Устройство предоставления аэрозоля
Изобретение относится к устройству предоставления аэрозоля и системе предоставления аэрозоля. Техническим результатом является экономия энергии. Технический результат достигается тем, что устройство предоставления аэрозоля содержит несколько электрических компонентов, включающих контроллер, содержащий процессор и носитель данных, содержащий набор машиночитаемых инструкций; указанные несколько электрических компонентов расположены в непосредственной близости к внешней поверхности указанного устройства; нагревательный узел, содержащий изолирующий элемент, катушку индуктивности и нагревательный компонент для нагрева, но не сжигания, материала, образующего аэрозоль, посредством электромагнитной индукции; и батарею для подачи питания на указанные электрические компоненты и нагревательный узел под управлением указанного контроллера; причем во время сеанса нагрева потребление энергии нагревательным узлом составляет от 15 до 25 Вт, а потребление энергии указанными электрическими компонентами составляет менее 0,1 Вт, так что температура внешней поверхности указанного устройства остается ниже 48°С, а также технический результат достигается системой предоставления аэрозоля, содержащей такое устройство. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 18 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству предоставления аэрозоля и системе предоставления аэрозоля.
Уровень техники
Курительные изделия, такие как сигареты, сигары и т.п. во время их использования сжигают табак для получения табачного дыма. Были предприняты попытки предложить альтернативы этим изделиям, который сжигают табак, путем создания изделий, которые высвобождают соединения без горения. Примерами такого изделия являются нагревательные устройства, которые выделяют соединения путем нагревания, но не сжигания материала. Материал может представлять собой, например, табак или другие нетабачные продукты, которые могут содержать, а могут и не содержать никотин.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено устройство предоставления аэрозоля, содержащее:
несколько электрических компонентов;
нагревательный узел, содержащий нагревательный компонент для нагрева материала, образующего аэрозоль; и
батарею для подачи питания на электрические компоненты и нагревательный узел;
причем при использовании потребление энергии несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 0,25 Вт.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложено устройство предоставления аэрозоля, содержащее:
несколько электрических компонентов;
нагревательный узел, содержащий нагревательный компонент для нагрева материала, образующего аэрозоль; и
батарею для подачи питания на электрические компоненты и нагревательный узел;
причем, при использовании изобретения, потребление энергии указанными несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 1% от потребления энергии нагревательным узлом.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложена система предоставления аэрозоля, содержащая:
устройство предоставления аэрозоля в соответствии с первым аспектом; и
изделие, содержащее материал, образующий аэрозоль.
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидны из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, данного в виде примера, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид спереди примера устройства генерации аэрозоля;
на фиг. 2 показан вид спереди устройства генерации аэрозоля, показанного на фиг. 1, с удаленной внешней крышкой;
на фиг. 3 приведен вид в поперечном сечении устройства генерации аэрозоля, показанного на фиг. 1;
на фиг. 4 приведен вид по частям устройства генерации аэрозоля, показанного на фиг. 2;
на фиг. 5A показан вид в поперечном сечении примера нагревательного узла в устройстве генерации аэрозоля;
на фиг. 5B показан увеличенный вид части нагревательного узла, показанного на фиг. 5A;
на фиг. 6 приведено схематическое представление примера цепи индукционного нагрева для устройства генерации аэрозоля, показанного на фиг. 1-5B;
на фиг. 7A приведено схематическое представление тока, проходящего через катушку индуктивности для примера цепи индукционного нагрева, показанной на фиг. 6;
на фиг. 7B приведено схематическое представление напряжения на чувствительном к току резисторе для примера цепи индукционного нагрева, показанной на фиг. 6;
на фиг. 8 приведено схематическое представление напряжения на переключающем устройстве цепи, показанной на фиг. 6;
на фиг. 9 приведено другое схематическое представление примера цепи индукционного нагрева для устройства, показанного на фиг. 1-5B;
на фиг. 10-13 показаны различные части примера устройства управления для примера цепи индукционного нагрева, показанной на предыдущих фигурах;
на фиг. 14 показана блок-схема последовательности действий в примере способа управления аспектами цепи индукционного нагрева для иллюстративного примера цепи индукционного нагрева;
на фиг. 15 показана блок-схема последовательности действий другого примера способа управления аспектами цепи индукционного нагрева для иллюстративного примера цепи индукционного нагрева; и
на фиг. 16 приведено схематическое представление температуры катушки индуктивности и целевой мощности, подаваемой на катушку индуктивности во время работы цепи индукционного нагрева для иллюстративного примера цепи индукционного нагрева.
Подробное описание изобретения
В данном контексте "материал, образующий аэрозоль" включает в себя материалы, которые выделяют летучие компоненты при нагревании, обычно в виде аэрозоля. Материал, образующий аэрозоль, включает в себя любые табакосодержащие материалы и может, например, включать в себя один или несколько из следующих материалов: табак, производные табака, молотый табак, восстановленный табак или заменители табака. Материал, образующий аэрозоль, также может включать в себя другие, не являющиеся табачными продукты, которые в зависимости от продукта могут содержать, а могут и не содержать никотин. Материал, образующий аэрозоль, может, например, находиться в твердом виде, в жидком виде, в виде геля или воска. Материал, образующий аэрозоль, также может, например, представлять собой сочетание или смесь материалов. Материал, образующий аэрозоль, также может быть известен как "курительный материал".
Известно устройство, которое нагревает материал, образующий аэрозоль, чтобы испарить по меньшей мере один компонент материала, образующего аэрозоль, обычно для образования аэрозоля, который можно вдохнуть, не сжигая или не воспламеняя материал, образующий аэрозоль. Такое устройство иногда описывают как "устройство генерации аэрозоля", "устройство предоставления аэрозоля", "устройство для нагрева без сжигания", "устройство нагрева табачного продукта" или "устройство нагрева табака" и т.п. Аналогично, также имеются так называемые электронные сигареты, которые обычно испаряют материал, образующий аэрозоль, в жидком виде, который может содержать, а может и не содержать никотин. Материал, образующий аэрозоль, может быть предоставлен в виде или как часть стержня, картриджа или кассеты или подобного элемента, который может быть вставлен в устройство. Нагреватель для нагрева и испарения материала, образующего аэрозоль, может быть выполнен в виде "перманентной" части устройства.
Устройство предоставления аэрозоля может принимать изделие, содержащее материал, образующий аэрозоль, для нагрева. "Изделие" в данном контексте – это компонент, который включает в себя или содержит, при использовании устройства, материал, образующий аэрозоль, который нагревают для испарения материала, образующего аэрозоль, и, как вариант, других используемых компонентов. Пользователь может вставлять изделие в устройство предоставления аэрозоля перед его нагревом, чтобы получить аэрозоль, который затем вдыхает пользователь. Изделие, например, может быть предварительно заданного или строго определенного размера, то есть выполнено с возможностью размещения в нагревательной камере устройства, которая имеет такой размер, чтобы принимать изделие.
В настоящем изобретении описано устройство предоставления аэрозоля, содержащее несколько электрических компонентов и нагревательный узел, содержащий по меньшей мере один нагревательный компонент для нагрева материала, образующего аэрозоль. Нагревательный узел может использовать резистивный или индукционный нагрев. В конкретном примере нагревательный узел содержит по меньшей мере одну катушку. Катушка может представлять собой, например, катушку индуктивности. Таким образом, нагревательный компонент может представлять собой токоприемник, а катушка может нагревать токоприемник, который, в свою очередь, нагревает материал, образующий аэрозоль. Катушка может представлять собой индуктор или катушку индуктивности.
Устройство также содержит батарею для подачи питания на электрические компоненты и нагревательный узел. При использовании потребление энергии несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 0,25 Вт.
Таким образом, устройство содержит нагревательный узел, выполненный с возможностью нагрева материала, образующего аэрозоль, и несколько других электрических компонентов. Несколько электрических компонентов может содержать контроллер, такой как микропроцессор, и визуальный индикатор, содержащий, например, несколько светодиодов. Несколько электрических компонентов не включает в себя нагревательный узел, например компонент нагревателя и катушку (катушки).
Потребление энергии несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 0,1 Вт. Было установлено, что поддержание энергопотребления электрических компонентов ниже 0,1 Вт может снизить температуру поверхности устройства, а также повысить общую энергоэффективность. Например, может быть желательно поддерживать температуру поверхности устройства ниже примерно 48°C или ниже примерно 43°C. Электрические компоненты могут оказывать большее влияние на температуру поверхности, чем ожидалось, потому что они могут быть расположены ближе к поверхности, чем нагревательные компоненты, и иметь менее надежную изоляцию. Используя энергоэффективные компоненты, можно снизить температуру поверхности устройства. Кроме того, если электрические компоненты потребляют менее 0,1 Вт, то устройство можно использовать в течение более длительного периода времени, прежде чем потребуется перезарядка батареи.
Батарея может представлять собой источник постоянного тока. Батарея может представлять собой модуль батарей или блок батарей. Батарея может представлять собой батарею 3-4 В.
Потребляемая мощность нескольких электрических компонентов может быть менее примерно 0,05 Вт, менее примерно 0,04 Вт или менее примерно 0,01 Вт.
В одном примере несколько электрических компонентов включают в себя контроллер, и когда контроллер активен, потребляемая мощность контроллера составляет от примерно 10 мВт до примерно 20 мВт, а когда контроллер неактивен, потребляемая мощность множества электрических компонентов меньше примерно 0,5 мВт.
В одном примере несколько электрических компонентов содержит несколько светодиодов, и каждый светодиод имеет потребляемую мощность менее примерно 0,01 Вт при максимальной яркости или интенсивности. В одном примере имеется четыре светодиода, и потребляемая мощность четырех светодиодов составляет менее 0,04 Вт при максимальной яркости. Например, потребляемая мощность четырех светодиодов может составлять около 0,03 Вт.
Соответственно, несколько электрических компонентов могут содержать четыре светодиода и контроллер, а потребляемая мощность электрических компонентов составляет менее примерно 0,5 мВт, когда контроллер неактивен, а светодиоды выключены. Потребляемая мощность электрических компонентов составляет менее 0,05 Вт, когда контроллер активен и светодиоды включены. Например, потребляемая мощность электрических компонентов может составлять от примерно 0,03 Вт до примерно 0,05 Вт, когда контроллер активен и светодиоды включены.
Во время сеанса нагрева нагревательный узел может потреблять от примерно 15 Вт до примерно 25 Вт. Например, при использовании потребляемая мощность нагревательного узла составляет от примерно 15 Вт до примерно 25 Вт. Предпочтительно потребляемая мощность нагревательного узла составляет от примерно 20 Вт до примерно 25 Вт, например, от примерно 20 Вт до примерно 23 Вт.
В некоторых примерах несколько электрических компонентов включают в себя WiFi-интерфейс, и/или интерфейс Bluetooth, и/или интерфейс NFC.
В некоторых примерах потребляемая мощность несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 1% от потребления энергии нагревательным узлом. В другом примере потребляемая мощность несколькими электрическими компонентами составляет менее примерно 0,5% от потребления энергии нагревательным узлом. Предпочтительно, потребляемая мощность электрическими компонентами составляет менее примерно 0,2% от потребления энергии нагревательным узлом. Например, потребляемая мощность нескольких электрических компонентов может составлять около 0,05 Вт, а потребляемая мощность нагревательного узла может составлять около 20 Вт.
Батарея может иметь емкость от 30000 Дж до 35000 Дж.
Нагревательный узел может быть выполнен с возможностью работы в течение периода от приблизительно 3 минут до приблизительно 5 минут и может быть выполнен с возможностью потребления от приблизительно 1000 Дж до приблизительно 1400 Дж в течение этого периода. Таким образом, батарея может быть выполнена для питания нагревательного узла в течение от около 20 до около 35 периодов. Каждый период может быть известен как сеанс нагрева. В течение этого периода одна или несколько катушек индуктивности могут работать с периодически.
Предпочтительно устройство представляет собой устройство для нагрева табака, также известное как устройство для нагрева без сжигания.
Как было вкратце упомянуто выше, в некоторых примерах катушка(катушки) выполнена(ы) так, чтобы при использовании вызывать нагрев по меньшей мере одного электропроводящего нагревательного компонента/элемента (также известного как компонент/элемент нагревателя), так что тепловую энергию передают от по меньшей мере одного электропроводящего нагревательного компонента к материалу, генерирующему аэрозоль, чтобы тем самым вызвать нагрев материала, образующего аэрозоль.
В некоторых примерах катушка(катушки) выполнена(ы) с возможностью создания при использовании переменного магнитного поля для проникновения по меньшей мере в один нагревательный компонент/элемент, чтобы тем самым вызвать индукционный нагрев и/или нагрев за счет магнитного гистерезисаный по меньшей мере одного нагревательного компонента. В такой компоновке один или каждый нагревательный компонент можно назвать "токоприемником". Катушка, которая выполнена с возможностью генерации при использовании переменного магнитного поля для проникновения по меньшей мере в один электропроводящий нагревательный компонент, чтобы тем самым вызвать индукционный нагрев по меньшей мере одного электропроводящего нагревательного компонента, может быть названа "индукционной катушкой" или "катушкой индуктивности".
Устройство может включать в себя нагревательный(ые) компонент(ы), например, электропроводящий(ие) нагревательный(ые) компонент(ы), и нагревательный(ые) компонент(ы) может быть соответствующим образом расположен или размещен относительно катушки(катушек), чтобы обеспечить такой нагрев нагревательного(ых) компонента(ов). Нагревательный(е) компонент(ы) может находиться в фиксированном положении относительно катушки(катушек). В качестве альтернативы, по меньшей мере один нагревательный компонент, например, по меньшей мере, один электропроводящий нагревательный компонент, может быть включен в изделие для вставки в зону нагрева устройства, при этом изделие также содержит материал, образующий аэрозоль, и может быть удалено с зоны нагрева после использования. В качестве альтернативы и устройство, и такое изделие могут содержать по меньшей мере один соответствующий нагревательный компонент, например, по меньшей мере, один электропроводящий нагревательный компонент, и катушка(катушки) может вызывать нагрев нагревательного компонента(ов) и устройства, и изделия, когда изделие находится в зоне нагрева.
В некоторых примерах катушка(катушки) является спиральной. В некоторых примерах катушка(катушки) окружает по меньшей мере часть зоны нагрева устройства, выполненной с возможностью приема материала, образующего аэрозоль. В некоторых примерах катушка(катушки) является спиральной катушкой, которая окружает по меньшей мере часть зоны нагрева. Зона нагрева может представлять собой резервуар, имеющий форму для приема материала, образующего аэрозоль.
В некоторых примерах устройство содержит электрически проводящий нагревательный компонент, который по меньшей мере частично окружает зону нагрева, и катушка (катушки) представляет собой спиральную катушку (катушки), которая окружает по меньшей мере часть электрически проводящего нагревательного компонента. В некоторых примерах электропроводящий нагревательный элемент является трубчатым. В некоторых примерах катушка представляет собой катушку индуктивности.
На фиг. 1 показан пример устройства 100 предоставления аэрозоля для генерации аэрозоля из вещества/материала, образующего аэрозоль. В общих чертах, устройство 100 можно использовать для нагрева сменного изделия 110, содержащего вещество, образующее аэрозоль, для генерации аэрозоля или другого вдыхаемого вещества, которое вдыхает пользователь устройства 100.
Устройство 100 содержит корпус 102 (в виде внешней крышки), который окружает и вмещает в себя различные компоненты устройства 100. Устройство 100 имеет отверстие 104 на одном конце, через которое изделие 110 может быть вставлено для нагрева нагревательным узлом. При использовании изделие 110 может быть полностью или частично вставлено в нагревательный узел, где оно может быть нагрето одним или несколькими компонентами нагревательного узла.
Устройство 100 в этом примере содержит первый концевой элемент 106, который содержит крышку 108, который может перемещаться относительно первого концевого элемента 106, чтобы закрывать отверстие 104, когда изделие 110 отсутствует на месте. На фиг. 1 крышка 108 показана в открытой конфигурации, однако крышка 108 может перейти в закрытую конфигурацию. Например, пользователь может сдвинуть крышку 108 в направлении стрелки "А".
Устройство 100 также может включать в себя управляемый пользователем элемент 112 управления, такой как кнопка или переключатель, при нажатии на который приводят в действие устройство 100. Например, пользователь может включить устройство 100 с помощью переключателя 112.
Устройство 100 также может содержать электрический компонент, такой как гнездо/порт 114, который может принимать кабель для зарядки батареи устройства 100. Например, гнездо114 может представлять собой порт зарядки, например USB-порт зарядки. В некоторых примерах гнездо 114 может быть использовано в дополнение или в качестве альтернативы к передаче данных между устройством 100 и другим устройством, таким как вычислительное устройство.
На фиг. 2 показано устройство 100, изображенное на фиг. 1, с удаленной внешней крышкой 102. Устройство 100 определяет продольную ось 134.
Как показано на фиг. 2, первый концевой элемент 106 расположен на одном конце устройства 100, а второй концевой элемент 116 расположен на противоположном конце устройства 100. Первый и второй концевые элементы 106, 116 вместе по меньшей мере частично ограничивают торцевые поверхности устройства 100. Например, нижняя поверхность второго концевого элемента 116 по меньшей мере частично ограничивает нижнюю поверхность устройства 100. Края внешней крышки 102 также могут ограничивать часть торцевых поверхностей. В этом примере крышка 108 также ограничивает часть верхней поверхности устройства 100. На фиг. 2 также показана вторая печатная плата 138, связанная с управляющим элементом 112.
Конец устройства, ближайший к отверстию 104, может быть известен как проксимальный конец (или конец ближе ко рту) устройства 100, потому что при использовании он находится ближе всего ко рту пользователя. При использовании пользователь вставляет изделие 110 в отверстие 104, задействует пользовательский элемент 112 управления, чтобы начать нагрев материала, образующего аэрозоль, и втягивает аэрозоль, образующийся в устройстве. Это заставляет аэрозоль проходить через устройство 100 по пути потока к проксимальному концу устройства 100.
Другой конец устройства, наиболее удаленный от отверстия 104, может быть известен как дистальный конец устройства 100, поскольку при использовании он является наиболее удаленным ото рта пользователя. Когда пользователь втягивает аэрозоль, образующийся в устройстве, аэрозоль проходит от дистального конца устройства 100.
Устройство 100 также содержит источник 118 питания. Источник 118 питания может представлять собой, например, батарею, такую как перезаряжаемая батарея или неперезаряжаемая батарея. Примеры подходящих батарей включают в себя, например, литиевую батарею (например, литий-ионную батарею), никелевую батарею (такую как никель-кадмиевая батарея) и щелочную батарею. Батарею электрически соединяют с нагревательным узлом для подачи электроэнергии, когда это необходимо, и под управлением контроллера (не показан) для нагрева материала, образующего аэрозоль. В этом примере батарея соединена с центральной опорой 120, которая удерживает батарею 118 на месте. Источник 118 питания может представлять собой источник 118 постоянного напряжения.
Устройство также содержит по меньшей мере один электронный модуль 122. Электронный модуль 122 может содержать, например, печатную плату (PCB). Печатная плата 122 может поддерживать по меньшей мере один контроллер, такой как процессор и память. Печатная плата 122 также может содержать одну или несколько электрических дорожек для электрического соединения между собой различных электронных компонентов устройства 100. Например, клеммы батареи могут быть электрически подключены к печатной плате 122, так что мощность может быть распределена по всему устройству 100. Гнездо 114 также может быть электрически соединено с батареей посредством электрических дорожек.
В примере устройства 100 нагревательный узел представляет собой узел индукционного нагрева и содержит различные компоненты для нагрева материала, образующего аэрозоль, изделия 110 посредством процесса индукционного нагрева. Индукционный нагрев – это процесс нагрева электропроводящего объекта (например, токоприемника) с помощью электромагнитной индукции. Индукционный нагревательный узел может содержать индуктивный элемент, например одну или несколько индукционных катушек, и устройство для пропускания меняющегося электрического тока, например переменного электрического тока, через индуктивный элемент. Меняющийся электрический ток в индуктивном элементе создает изменяющееся магнитное поле. Переменное магнитное поле проникает через токоприемник, расположенный соответствующим образом относительно индуктивного элемента, и создавая вихревые токи внутри токоприемника. Токоприемник обладает электрическим сопротивлением вихревым токам, и, следовательно, поток вихревых токов против этого сопротивления вызывает нагрев токоприемника за счет джоулева нагрева. В случаях, когда токоприемник содержит ферромагнитный материал, такой как железо, никель или кобальт, тепло может также генерироваться потерями на магнитный гистерезис в токоприемнике, то есть изменяющейся ориентацией магнитных диполей в магнитном материале в результате их совмещения с изменяющимся магнитным полем. При индукционном нагреве, по сравнению, например, с нагревом посредством теплопередачи, внутри токоприемника вырабатывается тепло, что обеспечивает быстрый нагрев. Кроме того, нет необходимости в каком-либо физическом контакте между индукционным нагревателем и токоприемником, что обеспечивает большую свободу в конструкции и применении.
Узел индукционного нагрева примера устройства 100 содержит токоприемную конструкцию 132 (называемую в этом документе "токоприемником"), первую катушку 124 индуктивности и вторую катушку 126 индуктивности. Первая и вторая катушки 204, 206 индуктивности выполнены из электропроводного материала. В этом примере первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности выполнены из обмоточного провода/кабеля, намотанного по спирали для образования спиральных катушек 124, 126 индуктивности. Обмоточный провод состоит из множества отдельных проводов, которые изолированы по отдельности и скручены друг с другом, образуя единый провод. Обмоточные провода предназначены для уменьшения потерь на скин-эффект в проводнике. В примере устройства 100 первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности изготовлены из медного обмоточного провода, имеющего по существу круглое поперечное сечение. В других примерах обмоточный провод может иметь поперечное сечение другой формы, например прямоугольной.
Первая катушка 124 индуктивности выполнена с возможностью генерации первого переменного магнитного поля для нагревания первого участка токоприемника 132, а вторая катушка индуктивности 126 индуктивности выполнена с возможностью генерации второго переменного магнитного поля для нагревания второго участка токоприемника 132. Здесь первую секцию токоприемника 132 называют первой зоной 132a токоприемника, а вторую секцию токоприемника 132 называют второй зоной 132b токоприемника. В этом примере первая катушка 124 индуктивности примыкает ко второй катушке 126 индуктивности в направлении вдоль продольной оси 134 устройства 100 (то есть первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности не перекрываются). В этом примере токоприемная конструкция 132 содержит один токоприемник, содержащий две зоны, тем не менее, в других примерах токоприемная конструкция 132 может содержать два или несколько токоприемников. Концы 130 первой и второй катушек 124, 126 индуктивности подключены к печатной плате 122.
Понятно, что первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности в некоторых примерах могут иметь, по меньшей мере, одну характеристику, отличающуюся друг от друга. Например, первая катушка 124 индуктивности может иметь, по меньшей мере, одну характеристику, отличную от характеристики второй индукционной катушки 126. Более конкретно, в одном примере первая индукционная катушка 124 может иметь значение индуктивности, отличное от значения индуктивности второй индукционной катушки 126. На фиг. 2 первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности имеют разные длины, так что первая катушка 124 индуктивности намотана на меньшую секцию токоприемника 132, чем вторая катушка 126 индуктивности. Таким образом, первая катушка 124 индуктивности может содержать другое число витков, чем вторая катушка 126 индуктивности (при условии, что расстояние между отдельными витками по существу одинаковое). В еще одном примере первая катушка индуктивности 124 может быть изготовлена из материала, отличного от материала второй индукционной катушки 126. В некоторых примерах первая и вторая индукционные катушки 124, 126 могут быть по существу идентичными.
В этом примере катушки 124, 126 индуктивности намотаны в одном и том же направлении. То есть и первая катушка 124 индуктивности и вторая катушка 126 индуктивности представляют собой левые спирали. В другом примере обе катушки 124. 126 индуктивности могут представлять собой правые спирали. В еще одном примере (не показан) первая катушка 124 индуктивности и вторая катушка 126 индуктивности намотаны в противоположных направлениях. Это может быть полезно, когда катушки индуктивности включают в разное время. Например, сначала может работать первая катушка 124 индуктивности, чтобы нагревать первую секцию изделия 110, а в позднее может работать вторая катушка 126 индуктивности, чтобы нагревать вторую секцию изделия 110. Намотка катушек в противоположных направлениях помогает уменьшить ток, наведенный в неактивной катушке, при использовании в сочетании с определенным типом схемы управления. В одном примере катушки 124, 126 индуктивности намотаны в разных направлениях (не показано), при этом первая катушка 124 индуктивности может представлять собой правую спираль, а вторая катушка 126 индуктивности может представлять собой левую спираль. В другом таком варианте осуществления первая катушка 124 индуктивности может представлять собой левую спираль, а вторая катушка 126 индуктивности может представлять собой правую спираль.
Токоприемник 132 в этом примере является полым и, следовательно, ограничивает емкость, в которую помещают материал, образующий аэрозоль. Например, изделие 110 может быть вставлено в токоприемник 132. В этом примере токоприемник 132 является трубчатым с круглым поперечным сечением.
Устройство 100 на фиг. 2 также содержит изолирующий элемент 128, который может быть в целом трубчатым и по меньшей мере частично окружать токоприемник 132. Изолирующий элемент 128 может быть изготовлен из любого изоляционного материала, например из пластика. В этом конкретном примере изолирующий элемент изготовлен из полиэфирэфиркетона (PEEK). Изолирующий элемент 128 может помочь изолировать различные компоненты устройства 100 от тепла, выделяемого в токоприемнике 132.
Изолирующий элемент 128 также может полностью или частично поддерживать первую и вторую катушки индуктивности 124, 126. Например, как показано на фиг. 2, первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности расположены вокруг изолирующего элемента 128 и находятся в контакте с внешней в радиальном направлении поверхностью изолирующего элемента 128. В некоторых примерах изолирующий элемент 128 не упирается в первую и вторую катушки 124, 126 индуктивности. Например, между внешней поверхностью изолирующего элемента 128 и внутренней поверхностью первой и второй катушек 124, 126 индуктивности может быть небольшой промежуток.
В конкретном примере токоприемник 132, изолирующий элемент 128 и первая и вторая катушки 124, 126 индуктивности лежат на одной центральной продольной оси токоприемника 132.
На фиг. 3 показан вид сбоку устройства 100 в частичном разрезе. В этом примере внешняя крышка 102 снова отсутствует. Круглая форма поперечного сечения первой и второй катушек 124, 126 индуктивности видна на фиг. 3 более отчетливо.
Устройство 100 также содержит опору 136, которая входит в зацепление с одним концом токоприемника 132, удерживая токоприемник 132 на месте. Опора 136 соединена со вторым концевым элементом 116.
Устройство 100 также содержит вторую крышку/колпачок 140 и пружину 142, расположенную по направлению к дистальному концу устройства 100. Пружина 142 позволяет открывать вторую крышку 140 для обеспечения доступа к токоприемнику 132. Например, пользователь может открыть вторую крышку 140, чтобы очистить токоприемник 132 и/или опору 136.
Устройство 100 также содержит расширительную камеру 144, которая проходит от проксимального конца токоприемника 132 к отверстию 104 устройства. По меньшей мере частично внутри расширительной камеры 144 расположен удерживающий зажим 146, который упирается в изделие 110 и удерживает его в устройстве 100. Расширительная камера 144 соединена с концевым элементом 106.
На фиг. 4 приведено покомпонентное изображение устройства 100, показанного на фиг. 1, снова без внешней крышки 102.
На фиг. 5A показано поперечное сечение части устройства 100, показанного на фиг. 1. На фиг. 5B крупным планом изображена область фиг. 5A. На фиг. 5А и 5В показано изделие 110, помещенное в токоприемник 132, при этом размер изделия 110 такой, что внешняя поверхность изделия 110 примыкает к внутренней поверхности токоприемника 132. Это обеспечивает наиболее эффективный нагрев. Изделие 110 этого примера содержит материал 110a, генерирующий аэрозоль. Материал 110a, генерирующий аэрозоль, расположен внутри токоприемника 132. Изделие 110 также может содержать другие компоненты, такие как фильтр, оберточные материалы и/или охлаждающую конструкцию.
На фиг. 5В показано, что внешняя поверхность токоприемника 132 отстоит от внутренней поверхности катушек 124, 126 индуктивности на расстояние 150, измеренное в направлении, перпендикулярном продольной оси 158 токоприемника 132. В одном конкретном примере расстояние 150 составляет от примерно 3 мм до 4 мм, от примерно 3 мм до 3,5 мм или примерно 3,25 мм.
На фиг. 5В также показано, что внешняя поверхность изолирующего элемента 128 отстоит от внутренней поверхности катушек 124, 126 индуктивности на расстояние 152, измеренное в направлении, перпендикулярном продольной оси 158 токоприемника 132. В одном конкретном примере расстояние 152 составляет примерно 0,05 мм. В другом примере расстояние 152 составляет по существу 0 мм, так что катушки 124, 126 индуктивности упираются в изолирующий элемент 128 и касаются его.
В одном примере токоприемник 132 имеет толщину 154 стенки от примерно 0,025 мм до 1 мм или примерно 0,05 мм.
В одном примере токоприемник 132 имеет длину от примерно 40 мм до 60 мм, от примерно 40 до 45 мм или примерно 44,5 мм.
В одном примере изолирующий элемент 128 имеет толщину 156 стенки от примерно 0,25 мм до 2 мм, от 0,25 мм до 1 мм или примерно 0,5 мм.
Как обсуждалось выше, нагревательный узел в примере устройства 100 представляет собой узел индукционного нагрева, содержащий различные компоненты для нагрева материала, образующего аэрозоль, изделия 110 посредством процесса индукционного нагрева. В частности, первую катушку 124 индуктивности и вторую катушку 126 индуктивности используют для нагрева соответствующей первой 132a и второй 132b зоны токоприемника 132, чтобы нагреть материал, образующий аэрозоль, и получить аэрозоль. Ниже со ссылкой на фиг. 6-12 будет подробно описана работа устройства 100 при использовании первой и второй катушек 124, 126 индуктивности для индукционного нагрева токоприемной конструкции 132.
Узел индукционного нагрева устройства 100 содержит LC-цепь. LC-цепь имеет индуктивность L, обеспечиваемую индуктивным элементом, и емкость C, обеспечиваемую конденсатором. В устройстве 100 индуктивность L обеспечивают первой и второй катушками 124, 126 индуктивности, а емкость C обеспечивают несколькими конденсаторами, как будет описано ниже. Цепь индукционного нагревателя, содержащая индуктивность L и емкость C, в некоторых случаях может быть представлена в виде RLC-цепи, содержащей сопротивление R, обеспечиваемое резистором. В некоторых случаях сопротивление обеспечивают омическим сопротивлением частей цепи, соединяющих индуктивный элемент и конденсатор, и, следовательно, цепь не обязательно должна включать в себя резистор как таковой. В таких цепях может наблюдаться электрический резонанс, который возникает на определенной резонансной частоте, когда мнимые части импедансов или полная проводимость элементов цепи компенсируют друг друга.
Одним из примеров LC-цепи является последовательная цепь, в которой индуктивный элемент и конденсатор соединены последовательно. Другой пример LC-цепи – это параллельная LC-цепь, в которой индуктивный элемент и конденсатор соединены параллельно. Резонанс возникает в LC-цепи, потому что коллапсирующее магнитное поле индуктивного элемента генерирует электрический ток в его обмотках, который заряжает конденсатор, в то время как разряжающийся конденсатор обеспечивает электрический ток, который создает магнитное поле в индуктивном элементе. Когда параллельную LC-цепь приводят в действие на резонансной частоте, динамический импеданс цепи является максимальным (поскольку реактивное сопротивление индуктивного элемента равно реактивному сопротивлению конденсатора), а ток в цепи минимален. Однако для параллельной LC-цепи параллельно соединенные индуктивный элемент и конденсатор действуют как умножитель тока (эффективно умножая ток в контуре и, следовательно, ток, проходящий через индуктивный элемент). Таким образом, если допустить работу RLC- или LC-цепи на резонансной частоте в течение по меньшей мере некоторого времени, когда цепь работает для нагрева токоприемника, то можно обеспечить эффективный и/или действенный индукционный нагрев за счет обеспечения наибольшего значения магнитного поля, проникающего в токоприемник.
В LC-цепи, используемой в устройстве 100 для нагрева токоприемника 132, могут использовать один или несколько транзисторов, выступающих в качестве переключающего устройства, как будет описано ниже. Транзистор – это полупроводниковое устройство для переключения электронных сигналов. Транзистор обычно содержит по меньшей мере три вывода для подключения к электронной схеме. Полевой транзистор (FET) – это транзистор, в котором влияние приложенного электрического поля можно использовать для изменения эффективной проводимости транзистора. Полевой транзистор может содержать корпус, вывод S истока, вывод D стока и вывод G затвора. Полевой транзистор содержит активный канал, содержащий полупроводник, через который носители заряда, электроны или дырки, могут течь между истоком S и стоком D. Проводимость канала, то есть проводимость между стоком D и истоком S, является функцией разности потенциалов между выводами затвора G и истока S, например, создаваемой потенциалом, приложенным к выводу G затвора. В полевых транзисторах, работающих в режиме обогащения, полевой транзистор может быть выключен (т.е. по существу предотвращать прохождение тока через него), когда имеется по существу нулевое напряжение между затвором G и истоком S, и может быть включен (то есть по существу позволять току проходить через него), когда имеется существенно ненулевое напряжение между затвором G и истоком S.
Один тип транзистора, который может быть использован в схеме устройства 100, представляет собой n-канальный (или n-тип) полевой транзистор (n-FET). n-канальный полевой транзистор представляет собой полевой транзистор, канал которого состоит из полупроводника n-типа, в котором электроны являются основными носителями, а дырки – неосновными носителями. Например, полупроводники n-типа могут содержать собственный полупроводник (такой как, например, кремний), легированный донорными примесями (такими как, например, фосфор). В n-канальных полевых транзисторах вывод D стока находится под более высоким потенциалом, чем вывод S истока (т.е. имеется положительное напряжение сток-исток или, другими словами, отрицательное напряжение исток-сток). Чтобы включить n-канальный полевой транзистор (то есть позволить току проходить через него), на вывод G затвора подают переключающий потенциал, который выше, чем потенциал на выводе S истока.
Другой тип транзистора, который может быть использован в устройстве 100, представляет собой p-канальный (или p-тип) полевой транзистор (p-FET). p-канальный полевой транзистор представляет собой полевой транзистор, канал которого состоит из полупроводника p-типа, в котором дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными носителями. Например, полупроводники p-типа могут содержать собственный полупроводник (такой как, например, кремний), легированный акцепторными примесями (такими как, например, бор). В p-канальных полевых транзисторах вывод S истока находится под более высоким потенциалом, чем вывод D стока (т.е. имеется напряжение отрицательное сток-исток или, другими словами, положительное напряжение исток-сток). Чтобы включить p-канальный полевой транзистор (то есть позволить току проходить через него), на вывод G затвора подают переключающий потенциал, который ниже, чем потенциал на выводе S истока (и который может быть, например, выше, чем потенциал на выводе D стока).
В примерах один или несколько полевых транзисторов, используемых в устройстве 100, могут представлять собой полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET, МОП-транзистор). МОП-транзистор представляет собой полевой транзистор, вывод G затвора которого электрически изолирован от полупроводникового канала изолирующим слоем. В некоторых примерах вывод G затвора может быть металлическим, а изолирующий слой может быть оксидом (таким как, например, диоксид кремния), отсюда в названии "металл-оксид-полупроводник". Однако в других примерах затвор может быть изготовлен из материалов, отличных от металла, таких как поликремний, и/или изолирующий слой может быть выполнен из материалов, отличных от оксида, например, других диэлектрических материалов. Такие устройства, тем не менее, обычно называют полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), и надо понимать, что используемый здесь термин полевые транзисторы или МОП-транзисторы следует интерпретировать как включающий в себя такие устройства.
МОП-транзистор может представлять собой n-канальный МОП-транзистор (или транзистор n-типа), где полупроводник n-типа. n-канальный МОП-транзистор (n-MOSFET, МОП-транзистор n-типа) может работать так же, как описано выше для n-канального полевого транзистора. В качестве другого примера, МОП-транзистор может представлять собой p-канальный МОП-транзистор (или транзистор p-типа), где полупроводник p-типа. p-канальный МОП-транзистор (p-MOSFET, МОП-транзистор p-типа) может работать так же, как описано выше для p-канального полевого транзистора. МОП-транзистор n-типа обычно имеет более низкое сопротивление исток-сток, чем МОП-транзистор p-типа. Следовательно, во включенном состоянии (т.е. когда через него проходит ток) МОП-транзисторы n-типа выделяют меньше тепла по сравнению c МОП-транзисторами p-типа, и, следовательно, могут тратить меньше энергии при работе, чем МОП-транзисторы p-типа. Кроме того, МОП-транзисторы n-типа обычно имеют более короткое время переключения (т.е. характеристическое время отклика от изменения переключающего потенциала, подаваемого на вывод G затвора, до переключения прохождения тока через МОП-транзистор) по сравнению с МОП-транзисторами р-типа. Это может позволить повысить скорость переключения и улучшить управление переключением.
Теперь со ссылкой на фиг. 6 будет описана цепь для индукционного нагрева устройством 100. На фиг. 6 показано упрощенное схематическое изображение части цепи 600 индукционного нагрева устройства 100 генерации аэрозоля. На фиг. 6 показана часть цепи 600 индукционного нагрева, которая содержит первую катушку 124 индуктивности для нагрева первой зоны 132a токоприемника, когда через первую катушку 124 индуктивности протекает переменный ток. Первая зона 132а токоприемника представлена на фиг. 6 как имеющая индуктивный элемент и резистивный элемент, чтобы показать, как токоприемник 132 индуктивно соединен с первой катушкой 124 индуктивности и нагревается за счет генерации вихревых токов. Следует отметить, что устройство 100 также содержит вторую катушку 126 индуктивности, которая не показана на фиг. 6. Вторая катушка 126 индуктивности также является частью цепи 600 индукционного нагрева, и ею управляют так, чтобы нагревать вторую зону 132b токоприемника, как будет описано ниже. Однако для ясности цепь 600 сначала будет описана со ссылкой на признаки, которые показаны на фиг. 6.
Цепь 600 содержит первую секцию 601 резонатора, источник 118 постоянного напряжения для подачи постоянного напряжения на первую секцию 601 резонатора, а также устройство управления для управления цепью 600. Первая секция 601 резонатора содержит первую катушку 124 индуктивности и переключающее устройство, содержащее первый полевой транзистор 608, и устройство управления выполнено с возможностью переключения полевого транзистора 608 между первым состоянием и вторым состоянием в ответ на напряжение, обнаруженное в цепи 600, как будет более подробно описано ниже, для приведения в действие первой катушки 124 индуктивности. Цепь 600, за исключением токоприемника 132, расположена на печатной плате 122 устройства 100, при этом катушка 124 индуктивности соединена с печатной платой 122 на первом конце 130а и втором конце 130b.
Первая секция 601 резонатора содержит первый конденсатор 606 и второй конденсатор 610, причем оба расположены параллельно первой катушке 124 индуктивности, так что, когда первой секции 601 резонатора позволяют резонировать, переменный ток течет между первым конденсатором 606 и вторым конденсатором 610 и через катушку 124 индуктивности. Как упомянуто выше, первый полевой транзистор 608, в этом примере n-канальный полевой МОП-транзистор, выполнен с возможностью работы в качестве переключающего устройства в первой секции 601 резонатора.
Следует отметить, что в других примерах секция 601 резонатора может содержать только один конденсатор, например, на месте первого конденсатора 606 или на месте второго конденсатора 610. В других примерах секция 601 резонатора может содержать любое другое количество конденсаторов, например три или несколько конденсаторов. Например, первый конденсатор 606 и/или второй конденсатор 610 могут быть заменены двумя или несколькими конденсаторами, расположенными параллельно друг другу. Как будет хорошо понятно, секция 601 резонатора имеет резонансную частоту, которая зависит от индуктивности L и емкости C секции 601 резонатора. Количество, тип и расположение конденсаторов в секции 601 резонатора может быть выбрано на основе уровней мощности, которые должны быть использованы в цепи 600, и требуемой частоты работы цепи 600. Например, следует понимать, что отдельные конденсаторы и расположение упомянутых конденсаторов можно рассматривать как имеющие эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а также предел способности упомянутых конденсаторов выдерживать ток. Такие признаки могут быть приняты во внимание при определении расположения конденсаторов для обеспечения емкости в секции 601 резонатора. Например, в зависимости от требуемых уровней мощности и частоты работы может быть преимуществом наличие нескольких конденсаторов, включенных параллельно, для обеспечения более высокой емкости или более низкого ESR. В этом примере первый и второй конденсаторы 606, 610 представляют собой керамические конденсаторы C0G, каждый из которых имеет емкость около 100 нФ. В других примерах используют конденсатор и/или конденсаторы других типов с другими значениями емкости, например конденсаторы с разными значениями емкости могут быть использованы в соответствии с соображениями, изложенными в этом параграфе.
На первую секцию 601 резонатора подают постоянное напряжение от источника 118 постоянного напряжения, которое, например, как описано выше, является напряжением, подаваемым батареей. Как показано на фиг. 6, источник 118 постоянного напряжения содержит положительный вывод 118a и отрицательный вывод 118b. В одном примере источник 118 постоянного напряжения подает постоянное напряжение около 4,2 В на первую секцию 601 резонатора. В других примерах источник 118 постоянного напряжения может подавать, например, напряжение от 2 до 10 В или примерно от 3 до 5 В.
Контроллер 1001 выполнен с возможностью управления работой цепи 600. Контроллер 1001 может содержать микроконтроллер, например микропроцессор (MPU), содержащий несколько входов и выходов. В одном примере контроллер 1001 представляет собой MPU модели STM32L051C8T6. В некоторых примерах на источник 118 постоянного напряжения, выполненный в цепи 600, подают выход от контроллера 1001, который сам получает питание от батареи или другого источника питания.
Положительный вывод 118a источника 118 постоянного напряжения электрически соединен с первым узлом 600A. В примере источник 118 постоянного напряжения подключен к узлу 600A через контроллер 1001, который получает питание от источника 118 постоянного напряжения и подает напряжение, подаваемое источником постоянного напряжения, на компоненты устройства, включая цепь 600. Первый узел 600A электрически соединен с первым концом 606a первого конденсатора 606 и с первым концом 130a первого индуктора 124. Второй конец 130b первого индуктора 124 электрически соединен со вторым узлом 600B, который на фиг. 6 представлен в двух электрически эквивалентных точках на принципиальной схеме. Второй узел 600B электрически соединен с выводом 608D стока полевого транзистора 608. В этом примере второй узел 600B также электрически соединен с первым концом 610a второго конденсатора 610. Продолжая обход схемы, вывод 608S истока первого полевого транзистора 608 электрически соединен с третьим узлом 600C. Третий узел 600C электрически соединен с землей 616 и в этом примере со вторым концом 610b второго конденсатора 610. Третий узел 600C электрически соединен через чувствительный к току резистор 615 с четвертым узлом 600D, а четвертый узел 600D электрически подключен к отрицательному выводу 118b источника 118 напряжения постоянного тока, который, как и положительный вывод, в примере подают через контроллер 1001.
Следует отметить, что в примерах, где второй конденсатор 610 отсутствует, третий узел 600C может иметь только три электрических соединения: с первым выводом 608S истока на полевом транзисторе, с землей 616 и с чувствительным к току резистором 615.
Как упомянуто выше, первый полевой транзистор 608 выступает в качестве переключающего устройства в первой секции 601 резонатора. Первый полевой транзистор 608 может находиться в первом состоянии, то есть в состоянии "ВКЛ", и втором состоянии, то есть состоянии "ВЫКЛ". Как понятно специалистам в области техники, если полевой транзистор с каналом n-типа находится в состоянии "ВЫКЛ" (т.е. когда соответствующее управляющее напряжение не подано на его затвор), то он фактически выступает в качестве диода. На фиг. 6 функциональность диода, которую демонстрирует первый полевой транзистор 608 в выключенном состоянии, представлена первым диодом 608a. То есть, когда полевой транзистор 608 находится в выключенном состоянии, работает первый диод 608a, в значительной степени предотвращая протекание тока от вывода 608D стока к выводу 608S истока, но позволяет току течь от вывода 608S истока к выводу 608D стока, если диод 608a соответственно является прямосмещенным. n-канальный полевой транзистор находится во включенном состоянии, когда на его затвор подают соответствующее управляющее напряжение, так что между его стоком D и истоком S имеется токопроводящий путь. Таким образом, когда первый полевой транзистор 608 находится во включенном состоянии, он действует как замкнутый переключатель в первой секции 601 резонатора.
Как упомянуто выше, можно рассматривать цепь 600 как содержащую первую секцию 601 резонатора и дополнительное устройство управления. Устройство управления содержит компаратор 618, детектор 621 нулевого напряжения и триггер 622 и выполнено с возможностью обнаружения напряжения в первой секции 601 резонатора и управления первым полевым транзистором 608 в ответ на обнаруженное напряжение. Теперь будет более подробно описано это управление первым полевым транзистором 608 с помощью устройства управления.
Во втором узле 600B электрически подключен детектор 621 нулевого напряжения, который выполнен с возможностью детектирования напряжения, то есть напряжения равного или близкого к 0 В относительно напряжения заземления, в точке в цепи 600, к которой подключен детектор 621 нулевого напряжения. Детектор 621 нулевого напряжения выполнен с возможностью вывода сигнала для управления переключением состояния полевого транзистора 608. То есть детектор 621 нулевого напряжения выполнен с возможностью вывода сигнала на триггер 622. Триггер 622 представляет собой электрическую цепь, которую можно настраивать между двумя стабильными состояниями. Триггер 622 электрически соединен с первым драйвером 623 затвора, который выполнен с возможностью подачи напряжения на первый вывод 608G затвора на полевом транзисторе в зависимости от состояния триггера. То есть, первый драйвер 623 затвора выполнен с возможностью подачи соответствующего напряжения на первый вывод 608G затвора полевого транзистора для переключения полевого транзистора 608 в состояние ВКЛ, когда триггер находится в одном состоянии, но выполнен так, чтобы не подавать соответствующее напряжение для поддержания полевого транзистора 608 во включенном состоянии, когда триггер 622 находится в другом состоянии. Например, первый драйвер 623 затвора может быть выполнен с возможностью подачи соответствующего напряжения затвор-исток на первый затвор 608G полевого транзистора для включения полевого транзистора 608, когда триггер 622 находится в состоянии "1", и первый драйвер 623 затвора может быть выполнен с возможностью не подавать напряжение затвор-исток, когда триггер 622 находится в состоянии "0". Таким образом, состояние триггерного средства 622 управляет включением или выключением первого полевого транзистора 608.
В этом примере детектор 621 нулевого напряжения и первый драйвер 623 затвора устройства управления выполнены с возможностью приема соответствующих сигналов 1011, 1021 от контроллера 1001, с помощью которых контроллер 1001 может инициировать и управлять работой цепи 600, как будет подробнее описано ниже.
В четвертом узле 600D электрически подключена линия 619 управляющего напряжения. Линия 619 управляющего напряжения электрически соединена с пятым узлом 600E через резистор 617a, а пятый узел 600E электрически соединен с компаратором 618 напряжения, в дальнейшем называемым компаратором 618. Пятый узел 600E электрически подключен к положительному выводу компаратора 618. Отрицательный вывод компаратора 618 соединен с землей 616. В этом примере компаратор 618 выполнен с возможностью вывода сигнала на основе сравнения напряжения в пятом узле 600E с напряжением земли. Выходной сигнал компаратора 618 отправляют на триггер 622. Управляющее напряжение 1031 подают в этом примере от контроллера 1001 на линию 619 управляющего напряжения через второй резистор 617b.
Как упомянуто выше, компаратор 618 электрически подключен для обеспечения выхода на триггер 622. Триггер 622 выполнен так, что выходной сигнал от компаратора 618 может изменять состояние триггера 622 и тем самым заставлять первый драйвер 623 изменять состояние первого полевого транзистора 608.
Теперь будет более подробно описано функционирование примера цепи 600 в контексте первой секции 601 резонатора, активируемой контроллером 1001, так что первую катушку124 индуктивности приводят в действие для нагрева первой зоны 132a токоприемника.
Для начала первый полевой транзистор 608 находится в выключенном состоянии и, таким образом, действует как диод 608а, предотвращая протекание тока через катушку 124 индуктивности. Контроллер 1001 инициирует работу цепи 600 для нагрева первой зоны 132a токоприемника, заставляя полевой транзистор 608 переключаться из выключенного состояния во включенное состояние. В этом примере контроллер инициирует работу цепи 600, подавая сигнал 1011 ПУСК на детектор 621 нулевого напряжения. Таким образом, триггер 622 изменяет состояние и заставляет первый драйвер 623 затвора подавать сигнал на вывод 608G затвора полевого транзистора, чтобы, таким образом, переключить полевой транзистор во включенное состояние.
Как только полевой транзистор 608 переключают во включенное состояние, начинается то, что можно назвать автоколебательным циклом нагрева цепи 600. Полевой транзистор 608, находящийся теперь во включенном состоянии, действует как замкнутый переключатель, позволяя постоянному току начать протекать от положительного вывода 118a источника постоянного напряжения через первую катушку 124 индуктивности и возвращаться к отрицательному выводу 118b источника постоянного напряжения через чувствительный к току резистор 615. Первый индуктор 124 противодействует этому начальному увеличению тока, как хорошо известно, создавая обратную ЭДС в соответствии с законами Фарадея и Ленца. Во включенном состоянии напряжение между выводом 608D стока и выводом 608S истока по существу равно нулю.
На фиг. 7A показано схематическое графическое представление тока, протекающего через первую катушку 124 индуктивности, в зависимости от времени t, начиная с момента включения полевого транзистора 608, в момент времени t0. С момента времени t0 в катушке 124 индуктивности начинает нарастать постоянный ток от нуля со скоростью, которая зависит от индуктивности L1 катушки 124 индуктивности и сопротивления цепи 600 постоянному току. В одном примере чувствительный к току резистор 615 имеет сопротивление около 2 мОм, в то время как катушка 124 индуктивности имеет сопротивление постоянному току от 2 до 15 мОм, или от 4 до 10 мОм, или в этом примере примерно 5,2 мОм. Это нарастание тока в катушке индуктивности соответствует тому, что катушка 124 индуктивности накапливает магнитную энергию, и количество магнитной энергии, которое может накапливаться катушкой 124 индуктивности, зависит от ее индуктивности L1, как будет понятно.
На фиг. 7B показано упрощенное представление напряжения на чувствительном к току резисторе 615 в зависимости от времени t, снова с момента времени t0, в который был включен полевой транзистор 608. Вскоре после включения полевого транзистора 608 на катушке 124 индуктивности возникает большое напряжение, которое является обратной ЭДС, генерируемой катушкой 124 индуктивности, поскольку катушка индуктивности противодействует увеличению тока. Следовательно, в это время напряжение на чувствительном к току резисторе 615, как показано на фиг. 7B, мало, поскольку почти вся разница напряжений, обеспечиваемая источником 118 постоянного тока, падает на катушке 124 индуктивности. Затем, когда ток через катушку 124 индуктивности увеличивается и обратная ЭДС катушки 124 индуктивности уменьшается, напряжение на чувствительном к току резисторе 615 увеличивается. Это видно как возникновение отрицательного напряжения на чувствительном к току резисторе 615, как показано на фиг. 7B. То есть напряжение на чувствительном к току резисторе 615 становится все более отрицательным в течение времени, когда полевой транзистор 608 находится во включенном состоянии.
Поскольку возрастающее отрицательное напряжение на чувствительном к току резисторе 615 соответствует возрастанию тока, протекающего через катушку 124 индуктивности, величина напряжения на чувствительном к току резисторе 615 указывает на ток, протекающий через катушку 124 индуктивности. Пока полевой транзистор 608 остается во включенном состоянии, ток, протекающий через катушку 124 индуктивности, и напряжение на чувствительном к току резисторе 615 возрастают по существу линейно до соответствующих максимальных значений Imax, Vmax (которые зависят от напряжения постоянного тока, подаваемого источником 118 постоянного тока, и сопротивления постоянного тока цепи 600) в течение постоянного времени, зависящего от индуктивности L1 и сопротивления цепи 600 постоянному току. Следует отметить, что, поскольку ток, протекающий через катушку 124 индуктивности, изменяется после времени t0, то может происходить некоторый индукционный нагрев токоприемника 132, в то время как постоянный ток, протекающий через первую катушку 124 индуктивности, нарастает.
Цепь 600 выполнена таким образом, что устройство управления определяет количество энергии, которое накапливают в первой катушке 124 индуктивности в течение времени, когда полевой транзистор 608 находится во включенном состоянии, а контроллер 1001 может управлять им. То есть контроллер 1001 управляет величиной постоянного тока (и, следовательно, величиной магнитной энергии), который может нарастать в катушке 124 индуктивности, как будет описано ниже.
Как описано выше, управляющее напряжение 1031 подают на линию 619 управляющего напряжения. В этом примере управляющее напряжение 1031 является положительным напряжением, а напряжение, подаваемое на положительный вывод компаратора 618 (то есть напряжение на пятом узле 600E), в любой момент времени зависит от значения управляющего напряжения 1031 и напряжения на четвертом узле 600D. Когда отрицательное напряжение на чувствительном к току резисторе 615 достигает определенного значения, оно компенсирует положительное управляющее напряжение 1031 в пятом узле 600E и дает напряжение 0 В (то есть напряжение земли) в пятом узле 600E. В этом примере резистор 617a имеет сопротивление 2 мОм. Резистор 617b представляет собой эффективное сопротивление для контроллера 1001, равное 70 кОм. Напряжение в пятом узле 600E достигает 0 В, когда отрицательное напряжение на чувствительном к току резисторе 615 имеет ту же величину, что и управляющее напряжение 1031.
Компаратор 618 выполнен с возможностью сравнивать напряжение на его положительном выводе с напряжением земли 616, подключенной к его отрицательному выводу, и выводить сигнал в качестве результата. В одном примере компаратор представляет собой стандартный компонент FAN156, который может быть получен от компании On-Semiconductor. Соответственно, когда напряжение в пятом узле 600E достигает 0 В, компаратор 618 принимает сигнал 0 В на своем положительном выводе, и результат сравнения, полученный компаратором 618, заключается в том, что напряжение на положительном выводе равно напряжению на отрицательном выводе. Следовательно, компаратор 618 выдает сигнал на триггер 622 и вызывает отключение полевого транзистора 608. По существу, выключение полевого транзистора 608 зависит от напряжения, детектируемого в цепи 600. А именно, в этом примере, если компаратор 618 путем сравнения напряжения на своих выводах обнаруживает, что отрицательное напряжение на чувствительном к току резисторе 615 достигло той же величины, что и управляющее напряжение 1031, которое возникает в момент времени t1, то полевой транзистор 608 выключают. На фиг. 7A постоянный ток, протекающий через катушку 124 индуктивности в момент времени t1, когда полевой транзистор 608 выключен, обозначен через I1.
Когда полевой транзистор 608 выключают в момент времени t1, то полевой транзистор 608 переключают с работы в качестве замкнутого переключателя на работу в качестве диода 608а в секции 601 резонатора, и на эффективную работу в качестве разомкнутого выключателя для подачи питания от источника 118 постоянного тока. В момент времени t1 путь постоянного тока через катушку 124 индуктивности к земле 616 прерывается полевым транзистором 608. Это вызывает падение тока, протекающего в первой катушке 124 индуктивности (это не показано на фиг. 7A), и индуктор 124 противодействует этому изменению тока, генерируя индуцированное напряжение. Соответственно, ток начинает колебаться между катушкой 124 индуктивности и конденсаторами 606, 608 на резонансной частоте первой секции 601 резонатора.
Аналогично, напряжение на катушке 124 индуктивности и, тем самым, между выводом стока 608D и выводом истока 608S первого полевого транзистора начинает колебаться на резонансной частоте первой секции 601 резонатора. Когда ток и напряжение на катушке 124 индуктивности начинают колебаться, происходит индуктивный нагрев токоприемника 132. Таким образом, переключение полевого транзистора 608 в выключенное состояние высвобождает магнитную энергию, накопленную в катушке 124 индуктивности в момент времени t1, для нагрева токоприемника 132.
На фиг. 8 показан график 800 напряжения на первом полевом транзисторе 608, начиная с полевого транзистора 608, находящегося во включенном состоянии от момента времени t0 до t1. В течение времени, показанного на фиг. 8, первый полевой транзистор 608 выключают и включают дважды.
Кривая 800 напряжения содержит первый участок 800a между моментами времени t0 и t1, когда первый полевой транзистор 608 включен, и второй участок от 800b до 800d, когда первый полевой транзистор 608 выключен. В момент времени 800e полевой транзистор 608 снова включают, и начинается третий участок 800f, который эквивалентен первому участку 800a, в то время как первый полевой транзистор 608 остается включенным, и повторяется вышеописанный процесс наращивания постоянного тока, протекающего через катушку 124 индуктивности. На фиг. 8 также показан четвертый участок 800g, когда первый полевой транзистор 608 снова выключают, чтобы допустить колебание напряжения на полевом транзисторе 608, и пятый участок 800h, когда впоследствии снова включают первый полевой транзистор 608.
Напряжение на первом полевом транзисторе 608 равно нулю, когда первый полевой транзистор 608 включен на участках 800а, 800f и 800h. Когда первый полевой транзистор 608 отключен, как показано участками 800b-800d, а также участком 800g, первая катушка 124 индуктивности использует энергию, запасенную в ее магнитном поле (магнитном поле, появившемся в результате нарастания постоянного тока, когда первый полевой транзистор 608 был включен), чтобы индуцировать напряжение, которое сопротивляется падению тока, протекающего через первую катушку 124 индуктивности, в результате отключения первого полевого транзистора 608. Напряжение, индуцированное в первой катушке 124 индуктивности, вызывает соответствующее изменение напряжения на первом полевом транзисторе 608. Во время этого изменения напряжения первая катушка 124 индуктивности и конденсаторы 606, 610 начинают резонировать друг с другом в соответствии с синусоидальной волной. Напряжение, показанное посредством линии 800 напряжения, сначала увеличивается (см., например, 800b), по мере увеличения индуцированного напряжения в первой катушке 124 индуктивности, чтобы противодействовать падению тока из-за отключения первого полевого транзистора 608, достигает пика (см., например, 800с), а затем, по мере уменьшения энергии, запасенной в магнитном поле первой катушки 124 индуктивности, снижается обратно до нуля (см., например, 800d).
Меняющееся напряжение 800b-800d и 800g создает соответствующий меняющийся ток (не показано), и, так как в течение времени, когда первый полевой транзистор 608 отключен, конденсаторы 606, 610 и первая катушка 124 индуктивности выступают в качестве резонирующей LC-цепи, общий импеданс сочетания первой катушки 124 индуктивности и конденсаторов 606, 610 минимален в течение этого времени. Поэтому, понятно, что максимальная величина изменяющегося тока, протекающего через первую катушку 124 индуктивности, будет сравнительно большой. Этот сравнительно большой изменяющийся ток соответственно вызывает сравнительно большое изменение магнитного поля в первой катушке 124 индуктивности, что заставляет токоприемник 132 генерировать теплоту. Период времени, в течение которого напряжение на первом полевом транзисторе 608 изменяется так, как показано участком 800b-800d и участком 800g, в этом примере зависит от резонансной частоты первого резонирующего участка 601.
Обращаясь теперь к фиг. 6 и фиг. 8, цепь 600 выполнена так, что, когда первый полевой транзистор 608 выключен, а напряжение на первом полевом транзисторе 608 уменьшается обратно до 0 В, детектор 621 нулевого напряжения обнаруживает это состояние напряжения и выдает сигнал на триггер 622, который заставляет первый полевой транзистор 608 переключаться обратно во включенное состояние. То есть в ответ на это состояние напряжения, обнаруженное в первой секции 601 резонатора, полевой транзистор 608 переключается из выключенного состояния во включенное состояние. Можно считать, что детектор 621 нулевого напряжения детектирует напряжение, указывающее, что заданная часть цикла колебаний тока между индуктивным элементом и емкостным элементом завершилась с момента выключения полевого транзистора 608. То есть детектор 621 нулевого напряжения обнаруживает, что полупериод колебаний тока (и напряжения) на резонансной частоте первой секции 601 резонатора был завершен, путем детектирования детектором 621 нулевого напряжения, что напряжение на полевом транзисторе 608 вернулось к 0 В или почти к 0 В.
В некоторых примерах детектор 621 нулевого напряжения может детектировать, когда напряжение на первом полевом транзисторе 608 вернулось на уровень 801 или ниже, и, как таковой, может выдавать сигнал, вызывающий переключение состояния полевого транзистора 608 до того, как напряжение на полевом транзисторе 608 достигнет ровно 0 В. Как показано на фиг. 8, работа детектора 621 нулевого напряжения ограничивает колебания напряжения в секции 601 резонатора после одного полупериода и, таким образом, приводит к по существу полусинусоидальному профилю напряжения на первом полевом транзисторе 608. Дополнительные подробности работы детектора 621 нулевого напряжения будут описаны ниже со ссылкой на фиг. 9.
Когда первый полевой транзистор 608 снова включают в точке 800e, постоянный ток, возбуждаемый источником 118 постоянного тока, снова нарастает на первой катушке 124 индуктивности. Затем первая катушка 124 индуктивности может снова накапливать энергию в виде магнитного поля, которая будет высвобождена, когда первый полевой транзистор 608 в следующий раз выключится, чтобы инициировать резонанс в первой секции 601 резонатора. Когда первый полевой транзистор 608 циклически включают и выключают таким образом, то вышеописанный процесс непрерывно повторяется, нагревая токоприемник 132.
Следует отметить, что вышеописанное нарастание тока, протекающего через катушку 124 индуктивности, описанное со ссылкой на фиг. 7A и 7B, происходит как при первоначальном включении полевого транзистора 608 в ответ на сигнал 1011 ПУСК от контроллера 1001, так и когда полевой транзистор 608 включают впоследствии при детектировании нулевого напряжения детектором 621 нулевого напряжения. В первом случае, в ответ на сигнал 1011 ПУСК ток в катушке 124 индуктивности нарастает по существу линейно от 0. Во втором случае, когда полевой транзистор 608 снова включают в ответ на обнаружение нулевого напряжения в точке 800e, в цепи 600 циркулирует некоторый избыточный ток (например, от предыдущих циклов включения и выключения полевого транзистора 608). Когда полевой транзистор 608 снова включают после обнаружения нулевого напряжения, рециркулирующий ток создает начальный отрицательный ток через полевой транзистор 608. Затем, пока полевой транзистор 608 остается включенным, ток через полевой транзистор 608 и катушку 124 индуктивности нарастает по существу линейно от начального отрицательного значения тока, создаваемого рециркулирующим током. По мере нарастания тока через катушку 124 индуктивности напряжение на чувствительном к току резисторе 615 соответственно становится все более отрицательным, как описано выше.
В примерах включение и выключение полевого транзистора 608 может происходить на частоте от примерно 100 кГц до 2 МГц, или от примерно 500 кГц до 1 МГц, или примерно 300 кГц. Частота, с которой происходит включение и выключение полевого транзистора 608, зависит от индуктивности L, емкости C, напряжения питания постоянного тока, подаваемого источником 618, и, кроме того, от степени, до которой ток продолжает рециркуляцию через секцию 601 резонатора, и от эффекта нагрузки токоприемника 132. Например, если напряжение питания постоянного тока равно 3,6 В, индуктивность катушки 124 индуктивности составляет 140 нГн, а емкость секции 601 резонатора составляет 100 нФ, то время, в течение которого полевой транзистор 608 остается включенным, может составлять около 2700 нс, а время для выполнения полупериода колебаний, когда полевой транзистор 608 выключен, может составлять около 675 нс. Эти значения соответствуют мощности около 20 Вт, подаваемой от источника 118 постоянного напряжения в секцию 601 резонатора. Вышеупомянутое значение времени, в течение которого полевой транзистор 608 остается включенным, зависит от величины тока, который рециркулирует в цепи, поскольку, как описано выше, этот рециркулирующий ток вызывает начальный отрицательный ток через катушку индуктивности при включении полевого транзистора 608. Следует также отметить, что время, в течение которого ток достигает значения, которое вызывает отключение полевого транзистора 608, также по меньшей мере частично зависит от сопротивления катушки 124 индуктивности, однако это имеет относительно незначительное влияние на время по сравнению с влиянием индуктивности секции 601 резонатора. Время завершения полупериода колебаний (в этом примере 675 нс) зависит от резонансной частоты секции 601 резонатора, на которую влияют не только значения индуктивности и емкости катушки 124 индуктивности и конденсаторов 606, 610 соответственно, но также эффективное сопротивление, обеспечиваемое загрузкой катушки 124 индуктивности токоприемником 132.
До сих пор цепь 600 была описана с точки зрения ее работы по нагреву токоприемника 132 с помощью одной катушки индуктивности, первой катушки 124 индуктивности, и, таким образом, была описана только часть цепи 600, используемой устройством 100. Однако, как описано выше, устройство 100 также содержит вторую катушку 126 индуктивности для нагрева второй зоны 132b токоприемника 132. На фиг. 9 показана упрощенная схема цепи 600, содержащей вторую катушку 126 индуктивности в дополнение к первой катушке 124 индуктивности.
Как показано на фиг. 9, в дополнение к признакам, описанным со ссылкой на фиг. 6-8, цепь 600 содержит вторую секцию 701 резонатора, содержащую вторую катушку 126 индуктивности, третий конденсатор 706, четвертый конденсатор 710 и второй полевой транзистор 708, имеющий вывод 708D стока, вывод 708S истока и вывод 708G затвора. Кроме того, цепь 600 содержит второй драйвер 723 затвора, выполненный с возможностью подачи напряжения затвор-исток на второй вывод 708G затвора на полевом транзисторе. Контроллер 1001 не показан на фиг. 9, но контроллер 1001 управляет цепью 600 способом, описанным со ссылкой на фиг. 6-8, и дополнительно выполнен с возможностью подачи управляющего сигнала 1012 на второй драйвер 723 затвора. Некоторые ссылочные позиции признаков цепи 600, уже описанной со ссылкой на фиг. 6, были опущены на фиг. 9 для ясности.
Как описано выше, первая катушка 124 индуктивности предназначена для нагрева первой зоны 132a токоприемника 132, а вторая катушка 126 индуктивности предназначена для нагрева второй зоны 132b токоприемника 132. Вторая катушка 126 индуктивности, третий и четвертый конденсаторы 706, 710 и второй полевой транзистор 708 скомпонованы для формирования второй секции 701 резонатора таким же образом, как первая катушка 124 индуктивности, первый и второй конденсаторы 606, 610 и первый полевой транзистор 608 скомпонованы для образования первой секции 601 резонатора. В одном примере третий и четвертый конденсаторы 706, 710 также являются C0G конденсаторами и могут иметь емкость около 100 нФ. Вторая катушка 126 индуктивности в одном примере имеет сопротивление постоянному току около 8 мОм. В активном состоянии вторая секция 701 резонатора работает, нагревая токоприемник 132 таким же образом, как описано выше для первой секции 601 резонатора, и это описание здесь не будет повторено.
Следует понимать, что величина сопротивления постоянному току катушек 124, 126 индуктивности будет влиять на эффективность цепи 600, поскольку более высокое сопротивление постоянному току приведет к более высоким резистивным потерям в катушке 124, 126 индуктивности и, таки образом, может быть желательно минимизировать сопротивление катушки индуктивности постоянному току, например, путем изменения количества обмоток или поперечного сечения катушек 124, 126 индуктивности. Кроме того, следует понимать, что сопротивление переменному току катушки 124 индуктивности увеличивается по сравнению с сопротивлением постоянному току из-за скин-эффекта. Таким образом, использование обмоточного провода в примерах обеспечивает снижение скин-эффекта и, таким образом, снижение сопротивления переменному току и соответствующих резистивных потерь в катушках 124, 126 индуктивности. В качестве примера, где первая катушка 124 индуктивности имеет сопротивление постоянному току около 5 мОм, а вторая катушка 126 индуктивности имеет сопротивление постоянному току около 8 мОм, а схема работает на частоте около 300 кГц, конкретное расположение обмоточного провода, образующего катушки, дает эффективное сопротивление катушек 124, 126 индуктивности примерно в 1,14 раза выше значения их сопротивления постоянному току.
Узел 700A во второй секции 701 резонатора эквивалентен первому узлу 600A первой секции 601 резонатора и электрически соединен с первым узлом 600A и, таким образом, с положительным выводом 118a источника 118 постоянного тока. Узел 700C находится в эквивалентном положении во второй секции 701 резонатора, как и третий узел 600C первой секции 601 резонатора, и узел 700C аналогично соединен с землей 616.
Важно отметить, что цепь 600 выполнена для работы под управлением контроллера 1001 таким образом, что в любой момент времени активна только одна из секций 601, 701 резонатора. Примеры этой работы будут более подробно описаны ниже.
Во время активации одной из секций 601, 701 резонатора детектор 621 нулевого напряжения выполнен с возможностью обнаружения нулевого напряжения в секции 601, 701 активного резонатора и, таким образом, управления переключением соответствующих полевых транзисторов 608, 708 активной секции 601, 701 резонатора. Детектор 621 нулевого напряжения контролирует, когда соответствующий полевой транзистор 608, 708 активной секции 601, 701 резонатора снова включают (например, в точке 800e), и пример этого теперь будет более подробно описан со ссылкой на фиг. 8-10.
В цепи 600 детектор 621 нулевого напряжения выполнен с возможностью обнаружения нулевого напряжения во втором узле 600B первой секции 601 резонатора или в эквивалентном узле 700B второй секции 701 резонатора. Когда активна первая секция 601 резонатора или вторая секции 701 резонатора, детектор 621 нулевого напряжения каждый раз, когда соответствующий полевой транзистор 608, 708 выключают, детектирует, что напряжение на этом полевом транзисторе 608, 708 возвращается к нулю (например, точка 800e на фиг. 8) или близко к нулю, например ниже уровня 801. В ответ на это детектирование детектор 621 нулевого напряжения выдает сигнал для изменения состояния триггера 622. Затем, соответствующий работающий драйвер 623 затвора выдает напряжение затвор-исток, чтобы переключить соответствующий полевой транзистор обратно во включенное состояние.
Первый малосигнальный диод 725 соединяет детектор 621 нулевого напряжения со вторым узлом 600B первой секции резонатора, а второй малосигнальный диод 726 соединяет детектор 621 нулевого напряжения с эквивалентным узлом 700B второй секции 701 резонатора. В частности, аноды первого малосигнального диода 725 и второго малосигнального диода подключены к входу детектора 621 нулевого напряжения через общий узел 701B, в то время как катоды диодов 725, 726 подключены соответственно к узлам 600B, 700B.
Теперь в конкретном примере будет описана работа детектора 621 нулевого напряжения со ссылкой на фиг. 10, на которой показаны детектор 621 нулевого напряжения и триггер 622. На фиг. 10 компоненты, составляющие детектор 621 нулевого напряжения, заключены в пунктирный прямоугольник. Показан узел 701B, подключенный к анодам первого и второго малосигнальных диодов 725, 726. На фиг. 13 также можно увидеть сигнал 1011 ПУСК от контроллера 1001 на детектор 621 нулевого напряжения.
Детектор 621 нулевого напряжения в этом примере содержит инверторный вентиль U103, имеющий вход 2 от узла 701B и выход 4, подключенный к входу триггера 622. Питание инверторного вентиля U103 осуществляют от контактов 5 и 3, а конденсатор C108 изолирует контакт 5 от земли. Логическое питание 621a напряжением в этом примере 2,5 В подают на вход 5 и через подтягивающий резистор R111 на вход 2 инверторного вентиля U103. Логическое питание 621a в этом примере подают от контроллера 1001. Инверторный вентиль U103 выполнен с возможностью действовать в качестве логического элемента ИЛИ для сигнала 1011 ПУСК и сигнала обнаружения нулевого напряжения от узла 701В. То есть инверторный вентиль U103 выполнен с возможностью приема сигнала низкого логического уровня в форме сигнала 1011 ПУСК от контроллера 1001, чтобы инициировать работу цепи 600a. Сигнал 1011 ПУСК может быть обеспечен сигнальным контактом "открытый сток" контроллера 1001. Инверторный вентиль U103 также выполнен с возможностью приема сигнала низкого логического уровня от узла 701B, когда первый или второй сигнальный диод 725, 726 является прямосмещенным из-за того, что один из узлов 600B, 700B имеет нулевое или близкое к нулю напряжение, как и будет пояснено ниже. Если на вход 2 инверторного вентиля подают один или оба этих сигнала низкого логического уровня, то инверторный вентиль U103 инвертирует принятый сигнал и выдает сигнал высокого логического уровня на триггер 622.
Когда первая катушка индуктивности 124 работает для нагрева токоприемника 132, второй полевой транзистор 708 остается выключенным. Если второй полевой транзистор 708 остается выключенным, то второй малый сигнальный диод 726 либо не имеет смещения, либо имеет обратное смещение в зависимости от напряжений на логическом источнике питания, и питание 118 постоянного тока, то есть напряжение на катодном конце (ближайшего к узлу 700B) второго малосигнального диода 726 либо по существу такое же, либо выше, чем напряжение на анодном конце (ближайшем к детектору 621 нулевого напряжения) второго малосигнального диода 726.
Во время работы первой секции 601 резонатора, когда первый полевой транзистор 608 выключен, и напряжение на нем изменяется, как показано ссылочными позициями 800b-d на фиг. 8, первый малосигнальный диод 725 смещен в обратном направлении. В конце этого изменения напряжения, когда напряжение достигает 0 В, как показано точкой 800e, или близко к 0 В (например, уровень 801 или ниже), первый малосигнальный диод 725 становится положительно смещенным. Соответственно, когда первый малосигнальный диод 725 смещен в прямом направлении в точке 800e, сигнал, подаваемый на вход 2 инверторного вентиля U103, становится сигналом низкого логического уровня, поскольку из логического сигнала 621a на резисторе R111 создается падение напряжения. Таким образом, как только инверторный вентиль U103 инвертирует этот сигнал низкого логического уровня, на выход 4 инверторного вентиля U103 подают сигнал высокого логического уровня.
Хотя в вышеприведенном описании функционирование детектора 621 нулевого напряжения описано в отношении управления переключением первого полевого транзистора 608, понятно, что детектор 621 нулевого напряжения функционирует так же при использовании второго малосигнального диода 726 вместо первого малосигнального диода 725, чтобы управлять вторым полевым транзистором 708.
По-прежнему со ссылкой на фиг. 10, триггер 622 содержит тактовый вход CLK, вход сброса /RST и выход Q. Триггер 622 также содержит дополнительные входы D и VCC для подачи питания, в этом примере триггер принимает такое же напряжение 621a питания, равное 2,5 В, от контроллера 1001, что и инверторный вентиль U103. Тактовый вход CLK подключен к выходу 4 инверторного вентиля U103 и выполнен с возможностью принимать от него сигнал. Когда выход 4 инверторного вентиля U103 переключают с низкого логического уровня на высокий логический уровень (из-за того, что вход 2 инверторного вентиля U103 принимает обнаруженное состояние нулевого напряжения или сигнал 1011 ПУСК, как описано выше), тактовый вход CLK триггера 622 принимает сигнал нарастающего фронта высокого логического уровня, который "синхронизирует" триггер 622 и делает состояние выхода Q триггера высоким. Триггер 622 содержит дополнительный вход /RST, выполненный с возможностью приема сигнала с выхода компаратора 618, с помощью которого компаратор 618 может изменить состояние триггера 621, чтобы на выходе триггера Q было высокое значение. Выход Q триггера соединен с первым и вторым драйверами 623, 723 затвора и при получении высокого выходного сигнала с выхода Q триггера активный драйвер 623, 723 затвора (из-за приема сигнала 1021, 1022, как описано выше) подает сигнал драйвера затвора на его соответствующий полевой транзистор 608, 708.
В одном конкретном примере триггер 622 может быть переключен при половине напряжения логического источника 621a питания, то есть при 1,25 В. Это означает, что напряжение положительного смещения первого малосигнального диода 725 и напряжение на стоке 608D первого полевого транзистора должны в сумме составлять 1,25 В, чтобы включить первый полевой транзистор 608. Следовательно, в этом примере первый полевой транзистор 608 включается, когда напряжение на его стоке 608D составляет 0,55 В, а не точно 0 В. Следует отметить, что в идеале для максимальной эффективности переключение должно происходить при 0 В на полевом транзисторе 608. Это переключение при нулевом напряжении преимущественно предотвращает разрядку конденсаторов 606, 610 первым полевым транзистором 608, и, таким образом, потерю энергии, запасенной в упомянутых конденсаторах 606, 610.
На фиг. 11 более подробно показаны первый и второй драйверы 623, 723 затвора и их подключение к затворам 608G, 708G их соответствующих полевых транзисторов 608, 708. Каждый из драйверов 623, 723 затвора имеет вход IN, который выполнен с возможностью приема сигнала, зависящего от сигналов 1021, 1022 активации нагревателя, подаваемых от контроллера 1001. Кроме того, сигналы, принимаемые входами IN драйверов 623, 723 затвора, зависят от того, является ли выходной сигнал Q триггера высоким. Входы IN подключены к выходу Q триггера 622 через соответствующие резисторы R125, R128, каждый из которых в этом примере имеет значение 2 кОм.
Каждый драйвер 623, 723 затвора имеет два дополнительных входа VDD и XREF, причем каждый вход VDD получает напряжение питания 6 В от контроллера 1001, а XREF получает логическое напряжение 2,5 В, которое в этом примере является таким же логическим напряжением, подаваемым контроллером 1001 на триггер 622 и инверторный вентиль U103. Входы VDD первого и второго драйверов 623, 723 затвора подключены к напряжению питания 6 В, и входы VDD подключены к земле через два буферных конденсатора C120, C121. Каждый драйвер 623, 723 затвора также имеет вывод GND, подключенный к земле, при этом выводы VDD и GND действуют для подачи питания на драйверы 623, 723 затвора. В этом примере каждый конденсатор C120, C121 имеет значение 1 мкФ. Драйверы 623, 723 затвора выполнены с возможностью вывода напряжений возбуждения затвора с соответствующих выходов OUT. Выходы OUT драйверов 623, 723 затвора подключены соответственно к затворам 608G, 708G полевых транзисторов через резисторы R114, R115, каждый из которых в этом примере имеет сопротивление 4,99 Ом.
Каждый драйвер 623, 723 затвора выполнен с возможностью приема сигнала на своем входе IN, чтобы активировать драйвер затвора только в то время, когда с выхода Q триггера подают сигнал высокого логического уровня и принимают сигнал 1021, 1022 активации нагревателя от контроллера 1001. На контроллере 1001 может быть предусмотрен сигнальный вывод "открытый сток", который выполнен с возможностью подачи сигналов 1021, 1022. В одном примере
В примерах включение цепи 600 для нагрева одной из секций 601, 701 резонатора выполняет контроллер 1001, который сначала инициирует требуемый один из драйверов 623, 723 затвора с помощью соответствующего сигнала 1021, 1022 включения нагревателя. Затем контроллер 1001 подает сигнал 1011 ПУСК на детектор 621 нулевого напряжения. Продолжительность сигнала 1011 ПУСК должна быть короче, чем период половины цикла колебаний активной секции 601, 701 резонатора (этот период можно назвать "периодом резонансного обратного хода"). Это позволяет цепи правильно начать автоколебание в ответ на обнаруженное состояние нулевого напряжения. В другом примере порядок сигнала 1011 ПУСК и соответствующего сигнала 1021, 1022 включения нагревателя может быть изменен на противоположный, так что сначала применяют сигнал 1011 ПУСК, чтобы установить выход Q триггера на высокий логический уровень, а затем применяют один из сигналов 1021, 1022 включения нагревателя, чтобы начать автоколебание секции 601, 701 резонатора, соответствующей нагревателю, на который подают сигнал 1021, 1022.
Чтобы продолжить более подробное описание устройства управления для управления цепью 600, на фиг. 12 показана часть устройства управления, содержащая компаратор 618 и связанные с ним компоненты. На фиг. 12 положительный вывод 118a источника 118 питания постоянного тока показан подключенным к узлу 1500A, который подключен к узлам 600A, 700A первой и второй секций 601, 701 резонатора соответственно. Отрицательный вывод 118b источника питания постоянного тока подключен к узлу 1500B, который эквивалентен узлу 600D, показанному на фиг. 6. Узел 1500B подключен к земле 616 через чувствительный к току резистор 615. Между узлами 1500A и 1500B параллельно подключены конденсаторы C111, C112, C115 и C116, каждый из которых в этом примере имеет емкость 100 мкФ, обеспечивая буферизацию между узлами 1500A и 1500B.
На фиг. 12 более подробно показаны компоненты, связанные с функционированием компаратора 618, для детектирования того, что ток, протекающий через активную катушку 124 или 126 индуктивности, достиг заданного уровня. Как описано со ссылкой на предыдущие фигуры, компаратор 618 действует для сравнения напряжения, указывающего величину постоянного тока, протекающего в активной катушке индуктивности (124 или 126), с управляющим напряжением 1031, исходящим от контроллера 1001. Компаратор 618 получает мощность через вход 6, который подключен через резистор R116 100 Ом к логическому сигналу питания 2,5 В, в этом примере подаваемому контроллером 1001, и тому же логическому сигналу, что и сигнал 621a, принимаемый триггером 622. Вход 6 питания компаратора соединен с землей через конденсатор C119 емкостью 10 нФ. Другой вывод компаратора 618 соединен с непосредственно с землей.
В некоторых примерах контроллер 1001 представляет собой микропроцессор, содержащий таймер (не показан) для генерации сигнала, который вырабатывает управляющее напряжение 1031. В этом примере управляющее напряжение 1031 создают с помощью сигнала PWM_DAC с широтно-импульсной модуляцией, генерируемого контроллером 1001. Таймер контроллера 1001 генерирует прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией, например, величиной около 2,5 В и частотой около 20 кГц и имеющий конкретный рабочий цикл. Сигнал PWM_DAC с широтно-импульсной модуляцией фильтруют конденсаторами C127 и C128 емкостью 10 нФ, а также двумя резисторами R121, R123 по 49,9 кОм и резистором R124 10 кОм для обеспечения по существу постоянного управляющего напряжения 1031 на частоте, с которой контроллер 1001 управляет управляющим напряжением 1031 (например, около 64 Гц в примерах). Для регулировки управляющего напряжения 1031 контроллер 1001 в примерах выполнен с возможностью регулировки рабочего цикла сигнала PWM_DAC с широтно-импульсной модуляцией, подаваемого на цепь 600. Таким образом, компоненты, расположенные между входом PWM_DAC и положительным выводом компаратора 618, эффективно обеспечивают создание управляющего напряжения 1031 с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией и регулировку величины управляющего напряжения 1031 путем регулировки рабочего цикла этого сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Таким образом, линия 619 управляющего напряжения, показанная на фиг. 6 и 9, может быть заменена этими компонентами. Однако в других примерах управляющее напряжение 1031 может быть создано по существу постоянным напряжением, подаваемым, например, контроллером 1001. В таких примерах некоторые или все компоненты, показанные на фиг. 12, для фильтрации сигнала PWM_DAC могут отсутствовать.
Узел 1500B, который соединен с положительным вводом компаратора 618, как упомянуто выше, эквивалентен узлу 600D цепи 600. На фиг. 12 можно увидеть, что, как описано со ссылкой на упрощенную схему, показанную на фиг. 6, узел 1500B подключен через резистор 617a к положительному входу компаратора 618. По существу, работа компаратора 618 аналогична описанной выше: принимают входной сигнал на его положительном выводе, который зависит от управляющего напряжения 1031 и напряжения на чувствительном к току резисторе 615. Когда напряжение на положительном выводе компаратора 618 достигает напряжения земли, сигнал /FF RST выводят через резистор R118 на вход /RST триггера 622, чтобы изменить состояние триггера 622 и тем самым выключить активный полевой транзистор 608/708.
На фиг. 13 показаны дополнительные компоненты для конкретного примера устройства управления для цепи 600. Компоненты, показанные на фиг. 13, определяют устройство 1300 измерения тока для обеспечения сигнала I_SENSE, указывающего величину тока, потребляемого от источника 118 постоянного напряжения во время работы цепи 600. По этому сигналу контроллер 1001 может определять ток, потребляемый от источника 118 напряжения, и может использовать его вместе со значением напряжения, подаваемого источником 118 постоянного напряжения, для определения значения мощности, подаваемой в цепь 600. В некоторых примерах, как будет описано ниже, определенное значение мощности может быть использовано контроллером 1001 для управления цепью 600.
Ввод 1301 в устройство 1300 измерения тока выполняют через резистор R120, показанный на фиг. 12. Таким образом, вход подключен к узлу 1500B через резистор R120 и принимает напряжение, указывающее напряжение на чувствительном к току резисторе 615. Устройство 1300 измерения тока работает как устройство измерения тока на стороне низкого напряжения для цепи 600. В этом отношении устройство 1300 измерения тока содержит операционный усилитель U110, работающий от напряжения 3,8 В, подаваемого на вход 5 операционного усилителя U110 (тип компонента TS507), настроенного для измерения тока на стороне низкого напряжения с использованием чувствительного к току резистора 615, как будет понятно. Транзистор U109 со встроенным резистором смещения (тип компонента RN4986) переключает напряжение 2,5 В, подаваемое контроллером 1001, на питание 3,8 В для операционного усилителя U110. Линия питания от транзисторного компонента U109 соединена с землей через конденсатор C132 емкостью 10 нФ. Кроме того, резистор R130 сопротивлением 1 кОм подключен между положительным входом операционного усилителя U110 и землей, а резистор R129 сопротивлением 412 кОм подключен между входом 2,5 В от контроллера 1001 и положительным входом компаратора U110. На отрицательный вывод операционного усилителя U110 поступает напряжение, зависящее от напряжения на чувствительном к току резисторе 615. Последовательные резистор R131 и конденсатор C133 обеспечивают фильтрацию сигнала напряжения, принятого через вход 1301. Дополнительный резистор R133 (в этом примере с сопротивлением 97,6 кОм) и конденсатор C134 емкостью 10 нФ подключены параллельно между входом к отрицательному выводу операционного усилителя U110 и выходом операционного усилителя U110, так что операционный усилитель работает в режиме замкнутого контура.
Операционный усилитель U110 работает для вывода сигнала I_SENSE напряжения на контроллер 1001, который указывает ток через чувствительный к току резистор 615 и, таким образом, позволяет контроллеру 1001 определять ток, потребляемый от источника 118 постоянного напряжения через цепь 600.
Следует отметить, что, принимая во внимание первый и второй полевой транзистор 608, 708 и топологию схемы 600, фазирование первой и второй катушек 124 и 126 индуктивности друг относительно друга может быть выбрано так, что если работает первая катушка 124 индуктивности, то предотвращают протекание во второй катушке 126 индуктивности тока, достаточного для существенного нагрева токоприемника 132, а если работает вторая катушка 126 индуктивности, то предотвращают протекание в первой катушке 124 индуктивности тока, достаточного для существенного нагрева токоприемника 132.
Как описано выше, первый 608 и второй 708 полевые транзисторы фактически выступают в качестве диодов 608a, 708a, когда они выключены, и, таким образом, могут проводить ток, если они имеют положительное смещение (то есть полевые транзисторы не являются идеальными переключателями). Соответственно, в примерах цепь 600 сконфигурирована таким образом, что когда первая 124 или вторая 126 катушка индуктивности работает для нагрева токоприемника 132, напряжение, индуцированное на другой неработающей катушке индуктивности, не приводит к положительному смещению собственного диода полевого транзистора, связанного с этой неработающей катушкой индуктивности, а наоборот смещает ее в обратном направлении.
Эффект вышеописанного устройства управления, выполненного с возможностью управления устройствами 608, 708 переключения цепи 600 в ответ на обнаруженные условия напряжения, заключается в том, что когда активна первая секция 601 резонатора или вторая секция 701 резонатора (то есть ее драйвер 623, 723 затвора активирован контроллером 1001), то эта секция резонатора "автоколеблется", в то время как другая секция остается неактивной. То есть переключение соответствующих полевых транзисторов 608, 708 в секции 601, 701 резонатора повторяется с высокой частотой, поскольку первое состояние напряжения (обнаруженное компаратором 618) вызывает переключение полевого транзистора с включенного на выключенное состояние, а второе состояние напряжение (обнаруженное детектором 621 нулевого напряжения) вызывает переключение полевого транзистора с выключенного на включенное состояние.
Контроллер 1001 выполнен с возможностью управления цепью 600 индукционного нагрева устройства 100 таким образом, чтобы в любой момент времени была активна только первая катушка 124 индуктивности или вторая катушка 126 индуктивности. Контроллер 1001 выполнен с возможностью определения с заранее определенной частотой того, какую из катушек, первую 124 или вторую 126, активировать.
В примерах, во время использования устройства 100 контроллер 1001 определяет на заранее определенной частоте, то есть один раз для каждого из множества заранее определенных временных интервалов, какую секцию резонатора, первую 601 или вторую 701, активировать. В одном примере каждый раз, когда контроллер 1001 определяет, какую секцию резонатора, первую 601 ил вторую 701, активировать, контроллер 1001 может принять решение активировать эту секцию резонатора, чтобы нагреть токоприемник 132 в течение следующего заранее заданного интервала времени. То есть, если заранее заданная частота (которую можно назвать "частотой прерывания") составляет, например, 64 Гц, то контроллер 1001 может определять с заранее заданными интервалами, длительностью 1/64 с, какая секция 601, 701 резонатора должна быть активирована в течение следующего периода, длительностью 1/64 с, пока контроллер не выполнит следующее определение секции 601, 701 резонатора в конце следующего интервала длительностью 1/64 с. В других примерах частота прерывания может составлять, например, от 20 Гц до 80 Гц, или, соответственно, заранее заданные интервалы могут иметь длительность от 1/80 до 1/20 с. Чтобы определить, какая катушка 124, 126 индуктивности должна быть активирована в течение заранее заданного интервала, контроллер 1001 определяет, какая зона 132a, 132b токоприемника должна быть нагрета в течение этого заранее заданного интервала. В примерах контроллер 1001 определяет, какая зона 132a, 132b токоприемника должна быть нагрета, со ссылкой на измеренную температуру зон 132a, 132b токоприемника, как будет описано ниже.
На фиг. 14 показана блок-схема последовательности действий примера способа определения того, какая из двух секций 601, 701 резонатора должна быть активирована в течение определенного заранее заданного интервала. В этом примере контроллер 1001 определяет, какую из секций резонатора, первую 601 или вторую 701, активировать в течение заранее заданного интервала на основе текущей температуры T1 первой зоны 132a токоприемника, нагреваемой первой катушкой 124 индуктивности, и текущей температуры T2 второй зоны 132b токоприемника, нагреваемой второй катушкой 126 индуктивности. В одном примере текущие температуры T1 и T2 первой 132a и второй 132b зон токоприемника могут быть измерены соответствующими термопарами (не показаны), прикрепленными к каждой зоне токоприемника 132. Термопары обеспечивают входной сигнал для контроллера 1001, позволяя контроллеру 1001 определять значения температур T1, T2. В других примерах можно использовать другое подходящее средство для определения соответствующих температур зон 132a, 132b токоприемника.
В блоке 1051 контроллер 1001 определяет текущее значение температуры T1 и сравнивает его с целевым значением target1 температуры для первой зоны 132a, предназначенной для нагрева первой катушкой 124 индуктивности. Целевая температура target1 первой зоны 132a имеет значение, которое может изменяться в течение сеанса использования устройства, задействующего цепь 600. Например, для первой зоны может быть определен профиль температуры, определяющий значения для target1 на протяжении сеанса использования устройства 100.
В блоке 1052 контроллер 1001 выполняет ту же операцию, что и для первой катушки 124 индуктивности в блоке 1051, и определяет, является ли в это время значение текущей температуры T2 второй зоны 132b ниже целевой температуры target2 для второй зоны 132b или нет. Опять же, целевая температура второй зоны 132b может быть определена профилем температуры, определяющим значения target2 в течение сеанса использования. Температура второй зоны 132b может, подобно первой зоне 132а, быть измерена любым подходящим средством, таким как термопара.
Если оба ответа в блоке 1051 и блоке 1052 – "нет", то есть температура обеих зон 132a, 132b токоприемника в данный момент находится на уровне или выше их соответствующих целевых температур target1, target2, то контроллер 1001 определяет, что не нужно активировать ни первую, ни вторую секции 601, 701 резонатора для следующего заранее заданного интервала.
Если ответ в блоке 1051 – "нет", а ответ в блоке 1052 – "да", то есть температура первой зоны 132a находится на уровне или выше своей целевой температуры target1, но температура второй зоны 132b ниже своей целевой температуры target2, то контроллер 1001 определяет, что вторая секция 701 резонатора должна быть активирована для нагрева второй зоны 132b в течение следующего заранее заданного интервала.
Если ответ в блоке 1051 – "да", а ответ в блоке 1052 – "нет", то есть температура первой зоны 132a находится ниже своей целевой температуры target1, а температура второй зоны 132b на уровне или выше своей целевой температуры target2, то контроллер 1001 определяет, что первая секция 601 резонатора должна быть активирована для нагрева первой зоны 132a в течение следующего заранее заданного интервала.
Если ответ в блоке 1051 – "да", и ответ в блоке 1052 – "да", то есть температура и первой зоны 132a, и второй зоны 132b ниже соответствующих целевых температур target1, target2, то контроллер 1001 переходит к блоку 1053. В блоке 1053 контроллер 1001 эффективно действует для попеременного включения первой секции 601 резонатора и второй секции 701 резонатора для каждого заранее определенного интервала, в течение которого обе зоны 132a, 132b остаются ниже своих соответствующих целевых температур.
В одном примере, чтобы поочередно активировать первую 601 и вторую 701 секции резонатора, в блоке 1053 контроллер 1001 в некоторых примерах определяет, прошло ли четное количество заранее определенных интервалов с начала сеанса. Если с начала сеанса прошло четное количество заранее определенных интервалов, то контроллер 1001 определяет, что для следующего интервала должна быть активирована первая секция 601 резонатора. Если с начала сеанса прошло нечетное количество заранее определенных интервалов, то контроллер 1001 определяет, что для следующего интервала должна быть активирована вторая секция 701 резонатора. Следует понимать, что в других примерах контроллер 1001 может вместо этого активировать вторую секцию 701 резонатора, если прошло четное число интервалов, и первую секцию 601 резонатора, если прошло нечетное число интервалов.
В некоторых примерах цепь 600 выполнена так, что как только одну из секций 601, 701 резонатора активируют путем приема сигнала 1021 или 1022 на одном из драйверов 623, 624 затвора, эта секция 601/701 резонатора продолжает работать, т.е. совершать автоколебания, пока не будет деактивирована контроллером 1001, например, путем подачи другого сигнала на драйвер затвора этой секции 601/701 резонатора. Таким образом, после определения того, какую из секций 601, 701 резонатора активировать в течение заданного интервала, контроллер 1001, чтобы инициировать эту активацию, может деактивировать одну из секций 601, 701 резонатора, которая была активна в течение предыдущего интервала.
Чтобы проиллюстрировать пример блока 1053, где способ 1050, показанный на фиг. 14, выполняют с интервалами длительностью 1/64 с, если контроллер 1001 определяет, что обе зоны 132a, 132b имеют температуру ниже своих соответствующих целевых температур target1, target2, и прошло четное число интервалов длительностью 1/64 с с момента начала сеанса использования устройства 100, то контроллер 1001 активирует первую секцию 601 резонатора на следующий интервал длительностью 1/64 секунды, в то время как вторая секция 701 резонатора становится неактивной, для чего в примерах необходимо, чтобы контроллер 1001 деактивировал вторую секцию 701 резонатора. Если после этого следующего интервала длительностью 1/64 с температуры обеих зон 132a, 132b остаются ниже своих соответствующих целевых температур target1, taget2, то в течение следующего интервала длительностью 1/64 с контроллер 1001 активирует вторую секцию 701 резонатора, в то время как первая секция 601 резонатора становится неактивной, для чего в примерах необходимо, чтобы контроллер 1001 деактивировал вторую секцию 701 резонатора. Для каждого интервала, в котором температуры обеих зон 132a, 132b остаются ниже своих соответствующих целевых температур, продолжается это чередование между активацией первой 601 и второй 701 секций резонатора.
В целом способ 1050 приводит к тому, что две катушки 124, 126 индуктивности никогда не активны одновременно. Если определено, что обе катушки 124, 126 индуктивности требуют активации для приведения температуры соответствующих зон 132a, 132b до заданной температуры, то контроллер 1001 поочередно подает питание на катушки 124, 126 индуктивности с заранее определенной частотой, чтобы довести температуры обеих зон 132a, 132b до их соответствующей целевой температуры. Таким образом, можно увидеть, что, например, в течение периода сеанса использования, содержащего множество интервалов, в течение которых температура первой зоны 132a существенно ниже своей целевой температуры, а температура второй зоны 132b совпадает со своей целевой температурой или выше нее, благодаря способу 1050 мощность могут подавать в первую секцию 601 резонатора в течение почти 100% этого периода. Однако в течение периода сеанса использования, включающего множество интервалов, в течение которых температура обеих зон 132a, 132b находится ниже целевых температур, каждая катушка индуктивности может получать питание примерно в течение 50% этого периода.
Как упоминалось, если обе зоны 132a, 132b имеют свои заданные температуры, то питание могут не подавать ни на одну из катушек индуктивности. В некоторых примерах во время сеанса нагрева, который длится в течение заданного периода (например, 3, 3,5, 4 или 4,5 минуты), ни одна из катушек индуктивности не может получать питание более 75% времени или более 80% времени. Другими словами, обе катушки индуктивности могут иметь свою заданную температуру более 75% времени или более 80% времени, так что постоянная подача энергии не требуется. Вместо этого питание подают только тогда, когда температуры зон 132a, 132b падают ниже своих соответствующих целевых температур. В конкретном примере сеанс нагрева длится в течение 260 секунд, и первая катушка 124 индуктивности получает питание в общей сложности около 25 секунд во время сеанса нагрева, а вторая катушка 126 индуктивности получает питание в течение всего около 19 секунд во время сеанса нагрева. В более общем смысле, каждая катушка индуктивности может получать питание от 7% до 15% времени во время сеанса нагрева, что означает, что катушки индуктивности работают от примерно 14% до 30% времени.
Мощность, подаваемая в течение каждого интервала длительностью 1/64 с, может быть определена как произведение постоянного напряжения на источнике 118 постоянного тока в течение этого интервала и среднего постоянного тока, потребляемого от источника 118 постоянного тока в течение этого интервала. В конкретном примере, когда катушка индуктивности работает в течение определенного интервала, мощность может составлять от примерно 15 Вт до примерно 25 Вт, или более предпочтительно от примерно 20 Вт до примерно 23 Вт.
Энергию, потребляемую катушкой индуктивности в течение этого интервала, определяют произведением мощности на длительность интервала. Соответственно, энергия, потребляемая катушкой индуктивности в течение этого интервала, может составлять от примерно 0,31 Дж до примерно 0,36 Дж. Если катушки индуктивности не работают (поскольку зоны 132a, 132b находятся при их заданных температурах), то мощность, подаваемая на катушки индуктивности, и энергия, потребляемая катушками индуктивности, могут быть незначительными. Например, энергия, потребляемая катушками индуктивности, может быть меньше примерно 0,01 Дж.
Первую и вторую катушки 124, 126 индуктивности в совокупности могут называть нагревателем/нагревательным узлом. Как упоминалось выше, если предположить, что катушки индуктивности активируют только в течение примерно 25% времени во время сеанса нагрева, то общая энергия, потребляемая катушками индуктивности во время сеанса, составляет от примерно 1200 Дж до примерно 1400 Дж. Если предположить, что катушки индуктивности активируют только в течение примерно 20% времени во время сеанса нагрева, то общая энергия, потребляемая катушками индуктивности, составляет от примерно 1200 Дж до примерно 1400 Дж. В зависимости от характеристик нагревательного узла, окружающей среды и изделия, вставленного в устройство, общая энергия, потребляемая катушками индуктивности, может составлять от примерно 1000 Дж до примерно 1400 Дж.
В одном примере источник 118 постоянного тока (то есть батарея) имеет емкость батареи около 3000 мАч и напряжение около 3-4 В, что дает емкость от около 30000 Дж до около 35000 Дж. В конкретном примере емкость батареи составляет около 33000 Дж. Это позволяет источнику 118 постоянного тока обеспечивать питание примерно от 25 до 30 сеансов нагрева.
В конкретном примере, когда устройство неактивно, потребляемый ток составляет около 0,1 мА. Большая часть этого потребляемого тока – это ток покоя, потребляемый регулятором напряжения источника 118 постоянного тока. Например, регулятор представляет собой регулятор на 2,5 В. Часть этого тока может быть вызвана небольшими токами утечки на любых дополнительных интегральных схемах, присутствующих в устройстве, таких как интегральная схема, связанная с зарядным гнездом 114. Предполагая, что батарея имеет напряжение около 3,7 В, мощность, потребляемая устройством в неактивном состоянии, может составлять около 0,370 мВт. Предпочтительно неактивное устройство 100 потребляет менее примерно 1 мВт, или менее примерно 0,5 мВт, или менее примерно 0,4 мВт.
Если контроллер 1001 активен, то потребляемый ток может составлять около 3 мА. Таким образом, контроллер 1001 при использовании потребляет около 0,01 Вт. В одном примере контроллер 1001 имеет тактовую частоту 16 МГц. Предпочтительно, контроллер 1001 потребляет менее примерно 0,05 Вт, или менее примерно 0,03 Вт, или менее примерно 0,01 Вт.
Устройство 100 также может содержать визуальный индикатор, такой как несколько светодиодов. Как кратко упомянуто выше, на фиг. 2 показана вторая печатная плата 138. На второй печатной плате 138 установлено 4 светодиода. Светодиоды могут загораться, чтобы указать пользователю на определенные события, например, когда устройство готово к использованию. Каждый светодиод может потреблять ток около 2 мА при максимальной яркости или интенсивности. Когда все 4 светодиода имеют максимальную яркость, они потребляют общую мощность около 0,03 Вт. Предпочтительно, визуальный индикатор потребляет менее примерно 0,05 Вт, или менее примерно 0,04 Вт, или менее примерно 0,03 Вт. Светодиоды могут гореть, например, во время сеанса нагрева.
Соответственно, во время сеанса нагрева нагревательный узел может потреблять от примерно 15 Вт до примерно 25 Вт. Другие электрические компоненты внутри устройства (то есть все компоненты, за исключением катушек 124, 126 индуктивности) могут потреблять общую мощность около 0,04 Вт (около 0,03 Вт для светодиодов и около 0,01 Вт для регулятора напряжения, контроллера 1001 и других токов утечки). Предпочтительно, мощность, потребляемая электрическими компонентами, составляет менее примерно 0,1 Вт или менее примерно 0,05 Вт.
В приведенных выше примерах понятно, что мощность будет изменяться вместе с напряжением батареи 118. В приведенных выше примерах предполагается, что напряжение батареи 118 составляет около 3,7 В.
В примере мощность, потребляемая электрическими компонентами, составляет менее примерно 0,5% от потребления энергии нагревательным узлом (т.е. катушками индуктивности). Предпочтительно, мощность, потребляемая электрическими компонентами, составляет менее примерно 0,2% от потребления энергии нагревательным узлом. Например, мощность, потребляемая нагревательным узлом (то есть катушками индуктивности), может составлять примерно 20 Вт, а мощность, потребляемая другими электрическими компонентами, составляет примерно 0,04 Вт. Соответственно, мощность, потребляемая электрическими компонентами, составляет примерно 0,2% от потребления энергии нагревательным узлом.
В примерах контроллер 1001 также выполнен с предварительно заданными интервалами, которые в примерах совпадают с заранее заданными интервалами, с которыми выполняют способ 1050, для определения мощности, подаваемой в одну из секций 601, 701 резонатора от источника 118 постоянного тока.
Как описано выше, со ссылкой на фиг. 9-11, в частности, для управления тем, какая из секций резонатора, первая 601 или вторая 701, активна в любой момент времени, контроллер 1001, также передающий сигнал 1001 ПУСК для инициирования работы цепи 600, выполнен с возможностью выборочно передавать первый сигнал 1011 работы нагревателя на первый драйвер 623 затвора, чтобы активировать первую секцию 601 резонатора, или второй сигнал 1012 работы нагревателя на второй драйвер 723 затвора, чтобы активировать вторую секцию 701 резонатора.
Например, если контроллер 1001 инициирует работу цепи 600, и контроллер 1001 передает первый сигнал 1011 работы нагревателя, то цепь 600 работает, как описано выше, чтобы активировать первую катушку 124 индуктивности для нагрева первой зоны 132а токоприемника. Если контроллер 1001 передает второй сигнал 1012 работы нагревателя, то цепь 600 активирует вторую катушку 126 индуктивности для нагрева второй зоны 132b токоприемника. Если контроллер 1001 не передает ни первый сигнал 1011 работы нагревателя, ни второй сигнал 1012 работы нагревателя, то не активируют ни одну из катушек 124, 126 индуктивности, и токоприемник 132 не нагревают.
Контроллер 1001 выполнен с возможностью управления мощностью, подаваемой от источника 118 постоянного напряжения в цепь 600 для индукционного нагрева токоприемника 132, на основе сравнения измерения мощности, подаваемой в цепь 600, и целевой мощности. Контроллер 1001 выполнен с возможностью управления мощностью, подаваемой в цепь 600, путем управления переключающим устройством цепи 600, то есть путем управления переключением полевых транзисторов 608, 708. Контроллер 1001 может управлять переключением полевых транзисторов 608, 708, устанавливая управляющее напряжение 1031, которое определяет постоянный ток, который может нарастать в катушке 124, 126 индуктивности, соответствующей этому полевому транзистору 608, 708, перед переключением полевого транзистора 608, 708 в выключенное состояние.
На фиг. 15 показан пример способа 1100, выполняемого контроллером 1001 для управления мощностью, подаваемой в цепь 600. На этапе 1101 контроллер 1001 определяет мощность P, подаваемую от источника 118 постоянного тока в цепь 600. Например, контроллер 1001 может определять среднее значение мощности, подаваемой в цепь 600 в течение предыдущего заранее заданного интервала. В примерах мощность P, подаваемая в цепь 600 в течение интервала, может быть определена путем измерения напряжения и постоянного тока, проходящего через данную одну из секций 601, 701 резонатора. Контроллер 1001 может затем определить произведение напряжения и постоянного тока, протекающего через данную одну из секций 601, 701 резонатора, чтобы определить мощность P, подаваемую на эту секцию 601, 701 резонатора.
В примерах определенная мощность P представляет собой среднюю мощность, подаваемую от источника 118 постоянного тока в течение заранее заданного интервала, которая может быть определена путем выполнения произведения среднего постоянного напряжения на источнике 118 постоянного тока и среднего постоянного тока, потребляемого от источника 118 постоянного тока за предыдущий интервал.
В примере устройства 100 источник 118 постоянного тока представляет собой батарею, которая подключена к контроллеру 1001, а контроллер 1001 затем выдает напряжение источника 118 постоянного тока в цепь 600. Контроллер 1001 выполнен с возможностью определения напряжения постоянного тока, подаваемого батареей 118. Ток, потребляемый от батареи 118, определяется работой устройства 1300 измерения тока. Контроллер 1001 определяет постоянное напряжение и постоянный ток один раз для каждого интервала длительностью 1/64 с. Напряжение постоянного тока можно считать практически постоянным в течение этого короткого периода времени. Однако ток изменяется со скоростью, зависящей от скорости включения и выключения цепи. Как описано выше, в некоторых примерах эта частота составляет примерно 300 кГц. Устройство 1300 измерения тока, как описано выше со ссылкой на фиг. 13, выдает сигнал I_SENSE, который фильтруют для удаления этого сигнала частотой около 300 кГц. Таким образом, средний постоянный ток для интервала 1/64 с получают путем измерения этого отфильтрованного сигнала I_SENSE, а измерение I_SENSE проводят непосредственно перед концом интервала длительностью 1/64 с, чтобы позволить установиться сигналу от фильтра. Таким образом, контроллер 1001 получает измерения постоянного напряжения и постоянного тока для интервала длительностью 1/64 с и может вычислять произведение этих значений для получения определенной мощности P. Эту определенную мощность P можно рассматривать как среднее значение мощности, подаваемой источником 118 постоянного тока в течение интервала длительностью 1/64 с.
В блоке 1102 подаваемую мощность P, определенную в блоке 1101, сравнивают с целевой мощностью. Если определенная мощность P представляет собой среднюю мощность за заранее заданный интервал, то целевая мощность представляет собой целевую среднюю мощность за тот же интервал. В одном примере целевая мощность является целевой для средней мощности, подаваемой в течение заранее заданного интервала, и может иметь значение от 10 до 25 Вт, или от 15 до 23 Вт, или около 20 Вт. В этом примере целевая мощность находится в диапазоне, например, 20-21 Вт или 15-25 Вт. Контроллер 1001 соответственно в блоке 1102 может сравнить значение подаваемой мощности P, определенное в блоке 1101, с целевым диапазоном и определить, находится ли подаваемая мощность ниже диапазона, в пределах целевого диапазона или выше целевого диапазона. Например, если целевой диапазон составляет 20-21 Вт, то в блоке 1102 контроллер 1001 определяет, выполнено ли P < 20 Вт, или 20 Вт ≤ P ≤ 21 Вт, или P > 21 Вт.
Исходя из сравнения подаваемой мощности P с целевым диапазоном, контроллер 1001 определяет, следует ли и каким образом регулировать мощность для следующего заранее заданного интервала с целью доведения фактической мощности, подаваемой на активную катушку 124 или 126 индуктивности в течение следующего заранее заданного интервала до целевого диапазона мощности. То есть, если подаваемая мощность P ниже целевого диапазона, то контроллер 1001 решает увеличить мощность, подаваемую в цепь 600, в течение следующего заранее заданного интервала. Если подаваемая мощность P выше целевого диапазона, то контроллер 1001 решает уменьшить мощность, подаваемую в цепь 600, в течение следующего заранее заданного интервала. Если подаваемая мощность P ниже целевого диапазона, то контроллер 1001 решает не регулировать мощность, подаваемую в цепь 600, в течение следующего заранее заданного интервала.
Из-за конфигурации цепи 600, описанной выше, подаваемая мощность P для данного заранее заданного интервала зависит от значения управляющего напряжения 1031 для этого интервала. Если взять пример одного интервала длительностью 1/64 с, для которого активна первая секция 601 резонатора, то этот интервал длительностью 1/64 с содержит множество повторяющихся циклов, содержащих участки с 800a по 800e кривой 800 напряжения и их повторения. Для каждого цикла в течение периода времени от t1 до t0 секции 601 резонатора разрешают резонировать, и поскольку в этот период полевой транзистор 608 выключен, то питание от источника 118 постоянного тока через первую секцию 601 резонатора не потребляют. Таким образом, практически всю мощность, потребляемую от источника 118 постоянного тока в течение заданного интервала длительностью 1/64 с для питания секции 601 резонатора, потребляют в течение периода между t0 и t1, в то время как катушку 124 индуктивности "запитывают" током, то есть пока полевой транзистор 608 включен. Время между t1 и t0 определяется резонансной частотой первой секции 601 резонатора. Эта резонансная частота может оставаться практически постоянной, по меньшей мере в течение заданного интервала длительностью 1/64 с (хотя может изменяться в течение периода работы цепи 600 из-за зависимости от температуры катушки и токоприемника и напряжения батареи). Продолжительность времени от t0 до t1 определяют значением управляющего напряжения 1031, а также напряжением постоянного тока, подаваемым источником 118 постоянного тока, а также сопротивлением и индуктивностью первой секции 601 резонатора (то же самое применимо для второй секции резонатора 701). То есть для заданного напряжения питания постоянного тока управляющее напряжение 1031 устанавливает ток I1, который может нарастать в катушке 124 индуктивности между моментами t0 и t1, но если напряжение питания постоянного тока уменьшается, то время, необходимое для нарастания заданного значения I1, увеличивается. Таким образом, средняя мощность, подаваемая в течение интервала длительностью 1/64 с, зависит от значения управляющего напряжения 1031.
Поэтому в примерах, чтобы управлять мощностью, подаваемой в цепь 600 в течение следующего интервала, контроллер 1001 устанавливает значение управляющего напряжения 1031 для следующего интервала. В примерах для данного источника 118 постоянного тока в течение заранее заданного интервала, в течение которого одна из секций 601, 701 резонатора активна, большее положительное значение управляющего напряжения 1031 приводит к большему значению мощности P, подаваемой в цепь 600. Следовательно, в таких примерах, если контроллер 1001 определяет, что подаваемая мощность P за последний интервал была выше целевого диапазона, то контроллер 1001 снижает управляющее напряжение 1031 для следующего интервала. Если контроллер 1001 определяет, что подаваемая мощность P за последний интервал была ниже целевого диапазона, то контроллер 1001 увеличивает управляющее напряжение 1031 для следующего интервала. И если контроллер 1001 определяет, что подаваемая мощность P за последний интервал была выше целевого диапазона, то контроллер 1001 оставляет управляющее напряжение 1031 неизменным для следующего интервала.
Следует отметить, что в одном примере вышеупомянутого способа 1100 подаваемая мощность P, определяемая в блоке 1101, представляет собой мощность, подаваемую в конкретную одну из секций 601, 701 резонатора. Например, мощность P может быть определена путем измерения напряжения на первой секции 601 резонатора и постоянного тока, протекающего через первую секцию 601 резонатора. В таком примере мощность P, подаваемую на первую секцию 601 резонатора, используют для управления управляющим напряжением 1031. Следует также отметить, что для заданного управляющего напряжения 1031 в некоторых примерах мощность, подаваемая на каждую из катушек 124, 126 индуктивности, когда соответствующие секции 601, 701 резонатора активны, может быть различной. Это может быть, например, потому, что катушки 124, 126 индуктивности имеют разные значения индуктивности или сопротивления постоянному току, или емкости двух секций 601, 701 резонатора не равны. Следовательно, в этом примере в течение заранее заданного интервала во вторую секцию 701 резонатора может быть подана целевая мощность за пределами целевого диапазона, но поскольку управляющее напряжение 1031 регулируют на основе мощности P, подаваемой на первую секцию 601 резонатора, в этом примере контроллер 1001 может не регулировать управляющее напряжение 1031.
Например, для заданного значения управляющего напряжения 1031 контроллер 1001 может определить в блоке 1101, что на первую секцию 601 резонатора в течение заданного интервала подавалась средняя мощность 20 Вт с целевым напряжением в этом примере, равным 20-21Вт. На этапе 1102 контроллер 1001 определяет, что подаваемое напряжение было в пределах целевого диапазона, и, соответственно, контроллер 1001 решает не регулировать управляющее напряжение 1031. Учтем, что для следующего заранее заданного интервала контроллер 1001 определяет (с помощью примера способа 1050), что должна быть активирована вторая секция 701 резонатора, а не первая секция 601 резонатора. Для данного значения управляющего напряжения 1031 в этом примере подают 22,5 Вт из-за различий в электрических свойствах первой 601 и второй 701 секций резонатора. Однако в этом примере в блоке 1102 контроллер 1001 сравнивает последнее измеренное значение мощности P, подаваемой в первую секцию 601 резонатора, и, следовательно, в блоке 1103 решает не регулировать управляющее напряжение 1031. По существу, в примере способа 1100 фактическая мощность, подаваемая в цепь 600, может выходить за пределы целевого диапазона. Однако это может позволить управлять мощностью, подаваемой на катушки 124, 126 индуктивности, путем измерения только мощности P, подаваемой на одну из секций 601, 701 резонатора. Это может обеспечить простое и полезное решение для поддержания мощности, подаваемой в цепь 600, в приемлемом диапазоне, если, например, секции 601, 701 резонатора и их компоненты имеют примерно одинаковые электрические свойства.
Как упоминалось выше, в некоторых примерах источник 118 постоянного тока представляет собой батарею с напряжением примерно от 2 до 10 В, или от 3 до 5 В, или, в одном примере, около 4,2 В. В некоторых примерах напряжение постоянного тока, создаваемое источником 118 постоянного тока, может изменяться, например уменьшаться за время работы цепи 600. Например, если источником 118 напряжения постоянного тока является батарея, то батарея может первоначально подавать напряжение 4,2 В, но напряжение, подаваемое батареей, может уменьшаться по мере разряда батареи. Следовательно, по истечении заданного периода источник 118 постоянного напряжения может подавать, например, 3,5 В вместо начальных 4,2 В.
Как описано выше, при заданном напряжении питания значение управляющего напряжения 1031 управляет величиной тока, который может нарастать в активной катушке 124/126 индуктивности перед выключением соответствующего полевого транзистора 608/708. Питание подают от источника 118 постоянного напряжения, чтобы "запитывать" активную катушку 124/126 индуктивности, позволяя постоянному току нарастать, когда полевой транзистор 608, 708 включен. Как также было описано выше, время t1 для нарастания тока до значения, которое вызывает переключение полевого транзистора 608/708, зависит от источника постоянного напряжения. Следовательно, например, если напряжение, подаваемое источником 118 постоянного тока, уменьшается, скорость, с которой нарастает ток в катушке 124 индуктивности, уменьшается, что приводит к уменьшению мощности P, подаваемой в цепь 600.
Пример способа 1100 может обеспечивать поддержание целевой мощности даже в том случае, когда напряжение, подаваемое от источника 118 постоянного тока, изменяется. То есть, поскольку для управления управляющим напряжением 1031определяют и используют фактическую подаваемую мощность P, то контроллер 1001 может действовать так, чтобы поддерживать заданную мощность, регулируя управляющее напряжение 1031. Например, если уровень заряда батареи истощился, то контроллер 1001 измеряет, что мощность P, подаваемая в цепь 600 при заданном управляющем напряжении 1031, уменьшилась, и действует так, чтобы увеличить мощность P, подаваемую в цепь, путем увеличения управляющего напряжения 1031. По существу, целевой уровень мощности могут поддерживать, пока батарея, используемая для питания цепи 600, разряжается. Это выгодно, поскольку поддержание заданного уровня мощности может обеспечить оптимальную эффективность работы цепи 600 индукционного нагрева. Например, поддержание по существу постоянной подаваемой мощности позволяет обеспечить постоянный нагрев аэрозолируемого материала 110a независимо от напряжения питания. Аналогично, пример способа 1100 предусматривает обеспечение по существу постоянной мощности независимо от других изменяющихся факторов в цепи, которые могут повлиять на величину подаваемой мощности, например, от различной нагрузки на цепь 600, создаваемой токоприемником 132, когда температура токоприемника 132 увеличивается. Это обеспечивает неизменно хорошее впечатление для потребителя, например, обеспечивая постоянное время до первой затяжки, то есть постоянное время между активацией устройства 100 и его готовностью выдать аэрозоль для вдыхания пользователем.
В другом примере измеренное значение P мощности, на котором основано управление управляющим напряжением 1031, изменяется в течение сеанса использования. Например, во время конкретного сеанса использования для первой части сеанса использования (например, для первых ~60 с сеанса использования) профиль температуры может быть таким, что активна в основном первая катушка 124 индуктивности, а вторая катушка 126 индуктивности неактивна. Для этой первой части сеанса использования может быть целесообразно основывать управление управляющим напряжением 1031 на измерениях мощности, подаваемой на первую секцию 601 резонатора. Однако позже во время сеанса, опять же, например, из-за профиля температуры для сеанса, может оказаться, что активна в основном вторая катушка 126 индуктивности, в то время как первая катушка 124 индуктивности активна в течение меньшего времени. Таким образом, для второй части сеанса использования (например, после ~60 с) может быть полезно управлять управляющим напряжением 1031 на основе измерений мощности, подаваемой на вторую секцию 701 резонатора. Контроллер 1001 может, соответственно, переключиться с управления управляющим напряжением 1031 на основе измерений мощности, подаваемой на первую секцию 601 резонатора, на управление управляющим напряжением 1031 на основе измерений мощности, подаваемой на вторую секцию 701 резонатора. Таким образом, можно более точно придерживаться целевой мощности на протяжении всего сеанса использования, поскольку, например, управляющее напряжение 1031 устанавливают на основе сравнения фактической мощности, подаваемой на активную катушку 124, 126 индуктивности, с целевым диапазоном мощности.
В некоторых примерах, где контроллер 1001 в блоке 1103 определяет, что необходимо отрегулировать мощность, контроллер 1001 может регулировать управляющее напряжение 1031 с заранее заданными шагами. Например, контроллер 1001 может быть выполнен с возможностью регулировки управляющего напряжения 1031 на заранее определенную величину за заранее определенный промежуток времени. Если в блоке 1102 контроллер 1001 определяет, что подаваемая мощность P ниже целевого диапазона мощности, то контроллер 1001 может увеличить управляющее напряжение 1031 на предварительно заданное количество вольт для следующего предварительно заданного интервала. Наоборот, если в блоке 1102 контроллер 1001 определяет, что подаваемая мощность выше целевого диапазона мощности, то контроллер 1001 может увеличить управляющее напряжение 1031 на предварительно заданную величину для следующего предварительно заданного интервала.
В примере, описанном выше со ссылкой, в частности, на фиг. 12, управляющее напряжение 1031 создают с помощью сигнала PWM_DAC с импульсной модуляцией. Сигнал PWM_DAC, как описано выше, имеет прямоугольную форму при 2,5 В. Рабочим циклом сигнала PWM_DAC управляет контроллер 1001, который устанавливает значение от 0 до 800 для рабочего цикла PWM_DAC, это значение соответствует рабочему циклу 0% при 0 и 100% при 800. Сигнал PWM_DAC после фильтрации обеспечивает по существу постоянное управляющее напряжение 1031, и поэтому настройки от 0 до 800 рабочего цикла сигнала PWM_DAC обеспечивают, чтобы управляющее напряжение 1031 имело величину от 0 до 2,5 В. В этом примере контроллер 1031 может регулировать настройку рабочего цикла сигнала PWM_DAC на установленную величину, например 8 из 800, или оставлять настройку неизменной для каждого заранее заданного интервала. В другом примере контроллер 1001 может обеспечить регулировку управляющего напряжения 1031 некоторым другим средством, и если контроллер 1001 определяет, что управляющее напряжение 1031 должно быть отрегулировано, контроллер 1001 может регулировать управляющее напряжение 1031, например, до уровня 1%, или 2%, или 5% от максимального значения управляющего напряжения 1031 для следующего заранее заданного интервала.
В некоторых примерах, когда контроллер 1001 инициирует работу цепи 600, например чтобы начать сеанс использования устройства 100, содержащего цепь 600, управляющее напряжение 1031 устанавливают на заранее заданное начальное значение. В одном примере значение управляющего напряжения 1031 (например, установка рабочего цикла сигнала PWM_DAC, который создает это значение управляющего напряжения 1031), которое соответствует целевому уровню мощности, определяют во время настройки цепи 600. То есть мощность, подаваемая в цепь 600, может быть определена (например, измерена или определена теоретически) для ряда значений управляющего напряжения 1031, например, для построения калибровочной кривой. Затем может быть определено значение управляющего напряжения 1031, соответствующее целевой мощности. В одном примере источник 118 постоянного тока может подавать 4,2 В, и для достижения целевой мощности 20 Вт контроллер 1001 может определить во время калибровки значение настройки рабочего цикла сигнала PWM_DAC, равное примерно 344 из 800.
В одном примере контроллер 1001 выполнен с возможностью установки управляющего напряжения 1031 на начальное значение, которое основано на этом определенном значении управляющего напряжения 1031. Например, начальное значение рабочего цикла PWM_DAC, которое определяет управляющее напряжение 1031, может быть установлено равным половине определенного значения, соответствующего целевой мощности. Например, если настройка рабочего цикла для управляющего напряжения 1031, которое, как установлено, соответствует целевой мощности, составляет 344 из 800, то контроллер 1001 может начать сеанс с настройкой, установленной на 152 из 800, и увеличивать настройку на заранее определенное количество с каждым заранее заданным интервалом, пока измеренная мощность P не окажется в пределах целевого диапазона. Это может привести к тому, что в начале сеанса использования подаваемая мощность будет значительно ниже целевой мощности, а затем подаваемая мощность может нарастать (путем увеличения контроллером 1001 управляющего напряжения 1031) до тех пор, пока не достигнет целевого диапазона мощности. Это начальное увеличение подаваемой мощности может обеспечить повышенную безопасность работы цепи 600, предотвращая перегрев токоприемника в начале сеанса и позволяя цепи 600 реагировать на фактическую подаваемую мощность, определяемую контроллером 1001.
В одном примере заранее заданный интервал представляет собой тот же заранее заданный интервал, который использует контроллер 1001 в способе 1050 определения того, какую из первой 124 и второй 126 катушек индуктивности активировать. В одном из таких примеров, как упомянуто выше, заранее заданные интервалы имеют длительность 1/64 с. Длительность заранее заданного интервала (или, что эквивалентно, частота прерываний) может быть выбрана для обеспечения благоприятного временного интервала, в течение которого контроллер может контролировать цепь и соответствующим образом корректировать параметры. Например, может быть использована частота прерывания 64 Гц или в диапазоне приблизительно 10-100 Гц. При этих примерах частот прерывания контроллер 1001 может измерять повышение температуры зон токоприемника с достаточно высокой скоростью, чтобы он мог принять решение о прекращении нагрева конкретной катушкой 124, 126 индуктивности до того, как температура зоны 132a, 132b токоприемника 132 тоже сможет увеличиться намного выше целевой температуры. Аналогично, примеры, приведенные для частоты прерываний, могут обеспечить предпочтительную частоту, на которой управляющее напряжение 1031 может быть отрегулировано так, чтобы обеспечить соответствующее управление мощностью, подаваемой на катушки 124, 126 индуктивности, в пределах безопасного целевого диапазона.
В примере способа работы цепи 600 целевая мощность для использования контроллером 1001 при управлении мощностью, подаваемой в цепь 600, предварительно определяют на основе характеристик запланированного сеанса использования. Например, целевой диапазон мощности может быть отрегулирован в течение сеанса использования.
На фиг. 16 показан схематический пример целевого профиля температуры target1 для части сеанса использования, который в этом примере является целевой температурой для единственной зоны 132a токоприемника. В этом примере первоначально в первой части 1201 сеанса использования температура первой зоны 132a существенно ниже ее целевой температуры target1. В этой первой части 1201 цепь 600 работает так, чтобы довести температуру первой зоны 132a до целевой температуры target1. В таком примере части сеанса использования целевая мощность P1 может иметь диапазон значений, например, 20-21 Вт. Целевая мощность в течение первой части 1201 сеанса может быть сравнительно высокой, чтобы быстро довести температуру токоприемника 132 и, следовательно, аэрозолируемого материала 110a до температуры, подходящей для образования аэрозоля для вдыхания пользователем.
По мере того, как продолжается сеанс использования, первая зона 132a по существу достигает своей целевой температуры target1. Вторая часть 1202 сеанса использования может быть задана, начиная вскоре после того, как первая зона 132a достигает своей целевой температуры target1. Например, для этой части 1202 сеанса использования первая зона 132a может по существу иметь заданную целевую температуру target1, например 250°C, и ее могут удерживать на уровне целевой температуры target1 в соответствии со способом 1050. Аналогично, хотя это не показано на фиг. 16, температуру второй зоны 132b могут поддерживать равной ее собственному целевому заданному значению температуры target2 с помощью способа 1050 (и целевое значение температуры target2 второй зоны 132b может определять профиль температуры, отличный от профиля, определенного посредством target1).
Часть 1202 в сеансе использования после того, как первая зона 132a по существу достигает заданной температуры target1, может быть охарактеризована тем, что контроллер 1001 работает для поддержания температуры первой зоны 132a (или обеих зон 132a, 132b), а не для доведения температуры первой зоны 132a до целевого значения target1, как в первой части 1201. Таким образом, во время части 1202 сеанса использования может потребоваться сравнительно небольшая мощность, которую будут подавать в зону 132a токоприемника для поддержания целевой температуры target1, по сравнению с мощностью, необходимой для доведения температуры зоны 132a токоприемника до целевой температуры target1. Во второй части 1202 сеанса использования может быть выгодно уменьшить значение целевой мощности P1 по сравнению с ее значением в части 1201. В одном примере целевой уровень P1 мощности может быть снижен с 20-21 Вт в части 1201 до примерно 15 Вт в части 1202 сеанса использования. Уменьшение целевой мощности P1 таким образом может быть выгодным в некоторых примерах, поскольку при использовании более низкого уровня мощности потери энергии в цепи могут быть уменьшены, и, таким образом, эффективность может быть увеличена.
Для третьей части 1203 сеанса использования значение целевой температуры target1 равно 0, то есть первую катушку 124 индуктивности не активируют. В этот момент целевая мощность P1 также может быть уменьшена до 0, если сеанс использования подошел к концу, или, если вторая катушка 126 индуктивности все еще активирована, то целевая мощность P1 может оставаться на ненулевом значении, пока вторая катушка 126 индуктивности активна. Соответственно, целевая мощность может учитывать температурный профиль обеих зон 132a, 132b в любой момент сеанса использования. Если, например, часть сеанса использования требует значительного повышения температуры в одной из зон, то может потребоваться сравнительно высокая целевая мощность. И наоборот, для частей сеанса использования, где не требуется значительный нагрев ни одной зоны 132a, 132b, может быть использована сравнительно низкая целевая мощность.
Как упомянуто выше, использование более низких уровней мощности в течение определенных периодов сеанса использования может обеспечить преимущество, заключающееся в том, что в течение продолжительности сеанса может быть достигнута экономия энергии. Например, если целевой уровень мощности снижают с 20-21 Вт в первом периоде до примерно 15 Вт во втором периоде, то в некоторых примерах может быть достигнута экономия около 5-10% энергии за счет снижения потерь энергии в цепи 600 при работе на меньшей мощности. В одном примере в течение типичного сеанса продолжительностью около 260 с поддержание целевой мощности на уровне около 20 Вт в течение всей продолжительности сеанса может привести к потреблению энергии около 1000 Дж. Однако снижение целевой мощности примерно до 15 Вт после того, как первая зона 132a впервые достигнет заданной температуры, и поддержание целевого уровня мощности на уровне 15 Вт в течение оставшейся части сеанса, по существу, такой же продолжительности, может привести к потреблению энергии от 900 до 950 Дж. В примерах почти вся энергия, используемая устройством, обусловлена энергией, подаваемой для нагрева токоприемника 132. Энергопотребление электрических компонентов, отличных от цепи нагрева, например светодиодных индикаторов и микроконтроллера, может быть менее 0,1 Вт, а в некоторых примерах – менее 0,01 Вт.
Определенные способы, описанные в данном документе, могут быть реализованы посредством компьютерного программного кода, который может храниться на энергонезависимом носителе данных. Например, в некоторых примерах контроллер 1001 может содержать энергонезависимый машиночитаемый носитель данных, содержащий набор машиночитаемых инструкций, хранящихся на нем, и процессор для выполнения описанного в этом документе способа контроллером 1001. Контроллер 1001 может содержать один или несколько процессоров. Например, в некоторых примерах, как описано выше, контроллер 1001 представляет собой программируемый микропроцессор. Контроллер 1001 может содержать носитель данных, содержащий набор машиночитаемых инструкций, например в виде компьютерного кода, который при выполнении контроллером 1001 вызывает выполнение описанного в этом документе способа.
Следует отметить, что хотя выше была описана цепь, содержащая две катушки индуктивности, аспекты, описанные выше, например, для управления мощностью, подаваемой в цепь индукционного нагрева, могут быть применены к цепям с другим количеством катушек, например, с одной или с более чем с двумя катушками. Кроме того, хотя в данном документе описана индуктивная цепь, содержащая катушки индуктивности, аспекты, описанные в данном документе, могут быть в равной степени применены к индуктивной цепи, использующей другие типы индуктивных элементов, обладающих индуктивностью, и подходящих для создания переменного магнитного поля для нагрева токоприемной конструкции. Кроме того, хотя цепи выше были описаны в отношении индукционного нагрева, признаки, относящиеся к потребляемой мощности электрических компонентов и нагревательных компонентов, в равной степени применимы к вариантам осуществления, использующим резистивный нагрев.
Вышеупомянутые варианты осуществления следует понимать как иллюстративные примеры изобретения. Предусмотрены другие варианты осуществления изобретения. Следует понимать, что любой признак, описанный в отношении любого одного варианта осуществления, может быть использован отдельно или в комбинации с другими описанными признаками, а также может быть использован в сочетании с одним или несколькими признаками любого другого варианта осуществления или любой комбинацией любых других вариантов осуществления. Кроме того, эквиваленты и модификации, не описанные выше, также могут быть использованы без отклонения от объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.
1. Устройство предоставления аэрозоля, содержащее:
несколько электрических компонентов, включающих контроллер, содержащий процессор и носитель данных, содержащий набор машиночитаемых инструкций; указанные несколько электрических компонентов расположены в непосредственной близости к внешней поверхности указанного устройства;
нагревательный узел, содержащий изолирующий элемент, катушку индуктивности и нагревательный компонент для нагрева, но не сжигания, материала, образующего аэрозоль, посредством электромагнитной индукции; и
батарею для подачи питания на указанные электрические компоненты и нагревательный узел под управлением указанного контроллера;
причем во время сеанса нагрева потребление энергии нагревательным узлом составляет от 15 до 25 Вт, а потребление энергии указанными электрическими компонентами составляет менее 0,1 Вт, так что температура внешней поверхности указанного устройства остается ниже 4°С.
2. Устройство предоставления аэрозоля по п. 1, в котором потребление энергии указанными электрическими компонентами составляет менее 50 мВт.
3. Устройство предоставления аэрозоля по п. 2, в котором потребление энергии указанными электрическими компонентами составляет менее 40 мВт.
4. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором, когда контроллер активен, потребляемая мощность контроллера составляет от 10 мВт до 20 мВт, а когда контроллер неактивен, потребляемая мощность указанными электрическими компонентами меньше 0,5 мВт.
5. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные электрические компоненты содержат несколько светодиодов, и каждый светодиод имеет потребляемую мощность менее 10 мВт при максимальной интенсивности.
6. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные электрические компоненты также содержат WiFi-интерфейс, и/или интерфейс Bluetooth, и/или интерфейс NFC.
7. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором, при использовании устройства, потребление энергии нагревательным узлом составляет от 15 Вт до 25 Вт.
8. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором емкость батареи от 30000 Дж до 35000 Дж.
9. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором нагревательный узел выполнен с возможностью работы в течение периода от 3 минут до 5 минут и выполнен с возможностью потребления от 1000 Дж до 1400 Дж в течение указанного периода.
10. Устройство предоставления аэрозоля по любому из предыдущих пунктов, в котором нагревательный узел также содержит по меньшей мере одну катушку, выполненную с возможностью нагрева указанного нагревательного компонента.
11. Устройство предоставления аэрозоля по п. 10, в котором нагревательный узел содержит первую катушку и вторую катушку, выполненные с возможностью нагрева указанного нагревательного компонента.
12. Устройство предоставления аэрозоля по п. 10 или 11, в котором нагревательный компонент содержит по меньшей мере один электропроводящий нагревательный компонент, включенный в изделие для вставки в зону нагрева указанного устройства, при этом указанное изделие также содержит материал, образующий аэрозоль, и является удаляемым из зоны нагрева после использования.
13. Система предоставления аэрозоля, содержащая:
устройство предоставления аэрозоля по любому из пп. 1-11; и
изделие, содержащее материал, образующий аэрозоль.
