DE2630431A1 - Batteriespannungsdetektor und warneinrichtung - Google Patents

Batteriespannungsdetektor und warneinrichtung

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DE2630431A1
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battery
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voltage
detector
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DE19762630431
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Robert Joseph Salem
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General Electric Co
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Description

Batteriespannungsdetektor und Warneinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Überwachung der Batteriespannung für Rauchdetektoren und ähnliche Geräte und besonders eine Batteriespannungs-überwachungseinrichtung zur Erzeugung eines Dauerwarnsignals und auch eines periodischen Warnsignals nach Feststellung einer niedrigen Batteriespannung während einer gewissen Zeitdauer.
In modernen Ionisations-Rauchdetektoren werden Batterien mit niedriger Spannung als Leistungsquelle oder Netzteil für den Rauchdetektor und die zugeordnete Warneinrichtung zur Betätigung eines Warnhorns oder zur Erzeugung eines sonstigen Warnsignals benutzt, das gegeben wird, wenn die Rauchkonzentration einen vorbestimmten Wert übersteigt. Obwohl diese Detektoren typischerweise so konstruiert .,ind, daß sie während des normalen Betriebs nur äußerst geringe Ströme entnehmen, verlieren die Batterien im Laufe der Zeit einen beträchtlichen Teil ihrer
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gespeicherten Energie. Wenn man eine solche Batterie weiter als Versorgungsquelle beläßt, dann ist sie nicht in der Lage, während einer längeren Zeitdauer die Energie zu liefern, die zur Erzeugung der Warnsignale im Falle eines Feuers benötigt wird. Schließlich wild die Batterie vollständig spannungslos werden und sogar nicht mehr in der Lage sein zur Aufrechterhaltung der Meßfühlerfunktion des Rauchdetektors. Es ist daher unerläßlich, daß die Batterie ausgetauscht wird, wenn sie noch eine ausreichende gespeicherte Energie zur Aufrechterhaltung der benötigten Meßfühler-und Warnfunktion des Rauchdetektors besitzt. Es wurden daher in der Vergangenheit Bemühungen unternommen, um festzustellen, wenn die Batterie einen bestimmten Teil ihrer Energie verloren hat, und dann entsprechende Warnsignale zu erzeugen. Diese Bemühungen wurden noch dadurch intensiver, daß auf dem Markt Batterien verfügbar wurden, bei denen die Ausgangsspannung der Batterie für dauernd, um einen bedeutenden und feststellbaren Wert absinkt, nachdem eine bestimmte Menge der Anfangsenergie der Batterie entnommen ist. Beispielsweise besitzt die Batterie Mallory Modell Nr. 304116 eine Ausgangsleerlaufspannung von etwa 12,3 Volt, die plötzlich und für dauernd auf etwa 10,6 Volt abfällt, nachdem 60 % ihrer Energie verraucht sind.
Ein typischer Lösungsweg für ein toarngerät besteht darin, Einrichtungen zur Erfassung des Zeitpunktes vorzusehen, indem die Energie der Batterie auf einen vorbestimmten Wert abgesunken ist und dann periodische Warnsignale zu erzeugen, beispielsweise die Betätigung eines Warnhorns des Rauchdetektors einmal pro Minute oder mit einer anderen Frequenz während einer Zeitdauer von 7 oder mehr Tagen. Wenn das Batteriespannungs-Detektor- und Warnsystem von der gleichen Batterie betrieben werden soll, welche auch für den Kauchdetekt^r und das Warnsystem verwendet wird, dann darf dieses Detektorsystem nur eine geringe Strombelastung für die Batterie darstellen, damit die bereits teilentleerte Batterie die periodischen Warnsignale während einer längeren Zeitdauer aufrechterhalten kann, ohne die Batterieenergie in solchem Ausmaß zu verringern, daß sie nicht mehr in der Lage ist, die Rauchdetektorfunktion und die Warnfunktion des Rauch-
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detektors aufrecht zu erhalten. Trotz der ausgedehnten Zeitdauer, während der in solchen System ein Warnsignal für einen niedrigen Ladezustand der Batterie erzeugt wird, sind diese Lösungswege nicht vollständig wirksam zur Warnung des Hauseigentümers oder anderen Benutzers vor dem Zustand der Batterie mit niedriger Energie, da die Warnsignale aufhören, wenn die Batterie vollständig entladen ist. Wenn der Hauseigentümer während der Warnperiode abwesend ist, dann wird er bei seiner Rückkehr nicht davor gewarnt, daß die Batterie vollständig entladen ist und der Rauchdetektor daher nicht mehr betriebsfähig ist.
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur frühzeitigen Warnung bei voraussichtlicher Entladung einer Batterie in batteriebetriebenen Geräten, beispielsweise Rauchdetektoren, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung von verbesserten Einrichtungen zur periodischen und dauernden Warnung vor einem Batteriezustand mit niedriger Energie in batteriebetriebenen Rauchdetektoren oder ähnlichen Geräten.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung verbesserter Einrichtungen zur Lösung der vorgenannten Aufgaben während einer ausgedehnten Zeitdauer ohne übermäßige Belastung der Batterie.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung von in hohem Maße zuverlässigen Einrichtungen zur Feststellung eines Batteriezustandes mit niedriger Energie und zur Erzeugung periodischer und dauernder Warnungen -bei diesem Zustand.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung von in hohem Maße empfindlichen und zuverlässigen Einrichtungen zur Warnung vor einem Batteriezustand mit niedriger Energie, wobei diese Einrichtung auf vorübergehende, kurzzeitige Änderungen in den Kenngrößen der Batterie oder des .Systems nicht anspricht.
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Zusammengefaßt werden in einer Ausführungsform der Erfindung Einrichtungen vorgesehen, um festzustellen, wenn die Batteriespannung während einer gewissen Zeitdauer unter einen vorgegebenen Wert absinkt, und dann ein Warnsignal zu liefern. Die Detektor- und Warneinrichtung enthält Anschlüsse zur Verbindung mit einer Batterie und einer mit diesen Anschlüssen verbundenen Schaltung, vobei die Schaltung so gewählt ist, daß eine ausgewählte elektrische Kenngröße in der Schaltung sich in einer bekannten Weise bei Änderungen der Spannung einer Batterie verändert, welche mit den Anschlüssen verbunden ist.An die Schaltung ist eine Signalerzeugungseinrichtung gekoppelt zur Erfassung der ausgewählten elektrischen Kenngröße und zur periodischen Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die ausgewählte elektrische Kenngröße während einer gewissen Zeit konsistent ist mit einer Batteriespannung, die kleiner ist als ein vorbestimmter Wert. Eine erste Warneinrichtung isζ mit der Signalerzeugereinrichtuny gekoppelt und empfängt mindestens das erste Ausgangssignal derselben und erzeugt dann ein Dauerwarnsignal. Eire zweite Warneinrichtung ist ebenfalls mit der Si^ialerzeugereinrichtung gekoppelt zum Empfang von Ausgangssignalen von derselben und zur periodischen Erzeugung von Warnsignalen entsprechend diesem Ausgangssignal.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die erste Warneinrichtung ein Anzeigeelement, das zwischen einer ersten Stellung bei Nichtwarnung und einer zweiten Warnstellung beweglich ist. Weiterhin ist eine Betätigungseinrichtung zur Bewegung des Anzeigeelerneutes in die zweite Warnstellung entsprechend einem Ausgangssignal von der Signalerzeugereinrichtung vorgesehen. Die erste Warneinrichtung enthält weiterhin Schalter, die mit dem Anzeigeelement und der elektrisch betriebenen Betätigungseinrichtung gekoppelt ist, wobei die Schaltereinrichtungen zur Steuerung der Energiezufuhr oder Einschaltung der Betätigungseinrichtung dienen. Die Schaltereinrichtungen werden durch die Stellung des Anzeigeelementes gesteuert, so daß sie nur stromdurchlässig sind, wenn sich das Anzeigeelement in seiner ersten Stellung befindet, bei der keine Warnanzeige erfolgt. Auf diese Weise kann die Betätigungseinrichtung nur eingeschaltet werden
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nach Erzeugung eines Ausgangssignals, während sich das Anzeigeelement in der ersten Stellung befindet, in der keine Warnanzeige erfolgt. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Signalerzeugereinrichtung eine erste Schaltung mit einem Kondensator und eine mit der ersten Schaltung und dem Anschluß verbundene zweite Schaltung zur allmählichen Aufladung des Kondensators, wenn die Spannung einer mit dem Anschluß verbundenen Batterie während einer gewissen Zeit unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Weiterhin ist eine dritte Schaltung vorgesehen, die mit der ersten Schaltung verbunden ist und zur schnellen Entladung des Kondensators dient, wenn die Ladung auf dem Kondensator einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Ein besseres Verständnis der Erfindung und weiterer Aufgaben und Merkmalen der_selben ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.
Figur 1 ist ein Schaltbild eines batteriebetriebenen Rauchdetektors, welcher die erfindungsgemäße Detektoreinrichtung und Warneinrichtung für einen Batteriezustand mit niedriger Energie enthält.
Figur 2 ist eine allgemein schenutcische Ansicht eines beweglichen Anzeigeelementes und der Betätigungseinrichtung für dasselbe, welche zur Verwendung in dem Detektor- und Warnsyst ;m nach Figur 1 geeignet sind.
Die Figur 1 zeigt einen Rauchdetektor 10, welcher ein Paar von Ionisationskammern 12 und 14 enthält, die in Reihe über ein I'.,ar von Anschlüssen 16 und 18 geschaltet sind, mit denen eine geeignete Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die in dieser Figur abgebildete bestimmte Schaltung ist ausgelegt für den Anschluß an eine Gleichspannungsbatterie mit einer Spannung von 12,3 Volt, wobei der positive bzw. negative Anschluß der Batterie mit dem Anschluß 16 bzw. 18 verbunden wird. Die Kammer 12 ist zur Atmosphäre hin offen und ihr Innenraum ist daher frei zugänglich für die Luft und in der Luft mitgeführte Verbrennungsprodukte oder Aerosole. Die Kammer 14 ist praktisch geschlossen und ihr
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Innenraum ist daher nicht frei zugänglich für in der Luft mitgeführte Verbrennungsprodukte; sie besitzt jedoch eine ausreichende öffnung zum Lufteinlaß und zur Angleichung an die atmosphärischen Änderungen der Feuchtigkeit, des Drucks und dergleichen über eine gewisse Zeitdauer. Aus noch nachstehend ersichtlichen Gründen ist die Kammer 12 eine Meßkammer und die Kammer 14 ist eine Bezugskammer.
Wie abgebildet, enthält die Meßkammer 12 ein Paar von beabstandeten Elektroden 20 und 22 und eine Quelle 24 für Alphastrahlung, beispielsweise Americium 241, zur Ionisation der Luft in dem Innenraum zwischen den Elektroden 20 und 22. Wenn eine Spannung über den Elektroden 20 und 22 angelegt wird, wird ein Ionenstront zwischen den beiden Elektroden fließen. Wenn Aerosole oder Verbrennungsprodukte in den Innenraum der Kammer 12 eintreten, dann wird der Stromfluß verringert, wenn die Spannung über den Elektroden konstant gehalten wird. Mit anderen Worten vergrößert dio Einleitung von Verbrennungsaerosolen den elektrischen Widerstand der Kammer 12 und die Größe der Widerstandsänderung ist ein Maß für die Menge der in der Kammer 12 vorhandenen Verbrennungsprodukte. Die Meßkammer 12 ist ausgelegt für den Betrieb im linearen Bereich, in dem eine praktisch direkte Beziehung zwischen der über der Kammer angelegten Spannung und dem Ionenstrom besteht. Die Bezugskammer 14 enthält ein Paar von beabstandeten Elektroden 26 und 28 und eine Quelle 30 für Alphastrahlung, beispielsweise Americium 241 , zur Ionisation der Luftnioleküle in dem Innenraum zwischen den Elektroden 26 und 28. Da die Verbrennangsprodukte effektiv am Eindringen in den Innenraum der Kammer 14 gehindert werden und die Kammer "lit so hohen Feldstärken betriebe, wird, daß ein Sättigungsstrom erreicht wird, ist praktisch nur eine Ionenstromstärke möglich, unabhängig von der Spannung (unter konstanten Umgebungsbedxngungen).
Die Kammern 12 und 14 sind so in Reihe über die Anschlüsse 16 und 18 geschaltet, daß die praktisch konstante Spannung V_, einer mit den Anschlüssen verbundenen Batterie über der Schaltung, bestehend aus den beiden Kammern, anliegt. Da die Bezugskammer 14 absichtlich so konstruiert ist, daß sie im Sättigungsbetrieb ar-
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beitet, fließt offensichtlich zu jeder Zeit ein konstanter Ionenstrom durch die Kammer 14. Da die Kammern 12 und 14 in Reihe geschaltet sind fließt jederzeit auch der gleiche Ionenstrom durch die Meßkammer 12. Bei Abwesenheit von Rauch wird daher der Spannungsabfall über der Kammer 12 einen Wert entsprechend dem Ionenstrom besitzen. Wenn jedoch Aerosole oder Verbrennungsprodukte in die Kammer 12 eintreten, dann wird der Widerstand der Kammer 12 ansteigen und daher eine Änderung des Spannungsabfalls über der Kammer 12 erzeugen, um den Sättigungsstromfluß aufrecht zu erhalten, welcher durch die im Sättigungsbetrieb arbeitende Bezugskammer 14 hervorgerufen wird. Unter diesen Umständen wird der Spannungsabfall über der Bezugskammer 14 absinken, um den gesamten Spannungsabfall gleich der Batteriespannung an den Anschlüssen 16 und 18 zu halten. Es ist daher ersichtlich, daß die Spannung am Verzweigungspunkt 32 zwischen den Kammern 12 und 14 die Konzentration der in der Luft mitgeführten Verbrennungsprodukte im Innern der Kammer 12 anzeigt. Diese Spannung wird erfaßt oder gemessen, und es wird eine Warneinrichtung betätigt, wenn die Spannung mit dem Vorhandensein einer vorbestimmten Mindestmenge von Rauch oder ähnlichen Stoffen im Innern der Kammer 12 konsistent ist.
Der Rauchdetektor enthält einen MOSFET-Feldeffekttransistor mit Verstärkungseffekt (enhancement type), dessen Gate an den Verzweigungspunkt 32 zwischen den Kammern 12 und 14 gekoppelt ist. Die Source des MOSFET-Transistors 34 ist mit dem positiven Anschluß 16 verbunden und der Drain des MOSFET-Transistors ist über Reihenwiderstände 36 und 38 mit dem negativen Anschluß 18 verbunden. Eine Schaltereinrichtung mit hohem Verstärkungsgrad umfaßt ein Paar von in Kaskade geschalteten Thyristoren, die dadurch an den MOSFET-Transistor 34 gekoppelt sind, daß das Gate oder die Steuerelektrode des ersten Thyristors 40 mit dem Verzweigungspunkt 42 zwischen den beiden Reihenwiderständen 36 und 38 verbunden ist. Die Kathode des ersten Thyristors 40 ist einmal mit dem Gate des zweiten Thyristors 44 und über einen Widerstand 46 mit dem negativen Anschluß 18 verbunden. Der zweite Thyristor 44 ist in Reihe mit einer Hornanordnung 50 über die
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Anschlüsse 16 und 18 geschaltet. Zwischen der Anode des ersten Thyristors 40 und der Hornanordnung 50 ist ein Widerstand 52 vorgesehen, über den Anschlüssen 16 und 18 ist ein Kondensator vorhanden, um schnelle Änderungen der Versorgungsspannung während der Betätigung des Horns 50 zu verhindern.
Wenn in der Meßkairuner 12 kein Rauch oder andere in der Luft mitgeführte Verbrennungsprodukte vorhanden sind, dann ist die Spannung über der Meßkammer 12 kleiner als die Schwellwertspannung des MOSFET-Transistors 34. Da der MOSFET-Transistor 34 ein solcher Transistor des Typs mit Verstärkungseffekt ist, bedeutet dies, daß der MOSFET-Transistor unter diesen Verhältnissen praktisch gesperrt ist (nicht stromdurchlässig ist). Da der MOSFET-Transistor 34 praktisch gesperrt ist, erfolgt praktisch kein Stromfluß durch die Widerstände 36 und 38 und der Verzweigungspunkt 42 wird auf einer Spannung gehalten, die praktisch gleich der Spannung am negativen Anschluß 18 ist. Infolgedessen wird der erste Thyristor 40 in seinem gesperrten oder nichtleitenden Zustand gehalten. Da der erste Thyristor 40 keinen Strom durchläßt, wird das Gate des zweiten Thyristors 44 ebenfalls auf der Spannung des negativen Anschlusses 18 gehalten. Dies bedeutet, daß der Thyristor 44 gesperrt bleibt und das Horn 50 nicht betätigt wird. Es ist zu beachten, daß alle Elemente der Meß- und Schaltereinrichtung unter diesen Verhältnissen gesperrt oder abgeschaltet sind und daher keine kontinuierliche Strombelastung für eine Batterie darstellen, welche über die Anschlüsse 16 und 18 geschaltet ist.
Wenn Rauch oder andere Verbrennungsprodukte in die Kammer 12 eintreten, dann wird die Spannung über der Kammer 12 und über der Strecke Source-Gate des MOSFET-Transistors 34 ansteigen und daher fortschreitend den MOSFET 34 einschalten. Die Schaltungselemente können so gewählt und eingestellt werden, daß ein vorgewählter Stromdurchlaßzustand durch den MOSFET-Transistor 34 erreicht wird, wenn 2 % Rauch in der Meßkammer 12 vorhanden sind. Dabei wird der vorgewählte Stromdurchlaßzustand erreicht, wenn die Spannung am Verzweigungspunkt 32 konsistent ist mit der Anwesenheit von mindestens 2 % Rauch in der Kammer 12. Mit anderen
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Worten wird der MOSFET-Transistor 34 mit der vorgewählten Stromstärke immer dann Strom durchlassen, wenn die Rauchkonzentration im Innern der Kammer bei oder über dem vorgewählten Auslösepunkt liegt (2 %). Durch richtige Auswahl und Einstellung der Bauteile kann erreicht werden, daß der MOSFET-Transistor 34 den vorgewählten Wert des Stromdurchlasses bei jedem gewünschten Mindestwert der Rauchkonzentration erreicht. Wenn der MOSFET-Transistor 34 einmal den vorgewählten Stromdurchlaßwert erreich dann bewirkt der Stromfluß durch die Widerstände 36 und 38 einen ausreichenden Anstieg der Spannung am Verzweigungspunkt 42 zum Einschalten des ersten Thyristors 40. Infolge des Stromflusses durch den Thyristor 40 und den Widerstand 46 ergibt sich eine ausreichende Spannung an dem Gate des Thyristors 44, welche ausreicht zur Einschaltung des Thyristors 44 und damit zur Betätigung des Horns 50. Wenn die Rauchkonzentration in der Kammer 12 unter den vorgewählten Auslösepunkt absinkt, dann wird die Spannung am Verzweigungspunkt 32 ansteigen und die Spannung zwischen Source und Gate an dem MOSFET-Transistor 34 wird daher unter den Wert abfallen, welcher benötigt wird, um den vorgewählten Wert des Stromdurchlasses durch den MOSFET-Transistor 34 und die Widerstände 36 und 38 aufrecht zu erhalten. Dies bedeutet, daß die Spannung am Verzweigungspunkt 42 ebenfalls abfällt und der Thyristor 40 wird dann abschalten oder sperren, wenn sein Strom unter den Haltewert sinkt (infolge der periodischen Unterbrechung der normalerweise geschlossenen Hornkontakte während der Betätigung des Horns). Hierdurch wird wiederum bewirkt, daß der zweite Thyristor 44 sich selbst abschaltet oder sperrt und auch das Horn 50 abschaltet. Eine ausführlichere Beschreibung des zuvor beschriebenen- Rauchdetektors ist in der gleichzeitig hinterlegten deutschen Patentanmeldung P (Anmelderzeichen: 3982-6D-4637) der Anmelderin enthalten.
Das soeben beschriebene Rauchdetektorgerät und Warngerät erfordert für seinen zuverlässigen Be~trieb, daß eine mit den Anschlüssen 16 und 18 verbundene Batterie zu allen Zeiten eine ausreichende Energiereserve besitzt, um sowohl die Meßfunktion als auch die Warnfunktion des Rauchdetektors 10 aufrecht zu er-
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halten. Wenn man eine Entladung der Batterie zuläßt, dann würde im Falle eines Feuers der Rauchdetektor 10 das Horn 50 nicht betätigen und damit eine Warnung geben. Es ist daher wichtig, daß Einrichtungen zur Überwachung des Energiezustandes der Batterie und zur Erzeugung entsprechender Warnsignale vorgesehen sind, wenn die Energie der Batterie auf einen vorgegebenen Wert abfällt. Es ist weiterhin erwünscht, daß das Detektor- und Warnsystem für die Batterieenergie nicht nur eine vorübergehende Warnung liefert sondern auch eine dauernde Warnung. Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Detektor- und Warnsytem erreicht, das nachstehend beschrieben wird. Wie bereits zuvor ausgeführt, sind handelsmäßig Batterien erhältlich, die durch einen schnellen und dauerhaften Abfall der Ausgangsspannung der Batterie nach Entnahme eines vorgegebenen Teils der Anfangsenergie der Batterie gekennzeichnet sind. Eine solche Batterie ist die Batterie Mallory Modell iir. 304116 mit einer Anfangsspannung von 12,3 Volt. Bei Entnahme von etwa 60 % ihrer Gesamtenergie sinkt diese Ausgangsspannung auf etwa 10,6 Volt ab. Diese letztere Spannung wird dann praktisch solange beibehalten, bis die Batterie vollste: idig entladen ist. Durch Auslegung des Rauchdetektors und Warnteils des Rauchdetektors 10 für einen befriedigenden Betrieb in einem Spannungsbereich zwischen 12,3 und 10,9 Volt kann der Dauerspannungsabfall der Batterie dazu verwendet werden, Warnsignale für einen niedrigen Energiezustand der Batterie auszulösen, während die Rauchmeßfunktion und die Rauchwarnfunktion noch voj L betriebsfähig sind.
Das Detektor- und Warnsystem für einen niedrigen Energiezustand der Batterie enthält eine Zenerdiode 70 und ein Paar von Widerständen 72 und 74, die in Reihe über die Anschlüsse 16 und 18 geschaltet sind. Die Zenerdiode 70 hält einen vorgegebenen Spannungsabfall bei allen Batteriespannungen aufrecht, so daß über den Widerständen 72 und 74 der volle Spannungsabfall erfolgt, wenn die Spannung der mit den Anschlüssen 16 und 18 verbundenen Batterie absinkt. Wenn beispielsweise die Spannung über den Anschlüssen von 12,3 auf 10,5 Volt absinkt und die Zenerdiode einen Spannungsabfall von 10 Volt beibehält, dann wird die Spannung über den Widerständen 72 und 74 von 2,3 Volt auf 0,5 Volt
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absinken. Mit anderen Worten bewirkt ein Spannungsabfall von 15 % an den Anschlüssen 16 und 18 einen Spannungsabfall von 78 % über den Widerständen 72 und 74. Ein Verbindungspunkt 76 zwischen den Widerständen 72 und 74 ist mit der Basis eines NPN-Transistors 78 verbunden, dessen Emitter mit dem Anschluß 18 und dessen Kollektor mit einem Verzweigungspunkt 80 verbunden ist. Ein Kondensator 82 ist zwischen den Verzweigungspunkt 80 und den Anschluß 18 geschaltet und ein Widerstand 84 ist zwischen den Verzweigungspunkt 80 und den Anschluß 16 geschaltet. Der Verzweigungspunkt 80 ist auch noch mit der Anode eines programmierbaren Unijunktions-Transistors (PUT) 86 verbunden, dessen Kathode über einen Widerstand 88 mit dem Gate oder der Steuerelektrode des Thyristors 44 verbunden ist. Die Kathode des Transistors (PUT) 36 ist auch noch mit dem GaL^ eines Thyristors verbunden, der in Reihe mit einer Spule 92 und einem Paar von Ruhekontakten oder normalerweise geschlossenen Kontakten 94 geschaltet ist. Ein bewegliches Anzeigeelement 96 ist in Figur schematisch dargestellt und ist mit den Kontakten 94 so gekoppeLt, daß die Kontakte 94 geschlossen sind, wenn sich das Anzeigeelement in einer ersten Stellung befindet, und die Kontakte geöffnet sind, wenn das Anzeigeelement in einer zweiten Stellung ist. Wie durch die Linie 98 angedeutet, wird die Stellung des Anzeigeelementes 96 in einer noch nachstehend beschriebenen Weise durch die Spule 92 gesteuert. Das Gate oder die Steuerelektrode des PUT-Transistors 86 ist mit einem Verzweigungspunkt 100 zwischen den beiden Widerständen 102 und 104 verbunden, welche über die Anschlüsse 16 und 18 geschaltet sind.
Eine Form der Anordnung aus Spule und Anzeigeelement nach Figur 1 ist in Figur 2 abgebildet. Wie in Figur 2 gezeigt, ist ein Anzeigeelement oder eine Fahne 96' schwenkbar um eine Achse zur Bewegung zwischen einer ersten, durch gestrichelte Linien angedeuteten Stellung und einer zweiten, durch ausgezogene Linien gezeigten Stellung befestigt. Eine Feder 112 ist um die Achse gewickelt und zwischen einer ersten Oberfläche 114 am Gehäuse des Rauchdetektors und einer Auflagefläche 116 an dem Anzeigeelement 96' festgelegt, so daß die Feder eine Vorspannung des Anzeigeelementes oder der Fahne 96" in Richtung der zweiten, mit
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ausgezogenen Linien dargestellten Stellung bewirkt. Die Fahne 96' trägt einen leitenden Streifen 118, welcher die Kontakte 94 nur dann verschließt, wenn sie sich in ihrer ersten Stellung befindet. Die Spule 92 ist eine Teil eines elektromagnetischen Relais einschließlich eines beweglichen Verriegelungselementes 120, das eine erste, durch gestrichelte Linien dargestellte Stellung und eine zweite, durch ausgezogenen Linien dargestellte Stellung besitzt, sowie eine Feder 122 zur Vorspannung des Verriegelungselementes in die erste Stellung. Wenn sich die Fahne 96' und das Verriegelungselement 120 beide in ihrer ersten, durch gestrichelte Linien dargestellten Stellung befinden, dann ist ein Ansatz 124 auf der Fahne 96' in Eingriff mit einem Ansatz 125 an dem Verriegelungselement 120 und hierdurch wird verhindert, daß die Feder 112 die Fahne 96' in ihre zweite Stellung bewegt. Die äußere Wand 130 des Rauchdetektorgehäuses besitzt vorzugsweise einen Schlitz 132, durch welchen das Anzeigeelement 96' in seiner zweiten Stellung herausragen kann und dann eine Warnung dafür gibt, daß die Batterieenergie niedrig ist. Die Fahne 96' kann beispielsweise eine geeignete Warnung enthalten, beispielsweise "jetzt Batterie austauschen", um den Besitzer zu warnen, daß die Batterieenergie niedrig ist. Wenn sich jedoch die Lahne in ihrer ersten, durch gestrichelte Linien dargestellten Stellung befindet, dann kann sie von dem Benutzer nicht gesehen werden. Es ist daher ersichtlich, daß die erste Stellung eine Stellung ohne Warnung und die zweite Stellung eine Warnstellung ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird nunmehr der Betrieb der Detektor-.und Warneinrichtung für die Batterieenergie beschrieben. Die Zenerdiode 70 und die Widerstände 72 und 74 werden so ausgewählt, daß die Spannung am Verzweigungspunkt oder Verbindungspunkt 76 ausreichend ist, um den Transistor . s einzuschalten, wenn die Batteriespannung über einem vorbestimmten Wert liegt, wobei die Spannung am Verzweigungspunkt nicht ausreichend ist, um den Transistor 78 stromdurchlässig zu halten, wenn die Batteriespannung unter den vorbestimmten Wert absinkt. Wenn beispielsweise beim Entladen eines bestimmten Teils ihrer Energie die BatterJespannung von 12,5 auf 10,5 Volt absinkt, dann
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können die Elemente so ausgewählt werden, daß der Transistor 78 mit dem Abschalten bei 11,5 Volt beginnt und voll abgeschaltet oder gesperrt ist, wenn die Spannung auf 10,8 Volt absinkt. Dies bedeutet, daß der Transistor 78 normalerweise Strom durchläßt und ein Stromdurchfluß zwischen den Anschlüssen 16 und 18 durch den Widerstand 84 erfolgt und die Speicherung einer Ladung auf dem Kondensator 82 verhindert wird. Wenn jedoch die Batteriespannung unter den vorbestimmten Wert absinkt, dann beginnt der Transistor 78 mit dem Sperren und es wird sich im Lauf der Zeit eine Ladung auf dem Kondensator 82 sammeln. Die Spannung am Verzweigungspunkt 80 wird schließlich auf einen Wert ansteigen, der ausreicht zum Einschalten des PUT-Transistors 86, welcher dann den Kondensator 82 schnell durch die Widerstände 88 und 89 entlädt. Die Spannung am Verzweigungspunkt 80 wird daher schnell abfallen und der PUT-Transistor 86 wird abschalten oder sperren. Da die Anschlußspannung immer noch unter dem vorbestimmten Wert liegt und der Transistor 78 mindestens teilweise gesperrt ist, wird der Kondensator 82 mit einer erneuten Aufladung über den Widerstand 84 beginnen. Infolgedessen wird der PUT-Transistor 86 erneut einschalten, sobald die Spannung am Verzweigungspunkt 80 den notwendigen Auslösewert für den Transistor 86 erreicht. Auf diese Weise werden periodisch Ausgangssignale an der Kathode des PUT-Transistors 86 erzeugt, wenn die Spannung an den Anschlüssen 16 und 18 während einer gewissen Zeit unter den vorgegebenen Wert abfällt. Wenn aus irgendeinem Grunde die Batteriespannung während einer kurzen Zeitdauer absinkt, dann wird an der Kathode PUT-Transistors 86 kein Ausgangssignal erzeugt, da keine ausreichende Zeit zur Aufladung des Kondensators 82 zur Verfügung steht, bevor der Transistor 78 erneut eingeschaltet-wird zum Entladen des Kondensators.
Zur Vereinfachung der Beschreibung kann festgestellt werden, daß die soeben beschriebene Signalerzeugungseinrichtung eine erste Schaltung 150 enthält, welche den Kondensator 82 besitzt, sowie eine mit den Anschlüssen 16 und 18 und der ersten Schaltung 150 verbundene zweite Schaltung 152 zum allmählichen Aufladen des Kondensators, wenn die Anschlußspannung oder Klemmenspannung während einer Zeitdauer unter einen vorbestimmten Wert abfällt. Weiterhin ist noch eine dritte Schaltung 154 vorgesehen, die mit der ersten
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Schaltung zur schnellen Entladung des Kondensators verbunden ist, wenn die Ladung auf dem Kondensator einen vorgegebenen Wert übersteigt. Der Fachmann wird selbstverständlich erkennen, daß die zweite und die dritte Schaltung Formen annehmen können, welche sich von der bestimmten, hier beschriebenen Form unterscheiden und trotzdem die gewünschte Funktion einer allmählichen Aufladung und einer schnellen Entladung eines Kondensators im Falle eines niedrigen Energiezustandes der Batterie ergeben.
Wenn die Spannung an den Anschlüssen 16 und 18 erstmals unter den vorgegebenen Wert absinkt und das erste Ausgangssignal an der Kathode des PUT-Transistors 86 erzeugt wird, dann ist der erzeugte Spannungsimpuls ausreichend zum Einschalten des Thyristors 90 und damit zur Stromzufuhr zur Spule 92. Wie in Figur 2 dargestellt, bewirkt die Stromzufuhr zur Spule 92, daß sich das Verriegelungselement 120 gegen die Vorspannung der Feder 122 in seine mit vollen Linien dargestellte Stellung zurückzieht und dabei das Anzeigeelement 96' freigibt. Die Feder 112 wird dann das Anzeigeelement oder die Fahne 96' in ihre zweite oder Warnstellung zwingen, in welcher die Fahne und möglicherweise eine darauf angebrachte Warnung außerhalb des Gehäuses des Rauchdetektors sichtbar werden. Wenn sich die Fahne 96' in ihre Warnstellung bewegt, dann wird der leitende Streifen 118 von den Kontakten 94 abgezogen, so daß die Kontakte 94 unterbrochen sind und die Spule 92 daher abgeschaltet wird. Der Thyristor 90 kann daher nicht eingeschaltet werden, wenn sich die Fahne 96' in ihrer Warnstellung befindet und die Kontakte 94 unterbrochen sind. Dies bedeutet, daß die Spule 92 nur bei dem ersten an der Kathode des PUT-Transistors 86 erzeugten Ausgangssignal zugeschaltet wird.
Das erste an der Kathode des PUT-Transistors 86 erzeugte Ausgangssignal wird aud! dem Gate des Thyristors 44 zur Einschaltung des Horns 50 zugeführt, das solange ertönt, wie der Thyristor 44 eingeschaltet bleibt. Aus zwei Gründen kann diese erste Betätigung des Horns 50 nicht sehr laut und nicht sehr lange erfolgen. Der erste Grund besteht darin, daß die Spule 92 gleichzeitig einen beträchtlichen Strom aus der mit den Anschlüssen 16 und 18 verbundenen Batterie entnimmt, und der zweite Grund besteht darin,
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daß die vom Kondensator 82 entladene Energie beiden Thyristoren 90 und 44 zugeführt wird. Da jedoch nach dem ersten Ausgangssignal das Anzeigeelement 96' dauernd anzeigt, besteht anschließend keine Notwendigkeit zur Einschaltung des Thyristors 90 und zur Stromzufuhr zur Spule 92. Dies wird erreicht durch die mechanische Unterbrechung der Kontakte 94 bei der Bewegung der Fahne 96' aus ihrer ersten Stellung mit Nichtwarnung in ihre zweite Warnstellung. Infolgedessen wird die Gesamtenergie jedes nachfolgenden Ausgangssignals allein dem Thyristor 44 zugeführt, der Thyristor 44 wird dadurch während einer längeren Zeitdauer eingeschaltet und das Horn 50 stellt die einzige bedeutungsvolle Belastung der Batterie dar. Dies bedeutet, daß das Hornsignal langer ertönt und lauter ist als dies der Fall wäre, wenn die Spule 92 jedesmal beim Erzeugen eines Ausgangssignals zugeschaltet würde. Weiterhin wird die Batterie langer benutzbar bleiben und Warnsignale des Horns 50 während einer längeren Zeitdauer ermöglichen, da keine Energie nutzlos zur Zuschaltung der Spule 92 bei jedem Ausgangssignal verwendet wird.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß das Anzeigeelement 96 nach dem ersten Ausgangssignal, welches durch eine schnelle Entladung des Kondensator 82 erzeugt wird, dauernd gezeigt wird. Danach werden vorübergehende Warntöne des Horns 50 bei jedem nachfolgenden Ausgangssignal erzeugt. Wenn die Batterie nicht rasch ausgetaucht wird, dann werden diese Warnsignale solange anhalten, bis die Batterieenergie vollständig erschöpft ist. Da die Bewohner des Anwesens, in dem ein Rauchdetektor 10 angebracht sein kann, während einer längeren Zeit abwesend sein können, ist es erwünscht, daß die Warnsignale eine Woche oder länger anhalten, bevor sie die Batterie vollständig entladen. Um dies zu erreichen, werden der Kondensator 82 und sein Aufladewiderstand 84 und die zugeordneten Elemente so ausgewählt, daß der Aufladezyklus etwa 30 bis 60 Sekunden benötigt, wenn der Transistor 78 voll gesperrt ist. Wenn der Kondensator 82 entladen wird, dann sind die nach dem ersten Signal folgenden Ausgangssignale ausreichend, um den Thyristor 44 und das Horn 50 während etwa 50 Millisekunden eingescnaltet zu halten. Wenn die Bewohner des
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Gebäudes, in dem sich der Rauchdetektor 10 befindet, während einer Zeit abwesend sind, die langer ist als eine Woche oder eine längere Zeitdauer zur Entleerung der Batterie, dann gibt die Fahne oder das Anzeigeelement 96' eine dauernde Sichtwarnung dafür, daß die Batterie ausgetauscht werden sollte. Wenn diese Fahne nicht vorhanden wäre, dann würden die Bewohner nicht davor gewarnt, daß der Rauchdetektor wegen einer erschöpften Batterie nicht betriebsfähig ist.
Es wurde als Ausführungsbeispiel ein Rauchdetektor mit einer Schaltung nach Figur 1 gebaut und erfolgreich betrieben. Der Detektor enthielt eine Meßkammer 12 mit einer Quelle von 1 Mikrocurie aus Americium 241 und eine Bezugskammer 14 mit einer Quelle von 2 Mikrocurie aus Americium 241. Die Kammern wurden so eingestellt, daß sie einen Sättigungsstrom von 35 Picoampere ergaben und eine Spannung von etwa 3,3 Volt über der Meßkammer 12 bei Abwesenheit von Rauch, wenn an die Anschlüsse 16 und die vorgenannte Mallory-Batterie angeschlossen wurde. Die Kammern 12 und 14 wurden weiterhin so eingestellt, daß sie eine Spannung von 4,3 Volt an das Gate des MOSFET-Transistors 34 lieferten, wenn der Rauchpegel in der Kammer 12 einen Rauchanteil von 2 % erreichte. Der MOSFET-Transistor 34 war ein Transistor des Typs 3 N 163 und die Widerstände 36 und 38 besaßen Widerstandswerte von 27 000 bzw. 15 000 Ohm. Der Thyristor 40 war ein Thyristor des Typs C 103 B und ebenso der Thyristor 44. Die Widerstände 46 bzw. 72 besaßen Widerstandswerte von 1 000 bzw. 6 800 Ohm. Das Horn 50 enthielt ein handelsmäßig erhältliches Horn Modell 16003196 der Firma Delta Electric in Marion, Indiana, parallel mit einem Kondensator 60 von 0,02 Mikrofarad und einem Widerstand 58 von 200 Ohm. Der Kondensator 62 besaß eine Kapazität von Mikrofarad. Die Zenerdiode 70 war eine Zenerdiode für 10 Volt + 2 % und die Widerstände 72 bzw. 74 besaßen Widerstandswerte von 82 000 bzw. 43 000 Ohm. Als Transistor 78 wurde ein Transistor des Typs 2N5172 verwendet, und der Kondensator 82 besaß eine Kapazität von 2,2 Mikrofarad. Die Widerstände 84, 88, 89, 102 und 104 besaßen einen Widerstandswert von 3,9x10 ,3 300, 1 000, 300 000 und 200 000 Ohm. Der PUT-Transistor 86 war ein Transistor des Typs 2N6027 und der Thyristor 90 war ein Thyristor
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des Typs C 103 B.
dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Erfindung eine verbesserte Einrichtung zur periodischen und dauernden Warnung bei einem niedrigen Energiezustand einer Batterie in einer batteriebetriebenen Einrichtung ergibt, beispielsweise einem Rauchdetektor. Die Erfindung schafft eine zuverlässige Möglichkeit zur Warnung vor einem niedrigen Energiezustand einer Batterie, ohne auf vorübergehende Vorgänge und Schwankungen in den Kenngrößen der Batterie oder anderer Systeme anzusprechen.
Vorstehend wurde die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, daß die verschiedensten Änderungen in der Form, in den Einzelheiten und der Anwendung vorgenommen werden können, ohne den weiteren Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können, wie bereits vorstehend aufgezeigt, die zweiten und dritten Schaltungsanordnungen 152 und 154 andere Formen annehmen als die bestimmten beschriebenen Formen. Weiterhin wurde die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit der Verwendung in einem Rauchdetektor beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, daß die Erfindung in gleicher Weise auch auf andere batteriebetätigte Einrichtungen anwendbar ist, in denen die Erzeugung von dauernden und vorübergehenden Warnsignalen im Falle eines niedrigen Energiezustandes der Batterie erwünscht ist.
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Leerseite

Claims (11)

Patentansprüche
1. Detektor- und Warneinrichtung zur Verwendung in einer batteriebetriebenen Einrichtung, wie einem Rauchdetektor, sowie Einrichtungen zur Erfassung des Absinkens der Batteriespannung unter einen bestimmten Wert während einer gewissen Zeit und zur Erzeugung eines Warnsignals, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt:
Anschlüsse (16, 18) zur Verbindung mit den Anschlüssen oder Klemmen einer Batterie,
eine mit diesen Anschlüssen verbundene Schaltung, die so ausgewählt ist, daß sich eine ausgewählte elektrische Kenngr-ße der Schaltung in einer bekannten Weise entsprechend den Schwankungen der Spannung einer mit den Anschlüssen (16, 18) verbundenen Batterie ändert,
eine mit dieser Schaltung verbundene Signalerzeugungseinrichtung zur Erfassung oder Messung der au.'-gewänlten elektrischen Kenngröße und zur periodischen Erzeugung eines Ausgangsignais, wenn die ausgewählte elektrische Kenngröße während einer Zeitdauer konsistent ist mit einer Batteriespannung, die unter einem vorgegebenen Wert liegt,
eine mit der Signalerzeugungseinrichtung verbundene erste Warneinrichtung (96) , welche mindestens das erste Ausgangssignal von derselben erhält und ein Dauerwarnsignal nach diesem ersten Ausgangssignal erzeugt,
sowie eine zweite Warneinrichtung (50), die mit der Signalerzeugungseinrichtung zum Empfang der Ausgangssignale derselben und zur periodischen Erzeugung von vorübergehenden Warnsignalen beim Empfang dieser Ausgangssignale gekoppelt ist.
2. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalerzeugungseinrichtung und die erste und zweite Warneinrichtung (96, 50) mit den Anschlüssen für die Batterie verbunden sind, so daß die überwachte Batterie auch die Leistung für die Detektor- und Warneinrichtung liefert.
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-Vf-
3. Detektor- und Warnsinrichtung für eine Batteriespannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Warneinrichtung (96) ein Anzeigeelement (96') umfaßt, das zwischen einer ersten Stellung ohne Warnung und einer zweiten Warnstellung beweglich ist, sowie eine Betätigungseinrichtung (92) zur Bewegung des Anzeigeelemente (96') in diese zweite Warnstellung bei Vorhandensein eines Ausgangssignals von der Signalerzeugungseinrichtung.
4. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungseinrichtung (92) elektrisch betrieben ist und die erste Warneinrichtung (96) weiterhin einen mit dem Anzeigeelement (96 l) und der Betätigungseinrichtung (92) gekoppelten Schalter (94, 118) enthält zur Steuerung der Stromzufuhr zur Betätigungseinrichtung (92), wobi-= dieser Schalter (94, 118} durch die Stellung des Anzeigeelementes (96') so gesteuert ist, daß er nur stromdurchlässig ist, wenn sich das Anzeigselement in der ersten Stellung ohne Warnung befindet, wobei die Betätigungseinrichtung (92) nur durch Erzeugen eines Ausgangssignals stromführend v/erden kann, wenn sich das Anzeigeelement (961J in der ersten Stellung ohne Warnung befindet.
5. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalerzeugungseinrichtung und die ersten und zweite Warneinrichtung mit den Anschlüssen zur Leistungszufuhr durch eine angeschlossene Batterie verbunden sind, so daß die überwachte Batterie auch die Leistung für die Detektor- und Warneinrichtung liefert.
6. Detektor- und Warneinrichtung zur Verwendung in einem batteriebetätigten Gerät, wie einem Rauchdetektor, zur Feststellung des Absinkens der Batteriespannung unter einen bestimmten Wert und zur Erzeugung eines Warnsignals in diesem Falle, dadurch gekennzeichnet , daß sie
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umfaßt:
Anschlüsse (16, 18) zur Verbindung mit den Anschlüssen einer Batterie,
eine erste Schaltung einschließlich eines Kondensators (82) ,
eine mit den Anschlüssen (16, 18) und der ersten Schaltung verbundene zweite Schaltung zur allmählichen Aufladung des Kondensators, wenn die Spannung einer mit den Anschlüssen (16, 18) verbundenen Batterie während einer Zeitdauer unter einen bestimmten Wert absinkt,
eine mit der ersten Schaltung verbundene dritte Schaltung (154) zur schnellen Entladung des Kondensators (82), wenn die Ladung auf dem Kondensator einen vorgegebenen Wert übersteigt,
sowie eine mit der dritten Schaltung verbundene Warneinrichtung zur Erzeugung eines Warnsignals bei mindestens der ersten Entladung des Kondensators (82).
7. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Warneinrichtung weiterhin eine erste Warneinrichtung (96) und eine zweite Warneinriciiuaxig (50) enthält, die beide an die dritte Schaltung (154) gekoppelt sind, wobei die erste Warneinrichtung (96) ein dauerndes Warnsignal nach der ersten Entladung des Kodensators (82) liefert und die zweite Warneinrichtung (50) ein vorübergehendes Warnsignal bei jeder Entladung des Kondensators erzeugt.
8. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schaltung (152) ein normalerweise stromdurchlässiges Schalterelement (78) enthält und die dritte Schaltung (154) ein normalerweise gesperrtes Schalterelement (86) enthält.
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9. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das normalerweise stromdurchlässige Schalterelement ein Transistor (78) parallel zum Kondensator (82) ist, wobei die zweite Schaltung weiterhin eine Zenerdiode (70) und einen Spannungsteiler (72, 74) enthält, welche in Reihe über die Anschlüsse (16, 18) geschaltet sind, wobei die Basis des Transistors (78) mit dem Spannungsteiler (72, 74) an einem Punkt (76) verbunden ist, an dem die Spannung ausreichend ist, um den Transistor (78) stromdurchlässig zu halten, wenn die Spannung eine: mit den Anschlüssen (16, 18) verbundenen Batterie oberhalb des bestimmten Wertes liegt, und nicht ausreichend ist, um den Transistor (78) stromdurchlässig zu halten, wenn die Spannung einer mit den Anschlüssen (16, 18) verbundenen Batterie unter den bestimmten Wert absinkt.
10. Detektor- und Warneinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das normalerweise gesperrte Schaltelement ein programmierbarer UnijunktLons-Transistor (78) ist, dessen Anode mit dem Kondensator (82) und dessen Steuerelektrode oder Gate mit einer Quelle für eine relativ feste Spannung verbunden ist, welche wesentlich über der Spannung des Kondensators (82) im entladenen Zustand liegt, wobei die Kathode des Transistors (78) mit der Warneinrichtung verbunden ist und der Thyristor (90) nur dann Strom führt, wenn die Spannung an dem Kondensator (82) beträchtlich die Spannung der Quelle mit relativ fester Spannung übersteigt.
11. Detektor- und Warneinrichtung für Batteriespannung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Warneinrichtung weiterhin eine erste Warneinrichtung (96) enthält, welche mit dem Thyristor (90) zur Erzeugung eines dauernden Warnsignals nach der ersten Entladung des Kondensators (82) über den Thyristor (90) gekoppelt ist, sowie eine zweite Warneinrichtung (50), die mit dem Thyristor zur Erzeugung eines vorübergehenden Warnsignals bei jeder Entladung des Kondensators (82) durch den Thyristor gekoppelt ist.
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