能量轉換的改進電路的製作方法
2023-07-05 21:06:46
專利名稱：能量轉換的改進電路的製作方法
本申請要求2004年5月20日提交的臨時申請號No.60/573,716的優先權。
背景技術：
1.技術領域本申請通常涉及用於依據眾所周知的功率方程對提供給能耗裝置的能量進行控制的改進電路，該功率方程為(1)Po＝Pin-Pl其中，Po＝功率輸出，Pin＝功率輸入，並且Pl＝裝置中的損耗。已知當裝置達到其工作狀態(即，溫度、轉速、動量等等)時，剩餘功率Pr就變成上述方程(1)的因子，並且方程(1)變成(2)Po＝Pin-Pl+Pr其中Pr＝剩餘功率，並且在此「剩餘功率」或「剩餘能量」被定義為由外加功率在裝置中造成的「餘熱」、「轉動能」、「線性運動」、「動力能量」、「動能」、或者表示勢能的任意其他術語。剩餘功率可以被用來保存該裝置所使用的能量。
在方程(2)中可以看出，如果Pin減小到等於Pl，那麼剩餘功率Pr就足以維持所期望的輸出功率Po。
如果剩餘功率Pr很小，諸如對於小電機，由於很低的慣性和質量，剩餘功率很小，因此，只能保存少量能量。
具體地，本發明涉及用於從電負載中獲得所期望的輸出功率Po的方法和設備，該目的是通過以下實現的通過向裝置簡單地提供充分的脈衝時間調製能量Pin來僅僅替換負載損耗Pl，僅維持剩餘功率Pr，從而維持所期望的功率輸出Po，並由此節省否則將被浪費的輸入能量Pin。
2.
背景技術：
把發熱元件認為是被加熱到期望溫度的電負載。如果去除輸入功率，則發熱元件具有存儲的熱量或剩餘功率Pr，並且繼續產生熱量，直到通過冷卻(能量或功率損耗Pl)從該元件中消耗掉這些熱量。在共同申請人的聯合待審臨時專利申請S.N.60/545,783中公開了一種用於自動提供在數量上等於功率損耗Pl的輸入功率Pin的電路。人工調整輸入功率以維持期望負載是已知的。在美國專利No.6,449,870和美國專利No.6,718,651中公開了被人工控制以設置期望溫度的電路。
同樣，有一種具有控制電路的焊接裝置，當達到某個溫度時該控制電路切斷焊嘴的電源，然後在溫度降到期望值以下時重新打開電源。雖然這是自動完成的，但是電源不是由這樣的電路連續調節的這種電路自動減小或者自動增大施加到負載上的脈動(脈衝時間調製)功率的速率，以持續地維持諸如溫度之類的所期望的工作條件。
對於旋轉裝置，諸如輪子、電動機等等，當去除該旋轉裝置的輸入功率時，電動機或輪子藉助於存儲的能量或動能來繼續旋轉，直到摩擦能(功率損耗)完全消耗掉動能或動力能量(剩餘功率)。
具有以下改進電路是非常需要的該電路向電能耗裝置提供持續的電輸入功率，直到該裝置達到其選定的所期望的工作條件為止，然後藉助於由反饋電路控制的脈衝時間調製來自動地把輸入功率減少到僅足以取代功率損耗的量，以僅僅維持剩餘功率，從而用最小的功率輸入維持所期望的功率輸出。
發明內容
採用本發明，通過施加全輸入功率Pin將電能耗裝置帶到其所期望的工作條件。當達到所期望的工作條件時，用脈衝時間調製把輸入功率Pin自動地減小到出現在裝置中的功率損耗Pl的量，從而使得存儲在裝置中的剩餘功率或能量Pr等於所期望的輸出功率Po。
這通過提供表示電能裝置所期望的工作狀態(即，溫度、轉速、光的亮度、等等)的反饋電路並產生表示所期望的工作條件的瞬時值的信號來實現。所產生的反饋信號作為一個輸入而耦合到比較器。另一輸入是基於可變時間的電參考信號，只是舉例，諸如是鋸齒參考波形。當反饋信號在振幅上小於鋸齒參考波形的任意部分時，比較器的輸出是脈衝時間調製信號(PTM)，該脈衝時間調製信號被耦合到並激勵諸如功率FET的電子開關。電負載被耦合在電源和電子開關之間。脈衝時間調製信號被耦合到電子開關的柵極，以足以向負載提供正好充足的功率來取代功率損耗(即，冷卻)的速率自動地接通或切斷該電子開關，從而維持如反饋信號所確定的所期望的工作條件。
同樣，對於在此公開的改進電路而言，在此用溫度傳感器產生輸入反饋信號，該溫度傳感器提供必須被諸如電晶體所放大的小輸入信號，向該電晶體的基極提供固定的偏壓，而不是使用自偏壓，來形成沒有寄生振蕩、60倍循環交流聲幹擾(cycle hum)等等的尖銳、乾淨的脈衝。
此外，本改進電路還包括具有多個(優選為3個)位置的開關，只是舉例，該開關實現低、中或高的溫度、轉速、以及光亮度。在一個實施例中，開關被選擇性地耦合到多個電阻中的一個，所述多個電阻各自具有不同電阻值且耦合到放大電晶體的集電極，以改變比較器的輸入控制信號電平的值，並因而改變驅動FET開關的比較器的輸出電平。
因而，可以為發熱裝置選擇特定溫度設置中的一個。同樣，可以為旋轉裝置選擇不同轉速中的一個，並且可以為光源選擇不同光亮度值中的一個。
在另一實施例中，這些電阻可以被滑動開關並聯，以提供多個不同的並聯電阻組合，並且由此提供多個電阻值，從而建立諸如溫度、轉速、以及光亮度的多個不同的工作條件。
另外，還可以提供至少一種其他的替換變型的新電路，以允許裝置提供諸如上述的溫度之類的低、中和高的工作條件。在溫度的情況下，功率開關或FET被連接到手動控制開關的多個雙金屬溫度開關之一所旁路，以便負載通過所選定的一個雙金屬溫度開關直接連接到地電位。這些雙金屬開關可以被設置為在任何期望溫度上斷開。例如，它們中的一個可以在140的溫度上斷開。它們中的第二個可以在170的溫度上斷開。它們中的第三個可以在200的溫度上斷開。因而，無論哪一個雙金屬溫度開關被手動控制開關選定，在負載達到期望溫度之前，儘管FET開關被控制電路所驅動，但是其被選定的閉合雙金屬開關所旁路，並且以最短時間達到期望溫度。當負載達到期望溫度時，雙金屬開關斷開，被控制電路驅動的FET有效並開始在該溫度上調節負載。
該新電路還包括作為選擇性的快熱開關，該快熱開關可以被裝置操作者手動壓下或者激活，當其被激活時，其創建重新對FET進行旁路的電路並把負載直接連接到地電位以導致負載的快速發熱。當溫度足夠熱時，如操作者所確定的，該開關被釋放，控制電路重新對溫度進行控制。
同樣，當對光源進行控制時，新電路可以使用與任意公知的光傳感器(例如，硫化鎘電池或光檢測器)所確定的電燈泡燈絲的熱量或光亮度成比例的反饋信號，從而提供僅足以補償諸如燈絲冷卻等的負載損耗的功率。
當對具有動量(存儲的能量或剩餘功率)的旋轉裝置進行控制時，只是舉例，rpm指示器所檢測的該裝置的轉速可以用來產生表示轉速的信號，並且該信號可以被用作反饋信號，如上所述，通過向電子開關提供脈衝時間調製信號來向負載施加僅足以補償諸如摩擦、系統損耗等的負載損耗的功率，從而以所期望的速度驅動旋轉裝置。
在一個實施例中，對用於驅動電動機的眾所周知的脈衝寬度調製器電路進行修改以接受反饋信號，以便一旦達到所期望的速度就通過向該裝置施加僅足以補償系統與負載損耗的脈衝時間調製功率，來以所期望的速度自動驅動旋轉裝置。
因而，本發明的一個目的是，使用脈衝時間調製信號來僅取代系統與負載損耗而從電負載中獲得所期望的輸出功率，從而使任意的剩餘功率等於所期望的輸出功率並因此節省輸入功率。
本發明的另一目的是產生表示負載的所期望的工作條件的反饋信號，對反饋信號與基於可變時間的電參考信號進行比較並根據該比較產生脈衝時間調製信號。
本發明的再一目的是提供包括固定偏壓電晶體以對接收到的反饋信號進行放大的控制電路。
本發明的又一目的是提供多個負載工作條件，以便可以由裝置的用戶來選擇多個條件中的任意一個。
此外，本發明的目的是提供一種受脈衝時間調製信號控制的電子開關，以達到並維持所期望的負載條件。
本發明的另一目的是通過提供手動操作開關來提供用戶控制的負載工作條件，當該手動操作開關被激活時，其將電子開關旁路，以使全輸入功率被施加到負載，直到達到用戶所期望的工作條件。
因而，本發明涉及一種用於從電負載中獲得所期望的輸出功率Po的方法，其中Po＝Pin-Pl+Pr，該方法包括以下步驟向負載提供持續的功率輸入Pin，以達到所期望的輸出功率Po，並創建剩餘功率或存儲的功率Pr，以及自動使用脈衝時間調製信號來把輸入功率Pin減少到僅足以取代系統和負載損耗Pl的量，從而用減小的輸入功率Pin來使所期望的功率輸出Po維持等於剩餘功率Pr。
本發明還涉及一種用減小的輸入功率Pin從系統的電負載中自動獲得所期望的輸出功率Po的設備，其中Po＝Pin-Pl+Pr，其中Pl＝負載中耗費的功率損耗和任意的系統損耗，而Pr＝在所期望的輸出功率上存儲在負載中的剩餘功率，所述設備包括電源，用於向負載提供持續的輸入功率Pin，以用伴隨的剩餘功率Pr達到所期望的輸出功率Po；以及控制電路，耦合在電源和負載之間，用於自動提供脈衝時間調製信號，以把施加到負載的輸入功率Pin減少到僅足以取代功耗Pl的量，從而正好使剩餘功率Pr維持等於所期望的功率輸出Po，以節省電功率並延長負載的壽命。
將在下面對圖的詳細描述中對本發明的這些和其他更多的詳細優點進行更充分的描述，其中，相同的數字表示相同的元件，在這些圖中圖1是通過本發明對其進行修正來改進其操作的、在共同申請人的聯合待審臨時專利申請S.N.60/545,783中公開的通用電路圖；
圖2圖解了用於對圖1電路進行修正的電路的一個實施例，用旋轉開關在放大電晶體的集電極選擇多個並聯電阻中的一個以使得不同的負載工作條件能夠出現；圖3圖解了用於對圖1電路進行修正的電路的第二實施例，使用滑動開關來選擇多個並聯電阻中的至少一個以使得不同的負載工作條件能夠出現；圖4圖解了通過寄生振蕩、噪聲、60倍交流聲幹擾、以及其他令人討厭的幹擾信號所失真的脈衝時間調製脈衝；圖5圖解了用於消除圖4中示出的脈衝失真的至少一個電路；圖6圖解了用於對圖1的特定類型負載達到所期望的操作溫度所需要的時間進行改進的電路；圖7圖解了用於通過提供用戶控制的開關來對圖1的電路進行改進的電路，該用戶控制的開關使得圖1的裝置能夠在操作者希望的長時間內向負載施加滿功率；圖8圖解了通過使用本發明而自動地將光源的亮度控制到所需亮度；圖9圖解了通過使用本發明而自動地將旋轉裝置的旋轉控制到希望的rpm(每分鐘轉數)；圖10圖解了現有的電動機控制電路，本發明對其進行修正以控制施加到負載的功率；以及圖11圖解了負載反饋信號與基於可變時間的參考信號的關係，以產生脈衝時間調製。
具體實施例方式
圖1的電路是在通過本發明對其進行改進的共同申請人的聯合待審臨時專利申請S.N.60/545,783的圖6中公開的基本電路。
電路10通常包括開關12，其在被激活時，將電源耦合到單元中的每一元件的。電路10還具有作為主要部件的熱傳感單元14、比較器16、基於時間的參考信號發生器18、以及用於向負載24提供脈衝功率以對施加於負載上的功率進行調整的電子電源開關(FET)22。
只是舉例，熱傳感單元14可以包括作為熱傳感器的LM 34熱敏電阻28。該熱敏電阻28具有功率輸入、接地線、以及信號輸出。輸出信號通過電阻30和隔離二極體32耦合到運算放大器34(例如，眾所周知的2222A電晶體)的基極。電源通過集電極電阻36耦合到電晶體34。
當感知的熱量增加時，電晶體34的傳導性開始增加，並且在線路38上負載電阻36與比較器16輸入引腳3的接點處的電壓開始從最大值減小。通過比較器16將線路38上來自電晶體34的輸出信號的值，與線路20上從發生器18到比較器16引腳2的基於可變時間的輸出信號(例如，鋸齒波)的值進行比較。
比較器16可以由諸如601或741 IC晶片之類的眾所周知的比較器晶片來形成。只是舉例，基於可變時間的發生器18可以由本領域眾所周知的555 IC晶片40或簡單的RC時間常數電路來形成。
如在上述共同申請人的聯合待審臨時專利申請中所解釋的，只有在線路38上到比較器16引腳3的熱傳感器輸出信號在幅度上大於線路20上從發生器18到比較器16引腳2的基於可變時間的輸出信號的任意部分的期間，比較器16才在引腳6產生到電阻42的輸出信號。
圖11(上述共同申請人的聯合臨時專利申請中的圖10)在此圖解了這種操作。圖解了若干個不同熱敏電阻輸出信號值、和基於可變時間的參考信號(在這種情況下是鋸齒波)的對應值。當傳感器輸出信號的幅度(指定為熱敏電阻電壓A)大於參考信號的最大幅度時，比較器16產生到電子開關22(功率FET)的命令信號，如比較器輸出指定波形A所示，該命令信號是連續的。因而，向負載24提供連續功率。
然而，當由熱傳感器單元14所導致的輸出信號是電平B時，僅僅在由熱傳感器單元14所導致的信號大於基於可變時間的發生器18(這裡示為鋸齒)信號的任意部分的期間，比較器16才產生輸出信號。因而，比較器16輸出曲線B圖解了比較器16在大約70％的時間中接通且產生到FET開關22的輸出信號，在大約30％的時間中斷開。當然，這意味著只有70％的最大功率被提供到負載24。因此比較器16的輸出是脈衝時間調製信號。
當比較器16的輸出信號是電平C時，如C所指定的比較器16輸出波形示出了，通過脈衝時間調製信號，只有在大約30％的時間中FET 22導通，在大約70％的時間中FET 22截止。
圖2圖解了對圖1中示出的電路的改進，只是舉例，其使得諸如高、中、低的溫度、轉速、以及光亮度之類的3個不同的負載工作條件能夠出現。這種情況是這樣出現的通過用至少兩個功率級別來驅動放大電晶體34，以創建到電子功率開關22的低、中、高控制信號中的至少兩個，以導致至少兩個工作條件級別出現。
諸如電晶體34的電晶體放大器根據流經該電晶體的電流而工作在其特徵特性曲線上。為了改變這種工作曲線並允許不同的工作點，將各自具有諸如100Ω、330Ω(以及470Ω)的不同電阻值的至少兩個(優選為3個)電阻R1、R2(以及R3)，一端連接到電晶體34的集電極。旋轉開關48將輸入功率耦合到所述電阻中所選定的一個的另一端，以改變電晶體34的工作特性，並由此改變施加到比較器16引腳3的輸出信號的值。因而，在這個例子中，通過開關48的設置可以實現至少3種不同的工作條件。
圖3圖解了用於選擇插入在電源與電晶體34的集電極之間的電阻量的第二實施例。在這種情況下，滑動開關50被布置為，使得它可以選擇單獨的電阻R1、並聯的電阻R1和R2、或者並聯的電阻R1、R2和R3，從而使選定的3個不同電阻值中的任意一個能夠連接到電晶體34的集電極，以改變負載工作條件。然後該電路如前所述進行工作。
圖4圖解了驅動功率電子開關22(FET)的脈衝時間調製信號的一個脈衝51，此時該脈衝51受寄生振蕩、60倍能量、任意種類的電子噪聲、以及其他附加的令人討厭的幹擾信號所影響。FET 22應當完全導通或截止以進行適當的工作。如果施加到其柵極的調節脈衝為圖4所示的類型，則失真53妨礙FET完全變成截止並導致FET發熱及最終發生故障。
圖5所示電路消除了圖4示出的脈衝的失真，並提供尖銳的、乾淨的脈衝，該脈衝具有如圖4中示出的虛線52所示的整齊邊緣。
失真出現在圖4中示出的波形上的一個原因是，電晶體34是自偏壓的並且出現在電晶體34基極的任意失真的信號、或者信號幹擾被放大。為了消除這種問題，藉助於耦合在電源和地電位之間且包括串聯連接的電阻R4與R5的電阻分壓網絡將固定的偏壓電平施加到電晶體34的基極，其中，電阻R4與R5各自具有不同的電阻值，並且它們的連接點連接到電晶體34的基極。因而，根據電阻R4與R5的電阻值，將預置信號施加到電晶體34的基極，消除圖4示出的施加到電子電源開關或FET 22基極的脈衝上的任意幹擾或失真。
為了在功率FET對負載進行控制之前，向負載供給持續的輸入功率Pin，以在不同的功率設置上(即，這種情況下的低、中或高溫)達到所期望的輸出功率，利用了圖6的電路。如可以在圖6中看到的，電子開關22被放置在負載RL與地電位之間的多個雙金屬溫度開關所旁路。在這種情況下，提供多個雙金屬開關52、54、以及56。在達到每一個雙金屬開關的工作溫度之前該雙金屬開關閉合，然後所選定的開關斷開並允許控制電路來控制功率FET 22。將在所期望的溫度上斷開的特定雙金屬開關，被耦合在雙金屬開關與負載RL之間的多位置開關58所選定。在圖6中應當注意，偏壓電阻Rb連接在功率FET 22的柵極與地電位之間。這個偏壓電阻Rb使得功率FET穩定並提供可靠的操作。
功率控制裝置的用戶可能希望在用戶選定的任意功率條件下對該裝置進行操作。這在圖7中通過將手動操作開關與功率FET 22並聯放置來實現。因而，用戶可以簡單地壓下開關60而在用戶希望的時間內向負載RL提供全部的、未調整的功率。如果該裝置因此被設置為工作在諸如溫度設置的低功率設置上，則用戶對開關60簡單地進行手動操作並在希望的時間內保持該開關的接合狀態。那麼只要開關69被激活，該裝置就具有施加到負載的全部的、持續的功率。
如早先所述，這種新穎的改進電路可以被用來控制多個不同的負載。例如，如圖8所示，作為負載的光源的亮度可以被控制在希望的亮度上。在圖8中，諸如早先所述的熱敏電阻的熱傳感器可以被用來感知並測量由光源所產生的熱量。只是舉例，熱敏電阻64測量燈絲68或護罩、外殼、或者電燈泡的玻璃69所產生的熱量。熱敏電阻自動地將這種感知和測量的熱量值轉換成線路70上耦合到控制電路16、18的電信號，並且控制電路如先前所解釋的那樣工作以維持選定的輸出亮度。
同樣，如圖8所示，可以用諸如硫化鎘電池或光電池72的光檢測器來檢測光的亮度。此外，所檢測到的亮度被轉換成在線路74上耦合回控制電路16、18並用來控制如前所述的功率FET 22的電信號。
圖9圖解了用於對諸如電動機76之類的裝置的轉速進行控制的電路。此外，諸如轉速計78之類的反饋裝置檢測旋轉裝置76的rpm。轉速計78可以自己把rpm值轉換成用作控制電路16、18的反饋信號的相應電信號，作為早先所述的輸入信號。如果轉速計不是直接把rpm轉換成電信號，那麼可以使用任意眾所周知的轉換器80來把rpm信號轉換成電反饋信號。然後電路如先前所述那樣工作，使用脈衝時間調製信號來把輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代旋轉損耗、摩擦損耗、以及系統損耗Pl的量，從而節省功率並延長旋轉裝置的壽命。因而，電動機轉速被自動地控制在所期望的rpm上。
用於在電動機控制中用在此公開的新電路獲得改進的效率(與直接且持續地向電動機施加的相同電池功率相比，向電動機脈動地施加給定電池功率在運行時間上增加了58％)的原因認為是如下幾個。首先，利用新的脈衝電路，在電池上沒有持續的電耗。在本領域中電池上恆定的耗用功率導致電池溫度的上升是眾所周知的。電池的內部電阻隨著電池溫度而增加也是眾所周知的。當電阻增加時，在電池中有較大的內部功率損耗且電池持續發熱，並且這種循環持續到即使在其輸出端子上可以具有測量的電壓該電池也不能產生任何更多的功率輸出為止。
由於電池具有在此公開的新穎的脈衝電路時該電池是脈動的，因為電池中沒有持續的耗電，所以該電池運行在較低的溫度上。通過較低的溫度，在給定的負載循環中電池壽命增加並且總的電池壽命延長使得其可以被再充電更多次。
因而，當前新穎的脈衝電路不僅允許電池溫度降低，而且在該過程中給出了更長的負載循環電池壽命和更長的總電池壽命。
同樣，可以相信，如果適當地進行設置，則施加到給定電動機的脈衝佔空比和脈衝頻率可以與電動機的輸入阻抗相匹配，從而如本領域所眾所周知的那樣，在適當的設置上獲得最大功率轉移。
DC電源或電池具有AC阻抗並且DC電動機也具有AC阻抗也是本領域眾所周知的。電池AC阻抗被定義為施加到電池兩端的AC電壓與所得到的通過該電池的電流的比率。通過當前的新穎的電路，在適當的工作脈衝佔空比和脈衝頻率上，電池的AC阻抗與電動機的AC阻抗相匹配，從而可以在匹配的阻抗值上再次導致功率的最大轉移。
如早先所指出的，存在控制例如電動機轉速的電路。然而，這種電路不是自動地控制電動機轉速，而是使用電位計來手動改變電動機的速度。在圖10中示出了這種電路的變型，需要這種電路來自動控制任意電負載，包括在所期望的rpm上的電動機速度。在圖10的電路中，控制單元被修改以自動地控制裝置的溫度。可以看出，已經添加了圖1中示出的溫度傳感單元14，以通過電位計RV2向該電路並通過電阻R6向IC晶片的引腳2提供反饋輸入。然後該電路如早先關於圖1的電路所解釋的那樣操作。
圖1-3和5-10中示出的所有電路可以被放置在包括圖5中示出的設置點電阻的單個專用集成電路(ASIC)晶片中。
因而，已公開了用於能量保存的改進電路，所述改進電路通過提供使多個負載工作條件能夠被控制的電路來在所期望的工作條件上自動地控制負載，所述改進電路向電子功率開關(FET)提供基本上無幹擾的脈衝時間調製脈衝來延長FET的壽命並提供FET的穩定操作，以及通過把多個雙金屬開關與電子開關(功率FET)並聯放置來獲得負載快速發熱到多個溫度設置中的一個。雙金屬開關中的每一個在不同的溫度上斷開，以便通過使用多位置開關，可以選定特定的雙金屬開關，以允許滿功率被耦合到負載上，直到達到所選定的雙金屬開關的預定溫度，然後該電路使用脈衝時間調製信號來在所選定溫度上自動地控制該裝置。
同樣，已公開了用戶操作的手動控制開關，其可以由用戶激活以旁路FET，並在用戶激活手動控制開關的時間內向負載提供滿功率。
應當理解，在此使用的術語「電子開關」想要覆蓋可以被控制以間歇地向負載提供功率的開關，包括諸如繼電器或固態開關之類的機械操作開關，該固態開關諸如是先前在此描述的場效應電晶體(FET)。
雖然已示出並描述了優選的實施例，但是在不脫離本發明的精神和範圍內也可以另外進行各種變型和替換。因此，應當理解，藉助於圖解而非限制對本發明進行了描述。
下面的權利要求中相應的結構、材料、動作、以及所有裝置或步驟加上功能元件或方法步驟的等價物想要包括與用於執行如具體要求的其他要求元件相結合的功能的任意結構、材料、或者動作。
權利要求
1.一種用減小的輸入功率Pin從系統的電負載中自動獲得所期望的輸出功率Po的方法，其中，Po＝Pin-Pl+Pr，其中Pl＝所述負載中耗費的功率損耗和任意的系統損耗，Pr＝在所述期望輸出功率上存儲在所述負載中的剩餘功率，所述方法包括以下步驟向所述負載提供持續的輸入功率Pin，以用伴隨的剩餘功率Pr達到所述期望輸出功率Po；以及使用可變速率的脈衝時間調製信號來把所述輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代所述功率損耗Pl的量，從而正好使所述剩餘功率Pr維持等於所述期望功率輸出Po，從而節省輸入功率並延長所述負載的壽命。
2.如權利要求1所述的方法，其中，自動地減少所述電輸入功率Pin的步驟進一步包括以下步驟產生表示瞬時負載輸出功率Po的反饋信號；以及使用所產生的反饋信號來產生所述輸入功率Pin的脈衝時間調製(PTM)，以把施加到所述負載的輸入功率Pin減小到僅足以取代所述功率損耗Pl的量，從而通過用所減小的輸入功率維持所述期望負載輸出功率來節省電功率。
3.如權利要求2所述的方法，還包括以下步驟把電功率開關耦合在所述電負載與地電位之間，所述電功率開關具有源極、漏極、以及導致所述電功率開關開啟和關閉的柵極；以及向所述電功率開關的柵極施加所述脈衝時間調製信號，以使用所述脈衝時間調製信號來使所述電功率開關開啟和關閉，從而減小維持所述期望輸出功率所需的輸入功率。
4.如權利要求3所述的方法，其中，產生表示所述期望負載輸出功率Po的反饋信號的步驟還包括以下步驟用產生表示所述負載的瞬時輸出功率的電子反饋信號的轉換器，來檢測所述電產生的負載的瞬時輸出功率Po；以及提供控制電路，其用於接收所述反饋信號並產生用於減小所述期望負載輸出功率的脈衝時間調製輸出信號。
5.如權利要求4所述的方法，其中，提供用於接收所述反饋信號並產生所述脈衝時間調製信號的控制電路的步驟還包括以下步驟產生表示負載輸出功率範圍的基於可變時間的參考信號；以及將所述基於可變時間的參考信號和所生成的表示所期望的負載輸出功率的反饋信號耦合到所述控制電路，從而使得當所生成的反饋信號大於所述基於可變時間的參考信號的最大值時，向所述負載供給持續的功率，並且當所生成反饋信號小於所述基於可變時間的參考信號的任意部分時，向所述電子功率開關提供所述脈衝時間調製信號以控制所述負載的輸入功率。
6.如權利要求4所述的方法，其中，提供控制電路以接收所述反饋信號並產生表示所期望的負載輸出功率的信號的步驟還包括以下步驟將所接收的反饋信號耦合到具有基極、集電極、以及發射極的放大電晶體；以及向所述電晶體的基極提供固定的偏壓，以創建基於時間的調製脈衝，所述調製脈衝沒有寄生振蕩、60倍交流聲幹擾(60cycle hum)、以及任意附加的令人討厭的幹擾信號中的任意一種。
7.如權利要求6所述的方法，還包括以下步驟用至少兩個功率級別中的一個來驅動所述電晶體，以創建耦合到所述電子功率開關的兩個不同脈衝時間調製信號中的至少一個，使得至少兩種不同的負載工作條件出現。
8.如權利要求7所述的方法，其中，驅動所述電晶體的步驟還包括以下步驟將具有不同電阻值的多個不同的電阻耦合到所述電晶體的集電極；以及將電功率連接到具有希望的多個位置的開關，以選擇所述電阻中的至少一個來改變所述負載工作條件。
9.如權利要求8所述的方法，其中，將電功率連接到開關的步驟還包括，使用旋轉開關來選擇所述多個不同電阻中的至少一個以改變所述電晶體工作條件的步驟。
10.如權利要求8所述的方法，其中，將電功率連接到開關的步驟還包括使用滑動開關來選擇所述多個不同電阻中的至少一個以改變所述負載工作條件的步驟。
11.如權利要求4所述的方法，其中，向所述負載提供持續的輸入功率Pin以達到所期望的輸出功率Po的步驟還包括以下步驟通過將多個雙金屬溫度開關耦合在所述負載與地電位之間來對所述電子功率開關進行旁路，所述雙金屬開關中的每一個被設置為在不同的溫度下斷開；以及選擇表示所期望的操作溫度的雙金屬開關，從而使得當達到所期望的操作溫度時，所選定的雙金屬開關斷開，並且允許所述控制電路用所述脈衝時間調製信號來控制所期望的負載輸出功率。
12.如權利要求11所述的方法，還包括將多位置開關耦合在所述負載與所述多個雙金屬開關之間，以通過選擇特定的雙金屬開關來選定所期望的操作溫度的步驟。
13.如權利要求3所述的方法，還包括在最短的時間內達到所期望的工作條件的步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其中，在最短的時間內達到所期望的工作條件的步驟還包括以下步驟將手動操作開關耦合在所述負載與地電位之間；當所述手動操作開關被激活時，對所述電子功率開關進行旁路，以向所述負載提供全部的、持續的功率，直到所述手動操作開關被無效。
15.如權利要求1所述的方法，還包括以下步驟把作為所述負載的光源控制在所期望的亮度上。
16.如權利要求15所述的方法，還包括以下步驟測量由所述光源所產生的熱量和所述光源的照明強度兩者中的任意一個的值；將所測量到的值轉換成電信號；以及使用所述電信號形成脈衝時間調製信號，以將所述輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代所述熱源的熱損耗和任意系統損耗Pl的值，從而節省功率並延長所述光源的壽命。
17.如權利要求16所述的方法，其中，將所述熱源所產生的熱量的值轉換成電信號的步驟還包括，使用與所述光源所產生的熱源相貼近的熱傳感元件來將所述熱量轉換成所述電信號的步驟。
18.如權利要求16所述的方法，其中，將所述光源的照明強度的值轉換成電信號的步驟還包括，提供與所述光源所產生的光束相貼近的光傳感器來生成表示所述光源的照度的電信號的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其中，提供光傳感器的步驟還包括，貼近所述光源所產生的光束放置硫化鎘電池和光檢測器中的一種，來把照度轉換成用作所述反饋信號的電信號。
20.如權利要求1所述的方法，還包括把作為所述負載的旋轉裝置控制在表示所述期望輸出功率的所期望的旋轉速度上的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，還包括以下步驟檢測所述旋轉裝置的轉速，把所檢測到的轉速轉換成電信號；以及使用作為所述反饋信號的電信號來產生脈衝時間調製信號，所述脈衝時間調製信號把所述輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代功率損耗Pl的量，從而節省功率並延長所述旋轉裝置的壽命。
22.一種用減小的輸入功率Pin從系統的電負載中自動獲得所期望的輸出功率Po的設備，其中，Po＝Pin-Pl+Pr，其中，Pl＝所述負載中耗費的功率損耗和任意的系統損耗，Pr＝在所述期望輸出功率上存儲在所述負載中的剩餘功率，所述設備包括電源，其用於向所述負載提供持續的輸入功率Pin，以用伴隨的剩餘功率Pr達到所述期望輸出功率Po；以及控制電路，其耦合在所述電源和所述負載之間，用於產生脈衝時間調製信號，所述脈衝時間調製信號把施加到所述負載的輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代所述功率損耗Pl的量，從而正好使所述剩餘功率Pr保持等於所述期望功率輸出Po，以節省電功率並延長所述負載的壽命。
23.如權利要求22所述的設備，其中，自動地減少所述電輸入功率Pin的控制電路還包括傳感裝置，其用於產生表示所述瞬時負載輸出功率Po的反饋信號；以及控制電路，其接收所產生的反饋信號並產生所述輸入功率Pin的脈衝時間調製(PTM)，以把施加到所述負載的輸入功率Pin減小到僅足以取代所述功率損耗Pl的量，從而通過使用所減小的輸入功率維持所述期望負載輸出功率來節省電功率。
24.如權利要求23所述的設備，還包括電子功率開關，其耦合在所述電負載與地電位之間，所述電功率開關具有耦合到所述負載的漏極、耦合到地電位的源極、以及用於接收所述脈衝時間調製信號以導致所述電子功率開關開啟和關閉的柵極。
25.如權利要求23所述的設備，還包括作為所述電子功率開關的繼電器。
26.如權利要求24所述的設備，其中，所述傳感裝置還包括轉換器，其用於檢測所述瞬時輸出功率Po並生成所述所產生的反饋信號。
27.如權利要求26所述的設備，其中，所述控制電路包括用於產生表示負載輸出功率範圍的基於可變時間的參考信號的電路裝置；以及所述控制電路具有來自所述基於可變時間的參考信號發生器的輸入和所產生的表示所述期望負載輸出功率的反饋信號的輸入，從而使得當所產生的反饋信號大於所述基於可變時間的參考信號的最大值時，向所述負載供給持續的功率，並且當所產生的反饋信號小於所述基於可變時間的參考信號的任意部分時，向所述電子功率開關提供所述脈衝時間調製信號，以控制所述負載的輸入功率。
28.如權利要求26所述的設備，還包括具有基極、集電極、以及發射極的放大電晶體；所述電晶體的基極接收所產生的反饋信號；以及提供耦合到所述電晶體基極的固定偏壓以創建所述基於時間的調製脈衝的電路，所述調製脈衝沒有寄生振蕩、60倍交流聲幹擾、以及任意附加的令人討厭的幹擾信號中的任意一種。
29.如權利要求28所述的設備，還包括多個電阻，其各自具有不同的電阻值，耦合到所述電晶體的集電極；以及具有希望的多個位置的開關，其用於將功率耦合到所述多個電阻中選定的一個，從而使得所述電晶體工作來改變所述負載工作條件。
30.如權利要求25所述的設備，還包括至少一個雙金屬開關，其對所述負載與地電位之間的電子開關進行旁路並表示所期望的操作溫度；以及開關，其用於選擇表示所期望的操作溫度的至少一個雙金屬開關，從而使得當達到所期望的操作溫度時，所選定的雙金屬開關斷開並且控制電路用所述脈衝時間調製信號來調節所述期望負載輸出功率。
31.如權利要求30所述的設備，還包括多個所述雙金屬溫度開關，每個所述雙金屬開關被設置為在不同的溫度上斷開；多位置開關，其耦合在所述負載與所述多個雙金屬開關之間，通過選擇特定的雙金屬開關來選定所期望的操作溫度。
32.如權利要求25所述的設備，還包括快速操作電路，其與所述電子開關並聯耦合，以使得能夠在最短的時間內達到所期望的工作條件。
33.如權利要求32所述的設備，還包括手動操作開關，其耦合在所述負載與地電位之間；當所述手動操作開關被激活時，對所述電子開關進行旁路，以向所述負載提供全部的、持續的功率，直到所述手動操作開關被無效。
34.如權利要求23所述的設備，其中，所述負載是被控制在期望的照度的電光源。
35.如權利要求34所述的設備，還包括用於產生表示所述光源照度的電子反饋信號的裝置；以及所述控制電路接收所述電子反饋信號，並將所述輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代所述光源的功率損耗Pl的量，從而節省電池功率並延長所述光源的壽命。
36.如權利要求35所述的設備，其中，用於產生表示所述光源照度的電子反饋信號的裝置是貼近所述光源的熱傳感元件，其將熱量轉換成與光照度成比例的電信號。
37.如權利要求35所述的設備，其中，用於產生表示所述光源照度的電子反饋信號的裝置是貼近所述光源所產生的光束的光傳感器，其產生表示所述光源照度的電信號。
38.如權利要求37所述的設備，其中，所述光傳感器是硫化鎘電池和光檢測器中的一種。
39.如權利要求22所述的設備，其中，所述負載是被控制在表示所述期望輸出功率的所期望的旋轉速度上的旋轉裝置。
40.如權利要求39所述的設備，還包括轉速檢測器，其用於檢測所述旋轉裝置的rpm，並將所述轉速轉換成電反饋信號；以及所述控制電路接收所述電反饋信號以產生脈衝時間調製信號，所述脈衝時間調製信號把所述輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代功率損耗Pl的量，從而節省功率並延長所述旋轉裝置的壽命。
全文摘要
本發明涉及用於從電負載中獲得期望功率輸出的方法和設備(10)，該目的是通過以下實現的通過向裝置提供足夠的脈衝時間調製能量來僅取代損耗並僅維持剩餘功率，從而維持期望功率輸出並由此節省否則將被浪費的輸入能量。
文檔編號H02P3/00GK101052925SQ200580024504
公開日2007年10月10日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年5月20日
發明者沃爾特·R·埃萬雅克 申請人:超能脈衝科技公司