專利名稱：能量轉(zhuǎn)換的改進電路的制作方法
本申請要求2004年5月20日提交的臨時申請?zhí)朜o.60/573,716的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
1.技術(shù)領(lǐng)域本申請通常涉及用于依據(jù)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，并且Pl＝裝置中的損耗。已知當裝置達到其工作狀態(tài)(即，溫度、轉(zhuǎn)速、動量等等)時，剩余功率Pr就變成上述方程(1)的因子，并且方程(1)變成(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”被定義為由外加功率在裝置中造成的“余熱”、“轉(zhuǎn)動能”、“線性運動”、“動力能量”、“動能”、或者表示勢能的任意其他術(shù)語。剩余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減小到等于Pl，那么剩余功率Pr就足以維持所期望的輸出功率Po。
如果剩余功率Pr很小，諸如對于小電機，由于很低的慣性和質(zhì)量，剩余功率很小，因此，只能保存少量能量。
具體地，本發(fā)明涉及用于從電負載中獲得所期望的輸出功率Po的方法和設(shè)備，該目的是通過以下實現(xiàn)的通過向裝置簡單地提供充分的脈沖時間調(diào)制能量Pin來僅僅替換負載損耗Pl，僅維持剩余功率Pr，從而維持所期望的功率輸出Po，并由此節(jié)省否則將被浪費的輸入能量Pin。
2.
背景技術(shù)：
把發(fā)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(fā)熱元件具有存儲的熱量或剩余功率Pr，并且繼續(xù)產(chǎn)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(lián)合待審臨時專利申請S.N.60/545,783中公開了一種用于自動提供在數(shù)量上等于功率損耗Pl的輸入功率Pin的電路。人工調(diào)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(shè)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，然后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(xù)調(diào)節(jié)的這種電路自動減小或者自動增大施加到負載上的脈動(脈沖時間調(diào)制)功率的速率，以持續(xù)地維持諸如溫度之類的所期望的工作條件。
對于旋轉(zhuǎn)裝置，諸如輪子、電動機等等，當去除該旋轉(zhuǎn)裝置的輸入功率時，電動機或輪子借助于存儲的能量或動能來繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到摩擦能(功率損耗)完全消耗掉動能或動力能量(剩余功率)。
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(xù)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，然后借助于由反饋電路控制的脈沖時間調(diào)制來自動地把輸入功率減少到僅足以取代功率損耗的量，以僅僅維持剩余功率，從而用最小的功率輸入維持所期望的功率輸出。

發(fā)明內(nèi)容
采用本發(fā)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，用脈沖時間調(diào)制把輸入功率Pin自動地減小到出現(xiàn)在裝置中的功率損耗Pl的量，從而使得存儲在裝置中的剩余功率或能量Pr等于所期望的輸出功率Po。
這通過提供表示電能裝置所期望的工作狀態(tài)(即，溫度、轉(zhuǎn)速、光的亮度、等等)的反饋電路并產(chǎn)生表示所期望的工作條件的瞬時值的信號來實現(xiàn)。所產(chǎn)生的反饋信號作為一個輸入而耦合到比較器。另一輸入是基于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于鋸齒參考波形的任意部分時，比較器的輸出是脈沖時間調(diào)制信號(PTM)，該脈沖時間調(diào)制信號被耦合到并激勵諸如功率FET的電子開關(guān)。電負載被耦合在電源和電子開關(guān)之間。脈沖時間調(diào)制信號被耦合到電子開關(guān)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(guān)，從而維持如反饋信號所確定的所期望的工作條件。
同樣，對于在此公開的改進電路而言，在此用溫度傳感器產(chǎn)生輸入反饋信號，該溫度傳感器提供必須被諸如晶體管所放大的小輸入信號，向該晶體管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(huán)交流聲干擾(cycle hum)等等的尖銳、干凈的脈沖。
此外，本改進電路還包括具有多個(優(yōu)選為3個)位置的開關(guān)，只是舉例，該開關(guān)實現(xiàn)低、中或高的溫度、轉(zhuǎn)速、以及光亮度。在一個實施例中，開關(guān)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晶體管的集電極，以改變比較器的輸入控制信號電平的值，并因而改變驅(qū)動FET開關(guān)的比較器的輸出電平。
因而，可以為發(fā)熱裝置選擇特定溫度設(shè)置中的一個。同樣，可以為旋轉(zhuǎn)裝置選擇不同轉(zhuǎn)速中的一個，并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(guān)并聯(lián)，以提供多個不同的并聯(lián)電阻組合，并且由此提供多個電阻值，從而建立諸如溫度、轉(zhuǎn)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(guān)或FET被連接到手動控制開關(guān)的多個雙金屬溫度開關(guān)之一所旁路，以便負載通過所選定的一個雙金屬溫度開關(guān)直接連接到地電位。這些雙金屬開關(guān)可以被設(shè)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(guān)被手動控制開關(guān)選定，在負載達到期望溫度之前，盡管FET開關(guān)被控制電路所驅(qū)動，但是其被選定的閉合雙金屬開關(guān)所旁路，并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(guān)斷開，被控制電路驅(qū)動的FET有效并開始在該溫度上調(diào)節(jié)負載。
該新電路還包括作為選擇性的快熱開關(guān)，該快熱開關(guān)可以被裝置操作者手動壓下或者激活，當其被激活時，其創(chuàng)建重新對FET進行旁路的電路并把負載直接連接到地電位以導致負載的快速發(fā)熱。當溫度足夠熱時，如操作者所確定的，該開關(guān)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(存儲的能量或剩余功率)的旋轉(zhuǎn)裝置進行控制時，只是舉例，rpm指示器所檢測的該裝置的轉(zhuǎn)速可以用來產(chǎn)生表示轉(zhuǎn)速的信號，并且該信號可以被用作反饋信號，如上所述，通過向電子開關(guān)提供脈沖時間調(diào)制信號來向負載施加僅足以補償諸如摩擦、系統(tǒng)損耗等的負載損耗的功率，從而以所期望的速度驅(qū)動旋轉(zhuǎn)裝置。
在一個實施例中，對用于驅(qū)動電動機的眾所周知的脈沖寬度調(diào)制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(tǒng)與負載損耗的脈沖時間調(diào)制功率，來以所期望的速度自動驅(qū)動旋轉(zhuǎn)裝置。
因而，本發(fā)明的一個目的是，使用脈沖時間調(diào)制信號來僅取代系統(tǒng)與負載損耗而從電負載中獲得所期望的輸出功率，從而使任意的剩余功率等于所期望的輸出功率并因此節(jié)省輸入功率。
本發(fā)明的另一目的是產(chǎn)生表示負載的所期望的工作條件的反饋信號，對反饋信號與基于可變時間的電參考信號進行比較并根據(jù)該比較產(chǎn)生脈沖時間調(diào)制信號。
本發(fā)明的再一目的是提供包括固定偏壓晶體管以對接收到的反饋信號進行放大的控制電路。
本發(fā)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(fā)明的目的是提供一種受脈沖時間調(diào)制信號控制的電子開關(guān)，以達到并維持所期望的負載條件。
本發(fā)明的另一目的是通過提供手動操作開關(guān)來提供用戶控制的負載工作條件，當該手動操作開關(guān)被激活時，其將電子開關(guān)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(fā)明涉及一種用于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(xù)的功率輸入Pin，以達到所期望的輸出功率Po，并創(chuàng)建剩余功率或存儲的功率Pr，以及自動使用脈沖時間調(diào)制信號來把輸入功率Pin減少到僅足以取代系統(tǒng)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維持等于剩余功率Pr。
本發(fā)明還涉及一種用減小的輸入功率Pin從系統(tǒng)的電負載中自動獲得所期望的輸出功率Po的設(shè)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(tǒng)損耗，而Pr＝在所期望的輸出功率上存儲在負載中的剩余功率，所述設(shè)備包括電源，用于向負載提供持續(xù)的輸入功率Pin，以用伴隨的剩余功率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，用于自動提供脈沖時間調(diào)制信號，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，從而正好使剩余功率Pr維持等于所期望的功率輸出Po，以節(jié)省電功率并延長負載的壽命。


將在下面對圖的詳細描述中對本發(fā)明的這些和其他更多的詳細優(yōu)點進行更充分的描述，其中，相同的數(shù)字表示相同的元件，在這些圖中圖1是通過本發(fā)明對其進行修正來改進其操作的、在共同申請人的聯(lián)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圖解了用于對圖1電路進行修正的電路的一個實施例，用旋轉(zhuǎn)開關(guān)在放大晶體管的集電極選擇多個并聯(lián)電阻中的一個以使得不同的負載工作條件能夠出現(xiàn)；圖3圖解了用于對圖1電路進行修正的電路的第二實施例，使用滑動開關(guān)來選擇多個并聯(lián)電阻中的至少一個以使得不同的負載工作條件能夠出現(xiàn)；圖4圖解了通過寄生振蕩、噪聲、60倍交流聲干擾、以及其他令人討厭的干擾信號所失真的脈沖時間調(diào)制脈沖；圖5圖解了用于消除圖4中示出的脈沖失真的至少一個電路；圖6圖解了用于對圖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圖解了用于通過提供用戶控制的開關(guān)來對圖1的電路進行改進的電路，該用戶控制的開關(guān)使得圖1的裝置能夠在操作者希望的長時間內(nèi)向負載施加滿功率；圖8圖解了通過使用本發(fā)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(fā)明而自動地將旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)控制到希望的rpm(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))；圖10圖解了現(xiàn)有的電動機控制電路，本發(fā)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于可變時間的參考信號的關(guān)系，以產(chǎn)生脈沖時間調(diào)制。
具體實施例方式
圖1的電路是在通過本發(fā)明對其進行改進的共同申請人的聯(lián)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(guān)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、基于時間的參考信號發(fā)生器18、以及用于向負載24提供脈沖功率以對施加于負載上的功率進行調(diào)整的電子電源開關(guān)(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和隔離二極管32耦合到運算放大器34(例如，眾所周知的2222A晶體管)的基極。電源通過集電極電阻36耦合到晶體管34。
當感知的熱量增加時，晶體管34的傳導性開始增加，并且在線路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上來自晶體管34的輸出信號的值，與線路20上從發(fā)生器18到比較器16引腳2的基于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芯片之類的眾所周知的比較器芯片來形成。只是舉例，基于可變時間的發(fā)生器18可以由本領(lǐng)域眾所周知的555 IC芯片40或簡單的RC時間常數(shù)電路來形成。
如在上述共同申請人的聯(lián)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于線路20上從發(fā)生器18到比較器16引腳2的基于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(chǎn)生到電阻42的輸出信號。
圖11(上述共同申請人的聯(lián)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、和基于可變時間的參考信號(在這種情況下是鋸齒波)的對應(yīng)值。當傳感器輸出信號的幅度(指定為熱敏電阻電壓A)大于參考信號的最大幅度時，比較器16產(chǎn)生到電子開關(guān)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(xù)的。因而，向負載24提供連續(xù)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所導致的信號大于基于可變時間的發(fā)生器18(這里示為鋸齒)信號的任意部分的期間，比較器16才產(chǎn)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(chǎn)生到FET開關(guān)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的輸出是脈沖時間調(diào)制信號。
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，通過脈沖時間調(diào)制信號，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(zhuǎn)速、以及光亮度之類的3個不同的負載工作條件能夠出現(xiàn)。這種情況是這樣出現(xiàn)的通過用至少兩個功率級別來驅(qū)動放大晶體管34，以創(chuàng)建到電子功率開關(guān)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(xiàn)。
諸如晶體管34的晶體管放大器根據(jù)流經(jīng)該晶體管的電流而工作在其特征特性曲線上。為了改變這種工作曲線并允許不同的工作點，將各自具有諸如100Ω、330Ω(以及470Ω)的不同電阻值的至少兩個(優(yōu)選為3個)電阻R1、R2(以及R3)，一端連接到晶體管34的集電極。旋轉(zhuǎn)開關(guān)48將輸入功率耦合到所述電阻中所選定的一個的另一端，以改變晶體管34的工作特性，并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(guān)48的設(shè)置可以實現(xiàn)至少3種不同的工作條件。
圖3圖解了用于選擇插入在電源與晶體管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(guān)50被布置為，使得它可以選擇單獨的電阻R1、并聯(lián)的電阻R1和R2、或者并聯(lián)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晶體管34的集電極，以改變負載工作條件。然后該電路如前所述進行工作。
圖4圖解了驅(qū)動功率電子開關(guān)22(FET)的脈沖時間調(diào)制信號的一個脈沖51，此時該脈沖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干擾信號所影響。FET 22應(yīng)當完全導通或截止以進行適當?shù)墓ぷ鳌Ｈ绻┘拥狡鋿艠O的調(diào)節(jié)脈沖為圖4所示的類型，則失真53妨礙FET完全變成截止并導致FET發(fā)熱及最終發(fā)生故障。
圖5所示電路消除了圖4示出的脈沖的失真，并提供尖銳的、干凈的脈沖，該脈沖具有如圖4中示出的虛線52所示的整齊邊緣。
失真出現(xiàn)在圖4中示出的波形上的一個原因是，晶體管34是自偏壓的并且出現(xiàn)在晶體管34基極的任意失真的信號、或者信號干擾被放大。為了消除這種問題，借助于耦合在電源和地電位之間且包括串聯(lián)連接的電阻R4與R5的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將固定的偏壓電平施加到晶體管34的基極，其中，電阻R4與R5各自具有不同的電阻值，并且它們的連接點連接到晶體管34的基極。因而，根據(jù)電阻R4與R5的電阻值，將預(yù)置信號施加到晶體管34的基極，消除圖4示出的施加到電子電源開關(guān)或FET 22基極的脈沖上的任意干擾或失真。
為了在功率FET對負載進行控制之前，向負載供給持續(xù)的輸入功率Pin，以在不同的功率設(shè)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(guān)22被放置在負載RL與地電位之間的多個雙金屬溫度開關(guān)所旁路。在這種情況下，提供多個雙金屬開關(guān)52、54、以及56。在達到每一個雙金屬開關(guān)的工作溫度之前該雙金屬開關(guān)閉合，然后所選定的開關(guān)斷開并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(guān)，被耦合在雙金屬開關(guān)與負載RL之間的多位置開關(guān)58所選定。在圖6中應(yīng)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(wěn)定并提供可靠的操作。
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(guān)與功率FET 22并聯(lián)放置來實現(xiàn)。因而，用戶可以簡單地壓下開關(guān)60而在用戶希望的時間內(nèi)向負載RL提供全部的、未調(diào)整的功率。如果該裝置因此被設(shè)置為工作在諸如溫度設(shè)置的低功率設(shè)置上，則用戶對開關(guān)60簡單地進行手動操作并在希望的時間內(nèi)保持該開關(guān)的接合狀態(tài)。那么只要開關(guān)69被激活，該裝置就具有施加到負載的全部的、持續(xù)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并測量由光源所產(chǎn)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(chǎn)生的熱量。熱敏電阻自動地將這種感知和測量的熱量值轉(zhuǎn)換成線路70上耦合到控制電路16、18的電信號，并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(zhuǎn)換成在線路74上耦合回控制電路16、18并用來控制如前所述的功率FET 22的電信號。
圖9圖解了用于對諸如電動機76之類的裝置的轉(zhuǎn)速進行控制的電路。此外，諸如轉(zhuǎn)速計78之類的反饋裝置檢測旋轉(zhuǎn)裝置76的rpm。轉(zhuǎn)速計78可以自己把rpm值轉(zhuǎn)換成用作控制電路16、18的反饋信號的相應(yīng)電信號，作為早先所述的輸入信號。如果轉(zhuǎn)速計不是直接把rpm轉(zhuǎn)換成電信號，那么可以使用任意眾所周知的轉(zhuǎn)換器80來把rpm信號轉(zhuǎn)換成電反饋信號。然后電路如先前所述那樣工作，使用脈沖時間調(diào)制信號來把輸入功率Pin自動地減少到僅足以取代旋轉(zhuǎn)損耗、摩擦損耗、以及系統(tǒng)損耗Pl的量，從而節(jié)省功率并延長旋轉(zhuǎn)裝置的壽命。因而，電動機轉(zhuǎn)速被自動地控制在所期望的rpm上。
用于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(xù)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，利用新的脈沖電路，在電池上沒有持續(xù)的電耗。在本領(lǐng)域中電池上恒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(nèi)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(nèi)部功率損耗且電池持續(xù)發(fā)熱，并且這種循環(huán)持續(xù)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(chǎn)生任何更多的功率輸出為止。
由于電池具有在此公開的新穎的脈沖電路時該電池是脈動的，因為電池中沒有持續(xù)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(huán)中電池壽命增加并且總的電池壽命延長使得其可以被再充電更多次。
因而，當前新穎的脈沖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(huán)電池壽命和更長的總電池壽命。
同樣，可以相信，如果適當?shù)剡M行設(shè)置，則施加到給定電動機的脈沖占空比和脈沖頻率可以與電動機的輸入阻抗相匹配，從而如本領(lǐng)域所眾所周知的那樣，在適當?shù)脑O(shè)置上獲得最大功率轉(zhuǎn)移。
DC電源或電池具有AC阻抗并且DC電動機也具有AC阻抗也是本領(lǐng)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?shù)墓ぷ髅}沖占空比和脈沖頻率上，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(zhuǎn)移。
如早先所指出的，存在控制例如電動機轉(zhuǎn)速的電路。然而，這種電路不是自動地控制電動機轉(zhuǎn)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?？梢钥闯?，已經(jīng)添加了圖1中示出的溫度傳感單元14，以通過電位計RV2向該電路并通過電阻R6向IC芯片的引腳2提供反饋輸入。然后該電路如早先關(guān)于圖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(shè)置點電阻的單個專用集成電路(ASIC)芯片中。
因而，已公開了用于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(guān)(FET)提供基本上無干擾的脈沖時間調(diào)制脈沖來延長FET的壽命并提供FET的穩(wěn)定操作，以及通過把多個雙金屬開關(guān)與電子開關(guān)(功率FET)并聯(lián)放置來獲得負載快速發(fā)熱到多個溫度設(shè)置中的一個。雙金屬開關(guān)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(guān)，可以選定特定的雙金屬開關(guān)，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(guān)的預(yù)定溫度，然后該電路使用脈沖時間調(diào)制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(guān)，其可以由用戶激活以旁路FET，并在用戶激活手動控制開關(guān)的時間內(nèi)向負載提供滿功率。
應(yīng)當理解，在此使用的術(shù)語“電子開關(guān)”想要覆蓋可以被控制以間歇地向負載提供功率的開關(guān)，包括諸如繼電器或固態(tài)開關(guān)之類的機械操作開關(guān)，該固態(tài)開關(guān)諸如是先前在此描述的場效應(yīng)晶體管(FET)。
雖然已示出并描述了優(yōu)選的實施例，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)也可以另外進行各種變型和替換。因此，應(yīng)當理解，借助于圖解而非限制對本發(fā)明進行了描述。
下面的權(quán)利要求中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、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于執(zhí)行如具體要求的其他要求元件相結(jié)合的功能的任意結(jié)構(gòu)、材料、或者動作。
權(quán)利要求
1.一種用減小的輸入功率Pin從系統(tǒng)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(tǒng)損耗，Pr＝在所述期望輸出功率上存儲在所述負載中的剩余功率，所述方法包括以下步驟向所述負載提供持續(xù)的輸入功率Pin，以用伴隨的剩余功率Pr達到所述期望輸出功率Po；以及使用可變速率的脈沖時間調(diào)制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，從而正好使所述剩余功率Pr維持等于所述期望功率輸出Po，從而節(jié)省輸入功率并延長所述負載的壽命。
2.如權(quán)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(chǎn)生表示瞬時負載輸出功率Po的反饋信號；以及使用所產(chǎn)生的反饋信號來產(chǎn)生所述輸入功率Pin的脈沖時間調(diào)制(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(jié)省電功率。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟把電功率開關(guān)耦合在所述電負載與地電位之間，所述電功率開關(guān)具有源極、漏極、以及導致所述電功率開關(guān)開啟和關(guān)閉的柵極；以及向所述電功率開關(guān)的柵極施加所述脈沖時間調(diào)制信號，以使用所述脈沖時間調(diào)制信號來使所述電功率開關(guān)開啟和關(guān)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(quán)利要求3所述的方法，其中，產(chǎn)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(chǎn)生表示所述負載的瞬時輸出功率的電子反饋信號的轉(zhuǎn)換器，來檢測所述電產(chǎn)生的負載的瞬時輸出功率Po；以及提供控制電路，其用于接收所述反饋信號并產(chǎn)生用于減小所述期望負載輸出功率的脈沖時間調(diào)制輸出信號。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，提供用于接收所述反饋信號并產(chǎn)生所述脈沖時間調(diào)制信號的控制電路的步驟還包括以下步驟產(chǎn)生表示負載輸出功率范圍的基于可變時間的參考信號；以及將所述基于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于所述基于可變時間的參考信號的最大值時，向所述負載供給持續(xù)的功率，并且當所生成反饋信號小于所述基于可變時間的參考信號的任意部分時，向所述電子功率開關(guān)提供所述脈沖時間調(diào)制信號以控制所述負載的輸入功率。
6.如權(quán)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并產(chǎn)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(fā)射極的放大晶體管；以及向所述晶體管的基極提供固定的偏壓，以創(chuàng)建基于時間的調(diào)制脈沖，所述調(diào)制脈沖沒有寄生振蕩、60倍交流聲干擾(60cycle hum)、以及任意附加的令人討厭的干擾信號中的任意一種。
7.如權(quán)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(qū)動所述晶體管，以創(chuàng)建耦合到所述電子功率開關(guān)的兩個不同脈沖時間調(diào)制信號中的至少一個，使得至少兩種不同的負載工作條件出現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，驅(qū)動所述晶體管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晶體管的集電極；以及將電功率連接到具有希望的多個位置的開關(guān)，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(quán)利要求8所述的方法，其中，將電功率連接到開關(guān)的步驟還包括，使用旋轉(zhuǎn)開關(guān)來選擇所述多個不同電阻中的至少一個以改變所述晶體管工作條件的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，將電功率連接到開關(guān)的步驟還包括使用滑動開關(guān)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(quán)利要求4所述的方法，其中，向所述負載提供持續(xù)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(guān)耦合在所述負載與地電位之間來對所述電子功率開關(guān)進行旁路，所述雙金屬開關(guān)中的每一個被設(shè)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(guān)，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(guān)斷開，并且允許所述控制電路用所述脈沖時間調(diào)制信號來控制所期望的負載輸出功率。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括將多位置開關(guān)耦合在所述負載與所述多個雙金屬開關(guān)之間，以通過選擇特定的雙金屬開關(guān)來選定所期望的操作溫度的步驟。
13.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括在最短的時間內(nèi)達到所期望的工作條件的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在最短的時間內(nèi)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(guān)耦合在所述負載與地電位之間；當所述手動操作開關(guān)被激活時，對所述電子功率開關(guān)進行旁路，以向所述負載提供全部的、持續(xù)的功率，直到所述手動操作開關(guān)被無效。
15.如權(quán)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(quán)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(chǎn)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(zhuǎn)換成電信號；以及使用所述電信號形成脈沖時間調(diào)制信號，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(tǒng)損耗Pl的值，從而節(jié)省功率并延長所述光源的壽命。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，將所述熱源所產(chǎn)生的熱量的值轉(zhuǎn)換成電信號的步驟還包括，使用與所述光源所產(chǎn)生的熱源相貼近的熱傳感元件來將所述熱量轉(zhuǎn)換成所述電信號的步驟。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，將所述光源的照明強度的值轉(zhuǎn)換成電信號的步驟還包括，提供與所述光源所產(chǎn)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(quán)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(chǎn)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(zhuǎn)換成用作所述反饋信號的電信號。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括把作為所述負載的旋轉(zhuǎn)裝置控制在表示所述期望輸出功率的所期望的旋轉(zhuǎn)速度上的步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟檢測所述旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，把所檢測到的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號；以及使用作為所述反饋信號的電信號來產(chǎn)生脈沖時間調(diào)制信號，所述脈沖時間調(diào)制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(jié)省功率并延長所述旋轉(zhuǎn)裝置的壽命。
22.一種用減小的輸入功率Pin從系統(tǒng)的電負載中自動獲得所期望的輸出功率Po的設(shè)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(tǒng)損耗，Pr＝在所述期望輸出功率上存儲在所述負載中的剩余功率，所述設(shè)備包括電源，其用于向所述負載提供持續(xù)的輸入功率Pin，以用伴隨的剩余功率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，用于產(chǎn)生脈沖時間調(diào)制信號，所述脈沖時間調(diào)制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，從而正好使所述剩余功率Pr保持等于所述期望功率輸出Po，以節(jié)省電功率并延長所述負載的壽命。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)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，其用于產(chǎn)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(chǎn)生的反饋信號并產(chǎn)生所述輸入功率Pin的脈沖時間調(diào)制(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(jié)省電功率。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括電子功率開關(guān)，其耦合在所述電負載與地電位之間，所述電功率開關(guān)具有耦合到所述負載的漏極、耦合到地電位的源極、以及用于接收所述脈沖時間調(diào)制信號以導致所述電子功率開關(guān)開啟和關(guān)閉的柵極。
25.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括作為所述電子功率開關(guān)的繼電器。
26.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，所述傳感裝置還包括轉(zhuǎn)換器，其用于檢測所述瞬時輸出功率Po并生成所述所產(chǎn)生的反饋信號。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，所述控制電路包括用于產(chǎn)生表示負載輸出功率范圍的基于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于可變時間的參考信號發(fā)生器的輸入和所產(chǎn)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(chǎn)生的反饋信號大于所述基于可變時間的參考信號的最大值時，向所述負載供給持續(xù)的功率，并且當所產(chǎn)生的反饋信號小于所述基于可變時間的參考信號的任意部分時，向所述電子功率開關(guān)提供所述脈沖時間調(diào)制信號，以控制所述負載的輸入功率。
28.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，還包括具有基極、集電極、以及發(fā)射極的放大晶體管；所述晶體管的基極接收所產(chǎn)生的反饋信號；以及提供耦合到所述晶體管基極的固定偏壓以創(chuàng)建所述基于時間的調(diào)制脈沖的電路，所述調(diào)制脈沖沒有寄生振蕩、60倍交流聲干擾、以及任意附加的令人討厭的干擾信號中的任意一種。
29.如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，還包括多個電阻，其各自具有不同的電阻值，耦合到所述晶體管的集電極；以及具有希望的多個位置的開關(guān)，其用于將功率耦合到所述多個電阻中選定的一個，從而使得所述晶體管工作來改變所述負載工作條件。
30.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，還包括至少一個雙金屬開關(guān)，其對所述負載與地電位之間的電子開關(guān)進行旁路并表示所期望的操作溫度；以及開關(guān)，其用于選擇表示所期望的操作溫度的至少一個雙金屬開關(guān)，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(guān)斷開并且控制電路用所述脈沖時間調(diào)制信號來調(diào)節(jié)所述期望負載輸出功率。
31.如權(quán)利要求30所述的設(shè)備，還包括多個所述雙金屬溫度開關(guān)，每個所述雙金屬開關(guān)被設(shè)置為在不同的溫度上斷開；多位置開關(guān)，其耦合在所述負載與所述多個雙金屬開關(guān)之間，通過選擇特定的雙金屬開關(guān)來選定所期望的操作溫度。
32.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，還包括快速操作電路，其與所述電子開關(guān)并聯(lián)耦合，以使得能夠在最短的時間內(nèi)達到所期望的工作條件。
33.如權(quán)利要求32所述的設(shè)備，還包括手動操作開關(guān)，其耦合在所述負載與地電位之間；當所述手動操作開關(guān)被激活時，對所述電子開關(guān)進行旁路，以向所述負載提供全部的、持續(xù)的功率，直到所述手動操作開關(guān)被無效。
34.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中，所述負載是被控制在期望的照度的電光源。
35.如權(quán)利要求34所述的設(shè)備，還包括用于產(chǎn)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，并將所述輸入功率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(jié)省電池功率并延長所述光源的壽命。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中，用于產(chǎn)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(zhuǎn)換成與光照度成比例的電信號。
37.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其中，用于產(chǎn)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(chǎn)生的光束的光傳感器，其產(chǎn)生表示所述光源照度的電信號。
38.如權(quán)利要求37所述的設(shè)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(quán)利要求22所述的設(shè)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(zhuǎn)速度上的旋轉(zhuǎn)裝置。
40.如權(quán)利要求39所述的設(shè)備，還包括轉(zhuǎn)速檢測器，其用于檢測所述旋轉(zhuǎn)裝置的rpm，并將所述轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(chǎn)生脈沖時間調(diào)制信號，所述脈沖時間調(diào)制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(jié)省功率并延長所述旋轉(zhuǎn)裝置的壽命。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從電負載中獲得期望功率輸出的方法和設(shè)備(10)，該目的是通過以下實現(xiàn)的通過向裝置提供足夠的脈沖時間調(diào)制能量來僅取代損耗并僅維持剩余功率，從而維持期望功率輸出并由此節(jié)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(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者沃爾特·R·埃萬雅克 申請人:超能脈沖科技公司