专利名称：能量转换的改进电路的制作方法
本申请要求2004年5月20日提交的临时申请号No.60/573,716的优先权。
背景技术：
1.技术领域本申请通常涉及用于依据众所周知的功率方程对提供给能耗装置的能量进行控制的改进电路，该功率方程为(1)Po＝Pin-Pl其中，Po＝功率输出，Pin＝功率输入，并且Pl＝装置中的损耗。已知当装置达到其工作状态(即，温度、转速、动量等等)时，剩余功率Pr就变成上述方程(1)的因子，并且方程(1)变成(2)Po＝Pin-Pl+Pr其中Pr＝剩余功率，并且在此“剩余功率”或“剩余能量”被定义为由外加功率在装置中造成的“余热”、“转动能”、“线性运动”、“动力能量”、“动能”、或者表示势能的任意其他术语。剩余功率可以被用来保存该装置所使用的能量。
在方程(2)中可以看出，如果Pin减小到等于Pl，那么剩余功率Pr就足以维持所期望的输出功率Po。
如果剩余功率Pr很小，诸如对于小电机，由于很低的惯性和质量，剩余功率很小，因此，只能保存少量能量。
具体地，本发明涉及用于从电负载中获得所期望的输出功率Po的方法和设备，该目的是通过以下实现的通过向装置简单地提供充分的脉冲时间调制能量Pin来仅仅替换负载损耗Pl，仅维持剩余功率Pr，从而维持所期望的功率输出Po，并由此节省否则将被浪费的输入能量Pin。
2.
背景技术：
把发热元件认为是被加热到期望温度的电负载。如果去除输入功率，则发热元件具有存储的热量或剩余功率Pr，并且继续产生热量，直到通过冷却(能量或功率损耗Pl)从该元件中消耗掉这些热量。在共同申请人的联合待审临时专利申请S.N.60/545,783中公开了一种用于自动提供在数量上等于功率损耗Pl的输入功率Pin的电路。人工调整输入功率以维持期望负载是已知的。在美国专利No.6,449,870和美国专利No.6,718,651中公开了被人工控制以设置期望温度的电路。
同样，有一种具有控制电路的焊接装置，当达到某个温度时该控制电路切断焊嘴的电源，然后在温度降到期望值以下时重新打开电源。虽然这是自动完成的，但是电源不是由这样的电路连续调节的这种电路自动减小或者自动增大施加到负载上的脉动(脉冲时间调制)功率的速率，以持续地维持诸如温度之类的所期望的工作条件。
对于旋转装置，诸如轮子、电动机等等，当去除该旋转装置的输入功率时，电动机或轮子借助于存储的能量或动能来继续旋转，直到摩擦能(功率损耗)完全消耗掉动能或动力能量(剩余功率)。
具有以下改进电路是非常需要的该电路向电能耗装置提供持续的电输入功率，直到该装置达到其选定的所期望的工作条件为止，然后借助于由反馈电路控制的脉冲时间调制来自动地把输入功率减少到仅足以取代功率损耗的量，以仅仅维持剩余功率，从而用最小的功率输入维持所期望的功率输出。
发明内容
采用本发明，通过施加全输入功率Pin将电能耗装置带到其所期望的工作条件。当达到所期望的工作条件时，用脉冲时间调制把输入功率Pin自动地减小到出现在装置中的功率损耗Pl的量，从而使得存储在装置中的剩余功率或能量Pr等于所期望的输出功率Po。
这通过提供表示电能装置所期望的工作状态(即，温度、转速、光的亮度、等等)的反馈电路并产生表示所期望的工作条件的瞬时值的信号来实现。所产生的反馈信号作为一个输入而耦合到比较器。另一输入是基于可变时间的电参考信号，只是举例，诸如是锯齿参考波形。当反馈信号在振幅上小于锯齿参考波形的任意部分时，比较器的输出是脉冲时间调制信号(PTM)，该脉冲时间调制信号被耦合到并激励诸如功率FET的电子开关。电负载被耦合在电源和电子开关之间。脉冲时间调制信号被耦合到电子开关的栅极，以足以向负载提供正好充足的功率来取代功率损耗(即，冷却)的速率自动地接通或切断该电子开关，从而维持如反馈信号所确定的所期望的工作条件。
同样，对于在此公开的改进电路而言，在此用温度传感器产生输入反馈信号，该温度传感器提供必须被诸如晶体管所放大的小输入信号，向该晶体管的基极提供固定的偏压，而不是使用自偏压，来形成没有寄生振荡、60倍循环交流声干扰(cycle hum)等等的尖锐、干净的脉冲。
此外，本改进电路还包括具有多个(优选为3个)位置的开关，只是举例，该开关实现低、中或高的温度、转速、以及光亮度。在一个实施例中，开关被选择性地耦合到多个电阻中的一个，所述多个电阻各自具有不同电阻值且耦合到放大晶体管的集电极，以改变比较器的输入控制信号电平的值，并因而改变驱动FET开关的比较器的输出电平。
因而，可以为发热装置选择特定温度设置中的一个。同样，可以为旋转装置选择不同转速中的一个，并且可以为光源选择不同光亮度值中的一个。
在另一实施例中，这些电阻可以被滑动开关并联，以提供多个不同的并联电阻组合，并且由此提供多个电阻值，从而建立诸如温度、转速、以及光亮度的多个不同的工作条件。
另外，还可以提供至少一种其他的替换变型的新电路，以允许装置提供诸如上述的温度之类的低、中和高的工作条件。在温度的情况下，功率开关或FET被连接到手动控制开关的多个双金属温度开关之一所旁路，以便负载通过所选定的一个双金属温度开关直接连接到地电位。这些双金属开关可以被设置为在任何期望温度上断开。例如，它们中的一个可以在140的温度上断开。它们中的第二个可以在170的温度上断开。它们中的第三个可以在200的温度上断开。因而，无论哪一个双金属温度开关被手动控制开关选定，在负载达到期望温度之前，尽管FET开关被控制电路所驱动，但是其被选定的闭合双金属开关所旁路，并且以最短时间达到期望温度。当负载达到期望温度时，双金属开关断开，被控制电路驱动的FET有效并开始在该温度上调节负载。
该新电路还包括作为选择性的快热开关，该快热开关可以被装置操作者手动压下或者激活，当其被激活时，其创建重新对FET进行旁路的电路并把负载直接连接到地电位以导致负载的快速发热。当温度足够热时，如操作者所确定的，该开关被释放，控制电路重新对温度进行控制。
同样，当对光源进行控制时，新电路可以使用与任意公知的光传感器(例如，硫化镉电池或光检测器)所确定的电灯泡灯丝的热量或光亮度成比例的反馈信号，从而提供仅足以补偿诸如灯丝冷却等的负载损耗的功率。
当对具有动量(存储的能量或剩余功率)的旋转装置进行控制时，只是举例，rpm指示器所检测的该装置的转速可以用来产生表示转速的信号，并且该信号可以被用作反馈信号，如上所述，通过向电子开关提供脉冲时间调制信号来向负载施加仅足以补偿诸如摩擦、系统损耗等的负载损耗的功率，从而以所期望的速度驱动旋转装置。
在一个实施例中，对用于驱动电动机的众所周知的脉冲宽度调制器电路进行修改以接受反馈信号，以便一旦达到所期望的速度就通过向该装置施加仅足以补偿系统与负载损耗的脉冲时间调制功率，来以所期望的速度自动驱动旋转装置。
因而，本发明的一个目的是，使用脉冲时间调制信号来仅取代系统与负载损耗而从电负载中获得所期望的输出功率，从而使任意的剩余功率等于所期望的输出功率并因此节省输入功率。
本发明的另一目的是产生表示负载的所期望的工作条件的反馈信号，对反馈信号与基于可变时间的电参考信号进行比较并根据该比较产生脉冲时间调制信号。
本发明的再一目的是提供包括固定偏压晶体管以对接收到的反馈信号进行放大的控制电路。
本发明的又一目的是提供多个负载工作条件，以便可以由装置的用户来选择多个条件中的任意一个。
此外，本发明的目的是提供一种受脉冲时间调制信号控制的电子开关，以达到并维持所期望的负载条件。
本发明的另一目的是通过提供手动操作开关来提供用户控制的负载工作条件，当该手动操作开关被激活时，其将电子开关旁路，以使全输入功率被施加到负载，直到达到用户所期望的工作条件。
因而，本发明涉及一种用于从电负载中获得所期望的输出功率Po的方法，其中Po＝Pin-Pl+Pr，该方法包括以下步骤向负载提供持续的功率输入Pin，以达到所期望的输出功率Po，并创建剩余功率或存储的功率Pr，以及自动使用脉冲时间调制信号来把输入功率Pin减少到仅足以取代系统和负载损耗Pl的量，从而用减小的输入功率Pin来使所期望的功率输出Po维持等于剩余功率Pr。
本发明还涉及一种用减小的输入功率Pin从系统的电负载中自动获得所期望的输出功率Po的设备，其中Po＝Pin-Pl+Pr，其中Pl＝负载中耗费的功率损耗和任意的系统损耗，而Pr＝在所期望的输出功率上存储在负载中的剩余功率，所述设备包括电源，用于向负载提供持续的输入功率Pin，以用伴随的剩余功率Pr达到所期望的输出功率Po；以及控制电路，耦合在电源和负载之间，用于自动提供脉冲时间调制信号，以把施加到负载的输入功率Pin减少到仅足以取代功耗Pl的量，从而正好使剩余功率Pr维持等于所期望的功率输出Po，以节省电功率并延长负载的寿命。
将在下面对图的详细描述中对本发明的这些和其他更多的详细优点进行更充分的描述，其中，相同的数字表示相同的元件，在这些图中图1是通过本发明对其进行修正来改进其操作的、在共同申请人的联合待审临时专利申请S.N.60/545,783中公开的通用电路图；
图2图解了用于对图1电路进行修正的电路的一个实施例，用旋转开关在放大晶体管的集电极选择多个并联电阻中的一个以使得不同的负载工作条件能够出现；图3图解了用于对图1电路进行修正的电路的第二实施例，使用滑动开关来选择多个并联电阻中的至少一个以使得不同的负载工作条件能够出现；图4图解了通过寄生振荡、噪声、60倍交流声干扰、以及其他令人讨厌的干扰信号所失真的脉冲时间调制脉冲；图5图解了用于消除图4中示出的脉冲失真的至少一个电路；图6图解了用于对图1的特定类型负载达到所期望的操作温度所需要的时间进行改进的电路；图7图解了用于通过提供用户控制的开关来对图1的电路进行改进的电路，该用户控制的开关使得图1的装置能够在操作者希望的长时间内向负载施加满功率；图8图解了通过使用本发明而自动地将光源的亮度控制到所需亮度；图9图解了通过使用本发明而自动地将旋转装置的旋转控制到希望的rpm(每分钟转数)；图10图解了现有的电动机控制电路，本发明对其进行修正以控制施加到负载的功率；以及图11图解了负载反馈信号与基于可变时间的参考信号的关系，以产生脉冲时间调制。
具体实施例方式
图1的电路是在通过本发明对其进行改进的共同申请人的联合待审临时专利申请S.N.60/545,783的图6中公开的基本电路。
电路10通常包括开关12，其在被激活时，将电源耦合到单元中的每一元件的。电路10还具有作为主要部件的热传感单元14、比较器16、基于时间的参考信号发生器18、以及用于向负载24提供脉冲功率以对施加于负载上的功率进行调整的电子电源开关(FET)22。
只是举例，热传感单元14可以包括作为热传感器的LM 34热敏电阻28。该热敏电阻28具有功率输入、接地线、以及信号输出。输出信号通过电阻30和隔离二极管32耦合到运算放大器34(例如，众所周知的2222A晶体管)的基极。电源通过集电极电阻36耦合到晶体管34。
当感知的热量增加时，晶体管34的传导性开始增加，并且在线路38上负载电阻36与比较器16输入引脚3的接点处的电压开始从最大值减小。通过比较器16将线路38上来自晶体管34的输出信号的值，与线路20上从发生器18到比较器16引脚2的基于可变时间的输出信号(例如，锯齿波)的值进行比较。
比较器16可以由诸如601或741 IC芯片之类的众所周知的比较器芯片来形成。只是举例，基于可变时间的发生器18可以由本领域众所周知的555 IC芯片40或简单的RC时间常数电路来形成。
如在上述共同申请人的联合待审临时专利申请中所解释的，只有在线路38上到比较器16引脚3的热传感器输出信号在幅度上大于线路20上从发生器18到比较器16引脚2的基于可变时间的输出信号的任意部分的期间，比较器16才在引脚6产生到电阻42的输出信号。
图11(上述共同申请人的联合临时专利申请中的图10)在此图解了这种操作。图解了若干个不同热敏电阻输出信号值、和基于可变时间的参考信号(在这种情况下是锯齿波)的对应值。当传感器输出信号的幅度(指定为热敏电阻电压A)大于参考信号的最大幅度时，比较器16产生到电子开关22(功率FET)的命令信号，如比较器输出指定波形A所示，该命令信号是连续的。因而，向负载24提供连续功率。
然而，当由热传感器单元14所导致的输出信号是电平B时，仅仅在由热传感器单元14所导致的信号大于基于可变时间的发生器18(这里示为锯齿)信号的任意部分的期间，比较器16才产生输出信号。因而，比较器16输出曲线B图解了比较器16在大约70％的时间中接通且产生到FET开关22的输出信号，在大约30％的时间中断开。当然，这意味着只有70％的最大功率被提供到负载24。因此比较器16的输出是脉冲时间调制信号。
当比较器16的输出信号是电平C时，如C所指定的比较器16输出波形示出了，通过脉冲时间调制信号，只有在大约30％的时间中FET 22导通，在大约70％的时间中FET 22截止。
图2图解了对图1中示出的电路的改进，只是举例，其使得诸如高、中、低的温度、转速、以及光亮度之类的3个不同的负载工作条件能够出现。这种情况是这样出现的通过用至少两个功率级别来驱动放大晶体管34，以创建到电子功率开关22的低、中、高控制信号中的至少两个，以导致至少两个工作条件级别出现。
诸如晶体管34的晶体管放大器根据流经该晶体管的电流而工作在其特征特性曲线上。为了改变这种工作曲线并允许不同的工作点，将各自具有诸如100Ω、330Ω(以及470Ω)的不同电阻值的至少两个(优选为3个)电阻R1、R2(以及R3)，一端连接到晶体管34的集电极。旋转开关48将输入功率耦合到所述电阻中所选定的一个的另一端，以改变晶体管34的工作特性，并由此改变施加到比较器16引脚3的输出信号的值。因而，在这个例子中，通过开关48的设置可以实现至少3种不同的工作条件。
图3图解了用于选择插入在电源与晶体管34的集电极之间的电阻量的第二实施例。在这种情况下，滑动开关50被布置为，使得它可以选择单独的电阻R1、并联的电阻R1和R2、或者并联的电阻R1、R2和R3，从而使选定的3个不同电阻值中的任意一个能够连接到晶体管34的集电极，以改变负载工作条件。然后该电路如前所述进行工作。
图4图解了驱动功率电子开关22(FET)的脉冲时间调制信号的一个脉冲51，此时该脉冲51受寄生振荡、60倍能量、任意种类的电子噪声、以及其他附加的令人讨厌的干扰信号所影响。FET 22应当完全导通或截止以进行适当的工作。如果施加到其栅极的调节脉冲为图4所示的类型，则失真53妨碍FET完全变成截止并导致FET发热及最终发生故障。
图5所示电路消除了图4示出的脉冲的失真，并提供尖锐的、干净的脉冲，该脉冲具有如图4中示出的虚线52所示的整齐边缘。
失真出现在图4中示出的波形上的一个原因是，晶体管34是自偏压的并且出现在晶体管34基极的任意失真的信号、或者信号干扰被放大。为了消除这种问题，借助于耦合在电源和地电位之间且包括串联连接的电阻R4与R5的电阻分压网络将固定的偏压电平施加到晶体管34的基极，其中，电阻R4与R5各自具有不同的电阻值，并且它们的连接点连接到晶体管34的基极。因而，根据电阻R4与R5的电阻值，将预置信号施加到晶体管34的基极，消除图4示出的施加到电子电源开关或FET 22基极的脉冲上的任意干扰或失真。
为了在功率FET对负载进行控制之前，向负载供给持续的输入功率Pin，以在不同的功率设置上(即，这种情况下的低、中或高温)达到所期望的输出功率，利用了图6的电路。如可以在图6中看到的，电子开关22被放置在负载RL与地电位之间的多个双金属温度开关所旁路。在这种情况下，提供多个双金属开关52、54、以及56。在达到每一个双金属开关的工作温度之前该双金属开关闭合，然后所选定的开关断开并允许控制电路来控制功率FET 22。将在所期望的温度上断开的特定双金属开关，被耦合在双金属开关与负载RL之间的多位置开关58所选定。在图6中应当注意，偏压电阻Rb连接在功率FET 22的栅极与地电位之间。这个偏压电阻Rb使得功率FET稳定并提供可靠的操作。
功率控制装置的用户可能希望在用户选定的任意功率条件下对该装置进行操作。这在图7中通过将手动操作开关与功率FET 22并联放置来实现。因而，用户可以简单地压下开关60而在用户希望的时间内向负载RL提供全部的、未调整的功率。如果该装置因此被设置为工作在诸如温度设置的低功率设置上，则用户对开关60简单地进行手动操作并在希望的时间内保持该开关的接合状态。那么只要开关69被激活，该装置就具有施加到负载的全部的、持续的功率。
如早先所述，这种新颖的改进电路可以被用来控制多个不同的负载。例如，如图8所示，作为负载的光源的亮度可以被控制在希望的亮度上。在图8中，诸如早先所述的热敏电阻的热传感器可以被用来感知并测量由光源所产生的热量。只是举例，热敏电阻64测量灯丝68或护罩、外壳、或者电灯泡的玻璃69所产生的热量。热敏电阻自动地将这种感知和测量的热量值转换成线路70上耦合到控制电路16、18的电信号，并且控制电路如先前所解释的那样工作以维持选定的输出亮度。
同样，如图8所示，可以用诸如硫化镉电池或光电池72的光检测器来检测光的亮度。此外，所检测到的亮度被转换成在线路74上耦合回控制电路16、18并用来控制如前所述的功率FET 22的电信号。
图9图解了用于对诸如电动机76之类的装置的转速进行控制的电路。此外，诸如转速计78之类的反馈装置检测旋转装置76的rpm。转速计78可以自己把rpm值转换成用作控制电路16、18的反馈信号的相应电信号，作为早先所述的输入信号。如果转速计不是直接把rpm转换成电信号，那么可以使用任意众所周知的转换器80来把rpm信号转换成电反馈信号。然后电路如先前所述那样工作，使用脉冲时间调制信号来把输入功率Pin自动地减少到仅足以取代旋转损耗、摩擦损耗、以及系统损耗Pl的量，从而节省功率并延长旋转装置的寿命。因而，电动机转速被自动地控制在所期望的rpm上。
用于在电动机控制中用在此公开的新电路获得改进的效率(与直接且持续地向电动机施加的相同电池功率相比，向电动机脉动地施加给定电池功率在运行时间上增加了58％)的原因认为是如下几个。首先，利用新的脉冲电路，在电池上没有持续的电耗。在本领域中电池上恒定的耗用功率导致电池温度的上升是众所周知的。电池的内部电阻随着电池温度而增加也是众所周知的。当电阻增加时，在电池中有较大的内部功率损耗且电池持续发热，并且这种循环持续到即使在其输出端子上可以具有测量的电压该电池也不能产生任何更多的功率输出为止。
由于电池具有在此公开的新颖的脉冲电路时该电池是脉动的，因为电池中没有持续的耗电，所以该电池运行在较低的温度上。通过较低的温度，在给定的负载循环中电池寿命增加并且总的电池寿命延长使得其可以被再充电更多次。
因而，当前新颖的脉冲电路不仅允许电池温度降低，而且在该过程中给出了更长的负载循环电池寿命和更长的总电池寿命。
同样，可以相信，如果适当地进行设置，则施加到给定电动机的脉冲占空比和脉冲频率可以与电动机的输入阻抗相匹配，从而如本领域所众所周知的那样，在适当的设置上获得最大功率转移。
DC电源或电池具有AC阻抗并且DC电动机也具有AC阻抗也是本领域众所周知的。电池AC阻抗被定义为施加到电池两端的AC电压与所得到的通过该电池的电流的比率。通过当前的新颖的电路，在适当的工作脉冲占空比和脉冲频率上，电池的AC阻抗与电动机的AC阻抗相匹配，从而可以在匹配的阻抗值上再次导致功率的最大转移。
如早先所指出的，存在控制例如电动机转速的电路。然而，这种电路不是自动地控制电动机转速，而是使用电位计来手动改变电动机的速度。在图10中示出了这种电路的变型，需要这种电路来自动控制任意电负载，包括在所期望的rpm上的电动机速度。在图10的电路中，控制单元被修改以自动地控制装置的温度。可以看出，已经添加了图1中示出的温度传感单元14，以通过电位计RV2向该电路并通过电阻R6向IC芯片的引脚2提供反馈输入。然后该电路如早先关于图1的电路所解释的那样操作。
图1-3和5-10中示出的所有电路可以被放置在包括图5中示出的设置点电阻的单个专用集成电路(ASIC)芯片中。
因而，已公开了用于能量保存的改进电路，所述改进电路通过提供使多个负载工作条件能够被控制的电路来在所期望的工作条件上自动地控制负载，所述改进电路向电子功率开关(FET)提供基本上无干扰的脉冲时间调制脉冲来延长FET的寿命并提供FET的稳定操作，以及通过把多个双金属开关与电子开关(功率FET)并联放置来获得负载快速发热到多个温度设置中的一个。双金属开关中的每一个在不同的温度上断开，以便通过使用多位置开关，可以选定特定的双金属开关，以允许满功率被耦合到负载上，直到达到所选定的双金属开关的预定温度，然后该电路使用脉冲时间调制信号来在所选定温度上自动地控制该装置。
同样，已公开了用户操作的手动控制开关，其可以由用户激活以旁路FET，并在用户激活手动控制开关的时间内向负载提供满功率。
应当理解，在此使用的术语“电子开关”想要覆盖可以被控制以间歇地向负载提供功率的开关，包括诸如继电器或固态开关之类的机械操作开关，该固态开关诸如是先前在此描述的场效应晶体管(FET)。
虽然已示出并描述了优选的实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围内也可以另外进行各种变型和替换。因此，应当理解，借助于图解而非限制对本发明进行了描述。
下面的权利要求中相应的结构、材料、动作、以及所有装置或步骤加上功能元件或方法步骤的等价物想要包括与用于执行如具体要求的其他要求元件相结合的功能的任意结构、材料、或者动作。
权利要求
1.一种用减小的输入功率Pin从系统的电负载中自动获得所期望的输出功率Po的方法，其中，Po＝Pin-Pl+Pr，其中Pl＝所述负载中耗费的功率损耗和任意的系统损耗，Pr＝在所述期望输出功率上存储在所述负载中的剩余功率，所述方法包括以下步骤向所述负载提供持续的输入功率Pin，以用伴随的剩余功率Pr达到所述期望输出功率Po；以及使用可变速率的脉冲时间调制信号来把所述输入功率Pin自动地减少到仅足以取代所述功率损耗Pl的量，从而正好使所述剩余功率Pr维持等于所述期望功率输出Po，从而节省输入功率并延长所述负载的寿命。
2.如权利要求1所述的方法，其中，自动地减少所述电输入功率Pin的步骤进一步包括以下步骤产生表示瞬时负载输出功率Po的反馈信号；以及使用所产生的反馈信号来产生所述输入功率Pin的脉冲时间调制(PTM)，以把施加到所述负载的输入功率Pin减小到仅足以取代所述功率损耗Pl的量，从而通过用所减小的输入功率维持所述期望负载输出功率来节省电功率。
3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤把电功率开关耦合在所述电负载与地电位之间，所述电功率开关具有源极、漏极、以及导致所述电功率开关开启和关闭的栅极；以及向所述电功率开关的栅极施加所述脉冲时间调制信号，以使用所述脉冲时间调制信号来使所述电功率开关开启和关闭，从而减小维持所述期望输出功率所需的输入功率。
4.如权利要求3所述的方法，其中，产生表示所述期望负载输出功率Po的反馈信号的步骤还包括以下步骤用产生表示所述负载的瞬时输出功率的电子反馈信号的转换器，来检测所述电产生的负载的瞬时输出功率Po；以及提供控制电路，其用于接收所述反馈信号并产生用于减小所述期望负载输出功率的脉冲时间调制输出信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，提供用于接收所述反馈信号并产生所述脉冲时间调制信号的控制电路的步骤还包括以下步骤产生表示负载输出功率范围的基于可变时间的参考信号；以及将所述基于可变时间的参考信号和所生成的表示所期望的负载输出功率的反馈信号耦合到所述控制电路，从而使得当所生成的反馈信号大于所述基于可变时间的参考信号的最大值时，向所述负载供给持续的功率，并且当所生成反馈信号小于所述基于可变时间的参考信号的任意部分时，向所述电子功率开关提供所述脉冲时间调制信号以控制所述负载的输入功率。
6.如权利要求4所述的方法，其中，提供控制电路以接收所述反馈信号并产生表示所期望的负载输出功率的信号的步骤还包括以下步骤将所接收的反馈信号耦合到具有基极、集电极、以及发射极的放大晶体管；以及向所述晶体管的基极提供固定的偏压，以创建基于时间的调制脉冲，所述调制脉冲没有寄生振荡、60倍交流声干扰(60cycle hum)、以及任意附加的令人讨厌的干扰信号中的任意一种。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤用至少两个功率级别中的一个来驱动所述晶体管，以创建耦合到所述电子功率开关的两个不同脉冲时间调制信号中的至少一个，使得至少两种不同的负载工作条件出现。
8.如权利要求7所述的方法，其中，驱动所述晶体管的步骤还包括以下步骤将具有不同电阻值的多个不同的电阻耦合到所述晶体管的集电极；以及将电功率连接到具有希望的多个位置的开关，以选择所述电阻中的至少一个来改变所述负载工作条件。
9.如权利要求8所述的方法，其中，将电功率连接到开关的步骤还包括，使用旋转开关来选择所述多个不同电阻中的至少一个以改变所述晶体管工作条件的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其中，将电功率连接到开关的步骤还包括使用滑动开关来选择所述多个不同电阻中的至少一个以改变所述负载工作条件的步骤。
11.如权利要求4所述的方法，其中，向所述负载提供持续的输入功率Pin以达到所期望的输出功率Po的步骤还包括以下步骤通过将多个双金属温度开关耦合在所述负载与地电位之间来对所述电子功率开关进行旁路，所述双金属开关中的每一个被设置为在不同的温度下断开；以及选择表示所期望的操作温度的双金属开关，从而使得当达到所期望的操作温度时，所选定的双金属开关断开，并且允许所述控制电路用所述脉冲时间调制信号来控制所期望的负载输出功率。
12.如权利要求11所述的方法，还包括将多位置开关耦合在所述负载与所述多个双金属开关之间，以通过选择特定的双金属开关来选定所期望的操作温度的步骤。
13.如权利要求3所述的方法，还包括在最短的时间内达到所期望的工作条件的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其中，在最短的时间内达到所期望的工作条件的步骤还包括以下步骤将手动操作开关耦合在所述负载与地电位之间；当所述手动操作开关被激活时，对所述电子功率开关进行旁路，以向所述负载提供全部的、持续的功率，直到所述手动操作开关被无效。
15.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤把作为所述负载的光源控制在所期望的亮度上。
16.如权利要求15所述的方法，还包括以下步骤测量由所述光源所产生的热量和所述光源的照明强度两者中的任意一个的值；将所测量到的值转换成电信号；以及使用所述电信号形成脉冲时间调制信号，以将所述输入功率Pin自动地减少到仅足以取代所述热源的热损耗和任意系统损耗Pl的值，从而节省功率并延长所述光源的寿命。
17.如权利要求16所述的方法，其中，将所述热源所产生的热量的值转换成电信号的步骤还包括，使用与所述光源所产生的热源相贴近的热传感元件来将所述热量转换成所述电信号的步骤。
18.如权利要求16所述的方法，其中，将所述光源的照明强度的值转换成电信号的步骤还包括，提供与所述光源所产生的光束相贴近的光传感器来生成表示所述光源的照度的电信号的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中，提供光传感器的步骤还包括，贴近所述光源所产生的光束放置硫化镉电池和光检测器中的一种，来把照度转换成用作所述反馈信号的电信号。
20.如权利要求1所述的方法，还包括把作为所述负载的旋转装置控制在表示所述期望输出功率的所期望的旋转速度上的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，还包括以下步骤检测所述旋转装置的转速，把所检测到的转速转换成电信号；以及使用作为所述反馈信号的电信号来产生脉冲时间调制信号，所述脉冲时间调制信号把所述输入功率Pin自动地减少到仅足以取代功率损耗Pl的量，从而节省功率并延长所述旋转装置的寿命。
22.一种用减小的输入功率Pin从系统的电负载中自动获得所期望的输出功率Po的设备，其中，Po＝Pin-Pl+Pr，其中，Pl＝所述负载中耗费的功率损耗和任意的系统损耗，Pr＝在所述期望输出功率上存储在所述负载中的剩余功率，所述设备包括电源，其用于向所述负载提供持续的输入功率Pin，以用伴随的剩余功率Pr达到所述期望输出功率Po；以及控制电路，其耦合在所述电源和所述负载之间，用于产生脉冲时间调制信号，所述脉冲时间调制信号把施加到所述负载的输入功率Pin自动地减少到仅足以取代所述功率损耗Pl的量，从而正好使所述剩余功率Pr保持等于所述期望功率输出Po，以节省电功率并延长所述负载的寿命。
23.如权利要求22所述的设备，其中，自动地减少所述电输入功率Pin的控制电路还包括传感装置，其用于产生表示所述瞬时负载输出功率Po的反馈信号；以及控制电路，其接收所产生的反馈信号并产生所述输入功率Pin的脉冲时间调制(PTM)，以把施加到所述负载的输入功率Pin减小到仅足以取代所述功率损耗Pl的量，从而通过使用所减小的输入功率维持所述期望负载输出功率来节省电功率。
24.如权利要求23所述的设备，还包括电子功率开关，其耦合在所述电负载与地电位之间，所述电功率开关具有耦合到所述负载的漏极、耦合到地电位的源极、以及用于接收所述脉冲时间调制信号以导致所述电子功率开关开启和关闭的栅极。
25.如权利要求23所述的设备，还包括作为所述电子功率开关的继电器。
26.如权利要求24所述的设备，其中，所述传感装置还包括转换器，其用于检测所述瞬时输出功率Po并生成所述所产生的反馈信号。
27.如权利要求26所述的设备，其中，所述控制电路包括用于产生表示负载输出功率范围的基于可变时间的参考信号的电路装置；以及所述控制电路具有来自所述基于可变时间的参考信号发生器的输入和所产生的表示所述期望负载输出功率的反馈信号的输入，从而使得当所产生的反馈信号大于所述基于可变时间的参考信号的最大值时，向所述负载供给持续的功率，并且当所产生的反馈信号小于所述基于可变时间的参考信号的任意部分时，向所述电子功率开关提供所述脉冲时间调制信号，以控制所述负载的输入功率。
28.如权利要求26所述的设备，还包括具有基极、集电极、以及发射极的放大晶体管；所述晶体管的基极接收所产生的反馈信号；以及提供耦合到所述晶体管基极的固定偏压以创建所述基于时间的调制脉冲的电路，所述调制脉冲没有寄生振荡、60倍交流声干扰、以及任意附加的令人讨厌的干扰信号中的任意一种。
29.如权利要求28所述的设备，还包括多个电阻，其各自具有不同的电阻值，耦合到所述晶体管的集电极；以及具有希望的多个位置的开关，其用于将功率耦合到所述多个电阻中选定的一个，从而使得所述晶体管工作来改变所述负载工作条件。
30.如权利要求25所述的设备，还包括至少一个双金属开关，其对所述负载与地电位之间的电子开关进行旁路并表示所期望的操作温度；以及开关，其用于选择表示所期望的操作温度的至少一个双金属开关，从而使得当达到所期望的操作温度时，所选定的双金属开关断开并且控制电路用所述脉冲时间调制信号来调节所述期望负载输出功率。
31.如权利要求30所述的设备，还包括多个所述双金属温度开关，每个所述双金属开关被设置为在不同的温度上断开；多位置开关，其耦合在所述负载与所述多个双金属开关之间，通过选择特定的双金属开关来选定所期望的操作温度。
32.如权利要求25所述的设备，还包括快速操作电路，其与所述电子开关并联耦合，以使得能够在最短的时间内达到所期望的工作条件。
33.如权利要求32所述的设备，还包括手动操作开关，其耦合在所述负载与地电位之间；当所述手动操作开关被激活时，对所述电子开关进行旁路，以向所述负载提供全部的、持续的功率，直到所述手动操作开关被无效。
34.如权利要求23所述的设备，其中，所述负载是被控制在期望的照度的电光源。
35.如权利要求34所述的设备，还包括用于产生表示所述光源照度的电子反馈信号的装置；以及所述控制电路接收所述电子反馈信号，并将所述输入功率Pin自动地减少到仅足以取代所述光源的功率损耗Pl的量，从而节省电池功率并延长所述光源的寿命。
36.如权利要求35所述的设备，其中，用于产生表示所述光源照度的电子反馈信号的装置是贴近所述光源的热传感元件，其将热量转换成与光照度成比例的电信号。
37.如权利要求35所述的设备，其中，用于产生表示所述光源照度的电子反馈信号的装置是贴近所述光源所产生的光束的光传感器，其产生表示所述光源照度的电信号。
38.如权利要求37所述的设备，其中，所述光传感器是硫化镉电池和光检测器中的一种。
39.如权利要求22所述的设备，其中，所述负载是被控制在表示所述期望输出功率的所期望的旋转速度上的旋转装置。
40.如权利要求39所述的设备，还包括转速检测器，其用于检测所述旋转装置的rpm，并将所述转速转换成电反馈信号；以及所述控制电路接收所述电反馈信号以产生脉冲时间调制信号，所述脉冲时间调制信号把所述输入功率Pin自动地减少到仅足以取代功率损耗Pl的量，从而节省功率并延长所述旋转装置的寿命。
全文摘要
本发明涉及用于从电负载中获得期望功率输出的方法和设备(10)，该目的是通过以下实现的通过向装置提供足够的脉冲时间调制能量来仅取代损耗并仅维持剩余功率，从而维持期望功率输出并由此节省否则将被浪费的输入能量。
文档编号H02P3/00GK101052925SQ200580024504
公开日2007年10月10日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年5月20日
发明者沃尔特·R·埃万雅克 申请人:超能脉冲科技公司