JP5348380B2 - コントロール回路 - Google Patents

Description

本発明は、小規模計装器のバーン・アウト電流を制御するコントロール回路に関し、特に部品点数とＣＰＵの使用ポート数を削減することができるコントロール回路に関する。

一般に、温度調節計（以下「温調計」という）は制御対象の温度を所定の温度に制御するものである。しかし、温度制御を行っている最中に温度を検知する測温抵抗体が断線した場合、温調計は突然温度が下がったものと判断し、制御対象を加熱するように温度を制御する。このような状態になると、制御対象の温度は上昇しすぎるため、大変危険である。

そこで、温調計では、測温抵抗体が断線した場合、制御対象に出力する温度制御信号を最大（バーン・アウト・アップ）又は最小（バーン・アウト・ダウン）に振り切らせることにより事故の発生を防止している。このような測温抵抗体の断線を検出する先行技術文献としては、例えば特許文献１が知られている。

特開２００１―１８３２４２号公報

以下、図３を参照して従来のコントロール回路を説明する。測温抵抗部１はコントロール対象である。電流源１０は電流を出力する。測温度抵抗部１にあって抵抗ｒ２１，抵抗ｒ２３，抵抗ｒ２４は配線抵抗であり、一端にそれぞれ端子Ａ３１，端子ｂｂ３２，端子Ｂ３３が接続されている。抵抗Ｒ２２は測温抵抗体である。また、これらの抵抗２１〜２４と端子３１〜３３で３線式の測温抵抗部（ＲＴＤ）１を構成する。

一方、コントロール部にあって、抵抗Ｒｂ４０に用いられる抵抗値は例えば１０ＭΩである。アナログ・スイッチ５０，５１はＣＰＵ９０のバーン・アウト・コントロール１（ＢｏｕｔＣＴＬ１）ポート，ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートから出力される信号により、端子ａ又は端子ｂに切り換えられる。

また、アナログ・スイッチ５０を端子ａに切り換えるとバーン・アウト電流は流れず、端子ｂに切り換えると後述する電位に接続されることにより、バーン・アウト電流が流れる。

すなわち、アナログ・スイッチ５１が端子ａに切り換えられ電位１Ｖに接続されると、詳しくは後述する図７で説明するようにバーン・アウト・ダウン電流が流れ、アナログ・スイッチ５１が端子ｂに切り換えられ電位−１Ｖに接続されると、図６で説明するようにバーン・アウト・アップ電流が流れる。

マルチプレクサ（ＭＵＸ）６０の入力には端子Ａ３１，端子ｂｂが接続される。なお、図示を省略しているが端子Ｂ３３もＭＵＸ６０の入力に接続しても良い。そして、ＭＵＸ６０はこれらの入力を次々と選択し、オペアンプ７０に出力する。

オペアンプ７０は、ＭＵＸ６０の出力が入力され、この電圧を増幅する。Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）８０は、オペアンプ７０の出力が入力され、Ａ／Ｄ変換してＣＰＵ９０に出力する。

ＣＰＵ９０は、Ａ／Ｄ８０から出力された信号に基づいて図示しない測定対象の温度を制御するとともに、ＢｏｕｔＣＴＬ１ポート，ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートから出力する信号によってアナログ・スイッチ５０，５１を切り換える。

次に、図４〜図９を参照して図３に示した３線式のＲＴＤ（測温抵抗部）の測定動作について説明する。ここで、図４，図６，図７は、図３に記載されたＲＴＤ１の構成の中から、ＲＴＤ１とバーン・アウト電流の説明に関連する構成のみを抜き出したものである。また、図５と図９は、バーン・アウトの状態（オフ，アップ，ダウン）とＣＰＵ９０から出力されるＢｏｕｔＣＴＬ信号の関係を表した表である。

まず、図４を参照して通常の温度測定、すなわちバーン・アウト電流が出力されないとき（以下「バーン・アウト・オフ」という）の動作を説明する。Ｖｒｅｆ＝２．５Ｖとし、端子ｂｂ３２，端子Ｂ３３間の電圧をＶ２とし、端子Ａ３１，端子Ｂ３３間の電圧をＶ１とする。

また、ＢｏｕｔＣＴＬ１ポート，ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートから出力する信号は、図５のバーン・アウトがオフのときのように、両方ともロウにする。このとき、アナログ・スイッチ５０，５１は、それぞれ端子ａに接続される。

電流源１０から出力された電流は端子Ａ３１，端子Ｂ３３を介してグランドに流れる。このとき電圧Ｖ，電圧Ｖ１，電圧Ｖ２はそれぞれ次のようになる。

Ｖ１＝Ｒ・Ｉ＋２・ｒ・Ｉ
Ｖ２＝ｒ・Ｉ
Ｖ＝Ｖ１−２・Ｖ２＝ＲＩ

続いて、図６を参照してバーン・アウト・アップ時に流れる電流の動作を説明する。Ｖｒｅｆ＝２．５Ｖとし、端子ｂｂ３２，端子Ｂ３３間の電圧をＶ２とし、端子Ａ３１，端子Ｂ３３間の電圧をＶ１とする。

また、図３のアナログ・スイッチ５０，５１を、図５のバーン・アウトがアップのときのように設定する。つまり、ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートからの信号によりアナログ・スイッチ５０を端子ｂに切り替えるとともに、アナログ・スイッチ５１をＢｏｕｔＣＴＬ１ポートから出力する信号により端子ｂに切り替える。

このとき、電流源１０から出力された電流は端子Ａ３１，端子Ｂ３３を介してグランドに流れる。また、−１．０Ｖの電位から端子ｂｂ３２と端子Ｂ３３を介してグランドに−ｉのバーン・アウト電流が流れる。このとき電圧Ｖ，電圧Ｖ１，電圧Ｖ２はそれぞれ次のようになる。

Ｖ１＝ｒ・Ｉ＋Ｒ・Ｉ＋ｒ・（Ｉ−ｉ）
Ｖ２＝ｒ・（−ｉ）＋ｒ・（Ｉ−ｉ）
Ｖ＝Ｖ１−２・Ｖ２＝Ｒ・Ｉ+３ｒ・ｉ

続いて、図７を参照してバーン・アウト・ダウン時に流れる電流の動作を説明する。Ｖｒｅｆ＝２．５Ｖとし、端子ｂｂ３２，端子Ｂ３３間の電圧をＶ２とし、端子Ａ３１，端子Ｂ３３間の電圧をＶ１とする。

また、図３のアナログ・スイッチ５０，５１を、図５のバーン・アウトがダウンのときのように設定する。つまり、ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートからの信号によりアナログ・スイッチ５０を端子ｂに切り替えるとともに、アナログ・スイッチ５１をＢｏｕｔＣＴＬ１ポートから出力する信号により端子ａに切り替える。

このとき、電流源１０から出力された電流は端子Ａ３１，端子Ｂ３３を介してグランドに流れる。また、＋１．０Ｖの電位から端子ｂｂ３２と端子Ｂ３３を介してグランドに＋ｉのバーン・アウト電流が流れる。このとき電圧Ｖ，電圧Ｖ１，電圧Ｖ２はそれぞれ次のようになる。

Ｖ１＝ｒ・Ｉ＋Ｒ・Ｉ＋ｒ・（Ｉ＋ｉ）＝Ｒ・Ｉ＋２ｒ・Ｉ＋ｒ・ｉ
Ｖ２＝ｒ・ｉ＋ｒ・（Ｉ＋ｉ）＝ｒ・Ｉ＋２ｒ・ｉ
Ｖ＝Ｖ１−２・Ｖ２＝Ｒ・Ｉ−３ｒ・ｉ

次に、図８を参照して従来の他のコントロール回路を説明する。ただし、図３と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図８ではボルテージ・レギュレータ１００で中間電位を生成する。

例えば、Ｖｃｃを５Ｖ，ＧＮＤを０Ｖとすると、中間電位ＧＮＤＡを２．５Ｖに設定する。また、抵抗Ｒｃ４１，抵抗Ｒｄ４２，抵抗Ｒｅ４３には例えば４．７ｋΩの抵抗値を用いる。

次に、図９を参照してバーン・アウト電流の操作方法を説明する。まず、バーン・アウトがオフの場合について説明する。ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートをハイ（抵抗Ｒｄ４２に５Ｖの電圧がかかる）とし、ＢｏｕｔＣＴＬ１ポートをロウとすると、接続点Ｐの電位は（＋５Ｖ＋０Ｖ）／２となるため、２．５Ｖとなる。

上述したように、中間電位ＧＮＤＡは２．５Ｖに設定されているので、中間電位ＧＮＤＡと接続点Ｐ間は電位差がなく電流が流れない。従って、バーン・アウト電流はオフとなる。

次に、バーン・アウト電流がアップの場合について説明する。図９のように、ＢｏｕｔＣＴＬ０ポートをロウとし、ＢｏｕｔＣＴＬ１ポートもロウとすると接続点Ｐの電位は（０Ｖ＋０Ｖ）／２となるため、０Ｖとなる。

ＧＮＤＡは２．５Ｖに設定されているので、ＧＮＤＡから見ると接続点Ｐの電位は−２．５Ｖに相当する。そのため、図６で説明した場合と同様にバーン・アウト・アップ電流が流れる。尚、このときのバーン・アウト電流，電圧Ｖ，電圧Ｖ１，電圧Ｖ２の関係は図６と同様なので説明を省略する。

続いて、バーン・アウト電流がダウンの場合について説明する。図９のように、ＢｏｕｔＣＴＬ０ポート，ＢｏｕｔＣＴＬ１ポートの両方をハイとすると接続点Ｐの電位は（５Ｖ＋５Ｖ）／２となるため５Ｖとなる。

ＧＮＤＡは２．５Ｖに設定されているので、ＧＮＤＡから見ると接続点Ｐの電位は＋２．５Ｖに相当する。そのため、図７で説明した場合と同様にバーン・アウト・ダウン電流が流れる。尚、バーン・アウト電流及び各種電圧の関係は同様なので省略する。

このように、従来のコントロール回路では、どちらを採用するにせよＣＰＵ９０のＢｏｕｔＣＴＬポートが２つ必要となり、図３のコントロール回路に至っては更にアナログ・スイッチ５０，５１が必要となる。

以上述べたとおり、図３のコントロール回路はアナログ・スイッチ５０，５１が必要となるため部品点数が多いうえに、ＢｏｕｔＣＴＬポートが２つ必要となる。また、図８のコントロール回路では部品点数は少なくなるものの、ＣＰＵのＢｏｕｔＣＴＬポートは相変わらず２つ必要となる。

さらに、抵抗Ｒｄ４２と抵抗Ｒｅ４３の抵抗値が同一であることが要求され、抵抗値のばらつきが比較的大きい安価な抵抗器を用いると、バーン・アウトがオフの場合でも接続点Ｐの電位Ｖｂｏが０Ｖにならないため、わずかながらバーン・アウト電流が流れる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、部品点数とマイコンの使用ポート数が少ないコントロール回路を提供することを目的とする。

この様な課題を達成するために本発明は次の構成を備える。
（１）測温抵抗部で検出した信号に基づいて測定対象の温度を制御するコントロール回路において、
前記測温抵抗部にバーン・アウト電流出力する電流調整回路と、
この電流調整回路にハイレベル若しくはロウレベルの電圧を出力し又はハイ・インピーダンスとなるバーン・アウト・コントロール・ポートを備えたＣＰＵと、
このＣＰＵを動作させる２種類の電位の中間電位を生成するボルテージ・レギュレータと
を備えたことを特徴とするコントロール回路。
（２）前記電流調整回路は、一端が前記バーン・アウト・コントロール・ポートに接続された第１の抵抗と、一端が前記ボルテージ・レギュレータで生成された中間電位に接続され他端が前記第１の抵抗の他端と接続された第２の抵抗と、一端が前記測温抵抗部に接続され他端が前記第１の抵抗の他端に接続された第３の抵抗を備えたことを特徴とする請求項１記載のコントロール回路。
（３）前記ＣＰＵは、
バーン・アウト・コントロール・ポートをハイ・インピーダンスとしてバーン・アウト電流をオフとし、
バーン・アウト・コントロール・ポートからハイレベルの電圧を出力して前記測温抵抗部にバーン・アウト・ダウン電流を流し、
バーン・アウト・コントロール・ポートからロウレベルの電圧を出力して前記測温抵抗部にバーン・アウト・アップ電流を流すことを特徴とする請求項１又は２記載のコントロール回路。

本発明では次のような効果がある。ＣＰＵのＢｏｕｔＣＴＬポートをハイ・インピーダンスとする状態を設けたので、部品点数とマイコンの使用ポート数が少ないコントロール回路を提供することができる。

以下、図１を参照して本発明によるコントロール回路の構成例を説明する。ただし、図３，図８と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。さらに、中間電位ＧＮＤＡも図８と同様に２．５Ｖとする。

抵抗Ｒｆ４４と抵抗Ｒｇ４５はそれぞれ４．７ｋΩとする。尚、これらの抵抗Ｒｆ４４，Ｒｇ４５に抵抗Ｒｂ４０を含めて電流調整回路４６を構成する。

また、ＣＰＵ９１はＢｏｕｔＣＴＬ０ポートを備え、このポートはハイレベルで+５Ｖ，ロウレベルで０Ｖを出力する他、ハイ・インピーダンスの状態に切り換えることができる。

次に、図２を参照して図１の動作を説明する。まず、バーン・アウトがオフの場合について説明する。この場合、ＢｏｕｔＣＴＬ０をハイ・インピーダンスとする。このとき、接続点Ｑの電位Ｖｂｏは、中間電位ＧＮＤＡからみて電位差なしの０Ｖとなるので、バーン・アウト電流をオフとすることができる。

続いて、バーン・アウトがアップの場合について説明する。ＣＰＵ９１はＢｏｕｔＣＴＬ０をロウ（０Ｖ）とする。このとき、接続点Ｑの電位はＧＮＤＡからみて−２．５Ｖとなる。このため、図６で説明した場合と同様に、バーン・アウト・アップ電流が流れる。尚、バーン・アウト電流と各種電位の求め方は図６と同様なので説明を省略する。

続いて、バーン・アウトがダウンの場合について説明する。ＣＰＵ９１はＢｏｕｔＣＴＬ０をハイ（＋５Ｖ）とする。このとき、接続点Ｑの電位は中間電位ＧＮＤＡからみて＋２．５Ｖとなる。このため、図７で説明した場合と同様に、バーン・アウト・ダウン電流が流れる。尚、バーン・アウト電流と各種電位の求め方は図７と同様なので説明を省略する。

このように、ＣＰＵのＢｏｕｔＣＴＬポートをハイ・インピーダンスとする状態を設けたので、部品点数とマイコンの使用ポート数が少ないコントロール回路を提供することができる。具体的には、アナログ・スイッチを２つ、ＢｏｕｔＣＴＬポートを１つ削減することができる。

尚、本発明によれば３線式ＲＴＤ測定を例に説明したが、４線式ＲＴＤに本発明を用いても良く、この場合アナログ・スイッチとＢｏｕｔＣＴＬポートの使用数を更に削減することができる。また、本発明はバーン・アウト・コントロールの他にも、オフ，アップ，ダウンの３ステートの制御であれば応用可能である。

本発明のコントロール回路の構成図である。 本発明のコントロール回路におけるバーン・アウトの状態とＣＰＵ９１から出力されるＢｏｕｔＣＴＬ０信号の関係を表した表である。 従来のコントロール回路の構成図である。 バーン・アウト電流が流れないときの説明図である。 従来の第１のコントロール回路におけるバーン・アウトの状態とＣＰＵ９０から出力されるＢｏｕｔＣＴＬ信号の関係を表した表である。 バーン・アウト・アップ電流が流れるときの説明図である。 バーン・アウト・ダウン電流が流れるときの説明図である。 従来の第２のコントロール回路の構成図である。 従来の第２のコントロール回路におけるバーン・アウトの状態とＣＰＵ９０から出力されるＢｏｕｔＣＴＬ信号の関係を表した表である。

符号の説明

１０ 電流源
２１，２３，２４ 配線抵抗
２２ 測温抵抗部
３１ 端子Ａ
３２ 端子ｂｂ
３３ 端子Ｂ
４０ 抵抗Ｒｂ
４４ 抵抗Ｒｆ
４５ 抵抗Ｒｇ
６０ ＭＵＸ
７０ オペアンプ
８０ Ａ／Ｄコンバータ
９１ ＣＰＵ
１００ ボルテージ・レギュレータ

Claims (3)

1. 測温抵抗部で検出した信号に基づいて測定対象の温度を制御するコントロール回路において、
   前記測温抵抗部にバーン・アウト電流出力する電流調整回路と、
   この電流調整回路にハイレベル若しくはロウレベルの電圧を出力し又はハイ・インピーダンスとなるバーン・アウト・コントロール・ポートを備えたＣＰＵと、
   このＣＰＵを動作させる２種類の電位の中間電位を生成するボルテージ・レギュレータと
   を備えたことを特徴とするコントロール回路。
2. 前記電流調整回路は、一端が前記バーン・アウト・コントロール・ポートに接続された第１の抵抗と、一端が前記ボルテージ・レギュレータで生成された中間電位に接続され他端が前記第１の抵抗の他端と接続された第２の抵抗と、一端が前記測温抵抗部に接続され他端が前記第１の抵抗の他端に接続された第３の抵抗を備えたことを特徴とする請求項１記載のコントロール回路。
3. 前記ＣＰＵは、
   バーン・アウト・コントロール・ポートをハイ・インピーダンスとしてバーン・アウト電流をオフとし、
   バーン・アウト・コントロール・ポートからハイレベルの電圧を出力して前記測温抵抗部にバーン・アウト・ダウン電流を流し、
   バーン・アウト・コントロール・ポートからロウレベルの電圧を出力して前記測温抵抗部にバーン・アウト・アップ電流を流すことを特徴とする請求項１又は２記載のコントロール回路。

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