CN104104072B

CN104104072B - 窃电的电流控制

Info

Publication number: CN104104072B
Application number: CN201410136588.3A
Authority: CN
Inventors: A.拉马钱德兰; B.C.奇克斯
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CA2847954C; CN104104072A; CA2847954A1; CN204030568U; US9684316B2; US20140299670A1

Abstract

一种在环境控制系统中使用的温控器，具有窃电电路，其在所述环境控制系统的负载处于“离线”模式时通过该负载从电压电源供电。该窃电电路具有限流电路，该限流电路提供被预确定为阈值的瞬时电流的最大水平，超过该阈值则该负载会切换成“在线”模式。

Description

窃电的电流控制

技术领域

本公开涉及窃电（power steal）的电流控制。

背景技术

本节提供了涉及本公开的背景技术，其无需为现有技术。

在环境控制系统中的数字温控器通常具有微型计算机和其它持续用电的组件。各种数字温控器利用“离线模式”窃电以获得操作功率。也就是说，当环境控制系统中的给定负载（例如，压缩机、风扇，或气阀）被离线时，功率可从该给定负载电路中窃取来驱动温控器。

发明内容

本部分提供本公开的一般概要，并且不是其全部范围或者其全部特征的全面公开。

公开了用于对窃电的电流进行控制的方法、设备和系统的示例性实施例或实施方式。示例性实施例涉及用于环境控制系统的温控器。该温控器具有窃电电路，其被配置成当环境控制系统负载处于“离线”模式时通过该负载从电压源提供电能。该窃电电路具有限流电路，其被配置成提供预定为阈值的瞬间电流最大水平，超过该阈值则负载被切换至“在线”模式。

另一个示例性实施例涉及通过处于“离线”模式的控制系统负载从电压源获取电能的窃电电路。该窃电电路包括限流电路，其被配置成提供预定为不导致负载被切换至“在线”模式的瞬时电流最大水平。该瞬时电流最大水平对应于最大电压阈值，在该阈值下负载不会切换至“在线”模式。

一示例性实施方式涉及在环境控制系统中提供窃电以通过处于“离线”模式的负载向该系统的一个或多个辅助电路提供电能的方法。该方法包括确定用于提供不会导致负载切换至“在线”模式的功率的瞬时电流的最大值，以及使用该最大值限制通过处于“离线”模式的负载的电流。

更多可适用的范围将从本文中提供的描述而变得显而易见。该概述中的描述和特定示例仅用于说明的目的，而不意图限定本公开的范围。

附图说明

在此所描述的附图仅用于对所选实施例而非所有可能的实施方式的说明目的，并且不意图限制本公开的范围。

图1是依据本公开的示例性实施例的示例性环境控制系统的示图，其中包括温控器；

图2是依据本公开的示例性实施例的示例性窃电电路的示图；

图3和图4示出了依据本公开的示例性实施例的示例性限流电路的示图；

图5和图6是依据本公开的示例性实施例的示例性整流电路的示图；

图7是依据本公开的示例性实施例的示例性开关电路（switching circuit）的示图；

图8A至图8E是将使用限流电阻器所提供的瞬时电流与使用依据本公开的示例性实施例的电流电路所提供的瞬时电流进行比较的图示；以及

图9A和图9B是依据本公开的示例性实施例的示例性限流电路的示图。

对应的参考数字在所有附图的数个图示中表示对应的部分。

具体实施方式

现在将参考附图更充分地描述示例性实施例。

数字温控器的一个示例性实施例在图1中由参考数字20大体上表示。该温控器20用于大体上由参考数字100表示的环境控制系统中。该环境控制系统100包括两个电源，例如，用于分别向加热子系统108和冷却子系统110供电的两个变压器102和104。加热子系统变压器102具有高电位（通常为24伏）侧116和公共侧（common side），即中性侧118。冷却子系统变压器104具有高电位（通常为24伏）侧122和公共侧，即中性侧124。该冷却子系统110包括被连接到变压器104的公共侧124的风扇130和压缩机134。该加热子系统108包括被连接到加热子系统变压器102的公共侧118的炉气阀138。AC端也是设置为来自与例如变压器104的公共侧124连接的公共C线。

通常应该注意的是依据本公开的不同方面的温控器实施例可以安装在其它类型的环境控制系统中，包括具有单个变压器的系统、纯加热系统、纯冷却系统等。在一些实施例中，C端可设置为例如来自变压器102的公共侧118。在一些其它实施例中，温控器可能不具有到公共C线的连接。

温控器20可激活一个或多个继电器和/或其它开关装置（图1中未示出）来激活加热子系统108或冷却子系统110。当例如使用者操作温控器20以导致环境控制系统100提供加热时，温控器20通过使用继电器或其它开关装置将“火线”端（“hot”terminal）R_H连接到负载端W来开启加热子系统108和气阀138。为了提供冷却，温控器20可以通过使用一个或多个继电器或者其他开关装置将“火线”端R_C连接到负载端Y和/或G来开启压缩机134和/或风扇130。

在本公开的一个示例实施例中，如以下进一步说明的，温控器20采用“离线模式”窃电。当例如提供冷却时，窃电电路150可从温控器20的加热子系统变压器102获取电能。当例如提供加热时，窃电电路150可从温控器20的冷却子系统变压器104获取电能。电能可被用于供电给温控器20的组件。电能也可被存储在一个或多个电容器154中和/或可被用于例如供电给辅助温控器20的一个或多个电路，这些电路包括但不限于射频收发器158、背光162，和/或一个或多个传感器166。在不同的实施例中，来自电池（未示出）的电能可以在例如窃电不可用的情形下提供。

在通过给定的离线模式负载提供窃电时，非常期望的是防止该离线模式负载两端的电势导致该离线模式负载在无意中被开启。在例如变压器102和104为二类，24VAC变压器的情况下，变压器的输出根据变压器的负载可变，例如从18VAC变化到30VAC。通常，提供离线模式窃电的温控器被设计成，使得当变压器输出为30VAC时例如被连接在R端的负载两端的瞬时电压不超过会导致负载开启的特定阈值。

发明人已经注意到，这样的系统通常包括限流电阻器，使得例如多对特定离线模式负载阻抗和接通电压阈值，在R连接上有30VAC变压器输出时，瞬时电压不超过接通电压阈值。虽然典型的限流电阻器可大到足够防止负载在最高预定义接通电压阈值下接通，发明人已经发现，该较大电阻还限制了流到温控器的电流（并从而限制供电）。

因此，在发明人公开的不同方面中，提供了一种窃电电路，其不包括如前面所说明的用于将离线模式负载两端瞬时电压限制成预定义阈值水平的限流电阻器。在不同实施例中，限流电路提供的瞬时电流最大水平预定为阈值，超过该阈值负载将被切换到“在线”模式。在一个示例实施例中，温控器被提供来用于环境控制系统。该温控器的窃电电路包括限流电路，其被配置成提供将通过环境控制系统的离线模式负载获得的功率（即，电流*电压）的最大值。这样的功率可被用于例如使电容器通电来为射频收发机供电。在不同实施例中，限流电路调节供电电压和负载的改变。

窃电电路的一个示例实施例在图2中大体上由参考数字200表示。电路200被连接在R端（例如，参考图1所说明的R_C或R_H端）和公共C端（例如，参考图1所说明的C端）之间。在R和C端之间可提供24VAC电压。电阻器R₂代表负载，例如气阀、压缩机或风扇，窃电通过该负载执行。当开关204断开时，负载R₂处于“离线”模式。当开关204闭合时，负载R₂被切换到“在线”模式。

整流器208，例如全桥式整流器，对24VAC信号进行整流。在一些备选实施例中，可使用半波整流器。限流电路212与整流器208的输出端A相连。限流电路212被配置成例如向温控器和/或诸如射频收发机、背光、一个或多个传感器等的其它电路提供DC电流。额外地或备选地，DC电流可被输入至例如一个或多个电容器以向温控器20和/或其它电路供电。在不同的实施例中，限流电路212配置成提供的瞬时电流的最大水平预定为不会导致离线模式负载被切换成“在线”模式。瞬间电流的最大水平可在不考虑可能改变的离线模式负载电阻的情况下预先确定。

在一个实施例中，可如下面所描述的为窃电电路预先确定瞬时电流的最大水平。为了进行比较的原因，将首先说明常规窃电电路设计的示例。示例温控器可设计成与不同的控制器一起工作，这些不同控制器具有如表1中所示出的在特定输入端上的输入阻抗和阈值电压的示例值。超过该示例值，输入将被那些控制器视为“在线”。如果限流电阻器将与24VAC电源串联使用，则在每种情况下使负载两端保持适当的电压所需要的限流电阻器的值可按表1中所示的来计算。

表1：

如果忽略整流中的所有二极管压降，并且对于最差情况温控器的数字电路被视为零欧姆负载，且信号整流被认为导致在限流电阻器与合并的负载电阻器两端具有与AC峰值电压相同的电压，则将获得如表1所示的限流电阻器的值，表中的最高值将被用于配置窃电电路。因此，在窃电电路中将需要包括3600Ω的限流电阻器来确保温控器与所有不同的控制器一起工作而不会无意中“开启”输入。

在例如使用3600欧姆的电阻器的情况下，可获得如在例如表2中所示出的数据。

表2：

可看到，在18VAC下，将在HVAC负载两端产生小于9V的瞬时电压。此外，即使在AC波形之内，有时也会通过降低限流电阻的有效值获得更多电流。

与前述数据对比，在所公开的不同实施例中可确定例如表3中所示出的数据。

表3：

不利用针对最差情况选用的电阻器来限制负载两端的电压，而是在本公开的不同实施例中，可确定在不将该负载切换至“在线”的情况下可通过负载的最大瞬时电流。如表3中所示，例如，最大瞬时电流的最低值，即，7.5mA，可被用在被设计成与不同控制器一起工作的温控器的限流电路的实施例中。

限流电路的一个示例实施例在图3中由参考数字300大体上表示。限流电路300被配置成将来自整流器输出端A的瞬时电流（例如，参考图2所说明的）限制于预确定的最大水平。电路300从窃电电路整流器（例如图2中的整流器208）接收整流信号。PNP双极结型晶体管（BJT）304和306与齐纳二极管308和电阻器312连接。齐纳二极管308具有50mA的拐点（knee）和5.6volt的电压。该齐纳二极管308可以是例如Vishay MMSZ4690齐纳二极管。晶体管304具有发射极314、基极324和集电极334。晶体管306具有发射极316、基极326和集电极336。晶体管304的基极324与晶体管306的发射极316连接。晶体管304和306的集电极334和336连接起来。在晶体管306、齐纳二极管308和信号地344之间设置了另一个电阻器340。继续前述示例，在要从电路300中获得7.5mA的最大瞬时电流的情况下，电阻器312的电阻值可按如下来确定。应用基尔霍夫电压定律（Kirchhoff’s voltage law）（KVL）:

V_Z=2V_EB+V_R

I=(V_Z-2V_EB)/R

=7.5mA

其中，V_Z代表齐纳电压（5.6V），V_EB代表发射器的发射极-基极电压（0.68V），R代表电阻器312的电阻，且V_R代表电阻器312两端的电压降。因此在本示例中，电阻器312的电阻被确定为565.33Ω。

在另一个示例实施例中，电阻器312可具有300Ω至330Ω之间的值，并且电阻器340可具有220kΩ的值。在电阻器312具有最小值300Ω的情况下，产生的最大瞬时电流为14.1mA。

限流电路的另一个示例实施例在图4中大体上由参考数字400表示。电路400从窃电电路整流器（例如图2中的整流器208）接收整流信号。电路400包括n沟道场效应晶体管（FET）404，其被配置有固定电阻R_S以形成恒定电流二极管电路。在FET404的栅极G处提供来自源于电阻R_S的信号的反馈。

窃电电路中的全桥整流器的一个示例实施例在图5中由参考数字500大体上表示。整流器500对用于输入至限流电路（图5中未示出）的输入信号进行整流。参考图1，整流器500可被选择性地连接在R_H和W端之间，或者R_C和Y端之间。示例实施例500可在例如无C线连接可用于温控器的情况下被使用。

另一个示例整流器实施例在图6中由参考编号600大体上表示。整流器600对用于输入限流电路（图6中未示出）的输入信号进行整流。在来自R_C端或来自R_H端的输入被输入限流电路之前可对其选择性地执行半波整流。

示例开关实施例在图7中大体上由参考数字700表示。例如如图1所示的G、Y和/或W端中的一个或多个可被选择用作窃电电路的输入端，使得可通过一个以上的环境控制系统组件，例如通过风扇、压缩机和/或气阀进行窃电。

继续以上的示例比较，其中假设将3600欧姆的电阻器替换成7.5mA限流电路，用于向温控器供电的理想桥式整流器两端可得到的最大瞬时电流如图8A至图8E中所示。在图8A至图8E中，虚线代表其中使用了3600欧姆的电阻器的电路的瞬时电流值。实线代表对于其中最大瞬时电流被限制在7.5mA的电路的瞬时电流值。在表4中示出了RMS电流中的示例改进。

表4

可见，使用限流电路的示例实施例将最差情况的RMS AC电流从3.21mA改善成6.44mA，实现了两倍的改进。进一步地，在本示例中，最差情况的改进为最明显的改进。因此，例如对于温控器的设计来说有可能提供为其中使用限流电阻器的系统的可用电流两倍大小的可用电流。与使用限流电阻器的系统相比，前述窃电和限流电路的不同实施例使其有可能由窃电电路吸取出更高的电流用于基本上所有的负载情形。

限流电路的另一个示例实施例在图9A中由参考数字900大体上表示。该电路900包括NPN晶体管Q1和Q2。其集电极在节点904处连结。电路900被配置成提供约为14mA的可调节最大电流。该电路最大值可通过调节电路900中的电阻进行调节。该电路900的示例组件和示例组件的值如下：

R3-60.4Ω

R4-10kΩ

R5-100kΩ

R6-100kΩ

D3-齐纳二极管，MMSZ4678，可从ON获得

Q1、Q2-NPN晶体管，NSS60201LT1G，可从ON获得

在图9A中示出的其它窃电电路组件的值可如下：

D1、D2–S1G二极管

R7-0Ω

限流电路的另一个示例实施例在图9B中由参考数字950表示。该电路950包括恒定电流调整器（CCR）D4，其被配置成例如提供约10mA的最大电流。CCR D4可为例如可从ON获得的NSI50010YT1G CCR。在一些其它实施例中，可使用CCR来提供约15mA的最大电流。这样的CCR可为例如可从ON获得的NSI45015W CCR。图9B中示出的其它窃电电路组件的值可如下：

D1、D2-S1G二极管

R7-0Ω

尽管本公开的不同实施例参考温控器进行了描述，与除温控器以外的装置、控制器、控制和控制系统相关的其它的或附加的配置也是可能的。窃电可以被执行，例如，涉及接入两个或更多个负载电路的设备，这样在给定时间，电路中的一个将不承载负载并可用于根据本公开的各方面从其获得窃电。进一步地，可在不同实施例中提供其它的或附加的限流电路、整流电路，和/或开关电路。

示例性实施例被提供使得该公开是完全的，并且将向本领域技术人员完全传达其范围。很多特定的细节被阐述，诸如，特定组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的完全理解。对本领域技术人员将显而易见的是不必使用特定的细节，示例性实施例可以以很多不同的形式体现，并且它们都不被理解为对本公开范围的限制。在一些示例性实施例中，已知的处理、已知的设备结构和已知的技术没有详细描述。此外，本公开的一个或多个示例性实施例可以获得的优点和改进仅为了说明的目的而提供，并不限制本公开的范围，因为在此公开的示例性实施例可以提供全部上述优点和改进或者不提供上述优点和改进，但其仍落入本公开的范围中。

在本文中所揭示的特定的维度、特定的材料，和/或特定的形状是单纯示例，并不限制本公开的范围。本文对给定参数的特定值和特定值的范围的公开并不排除可能用于在此所公开的一个或多个示例的其他值和值的范围。此外，可以想到在此所述的特定参数的任何两个特定值可以限定值的范围的端点，其可适用于给定参数（即，用于给定参数的第一值和第二值的公开可以被解释为公开了第一和第二值之间的任何值也可以用于给定参数）。类似地，可以想到对一个参数的值的两个或更多个范围（不论这些范围是嵌套的、重叠的或不同的）的公开将把该值的范围的所有可能的结合包括在内，其可能使用公开范围的端点来要求。

在此所使用的术语仅是为了说明特定示例实施例，而非意图构成限制。正如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”，以及“该”可旨在也包括复数的形式，除非上下文另外明确地指出。术语“包括”、“正包括”、“正包含”，以及“具有”是包含性的，并因此指定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件，和/或其组群的存在或附加。在此所描述的本方法的步骤、处理，和操作不被直译成必须要求以所讨论或所说明的特定顺序执行，除非特地标识为一种执行顺序。应该理解的是，可采用额外的或备选的步骤。

当元件或层被称为“在其上”、“接合到”、“连接到”，或“耦合到”另一个元件或层上，这可以是直接地在其上、接合到、连接到或耦合到另一个元件或层上，或者，也可以存在中间的元件或层。相对而言，当元件被称为是“直接在其上”。“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或层上，则可以没有中间元件或层存在。用于描述元件之间关系的其它措辞应该以相似的方式来解释（例如，“在…之间”对“直接在…之间”、“相邻”对“直接相邻”，等）。正如在此所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个中的任意以及所有组合。

虽然术语第一、第二、第三，等在此可被用于说明不同的元件、组件、区域、层，和/或部段，但是这些元件、组件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可仅被用于将一个元件、组件、区域、层或部段与另一个区域、层，或部段区分开。诸如“第一”、“第二”的术语，以及其它序数词的术语在此被使用时，除非上下文明确指出，否则并不意味着序列或顺序。因此，在下面所讨论的第一元件、组件、区域、层，或部段可被称为第二元件、组件、区域、层，或部段，而不背离示例实施例的教导。

与空间相关的术语，诸如“里”、“外”、“在…之下”、“下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”，以及类似术语在本文中可用于更容易对一个元件或特征与另一个（些）元件或特征的关系进行说明。空间相关的术语可意图涵盖装置在使用中或操作中除图中描绘的方向以外的不同定向。例如，如果装置在图中被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将被定向成在其它元件或特征“之上”。因此，示例术语“下面的”可涵盖上方和下面两种定向。装置可被另外地定向（旋转90度或在其他方向上），并且据此对在此所使用的空间相关的描述进行解释。

为了说明和描述的目的，提供了对实施例的前述说明。其并不意图为排他性的或限制所揭示的内容。特定实施例中的个体的元件或特征通常并不限于特定的实施例，但在可应用的情况下是可互换的，并且可在所选实施例中使用，即使未明确地示出或被描述。相同事物也可以多种方式变化。这样的变化并不被认为是背离了本揭示内容，并且所有这样的变体意图被包括在本揭示内容的范围之内。

Claims

1.一种用于环境控制系统的温控器，所述温控器包括：

窃电电路，其被配置成，当所述环境控制系统的负载处于“离线”模式时，通过该负载从电压源提供电能，所述窃电电路具有限流电路，该限流电路配置成将由限流电路通过处于“离线”模式的负载接收的被预确定为最大瞬时电流阈值的所有瞬时电流限制到固定瞬时电流水平，在该阈值的处于“离线”模式的所述负载不被切换成“在线”模式；

其中，所述窃电电路被配置成通过处于“离线”模式的负载从所有水平的瞬时电流吸取的能量，而不必须使用电池，如果有电池的话。

2.如权利要求1所述的温控器，其中，所述瞬时电流的最大水平对应于最大电压阈值，在处于该最大电压阈值时所述负载不会被切换至所述“在线”模式。

3.如权利要求1所述的温控器，其中，所述窃电电路被配置成为辅助所述温控器的一个或多个电路提供电能。

4.如权利要求3所述的温控器，其中，所述一个或多个辅助电路包括以下中的一个或多个：射频收发机、背光和传感器。

5.如权利要求1所述的温控器，其中，所述限流电路包括与一对晶体管相连的齐纳二极管，该对晶体管的集电极连接起来。

6.如权利要求1所述的温控器，其中，所述限流电路包括恒定电流二极管或恒定电流调整器。

7.如权利要求1至6中任一项所述的温控器，其中，所述瞬时电流的最大水平在不考虑所述负载的电阻的情况下预先确定和/或在不必须使电池放电的情况下被提供。

8.一种用于通过处于“离线”模式的控制系统负载从电压源获得电能的窃电电路，所述窃电电路包括限流电路，该限流电路配置成将由限流电路通过处于“离线”模式的负载接收的被预先确定成不会导致所述负载被切换成“在线”模式的所有瞬时电流限制到固定的最大瞬时电流水平，所述瞬时电流的最大水平对应于最大电压阈值，在处于该最大电压阈值时所述负载不被切换成“在线”模式；

9.如权利要求8所述的窃电电路，其中，所述瞬时电流的最大水平在不考虑所述负载的电阻的情况下预先确定。

10.如权利要求8所述的窃电电路，其中，所述窃电电路配置成向温控器提供电能。

11.如权利要求10所述的窃电电路，其中，所述窃电电路配置成向辅助所述温控器的一个或多个电路提供电能。

12.如权利要求11所述的窃电电路，其中，所述一个或多个辅助电路包括以下中的一个或多个：射频收发机、背光和传感器。

13.如权利要求8所述的窃电电路，其中，所述限流电路包括与一对晶体管相连的齐纳二极管，该对晶体管的集电极连接起来。

14.如权利要求8所述的窃电电路，其中，所述限流电路包括恒定电流二极管或恒定电流调整器。

15.一种温控器，包括如权利要求8至14中任一项所述的窃电电路。

16.一种在环境控制系统中提供窃电以通过处于“离线”模式的负载向所述系统的一个或多个辅助电路提供电能的方法，所述方法包括：

确定用于提供电能的瞬时电流的最大值，其不会导致所述负载被切换至“在线”模式；以及

使用所述最大值来限制由所述环境控制系统中的限流电路通过处于所述“离线”模式的所述负载接收的所有瞬时电流；

其中，通过在所述环境控制系统的窃电电路中提供限流电路来执行使用所述最大值来限制通过处于所述“离线”模式的所述负载的电流的步骤，所述限流电路用于将通过处于“离线”模式的所述负载吸取的所有水平的瞬时电流限制到最大值，并且所述限流电路输出从处于“离线”模式的负载吸取的所有水平的瞬时电流，而不必须使用电池，如果有电池的话。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括将所述电流输入至所述环境控制系统的一个或多个电容器。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述瞬时电流的最大值是相对于最大电压开启阈值确定的。

19.如权利要求16所述的方法，其中，所述一个或多个辅助电路包括温控器。

20.如权利要求16至19中任一项所述的方法，进一步包括在不考虑所述负载的电阻的情况下确定所述瞬时电流的最大值。