(57)【要約】【課題】改良した２端子線間電圧サーモスタットを得ること。【解決手段】２端子線間電圧サーモスタットは、線間電圧をヒータ負荷に実効的に接続するためのスイッチ（２２）を含む。全体のプロセスが集積回路マイクロコントローラ（１０）によって制御される。集積回路マイクロコントローラは、一次巻線に接続されて、ヒータ負荷に直列接続されている変圧器二次巻線からの整流された電圧によって給電される。全体の電力が失われた場合に、バックアップ電池（１１）の電力が供給されて、マイクロコントローラの限られた機能を維持する。マイクロコントローラは、２端子線電気ベースボード加熱装置に特有の温度検出（１８）要求および制御要求に合致するようにプログラムされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線間電圧の二つの端子の一方に一つの端子が接続されたヒータ負荷の間に線間電圧を接続するスイッチを含む２端子線間電圧サーモスタットであって、
電圧と電流一次巻線および二次巻線を有する変圧器と、
前記電圧巻線に接続されて、前記ヒータがオフ状態にある時に、前記ヒータ負荷に高インピーダンス直列回路を形成する阻止コンデンサと、
前記電流巻線に接続され、前記ヒータのオン状態とオフ状態の間で前記スイッチを作動させるリレーコイルと、
このリレーコイルを作動させるための集積回路コントローラ手段と、
取付けボードから隔てて、取付けボードとの間の熱結合による温度検出誤差を減少させ、サーモスタットの付近における望ましくない急激な温度の振れに対する感度を高くしたサーミスタを含み、前記ヒータがオン状態とオフ状態の双方の状態で電力を前記二次巻線から受ける温度応答手段とを備え、
前記集積回路コントローラ手段は比較的低い感度を要求し、したがって、前記サーモスタットによって検出される温度の急変を滑らかにして、サーミスタによって以前に検出された温度を、新たに検出した温度から差し引く遅延フィルタ手段を含み、この差に選択した定数を乗じ、その後で以前の温度に加え合わせて、検出されて濾波された温度を得、前記回路コントローラ手段は、低下を無くすための積分制御と、前記ヒータ負荷によって行われる温度の振れを減少するための予測制御とを行うために前記時定数を要する温度制御ルーチンを含む２端子線間電圧サーモスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２端子線間電圧サーモスタットに関するものであり、更に詳細には、通常、電気的ベースボード型などのヒータ負荷を駆動するセットバック機能を有するマイクロ制御サーモスタットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第４７７６５１４号および米国特許第５３０４７８１号は、一方の端子が、たとえば、ベースボード・ヒータ負荷に接続され、他方の端子が線間電圧の他の側に接続されるような２端子線間電圧サーモスタットを示している。その場合、ヒータ負荷の他方の端子は反対側の線間電圧に接続される。上記特許および出願には、ヒータ負荷のオン状態またはオフ状態の間、サーモスタットの制御回路が線間電圧から電力を供給されるようにする変圧器技術が記載されている。
【０００３】
２端子製品では高度なサーモスタットを利用できる。たとえば、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｃ．は、電池のみを電源として、温度制御セットバック動作の予定を立て、管理するマイクロコントローラを使用するＴ４９８Ｓ型を製造している。そのサーモスタットでは、温度の検出および制御はバイメタル板と機械的スイッチで機械的に行っている。Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｃ．は、セットバック動作と温度検出および制御のためにマイクロコントローラを用いるＴ４７９８型を製造している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の全体的な目的は改良した２端子線間電圧サーモスタットを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的に従って、線間電圧に接続されている２つの端子の他方に１つの端子が接続されているヒータ負荷の端子間に線間電圧を接続するためのスイッチを含む２端子線間電圧サーモスタットであって、電圧と電流の一次巻線及び二次巻線を有する変圧器を備える２端子線間電圧サーモスタットが提案される。スイッチは、ヒータがオン状態にあるときは電流巻線のみを付勢し、ヒータがオフ状態にあるときは電圧巻線と電流巻線の両方を付勢する。ヒータ中のスイッチがオフ状態にあるときは、電圧巻線に接続されている阻止コンデンサ手段が高インピーダンスの直列回路をヒータ負荷に与える。リレーコイルがヒータのオン状態とオフ状態の間でスイッチを作動させる。リレーコイルは電流巻線に接続される。メイクからブレイクへ移る間はリレー接点はトライアック手段によって保護される。ヒータがオン状態とオフ状態との双方の状態で、温度応答手段は二次巻線から電力を受ける。集積回路コントローラ手段が温度応答手段に応答してリレーコイルとトライアック・ゲートを作動させ、かつ、二次巻線に接続されて、それから電力を受ける。バックアップ電池手段が集積回路コントローラ手段に接続され、二次巻線からの電力が絶たれると、それに応答してそのコントローラ手段に電力を供給する。バックアップ電池手段は二次巻線から電力が供給されている時は、電池から電流が流れ出すことを阻止するための手段を含む。
【０００６】
他の態様から、本発明は、装着ボードとサーミスタの間の熱結合に起因する温度検出誤差を小さくすることによって、サーモスタット素子の付近における望ましくない温度の急変に対する感度を高くするために、装着ボードから隔てられたサーミスタも含む。集積回路コントローラは、サーミスタによって検出された温度のそのような急変を滑らかにするための遅延フィルタ手段を含む。最後に、集積回路コントローラ手段は、電力供給停止に応答して起動される停止モードと保持モードを含む。まず、コントローラをそのランダム・アクセス・メモリおよび１日の時刻のみを保持する停止モードに入らせ、それから所定の時間の経過後にコントローラは、ＲＡＭ保持のみが行われて、１日の時間はサポートされない保持モードに入る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は２つの端子をＬ１、Ｌ２として示す本発明のサーモスタットの全体のブロック図を示す。図２を参照して後で詳しく説明するように、一方の端子は線間電圧の一方の側に接続され、他方の端子は電気的ベースボードヒータなどのヒータ負荷に接続される。その負荷の他の側は線間電圧の他の側に接続される。したがって、図１のユニットは独立したユニットである。
【０００８】
もちろん、主な制御機能はマイクロコントローラ１０によって行われる。このマイクロコントローラはたとえば、Ｓａｎｙｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されたＬＣ５８６６Ｈ型とすることができる。このコントローラは停止モードと保持モードを有する。停止モードではクロック時間を遅くして電力を節約し、保持モードでは最少の機能のみを行う。しかし、マイクロコントローラは下で述べるように用途に合わせて構成できる。マイクロコントローラ１０に電力を供給するために（電力供給停止の場合に）、交換可能なバックアップ電池１１と、組合わせたマイクロ支持回路１２が設けられる。これはマイクロコントローラ１０のＶｄｄと記されている電力入力端子に給電する。
【０００９】
情報を入力し、かつセットバック温度および時刻などの関連する入力情報および出力情報を表示するために、ボタン入力ユニットまたはキーパッド・ユニット１３と液晶表示装置（ＬＣＤ）１４が設けられる。一対のクロック１６、１７が指示に応じて速いタイミングと遅いタイミングをマイクロコントローラ１０に供給する。周囲温度を検出するために、温度検出器１８が設けられる。この温度検出器は３つの出力端子と１つの入力端子を有し、マイクロコントローラ１０に対するインタフェースを成す。下で説明するように、一対のレベルモニタ１９が共通直流電圧レベルとリレー引込み電圧を検出する。
【００１０】
もちろん、電源２１が線間電圧に直結されて、４Ｖと示してある共通直流出力電圧と、Ｖ＋と示してあるリレー引込み電圧を供給する。最後に、ヒータボードをオン・オフ切り替えるために、クールスイッチ２２と、クールスイッチ駆動装置２３が設けられる。上記回路の全てはある共通点に関連させるが、それは接地されない。上記特許出願は類似の接地されない概念を示している。
【００１１】
図２は電源２１とクールスイッチ２２およびクールスイッチ駆動装置２３の回路の詳細を示す。電源の残りを図３に示す。単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチＫ１を除き、この回路は上記係属中の特許出願に非常に類似する。リレーすなわちスイッチＫ１を単極双投型として図２に示しており、ＮＯと記されている普段は開いている１組の接点と、ＮＣと記されている普段は閉じている他の１組の接点とを有する。いいかえると、リレーＫ１は励磁されていない状態、すなわち、リレーコイル２６が励磁されていない状態で示されている。もちろんリレーコイル２６は、コイルの一方の側を共通点に接続するトランジスタＱ２によって励磁される。Ｑ２はマイクロコントローラ１０から「リレー・アウト」接続２７によって起動される。ヒータオフモード状態では、スイッチＫ１はヒータ負荷２８に対して実効的に開となっている。そのようなヒータ負荷の一方の側が線間電圧Ｖ２に接続される。回路経路は２端子線間電圧サーモスタットの端子Ｌ２まで延び、スイッチＫ１の常時閉（ＮＣ）部と、直列阻止コンデンサＣ１１と、変圧器Ｔ１の電圧巻線と、その変圧器の電流巻線（Ｉ）とを経て端子Ｌ１に達する。端子Ｌ１は線間電圧の他の側Ｖ１でもある。
【００１２】
この回路は線間電圧に対して高い直列インピーダンスを呈するために、ヒータ負荷電流は何百分の１アンペアに制限され、ヒータ負荷を知覚できるほど加熱しない。線間電圧は主として電圧巻線（Ｖ）とコンデンサＣ１１の端子間に現れる。一次巻線の端子間電圧は変圧器Ｔ１によって降圧され、二次巻線３１に現れる。ダイオードＤ１ないしＤ４によって行われる整流によって、直流電圧Ｖ＋が線３２に現れる。ダイオードＤ１ないしＤ４は全波整流を行い、コンデンサＣ１は平滑コンデンサである。リレーコイル２６にも接続されているこの電圧はリレーの引込みを行うために適切でなければならない。したがって、線３２にはこの電圧のレベルを検出するレベルモニタ３３が設けられる。その電圧が引き込むために適切であると、マイクロコントローラ１０に接続されている線３４におけるＨＬ  ＩＮと記されている出力が、リレーを起動できることをマイクロコントローラに指示する。これは線２７で「ｒｅｌａｙ  ｏｕｔ」で行われる。しかし、加熱が望ましいという指示を温度制御ルーチンが提供した時のみリレーは起動される。
【００１３】
ヒータがオンモードにある時は、リレーＫ１はリレーコイル２６を介して起動され、接点の状態が逆にされ、常開接点が今は閉じられ、常閉接点が開かれる。この状態では、スイッチは全ての負荷電流を変圧器Ｔ１の電流巻線（Ｉ）に流す。すなわち、電流はヒータ負荷と、端子Ｌ２と、ＮＯ接点とを流れ、その後で線３２と電流巻線を通って線の他の側に流れる。電流巻線はヒータと直列の非常に小さいインピーダンスを呈することによって、ほとんどの線間電圧がヒータの端子間に現れることができるようにする。負荷電流は変圧器Ｔ１によって降圧され、整流されて直流電圧を線３２に再び供給する。
【００１４】
Ｋ１リレーの接点の切り替え中に（マイクロコントローラ１０から）トランジスタＱ４に供給されるパルス出力制御３５によってトライアックＱ３がターンオンする。抵抗Ｒ８とコンデンサＣ９はトライアックのゲートと線３２の間に置かれて、誤ターンオンを阻止する。リレー接点を切り替えるためにそのようなトライアックを使用することが上記特許出願に開示されている。
【００１５】
図２に示す回路に関して、簡単にするために、種々の保護調整器やフライバックダイオードは省略している。たとえば、端子Ｌ２と線３２の間に保護過電圧バリスタを設ける。
【００１６】
ここで図３を参照し、および図１も簡単に参照する。図３はバックアップ電池１１を示す。この電池は今の場合には、公称電圧が３ボルトであるリチウム電池である。電源２１の残り、およびマイクロコントローラ１０も示す。レベルモニタ１９の他の部分が、図１に示すように、マイクロコントローラ１０への入力ＬＬ  ＩＮを有する。その入力は線３６として示されている。図３の回路への入力はＶ＋線３２である。これはもちろん、Ｃ１（図２参照）の端子間の、直流電圧である。
【００１７】
Ｃ１の端子間の線３２におけるこの電圧は直流５ボルトと１３．５ボルトの間にクランプされた可変電圧である。もちろんこれはリレー起動電圧である。図２も参照して、レベルモニタ３３の近くの線３２で、Ｒ１とＱ１（図３参照）およびＤ１０、Ｒ１３、Ｒ１４を含む非直線負荷は負荷におけるヒータにとって重要で、その場合にはそれらの非直線負荷は、変圧器Ｔ１の二次電圧が低い時に変圧器Ｔ１から取り出す電力を最小にする。（高いヒータ負荷のために）Ｔ１の二次巻線によってより高い電流レベルが供給されると、トランジスタＱ１（図３参照）とツェナーダイオードＤ１０は非直線負荷を構成し、二次回路における電圧と電力損失を許容レベルに維持するように、抵抗Ｒ１、Ｒ１３、Ｒ１４が電流制限を行う。線３２における電圧は、図２に明らかに示すように、リレーコイルおよびトライアック（Ｑ３）ゲートドライブに供給される。上記未決の出願に記載されているように、トライアックのゲートを分離なしに直接駆動するために、変圧器Ｔ１によって線間電圧から通常分離されている第２の安定化されたこのレベルは、説明したように、Ｔ１の一次側を直接参照しなければならない。したがって、図２の接続回路点４０を参照されたい。
【００１８】
線３２における電圧は、直流の４ボルトから４．４ボルトの範囲の共通直流出力電圧に安定化され、マイクロコントローラ１０を含む全ての制御回路に電力を供給する共通直流電力出力を供給する。図３を参照すると、安定化は部品Ｄ６、Ｄ９、Ｒ１、Ｒ２、Ｑ１、Ｃ２によって行われる。ツェナーダイオードＤ９が実際の安定化を行う。コンデンサＣ２は低周波ノイズを除去し、ダイオードＤ６はＣ２のバック放電を阻止し、抵抗Ｒ１は電圧降下抵抗である。したがって、＋４ボルトとして示されている線４１は、マイクロコントローラ１０と関連する電子装置に供給する主直流出力である。これを図に＋４Ｖとして示している。
【００１９】
線４１からのマイクロコントローラ１０への電力供給は降下ダイオードＤ７を通じて行われる。そのダイオードは、線４１における公称４ボルトよりわずかに低い電圧を線４２に供給する。線４２にはバックアップ電池１１と、抵抗Ｒ２４と、直列接続されたダイオードＤ８とが接続される。線４２は、正常な状況では、公称電池電圧３ボルトより高いレベルにあるので、ダイオードＤ８は本当は実効的に開いているスイッチであり、そのために電池からの電流の流出は阻止される。また、比較器４３の負入力端子に接続されて、いくらか低い電圧を線４２に供給する降下ダイオードＤ７は、これを、比較器の正入力端子に接続されている線４１におけるより高い電圧と比較する。比較器４３の出力端子は信号を線３６を介してマイクロコントローラに供給して、電力が存在すること（すなわち、変圧器Ｔ１の二次巻線３１から取出される）を指示する。比較器４３の補助部品は抵抗Ｒ３ないしＲ６、Ｒ２８、Ｒ２９と、コンデンサＣ１３、Ｃ１４とを含む。
【００２０】
電力が失われると、線４２における電圧が３ボルトの電池電圧より低いために、ダイオードＤ８は導通するようになる。ダイオードＤ７はマイクロコントローラ以外の回路が電池から電流を取出すことを阻止する。比較器４３は起動されて（線４１が３ボルトより低いから）、線３６に信号を供給し、電力が失われたために特殊な低電力モードに入れることをマイクロコントローラ１０に指示する。
【００２１】
図６はマイクロコントローラ１０のソフトウエアの高レベル線図である。マイクロコントローラのハウスキーピング機能はもちろん実行ループ４６によって提供される。温度検出ルーチンはブロック４７と温度調整器５０によって指示される。電力が失われたとすると、線４８におけるように、マイクロコントローラ１０はブロック４９の停止モードに置かれる。そうすると、電力を節約するために、システム・クロックがより遅く動作するようにされる。更に、この停止モードは、１日の時刻とランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）（マイクロコントローラ１０の一体部分）のみが保持されるようなものである。もちろん、線４８における電力が失われたことの指示はＬＬ（３６）への入力に起因して生ずる。そうすると、線５１によって示されるように、マイクロコントローラ１０のタイミングによって所定の時間切れ時間（たとえば、７２時間）がマイクロコントローラ１０のクロックによって決定され、ブロック５２に示すように保持モードに入る。この保持モードではランダム・アクセス・メモリのみが保存される。ブロック４９に示す時間モードは消費される電力の約３分の２を使用するので、ＲＡＭメモリのみが保存される停止モードは大量の電力を節約し、電池１１の寿命を大きく延長する。
【００２２】
ここで図４を参照する。これは温度検出回路１８（図１参照）であって、一般に温度検出は、サーミスタＲ２２と直列抵抗Ｒ２３、Ｒ２５の並列組合わせのＲＣ充電特性を抵抗Ｒ２６の充電特性と比較することによって、行う。サーミスタの抵抗値は温度に比例し、ＲＣ充電特性の比較も温度に比例する。実際の温度はソフトウエアで計算する。（これについては図７を参照して説明する）。各温度測定ごとにマイクロコントローラ１０はコンデンサＣ１０を抵抗Ｒ２７を通じて放電し、その後で較正抵抗Ｒ２６を通じてコンデンサＣ１０を充電する。容量の充電が開始された時から、線Ｔ  ＩＮで遷移が起きた時までの時間が測定される。この時間が較正時間である。サーミスタに対して同じ操作を繰り返し、直線化抵抗Ｒ２３およびＲ２５と並列であるサーミスタＲ２２が、検出した温度時間を測定する。精度を高くし、温度計算用ソフトウエアの実行を簡単にするために、Ｒ２３、Ｒ２５、Ｒ２６の抵抗値は慎重に選択する。ダイオードＤ１９ないしＤ２２は静的な保護を行う。
【００２３】
本発明に従って、サーミスタＲ２２は図５に示すように回路ボード５６に取付けられ、かつ図示のようにボードの上方に約４分の１インチ離れている。こうすることによって、取付けボードとサーミスタの間の熱結合による温度検出誤差が小さくなり、それによってサーモスタット装置の付近の温度も望ましくない急撃な振れに対する感度が高くなる。しかし、この迅速な応答のために、温度変化を滑らかにする遅延フィルタを用いて、加熱サイクルにおける過大な振れを阻止しなければならない。したがって、図７に示すように、ブロック５７では、検出した温度Ｔ  ＮＥＷを図示のように処理してそれを滑らかに濾波し、または急速な温度変化に対して実効的な遅延を行う。とくに、以前の温度、Ｔavgoをそれに加え合わせ、Ｔavgoと新たに測定した温度Ｔnewの差である新しい温度を濾波したものに定数、Ｔauを乗ずる。こうするとＴsensedが得られる。このＴsensedを濾波して、温度検出制御回路の残りに実効時定数を提供する。
【００２４】
この温度調節（図６のブロック５０参照）は、サーモスタットの付近における急激な温度変化の影響を小さくするための上記フィルタ５７と、温度低下を阻止するための積分制御５８と、ヒータによってもたらされる室温の振れを減少するためのブロック５９に示す予測制御とを含む。オン／オフ制御は、顧客によって提供された設定点６１と、濾波した検出温度と、積分制御値および予測制御値によって繰返されて、出力信号２７と３５をクールスイッチ駆動装置２３（図１参照）に供給する。このようにして改良した２端子線間電圧サーモスタットが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を実施するブロック図である。
【図２】図１に示すブロックをそれぞれ示す回路図である。
【図３】図１に示すブロックをそれぞれ示す回路図である。
【図４】図１に示すブロックをそれぞれ示す回路図である。
【図５】図１に示すブロックをそれぞれ示す回路図である。
【図６】本発明の機能を実行する種々のソフトウエアルーチンを示す流れ図である。
【図７】図６の温度調節ルーチンのブロック表現である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：マイクロコントローラ、１１：バックアップ電池、１２：マイクロ支持回路、１３：キーパッド、１４：液晶表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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