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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einrichtung,
insbesondere aber nicht ausschließlich auf ein Funkgerät, hergestellt aus
integrierten Schaltungen, von denen wenigstens eine mit einer anderen
Spannung als die anderen arbeitet. Der Bequemlichkeit der Beschreibung
halber wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen digitalen
Einweg-Pager beschrieben.
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Stand der Technik
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Typischerweise
umfasst ein Einweg-Pager eine Empfänger-IC, eine Decoder-IC und
eine Mikroprozessor-IC zusammen mit einem oder mehreren Wandlern
und einer oder mehreren Drucktasten, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle
bilden. Die integrierten Schaltungen, die zur Zeit in Pagern verwendet
werden, arbeiten mit verschiedenen Spannungen in dem Bereich zwischen
0,85 und 3,5 Volt. Die Gedrängtheit
eines Einweg-Pagers bedeutet, dass die Speisequelle meistens eine
einzige Zellenbatterie ist mit einer Klemmenspannung von 1,5 Volt,
die durch einen DC-DC-Wandler auf sagen wir 3 Volt transformiert
wird. Bekanntlich haben DC-DC-Wandler eine Effizienz in der Größenordnung
von 60 bis 90%, was die effektive Lebensdauer der Zelle reduziert.
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Neulich
ist eine neue Generation von Empfänger-ICs mit einer minimalen
Betriebsspannung entwickelt worden, wodurch sie unmittelbar aus
einer einzigen Zelle gespeist werden können, unter der Bedingung aber,
dass die Klemmspannung nicht unter eine spezifizierte minimale Betriebsspannung
sinkt. Ein Spannungsmultiplizierer ist dennoch für andere ICs, wie die Decoder-IC
und die Mikrocontroller-IC erforderlich, so dass die Stromsparung
dadurch, dass der Empfänger
unmittelbar aus der Zelle gespeist wird, begrenzt wird. Ein Problem,
das durch Verwendung einer kleinen Zelle mit begrenzter Kapazität entsteht,
ist, dass die Klemmspannung abfällt, nicht
nur wenn die Batterie unter normalen Umständen geleert wird, sondern
auch, wenn von Seiten der Wandler hohe Ansprüche gestellt werden. Dadurch nimmt
die Empfindlichkeit des Empfängers
ab und/oder schwankt in Reaktion auf plötzliche, kurzzeitige Beanspruchungen
der Zelle. Eine Folge davon ist, dass die Zelle vorzeitig ersetzt
werden muss, damit die Empfindlichkeit des Empfängers beibehalten wird.
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GB2284085A beschreibt
einen Selektiv-Rufempfänger,
wobei ein Teil der Schaltung durch eine Batterie wird und ein Teil
durch einen DC/DC-Wandler gespeist wird. Darin wird nicht das Problem
der Speisung der Schaltungsanordnung gelöst, wenn die Batteriespannung
abfällt.
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US5193212 beschreibt eine
Schaltungsanordnung zum Sparen von Batterieleistung in einem Funk-Paging-Empfänger dadurch,
dass die Speisung ein- und abgeschaltet wird, und zwar für bestimmte Teile
der Schaltungsanordnung in Reaktion auf Empfang von Leistungssparsignalen.
Dabei wird nicht das Problem angefasst der Speisung der Schaltungsanordnung,
wenn die Batteriespannung abfällt.
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Beschreibung der Erfindung
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die nützliche
Lebensdauer einer Batterie zu erweitern, die unmittelbar wenigstens
einen Teil einer gesamten elektronischen Schaltungsanordnung möglichst
lange speist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Einrichtung geschaffen
mit Mitteln zum Empfangen einer Batterie, einem ersten Teil, einem zweiten
Teil, wobei der zweite Teil dazu vorgesehen ist, mit einer Spannung
zu arbeiten, die höher
ist als die der Batterie, und mit Spannungsmultipliziermitteln zum
Multiplizieren der Batteriespannung und zum Liefern derselben zu
dem zweiten Teil, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil dazu
vorgesehen ist, mit einer Spannung der Batterie zu arbeiten, wenn
die Spannung der Batterie einer vorbestimmten minimalen Spannung
entspricht oder höher
ist als diese Spannung, und gekennzeichnet durch Steuermittel zum
Vergleichen einer Spannung, die repräsentativ ist für die Batteriespannung,
mit einer Bezugsspannung und wenn die Bezugsspannung höher ist,
dafür zu
sorgen, dass dem ersten Teil von den Spannungsmultipliziermitteln
aus Strom geliefert wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis der Tatsache zugrunde,
dass wenn irgendwie möglicht
Speisung unmittelbar von einer Batterie aus zu dem ersten Teil geliefert
werden soll, dass aber, wenn die Klemmspannung der Batterie abfallen
sollte, die Speisung zu dem ersten Teil durch Strom ersetzt wird,
der von dem Multiplizierer geliefert wird, damit ein voller Betrieb
und optimale Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung beibehalten
wird. Dadurch kann der erste Teil völlig wirksam bleiben, während die
Klemmspannung der Zelle unter die vorbestimmte minimale Spannung
abfällt,
wodurch auf diese Art und Weise die nützliche Lebensdauer der Zelle
erweitert wird, weil der Multiplizierer bis unter eine minimale
Klemmspannung erfolgreich funktionieren kann. Auf diese Art und
Weise wird die gesamte verfügbare
Batteriekapazität
benutzt zur Speisung der elektronischen Einrichtung, sogar wenn
der Batteriespannungspegel unter den Pegel gesunken ist, bei dem
wenigstens Teile der Einrichtung arbeiten würden.
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Gewünschtenfalls
können
die Spannungsmultipliziermittel eine geregelte höhere Spannung erzeugen und
es können
Mittel vorgesehen sein, um die geregelte höhere Spannung zur Speisung
des ersten Teils zu verringern.
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Bei
einer Ausführungsform
der elektronischen Einrichtung umfasst der erste Teil einen integrierten
Funkempfänger,
wie einen Empfänger
zum Empfangen von Paging-Signalen,
und der zweite Teil umfasst wenigstens einen Paging-Signaldecoder.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Pagers nach der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Schaltbild, teilweise in Blockform, das eine Ausführungsform
einer Steuerschaltung illustriert, und
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3 ein
Schaltbild, teilweise in Blockform, das eine andere Ausführungsform
einer Steuerschaltung illustriert.
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In
der Zeichnung sind dieselben Bezugszeichen verwendet worden um gleiche
Elemente anzugeben.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 umfasst
der Pager eine integrierte Empfänger-IC 10 mit
einem Signaleingang, der mit einer Antenne gekoppelt ist. Eine Decoder-IC 14 ist mit
einem Ausgang des Empfängers 10 gekoppelt und
dient zum Decodieren der demodulierten Signale. Eine Mikrocontroller-IC 16 ist
mit der Decoder-IC 14 gekoppelt und dient zum Verarbeiten
von Signalen, die von dem Decoder erzeugt worden sind und zur Steuerung
mehrerer Funktionen des Pagers. In einer nicht dargestellten Ausführungsform
ist der Decoder unter Verwendung von Software in der Mikrocontroller-IC 16 implementiert
worden, die selber auf diese Weise die IC-Anzahl reduziert: Mit
der Mikrocontroller-IC 16 ist ein Schaltfeld 1 8 gekoppelt
und dient als Mensch-Maschine-Schnittstelle. Ein akustischer Wandler 20 ist
mit einem Ausgang der Mikrocontroller-IC 16 gekoppelt und
dient zum Liefern eines hörbaren
Alarmsignals beim Empfang eines Signals. Andere, nicht dargestellte,
Ankündigungsanordnungen,
die einen LED-Lichtsender und einen Vibrator aufweisen, können vorgesehen
werden. Ein LCD-Panel 22 mit einem Driver, ist mit einem
anderen Ausgang der Mikrocontroller-IC 16 gekoppelt.
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In
dem dargestellten Pager kann die Empfänger-IC 10 von einer
bestimmten minimalen Spannung von 1,05 Volt aufwärts bis sagen wir 1,5 Volt
arbeiten, während
die Decoder-IC 14 und die Mikrocontroller-IC 16 mit
einer höheren
Spannung in der Größenordnung
von 3 Volt arbeiten. Eine einzige Zellenbatterie 24, die
eine Spannung VBAT in der Größenordnung
von 1,5 Volt maximal liefert, ist mit einem Spannungsmultiplizierer 26,
beispielsweise einem MAX 867, mit einem Pol 28 eines einpoligen
Umschaltschalters 30 und mit einem Eingang 32 einer Spannungsvergleichsschaltung 34 gekoppelt.
Eine Bezugsspannung Vr wird einem zweiten Eingang 36 der
Vergleichsschaltung 34 zugeführt, die ein Ausgangssignal 38 zur
Steuerung des Schalters 30 liefert. Der Wert von Vr entspricht
der minimalen Betriebsspannung der IC 10, wie durch den
Hersteller spezifiziert, in diesem Fall 1,05 Volt. Der Spannungsmultiplizierer 26 erzeugt
ein reguliertes 3 Volt Ausgangssignal, das mit Hilfe einer Spannungsschrittstufe 40 einem
zweiten Pol 42 des Schalters 30 und einer Decoder-IC 14,
sowie der Mikrocontroller-IC 16 zugeführt wird. Die Spannungsschrittstufe 40 lässt die
Spannung um die Hälfte,
sagen wird 1,5 Volt fallen.
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Im
Betrieb, wenn die Klemmspannung der Batterie 24 größer ist
als Vr (1,05 Volt), wird der Schalter 30 derart gesteuert,
dass die Batteriespannung an der Klemme 28 zu der Empfänger-IC 10 gekoppelt
wird, die imstande ist, mit einer akzeptierbaren Empfindlichkeit
zu arbeiten. Wenn es nun ein plötzliches
Bedürfnis
nach Batteriespeisung gibt, wodurch die Klemmspannung der Batterie
bis unter die Bezugsspannung Vr abfällt, wobei die Vergleichsstufe 34 dafür sorgt,
dass der Schalter 30 zu der Klemme 42 umgeschaltet
wird, so dass eine verringerte Version des Spannungsausgangssignals
des Multiplizierers 26 zu der Empfänger-IC 10 geliefert
wird, um dadurch die Empfindlichkeit beizubehalten. Die Umschaltung
des Schalters 30 zu dem Multiplizierer 26 dauert
wenigstens solange die Nachfrage dauert. Weil aber die Effizienz
des Multiplizierers 26 von der Größenordnung von 75% ist, gibt
es einen gesteigerten Abfluss an der Batterie 24, und zwar
wegen der Tatsache, dass die Empfänger-IC 24 durch den
Multiplizierer 26 gespeist wird. Diese Steige rung des Stromabflusses
kann dadurch erklärt
werden, dass die Empfindlichkeit der Empfänger-IC 10 auf oder über einem
akzeptierbaren Pegel gehalten wird. Wodurch gewährleistet wird, dass Anrufe
noch immer empfangen werden können.
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In
dem Fall, dass die Batterie 24 zu einem Punkt degeneriert,
an dem die Klemmspannung VBAT unterhalb
der Bezugsspannung Vr liegt, sorgt die Vergleichsstufe 34 dafür, dass
der Schalter 30 mit dem Pol 42 verbunden wird,
so dass die Empfänger-IC 10 über den
Multiplizierer 26 mit Strom versehen wird, der imstande
ist, bis zu einer Spannung VBAT zu arbeiten,
was der möglichst
niedrige Arbeitsspannung des Multiplizierers 26 ist, d.h.
von der Größenordnung von, sagen wir, 0,6 Volt.
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Ohne
die Möglichkeit
der Zuführung
einer verringerten Version der regulierten Spannung des Multiplizierers 26 zu
der Empfänger-IC 10 wäre es notwendig,
eine Batterie auszutauschen, wenn die Klemmspannung VBAT auf
Vr zurückgegangen
ist (1,05 Volt), was verschwenderisch ist, insbesondere da die Batterie
durchaus verwendet werden könnte, und
zwar bis etwa 0,6 V zum Multiplizieren der Batteriespannung, zum
Erzeugen einer geregelten Spannung. Es wird geschätzt, dass
die Verschwendung von der Größenordnung
von 30% der Batteriekapazität
ist.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der Vergleichsstufe 34 und des Schalters 30, die
in der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung
verwendet werden können.
Die Batterie 24 ist mit der Emitter-Elektrode eines basisgeschalteten
PNP-Transistors 44 gekoppelt, der als Schalter 30 funktioniert.
Die Kollektor-Elektrode des Transistors 44 ist mit einer Empfänger-Speiseklemme 46 gekoppelt.
Ein Kondensator 48 ist in der Empfängerspeisestrecke vorgesehen,
zur Glättung
von Welligkeiten und anderer Interferenzen, zur Bequemlichkeit der
Darstellung ist der Kondensator 48 als mit der Klemme 46 verbunden,
dargestellt. Von einer Vergleichsstufe 50 ist ein nicht
invertierender Eingang 52 mit einem Knotenpunkt 54 eines
durch die Widerstände 56, 58 gebildeten
Potentialteilers und der Batterieklemme verbunden, wobei die Widerstände zwischen
einer geregelten 3 V Spannung von dem Multiplizierer 26 und
der Batterieklemme in Reihe verbunden sind. Die Vergleichsstufe 50 an
sich arbeitet mit der 3 V Speisung. Eine Bezugsspannung Vr, die
von der geregelten Speisung hergeleitet wird, wird einem invertierenden Eingang 60 der
Vergleichsstufe zugeführt.
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Der
Ausgang der Vergleichsstufe ist mit einem Inverter 62 gekoppelt,
dessen Eingang mittels eines Widerstandes 64 mit der geregelten
Speisung gekoppelt ist. Der Aus gang des Inverters 62 ist
mit Hilfe eines Widerstandes 66 mit der Basis-Elektrode des
Transistors 44 gekoppelt. Auch eine Spannungsverringerungsanordnung
mit reihengeschalteten Dioden 68, 70 ist zwischen
dem Ausgang des Inverters 62 und der Klemme 46 vorgesehen.
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Im
Betrieb ist für
eine VBAT gröber als 1,05 V der Ausgang
der Vergleichsstufe 50 hoch, was an sich bedeutet, dass
der Ausgang des Inverters 62 niedrig ist. Der Transistor 44 ist
in Vorwärtsrichtung vorgespannt
und gesättigt,
so dass im Wesentlichen die gesamte Batteriespannung VBAT der
Klemme 46 zugeführt
wird.
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Für eine VBAT kleiner als 1,05 V ist der Ausgang der
Vergleichsschaltung 50 niedrig, was dafür sorgt, dass der Inverter 62 hoch
wird. Der Transistor 44 ist in Umkehrrichtung vorgespannt,
wodurch im Endeffekt die Batterie von der Klemme 46 losgekoppelt
wird. Die in Reihe verbundenen Dioden 68, 70 verringern
die 3 Volt, hergeleitet von dem Ausgang des Inverters 62 auf
eine Spannung von 1,5 Volt, die an der Klemme 46 erscheint.
Dies wird fortgesetzt, bis der Multiplizierer 28 nicht
länger
arbeiten kann, da die Batteriespannung bis unter die minimale Arbeitsspannung
abgenommen hat.
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In
Situationen, in denen die Batteriespannung größer ist als 1,05 Volt, wobei
es aber ein plötzliches
Bedürfnis
nach Strom gibt, fällt
VBAT vorübergehend
bis unter 1,05 V und die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet
dynamisch um zu gewährleisten,
dass die Empfängerspeisung
nicht unter 1,05 V abfällt.
Auf diese Art und Weise kann der Empfänger auf effiziente Weise arbeiten,
während
VBAT über 1,05
Volt ist und nach wie vor arbeiten, obschon weniger effizient, bei
einer geringeren Batteriespannung.
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Der
Vollständigkeit
halber haben die Widerstände 56, 58, 64 und 66 je
den Wert von 470 k, 47 k, 100 k und 22 k. Wenn diese Werte verwendet
werden, ist für
VBAT 1,05 Volt und eine geregelte Speisespannung
von 3 Volt die Spannung an den Knotenpunkt 54 (oder an
dem Eingang 52) 1,25 Volt. In diesem Zahlenbeispiel Vr
= 1,25 Volt, was einer Batteriespannung von 1,05 V entspricht.
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Gewünschtenfalls
könnte
der Transistor 44 ein Feldeffekttransistor (FET) sein,
wobei die Source-Drain-Strecke zwischen der Batterie 24 und
der Klemme 46 vorgesehen ist und die Gate-Elektrode mit
dem Widerstand 66 verbunden ist.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der Steuerschaltung, wobei der Mikrocontroller 16 den Ausgang
der Vergleichsschaltung 50 überwacht und die Signale liefert
zur Steuerung der Umschaltung der DC-Leistung zu der Klemme 46.
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Insbesondere
sind der Spannungsmultiplizierer 26, die Emitter-Elektrode
des NPN-Transistors 44 und der nicht invertierende Eingang 52 der
Vergleichsschaltung 50 mit der positiven Klemme der Batterie 24 gekoppelt.
Eine Bezugsspannung Vr wird dem invertierenden Eingang 60 der
Vergleichsschaltung zugeführt.
Ein Ausgang der Vergleichsschaltung 50 ist mit dem Mikrocontroller 16 gekoppelt.
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Ein
Ausgang des Spannungsmultiplizierers 26 ist mit einer Klemme 72 gekoppelt,
die mit denjenigen Schaltungselementen gekoppelt ist, wie dem Mikrocontroller 16,
die eine Speisespannung von sagen wir 3 Volt erfordern und mit der
Spannungsschrittstufe 40. Ein Ausgang der Stufe 40 ist
mit einer Emitter-Elektrode eines anderen PNP-Transistors 74 gekoppelt. Die
Kollektor-Elektroden der Transistoren 44, 74 sind
mit der Klemme 46 gekoppelt, und zwar zum Liefern einer
niedrigeren Spannung, erforderlich für andere Schaltungselemente,
wie die Empfänger-IC 10 9 1).
Die Basis-Elektroden der Transistoren 44, 74 sind
mit den betreffenden Ausgängen 76, 78 des
Mikrocontrollers 16 verbunden. Der Kondensator 48 ist
mit der Klemme 46 gekoppelt, und zwar zum Glätten von
Welligkeit und anderer Interferenzen an der dieser Klemme zugeführten Spannung.
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Es
wird nun vorausgesetzt, dass die Klemmspannung VBAT größer ist
als 1,05 Volt, dass der Zustand des Ausgangs der Vergleichsschaltung
hoch ist, so dass der Ausgang 76 hoch ist, wodurch der Transistor 44 leitend
wird, und der Ausgang 78 niedrig ist, wodurch der Transistor 74 gesperrt
wird. Wenn VBAT den Wert Vr unterschreitet, ändert sich
der Zustand des Ausgangs der Vergleichsschaltung nach niedrig, wodurch
verursacht wird, dass die Ausgänge 76, 78 den
Zustand zu Niedrig bzw. Hoch ändern.
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Auf
diese Art und Weise wird der der Klemme 46 zugeführte Strom
von dem Multiplizierer 26 hergeleitet, und zwar mit Hilfe
der Spannungsschrittstufe 40 und der Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 74. Die Schaltungsanordnung ändert sich
zurück,
wenn VBAT größer ist als Vr.
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Gewünschtenfalls
können
die Transistoren 44, 74 NPN-Transistoren sein
oder FETs.
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Obschon
die vorliegende Erfindung anhand eines digitalen Pagers beschrieben
worden ist, kann sie auf andere elektronische Geräte, wie
tragbare Telekommunikationsapparatur, wie zellulare und drahtlose
Telefone, angewandt werden.
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Aus
der Lektüre
der vorliegenden Beschreibung dürften
dem Fachmann andere Abwandlungen einfallen. Solche Abwandlungen
können
andere Merkmale betreffen, die beim Entwurf, bei der Herstellung
und der Verwendung elektronischer Apparatur und Bestandteile derselben
bereits bekannt und statt der oder zusätzlich zu den hier bereits
beschriebenen Merkmalen verwendbar sind.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Elektronische
Apparatur, insbesondere Telekommunikationsapparatur, wie Pager,
drahtlose und zellulare Telefone.