[发明专利]给电负载馈电的装置

说明书

本发明涉及一种给具有预定标称电压的电负载馈电的装置，它含有一个输入端以与供电电源连接，以及一个输出端以与负载连接。

在最简单的形式下，这种装置由一个机械开关组成，这个开关用来闭合一个把供电电源，例如电池或电网，连接到负载上的电路。最典型的负载是一个白炽灯泡。电路中还可以再含有一个防止过载的保险丝。

利用电路技术中的具体手段，可以向负载馈送或多或少的能量，以控制例如白炽灯的亮度从0％到100％。这可以借助例如一个电位器来实现。目前常用的是利用可控硅器件或可控硅三端双向器件的所谓相角控制技术，这些可控硅器件在可选择的时刻以延迟的方式把交流电压的每一个半波连接到负载上。

用直流电和交流电向电负载馈电有各自的优缺点。特别对白炽灯泡和其他照明装置进行了尝试，以通过改进效率来增加亮度因子或光产额(对于给定的电功率)。

众所周知，还可以特别地用步进电机之类的手段给电负载馈电，它们向负载施加脉冲形的电压，并以脉冲序列的占空比(即脉冲宽度和脉冲间隔之比)来在0％到100％的范围内确定施加给负载的功率。在这种脉冲形供电的极端情形下，向负载馈送的是纯粹的直流电。这时脉冲宽度为100％，而间隔为0％，即对应于无限大的占空比(脉冲／间隔)。在各种情形中电压脉冲的电压振幅都必须对应于负载的标称电压。

本发明的目的是，与以往技术相比大为提高向电负载馈电的效率，特别是针对电阻性负载，例如白炽灯泡的情形，不过也可以用于纯粹的或主要是低效率的电感性或电容性的负载，从而增大对电能的利用率。

根据本发明，这个目的通过一个能向连接在负载上的输出端提供针状脉冲序列的针状脉冲成形器来达到。

在理想的情形下，这些针状脉冲是狄拉克(Dirac)脉冲，也就是具有极高的幅度和极为短促而稳定的脉冲宽度的脉冲。

馈送给负载的针状脉冲的幅度受到当前所能得到的产生脉冲的电子电路手段的限制。利用当前能得到的电子电路手段，可以实现的脉冲宽度的量级为100ns(纳秒)。从而，可以使用比负载标称电压高出一到两个数量级的非常高的电压。

对于直流电路，必须注意馈送给负载的供电电压绝不可以明显地大于标称电压。然而，已经知道，在供电电压与标称电压之比和耗电器效率(=白炽灯泡亮度)与耗电器使用寿命之比这两个方面之间存在着几乎正比的关系。例如，当对标称电压为100V的灯泡只馈送90V或甚至80V的电压时，效率就要下降，也就是光产额明显地变低。不过，在降低效率的同时却增大了使用寿命。如果相反地，供电电压增加到110V或120V，则效率(在本情形中是光产额)改善了，但相应地使用寿命却减小了。当供电电压比标称电压大得多时，例如为其1．5倍时，则负载将在很短的时间内被损坏。

利用根据本发明的手段，负载的使用寿命绝不会受到负面的影响，相反地会被延长。由于提供给负载的针状脉冲的持续时间宽度极短，所以负载不会被损坏，即使脉冲电压远大于负载的标称电压时也不会被损坏。

在根据本发明的装置中，针状脉冲的占空比最大约为0．3，这例如对应于脉冲宽度与脉冲间隔之比为3到10。

已经发现，当给例如白炽灯泡馈电时，用本发明的针状脉冲代替通常的交流电压能够达到同样的光产额，这时所供的针状脉冲的电压幅度为灯泡标称电压的几倍，而耗电功率只有原来的几分之一。

如果观察狄拉克脉冲的频谱，可以看到许多谐频成分。所有的成分都消耗在电负载中。对于纯电感性的或含有电感元件的负载，特别地连接一个与负载反向并联的二极管。由此所得到的效果是，可能出现的反向电动势能量被返回到负载内。

根据本发明，针状脉冲具有恒定的脉冲宽度，但同时它是极窄的，而其幅度是相对地高电压的。它们总是直流脉冲，即各脉冲的极性是相同的。

通过简单地延长脉冲间隔就可以实现相应的负载调节控制。在负载的最大可能功率下，在本情形中设定占空比(脉冲宽度／脉冲间隔)为最大可能的值0．3。于是相应的供电电压幅度与标称电压的比值约为1．7(根号3)。对于较小的电压比值(脉冲幅度／负载标称电压)的情形，虽然所达到的能量利用率仍然优于以往技术，但不再有其他的良好效果。脉冲幅度与负载标称电压的比值愈大，所得到的效果就愈好。电压比值大于1．7比较好，比值大于3则更好，而特别地最好是比值大于5。负载的标称电压应该不小于针状脉冲幅度除以被脉冲宽度规一化的脉冲间隔的平方根值(UZnom≥UB／SQR(t_P／t_I))(UZ_标称≥UB／t脉宽／t间隔)。