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。
附图说明
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。

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。
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。