an den positiven Pol der Batterie P und mit seiner Basis über einen Widerstand R25 mit dem Emitter des Tran=
sistors T32 verbunden, der seinerseits über einen Widerstand R31
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ORIGINAL INSPECTED
zum positiven Pol dar Batterie P führt.
Der Kollektor des Transistors T32 steht mit der Basis des Transistors T33 in Verbindung, dessen Emitter mit dem positiven
Pol des Akkumulators Ά und dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors T32 in Verbindung steht.
Wie im Fall der Fig. 1 steuert bei Stromabgabe des Akkumulators
A zum Verbraucher 1 hin der Kreis M den Transistor T4, wodurch das Relais Ra erregt wird und der widerstand R35 zum
Widerstand R33 parallelgeschaltet wird. Daraus ergibt sich ein Spannungsunterschied zwischen den Eingängen Ul und U2 des Verstärkers
U, der den Transistor T32 leitend steuert, der seinerseits auf den Transistor T33 einwirkte Dies führt zu einem Aufladen
des Akkumulators bei konstanter Spannung. Der Transistor T31 begrenzt den durch die Batterie P über den Widerstand R3l
gelieferten Strom, wobei die Spannung am Widerstand R3l die Emitterbasisstrecke des Transistors T3l polarisiert. Wenn der
Ladestrom einen vorbestimmten Grenzwert erreicht und überschrei tet, steuert der Transistor T31 die Basis des Transistors T32,
so daß der abgegebene Strom verringert wird.
Nach vollkommener Entladung des Akkumulators Vb (unter denselben Bedingungen wie im Beispiel der Fig. 1) wird der Widerstand R35 ausgeschaltet. Man erhält dann eine Dauerladung unter
geringerer geregelter Spannung.
Beispielsweise werden die Widerstände R33, R34 und R35 und das Potentiometer P32 so gewählt, daß eine dauernde Floating-Spannung erhalten wird. Handelt es sich bei dem Akkumulator um
einen alkalischen Akkumulator, so beträgt die Floating-Spannung etwa 1,4 Volt pro Zelle, während die Schnelladespannung etwa
1,5 Volt beträgt.
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Handelt es sich um eine Bleiakkumulatorenbatterie, so
sind die entsprechenden Spannungen 2,2 Volt und 2,4 Volt.
Als Batterie P nimmt man vorzugsweise eine Luftsauerstoffzelle oder eine Nuklearbatterie mit einer Spannung, die
um mindestens ein Volt über der des Akkumulators A liegt.
χ χ
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Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE1 - Verfahren zum Wiederaufladen eines in unregelmäßigen Abständen einen Verbraucher speisenden Akkumulators durch eine primäre Stromquelle, wobei das Laden bei einer ersten Leistungsstufe während einer Dauer erfolgt, die von der vorhergehenden Entladung des Akkumulators abhängt, und die bei der vorhergegangenen Entladung abgegebene Elektrizitätsmenge gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Stromquelle dauernd Strom liefern kann und daß die Ladung bei der ersten Stufe durch den Entladebeginn des Akkumulators ausgelöst wird.2 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladan einer ersten Leistungsstufe ein Laden einer zweiten, schwächeren Leistungsstufe folgte3 - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichne t„ daß das Laden mit konstantem Strom erfolgt (Figo 1)o809841/074 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dai3 das Laden mit konstanter Spannung erfolgt (Fig. 2).5 - Schaltungsanordnung zum V/iederauf laden eines Akkumulators gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daj3 der Akkumulator (A) mit einem Ladekreis, einem ersten Mittel (Vb) zum Messen und Speichern der Entladungsmenge das Akkumulators, mit einem zweit-an Mittel (T4) zur Steuerung des Ladekreises sowie mit einem dritten Mittel zur Feststellung der Entladung (3h) des Akkumulators zum Verbraucher hin zusammenwirkt, die vom Beginn der Entladung an die zweiten Mittel steuern, um die Ladung bei der ersten Leistungsstufe herbeizuführen.6 - ,schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der primären Stroiuauelle um eine nicht-aufladbare Batterie (P) handalt.7 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Mittel einen elektrischen Akkumulator (Vb) geringer Kapazität sowie einen Entladekreis (T7) und einen durch das dritte Mittel betätigten Ladekreis (T5) enthält.8 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Mittel einen Schalter (Ra) aufweist, mit dem ein erster Widerstand mit einem zweiten Widerstand des Ladekreises des Akkumulators parallelschaltbar ist.809841/07479 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Mittel einen niederohmigen Widerstand (3h), der zwischen dem 7:lckumilator und dem Verbraucher angeordnet ist, und einen Schaltkreis (T5, T6) enthält, der die Spannung an den Klemmen dieses niederohmiqen Widerstands feststellt.ORIGINAL INSPECTED 8098 4 1 /074?
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