EP0986039A1 - Device for supplying power to a current loop transmitter - Google Patents

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EP0986039A1
EP0986039A1 EP98116881A EP98116881A EP0986039A1 EP 0986039 A1 EP0986039 A1 EP 0986039A1 EP 98116881 A EP98116881 A EP 98116881A EP 98116881 A EP98116881 A EP 98116881A EP 0986039 A1 EP0986039 A1 EP 0986039A1
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EP
European Patent Office
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voltage
current
charge pump
regulator
output
Prior art date
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German (de)
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EP0986039B1 (en
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Robert Dr. Lalla
Ronald. Schreiber
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for signal transmission between a receiving station and one Transmitter station and for the power supply of the transmitter station.
  • Such a circuit arrangement is known from EP-A-0 744 724 known in which the two stations through a two-wire line are connected via the one between two limit values variable analog signal current is transmitted, the one detected in the transmitter by a sensor Measured value represents and for the operation of the transmitter forms the required supply current.
  • the transmitter station has a circuit that is constant Operating voltage generated for the transmitter station, and them contains a controllable power source that is connected to the Two-wire current flowing depending on the Measured value determined and that from a supply voltage source is fed in the receiving station. It takes place the transmitter station has a voltage at its two inputs before, depending on the choice of the supply voltage source in can vary widely. For transmission of measured values the transmitter station ideally controls its input current so that it only depends on the measured value.
  • the supply the sending station is done exclusively via the Two-wire line, the input voltage in general is greater than the internally required supply voltage. In the transmitting station is therefore the input voltage by a Linear regulator to the internally required supply voltage reduced. But this is the one available Supply current through the input current of the transmitter station limited. However, this limitation is flexibility regarding the use of the sensors and signal evaluation circuits limited in the transmitting station since it it may also be desirable to use sensors who need a larger current than you via the two-wire line can be supplied.
  • the invention is therefore based on the object of providing a signal transmission and power supply arrangement which with regard to the sensors and signal processing units that can be used is very flexible in the transmitting station and with regard to the power supply to the respective circumstances can be adjusted.
  • the invention provides an arrangement for signal transmission between a receiving station and a transmitting station and for supplying power to the transmitting station created where these two stations together are connected by a two-wire line via which an analog one that varies between two limit values Signal stream is transmitted to the one in the transmitter station represented by a sensor and the measured value for operation of the transmitter station forms, the transmitting station having a circuit which generates a constant operating voltage for the transmitter station, and a controllable current source in the transmitting station is provided, which over the two-wire line flowing current determined depending on the measured value and that from a supply voltage source in the receiving station is fed with the power source on Series current regulator is the one from the supply voltage source is fed in the receiving station, with the output the power source is connected to a charge pump, which from the voltage occurring at the output of the current source for the Operation of the sensor and a signal processing circuit connected to it generates the required operating voltage, and with the input or the output of the charge pump a parallel regulator to keep the input voltage constant or the output voltage of the charge
  • a series regulator is provided.
  • the power source is from a Voltage regulator bridges the one in a start-up phase Provides input voltage for the charge pump, the Power source is designed so that it is in the start-up phase delivers an output current only when the charge pump outputs an output voltage sufficient for its operation, wherein the voltage regulator is designed so that it in a locked state passes as soon as the output voltage the operating voltage is reached.
  • the charge pump has a voltage transfer factor ⁇ 1.
  • the arrangement for signal transmission shown in Figure 1 contains a receiving station 10 and a transmitting station 12, which are connected to each other via a two-wire line 14 are. There is a signal evaluation circuit in the receiving station 10 16, the symbolic as an ammeter is shown because of the two-wire line 14 to Receiving station 10 flowing current of the electrical to be evaluated Parameter is.
  • the receiving station 10 also contains a supply voltage source 18 which is required for operation the signal transmission arrangement both on the receiving side and also provides the energy required on the transmission side.
  • the transmitting station 12 contains a sensor 20, which in a process detects a process variable, for example a temperature, a pressure, a fill level or the like, as a measured value.
  • the sensor 20 outputs its output signal, which represents the measured value, to a signal processing circuit 22, which generates a control signal proportional to the measured variable detected by the sensor 20.
  • a circuit 24 contained in the transmitting station 12 generates the operating voltage required for the operation of the signal processing circuit 22 and the sensor 20, and at the same time sets the current flowing over the two-wire line 14 to one of the sensor 20 under the control of the control signal supplied to its input 25 measured value proportional current value I in .
  • Its inputs 26 and 28 are connected to the two-wire line 14, while its outputs 30 and 32, at which it outputs the constant operating voltage, are connected to the supply voltage connections of the signal processing circuit 22 and the sensor 20.
  • the structure of the circuit 24 is shown in a schematic diagram in FIG.
  • the circuit contains a current source 34 which is designed as a series current regulator.
  • the current set via the control signal at input 25 is kept constant at the set value by the series current controller, the voltage drop used at a measuring resistor 36 through which the set current flows being used as a reference variable.
  • a voltage U V results due to the internal resistance of the other circuit parts .
  • This voltage serves as a supply voltage for a charge pump 38, which delivers a voltage U out at its output, which represents the supply voltage for the signal processing circuit 22 and the sensor 20.
  • This output voltage U out is kept constant by means of a voltage regulator 40 designed as a parallel regulator.
  • the charge pump 38 conventionally consists of a Row of switches 38.1 - 38.4 and capacitors C1, C2, C3 and a control circuit 39 which switches 38.1 - 38.4 so control (open and close) that the capacitor C3 a charging voltage occurs that corresponds to the desired output voltage corresponds.
  • the structure of the charge pump is in Figure 3 and shown in Figure 5 only schematically, because Structure and mode of operation of such circuits to the expert in different versions are known (for example from "Semiconductor Circuit Technology" by U. Tietze and Ch. Schenk, 1991, pp. 570, 571).
  • the control signal at the input 25 sets the series current regulator 34 to a higher current value than can be derived from the charge pump 38, this current can be derived via an additional circuit unit 42, which acts as a voltage limiting circuit.
  • the higher current supplied by the series current regulator 34 results in a higher voltage U V , and the voltage limiting circuit 42 can be designed so that it responds when a predetermined voltage value is exceeded and derives the excess current while achieving a voltage limitation.
  • the circuit of Figure 2 enables within wide limits the setting of current and voltage values for the Operation of the signal processing circuit 22 and the sensor 20 in the transmitting station. Then an estimate the operating limits of the circuit shown in Figure 2 spelled out.
  • U InMin U VBypass + U I Reg
  • the series current regulator 34 can be operated with the output voltage U Out . However, special precautions must then be taken so that the circuit 24 starts up and supplies the required output voltage. For this purpose, there is the possibility of designing the series current regulator 34 in such a way that it supplies a possibly unregulated current to the charge pump 38 without its own supply voltage. The charge pump 38 is then able to generate an output voltage U Out . The series current controller 34 can then be operated with this output voltage.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram in which the basic structure of the series current controller 34, the Voltage limiting circuit 42, the charge pump 38 and of the voltage regulator 40 are shown. But be there noted that the structure of the respective circuit units is given only as an example. On the the respective structure is not important for the invention. Crucial are only the function of the invention individual circuit units and their interaction with the other circuit units.
  • the series current regulator 34 is, according to FIG. 3, a simple series regulator which maintains the current flowing through the transistor T at a constant value which can be set via the operational amplifier OP by means of the control signal at the input 25.
  • the resistor R located in the current regulator 34 between the emitter and collector of the transistor T has the purpose of enabling the circuit to start up. A small current can flow through this resistor R, even when the transistor T is blocked, which is sufficient as a starting current for the circuit.
  • the voltage limiting circuit 42 is merely a zener diode, which limits the voltage occurring at the output of the current regulator 34 to a constant value. Depending on its design, the charge pump can achieve almost any voltage and current translations.
  • the charge pump circuit shown is only one example; the structure and function of such charge pumps is known to the person skilled in the art and can be found in numerous references.
  • the voltage regulator circuit 40 is also only a Zener diode, which keeps the value of the output voltage U Out constant.
  • FIG. 4 shows in a block diagram how the circuit can be put into operation in such a case.
  • This circuit contains a current regulator 44, which is initially blocked without its own operating voltage, that is to say it cannot deliver any current to the charge pump 38.
  • the voltage regulator 46 is designed such that when the voltage value U V is reached at the output of the series current regulator 44, it is no longer effective, but rather changes into a blocked state in which it no longer bridges the current regulator 44.
  • FIG. 5 shows a more precise circuit diagram that can be recognized lets how the individual components of the circuit of Figure 4 can be constructed. It can be seen that the series current controller 44 except one to be explained Difference, the voltage limiting circuit 42, the Charge pump 38 and voltage regulator circuit 40 as well as constructed in the circuit of Figure 3. It is only the voltage regulator 46 has been added, which, like that Circuit diagram shows, as a series voltage regulator is constructed. In the series current regulator 44, the transistor T is not as in the Series current regulator 34 bridged by a resistor. This resistance is not necessary in this case because here the voltage regulator 46 starts the circuit enables.
  • both the Input voltage as well as the output voltage of the charge pump 38 kept constant.
  • the mentioned voltage limiting circuit 42 used is nothing more than a parallel controller.
  • Even the output side used circuit to keep the Output voltage of the charge pump 38 is a parallel regulator. But it is also possible to keep the input voltage constant to dispense with the charge pump 38, which is only requires to use a charge pump with larger input voltages or input currents work can.
  • the charge pump input voltage is kept constant can keep the output voltage constant Charge pump can be dispensed with if a load dependency the output voltage can be tolerated.
  • Using of two voltage regulators at the input and at the output of the Charge pump 38 it is possible to use one of the two regulators Train series regulator.
  • charge pump has a voltage transfer factor of 1/2, which means that it is a Halving the voltage and doubling the current causes.
  • charge pumps can also be used with others Voltage transfer factors are used if others Voltage and current ratios are desired.
  • a transmission factor ⁇ 1 is used because it is an increased Electricity provided at the outlet of the charge pump can be.
  • Circuits have the advantage that they can be used as integrated circuits can be built and that they enable the different in an extremely flexible way To deliver currents and voltages in the transmitter station for the operation of the respective sensor and its Processing circuit receiving output signal required become.
  • This excellent integrability of all design variants is mainly due to the fact that in the circuits are not inductors, but essentially only well integrated capacitors ( ⁇ 1nF) for Come into play.

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Abstract

The signal transmission and current supply device uses a 2-wire line between the transmission station and the reception station, for transmission of an analogue signal current which lies between 2 limit values, representing a parameter value provided by a sensor at the transmission station and simultaneously acting as the supply current for the latter. The transmission station has a controlled current source (34) provided by a series current regulator, coupled to a charge pump (38) providing the operating voltage for the sensor and an associated signal processor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Empfangsstation und einer Sendestation sowie zur Stromversorgung der Sendestation.The invention relates to an arrangement for signal transmission between a receiving station and one Transmitter station and for the power supply of the transmitter station.

Aus der EP-A-0 744 724 ist eine solche Schaltungsanordnung bekannt, bei der die beiden Stationen durch eine Zweidrahtleitung verbunden sind, über die ein zwischen zwei Grenzwerten veränderlicher analoger Signalstrom übertragen wird, der einen in der Sendestation von einem Sensor erfaßten Meßwert repräsentiert und den für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Versorgungsstrom bildet. Die Sendestation weist dabei eine Schaltung auf, die eine konstante Betriebsspannung für die Sendestation erzeugt, und sie enthält eine steuerbare Stromquelle, die den über die Zweidrahtleitung fließenden Strom in Abhängigkeit von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle in der Empfangsstation gespeist wird. Dabei findet die Sendestation an ihren beiden Eingängen eine Spannung vor, die je nach Wahl der Versorgungsspannungsquelle in weiten Bereichen variieren kann. Zur Meßwertübertragung regelt die Sendestation ihren Eingangsstrom in idealer Weise so, daß dieser nur vom Meßwert abhängig ist. Die Versorgung der Sendestation erfolgt dabei ausschließlich über die Zweidrahtleitung, wobei die Eingangsspannung im allgemeinen größer als die intern benötigte Versorgungsspannung ist. In der Sendestation wird daher die Eingangsspannung durch einen Linearregler auf die intern benötigte Versorgungsspannung herabgesetzt. Damit ist aber der zur Verfügung stehende Versorgungsstrom durch den Eingangsstrom der Sendestation begrenzt. Durch diese Einschränkung ist aber die Flexibilität hinsichtlich der Verwendung der Sensoren und Signalauswertungsschaltungen in der Sendestation begrenzt, da es durchaus auch erwünscht sein kann, Sensoren zu verwenden, die einen größeren Strom benötigen als ihr über die Zweidrahtleitung zugeführt werden kann.Such a circuit arrangement is known from EP-A-0 744 724 known in which the two stations through a two-wire line are connected via the one between two limit values variable analog signal current is transmitted, the one detected in the transmitter by a sensor Measured value represents and for the operation of the transmitter forms the required supply current. The transmitter station has a circuit that is constant Operating voltage generated for the transmitter station, and them contains a controllable power source that is connected to the Two-wire current flowing depending on the Measured value determined and that from a supply voltage source is fed in the receiving station. It takes place the transmitter station has a voltage at its two inputs before, depending on the choice of the supply voltage source in can vary widely. For transmission of measured values the transmitter station ideally controls its input current so that it only depends on the measured value. The supply the sending station is done exclusively via the Two-wire line, the input voltage in general is greater than the internally required supply voltage. In the transmitting station is therefore the input voltage by a Linear regulator to the internally required supply voltage reduced. But this is the one available Supply current through the input current of the transmitter station limited. However, this limitation is flexibility regarding the use of the sensors and signal evaluation circuits limited in the transmitting station since it it may also be desirable to use sensors who need a larger current than you via the two-wire line can be supplied.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Signalübertragungs- und Stromversorgungsanordnung zu schaffen, die hinsichtlich der verwendbaren Sensoren und Signalaufbereitungseinheiten in der Sendestation sehr flexibel ist und hinsichtlich der Stromversorgung an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a signal transmission and power supply arrangement which with regard to the sensors and signal processing units that can be used is very flexible in the transmitting station and with regard to the power supply to the respective circumstances can be adjusted.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung eine Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Empfangsstation und einer Sendestation sowie zur Stromversorgung der Sendestation geschaffen, bei der diese beiden Stationen miteinander durch eine Zweidrahtleitung verbunden sind, über die ein zwischen zwei Grenzwerten veränderlicher analoger Signalstrom übertragen wird, der einen in der Sendestation von einem Sensor erfaßten Meßwert repräsentiert und den für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Versorgungsstrom bildet, wobei die Sendestation eine Schaltung aufweist, die eine konstante Betriebsspannung für die Sendestation erzeugt, und wobei in der Sendestation eine steuerbare Stromquelle vorgesehen ist, die den über die Zweidrahtleitung fließenden Strom in Abhängigkeit von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle in der Empfangsstation gespeist wird, wobei die Stromquelle ein Serienstromregler ist, der aus der Versorgungsspannungsquelle in der Empfangsstation gespeist wird, mit dem Ausgang der Stromquelle eine Ladungspumpe verbunden ist, die aus der am Ausgang der Stromquelle auftretenden Spannung die für den Betrieb des Sensors und einer mit diesem verbundenen Signalverarbeitungsschaltung erforderliche Betriebsspannung erzeugt, und mit dem Eingang oder dem Ausgang der Ladungspumpe ein Parallelregler zum Konstanthalten der Eingangsspannung bzw. der Ausgangsspannung der Ladungspumpe verbunden ist.To achieve this object, the invention provides an arrangement for signal transmission between a receiving station and a transmitting station and for supplying power to the transmitting station created where these two stations together are connected by a two-wire line via which an analog one that varies between two limit values Signal stream is transmitted to the one in the transmitter station represented by a sensor and the measured value for operation of the transmitter station forms, the transmitting station having a circuit which generates a constant operating voltage for the transmitter station, and a controllable current source in the transmitting station is provided, which over the two-wire line flowing current determined depending on the measured value and that from a supply voltage source in the receiving station is fed with the power source on Series current regulator is the one from the supply voltage source is fed in the receiving station, with the output the power source is connected to a charge pump, which from the voltage occurring at the output of the current source for the Operation of the sensor and a signal processing circuit connected to it generates the required operating voltage, and with the input or the output of the charge pump a parallel regulator to keep the input voltage constant or the output voltage of the charge pump is connected.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe ein weiterer Parallelregler vorgesehen.According to a first embodiment of the invention is additional to the parallel controller at the input or at the output of the Charge pump on the other side of the charge pump another parallel controller is provided.

Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe ein Längsregler vorgesehen.According to a second embodiment of the invention is additional to the parallel controller at the input or at the output of the Charge pump on the other side of the charge pump a series regulator is provided.

In einer Weiterbildung ist die Stromquelle durch einen Spannungsregler überbrückt, der in einer Anlaufphase eine Eingangsspannung für die Ladungspumpe liefert, wobei die Stromquelle so ausgebildet ist, daß sie in der Anlaufphase erst dann einen Ausgangsstrom liefert, wenn die Ladungspumpe eine für seinen Betrieb ausreichende Ausgangsspannung abgibt, wobei der Spannungsregler so ausgelegt ist, daß er in einen gesperrten Zustand übergeht, sobald die Ausgangsspannung die Betriebsspannung erreicht.In one development, the power source is from a Voltage regulator bridges the one in a start-up phase Provides input voltage for the charge pump, the Power source is designed so that it is in the start-up phase delivers an output current only when the charge pump outputs an output voltage sufficient for its operation, wherein the voltage regulator is designed so that it in a locked state passes as soon as the output voltage the operating voltage is reached.

In einer Weiterbildung hat die Ladungspumpe einen Spannungsübertragungsfaktor < 1.In one development, the charge pump has a voltage transfer factor <1.

Durch die Verwendung der Kombination aus Strom- und Spannungsreglern in Verbindung mit einer Ladungspumpe lassen sich in weiten Grenzen die für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Strom- und Spannungswerte einstellen, so daß eine hohe Flexibilität hinsicht der verwendbaren Sensoren erreicht wird. Insbesondere können in der Sendestation Schaltungseinheiten zur Anwendung kommen, die einen Versorgungsstrom benötigen, der größer als der Strom ist, der als maximaler Signalstrom über die Zweidrahtleitung zur Empfangsstation fließen darf. Hervorzuheben ist als Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung auch ihre leichte Integrierbarkeit. Sie enthält keine Induktivitäten, sondern im wesentlichen Kondensatoren, die mit Kapazitäten < 1nF leicht in integrierter Form hergestellt werden können.By using the combination of current and voltage regulators leave in connection with a charge pump are within wide limits for the operation of the transmitter station set the required current and voltage values so that a high degree of flexibility with regard to the sensors that can be used is achieved. In particular, in the transmitting station Circuit units are used that have a supply current need that is greater than the current that as the maximum signal current over the two-wire line to Receiving station may flow. It should be emphasized as an advantage the arrangement according to the invention is also easy to integrate. It contains no inductors, but essentially Capacitors with capacities <1nF easily can be produced in an integrated form.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
eine schematische Übersichtsdarstellung einer Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Sendestation und einer Empfangsstation, in der die Erfindung anwendbar ist,
Figur 2
ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäß aufgebauten Spannungsversorgung für die Anordnung von Figur 1,
Figur 3
ein Schaltbild der Spannungsversorgung von Figur 2, wobei die einzelnen Schaltungseinheiten beispielhaft genauer in ihrem Aufbau dargestellt sind,
Figur 4
ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Spannungsversorgung für die Verwendung in der Anordnung von Figur 1 und
Figur 5
ein Schaltbild der Spannungsversorgung von Figur 4, wobei die einzelnen Schaltungseinheiten beispielhaft in ihrem Aufbau genauer dargestellt sind.
Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Figure 1
1 shows a schematic overview of an arrangement for signal transmission between a transmitting station and a receiving station, in which the invention can be used,
Figure 2
2 shows a schematic block diagram of the voltage supply constructed according to the invention for the arrangement of FIG. 1,
Figure 3
3 shows a circuit diagram of the voltage supply from FIG. 2, the individual circuit units being shown in more detail by way of example in their construction,
Figure 4
a block diagram of a second embodiment of a power supply constructed according to the invention for use in the arrangement of Figure 1 and
Figure 5
3 shows a circuit diagram of the voltage supply from FIG. 4, the individual circuit units being shown in more detail by way of example in their construction.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung zur Signalübertragung enthält eine Empfangsstation 10 und eine Sendestation 12, die über eine Zweidrahtleitung 14 miteinander verbunden sind. In der Empfangsstation 10 befindet sich eine Signalauswertungsachaltung 16, die symbolisch als Strommesser dargestellt ist, da der über die Zweidrahtleitung 14 zur Empfangsstation 10 fließende Strom der auszuwertende elektrische Parameter ist. Ferner enthält die Empfangsstation 10 eine Versorgungsspannungsquelle 18, die die für den Betrieb der Signalübertragungsanordnung sowohl empfangsseitig als auch sendeseitig benötigte Energie zur Verfügung stellt.The arrangement for signal transmission shown in Figure 1 contains a receiving station 10 and a transmitting station 12, which are connected to each other via a two-wire line 14 are. There is a signal evaluation circuit in the receiving station 10 16, the symbolic as an ammeter is shown because of the two-wire line 14 to Receiving station 10 flowing current of the electrical to be evaluated Parameter is. The receiving station 10 also contains a supply voltage source 18 which is required for operation the signal transmission arrangement both on the receiving side and also provides the energy required on the transmission side.

Die Sendestation 12 enthält einen Sensor 20, der in einem Prozeß eine Prozeßgröße, beispielsweise eine Temperatur, einen Druck, einen Füllstand oder dergleichen als Meßwert erfaßt. Der Sensor 20 gibt sein Ausgangssignal, das den Meßwert repräsentiert, an eine Signalverarbeitungsschaltung 22, die ein der vom Sensor 20 erfaßten Meßgröße proportionales Steuersignal erzeugt. Eine in der Sendestation 12 enthaltene Schaltung 24 erzeugt die für den Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung 22 und des Sensors 20 erforderliche Betriebsspannung, und sie stellt gleichzeitig den über die Zweidrahtleitung 14 fließenden Strom unter der Steuerung durch das ihrem Eingang 25 zugeführte Steuersignal auf einen dem vom Sensor 20 erfaßten Meßwert proportionalen Stromwert Iin. Ihre Eingänge 26 und 28 sind mit der Zweidrahtleitung 14 verbunden, während ihre Ausgänge 30 und 32, an denen sie die konstante Betriebsspannung abgibt, mit den Versorgungsspannungsanschlüssen der Signalverarbeitungsschaltung 22 und des Sensors 20 verbunden sind.The transmitting station 12 contains a sensor 20, which in a process detects a process variable, for example a temperature, a pressure, a fill level or the like, as a measured value. The sensor 20 outputs its output signal, which represents the measured value, to a signal processing circuit 22, which generates a control signal proportional to the measured variable detected by the sensor 20. A circuit 24 contained in the transmitting station 12 generates the operating voltage required for the operation of the signal processing circuit 22 and the sensor 20, and at the same time sets the current flowing over the two-wire line 14 to one of the sensor 20 under the control of the control signal supplied to its input 25 measured value proportional current value I in . Its inputs 26 and 28 are connected to the two-wire line 14, while its outputs 30 and 32, at which it outputs the constant operating voltage, are connected to the supply voltage connections of the signal processing circuit 22 and the sensor 20.

In Figur 2 ist der Aufbau der Schaltung 24 in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Die Schaltung enthält eine Stromquelle 34, die als Serienstromregler ausgebildet ist. Der über das Steuersignal am Eingang 25 eingestellte Strom wird durch den Serienstromregler konstant auf dem eingestellten Wert gehalten, wobei als Referenzgröße der Spannungsabfall benutzt wird, der an einem vom eingestellten Strom durchflossenen Meßwiderstand 36 abgegriffen wird. Am Ausgang des Serienstromreglers 34 ergibt sich aufgrund des Innenwiderstands der weiteren Schaltungsteile eine Spannung UV. Diese Spannung dient als Versorgungsspannung für eine Ladungspumpe 38, die an ihrem Ausgang eine Spannung Uout liefert, die die Versorgungsspannung für die Signalverarbeitungsschaltung 22 und den Sensor 20 darstellt. Diese Ausgangsspannung Uout wird mittels eines als Parallelregler ausgeführten Spannungsreglers 40 konstant gehalten.The structure of the circuit 24 is shown in a schematic diagram in FIG. The circuit contains a current source 34 which is designed as a series current regulator. The current set via the control signal at input 25 is kept constant at the set value by the series current controller, the voltage drop used at a measuring resistor 36 through which the set current flows being used as a reference variable. At the output of the series current regulator 34, a voltage U V results due to the internal resistance of the other circuit parts . This voltage serves as a supply voltage for a charge pump 38, which delivers a voltage U out at its output, which represents the supply voltage for the signal processing circuit 22 and the sensor 20. This output voltage U out is kept constant by means of a voltage regulator 40 designed as a parallel regulator.

Die Ladungspumpe 38 besteht herkömmlicherweise aus einer Reihe von Schaltern 38.1 - 38.4 und Kondensatoren C1, C2, C3 sowie einer Steuerschaltung 39, die die Schalter 38.1 - 38.4 so steuern (öffnen und schließen), daß am Kondensator C3 eine Ladespannung auftritt, die der gewünschten Ausgangsspannung entspricht. Der Aufbau der Ladungspumpe ist in Figur 3 und in Figur 5 nur schematisch dargestellt, da Aufbau und Wirkungsweise solcher Schaltungen dem Fachmann in verschiedenen Ausführungen bekannt sind (beispielsweise aus "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 1991, S. 570, 571).The charge pump 38 conventionally consists of a Row of switches 38.1 - 38.4 and capacitors C1, C2, C3 and a control circuit 39 which switches 38.1 - 38.4 so control (open and close) that the capacitor C3 a charging voltage occurs that corresponds to the desired output voltage corresponds. The structure of the charge pump is in Figure 3 and shown in Figure 5 only schematically, because Structure and mode of operation of such circuits to the expert in different versions are known (for example from "Semiconductor Circuit Technology" by U. Tietze and Ch. Schenk, 1991, pp. 570, 571).

Für den Fall, daß das Steuersignal am Eingang 25 den Serienstromregler 34 auf einen höheren Stromwert einstellt, als er von der Ladungspumpe 38 abgeleitet werden kann, kann dieser Strom über eine zusätzliche Schaltungseinheit 42 abgeleitet werden, die als Spannungsbegrenzungsschaltung wirkt. Der vom Serienstromregler 34 gelieferte höhere Strom hat nämlich eine höhere Spannung UV zur Folge, und die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 kann so ausgelegt werden, daß sie bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts anspricht und den überschüssigen Strom unter Erzielung einer Spannungsbegrenzung ableitet.In the event that the control signal at the input 25 sets the series current regulator 34 to a higher current value than can be derived from the charge pump 38, this current can be derived via an additional circuit unit 42, which acts as a voltage limiting circuit. The higher current supplied by the series current regulator 34 results in a higher voltage U V , and the voltage limiting circuit 42 can be designed so that it responds when a predetermined voltage value is exceeded and derives the excess current while achieving a voltage limitation.

Die Schaltung von Figur 2 ermöglicht innerhalb weiter Grenzen die Einstellung von Strom- und Spannungswerten für den Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung 22 und des Sensors 20 in der Sendestation. Anschließend wird eine Abschätzung der Betriebsgrenzen der in Figur 2 dargestellten Schaltung dargelegt. The circuit of Figure 2 enables within wide limits the setting of current and voltage values for the Operation of the signal processing circuit 22 and the sensor 20 in the transmitting station. Then an estimate the operating limits of the circuit shown in Figure 2 spelled out.

Durch die Spannungsübersetzung vU der Ladungspumpe 38 kann bestimmt werden, welche Spannung UV = UVmin mindestens notwendig ist, damit am Ausgang die Sollspannung Uout = UOutSoll erreicht wird: UVmin = 1vU · UOutSoll The voltage translation v U of the charge pump 38 can determine which voltage U V = U Vmin is at least necessary so that the target voltage U out = U OutSoll is reached at the output: U Vmin = 1 v U · U OutSoll

Bei einer Begrenzung der Vorspannung durch die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 sollte die minimal notwendige Spannung UVmin sicher erreicht werden: UVBypass ≥ UVmin If the bias voltage is limited by the voltage limiting circuit 42, the minimum required voltage U Vmin should be safely reached: U VBypass ≥ U Vmin

Die untere Grenze UInMin des Eingangsspannungsbereichs ergibt sich aus der maximal möglichen Vorspannung UVBypass zuzüglich dem für den Betrieb des Stromreglers 34 benötigten Spannungsabfall UIReg: UInMin = UVBypass + UIReg The lower limit U InMin of the input voltage range results from the maximum possible bias voltage U V bypass plus the voltage drop U IReg required for the operation of the current regulator 34: U InMin = U VBypass + U I Reg

Wenn vorausgesetzt wird, daß im Serienstromregler 34 und in der Spannungsbegrenzungsschaltung 42 keine Stromverluste auftreten, ergibt sich am Ausgang der maximal entnehmbare Strom IOutMax aus dem Stromübersetzungsverhältnis VI der Ladungspumpe 38 und dem vom erfaßten Meßwert abhängigen Eingangsstrom IIn: IOutMax = vI · IIn If it is assumed that no current losses occur in the series current controller 34 and in the voltage limiting circuit 42, the maximum current I OutMax that can be drawn at the output results from the current transformation ratio V I of the charge pump 38 and the input current I In dependent on the measured value measured: I. OutMax = v I. · I In

Übliche Ladungspumpen erreichen einen Leistungswirkungsgrad von annähernd 100 %. Für die Übersetzungsverhältnisse vU und vI gilt dann: 1vU = vI Conventional charge pumps achieve an efficiency of almost 100%. The following then applies to the gear ratios v U and v I : 1 v U = v I.

Der Serienstromregler 34 kann mit der Ausgangsspannung UOut betrieben werden. Es müssen dann aber besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit die Schaltung 24 anläuft und die erforderliche Ausgangsspannung liefert. Dazu besteht die Möglichkeit, den Serienstromregler 34 so auszulegen, daß er ohne eigene Versorgungsspannung einen gegebenenfalls ungeregelten Strom an die Ladungspumpe 38 liefert. Die Ladungspumpe 38 ist dann in der Lage, eine Ausgangsspannung UOut zu erzeugen. Mit dieser Ausgangsspannung kann dann der Serienstromregler 34 betrieben werden.The series current regulator 34 can be operated with the output voltage U Out . However, special precautions must then be taken so that the circuit 24 starts up and supplies the required output voltage. For this purpose, there is the possibility of designing the series current regulator 34 in such a way that it supplies a possibly unregulated current to the charge pump 38 without its own supply voltage. The charge pump 38 is then able to generate an output voltage U Out . The series current controller 34 can then be operated with this output voltage.

In Figur 3 ist ein Schaltbild dargestellt, in dem der prinzipielle Aufbau des Serienstromreglers 34, der Spannungsbegrenzungsschaltung 42, der Ladungspumpe 38 und des Spannungsreglers 40 gezeigt sind. Dabei sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Aufbau der jeweiligen Schaltungseinheiten lediglich als Beispiel angegeben ist. Auf den jeweiligen Aufbau kommt es für die Erfindung nicht an. Entscheidend für die Erfindung sind lediglich die Funktion der einzelnen Schaltungseinheiten und ihr Zusammenwirken mit den anderen Schaltungseinheiten.FIG. 3 shows a circuit diagram in which the basic structure of the series current controller 34, the Voltage limiting circuit 42, the charge pump 38 and of the voltage regulator 40 are shown. But be there noted that the structure of the respective circuit units is given only as an example. On the the respective structure is not important for the invention. Crucial are only the function of the invention individual circuit units and their interaction with the other circuit units.

Der Serienstromregler 34 ist gemäß Figur 3 ein einfacher Serienregler, der den durch den Transistor T fließenden Strom auf einen konstanten, über den Operationsverstärker OP mittels des Steuersignals am Eingang 25 einstellbaren Wert hält. Der im Stromregler 34 zwischen Emitter und Kollektor des Transistors T liegende Widerstand R hat dabei den Zweck, das Anlaufen der Schaltung zu ermöglichen. Über diesen Widerstand R kann auch bei gesperrtem Transistor T ein geringer Strom fließen, der als Anlaufstrom für die Schaltung genügt. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 42 ist im einfachsten Fall lediglich eine Zenerdiode, die die am Ausgang des Stromreglers 34 auftretende Spannung auf einen konstanten Wert begrenzt. Die Ladungspumpe kann je nach ihrem Aufbau nahezu beliebige Spannungs- und Stromübersetzungen erzielen. Die gezeigte Schaltung der Ladungspumpe ist nur ein Beispiel; der Aufbau und die Funktion solcher Ladungspumpen ist dem Fachmann bekannt und läßt sich aus zahlreichen Literaturstellen entnehmen. Auch die Spannungsreglerschaltung 40 ist im einfachsten Fall lediglich eine Zenerdiode, die den Wert der Ausgangsspannung UOut konstant hält.The series current regulator 34 is, according to FIG. 3, a simple series regulator which maintains the current flowing through the transistor T at a constant value which can be set via the operational amplifier OP by means of the control signal at the input 25. The resistor R located in the current regulator 34 between the emitter and collector of the transistor T has the purpose of enabling the circuit to start up. A small current can flow through this resistor R, even when the transistor T is blocked, which is sufficient as a starting current for the circuit. In the simplest case, the voltage limiting circuit 42 is merely a zener diode, which limits the voltage occurring at the output of the current regulator 34 to a constant value. Depending on its design, the charge pump can achieve almost any voltage and current translations. The charge pump circuit shown is only one example; the structure and function of such charge pumps is known to the person skilled in the art and can be found in numerous references. In the simplest case, the voltage regulator circuit 40 is also only a Zener diode, which keeps the value of the output voltage U Out constant.

Wenn der Serienstromregler 34 so aufgebaut ist, daß er ohne eigene Versorgungsspannung nicht arbeitet, müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit der Stromregler seinen Betrieb aufnehmen kann und einen Strom an die Ladungspumpe 38 liefern kann. In Figur 4 ist in einem Blockschaltbild dargestellt, wie in einem solchen Fall die Schaltung in Betrieb gesetzt werden kann. Diese Schaltung enthält einen Stromregler 44, der ohne eigene Betriebsspannung zunächst gesperrt ist, also keinen Strom an die Ladungspumpe 38 abgeben kann. Wie aus Figur 4 zu erkennen ist, ist der Serienstromregler 44 durch einen Spannungsregler 46 überbrückt, der bei der Inbetriebnahme der Schaltung eine Spannung UV1 erzeugt, die als Versorgungsspannung für die Ladungspumpe 38 wirkt, so daß diese dann an ihrem Ausgang eine Spannung UOut = UOut1 liefern kann. Es muß dafür gesorgt werden, daß diese Spannung ausreicht, den Serienstromregler 44 in Betrieb zu setzen. Sobald der Serienstromregler 44 in Betrieb geht, gibt er einen größeren Strom ab, so daß dementsprechend die Spannung UV1 ansteigt, bis die Begrenzungswirkung der Spannungsbegrenzungsschaltung 42 einsetzt. Die Spannung UV1 hat dann den Wert UV. Der Spannungsregler 46 ist so ausgelegt, daß er dann, wenn am Ausgang des Serienstromreglers 44 der Spannungswert UV erreicht wird, nicht mehr wirksam ist, sondern in einen gesperrten Zustand übergeht, in dem er den Stromregler 44 nicht mehr überbrückt. If the series current regulator 34 is constructed in such a way that it does not work without its own supply voltage, special precautions must be taken so that the current regulator can start operating and can supply a current to the charge pump 38. FIG. 4 shows in a block diagram how the circuit can be put into operation in such a case. This circuit contains a current regulator 44, which is initially blocked without its own operating voltage, that is to say it cannot deliver any current to the charge pump 38. As can be seen from FIG. 4, the series current regulator 44 is bridged by a voltage regulator 46 which, when the circuit is started up, generates a voltage U V1 which acts as a supply voltage for the charge pump 38, so that the latter then has a voltage U Out at its output = U can deliver Out1 . It must be ensured that this voltage is sufficient to put the series current regulator 44 into operation. As soon as the series current regulator 44 goes into operation, it outputs a larger current, so that the voltage U V1 rises accordingly until the limiting effect of the voltage limiting circuit 42 begins. The voltage U V1 then has the value U V. The voltage regulator 46 is designed such that when the voltage value U V is reached at the output of the series current regulator 44, it is no longer effective, but rather changes into a blocked state in which it no longer bridges the current regulator 44.

In Figur 5 ist ein genaueres Schaltbild gezeigt, das erkennen läßt, wie die einzelnen Bestandteile der Schaltung von Figur 4 aufgebaut sein können. Dabei ist zu erkennen, daß der Serienstromregler 44 bis auf einen noch erläuterten Unterschied, die Spannungsbegrenzungsschaltung 42, die Ladungspumpe 38 und die Spannungsreglerschaltung 40 ebenso wie in der Schaltung von Figur 3 aufgebaut sind. Es ist lediglich der Spannungsregler 46 hinzugekommen, der, wie das Schaltbild zeigt, als Serienspannungsregler aufgebaut ist. Im Serienstromregler 44 ist der Transistor T nicht wie beim Serienstromregler 34 durch einen Widerstand überbrückt. Dieser Widerstand ist in diesem Fall nicht erforderlich, da hier der Spannungsregler 46 das Anlaufen der Schaltung ermöglicht.FIG. 5 shows a more precise circuit diagram that can be recognized lets how the individual components of the circuit of Figure 4 can be constructed. It can be seen that the series current controller 44 except one to be explained Difference, the voltage limiting circuit 42, the Charge pump 38 and voltage regulator circuit 40 as well as constructed in the circuit of Figure 3. It is only the voltage regulator 46 has been added, which, like that Circuit diagram shows, as a series voltage regulator is constructed. In the series current regulator 44, the transistor T is not as in the Series current regulator 34 bridged by a resistor. This resistance is not necessary in this case because here the voltage regulator 46 starts the circuit enables.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden sowohl die Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 38 konstant gehalten. Eingangsseitig wird dazu die erwähnte Spannungsbegrenzungsschaltung 42 verwendet, die nichts anderes als ein Parallelregler ist. Auch die ausgangsseitig verwendete Schaltung zum Konstanthalten der Ausgangsspannung der Ladungspumpe 38 ist ein Parallelregler. Es ist aber auch möglich, auf das Konstanthalten der Eingangsspannung der Ladungspumpe 38 zu verzichten, was lediglich erfordert, eine Ladungspumpe zu verwenden, die mit größeren Eingangsspannungen bzw. Eingangsströmen arbeiten kann. Beim Konstanthalten der Eingangsspannung der Ladungspumpe kann auf ein Konstanthalten der Ausgangsspannung der Ladungspumpe verzichtet werden, falls eine Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung toleriert werden kann. Bei Verwendung von zwei Spannungsreglern am Eingang und am Ausgang der Ladungspumpe 38 ist es möglich, einen der beiden Regler als Längsregler auszubilden. Die angestrebte Wirkung der gesamten Schaltungsanordnung bleibt dadurch unberührt. Die in den Figuren 3 und 5 dargestellte Ladungspumpe hat einen Spannungsübertragungsfaktor von 1/2, was bedeutet, daß sie eine Halbierung der Spannung und eine Verdoppelung des Stroms bewirkt. Natürlich können auch Ladungspumpen mit anderen Spannungsübertragungsfaktoren eingesetzt werden, falls andere Spannungs- und Stromverhältnisse gewünscht werden. Bei der hier beschriebenen Anordnung wird jedoch in jedem Fall ein Übertragungsfaktor < 1 verwendet, da damit ein erhöhter Strom am Ausgang der Ladungspumpe zur Verfügung gestellt werden kann.In the described embodiments, both the Input voltage as well as the output voltage of the charge pump 38 kept constant. On the input side, the mentioned voltage limiting circuit 42 used is nothing more than a parallel controller. Even the output side used circuit to keep the Output voltage of the charge pump 38 is a parallel regulator. But it is also possible to keep the input voltage constant to dispense with the charge pump 38, which is only requires to use a charge pump with larger input voltages or input currents work can. When the charge pump input voltage is kept constant can keep the output voltage constant Charge pump can be dispensed with if a load dependency the output voltage can be tolerated. Using of two voltage regulators at the input and at the output of the Charge pump 38, it is possible to use one of the two regulators Train series regulator. The desired effect of the whole Circuit arrangement remains unaffected. The in the Figures 3 and 5 shown charge pump has a voltage transfer factor of 1/2, which means that it is a Halving the voltage and doubling the current causes. Of course, charge pumps can also be used with others Voltage transfer factors are used if others Voltage and current ratios are desired. At However, the arrangement described here will in any case a transmission factor <1 is used because it is an increased Electricity provided at the outlet of the charge pump can be.

Die in den Figuren 2 bis 5 in zwei Ausführungsformen dargestellten Schaltungen haben den Vorteil, daß sie als integrierte Schaltungen aufgebaut werden können und daß sie in äußerst flexibler Weise ermöglichen, die verschiedenen Ströme und Spannungen zu liefern, die in der Sendestation für den Betrieb des jeweiligen Sensors und der dessen Ausgangssignal empfangenden Verarbeitungsschaltung benötigt werden. Diese hervorragende Integrierbarkeit aller Ausführungsvarianten ist vor allem darauf zurückzuführen, daß in den Schaltungen keine Induktivitäten, sondern im wesentlichen nur gut integrierbare Kondensatoren (< 1nF) zum Einsatz kommen.The shown in Figures 2 to 5 in two embodiments Circuits have the advantage that they can be used as integrated circuits can be built and that they enable the different in an extremely flexible way To deliver currents and voltages in the transmitter station for the operation of the respective sensor and its Processing circuit receiving output signal required become. This excellent integrability of all design variants is mainly due to the fact that in the circuits are not inductors, but essentially only well integrated capacitors (<1nF) for Come into play.

Claims (5)

Anordnung zur Signalübertragung zwischen einer Empfangsstation (10) und einer Sendestation (12) sowie zur Stromversorgung der Sendestation (12), wobei diese beiden Stationen miteinander durch eine Zweidrahtleitung (14) verbunden sind, über die ein zwischen zwei Grenzwerten veränderlicher analoger Signalstrom übertragen wird, der einen in der Sendestation (12) von einem Sensor (20) erfaßten Meßwert repräsentiert und den für den Betrieb der Sendestation erforderlichen Versorgungsstrom bildet, wobei die Sendestation eine Schaltung (24) aufweist, die eine konstante Betriebsspannung für die Sendestation (12) erzeugt, und wobei in der Sendestation (12) eine steuerbare Stromquelle (34) vorgesehen ist, die den über die Zweidrahtleitung (14) fließenden Strom in Abhängigkeit von dem Meßwert bestimmt und die aus einer Versorgungsspannungsquelle in der Empfangsstation gespeist wird, wobei die Stromquelle (34) ein Serienstromregler ist, der aus der Versorgungsspannungsquelle (18) in der Empfangsstation (10) gespeist wird, mit dem Ausgang der Stromquelle (34) eine Ladungspumpe (38) verbunden ist, die aus der am Ausgang der Stromquelle (34) auftretenden Spannung die für den Betrieb des Sensors (20) und einer mit diesem verbundenen Signalverarbeitungsschaltung (22) erforderliche Betriebsspannung erzeugt, und mit dem Eingang oder dem Ausgang der Ladungspumpe 38 ein Parallelregler (40, 42) zum Konstanthalten der Eingangsspannung bzw. der Ausgangsspannung der Ladungspumpe (38) verbunden ist.Arrangement for signal transmission between a receiving station (10) and a transmitting station (12) and for power supply the transmitting station (12), these two Stations with each other through a two-wire line (14) are connected via the one between two limit values variable analog signal current is transmitted, the one in the transmitting station (12) by a sensor (20) measured value represented and the for the operation of the Transmitting station forms the necessary supply current, whereby the transmitting station has a circuit (24) which has a generates constant operating voltage for the transmitting station (12), and a controllable one in the transmitting station (12) Current source (34) is provided, which over the two-wire line (14) flowing current depending on the measured value determined and that from a supply voltage source is fed in the receiving station, the power source (34) is a series current regulator that comes from the supply voltage source (18) fed in the receiving station (10) with the output of the current source (34) a charge pump (38) is connected from the output of the power source (34) voltage occurring for the operation of the sensor (20) and a signal processing circuit connected thereto (22) generates the required operating voltage, and with the input or the output of the charge pump 38 Parallel regulator (40, 42) to keep the input voltage constant or the output voltage of the charge pump (38) connected is. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe (38) auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe (38) ein weiterer Parallelregler vorgesehen ist. Arrangement according to claim 1, in which in addition to the Parallel regulator at the inlet or outlet of the charge pump (38) on the other side of the charge pump (38) additional parallel controller is provided. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher zusätzlich zu dem Parallelregler am Eingang oder am Ausgang der Ladungspumpe (38) auf der jeweils anderen Seite der Ladungspumpe ein Längsregler vorgesehen ist.Arrangement according to claim 1, in which in addition to the Parallel regulator at the inlet or outlet of the charge pump (38) on the other side of the charge pump Series regulator is provided. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die Stromquelle (44) durch einen Spannungsregler (46) überbrückt ist, der in einer Anlaufphase eine Eingangsspannung (UV1) für die Ladungspumpe (38) liefert, wobei die Stromquelle (44) so ausgebildet ist, daß sie in der Anlaufphase erst dann einen Ausgangsstrom liefert, wenn die Ladungspumpe (38) eine für seinen Betrieb ausreichende Ausgangsspannung abgibt, wobei der Spannungsregler (46) so ausgelegt ist, daß er in einen gesperrten Zustand übergeht, sobald die Ausgangsspannung (UOut) die Betriebsspannung erreicht.Arrangement according to Claim 1, 2 or 3, in which the current source (44) is bridged by a voltage regulator (46) which supplies an input voltage (U V1 ) for the charge pump (38) in a start-up phase, the current source (44) thus is designed so that it only delivers an output current in the start-up phase when the charge pump (38) delivers an output voltage sufficient for its operation, the voltage regulator (46) being designed such that it changes into a blocked state as soon as the output voltage ( U Out ) the operating voltage is reached. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Ladungspumpe (38) einen Übertragungsfaktor < 1 hat.Arrangement according to one of the preceding claims, which the charge pump (38) has a transmission factor <1 Has.
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