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Elektronische Thermostateinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Thermostateinrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Eine solche Thermostateinrichtung ist programmierbar und
steuert ein Heiz- und/oder KUhlsystem zur Beibehaltung vorbestimmter Temperaturen
innerhalb vorgegebener Zeiten über einen sich wiederholenden Zeitzyklus. Die Thermostateinrichtung
kann durch Eingabe einer gewunschten Temperatur programmiert werden, und das gesteuerte
System nimmt diese Temperatur zur Programmierzeit wiederholt an.
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Die meisten Thermostateinrichtungen für Wohnungen enthalten eine Vorrichtung
zur Eingabe eines einziger Rinstellwertes und steuern das zugeordnete Heiz- und/oder
Klimasystem (im folgenden nur als "Heizung" bezeichnet) so, daß die eingestellte
Temperatur beibehalten wird.
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Es können wesentliche Energieeinsparungen erreicht werden, wenn der
Einstellwert während solcher Zeiten abgesenkt wird, wenn das Haus nicht bewohnt
ist oder die Bewohner schlafen. Ein derartiger Absenkungsthermostat arbeitet mit
einer mechanischen Uhr, die die Eingabe zweier Einstellwerte mit unterschiedlichen
Zeitperiden innerhalb eines sich wiederholenden Zyklus ermöglicht.
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In der US-Patentanmeldung 778 376 ist eine Thermostateinrichtung beschrieben,
die einen Digitalspeicher enthält, mit dem ehe längere Vorgabe gewünschter Temperaturen
für Zeiten innerhalb eines Wiederholungszyklus gespeichert werden kann. Der Speicher
wird laufend durch ein digitales Taktsignal abgefragt und gibt ein Signal ab,
das
die gewünschte Einstelltemperatur zum jeweiligen Zeitpunkt angibt, und diese Temperatur
wird mit der gemessenen Raumtemperatur verglichen, um den Betrieb der Heizung zu
steuern. Dieses System ermöglicht relativ komplizierte Zeit/Temperaturprogramme
zur Anpassung an die Bedürfnisse der Hausbewohner.
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Das US-Patent 4172555 beschreibt eine verbesserte elektronische Thermostateirichtung
mit mehreren Einstellpunkten, die adaptiv den Betrag der Temperaturänderung bestimmt,
die während des Betriebes des Heiz/KUhlsystems in dem Gebäude auftritt. Dabei wird
die Heizung eine gewisse Zeit vor einer programmierten Temperatur eingeschaltet,
um zu gewährleisten, daß die programmierte Temperatur im Gebäude zur jeweils richtigen
vorgegebenen Zeit erreicht wird.
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Diese Systeme bieten sehr wirtschaftliche Möglichkeiten zur Energieeinsparung
gegenüber den.bisher üblichen Wohnungsthermostaten, jedoch ist die Programmierung
relativ kompliziert und kann den Benutzer verwirren. Ferner ist ein beachtlicher
Prozentsatz der Herstellungskosten solcher Systeme auf Programmiereinrichtungen
und Anzeigegeräte zurückzuführen, die zur Vereinfachung der Programmierung erforderlich
sind.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Thermostateinrichtung
anzugeben, die eine billige Programmiereingabe verwendet, welche leicht zu verstehen
und zu benutzen ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im Gegensatz zu bisherigen programmierbaren~Thermostateinrichtungen
mit mehreren Einstellwerten, bei denen man jede Einstellwertänderung durch Eingabe
der Zeit der Änderung und der gewünschten Temperatur zu dieser Zeit programmieren
mußte, führt die Erfindung zu einer Thermostateinrichtung, die lediglich durch Eingabe
einer gegewünschten Temperatur zu der Zeit programmiert wird, bei der diese Temperatur
erreicht werden soll. Die Bedienungsperson kann auch steuern, ob die Temperaturänderung
für tägliche Wiederkehr oder nur für wöchentliche Wiederkehr programmiert werden
soll. Der Thermostat wird somit auf einer Realzeitbasis programmiert, indem die
gewünschte Temperatur zum jeweils zugehörigen Zeitpunkt eingegeben wird. Während
des ersten Betriebstages wird ein Tagesprogramm eingegeben und während des Restes
den Woche können alternative Programme eingegeben werden, die nur einmal pro Woche
ablaufen sollen. Beispielsweise können die Hausbewohner sechs Tage in der Woche
vormittags um sieben Uhr aufstehen, während sie am Sonntag bis neun Uhr schlafen
wollen. Die gewünschte Temperatur beim Aufstehen wird am ersten Betriebstag um sieben
Uhr morgens eingegeben. Am Sonntagmorgen kann die Einrichtung ;leu so programmiert
werden, daß sich das normale Tagesprogramm an jedem Sonntag ändert.
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Diese vereinfachte Programmierung wird durch ein internes Taktsignal
erreicht, welches als eine Speicheradresse wirkt und sequentiell unterschiedliche
Speicherabschnitte ansteuert. Der gewünschte Einstellwert wird in
den
Speicher an dem Abschnitt eingeschrieben, der durch das Taktsignal zum Zeitpunkt
der Einstellwerteingabe adressiert ist, und dieser gewünschte Einstellwert wird
aus dem Speicher ausgelesen und zur Steuerung der Thermostateinrichtung verwendet,
wenn der Taktzyklus jeweils zu diesem Speicherabschnitt zurückkehrt.
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Die Erfindung bedeutet eine Verbesserung des adaptiven Thermostaten
nach dem US-Patent 4172555. Anstelle der Programmierung einer bestimmten Nacht-Absenktemperatur,
die bis zu einem Zeitpunkt erreicht wird, der auf einer adaptiven Basis bestimmt
wird, wenn die Heizung einem schaltet wird, wodurch die beim Aufstehen morgens vorherrschende
Temperatur sich zum richtigen Zeitpunkt einstellt, schaltet das System einfach die
Heizung zur programmierten Abendzeit ab und schaltet sie zu einem Zeitpunkt wieder
ein, der adaptiv so bestimmt ist, daß er das Erreichen der programmierten Temperatur
zum Zeitpunkt des Aufstehens gewährleistet. Die während der Nacht erreichte Minimaltemperatur
wird lediglich durch einen Sicherheitsschalter gesteuert, der verhindert, daß die
Gebäudetemperatur unter einen vorbestimmten Minimal -wert absinkt, der beispielsweise
bei etwa 70 Celsius liegen kann.
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Die Programmeingabesteuerungen der Thermostateinrichtung nach der
Erfindung umfassen in einfacher Weise eine Vorrichtung zur Eingabe einer gewünschten
Temperatur entweder als Absolutwert oder bezogen auf einen Referenzwert, eine Vorrichtung
zur Freigabe des Programms und eine Vorrichtung zur Umschaltung zwischen automatischer
Steuerung und einer konstanten Temperatur. Die elementare
Natur
dieser Steuerungen senkt die Kosten der Thermostateinrichtung gegenüber bisherigen
elektronischen Thermostateinrichtungen und vereinfacht die Programinierung, so daß
die Bedienungsperson nicht verwirrt wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung eines
temperaturempfindlichen Oszillators variabler Frequenz zur Erzeugung eines elektrischen
Signals, welches die Umgebungstemperatur angibt. Der Oszillator arbeitet ferner
als Taktsignalquelle für einen Mikrocoma puter innerhalb der Thermostateinrichtung,
so daß dadurch ein besonderer Taktgenerator nicht erforderlich ist. Das System wird
normalerweise vom Stromversorgungsnetz gespeist, und es ist eine Batterie vorgesehen,
um bei Netzausfall die Speisung aufrechtzuerhalten. Bei Netzausfall wird die Frequenz
des temperaturempfindlichen Oszillators gemessen und dieser dann als Zeitnor mal
während des Netzausfalls benutzt, um den internen Takt mit hinreichender Genauigkeit
aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben Es
zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Bedjenungsfeldes eines Ausführungsbeispiels
der Thermostateinrichtung; Fig. 2 eine Funktionsdarstellung eines Ausführungsbei
spiels der Thermostateinrichtung mit einem Mikroprozessor oder alternativ eine sohematische
Darst:ellung des Ausführungsbeispiels auf der Grundia (11 skreter Subsysteme und
Fig.
3 eine schematische Darstellung bestimmter Abschnitte der Thermostateinrichtung
In den Fig. 1 und 3 ist ein vorzugsweises Ausführungs beispiel der Erfindung dargestellt.
Die Thermostateinrichtung ist in einem in Fig. 1 gezeigten Gehause 10 untergebracht.
Die Steuerungen und Anzeigen der Thermostateinrichtung sind an der Vorderseite des
Gehäuses 10 vorgesehen. Eine Tür 12 ist um eine vertikale Achse schwenkbar an einer
Seite des Bedienungsfeldes angebracht und normalerweise geschlossen, so daß sie
mEhrère Eingabeelemente verdeckt, die auf der rechten Seite des Bedienungsfeldes
angeordnet sind und weniger häufig benutzt werden als die Elemente, die sich auf
der linken Seite des Bedienungsfeldes befinden. Die Tür 12 ist in Fig. 1 geöffnet
dargestellt, so daß auch'die weniger benutzten Eingabeelemente sichtbar sind.
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Die sichtbaren Eingabeelemente und Anzeigevorrichtungen umfassen eine
Analogskala 14 mit einem Zeiger 16, der die Raumtemperatur im Bereich der Thermostateinrichtung
anzeigt. Der Zeiger 16 kann durch eine Meßvorrichtung üblicher Art eingestellt werden,
beispielsweise durch eine Bimetallspirale 18, die in Fig. 2 gezeigt ist.
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Numerische Werte sind an der Skala 14 vorgesehen, so daß die Temperatur
an der Thermostateinrichtung durch die Position des Zeigers 16 abgelesen werden
kann.
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Als normalerweise zugängliche Eingabeelemente ist eine Reihe von vier
Leuchtzeichen vorgesehen, die Leuchtdioden 20, 22, 24, 26 und 27 sein können. Die
Bezeichnungen
"WARM", "KOMFORTABEL","KUHLER", "ABSENKUNC't und
"MAXIMALABSENKUtIG" sind den fünf Leuchtzeicheri 20 bis 27 zugeordnet. Eine Drucktaste
2fX mit der Bezeichnung "ZYKLUS" kann von der Bedienungsperson bestätigt werden,
um die Leuchtdioden 20 bis 27 sequentiell etwa einmal pro Sekunde einzuschalten.
Wenn die Drucktaste 28 bei Einschaltung einer der Leuchtdioden freigegeben wird,
wird dieser Anzeigezyklus unterbrochen, und die betreffende Leuchtdiode bleibt eingeschaltet.
Auf diese Weise kann die Bedienungsperson einen von fünf möglichen Zyklen auswählen.
Als alternative Lösung kann auch ein Schalter mit fünf Schaltstellungen vorgesehen
sein.
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Zu den leicht zugänglichen Eingabeelementen gehört auch eine Leuchtdiode
32 mit der Bezeichnung "THERMOSTAv L BETRIEB".
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Diejenigen Eingabeelemente, die normalerweise durch die Tür 12 des
Bedienungsfeldes des Gehäuses 10 abgedeckt sind, umfassen einen Schalter 34 mit
drei Schaltstellungen und den Bezeichnungen "LERNEN", "AUTO" und "MANUELL".
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Eine mit einem Schraubendreher einstellbare Achse 36 mit der Bezeichnung
"EINSTELLW4G KOMFORTABEL", ein Schalter 40 mit zwei Schaltstellungen und den Bezeichnungen
"HEIZUNG" und "KÜHLUNG", ein Ein-Aus-Schalter 42 und ein Schalter 43 mit zwei Schaltstellungen
und den Bezeichnungen "AUTO" - GEBLÄSE EIN" gehören gleichfalls zu diesen Elementen.
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Die Thermostateinrichtung ist mit dem zugeordneten System über vier
Leitungen 44, 46, 48, 50 verbunden, über die das Ventilationsgebläse, die Heizung,
die Klimaanlage
und der Nulleiter des Stromnetzes angeschlossen
sind.
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Andere Ausführungsbei.piele der Erfindung sind mit zwei Anschlußleitungen
denkbar, um in einfacher Weise den Betrieb der Heizung zu steuern.
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Die Art der Arbeitsweise der Thermostateinrichtung abhängig von einer
Steuerung durch die Bedienungsperson wird im folgenden ohne Bezugnahme auf den inneren
Aufbau der Thermostateinrichtung erläutert, da dies die nachfolgende Beschreibung
des Aufbaus leichter verständlich machen wird.
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Es sei angenommen, daß der Anfangsbetrieb der Thermostateinrichtung
im Winter erfolgt, wenn die Heizung zu betreiben ist. Nach richtigem Anschluß der
Leitungen 44 bis 50 wird zunächst der Schalter 42 in die "EIN't-Stellung und der
Schalter 42 in die Stellung "HEIZEN" gebracht. Der Schalter 34 wird in die Stellung
"MANUELL gebracht. Der Schalter 43 wird auf die gewünschte Gebläsesteuerung gestellt.
Beim Betrieb "AUTO" wird das Gebläse immer dann eingeschaltet, wenn die Heizung
oder die Klimaanlage durch den Thermostaten eingeschaltet wird.
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Dann wird die Drucktaste 28 gedrückt, bis das Leuchtzeichen 22 mit
der Bezeichnung KOMFORTABEL eingeschaltet wird.
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Unter der Annahme, daß die Raumtemperatur relativ niedrig ist und
beispielsweise bei ca. 170 Celsius liegt, wird die Heizung Uber die Leitung 44 gespeist
und das Leuchtzeichen 32 eingeschaltet. Die Temperatur in dem Raum der Thermostateinrichtung
beginnt dann anzusteigen?
bis eine vorbestimmte Temperatur erreicht
ist, wobei dann das Leuchtzeichen 32 ausgeschaltet wird. Dies ist die Normaltemperatur
für den Betrieb "KOMFORTABEL", die die Thermostateinrichtung bestimmt. Sie kann
in einem Bereich von etwa 180 Celsius bis etwa 270 Celsius liegen. Wünscht die Bedienungsperson
eine andere Normale temperatur, so kann die Achse 36 zur Abänderung des Betriebszustandes
"KOMFORTABEL" gedreht werden. Durch Beobachtung des Leuchtzeichens 32 und der Temperaturanzeige
16 kann die Bedienungsperson die Normaltemperatur bestimmen und durch Einstellung
bei 36 ändern.
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Diese dem Betriebszustand "KOMFORTABEL" zugeordnete Temperatur ist
dann die normale Tagestemperatur für den Aufenthalt der Bewohner in dem Gebäude.
Um die Thermostateinrichtung mit einem bestimmten täglichen Abs kungszyklus zu programmieren,
wartet die Bedienungspersor) dann so lange, bis eine Änderung der Temperatur gewünscht
ist. Wird die Thermostateinrichtung beispielsweise am Nachmittag installiert, so
kann die Bedienungsperson bis zur normalen Schlafenszeit warten, wenn dann ein wesentlich
niedrigerer Absenkungsbetrieb-für die Nacht ge-kUnscht ist. Soll dies beispielsweise
um 23 Uhr der Fall sein, so wird zu dieser Zeit der Schalter 34 auf die Stellung
"LERNEN" gestellt und die Taste 28 7:fKLUS" betätigt, bis entweder das Leuchtzeichen
26 "ABSENKUNG' oder das Leuchtzeichen 22 "MAXIMALE ABSENKUNG" eingeschaltet wird.
Dies programmiert die Thermostateinrichtung so, daß sie jeden Abend um 23 Uhr in
den Absenkungsbetrieb übergeht.
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Bei "MAXIMALABSENKUNG" schaltet das System die Heizung zur Absenkungszeit
ab und läßt sie abgeschaltet,
bis sie zur Aufheizung des Gebäudes
wieder einzuschalten ist, um die programmierte Aufstehtemperatur am Sorgen zu erreichen.
Beim Absenkungsbetrieb liegt die Minimaltemperatur etwa 50 Celsius unter "KOMFORTABEL",
bis die Heizung eingeleitet werden muß, um die programmierte Aufstehtemperatur zur
vorgegebenen Zeit zu erreichen.
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In jeder Betriebsart bestimmt das System die erforderliche Startzeit
adaptiv durch Messung des Betrages der Temperaturänderung innerhalb des Gebäudes,
während die Heizung eingeschaltet ist und durch Berechnung der erforderlichen Einschaltzeit
zur Erzielung der nächstfolgenden vorgegebenen Temperatur. Diese adaptive Betriebsart
kann nicht angewendet werden, bevor eine Aufstehtemperatur programmiert ist, so
daß während der ersten Nacht nach ihrer Programmierung die minimale Temperatur etwa
20 - 30 Celsius unter "KOMFORTABEL" liegt.
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Dann sei angenommen, daß das Gebäude bis kurz unter "KOMFORTABEL"
am Vormittag um 6.30 Ulr aufgeheizt werden soll. Um 6.30 Uhr betätigt die Bedienungsperson
die Zyklustaste, bis das Leuchtzeichen a "KOHLER" eingeschaltet wird. Danach wird
eine Temperatur von etwa 10 Celsius unter KOMFORTABEL um 6.30 Uhr jeden Morgen programmiert,
bis das Programm geändert wird. Wenn die vorherige Programmeingabe "ABSENKUNG" oder
"MAXIMALAB-SENKUNG"ist und sich der Schalter 38 in der Stellung "MAXIMAL" befindet,
arbeitet die Thermostateinrichtung in der zuvor beschriebenen adaptiven Betriebsart.
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Es sei nun angenommen, daß die Bedienungsperson eine Absenkung vormittags
um 9 Uhr wünscht. Zu diesem Zeit punkt wird die Drucktaste 28 "ZYKLUS" betätigt,
bis das
Leuchtzeichen 26 "ABSENKUNG" eingeschaltet ist. Ein typischer
Tages zyklus kann ferner das Anheben auf eine Temperatur von 1° Celsius über KOMFORTABEL
um 18 Uhr enthalten. Dies wird durch Einschalten des Leuchtzeichens 20 um 18 Uhr
mit der Drucktaste 28 erreicht.
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Vierundzwanzig Stunden nach der ersten Programmeingabe im Betriebszustand
"LERNEN" schaltet das System automatisch auf Lernbetrieb um, bei dem ProgrammSnderungen
nur den jeweiligen Wochentag ändern, an dem die Änderung durchgeführt wird. Dies
bedeutet, daß eine am Samstagmittag durchgeführte änderung jeden folgenden Samstag
eintritt, bis das Programm geändert wird. Es sei beispielsweise angenommen, 'daO
der Tagesplan einen Übergang auf Absenktemperatur um 23 Uhr enthält und daß die
Bewohner am Freitagabend um 24 Uhr zu Bett geheur.
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und deshalb eine Anderung des Tagesplans für das Wochenende wünschen.
Um etwa 22 Uhr kann hierzu am Freitagabend die Drucktaste 28 "ZYKLUS" betätigt werden,
bis die gewünschte Temperatur erreicht ist, beispielsweise der Betriebszustand "NORMAL".
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Wenn der so programmierte Einstellwert mit dem existierenden Einstellwert
übereinstimmt, wird keine Änderung in dem Rechneiprogramm vorgenommen, jedoch wird
a?sa,ibei eine Betriebsart eingeleitet, in der die vorhandenen Speichereingaben
gelöscht werden, wenn sie aufgerufen werden. Es werden neue Eingaben gemacht, die
nur auf Wochenbasis wirksam werden. Diese Anderungen beeinträchtigen die anderen
sechs Wochentage nicht. Wird also das normale Absenkungsprogramm für 23 Uhr aufgerufen,
so wird es für diesen Tag im Speicher gelöscht und hat keinen weiteren Einfluß auf
die Arbeitsweise der Thermostateinrichtung.
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Um 24 Uhr kann die Bedienungsperson dann die Drucktaste 28 "ZYKLUS"
betätigen, bis das System im Absenkungsbetrieb ist und sich noch im Lernbetrieb
befindet. Dadurch würde die Zeit 24 Uhr als Absenkngszeit lediglich für diesen Wochentag
dauerhaft eingegeben sein.
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Die Aufstehzeit 6.30 Uhr würde für diesen Wochentag automatisch gelöscht.
Nimmt man an, daß die Bewohner am Samstag bis 9 Uhr schlafen, so können sie eine
gewünschte Morgentemperatur für 9 Uhr eigeben, beispielsweise den Zustand "KOHLER".
Das System befindet sich dabei noch im Lernzustand, und dies wird dann für diesen
Tag eingegeben.
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Nachdem alle gewünschten alternativen Tagespläne eingegeben sind,
bringt die Bedienungsperson den Schalter 34 wieder in die Stellung "AUTOMATIK".
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Das System kann auf "MANUELL" gestellt werden, wodurch die mit dem
Zyklus schalter 28 vorgenommene Einstellung zu jeder Zeit ohne irgendeine Änderung
des Speichers wirksam wird. Wird das System in den Betrieb "AUTO" zurückgeführt,.so
wird der programmierte Temperaturzyklus wieder aufgenommen.
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Die Normaleinstellung 36 kann zu jeder Zeit zur Erhöhung oder Absenkung
der Temperatur "KOMFORTABEL" sowie der Temperaturen 'tK0IILER" und "WÄRMER" geändert
werden.
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Die elektronischen Bestandteile der Thermostateinrichtung umfassen
vorzugsweise einen Mikrocomputer, der zur .Erzielung der beschriebenen Funktionen
programmiert ist.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung, die als eine
diskrete
Subsystemausführung der Thermostateinrichtung und der mit ihr verbundenen Komponenten
interpretiert werden kann oder auch ein Funktionsdiagramm für den Programmaufbau
eines Mikroprozessors darstellt.
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In Fig. 2 ist ein digitaler Speicher 60 mit wahlfreiem Zugriff gezeigt,
der in sieben Abschnitte 60a, 60b, Sac, 6Od, 60e, 6Of und 60g unterteilt ist. Diese
Abschnitte können separate Abschnitte eines einzigen Speichers oder auch separate
Speichermodule sein. Jeder Speicher abschnitt speichert das Temperaturprogramm fUr
eine Periode von vierundzwanzig Stunden innerhalb des sieben Tage dauernden und
sich wiederholenden Zyklus der Thermostateinrichtung.
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Ein Taktgenerator 62, der in noch zu beschreibender Weise gespeist
wird, erzeugt ein digitales Signal in Abständen von jeweils einer halben Stunde.
Diese Signale werden einem Modulo-48-Zähler 64 zugeführt, der ein Signal für den
Speicher 60 erzeugt, welches die Halbstundenperiode innerhalb des Tages angibt.
Immer dann, wenn der Zähler 64 überläuft, gibt er ein Signal an einen Modulo-7-Zähler
66 ab, der eines von sieben Ausgangssignalen abgibt, welches als Adresse für einen
der sieben Speicherabschnitte 60a bis 60g dient-. Der Halbstundentaktgenerator 62
speist auch einen Modulo-48-Zahler 70, der den Zustand einer bistabilen Schaltung
72 steuert. Diese wird in einen Anfangazustand gesetzt, wenn der Schalter 4.9 erstmals
das System einschaltet und den Taktgenerator startet. Nach vierundzwan-ig Stunden
setzt ein Uberlaufsignal des Modulo-48-Zählers 70 die bistabile Schaltung 72 zurück.
Während des gesetzten Zustandes bewirkt die bistabile Schaltung 72 eine Speicherung
Jeglicher
Änderungen der Leuchtzeichen 20 bis 27 an den laufenden Halbstunden-Speicherstellen
innerhalb aller sieben Speicherabschnitte 60a bis 6zog. Wenn die bistabile Schaltung
72 nach vierundzwanzig Stunden rückgesetzt wird, werden Betriebsartänderungen nur
in dem Speicherabschnitt gespeichert, der durch das Ausgangssignal des Zählers 66
adressiert wird.
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Diese Arbeitsweise wird durch eine Schaltung erreicht, die ein UND-Glied
74 enthält, welches durch den Setzt ausgang der bistabilen Schaltung 72 und durch
das Ausgangssignal eines UND-Gliedes 76 angesteuert wird. Das UND-Glied 76 wird
wiederum durch den Ausgang "LERNStstf des Schalters 34 und durch ein Signal eines
Filters 78 angesteuert, welches Signale abgibt, die die Änderungen der Leuchtzeichen
20 bis 27 angeben, welche länger als drei Sekunden sind. Dies gewährleistet, daß
das schnelle Flackern der Leuchtzeichen 20 bis 27 bei Betätigung der Drucktaste
28 nur den Speicherinhalt als Funktion der letzten erreichten Zyklusposition ändert.
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Wenn die Betriebsart durch Betätigung der Drucktaste 28 geändert wird
und sich das System im Lernzustand befindet, liefert das UND-Glied 76 ein Ausgangssignal
an den Speicher 60 und auch an das UND-Glied 74. Wenn die bistabile Schaltung. 72
gesetzt ist, was während der ersten vierundzwanzig Stunden des Lernzyklus der Fall
ist, wird ein Signal an einen Impulsgenerator 80 geliefert, der sieben Impulse abgibt.
Diese werden dem Modulo-7-Zähler 66 zugeführt, um die Tagesadresse des Speichers
durch einen Zyklus von sieben Zuständen zu führen. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes
76 wird während dieses Zyklus aufrechterhalten und an der Speicherstelle gegespeichert,
die
durch das Halbstundensignal des Modulo-48-Zählers 64 in jedem der sieben Speicherabschnitte
60a bis 60g adressiert ist, wenn diese nacheinander in schnellar Folge durch das
Ausgangssignal des Modulo-7-Zählers 66 abhängig von dem Impulsgenerator 80 adressiert
werden.
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Wenn die bistabile Schaltung 72 im rückgesetzten Zustand ist, was
nach dem Vierundzwanzig-Stunden-Lernzyklus der Fall ist, wird alternativ der Impulsgenerator
80 nicht eingeschaltet und das Ausgangs signal des UND-Gliedes 76 nur in dem zugeordneten
Halbstunden-Zeitschlitz des Speicherabschnitts gespeichert, der durch das Ausgangssignal
des Modulo-7-Zählers 66 adressiert ist.
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Befindet sich das System nicht im Lernzustand, sondern im Zustand
"AUTO" oder "MANUELL", so werden die AusKJangssignale des Filters 78, die Änderungen
des Zyklusbetriebes angeben, nicht gespeichert.
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Wird die Drucktaste 28 "ZYKLUS" betätigt, so wird ein Impulsgenerator
82 eingeschaltet und liefert einen Impuls pro Sekunde an einen Modulo-5-Zähler 84.
Dieser Zähler liefert Signale an einen Eins-aus-Fünf-Haltedecodierer 86, der eines
der Leuchtzeichen 20 bis 27 ansteuert.
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Ein fünftes Leuchtzeichen 88 ist gestrichelt dargestellt und gilt
für eine alternative Ausführungsform, bi der das System auch eine Hilfseinrichtung
steuern kann, die zusätzlich zu einer Heizung oder einer Klimaanlage vorgesehen
ist. Beispielsweise kann das System Lampen oder ein Hausgrät zu einer gewünschten
Zeit huber eine Hilfssteuerung 90 einschalten, die von ihm angesteuert wird.
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Befindet sich das System in der Betriebsart "AUTO", so
werden
die Leuchtzeichen 20 bis 27 abhängig von den Ausgangssignalen des Speichers über
ein UND-Glied 92 eingeschaltet. Dieses erhält die Ausgangssignale des Speichers
60, die durch das zusammengesetzte Adressensignal bestimmt sind, welches von dem
Modulo-7-Zähler 66 und dem Modulo-48-Zähler 64 erzeugt wird. Das UND-Glied 92 wird
ferner durch ein Signal "MANUELL" des Schalters 34 und durch ein Signal "75G" angesteuert,
dessen Quelle im folgenden noch beschrieben wird. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes
92 wird dem Decodierer 86 über ein ODER-Glied 94 zugeführt, in dem es mit dem Ausgangssignal
eines UND-Gliedes 96 summiert wird, um den Zustand der Leuchtzeichen 20 bis 27 zu
steuern.
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Das UND-Glied 96 erhält das Ausgangssignal des Modulo-5-Zählers 84
und wird durch ein Signal der Drucktaste 28 angesteuert, welches deren Niederdrücken
anzeigt. Somit werden der Decodierer 86 und die Leuchtzeichen 20, 22, 24, 26 und
27 durch das Ausgangssignal des Speichers 60 angesteuert, wenn sich das System im
Betrieb "AUTO" befindet und die Zyklustaste 28 nicht gedrückt ist. Ferner erfolgt
Ansteuerung durch das Ausgangssignal des Zählers 84, der durch die Zyklustaste 28
gesteuert wird, wenn sich das System im Lernbetrieb oder im Betrieb "MANUELL" befindet.
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Das Ausgangs signal des ODER-Gliedes 94 wird einem Verglelcher 98
zugeführt. Dieser erhält auch das Ausgangssignal eines Temperatursensors 100 und
liefert ein Ausgangssignal mit zwei Zuständen, welches den Speisezustand der Heizung
bzw. der Klimaanlage steuert, um die festgestellte Temperatur in Übereinstimmung
mit der von der Thermostateinrichtung geforderten Temperatur zu bringen..
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Der Temperatursensor 100 gibt ein Ausgangssignal ab, welches mit dem
Einstellpotentiometer 36 im Sinne der Einstellung "KOMFORTABEL" eingestellt werden
kann. Das an diesem Potentiometer abgegriffene Signal ist somit ein zusammengesetztes
Signal, das von der festgestellten Temperatur und von der Einstellung des Potentiometers
abhängt.
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Das Ausgangs signal des Vergleichers 98 wird der Heizung 102 und/oder
der Klimaanlage 103 über den Heizen/Kühlen-Schalter 40 und den Bimetallschalter
18 zugeführt. Der Bimetallschalter 18 hat drei Stellungen. Er befindet sich normalerweise
in der Stellung "NORMAL", in der das Ausgangssignal des Vergleichers 98 die Heizung
102 steuert. Der Schalter 18 nimmt eine Stellung "AU8 , wenn die Temperatur in der
Umgebung der Thermostateinrichtung einen Maximalwert von beispielsweise 350 Celsius
überschreitet, während er eine Stellung EIN" annimmt, wenn die Temperatur in der
Umgebung des Thermostateinrichtung unter einen Minimalwert von beispielsweise 7°
Celsiusabfällt. Dieser Zusammenhang kehrt sich um, wenn das System im Kühlzustand
ist und die gesteuerte Einrichtung eine Klimaanlage int.
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Ein adaptives Steuersubsystem 104 wird dann eingeschaltet, wenn sich
das System in der Betriebsart l'AUTO" befindet und das Ausgangssignal des Speichers
60 den Betrieb "ABSENKUNG" hervorruft. Dieser Zustand wird durch ein UND-Glied 108
festgestellt. Die adaptive Steuerung 104 erhält auch das Ausgangssignal des Temperatursensors
100 und des Vergleichers 98.
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Geht das System in die adaptive Betriebsart über, so liefert die Steuerung
104 ein Startsignal an einen binären 7-Bit-Abwärtszähler 20. Das Startsignal bewirkt
die Eingaben binärer EINSEN" in die drei höchstsignifikanten Positionen dieses Zählers,
so daß er auf einen Zählerstand 48 voreingestellt wird. Das Vorhandensein einer
"EINS" an der höchstsignifikanten Position des Zählers.erzeugt ein Signal "ZOG",
welches einem Eingang eines UND-Gliedes 202 zugeführt wird. Der andere Eingang des
UND-Gliedes. 202 wird zenit einem laufend zugeführten hochfrequenten Taktsignal
angesteuert. Der Ausgang des UND-Gliedes 202 gibt ein Signal an den Eingang des
Abwärtszählers 200 ab und beginnt diesen mit der Frequenz der genannten Taktsignale
abwärts zu zählen.
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Die Impulse des UND-Gliedes 202 werden auch.. dem Modulo-48-Zähler
64 zugeführt. Nachdem 48 Impulse den Zählern 200 und 64 zugeführt sind, enthält
der -Zähler 200 an allen sieben Positionen binäre Nulleln und der Zähler 74 ist
auf den Zählerstand zurückgeführt, der vor dem Beginn des Zyklus "JOG" vorlag. Das
Vorha!ndensein von Nullen im Zähler 200 bewirkt das Ende es Signales "JOG".
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Das Signal "JOG" steuert auch ein UND-Glied 204- an, welches ein zweites
Eingangssignal vom Ausgang des Speichers 60 erhält und ein Signal an einen Ändeningsdetektor
206 für erste Änderung liefert. Der Detektor prüft das Ausgangssignal des Speichers
60 während des Zyklus "JOG", und bei Auftreten der ersten Änderung, die die nächste
im Speicher programmierte Temperatur repräsentiert, liefert er ein Ausgangssignal
an eine Halteschaltung 122 für nächste Temperatur, die ferner das Ausgangssignal
des Speichers 60 erhält und den nächsten Ausgangswert speichert.
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Das Ausgangssignal des Detektors 206 steuert ferner ein UND-Glied
208 an, welches den-Inhalt des Abwästszählers 200 in dem Moment der Feststellung
der ersten Temperaturänderung in die Adaptivsteuerung 104 eingibt. Dieses Signal
ist eine Funktion des Zeitintervalles zwischen der jeweils aktuellen Zeit und der
Zeit, wenn die nächste Programmtemperatur auftreten soll.
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Das Ausgangssignal der Halteschaltung für nächste Temperatur wird
einem UND-Glied 210 zugeführt, welches ferner durch ein Ausgangssignal der Adaptivsteuerung
104 angesteuert wird, welches mit "STARTE NÄCHSTE TEMPERATUR" bezeichnet ist. Dieses
Signal tritt zu der Zeit auf, die durch das adaptive Steuersignal zum Start der
Heizung berechnet ist, damit die nächste vorgegebene Temperatur zur programmierten
Zeit erreicht wird. Das Signal des UND-Glied 210 wird dem ODER-Glied 124 sowie über
das ODER-Glied dem Halte-Decodierer 86 zugeführt.
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Die -Adaptivsteuerung 104 überwacht das "EIN"-Signal der Heizung,
wenn sich das System nicht in "ABSENKUNG" befindet, um den Einschaltezyklus der
Heizung zu bestimmen und laufend auf den neuesten Stand zu bringen. Dieser Zyklus
ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Wärmeaustausches zwischen dem geheizten
Gebäude und der Außenumgebung zum jeweiligen Zeitpunkt und ist somit proportional
der Geschwindigkeit der Temperaturzunahme im Gebäude bei eingeschalteter Heizung.
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Die Adaptivsteuerung 104 berechnet dann die Zeit, zu der die Heizung
eingeschaltet werden muß, um die nächste programmierte Temperatur und die zugehörige
programmierte
Zeit zu erreichen. Dies erfolgt auf der Grundlage
der Gleichung Zeit = T K wobei T ex gleich dem Einsdultzyklus und 4T die Differenz
zwischen der zukünftigen Temperatur und der aktuellen Temperatur ist.
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Die Konstante K wird in Einheiten Grad/Stunde adaptiv durch Vergleich
der Zeit, zu der die Heizung tatsächlich die nächste'vorgegebene Temperatur erreicht,und
der eit, zu der diese nächste Temperatur erreicht werden sölI bew stimmt. Jedesmal
wenn das System den Adaptivbetrieb beendet, wird K um eine Einheit erhöht, vorzugsweise
um ein Grad pro Stunde, wenn die programmierte Temperatur vor ihrer vorgegebenen
Zeit erreicht wird. K wird um einen Schritt verringert, wenn die programmierte Temperatur
noch nicht zur vorgegebenen Zeit erreicht ist.
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Somit wird nach dem Zyklus "JOG" der Temperaturwert in der Halteschaltung
122 dem Vergleicher 98 huber die ODER-Glieder 124, 94 zugeführt. Die AdaptiVsteuerung
104 erzeugt jedoch ein "AUS"-Signal, welches dem Vergleicher 98 zugeführt wird,
und verhindert eine Betätigung der Heizung, bis die Adaptivsteuerung das "AUS"-Signal
zu einem Zeitpunkt vor der nächsten berechneten Programmtemperatur beendet, um das
Erreichen der nächsten programmierten Temperatur im Gebäude zur vorgegebenen Zeit
durch die Heizung zu ermöglichen. Eine eingehende Beschreibung der Adaptivsteuerung
104 findet sich in der US-PS 4 172 555.
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Der Speicher wird somit durch Setzen des Schalters 42 in die "EIN"-Stellung
und Setzen des Schalters 34 in die "LERNEN"-Stellung programmiert. Danach wird die
durch die Leuchtzeichen 20 bis 27 vorgegebene Betriebsart in den Speicher eingegeben.
Während der ersten vierundzwanzig Betriebsstunden wird die Programmierung in allc
sieben Abschnitte des Speichers eingegeben. Nach den ersten vierundzwanzig Betriebsstunden
werden Anderungen der Betriebsart während der Stellung "LERNEN" des Schalters 34
nur in den Speicherabschnitt für diesen Tag eingespeichert. Nachdem die Bedienungsperson
den von ihr gewünschten Zyklus eingespeichert hat, kann der Schalter 34 in die Position
"AUTO" rückgesetzt werden.
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Zu jedem Zeitpunkt kann der Schalter in die Position "MANUELL" gebracht
werden, und das gespeicherte Stevqerprogramm wird ignoriert und der durch den Zustand
der Leuchtzeichen 20 bis 27 vorbestimmten Betriebsart der Vorzug gegeben.
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-Der Schalter 34 kann in die Stellung "LERNEN" gebracht werden, um
jede einzelne Tagestemperaturspeicberung je nach Wunsch der Bedienungsperson zu
ändern.
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Wenn der Schalter 42 in die Stellung "AUS" gebracht wird, so wird
das Programm freigegeben,und es steht ein freier Bereich zur Neuprogrammierung zur
Verfügung.
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Der genaue Aufbau des Temperatursensors 100 und die den Taktgenerator
62 speisende Schaltung sind in Fig. 3 gezeigt. Die Temperatur wird vorzugsweise
durch einen Thermistor 130 festgestellt, obwohl auch andere temperaturempfindliche
Elemente, beispielsweise temperaturempfindliche
Dioden, hierzu
verwendbar sind. Dem Thermistor 130 sind ein Kondensator 132 und das Einstellpotentiometer
36 parallelgeschaltet. Diese drei Einheiten bilden den RC-Schwingkreis eines Oszillators
134, der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz abgibt, die eine Funktion der mit
dem Thermistor 130 festgestellten Temperatur und der Einstellung des Potentiometers
36 ist.
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Der Oszillator 134 ist vorzugsweise der interne Oszillator eines Mikroprozessors,
und seine Ausgangssignale auf der Leitung 136 dienen als interne Taktsignale des
Mikroprozessors, so daß der Tak.tzyklus des Mikroprozessors durch das Ausgangssignal
des Oszillators 134 gesteuert wird. Die Anderungen der Arbeitsgeschwindigkeit des.
Mikroprozessors, die sich aus diesem Aufbau ergeben, beeinträchtigen nicht die Leistung
der Thermostateinrichtung. Diese Anordnung erübrigt separate Oszillatoren zur Erzeugung
eines temperaturvariablen Signals und eines internen Taktsignals für den Mikroprozessor.
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Das temperaturabhängige Ausgangsslgnal des Oszillators auf der Leitung
136 wird einem Zähler, 133 zugeführt, der ähnlich wie die anderen digitalen inhiten
der Thermos.tateinrichtung vorzugsweise durch Register innerhalb des Mikroprozessors
gebildet ist.
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Das Stromversorgungssignal mit Netzfrequenz wird einem Nulldurchgangsdetektor
140 zugefUhrt, der ein Rechtecksignal mit Netzfrequenz erzeugt. Dieses Signal setzt
den Zähler 138 und ein Uberlauf-Flip-Flop 144 zurück und bewirkt die Übertragung
des Inhaltes des Zählers 138 auf die Temperatur-Halteschaltung 142. Die Frequenz
des
Oszillators ist wesentlich höher als die Netzfrequenz, vorzugsweise
liegt sie im Kilohertzbereich, so daß die Anzahl der auf der Leitung 136 während
einer 1/SO sec-Periode erzeugten Impulse relativ groß ist und sich beachtlich abhängig
von Änderungen der Umgebungstemperatur im Bereich des Thermistors 130 ändert. Der
Inhalt der Halteschaltung 142 wird in jeder Taktperiode so modifiziert, daß er dem
Zählerstand des Zählers 138 entspricht. Der Inhalt der Halteschaltung 142 bildet
das Ausgangssignal des Temperatursensors 100, welches dem in Fig. 2 gezeigten Vergleicher
98 zugeführt wird.
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Wenn die Netz stromversorgung ausfällt, so erscheinen keine Ausgangssignale
am Nulldurchgangsdetektor 140, und der Zähler 138 erreicht schnell den Überlauf.
Das Überlaufsignal setzt das Flip-Flop 144, welches ctrrnh das Ausgangssignal des
Nulldurchgangsdetektors rUckgesetzt wird, wenn die Netzstromversorgung wieder beginnt.
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Der Setzausgang des Flip-Flop 144 schaltet eine Batteriestror,1versorg
mg 146 ein, die den Oszillator 134 sowie andere Schaltungen des Mikroprozessors
speist. Der Setzausgang des Flip-Flop 144 schaltet ferner einen Vergleicher 14;'
ein, der das Parallelausgangssignal der Halteschaltung 142 und das Parallelausgangssignal
des Zählers 138. empfängt. Wenn der Zählerstand tZ Zählers den Wert erreicht, der
in der Halteschaltung gespeichert ist, so gibt der Vergleicher ein Rücksetzsignal
an den Zähler huber ein ODER-Glied 150, wodurch der Zähler auf Null rückgesetzt
wird. Diese Rücksetzsignale treten somit mit einer Periode entsprechend der Taktperiode
auf, solange das Ausgangssignal des Oszillators 134 konstant bleibt. Während einer
Zeit von weniger als einigen Minuten, wie sie charakteristisch filr
einen
Netzstromausfall ist, sollte sich die Umgebungstemperatur des Thermistors 130 nicht
so weit ändern, daß sich eine merkliche Änderung der Frequenz des Oszillators 134
ergibt.
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Während die Leistung von der Netzstromversorgung geliefert wird, werden
die Ausgangssignale des Nulldurchgan,gsdetektors 140 dem Taktgenerator 62 (Fig.
2 und Fig. 3) über das ODER-Glied 150 zugeführt. Wenn die Netzstromversorgung ausfällt
und die Ausgangssignale des Nulldurchgangsdetektors 140 verschwinden, werden die
Rücksetzsignale des Vergleichers 148 dem Taktgenerator 6Z über das ODER-Glied 150
zugeführt, so daß sie die Ubli chen Taktimpulse ersetzen.
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Diese Anordnung liefert den internen Takt des Thermostaten weitgehend
sychron mit dem Zeitablauf unabhängig von Stromversorgungsausfällen bis zu einigen
Stunden oder auch Tagen, was'von der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen
dem Gebäude und der Außenseite während dieser Zeit abhängt. Dies erübrigt eine Neuprogrammierung
der Thermostateinrichtung nach Stromversorgungsausfällen mäßiger Dauer. Obwohl der
interne Takt um einige Sekunden oder auch wenige Minuten während eines solchen Stromversorgungsausfalls
driften kann, was auf die Änderung der Ausgangsfrequenz des Oszillators 134 infolge
Temperaturänderungen während dieser Zeit zurückzuführen ist, beeinträchtigt dies
die Leistung der Thermostateinrichtung nicht wesentlich, da eine bestimmte Temperatur
zu einer vorgegebenen Zeit üblicherweise nicht unbedingt mit hoher Genauigkeit erreicht
werden muß.