РЕЗОНАНСНАЯ ЦЕПЬ ДЛЯ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ АЭРОЗОЛЯ
RESONANT CIRCUIT FOR AEROSOL GENERATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резонансной цепи для системы генерации аэрозоля, более конкретно, к резонансной цепи для индукционного нагрева токоприемной конструкции для генерации 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 путем создания продуктов, которые высвобождают соединения без горения. Примерами таких продуктов являются так называемые продукты "нагрева без горения" или устройства или продукты для нагревания табака, которые выделяют соединения при нагревании, но не сжигании материала. Вещество может представлять собой, например, табак или другие нетабачные продукты, которые могут содержать, а могут и не содержать никотин.
Известно индукционное нагревательное устройство (см. WO2017/085242 A1, 26.05.2017), предназначенное для нагрева материала, образующего аэрозоль. Устройство содержит резонансную цепь для индукционного нагрева материала, включающую последовательно соединенные один индуктор и один конденсатор. Устройство также содержит транзисторный переключатель и схему запуска транзисторного переключателя для обеспечения работы резонансной цепи на высокой частоте, для индукционного нагрева материала. Однако такое устройство имеет недостаточно высокую эффективность нагрева материала, образующего аэрозоль.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена резонансная цепь для системы генерации аэрозоля, причем резонансная цепь содержит индуктивный элемент для индукционного нагрева токоприемной конструкции для нагрева материала, генерирующего аэрозоль, чтобы тем самым получать аэрозоль; и переключающее устройство, которое при использовании переключается между первым состоянием и вторым состоянием для получения изменяющегося тока от источника постоянного напряжения и протекания его через индуктивный элемент, чтобы вызвать индукционный нагрев токоприемной конструкции; причем переключающее устройство выполнено с возможностью переключаться между первым состоянием и вторым состоянием в ответ на колебания напряжения в резонансной цепи, работающей на резонансной частоте резонансной цепи, тем самым поддерживая изменяющийся ток на резонансной частоте резонансной цепи.
Резонансная цепь может представлять собой LC-цепь, содержащей индуктивный элемент и емкостный элемент.
Индуктивный элемент и емкостный элемент могут быть расположены параллельно, а колебания напряжения могут представлять собой колебания напряжения на индуктивном элементе и емкостном элементе.
Переключающее устройство может содержать первый транзистор и второй транзистор, расположенные так, что если переключающее устройство находится в первом состоянии, то первый транзистор выключен, а второй транзистор включен, а если переключающее устройство находится во втором состоянии, то первый транзистор включен, а второй выключен.
Первый транзистор и второй транзистор могут содержать первый вывод для включения и выключения этого транзистора, второй вывод и третий вывод, а переключающее устройство может быть выполнено так, что первый транзистор переключается из включенного состояния в выключенное, если напряжение на втором выводе второго транзистора меньше или равно пороговому напряжению переключения первого транзистора.
Первый транзистор и второй транзистор могут содержать первый вывод для включения и выключения этого транзистора, второй вывод и третий вывод, а переключающее устройство может быть выполнено так, что второй транзистор переключается из включенного состояния в выключенное, если напряжение на втором выводе первого транзистора меньше или равно пороговому напряжению переключения второго транзистора.
Резонансная цепь также может содержать первый диод и второй диод, и первый вывод первого транзистора может быть подключен ко второму выводу второго транзистора через первый диод, а первый вывод второго транзистора может быть подключен ко второму выводу первого транзистора через второй диод, тем самым, первый вывод первого транзистора находится под низким напряжением, когда второй транзистор включен, а первый вывод второго транзистора находится под низким напряжением, когда первый транзистор включен.
Первый диод и/или второй диод могут представлять собой диоды Шотки.
Переключающее устройство может быть выполнено так, что первый транзистор переключается во включенное состояние из выключенного, если напряжение на втором выводе второго транзистора меньше или равно пороговому напряжению переключения первого транзистора плюс напряжение смещения первого диода.
Переключающее устройство может быть выполнено так, что второй транзистор переключается во включенное состояние из выключенного, если напряжение на втором выводе первого транзистора меньше или равно пороговому напряжению переключения второго транзистора плюс напряжение смещения второго диода.
Первый транзистор и второй транзистор могут содержать первый вывод для включения и выключения этого транзистора, второй вывод и третий вывод, а цепь также может содержать третий транзистор и четвертый транзистор. Первый вывод первого транзистора может быть соединен со вторым выводом второго транзистора через третий транзистор, а первый вывод второго транзистора может быть соединен со вторым выводом первого транзистора через четвертый транзистор. Третий и четвертый транзисторы могут представлять собой полевые транзисторы.
Третий транзистор и четвертый транзистор могут иметь первый вывод для включения и выключения этого транзистора, и третий транзистор и четвертый транзистор могут быть выполнены с возможностью переключаться во включенное состояние, если на соответствующий первый вывод подано напряжение, которое больше или равно пороговому напряжению.
Резонансная цепь может быть выполнена с возможностью активации путем подачи напряжения, которое больше или равно пороговому напряжению, на первые выводы третьего транзистора и четвертого транзистора, чтобы тем самым включить третий и четвертый транзисторы.
В некоторых примерах резонансная цепь не содержит контроллер, выполненный с возможностью приводить в действие переключающее устройство.
Резонансная частота резонансной цепи может меняться в ответ на передачу энергии от индуктивного элемента на токоприемную конструкцию.
Резонансная цепь может содержать напряжение управления транзисторами для подачи управляющего напряжения на первые выводы первого транзистора и второго транзистора.
Резонансная цепь может содержать первый нагрузочный резистор, подключенный последовательно между первым выводом первого транзистора и напряжением управления транзисторами, и второй нагрузочный резистор, подключенный последовательно между первым выводом второго транзистора и напряжением управления транзисторами.
Третий транзистор может быть подключен между управляющим напряжением и первым выводом первого транзистора, а четвертый транзистор может быть подключен между управляющим напряжением и вторым транзистором.
Первый транзистор и/или второй транзистор могут представлять собой полевые транзисторы.
Первый вывод источника постоянного напряжения может быть подключен к первой и второй точкам в резонансной цепи, причем первая точка и вторая точка электрически расположены с каждой стороны индуктивного элемента.
Первый вывод источника постоянного напряжения может быть подключен к первой точке в резонансной цепи, причем первая точка электрически соединена с центральной точкой индуктивного элемента, так что ток, протекающий от первой точки, может протекать в первом направлении через первый участок индуктивного элемента и во втором направлении через второй участок индуктивного элемента.
Резонансная цепь может содержать по меньшей мере один дроссель, расположенный между источником постоянного напряжения и индуктивным элементом.
Резонансная цепь может содержать первый дроссель и второй дроссель, причем первый дроссель подключен последовательно между первой точкой и индуктивным элементом, а второй дроссель подключен последовательно между второй точкой и индуктивным элементом.
Резонансная цепь может содержать первый дроссель, причем первый дроссель подключен последовательно между первой точкой в резонансной цепи и центральной точкой индуктивного элемента.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложено устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее резонансную цепь в соответствии с первым аспектом.
Устройство генерации аэрозоля может быть выполнено с возможностью принимать первый расходный компонент, содержащий первую токоприемную конструкцию, и устройство генерации аэрозоля может быть выполнено с возможностью принимать второй расходный компонент, содержащий вторую токоприемную конструкцию, причем изменяющийся ток поддерживают на первой резонансной частоте резонансной цепи, если с устройством соединен первый расходный компонент, и на второй резонансной частоте резонансной цепи, если с устройством соединен второй расходный компонент.
Устройство генерации аэрозоля может содержать приемный участок, причем приемный участок выполнен с возможностью принимать первый расходный компонент или второй расходный компонент, так что вблизи от индуктивного элемента оказывается первая или вторая токоприемная конструкция.
Индуктивный элемент может представлять собой электрическую катушку индуктивности, причем устройство выполнено с возможностью принимать по меньшей мере часть первой или второй токоприемной конструкции внутри катушки.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложена система, содержащая устройство генерации аэрозоля в соответствии со вторым аспектом и токоприемную конструкцию.
Токоприемная конструкция может быть выполнена из алюминия.
Токоприемная конструкция может быть расположена в расходной детали, содержащей токоприемную конструкцию и материал, генерирующий аэрозоль.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предложен набор частей, содержащий первый расходный компонент, содержащий первый материал, генерирующий аэрозоль, и первую токоприемную конструкцию, и второй расходный компонент, содержащий второй материал, генерирующий аэрозоль, и вторую токоприемную конструкцию, причем первый и второй расходные компоненты выполнены с возможностью применения с устройством генерации аэрозоля в соответствии со вторым аспектом.
Первый расходный компонент может иметь форму, отличную от второго расходного компонента.
Первая токоприемная конструкция может иметь форму, отличную от второй токоприемной конструкции, или может быть выполнена из другого материала.
Первый и второй расходные компоненты могут быть выбраны из группы, содержащей следующее: палочку, подушечку, картомайзер и плоский лист.
Первая токоприемная конструкция или вторая токоприемная конструкция может быть выполнена из алюминия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показано устройство генерации аэрозоля в соответствии с примером;
на фиг. 2 схематично показана резонансная цепь в соответствии с примером;
на фиг. 3 схематично показана резонансная цепь в соответствии со вторым примером;
на фиг. 4 схематично показана резонансная цепь в соответствии с третьим примером;
на фиг. 5 схематично показана резонансная цепь в соответствии с четвертым примером.
Подробное описание изобретения
Индукционный нагрев – это метод нагрева электропроводящего объекта (или токоприемника) с помощью электромагнитной индукции. Индукционный нагреватель может содержать индуктивный элемент, например индукционную катушку, 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, 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 выделяться из-за потерь на магнитный гистерезис в токоприемнике, то есть из-за изменяющейся ориентации магнитных диполей в магнитном материале в результате их выравнивания с изменяющимся магнитным полем.
При индукционном нагреве, по сравнению, например, с нагревом посредством теплопередачи, тепло выделяется внутри токоприемника, что обеспечивает быстрый нагрев. Кроме того, нет необходимости в физическом контакте между индукционным нагревателем и токоприемником, что обеспечивает большую свободу в конструкции и применении.
Индукционный нагреватель может содержать LC-цепь, имеющую индуктивность L, обеспечиваемую индуктивным элементом, например электромагнитом, который может быть выполнен с возможностью индуктивного нагрева токоприемника, и емкость C, обеспечиваемую конденсатором. В некоторых случаях цепь может быть представлена в виде RLC-цепи, содержащей сопротивление R, обеспечиваемое резистором. В некоторых случаях сопротивление обеспечивает омическое сопротивление частей цепи, соединяющих индуктивный элемент и конденсатор, и, следовательно, цепь не обязательно должна включать в себя резистор как таковой. Такую цепь можно называть, например, LC-схемой. В таких цепях может наблюдаться электрический резонанс, который возникает на определенной резонансной частоте, когда мнимые части импедансов или полных проводимостей элементов цепи компенсируют друг друга.
Одним из примеров цепи, демонстрирующей электрический резонанс, является LC-цепь, содержащая индуктивный элемент, конденсатор и, как вариант, резистор. 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. Настоящее раскрытие сфокусировано на параллельных LC-цепях. 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, приведение RLC- или LC-цепи к резонансной частоте или близко к ней может обеспечить эффективный и/или действенный индукционный нагрев за счет обеспечения наибольшего значения магнитного поля, проникающего в токоприемник.
Транзистор – это полупроводниковое устройство для переключения электронных сигналов. Транзистор обычно содержит по меньшей мере три вывода для подключения к электронной схеме. В некоторых примерах предшествующего уровня техники переменный ток могут подавать в цепь с использованием транзистора путем подачи управляющего сигнала, который заставляет транзистор переключаться на заранее определенной частоте, например, на резонансной частоте цепи.
Полевой транзистор (FET) – это транзистор, в котором влияние приложенного электрического поля можно использовать для изменения эффективной проводимости транзистора. Полевой транзистор может содержать корпус B, 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.
n-канальный полевой транзистор (или полевой транзистор n-типа) (n-FET) 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.
p-канальный полевой транзистор (или полевой транзистор p-типа) (p-FET) 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).
Полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET, 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.
На фиг. 1 схематично показано устройство 100, генерирующее аэрозоль, в соответствии с примером. Устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит источник 104 питания постоянного тока, в этом примере батарею 104, цепь 150, содержащую индуктивный элемент 158, токоприемную конструкцию 110 и материал 116, генерирующий аэрозоль.
В примере, показанном на фиг. 1, токоприемная конструкция 110 расположена внутри расходной детали 120 вместе с материалом 116, генерирующим аэрозоль. Источник 104 питания постоянного тока электрически соединен с цепью 150 и выполнен с возможностью подачи электроэнергии постоянного тока на цепь 150. Устройство 100 также содержит схему 106 управления, в этом примере цепь 150 подключена к батарее 104 через схему 106 управления.
Схема 106 управления может содержать средство для включения и выключения устройства 100, например, в ответ на ввод пользователя. Схема 106 управления может, например, содержать детектор затяжки (не показан), известный сам по себе, и/или может принимать пользовательский ввод с помощью по меньшей мере одной кнопки или сенсорного элемента управления (не показан). Схема 106 управления может содержать средство для контроля температуры компонентов устройства 100 или компонентов расходной детали 120, вставленной в устройство. В дополнение к индуктивному элементу 158 схема 150 содержит другие компоненты, которые описаны ниже.
Индуктивный элемент 158 может представлять собой, например, катушку, которая может быть, например, плоской. Индуктивный элемент 158 может быть выполнен, например, из меди (которая имеет сравнительно низкое удельное сопротивление). Схема 150 предназначена для преобразования входного постоянного тока от источника 104 постоянного тока в изменяющийся, например, переменный ток через индуктивный элемент 158. Схема 150 предназначена для пропускания переменного тока через индуктивный элемент 158.
Токоприемная конструкция 110 расположена относительно индуктивного элемента 158 для индуктивной передачи энергии от индуктивного элемента 158 к токоприемной конструкции 110. Токоприемная конструкция 110 может быть выполнена из любого подходящего материала, который может быть нагрет индуктивно, например из металла или металлического сплава, например из стали. В некоторых реализациях токоприемная конструкция 110 может содержать или быть полностью выполнена из ферромагнитного материала, который может содержать один или комбинацию металлов, таких как железо, никель и кобальт. В некоторых реализациях токоприемная конструкция 110 может состоять или быть полностью выполнена из не являющегося ферромагнитным материала, например из алюминия. Индуктивный элемент 158, через который пропускают переменный ток, вызывает нагрев токоприемной конструкции 110 за счет джоулева нагрева и/или за счет магнитного гистерезисного нагрева, как описано выше. Токоприемная конструкция 110 выполнена с возможностью нагрева материала 116, генерирующего аэрозоль, например, за счет теплопроводности, конвекции и/или нагрева излучением, с целью образования аэрозоля при использовании. В некоторых примерах токоприемная конструкция 110 и материал 116, генерирующий аэрозоль, образуют единый блок, который может быть вставлен и/или удален из устройства 100, генерирующего аэрозоль, и может быть одноразовым. В некоторых примерах индуктивный элемент 158 может быть снят с устройства 100, например, для замены. Устройство 100, генерирующее аэрозоль, может быть переносным. Устройство 100, генерирующее аэрозоль, может быть выполнено с возможностью нагревания материала 116, генерирующего аэрозоль, для создания аэрозоля для вдыхания пользователем.
Отметим, что в данном контексте выражение "материал, генерирующий аэрозоль" обозначает вещества, которые выделяют летучие компоненты при нагревании, обычно в виде пара или аэрозоля. "Материал, генерирующий аэрозоль" может представлять собой не содержащий табака материал или табакосодержащий материал. Например, материал, генерирующий аэрозоль, может быть табаком или содержать его. Материал, генерирующий аэрозоль, например, может включать в себя одно или несколько из следующего: табак сам по себе, производные табака, взорванный табак, восстановленный табак, табачный экстракт, гомогенизированный табак или заменители табака. Материал, генерирующий аэрозоль, может быть в виде молотого табака, резаных листьев табака, экструдированного табака, восстановленного табака, восстановленного аэрозолируемого материала, жидкости, геля, гелевого листа, порошка или аггломератов и т.п. Материал, генерирующий 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, генерирующий аэрозоль, может содержать один или несколько увлажнителей, таких как глицерин или пропиленгликоль.
Возвращаясь к фиг. 1, устройство 100, генерирующее аэрозоль, содержит внешний корпус 112, в котором размещен источник 104 постоянного тока, схема 106 управления и цепь 150, содержащая индуктивный элемент 158. Расходную деталь 120, содержащую токоприемную конструкцию 110 и материал 116, генерирующий аэрозоль, в этом примере также вставляют в корпус 112, чтобы подготовить устройство 100 к использованию. Внешний корпус 112 содержит мундштук 114, позволяющий аэрозолю, образующемуся при использовании, выходить из устройства 100.
При использовании пользователь может активировать, например, с помощью кнопки (не показана) или детектора затяжки (не показан), схему 106, чтобы вызвать изменяющийся, например переменный ток, который должен проходить через индуктивный элемент 108, тем самым индуктивно нагревая токоприемную конструкцию 110, которая, в свою очередь, нагревает материал 116, генерирующий аэрозоль, и заставляет материал 116, генерирующий аэрозоль, генерировать аэрозоль. Образующийся аэрозоль попадает в воздух, втягиваемый в устройство 100 через впуск воздуха (не показан), и тем самым его переносят к мундштуку 104, где аэрозоль выходит из устройства 100 для вдыхания пользователем.
Цепь 150, содержащая индуктивный элемент 158, и токоприемная конструкция 110 и/или устройство 100 в целом, может быть приспособлена для нагрева материала 116, генерирующего аэрозоль, до определенного диапазона температур для испарения по меньшей мере одного компонента материала 116, генерирующего аэрозоль, без сжигания материала, генерирующего аэрозоль. Например, диапазон температуры может составлять от 50°C до 350°C, например, от 50°C до 300°C, от 100°C до 300°C, от 150°C до 300°C, от 100°C до 200°C, от 200°C до 300°C, или от 150°C до 250°C. В некоторых примерах диапазон температур составляет примерно от 170°C до 250°C. В некоторых примерах диапазон температур может отличаться от этого диапазона, а верхний предел диапазона температур может быть больше 300°C.
Следует понимать, что может существовать разница между температурой токоприемной конструкции 110 и температурой материала 116, генерирующего аэрозоль, например, во время нагревания токоприемной конструкции 110, например, когда скорость нагрева велика. Таким образом, следует понимать, что в некоторых примерах температура, до которой нагревают токоприемную конструкцию 110, может быть, например, выше, чем температура, до которой желательно нагревать материал 116, генерирующий аэрозоль.
Теперь обратимся к фиг. 2, на которой показан пример цепи 150, которая является резонансной цепью, для индуктивного нагрева токоприемной конструкции 110. Резонансная цепь 150 содержит индуктивный элемент 158 и конденсатор 156, соединенные параллельно.
Резонансная цепь 150 содержит переключающее устройство M1, M2, которое в этом примере содержит первый транзистор M1 и второй транзистор M2. Первый транзистор M1 и второй транзистор M2 содержат соответствующий первый вывод G1, G2, второй вывод D1, D2 и третий вывод S1, S2. Вторые выводы D1, D2 первого транзистора M1 и второго транзистора M2 подключены к одной из сторон параллельного подключенных индуктивного элемента 158 и конденсатора 156, как будет более подробно объяснено ниже. Третьи выводы S1, S2 первого транзистора M1 и второго транзистора M2 соединены с землей 151. В примере, показанном на фиг. 2, первый транзистор M1 и второй транзистор M2 являются МОП-транзисторами, а первые выводы G1, G2 – выводами затвора, вторые выводы D1, D2 – выводами стока, а третьи выводы S1, S2 – выводами истока.
Следует понимать, что в альтернативных примерах можно использовать другие типы транзисторов вместо полевых МОП-транзисторов, описанных выше.
Резонансная цепь 150 имеет индуктивность L и емкость C. Индуктивность L резонансной цепи 150 обеспечена индуктивным элементом 158, и на нее также может влиять индуктивность токоприемной конструкции 110, которая выполнена с возможностью индуктивного нагрева посредством индуктивного элемента 158. Индуктивный нагрев токоприемной конструкции 110 осуществляют посредством переменного магнитного поля, создаваемого индуктивным элементом 158, который, как описано выше, вызывает джоулев нагрев и/или потери магнитного гистерезиса в токоприемной конструкции 110. Часть индуктивности L резонансной цепи 150 может быть связана с магнитной проницаемостью токоприемной конструкции 110. Изменяющееся магнитное поле, создаваемое индуктивным элементом 158, создается изменяющимся, например переменным током, протекающим через индуктивный элемент 158.
Индуктивный элемент 158, например, может иметь форму проводящего элемента, свернутого в спираль. Например, индуктивный элемент 158 может быть медной катушкой. Индуктивный элемент 158 может содержать, например, многожильный провод, такой как высокочастотный обмоточный провод, например провод, содержащий несколько индивидуально изолированных проводов, скрученных вместе. Сопротивление многожильного провода переменному току зависит от частоты, и многожильный провод может быть выполнен таким образом, чтобы потребление энергии индуктивным элементом уменьшалось на частоте возбуждения. В качестве другого примера индуктивный элемент 158 может представлять собой, например, спиральную дорожку на печатной плате. Использование спиральной дорожки на печатной плате может быть полезно, поскольку это дает жесткую и самонесущую дорожку с поперечным сечением, что устраняет любые требования к многожильному проводу (который может быть дорогим), которую можно производить серийно с высокой воспроизводимостью при низкой стоимости. Хотя показан один индуктивный элемент 158, понятно, что может быть более одного индуктивного элемента 158, предназначенного для индукционного нагрева одного или нескольких токоприемных конструкций 110.
Емкость C резонансной цепи 150 обеспечивают конденсатором 156. Конденсатор 156 может представлять собой, например, керамический конденсатор класса 1, например конденсатор типа COG. Полная емкость C может также включать паразитную емкость резонансной цепи 150; однако она пренебрежимо мала по сравнению с емкостью, обеспечиваемой конденсатором 156.
Сопротивление резонансной цепи 150 не показано на фиг. 2, но следует понимать, что сопротивление цепи может быть обеспечено сопротивлением дорожки или провода, соединяющего компоненты резонансной цепи 150, сопротивлением индуктивного элемента 158 и/или сопротивлением току, протекающему по резонансной цепи 150, обеспечиваемым токоприемной конструкцией 110, предназначенной для передачи энергии с помощью индуктивного элемента 158. В некоторых примерах в резонансную цепь 150 могут быть включены один или несколько специальных резисторов (не показаны).
На резонансную цепь 150 подают напряжение V1 постоянного тока, обеспечиваемое источником 104 постоянного тока (см. фиг.1), например батареей. Положительный вывод источника V1 напряжения постоянного тока соединен с резонансной цепью 150 в первой точке 159 и во второй точке 160. Отрицательный вывод (не показан) источника V1 напряжения постоянного тока соединен с землей 151 и, следовательно, в этом примере, с выводами S истока обоих полевых МОП-транзисторов M1 и M2. В примерах напряжение V1 питания постоянного тока могут подавать в резонансную цепь непосредственно от батареи или через промежуточный элемент.
Следовательно, резонансную цепь 150 можно рассматривать как электрический мост с индуктивным элементом 158 и конденсатором 156, включенными параллельно между двумя плечами моста. Резонансная цепь 150 действует, создавая эффект переключения, описанный ниже, в результате чего через индуктивный элемент 158 протекает изменяющийся, например, переменный ток, создавая, таким образом, переменное магнитное поле и нагревая токоприемную конструкцию 110.
Первая точка 159 подключена к первому узлу A, расположенному на первой стороне параллельной комбинации индуктивного элемента 158 и конденсатора 156. Вторая точка 160 подключена ко второму узлу B, расположенному на второй стороне параллельной комбинации индуктивного элемента 158 и конденсатора 156. Первый дроссель 161 включен последовательно между первой точкой 159 и первым узлом A, а второй дроссель 162 включен последовательно между второй точкой 160 и вторым узлом B. Первый и второй дроссели 161 и 162 служат для отфильтровывания частот переменного тока, не пропуская их в цепь из первой точки 159 и второй точки 160 соответственно, но позволяя проходить постоянному току в индуктивный элемент 158 и через него. Дроссели 161 и 162 позволяют напряжению в узлах A и B колебаться с небольшими или отсутствующими видимыми эффектами в первой точке 159 или второй точке 160.
В этом конкретном примере первый полевой МОП-транзистор M1 и второй полевой МОП-транзистор M2 представляют собой полевые n-канальные МОП-транзисторы, работающие в режиме обогащения. Вывод стока первого полевого МОП-транзистора M1 подключен к первому узлу A через провод или подобное, в то время как вывод стока второго полевого МОП-транзистора M2 подключен ко второму узлу B через провод или подобное. Вывод истока каждого полевого МОП-транзистора M1, M2 подключен к земле 151.
Резонансная цепь 150 содержит второй источник напряжения V2, источник напряжения затвора (или иногда называемый здесь управляющим напряжением), при этом его положительный вывод подключен к третьей точке 165, которую используют для подачи напряжения на выводы G1, G2 затвора первого и второго полевых МОП-транзисторов M1 и M2. Управляющее напряжение V2, подаваемое на третью точку 165 в этом примере, не зависит от напряжения V1, подаваемого на первую и вторую точки 159, 160, что позволяет изменять напряжение V1 без воздействия на управляющее напряжение V2. Первый нагрузочный резистор 163 подключен между третьей точкой 165 и выводом G1 затвора первого полевого МОП-транзистора M1. Второй нагрузочный резистор 164 подключен между третьей точкой 165 и выводом G2 затвора второго полевого МОП-транзистора M2.
В других примерах можно использовать транзистор другого типа, например полевой транзистор другого типа. Следует понимать, что эффект переключения, описанный ниже, может быть в равной степени достигнут для другого типа транзистора, который способен переключаться из включенного состояния в выключенное состояние. Значения и полярности питающих напряжений V1 и V2 могут быть выбраны в зависимости от свойств используемого транзистора и других компонентов в схеме. Например, напряжения питания могут быть выбраны в зависимости от того, используется ли n-канальный транзистор или p-канальный, или в зависимости от конфигурации, в которой подключен транзистор, или от разности потенциалов, приложенной к выводам транзистора, что приводит к тому, что транзистор либо включен, либо выключен.
Резонансная цепь 150 также содержит первый диод d1 и второй диод d2, которые в этом примере являются диодами Шотки, но в других примерах может быть использован любой другой подходящий тип диода. Вывод G1 затвора первого полевого МОП-транзистора M1 соединен с выводом D2 стока второго полевого МОП-транзистора M2 через первый диод d1, причем проводящее направление первого диода d1 направлено в сторону стока D2 второго полевого МОП-транзистора M2.
Вывод G2 затвора второго полевого МОП-транзистора M2 соединен с выводом D1 стока первого полевого МОП-транзистора M1 через второй диод d2, причем проводящее направление второго диода d2 направлено в сторону стока D1 первого полевого МОП-транзистора M1. Первый и второй диоды Шотки d1 и d2 могут иметь пороговое напряжение диода около 0,3 В. В других примерах можно использовать кремниевые диоды, имеющие пороговое напряжение диода около 0,7 В. В примерах тип используемого диода выбирают в сочетании с пороговым напряжением затвора, чтобы обеспечить требуемое переключение полевых МОП-транзисторов M1 и M2. Следует понимать, что тип диода и напряжение V2 питания затвора также можно выбрать в сочетании со значениями нагрузочных резисторов 163 и 164, а также других компонентов резонансной цепи 150.
Резонансная цепь 150 поддерживает ток через индуктивный элемент 158, который представляет собой переменный ток из-за переключения первого и второго полевых МОП-транзисторов M1 и M2. Поскольку в этом примере полевые МОП-транзисторы M1 и M2 являются полевыми МОП-транзисторами, работающими в режиме обогащения, если напряжение, приложенное к выводу затвора G1, G2 первого и второго полевого МОП-транзистора, является таким, что напряжение затвор-исток выше заранее заданного порога для этого полевого МОП-транзистора, то полевой МОП-транзистор переходит во включенное состояние. Тогда ток может течь от вывода D1, D2 стока к выводу S1, S2 истока, который подключен к земле 151. Последовательное сопротивление полевого МОП-транзистора в этом включенном состоянии пренебрежимо мало для работы цепи, и можно считать, что вывод D стока имеет потенциал земли, когда полевой МОП-транзистор находится во включенном состоянии. Порог затвор-исток для полевого МОП-транзистора может быть любым подходящим значением для резонансной цепи 150, и понятно, что величину напряжения V2 и сопротивления резисторов 164 и 163 выбирают в зависимости от порогового напряжения затвор-исток полевых МОП-транзисторов M1 и M2 по существу так, чтобы напряжение V2 было больше, чем пороговое напряжение(я) затвора.
Теперь будет описана процедура переключения резонансной цепи 150, которая приводит к изменению тока, протекающего через индуктивный элемент 158, начиная с состояния, при котором напряжение в первом узле A высокое, а напряжение во втором узле B низкое.
Если напряжение в узле A высокое, то напряжение на выводе стока D1 первого полевого МОП-транзистора M1 также высокое, потому что в этом примере вывод D1 стока M1 подключен непосредственно к узлу A через проводник. В то же время, если напряжение в узле B удерживают низким, то напряжение на выводе D2 истока второго полевого МОП-транзистора M2 соответственно является низким (в этом примере вывод истока транзистора M2 непосредственно подключен к узлу B через проводник).
Соответственно, в это время значение напряжения стока транзистора M1 высокое и больше, чем напряжение затвора транзистора M2. Поэтому второй диод d2 в это время имеет обратное смещение. Напряжение затвора транзистора M2 в это время больше, чем напряжение на выводе истока транзистора M2, а напряжение V2 таково, что напряжение затвор-исток на транзисторе M2 больше, чем порог включения для МОП-транзистора M2. Таким образом, M2 в это время включен.
В то же время напряжение стока транзистора M2 низкое, и первый диод d1 является прямосмещенным из-за подачи напряжения V2 затвора на вывод затвора транзистора M1. Таким образом, вывод затвора транзистора M1 соединен через прямосмещенный первый диод d1 с выводом стока низкого напряжения второго полевого МОП-транзистора M2, и поэтому напряжение затвора транзистора M1 также низкое. Другими словами, поскольку транзистор M2 включен, он действует как зажим заземления, что приводит к прямому смещению первого диода d1 и низкому напряжению затвора транзистора M1. Таким образом, напряжение затвор-исток транзистора M1 ниже порога включения, и первый полевой МОП-транзистор M1 выключен.
В общем, в этот момент цепь 150 находится в первом состоянии, в котором:
напряжение в узле А высокое;
напряжение в узле B низкое;
первый диод d1 является прямосмещенным;
второй МОП-транзистор M2 включен;
второй диод d2 является обратносмещенным; и
первый полевой МОП-транзистор M1 выключен.
0
С этого момента, когда второй полевой МОП-транзистор M2 находится во включенном состоянии, а первый полевой МОП-транзистор M1 находится в выключенном состоянии, ток от источника V1 проходит через первый дроссель 161 и через индуктивный элемент 158. Благодаря наличию индуктивного дросселя 161 напряжение в узле A может свободно колебаться. Поскольку индуктивный элемент 158 параллелен конденсатору 156, наблюдаемое напряжение в узле A соответствует полусинусоидальному профилю напряжения. Частота наблюдаемого напряжения в узле A равна резонансной частоте f цепи 150.
Напряжение в узле A уменьшается синусоидально с течением времени от максимального значения до 0 в результате ослабления энергии в узле A. Напряжение в узле B поддерживают низким (поскольку МОП-транзистор M2 включен), а индуктивный элемент L заряжается от источника V1 постоянного тока. МОП-транзистор M2 отключается в момент времени, когда напряжение в узле A равно или ниже порогового напряжения затвора транзистора M2 плюс напряжение прямого смещения диода d2. Когда напряжение в узле A наконец достигнет нуля, МОП-транзистор M2 будет полностью выключен.
В то же время или вскоре после этого напряжение в узле B становится высоким. Это происходит из-за резонансной передачи энергии между индуктивным элементом 158 и конденсатором 156. Когда напряжение в узле B становится высоким из-за этой резонансной передачи энергии, ситуация, описанная выше в отношении узлов A и B и полевых МОП-транзисторов M1 и M2, меняется на противоположную. То есть когда напряжение на A уменьшается до нуля, напряжение стока транзистора M1 уменьшается. Напряжение стока транзистора M1 уменьшается до точки, когда второй диод d2 больше не является обратносмещенным и становится прямосмещенным. Точно так же напряжение в узле B повышается до своего максимума, и первый диод d1 переключается с прямого смещения на обратное. Когда это происходит, напряжение затвора транзистора M1 больше не связано с напряжением стока транзистора M2, и поэтому напряжение затвора транзистора M1 становится высоким при подаче напряжения V2 затвора. Поэтому первый полевой МОП-транзистор M1 переходит во включенное состояние, поскольку его напряжение затвор-исток теперь превышает пороговое значение для включения. Поскольку вывод затвора транзистора M2 теперь соединен через прямосмещенный второй диод d2 с выводом стока низкого напряжения транзистора M1, то напряжение затвора транзистора M2 является низким. Поэтому транзистор M2 переходит в выключенное состояние.
В общем, в этот момент цепь 150 находится во втором состоянии, в котором:
напряжение в узле А низкое;
напряжение в узле B высокое;
первый диод d1 является обратносмещенным;
второй полевой МОП-транзистор M2 выключен;
второй диод d2 является прямосмещенным; и
первый полевой МОП-транзистор M1 включен.
В этот момент ток проходит через индуктивный элемент 158 от напряжения V1 питания через второй дроссель 162. Таким образом, направление тока изменилось на противоположное из-за операции переключения резонансной цепи 150. Резонансная цепь 150 будет продолжать переключаться между описанным выше первым состоянием, в котором первый полевой МОП-транзистор M1 выключен, а второй полевой МОП-транзистор M2 включен, и вышеописанным вторым состоянием, в котором первый полевой МОП-транзистор M1 включен, а второй полевой МОП-транзистор M2 выключен.
В установившемся режиме работы энергия передается между электростатической областью (то есть, конденсатором 156) и магнитной областью (т.е. индуктивным элементом 158), и наоборот.
Чистый эффект переключения возникает в ответ на колебания напряжения в резонансной цепи 150, где происходит передача энергии между электростатической областью (то есть конденсатором 156) и магнитной областью (т.е. индуктивным элементом 158), таким образом создавая изменяющийся со временем ток в параллельной LC-цепи, который изменяется на резонансной частоте цепи. Это предпочтительно для передачи энергии между индуктивным элементом 158 и токоприемной конструкцией 110, поскольку цепь 150 работает на оптимальном уровне эффективности и, следовательно, обеспечивает более эффективный нагрев материала 116, генерирующего аэрозоль, по сравнению со схемой, работающей без резонанса. Описанное устройство переключения обладает преимуществом, поскольку оно позволяет цепи 150 работать на резонансной частоте в условиях изменяющейся нагрузки, например, когда с индуктивным элементом связывают другой токоприемник. Это означает, что в случае изменения свойств цепи 150 (например, если присутствует токоприемник 110 или нет, или если изменяется температура токоприемника, или даже при физическом перемещении токоприемного элемента 110), динамическая природа цепи 150 непрерывно адаптирует свою резонансную точку для оптимальной передачи энергии, что означает, что цепь 150 всегда работает в резонансе. Более того, конфигурация цепи 150 такова, что не требуется внешний контроллер или что-либо подобное для подачи сигналов управляющего напряжения на затворы полевых МОП-транзисторов для осуществления переключения.
В примерах, описанных выше со ссылкой на фиг. 2, на выводы G1, G2 затвора подают напряжение затвора посредством второго источника питания, который отличается от источника питания напряжения V1 истока. Однако в некоторых примерах на выводы затвора могу подавать то же напряжение, что и напряжение V1 истока. В таких примерах первая точка 159, вторая точка 160 и третья точка 165 в цепи 150 могут, например, быть подключены к одной шине питания. В таких примерах следует понимать, что свойства компонентов цепи должны быть выбраны так, чтобы описанное переключение могло иметь место. Например, напряжение питания затвора и пороговые напряжения диодов следует выбирать таким образом, чтобы колебания цепи запускали переключение полевых МОП-транзисторов на соответствующем уровне. Обеспечение отдельных значений напряжения для напряжения V2 питания затвора и напряжения V1 истока позволяет изменять напряжение V1 истока независимо от напряжения V2 питания затвора, не влияя на работу механизма переключения цепи.
0
0
0
Резонансная частота f цепи 150 может находиться в мегагерцовом диапазоне, например, в диапазоне от 0,5 МГц до 4 МГц, например, в диапазоне от 2 МГц до 3 МГц. Следует понимать, что резонансная частота f резонансной цепи 150 зависит от индуктивности L и емкости C цепи 150, как указано выше, что, в свою очередь, зависит от индуктивного элемента 158, конденсатора 156, а также от токоприемной конструкции 110. То есть, можно считать, что резонансная частота изменяется в ответ на передачу энергии от индуктивного элемента на токоприемную конструкцию. По существу, резонансная частота f цепи 150 может варьироваться от реализации к реализации. Например, частота может находиться в диапазоне от 0,1 МГц до 4 МГц, или в диапазоне от 0,5 МГц до 2 МГц, или в диапазоне от 0,3 МГц до 1,2 МГц. В других примерах резонансная частота может находиться в диапазоне, отличном от описанного выше. Как правило, резонансная частота будет зависеть от характеристик цепи, таких как электрические и/или физические свойства используемых компонентов, включая токоприемную конструкцию 110.
Также понятно, что свойства резонансной цепи 150 могут быть выбраны на основе других факторов для данной токоприемной конструкции 110. Например, чтобы улучшить передачу энергии от индуктивного элемента 158 к токоприемной конструкции 110, может быть полезно выбрать глубину скин-слоя (то есть глубину от поверхности токоприемной конструкции 110, в пределах которой плотность тока падает на коэффициент 1/e, который по меньшей мере является функцией частоты) на основе свойств материала токоприемной конструкции 110. Глубина скин-слоя различается для разных материалов токоприемных конструкций 110 и уменьшается с увеличением частоты возбуждения. С другой стороны, например, чтобы уменьшить долю мощности, подаваемой в резонансную цепь 150 и/или приводной элемент 102, которая теряется в виде тепла внутри электронных компонентов, может быть предпочтительной схема, которая работает на сравнительно более низких частотах. Поскольку в этом примере частота возбуждения равна резонансной частоте, здесь рассматривают вопросы, касающиеся частоты возбуждения, в отношении получения соответствующей резонансной частоты, например, путем разработки токоприемной конструкции 110 и/или использования конденсатора 156 с определенной емкостью и индуктивного элемента 158 с определенной индуктивностью. Поэтому в некоторых примерах в качестве подходящего и/или желательного может быть выбран компромисс между этими факторами.
0
Резонансная цепь 150 на фиг. 2 имеет резонансную частоту f, при которой ток I минимизируют, а динамическое сопротивление максимизируют. Резонансная цепь 150 работает на этой резонансной частоте, и поэтому колеблющееся магнитное поле, создаваемое индуктивным элементом 158, является максимальным, а индукционный нагрев токоприемной конструкции 110 индуктивным элементом 158 максимален.
В некоторых примерах индукционным нагревом токоприемной конструкции 110 резонансной цепью 150 можно управлять, управляя напряжением питания, подаваемым в резонансную цепь 150, которое, в свою очередь, может управлять током, протекающим в резонансной цепи 150, и, следовательно, может управлять энергией, передаваемой токоприемной конструкции 110 посредством резонансной цепи 150, и, следовательно, степенью, до которой нагревают токоприемную конструкцию 110. Понятно, что в других примерах температуру токоприемной конструкции 110 можно контролировать и регулировать, например, путем изменения напряжения (например, путем изменения величины подаваемого напряжения или изменения рабочего цикла импульса сигнала напряжения широтно-импульсной модуляции), подаваемого на индуктивный элемент 158 в зависимости от того, надо ли в большей или меньшей степени нагревать токоприемную конструкцию 110.
0
Как упоминалось выше, индуктивность L резонансной цепи 150 обеспечивают индуктивным элементом 158, предназначенным для индукционного нагрева токоприемной конструкции 110. По меньшей мере часть индуктивности L резонансной цепи 150 связана с магнитной проницаемостью токоприемной конструкции 110. Поэтому, индуктивность L и, следовательно, резонансная частота f резонансной цепи 150 может зависеть от конкретного используемого токоприемника(ов) и его положения относительно индуктивного элемента(ов) 158, которое может время от времени изменяться. Кроме того, магнитная проницаемость токоприемной конструкции 110 может изменяться при изменении температуры токоприемника 110.
На фиг. 3 показан второй пример резонансной цепи 250. Вторая резонансная цепь 250 содержит много таких же компонентов, что и резонансная цепь 150, и одинаковые компоненты в каждой резонансной цепи 150, 250 обозначены одинаковыми ссылочными позициями и в дальнейшем не будут подробно описаны.
Вторая цепь 250 отличается от первой цепи 150 тем, что вторая цепь 250 не содержит диодов d1, d2, через которые выводы G1, G2 затвора каждого из транзисторов M1, M2 соответственно подключены к выводам D1, D2 стока транзисторов M1, M2. Вместо диодов d1, d2, которые входят в состав первой цепи 150, вторая цепь 250 содержит третий полевой МОП-транзистор M3 и четвертый полевой МОП-транзистор M4.
Во второй цепи 250 затвор G1 первого МОП-транзистора M1 соединен со стоком D2 второго МОП-транзистора M2 через третий МОП-транзистор M3. Затвор G2 второго МОП-транзистора M2 аналогичным образом подключен к стоку D1 первого МОП-транзистора M1 через четвертый МОП-транзистор M4. Управляющее напряжение V2 подают от точки 165 на выводы G3, G4 затвора третьего МОП-транзистора M3 и четвертого МОП-транзистора M4. В примере, таком как пример, представленный на фиг. 3, выводы G3, G4 затвора третьего МОП-транзистора M3 и четвертого МОП-транзистора M4 соединены друг с другом через электрический проводник, например, электрическую дорожку, и напряжение V2 подают в точку на электрическом проводнике. Понятно, что третий МОП-транзистор M3 и четвертый МОП-транзистор M4 имеют пороговое напряжение затвора, так что если на его вывод G3, G4 затвора подают напряжение больше порогового напряжения, то соответствующий МОП-транзистор M3, M4 переходит во включенное состояние, так что ток может течь от его вывода стока на вывод истока. В примерах напряжение V2 больше, чем пороговые напряжения третьего и четвертого МОП-транзисторов M3, M4, так что подача управляющего напряжения V2 переводит третий и четвертый МОП-транзисторы M3, M4 во включенное состояние. В примере пороговое напряжение третьего МОП-транзистора M3 равно пороговому напряжению четвертого МОП-транзистора M4. В некоторых примерах вторая цепь 250 может содержать один из нагрузочных резисторов (не показан на фиг. 3), подключенный между затворами G1, G2 первого и второго МОП-транзисторов M1, M2 и землей.
Вторая цепь 250 работает как автоколебательная цепь, которая заставляет изменяющийся ток протекать через индуктивный элемент 158 так, как описано в отношении первого примера цепи 150 со ссылкой на фиг. 2. Различия в поведении второй цепи 250 от поведения первого примера цепи 150 обусловлены использованием МОП-транзисторов M3, M4 вместо диодов d1, d2 и будут очевидны из последующего описания.
Теперь будет описана процедура переключения второй цепи 250, которая приводит к переменному току через индуктивный элемент 158.
Когда на затворы G3, G4 третьего и четвертого МОП-транзисторов M3, M4 подают напряжение V2, третий и четвертый МОП-транзисторы M3, M4 переходят во включенное состояние. С учетом напряжения V1 в этот момент первый, второй, третий и четвертый МОП-транзисторы M1-M4 находятся во включенном состоянии. В этот момент напряжения в узлах A и B начинают снижаться. В цепи 250 может иметь место некоторый дисбаланс, например, различия сопротивления между МОП-транзисторами M1-M4 или свойств величин индуктивных элементов, присутствующих в цепи. Эти дисбалансы действуют так, что напряжение в одном из узлов A или B начинает снижаться быстрее, чем в другом узле A, B. МОП-транзистор M1, M2, соответствующий узлу A, B, в котором напряжение снижается быстрее, будет оставаться во включенном состоянии. Другой МОП-транзистор M1, M2, соответствующий другому узлу A, B переходит в выключенное состояние. Далее описана ситуация, в которой напряжение в узле A начинает колебаться, а напряжение в узле B остается нулевым. Тем не менее, точно так же, это может быть случай, в котором напряжение в узле B начинает колебаться, в то время как напряжение в узле A остается нулевым.
Если напряжение в узле A поднимается, то напряжение на выводе стока D1 первого полевого МОП-транзистора M1 также поднимается, потому что вывод D1 стока первого МОП-транзистора M1 подключен к узлу A через проводник. В то же время, если напряжение в узле B удерживают низким, то напряжение на выводе D2 истока второго полевого МОП-транзистора M2 соответственно является низким (в этом примере вывод D2 истока второго МОП-транзистора M2 непосредственно подключен к узлу B через проводник).
По мере того, как напряжение в узле A и на стоке D1 первого МОП-транзистора M1 повышается, напряжение на затворе G2 второго МОП-транзистора M2 повышается. Это происходит из-за того, что сток D1 соединен через четвертый МОП-транзистор M4 с затвором G2 второго МОП-транзистора M2, а четвертый МОП-транзистор M4 находится во включенном состоянии, благодаря тому что на его вывод G4 затвора подают напряжение V2.
max
max
gsM4
max
max
gsM4
По мере того, как напряжение на стоке D1 первого МОП-транзистора M1 увеличивается, напряжение на затворе G2 второго МОП-транзистора M2 продолжает увеличиваться до тех пор, пока не достигнет максимального значения напряжения V. Максимальное значение напряжения V, достигнутое на затворе G2 второго МОП-транзистора M2, зависит от управляющего напряжения V2 и напряжения затвор-исток четвертого МОП-транзистора M4 (V). Максимальное значение V может быть выражено как V = V2 – V.
После половины цикла колебаний на резонансной частоте цепи 250 напряжение на стоке D1 первого МОП-транзистора M1 начинает снижаться. Напряжение на стоке D1 первого МОП-транзистора M1 снижается до тех пор, пока не достигнет 0 В. В этот момент первый МОП-транзистор M1 переходит из выключенного состояния во включенное, а второй МОП-транзистор M2 переходит из включенного состояния в выключенное.
Затем, цепь продолжает колебаться так же, как описано выше за исключением того, что узел A остается под напряжением ноль Вольт, в то время как узел B может свободно колебаться. То есть, напряжение на стоке D2 второго МОП-транзистора M2 и на узле B начинает увеличиваться, в то время как напряжение на стоке D1 первого МОП-транзистора M1 и на узле A остается нулевым.
По мере увеличения напряжения на узле B и на стоке D2 второго МОП-транзистора M2 напряжение на затворе G1 первого МОП-транзистора M1 увеличивается, так как сток D2 соединен через третий МОП-транзистор M3 с затвором G1 первого МОП-транзистора M1, а третий МОП-транзистор M3 находится во включенном состоянии, благодаря напряжению V2, подаваемому на его затвор G3.
max
max
gsM3
max
max
gsM3
gsM3
gsM4
По мере того, как напряжение на стоке D2 второго МОП-транзистора M2 увеличивается, напряжение на затворе G1 первого МОП-транзистора M1 продолжает увеличиваться до тех пор, пока не достигнет максимального значения напряжения V. Максимальное значение напряжения V, достигнутое на затворе G1, зависит от управляющего напряжения V2 и напряжения затвор-исток третьего МОП-транзистора M3 (V). Максимальное значение V может быть выражено как V = V2 – V. В этом примере напряжения затвор-исток третьего и четвертого МОП-транзисторов M3, M4 равны друг другу, т.е. V = V.
После половины цикла колебаний на резонансной частоте второй цепи 250 напряжение на стоке D2 второго МОП-транзистора M2 начинает снижаться. Напряжение на стоке D2 второго МОП-транзистора M2 снижается до тех пор, пока не достигнет 0 В. В этот момент второй МОП-транзистор M2 переходит из выключенного состояния во включенное, а первый МОП-транзистор M1 переходит из включенного состояния в выключенное.
Аналогично тому, как было описано со ссылкой на первый пример цепи 150, когда второй полевой МОП-транзистор M2 находится во включенном состоянии, а первый полевой МОП-транзистор M1 находится в выключенном состоянии, ток от источника V1 проходит через первый дроссель 161 и через индуктивный элемент 158. Когда первый полевой МОП-транзистор M1 находится во включенном состоянии, а второй полевой МОП-транзистор M2 находится в выключенном состоянии, ток от источника V1 проходит через второй дроссель 162 и через индуктивный элемент 158. Поэтому, второй пример цепи 250 осуществляет колебания так же, как описано для первого примера цепи 150 на фиг. 2, при этом направление тока меняется на противоположное при каждом переключении цепи 250.
Использование третьего и четвертого МОП-транзисторов M3, M4 в некоторых примерах может быть предпочтительным, потому что это может дать более низкие энергетические потери. То есть, первый пример цепи 250 может дать резистивные потери из-за некоторого потребления тока, проходящего через нагрузочные резисторы 163, 164 к земле 151. Например, если первый МОП-транзистор M1 находится во включенном состоянии, то второй диод d2 является прямосмещенным, и, таким образом, может потребляться небольшой ток через второй нагрузочный резистор 164, что приводит к резистивным потерям. Аналогично, если второй МОП-транзистор M2 находится во включенном состоянии, то могут иметь место резистивные потери из-за тока, проходящего через нагрузочный резистор 163. Второй пример цепи в примерах может не содержать резисторов 163, 164. Второй пример цепи 250 может снизить такие потери путем замены нагрузочных резисторов 163, 164 и диодов d1, d2 на третий и четвертый МОП-транзисторы M3, M4. Например, во втором примере цепи 250, если первый МОП-транзистор M1 находится в выключенном состоянии, то ток, проходящий через третий МОП-транзистор M3, может быть по существу равен нулю. Аналогично, во втором примере цепи 250, если второй МОП-транзистор M2 находится в выключенном состоянии, то ток, проходящий через четвертый МОП-транзистор M4, может быть по существу равен нулю. Таким образом, резистивные потери можно сократить путем применения компоновки, показанной во второй цепи 250. Кроме того, может потребоваться энергия для зарядки и разрядки затворов G1, G2 первого МОП-транзистора M1 и второго МОП-транзистора M2. Вторая цепь 250 может предусматривать эффективную подачу этой энергии от узлов A и B.
Примеры цепей, описанных выше, содержат два дросселя 161, 162. В другом примере цепь индукционного нагрева может содержать только один дроссель. В таком примере цепи индукционная катушка 158 может представлять собой "центрально-секционированную" катушку.
На фиг. 4 показан третий пример цепи 350, который является вариантом первого примера цепи 150, и в котором катушка 158 представляет собой центрально-секционированную катушку, а единственный дроссель 461 заменяет первый и второй дроссели 161, 162. Токоприемник 110 на фиг. 4 не показан для простоты. Опять, такие же компоненты, что и в цепи 150, показанной на фиг. 2, обозначены на фиг. 4 теми же ссылочными позициями, что и на фиг. 1.
В третьей цепи 350 напряжение V1 подают через дроссель 461 к центру индукционной катушки 158 в одной точке 459 в отличие от первой и второй точек 159, 160 в первом примере цепи 150. В отличие от первого и второго примеров цепи 150, 250, где ток проходит попеременно через первый дроссель 161 и второй дроссель 162, когда ток в цепи меняет направление вследствие резонансных колебаний цепи, ток проходит через единственный дроссель 461 и попеременно проходит через первую часть 158a индуктивного элемента 158 и через вторую часть 158b индуктивного элемента 158, когда колебания в цепи 350 меняют направление вследствие переключения МОП-транзисторов M1, M2. В остальном третья цепь 350 работает так же как первая цепь 150.
Четвертый пример цепи показан на фиг. 5. Опять, такие же компоненты, что и в цепи 150, показанной на фиг. 2, обозначены на фиг. 4 теми же ссылочными позициями, что и на фиг. 1. Четвертая цепь 450 отличается от третьей цепи 350 тем, что вместо единственного конденсатора 156 в третьей цепи 350 четвертая цепь 450 содержит первый конденсатор 156a и второй конденсатор 156b. Четвертая цепь 450, так же как и третья цепь 350, содержит центрально-секционированную конструкцию, где индуктивный элемент содержит первую часть 158a и вторую часть 158b. Напряжение V1 подают через дроссель 461 в центр индукционной катушки 158 (как в схеме на фиг. 4), и центр индукционной катушки 158 также электрически соединен с точкой между первым конденсатором 156a и вторым конденсатором 156b. Таким образом выполнено два контура цепи, один из которых содержит первую часть 158a индуктивного элемента и первый конденсатор 156a, а другой содержит вторую часть индуктивного элемента 158b и второй конденсатор 156b. В остальном четвертая цепь 450 работает так же как третья цепь 350.
Центрально-секционированная конструкция, описанная со ссылкой на фиг. 4 и 5, также может быть применена в схеме, в которой используют третий и четвертый МОП-транзисторы вместо диодов, как описано со ссылкой на фиг. 3. Применение центрально-секционированной конструкции может быть предпочтительным, так как число частей, необходимых для сборки цепи, может быть сокращено. Например, число дросселей можно сократить с двух до одного.
В примерах, описанных в данном документе, токоприемная конструкция 110 содержится в расходной детали и, поэтому, является сменной. Например, токоприемная конструкция 110 может быть одноразовой и, например, может быть интегрирована в материал 116, генерирующий аэрозоль, который она должна для нагревать. Резонансная цепь 150 позволяет схеме работать на резонансной частоте, автоматически учитывая различия в конструкции и/или типе материала различных токоприемных конструкций 110 и/или различия в размещении токоприемных конструкций 110 относительно индуктивного элемента 158 при замене токоприемной конструкции 110. Кроме того, резонансная цепь выполнена с возможностью работать в резонансе независимо от конкретного индуктивного элемента 158 или от любого другого используемого компонента резонансной цепи 150. Это особенно полезно для того, чтобы учитывать изменения в производстве как в отношении токоприемной конструкции 110, так и в отношении других компонентов цепи 150. Например, резонансная цепь 150 позволяет цепи продолжать работать на резонансной частоте независимо от использования различных индуктивных элементов 158 с разными значениями индуктивности и/или различий в размещении индуктивного элемента 158 относительно токоприемной конструкции 110. Цепь 150 также может работать в резонансе, даже если компоненты заменяют в течение срока службы устройства.
В некоторых примерах устройство 100 генерации аэрозоля выполнено с возможностью применения с множеством различных типов расходных деталей, каждая из которых содержит токоприемную конструкцию другого типа, отличную от других расходных деталей.
Различные токоприемные конструкции могут быть выполнены, например, из различных материалов или могут иметь различную форму или различные размеры, или различные сочетания различных материалов или форм или размеров.
При использовании резонансная частота цепи 150 зависит от конкретной токоприемной конструкции расходной детали какого-либо типа, соединенной, например, вставленной, в устройство 100. Тем не менее, изменение частоты тока, проходящего через индуктивный элемент 158 резонансной цепи, благодаря автоколебательному устройству цепи 150, выполнено так, чтобы самостоятельно подстраиваться для соответствия изменениям резонансной частоты, вызванным связью различных токоприемников/расходных деталей с индуктивным элементом. Соответственно, цепь выполнена с возможностью нагревать токоприемную конструкцию на резонансной частоте цепи 150, когда расходная деталь соединена с устройством 100 независимо от свойств токоприемной конструкции или расходной детали.
В некоторых примерах устройство 100 генерации аэрозоля выполнено с возможностью принимать первую расходную деталь, имеющую первую токоприемную конструкцию, и устройство также выполнено с возможностью принимать вторую расходную деталь, имеющую вторую токоприемную конструкцию, которая отличается от первой токоприемной конструкции.
Например, устройство 100 может быть выполнено с возможностью принимать первую расходную деталь, содержащую алюминиевый токоприемник определенного размера, а также выполнено с возможностью принимать вторую расходную деталь, содержащую стальной токоприемник, который может иметь другую форму и/или размер по сравнению с алюминиевым токоприемником.
Изменяющийся ток в цепи 150 поддерживают на первой резонансной частоте резонансной цепи 150, когда первая расходная деталь соединена с устройством, и на второй резонансной частоте резонансной цепи, когда вторая расходная деталь соединена с устройством 100.
Устройство 100 генерации аэрозоля в примерах содержит приемный участок, предназначенный для вставки расходной детали. Приемный участок может быть выполнен с возможностью принимать несколько типов расходных деталей, таких как первая расходная деталь или вторая расходная деталь. На фиг. 1 показано устройство 100 генерации аэрозоля со вставленной расходной деталью 120, которая схематично показана вставленной в приемный участок 130 устройства 100 генерации аэрозоля. Приемный участок 130 может представлять собой полость или камеру в корпусе 112 устройства. Когда расходная деталь 120 находится в приемном участке 130, токоприемная конструкция 110 расходной детали 120 находится вблизи для индукционной связи и нагрева посредством индуктивного элемента 158.
Устройство 100 может быть выполнено с возможностью принимать несколько различных расходных деталей различных форм.
В примерах, как упомянуто выше, индуктивный элемент 158 представляет собой электропроводную катушку. В таких примерах по меньшей мере часть токоприемной конструкции расходной детали может быть выполнена так, чтобы ее можно было вставить в катушку. Это может обеспечить эффективную индукционную связь между токоприемной конструкцией и индуктивным элементом и, таким образом, обеспечить эффективный нагрев токоприемной конструкции.
0
0
MAX
MAX
0
0
Теперь будет описана работа устройства 100, генерирующего аэрозоль, содержащего резонансную цепь 150, в соответствии с примером. Перед включением устройства 100 устройство 100 может находиться в выключенном состоянии, то есть в резонансной цепи 150 ток не течет. Устройство 150 переключают во включенное состояние, например, пользователь включает устройство 100. После включения устройства 100 резонансная цепь 150 начинает потреблять ток от источника 104 напряжения, при этом ток, проходящий через индуктивный элемент 158, изменяется с резонансной частотой f. Устройство 100 может оставаться во включенном состоянии до тех пор, пока контроллер 106 не получит новый входной сигнал, например, пока пользователь не перестанет нажимать кнопку (не показана), или пока детектор затяжки (не показан) будет активирован, или пока не истечет максимальное время нагрева. Резонансная цепь 150, работающая на резонансной частоте f, заставляет переменный ток I течь в резонансной цепи 150 и индуктивном элементе 158 и, следовательно, индуктивно нагревать токоприемную конструкцию 110. Поскольку токоприемную конструкцию 110 нагревают индуктивно, ее температура (и, следовательно, температура материала 116, генерирующего аэрозоль) увеличивается. В этом примере токоприемная конструкция 110 (и материал 116, генерирующий аэрозоль) нагревают так, что она достигает постоянной температуры T. Температура T может составлять, например, от около 200 до около 300°C (хотя, конечно, это может быть другая температура в зависимости от материала 116, токоприемной конструкции 110, компоновки всего устройства 100 и/или других требований и/или условий). Таким образом, устройство 100 находится в состоянии или режиме "нагрева", при котором материал 116, образующий аэрозоль, достигает температуры, при которой в основном образуется аэрозоль или образуется значительное количество аэрозоля. Следует понимать, что в большинстве, если не во всех случаях, при изменении температуры токоприемной конструкции 110 изменяется и резонансная частота f резонансной цепи 150. Это связано с тем, что магнитная проницаемость токоприемной конструкции 110 является функцией температуры, и, как описано выше, магнитная проницаемость токоприемной конструкции 110 влияет на связь между индуктивным элементом 158 и токоприемной конструкцией 110 и, следовательно, на резонансную частоту f резонансной цепи 150.
В настоящем раскрытии преимущественно описана конфигурация параллельной LC-цепи. Как упоминалось выше, для параллельной LC-цепи в резонансе импеданс является максимальным, а ток минимальным. Отметим, что минимальный ток обычно относится к току, наблюдаемому за пределами параллельного LC-контура, например, слева от дросселя 161 или справа от дросселя 162. И наоборот, в последовательной LC-цепи ток является максимальным, и, вообще говоря, необходимо вставить резистор, чтобы ограничить ток до безопасного значения, который в противном случае может повредить некоторые электрические компоненты в цепи. Обычно это снижает эффективность схемы, поскольку через резистор теряют энергию. Параллельная цепь, работающая в резонансе, не требует таких ограничений.
0
В некоторых примерах токоприемная конструкция 110 содержит или состоит из алюминия. Алюминий является примером цветного металла и поэтому имеет относительную магнитную проницаемость, близкую к единице. Это означает, что алюминий обычно имеет низкую степень намагничивания в ответ на приложенное магнитное поле. Поэтому, обычно считалось трудным осуществить индуктивный нагрев алюминия, особенно при низких значениях напряжения, таких как те, которые используют в системах подачи аэрозолей. Также в целом было установлено, что работа цепи на резонансной частоте является предпочтительной, поскольку она обеспечивает оптимальную связь между индуктивным элементом 158 и токоприемной конструкцией 110. Для алюминия замечено, что небольшое отклонение от резонансной частоты вызывает заметное уменьшение индуктивной связи между токоприемной конструкцией 110 и индуктивным элементом 158 и, таким образом, заметное снижение эффективности нагрева (в некоторых случаях до такой степени, что нагрева больше не наблюдается). Как упоминалось выше, при изменении температуры токоприемной конструкции 110 изменяется и резонансная частота f цепи 150. Следовательно, в случае, когда токоприемная конструкция 110 содержит или состоит из неферромагнитного токоприемника, например, из алюминия, то резонансная цепь 150 в соответствии с настоящим изобретением обладает преимущество, которое состоит в том, что цепь всегда работает на резонансной частоте (независимо от какого-либо внешнего механизма управления). Это означает, что все время достигают максимальной индуктивной связи и, следовательно, максимальной эффективности нагрева, что позволяет эффективно нагревать алюминий. Было установлено, что расходную деталь, включающую в себя алюминиевый токоприемник, можно эффективно нагревать, если расходная деталь включает в себя алюминиевую обертку, образующую замкнутую электрическую цепь и/или имеющую толщину менее 50 микрон.
В примерах, где токоприемная конструкция 110 образует часть расходной детали, расходная деталь может иметь вид, описанный в документе PCT/EP2016/070178, который полностью включен в настоящее описание посредством ссылки.
Вышеупомянутые примеры следует понимать как иллюстративные примеры изобретения. Следует понимать, что любой признак, описанный в отношении любого примера, 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 примера или любой комбинацией любых других примеров. Кроме того, эквиваленты и модификации, не описанные выше, также могут быть использованы без отклонения от объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.