ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTION HEATING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к индукционному нагревательному устройству.
Уровень техники
Такие изделия, как сигареты, сигары и т.п. во время их использования сжигают табак для получения табачного дыма. Были предприняты попытки предложить альтернативы этим изделиям, сжигающим табак, путем создания продуктов, которые высвобождают соединения без горения. Примерами таких продуктов являются, так называемые, продукты нагрева без горения, также известные как продукты нагрева табака или устройства нагрева табака, которые высвобождают соединения путем нагрева, а не сжигания материала. Материал может представлять собой, например, табак или другие не табачные продукты или сочетания, такие как смеси, которые могут содержать, а могут и не содержать никотин.
Раскрытие изобретения
Первым объектом настоящего изобретения является индукционное нагревательное устройство для использования с устройством для нагрева курительного материала для испарения по меньшей мере одного компонента упомянутого курительного материала, при этом индукционное нагревательное устройство содержит: воспринимающий элемент, который нагревают путем проникновения переменного магнитного поля для нагрева курительного материала; по меньшей мере первую индукционную катушку и вторую индукционную катушку, причем первая индукционная катушка предназначена для генерации первого переменного магнитного поля для нагревания первого участка воспринимающего устройства, а вторая индукционная катушка предназначена для генерации второго переменного магнитного поля для нагревания второго участка воспринимающего устройства; управляющую схему для управления первой индукционной катушкой и второй индукционной катушкой, причем управляющая схема сконфигурирована так, что, если одна катушка из первой и второй катушек активно генерирует переменной магнитное поле, то другая катушка из первой и второй индукционных катушек неактивна, и при этом управляющая схема сконфигурирована так, что предотвращают протекание в неактивной первой или второй индукционной катушке тока, индуцированного активной катушкой из первой и второй индукционных катушек, достаточного для того, чтобы вызвать существенный нагрев воспринимающего элемента.
В качестве второго объекта настоящего изобретения предложено устройство подачи аэрозоля для подачи вдыхаемого аэрозоля, причем устройство содержит: нагревающее устройство, выступающее в качестве первого объекта.
Краткое описание чертежей
Теперь только на примере будут описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показано устройство, предназначенное для нагревания курительного материала;
на фиг. 2 приведен вид в поперечном сечении нагревательного устройства для прибора, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 приведена диаграмма первой схемы для управления нагревательным устройством, изображенным на фиг. 2;
на фиг. 4 показан график напряжения как функции времени на компоненте первой цепи, показанной на фиг. 3;
на фиг. 5 приведена диаграмма второй альтернативной схемы для управления нагревательным устройством, изображенным на фиг. 2;
на фиг. 6 диаграмма первой схемы, показанной на фиг. 3, схематично изображена подключенной к дополнительной схеме.
Осуществление изобретения
В данном контексте выражение "курительный материал" обозначает материалы, которые выделяют летучие компоненты при нагревании, обычно в виде аэрозоля. "Курительный материал" включает в себя любые табакосодержащие материалы и может, например, включать в себя одно или несколько из следующего: табак, производные табака, взорванный табак, восстановленный табак или заменители табака. "Курительный материал" также может включать в себя другие, не являющиеся табачными продукты, которые в зависимости от продукта могут содержать, а могут и не содержать никотин. "Курительный материал" может, например, находиться в твердом виде, в жидком виде, в виде геля или воска. "Курительный материал" также может, например, представлять собой сочетание или смесь материалов.
Известно устройство, которое нагревает курительный материал, чтобы испарить по меньшей мере один компонент курительного материала, обычно для образования аэрозоля, который можно вдохнуть, не сжигая или не воспламеняя курительный материал. Такое устройство иногда описывают как устройство "нагрева без горения" или "изделие для нагрева табака", или "устройство для нагрева табака", или подобным образом. Аналогично, также имеются так называемые электронные сигареты, которые обычно испаряют курительный материал в жидком виде, которое может содержать, а может и не содержать никотин. Курительный материал 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 курительного материала может быть выполнен в виде "постоянной" части устройства, либо он может быть выполнен как часть курительного изделия или расходной части, которую выбрасывают и заменяют после использования. "Курительное изделие" в данном контексте – это устройство или изделие, или другой компонент, который включает в себя или содержит используемое курительный материал, который нагревают для испарения курительного материала и, как вариант, других используемых компонентов.
На фиг. 1 показано устройство 100, предназначенное для нагрева курительного материала. Устройство 100 может быть использовано для нагрева курительного материала (не показано на фиг. 1) для испарения по меньшей мере одного компонента курительного материала. В этом примере устройство 100 содержит удлиненный внешний корпус 101. Устройство 100 может содержать любой подходящий материал или материалы, например, внешний корпус 101 может содержать пластик или металл. Устройство 100 имеет мундштук 101а, через который пользователь может втягивать материал, который был испарен в устройстве 100.
У устройства 100 имеется нагревательная камера 102, которая содержит нагревательное устройство 103 для нагревания курительного материала (не показано). Нагревательная камера 102 сообщается с мундштуком 101а.
Устройство 100 также содержит контроллер 106 и источник 108 постоянного тока. Контроллер 106 может содержать управляющую схему и микропроцессор, выполненный с возможностью управлять нагревательным устройством 103, как дополнительно обсуждается ниже.
Источник 108 питания может представлять собой батарею, которая может быть перезаряжаемой батареей или неперезаряжаемой батареей. Примеры включают в себя никель-кадмиевые батареи, хотя можно использовать любые подходящие батареи. Источник 108 питания электрически соединен с нагревательным устройством 103, чтобы при необходимости и под управлением контроллера 106 подавать электроэнергию для нагрева курительного материала (как обсуждалось, чтобы испарять материал, генерирующий аэрозоль, не вызывая его воспламенения и не подвергая пиролизу).
Устройство 100 также может содержать привод 110, например, используемую пользователем нажимную кнопку 110, расположенную снаружи корпуса 101 и соединенную с контроллером 106.
Устройство 100 также может содержать одно или несколько воздуховпускных отверстий 112, проходящих через корпус 101 в нагревательную камеру 102.
При использовании теплота, создаваемая нагревательным устройством 103, нагревает курительный материал в нагревательной камере 102, чтобы получить аэрозоль и/или газ или пар. Когда пользователь осуществляет вдох через мундштук 101а, воздух втягивается в нагревательную камеру 102 через одно или несколько воздуховпускных отверстий 112, и сочетание втянутого воздуха и аэрозоля и/или газа или пара проходит через мундштук 101а для вдыхания пользователем.
Обратимся теперь к фиг. 2, опишем пример нагревательного устройства 103, в котором нагревательное устройство 103 представляет собой индукционное нагревательное устройство, которое вырабатывает теплоту посредством индукционного нагрева.
Нагревательное устройство 103 содержит воспринимающий элемент 202. Воспринимающий элемент 202 содержит первую воспринимающую область 202а и вторую воспринимающую область 202b. В этом примере воспринимающий элемент 202 представляет собой единственный трубчатый элемент, выполненный из материала, который можно нагреть под действием индукции (т.е. воспринимающий элемент 202 вырабатывает теплоту, когда находится вблизи переменного магнитного поля). В некоторых примерах воспринимающий элемент 202 может иметь отличную от круглой форму поперечного сечения, например, квадратную, прямоугольную, треугольную или любую другую подходящую форму. В некоторых примерах воспринимающий элемент 202 может быть не трубчатым, а может представлять собой воспринимающий элемент в виде полотна. В некоторых примерах воспринимающий элемент 202 может содержать материал, обладающий магнитной проницаемостью. Переменное магнитное поле создает вихревые токи в воспринимающем элементе 202, и эти вихревые токи протекают через сопротивление воспринимающего элемента 202, создавая теплоту. В некоторых примерах воспринимающий элемент 202 может быть выполнен из железа, стали, алюминия и т.п.
В примерах, в которых воспринимающий элемент 202 состоит из магнитного материала, переменное магнитное поле вызывает дополнительный нагрев вследствие хорошо известного эффекта гистерезиса.
Нагревательное устройство 103 также содержит первую и вторую индукционные катушки 204, 206 соответственно. Первая и вторая индукционные катушки 204, 206 выполнены из электропроводного материала. В одном примере первая и вторая индукционные катушки 204, 206 выполнены из меди. В другом примере первая и вторая индукционные катушки 204, 206 выполнены из медного многожильного высокочастотного обмоточного провода. В этом примере первая и вторая индукционные катушки 204, 296 намотаны по спирали вокруг центральной продольной оси воспринимающего элемента 202. Первая и вторая индукционные катушки 204, 296 в этом примере намотаны коаксиально вокруг воспринимающего элемента 202, то есть, центральная продольная ось намотки первой и второй индукционных катушек 204, 206 и центральная продольная ось воспринимающего элемента 202 совпадают. В этом примере первая и вторая индукционные катушки 204, 206, намотанные вокруг трубчатого воспринимающего элемента 202, также имеют трубчатую форму. В других примерах, в которых воспринимающий элемент 202 имеет другое поперечное сечение, первая и вторая индукционные катушки 204, 206, намотанные вокруг воспринимающего элемента 202, могут иметь ту же самую форму поперечного сечения, что и воспринимающий элемент 202. Первая индукционная катушка 204 содержит первый конец 204а и второй конец 204b, а вторая индукционная катушка 206 содержит первый конец 206а и второй конец 206b. Первый конец 204а первой индукционной катушки 204 расположен ближе к концу воспринимающего элемента 202, соответствующему первой воспринимающей области 202а, чем к центру воспринимающего элемента 202, а второй конец 204b первой индукционной катушки 204 расположен ближе к воспринимающего элемента 202, чем к концу воспринимающего элемента 202, соответствующему первой воспринимающей области 202а. С другой стороны, первый конец 206а второй индукционной катушки 206 расположен ближе к концу воспринимающего элемента 202, соответствующему второй воспринимающей области 202b, чем к центру воспринимающего элемента 202, а второй конец 206b второй индукционной катушки 206 расположен ближе к воспринимающего элемента 202, чем к концу воспринимающего элемента 202, соответствующему второй воспринимающей области 202b.
В примере, показанном на фиг. 2, первая и вторая индукционные катушки 204, 206 создают переменное магнитное поле, когда через них протекает переменные электрический ток. В этом примере, когда переменный ток протекает через первую индукционную катушку 204, она создает соответствующее переменное магнитное поле, и это поле заставляет вырабатывать теплоту только ту часть воспринимающего элемента 202, которая по существу расположена ближе к первой индукционной катушке 204. Другими словами, переменное магнитное поел, создаваемое первой индукционной катушкой 204, вызывает по существу локализованный нагрев в первой воспринимающей области 202а воспринимающего элемента 202. Аналогично, когда переменный ток протекает через вторую индукционную катушку 206, она создает соответствующее переменное магнитное поле, и это поле заставляет вырабатывать теплоту только ту часть воспринимающего элемента 202, которая по существу расположена ближе ко второй индукционной катушке 206. Другими словами, переменное магнитное поле, создаваемое второй индукционной катушкой 206, вызывает по существу локализованный нагрев во второй воспринимающей области 202b воспринимающего элемента 202. Таким образом, первая и вторая индукционные катушки 204, 206 могут нагревать по существу всю протяженность воспринимающего элемента 202. Более конкретно, первая индукционная катушка 204 может нагревать первую воспринимающую область 202а, а вторая индукционная катушка 206 может нагревать вторую воспринимающую область 202b.
В одном примере одна из индукционных катушек может быть включена на длительный период времени, чтобы по существу локально нагреть соответствующую ей воспринимающую область. В некоторых примерах индукционные катушки 204, 206 могут быть задействованы попеременно, каждую индукционную катушку задействуют в течение заданного соответствующего интервала времени, в то время как вторую индукционную катушку не задействуют. Заданные интервалы времени для каждой индукционной катушки могут быть такими, чтобы равномерно нагревать по существу всю длину воспринимающего элемента 202, либо они могут быть такими, чтобы воспринимающий элемент 202 нагревался неравномерно. В примерах устройства 100 курительный материал может быть размещен в объеме внутри воспринимающего элемента 202. В некоторых примерах курительный материал может содержаться в упаковке или контейнере (не показан) для курительного материала, и этот контейнер может быть вставлен в объем внутри трубчатого воспринимающего элемента 202. Контейнер для курительного материала может быть выполнен из материала, который позволяет требуемому количеству теплоты от воспринимающего элемента 202 достигать курительного материала, чтобы нагреть его. В другом примере курительный материал может быть сформирован в виде длинного элемента в виде шнурка или веревки, который может быть вставлен в объем внутри трубчатого воспринимающего элемента 202. В другом примере курительный материал может быть в виде гранул или таблеток курительного материала, которые могут быть вставлены в объем внутри трубчатого воспринимающего элемента 202. В примерах устройства 100 может иметься подходящее средство для направления воздуха через трубчатый воспринимающий элемент 202.
В примерах нагревательного устройства 103 теплота, создаваемая воспринимающим элементом 202, нагревает курительный материал, чтобы испарить по меньшей мере один компонент курительного материала. Так как нагрев воспринимающего элемента 202 может быть локализован, то курительный материал может быть нагрет локально. Например, если нагревают первую воспринимающую область 202а, то можно ожидать, что нагреется курительный материал только в объеме первой воспринимающей области 202а. Аналогично, если нагревают вторую воспринимающую область 202b, то можно ожидать, что нагреется курительный материал только в объеме второй воспринимающей области 202b.
В этом примере нагревательное устройство 103 также содержит первый и второй термочувствительные элементы 208, 210. Первый термочувствительный элемент 208 размещен в контакте с воспринимающим элементом 202 по существу возле середины первой индукционной катушки 204, то есть в середине первой воспринимающей области 202а, как показано на фиг. 2. Аналогично, второй термочувствительный элемент 210 размещен в контакте с воспринимающим элементом 202 по существу возле середины второй индукционной катушки 206, то есть в середине второй воспринимающей области 202b, как показано на фиг. 2. Соответственно, термочувствительный элемент 208 детектирует температуру воспринимающего элемента 202 в середине первой воспринимающей области 202а, а термочувствительный элемент 210 детектирует температуру воспринимающего элемента 202 в середине второй воспринимающей области 202b. В других примерах число используемых термочувствительных элементов может отличаться от двух. В других примерах термочувствительные элементы могут быть расположены по-другому.
В примере на фиг. 2 нагревательное устройство 103 также содержит магнитный проводник 212, окружающий первую и вторую индукционные катушки 204, 206. В этом примере магнитный проводник 212 представляет собой трубчатый элемент, расположенный коаксиально относительно первой и второй индукционных катушек 204, 206. Магнитный проводник 212 выполнен из материала, обладающего высокой проницаемостью и низкими потерями, и предназначен для того, чтобы по существу заключать магнитное поле, создаваемое первой и второй индукционными катушками 204, 206, внутри объема, ограниченного магнитным проводником 212. В некоторых примерах магнитный проводник может окружать только одну первую или вторую индукционную катушку 204, 206, например, ближайшую к мундштуку устройства катушку. В некоторых примерах первый магнитный проводник может окружать первую индукционную катушку 204, а второй магнитный проводник может окружать вторую индукционную катушку 206, при этом между первым и вторым магнитными проводниками имеется зазор. В других примерах нагревательное устройство 103 может не содержать такого магнитного проводника.
В этом примере контроллер 106 выполнен с возможностью управлять нагревательным устройством 103. Контроллер 106 содержит схему, которая управляет работой первой и второй индукционных катушек 204, 206, чтобы управлять нагревательным устройством 103.
Обратимся теперь к фиг. 3, на ней показа пример схемы, содержащейся в контроллере 106. В этом примере схема 300 выполнена с возможностью управлять током, протекающим через первую и вторую индукционные катушки 204, 206, которые подключены к схеме 300, как показано на фиг. 3. Схема 300 выполнена с возможностью управлять и первой, и второй индукционными катушками 204, 206 так, чтобы работала только одна из первой и второй индукционных катушек 204, 206, чтобы существенно нагреть соответствующую ей воспринимающую область 202а, 202b в данный момент времени. Другими словами, топология схемы 300 позволяет ту же схему использовать для того, чтобы задействовать две отдельные индукционные катушки в разные моменты времени, чтобы нагревать воспринимающий элемент 202.
Понятно, что если первая индукционная катушка 204 получила команду генерировать переменное магнитное поле, то во второй индукционной катушке 206 будет индуцировано напряжение, и наоборот. Однако в этом примере топология схемы 300 такова, что если одна из индукционных катушек получила команду генерировать переменное магнитное поле, то есть, нагревать воспринимающий элемент 202, то индуцированному току, достаточному для существенного нагрева воспринимающего элемента 202, не дают протекать в другой индукционной катушке. Более конкретно, когда работает первая индукционная катушка 204, то предотвращают протекание во второй индукционной катушке 206 тока, достаточного для того, чтобы вызвать существенный нагрев воспринимающего элемента 202, а когда работает вторая индукционная катушка 206, то предотвращают протекание в первой индукционной катушке 204 тока, достаточного для того, чтобы вызвать существенный нагрев воспринимающего элемента 202. В общем, в примерах устройства 100 контроллер 106 содержит схему, устроенную так, то если функционирует одна из индукционных катушек 204, 206, нагревая воспринимающий элемент 202, то предотвращают протекание в другой индукционной катушке 204, 206 тока, достаточного для существенного нагрева воспринимающего элемента 202. Таким образом, если одна из индукционных катушек функционирует, нагревая воспринимающий элемент 202, то предотвращают существенный нагрев воспринимающего элемента 202 другой индукционной катушкой. В результате, так как первая и вторая индукционная катушки 204 и 206 функционируют, чтобы по существу локально нагревать воспринимающие области 202а и 202b соответственно, то можно получить локализованный нагрев воспринимающего элемента 202.
В примере, показанном на фиг. 3, схема 300 включает в себя первый и второй резонирующие участки 302 и 304. Первая индукционная катушка 204 расположена так, чтобы образовывать часть первого резонирующего участка 302 схемы 300, а вторая индукционная катушка 206 расположена так, чтобы образовывать часть второго резонирующего участка 304 схемы 300. Первый резонирующий участок 302 также содержит первый конденсатор 306, содержащий первый вывод 306а и второй вывод 306b, и первый переключатель 308. Аналогично, второй резонирующий участок 304 также содержит второй конденсатор 310, содержащий первый вывод 310а и второй вывод 310b, и второй переключатель 312. Первый переключатель 308 устроен так, чтобы включать и отключать первый резонирующий участок 302, а второй переключатель 312 устроен так, чтобы включать и отключать второй резонирующий участок 304. В некоторых примерах компоненты схемы 300 могут быть расположены по-другому (в другой топологии), не так, как на фиг. 3. В некоторых примерах могут иметься дополнительные или альтернативные компоненты.
В этом примере первый и второй переключатели 308 и 312 схемы 300 представляют собой полевые транзисторы (ПТ). Более конкретно, в этом конкретном примере первый и второй полевой транзистор 308 и 312 представляют собой полевой транзистор с каналом N-типа. Как будет понятно специалистам в этой области техники, первый полевой транзистор 308 содержит вывод 308а стока, вывод 308b истока и вывод 308с затвора, и второй полевой транзистор 312 содержит вывод 312а стока, вывод 312b истока и вывод 312с затвора.
Первый и второй резонирующие участки 302 и 304 в этом конкретном примере представляют собой резонирующие индуктивно-ёмкостные участки (индуктор/конденсатор). Другими словами, каждый резонирующий участок 302, 304 эквивалентен резонирующей индуктивно-ёмкостной схеме.
Соединение 314 источника питания соединяет второй конец 204b первой катушки 204, второй вывод 306b первого конденсатора 306, второй конец 206b второй катушки 206 и второй вывод 310b второго конденсатора 310 с положительным выводом источника 108 (постоянного тока) (не показан на фиг. 3). Первый конец 204а первой индукционной катушки 204 и первый вывод 306а первого конденсатора 306 соединены с выводом 308а стока первого полевого транзистора 308, и аналогично, первый конец 206а второй индукционной катушки 206 и первый вывод 310а второго конденсатора 310 соединены с выводом 312а стока второго полевого транзистора 312. Отрицательное соединение 316 соединяет вывод 308b истока первого полевого транзистора 308 и вывод 312b истока второго полевого транзистора 312 с отрицательным выводом источника 108 питания.
Как будет понятно специалистам в области техники, полевой транзистор с каналом N-типа находится в состоянии "ВКЛ", если соответствующее управляющее напряжение подано на его затвор, так что между его стоком и истоком имеется проводящий путь. Тем не менее, как также 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. 3 функциональность диода, в качестве которого выступает первый полевой транзистор 308, когда находится в состоянии ВЫКЛ, представлена первым диодом 308d, а функциональность диода, в качестве которого выступает второй полевой транзистор 312, когда находится в состоянии ВЫКЛ, представлена вторым диодом 312d. У первого диода 308d имеется катод, соединенный с первым концом 204а первой индукционной катушки 204 и первым выводом 306а первого конденсатора 306, а его анод соединен с отрицательным выводом 316, а у второго диода 312d имеется катод, соединенный с первым концом 206а второй индукционной катушки 206 и с первым выводом 310а первого конденсатора 310, а его анод соединен с отрицательным выводом 316.
В этом примере, принимая во внимание первый и второй полевой транзистор 308, 312 и топологию схемы 300, фазирование первой и второй индукционных катушек 204 и 206 друг относительно друга выбирают так, что если работает первая индукционная катушка 204, то предотвращают протекание во второй индукционной катушке 206 тока, достаточного для существенного нагрева воспринимающего элемента 202, а если работает вторая индукционная катушка 206, то предотвращают протекание в первой индукционной катушке 206 тока, достаточного для существенного нагрева воспринимающего элемента 202.
В этом примере одной из индукционных катушек, первой 204 или второй 206, дают команду нагревать воспринимающий элемент путем периодического включения и выключения с высокой скоростью соответствующего первого 308 или второго 312 переключателя (соответственно), в то время как другая индукционная катушка, первая 204 или вторая 206, остается неактивной, и ее соответствующий первый 308 или второй 312 переключатель (соответственно) остается выключенным. Более конкретно, первая индукционная катушка 204 нагревает воспринимающий элемент 202, когда первый переключатель 308 включают и выключают с первой скоростью переключения, в то время как второй переключатель 312 остается выключенным, а вторая индукционная катушка 206 нагревает воспринимающий элемент 202, когда второй переключатель 312 включают и выключают со второй скоростью переключения, в то время как первый переключатель 308 остается выключенным. Контроллер 318 выполнен в схеме 300, чтобы управлять включением и отключением первого 308 и второго 312 полевого транзистора. Первая или вторая скорости переключения могут быть различными или одинаковыми.
Функционирование первой 204 и второй 206 индукционных катушек во время этого быстрого переключения более подробно объяснено ниже.
Теперь более подробно будет описано функционирование примера схемы 300 в контексте первой индукционной катушки 204, нагревающей воспринимающий элемент 202, когда первый полевой транзистор 308 быстро включают и отключают с помощью контроллера 318.
Когда первый полевой транзистор 308 включен, постоянный ток протекает между выводом 314 источника питания и отрицательным выводом 316 и через первую индукционную катушку 204. Этот постоянный ток дает источник 108 питания. Понятно, что когда ток протекает через первую индукционную катушку 204, первая индукционная катушка 204 генерирует магнитное поле, возникающее под действием тока. Первая индукционная катушка 204 запасает энергию в магнитном поле, которое создает. Когда первый полевой транзистор 308 включен, напряжение на первом полевом транзисторе 308 равно нулю. Первый конденсатор 306 замкнут накоротко включенным первым полевым транзистором 308. Другими словами, когда первый полевой транзистор 308 включен, ток между выводом 314 источника питания и отрицательным выводом 316 протекает через первый полевой транзистор 308.
После того, как первая индукционная катушка 204 генерировала магнитное поле, благодаря включенному первому полевому транзистору 308, в течение заданного промежутка времени, а затем первый полевой транзистор 308 отключают, то ток, подаваемый источником 108 питания через первую индукционную катушку 204, начинает падать. Первая индукционная катушка 204 сопротивляется этому изменению тока и генерирует индуцированное напряжение, используя энергию, которая была запасена в магнитном поле, создаваемом первой индукционной катушкой 204, когда первый полевой транзистор 308 был включен, и через первую индукционную катушку 204 протекал постоянный ток. Соответственно, когда первый полевой транзистор 308 отключают после того, как он был включен, первый конденсатор 306 и первая индукционная катушка 204 резонируют друг с другом.
На фиг. 4 показано напряжение на первом полевом транзисторе 308 в виде линии 400 напряжения, когда первый полевой транзистор 308 дважды отключают и включают в течение периода времени, когда первая индукционная катушка 204 нагревает воспринимающий элемент 202.
Линия 400 напряжения содержит первый участок 400а, когда первый полевой транзистор 308 включен, второй участок 400b-400d, когда первый полевой транзистор 308 выключен, третий участок 400f, когда первый полевой транзистор 308 снова включен, четвертый участок 400g, когда первый полевой транзистор 308 снова выключен и пятый участок 400h, когда первый полевой транзистор 308 снова включен.
Напряжение на первом полевом транзисторе 308 равно нулю, когда первый полевой транзистор 308 включен на участках 400а, 300f, 400h.
Когда первый полевой транзистор 308 отключен, как показано участками 400b-400d, а также участком 400g, первая индукционная катушка 204 использует энергию, запасенную в ее магнитном поле (магнитном поле, появившемся в результате протекания тока, когда первый полевой транзистор 308 был включен), чтобы индуцировать напряжение, которое сопротивляется падению тока, протекающего через первую индукционную катушку 204, в результате отключения первого полевого транзистора 308. Напряжение, индуцированное в первой индукционной катушке 204, вызывает соответствующее изменение напряжения в первом полевом транзисторе 308. Во время этого изменения напряжения первая индукционная катушка 204 и первый конденсатор 306 резонируют друг с другом. Напряжение 400 сначала увеличивается (см., например, 400b), по мере увеличения индуцированного напряжения в первой индукционной катушке 204, чтобы противодействовать падению тока из-за отключения первого полевого транзистора 308, достигает пика (см., например, 400с), а затем, по мере уменьшения энергии, запасенной в магнитном поле первой индукционной катушки 204, снижается обратно до нуля (см., например, 400d).
Меняющееся напряжение 400b-400d и 400g создает соответствующий меняющийся ток, и, так как в течение времени, когда первый полевой транзистор 308 отключен, первый конденсатор 306 и первая индукционная катушка 204 выступают в качестве резонирующей индуктивно-ёмкостной цепи, общий импеданс первого резонирующего участка 302 минимален в течение этого времени. Поэтому, понятно, что максимальная величина изменяющегося тока, протекающего через первый резонирующий участок 302, будет сравнительно большой.
Этот сравнительно большой изменяющийся ток соответственно вызывает сравнительно большое изменение магнитного поля в первой индукционной катушке 204, что заставляет воспринимающий элемент 202 генерировать теплоту. Период времени, в течение которого напряжение на первом полевом транзисторе 308 изменяется так, как показано участком 400b-400d и участком 400g, в этом примере зависит от резонансной частоты первого резонирующего участка 302. Как понятно специалистам в области техники, резонансная частота первого резонирующего участка 302 зависит от индуктивности первой индукционной катушки 204 и емкости первого конденсатора 306.
Как показано на фиг. 4, когда первый полевой транзистор 308 отключен, и напряжение на первом полевой транзистор 308 впоследствии снижается до 0 В (напр., до напряжения на уровне 402 в точке 400е), контроллер 318 снова включает первый полевой транзистор 308, так что постоянный ток, подаваемый источником 108 питания, снова протекает через первую индукционную катушку 204, и первая индукционная катушка 204 может запасать энергию в виде магнитного поля для следующего отключения первого полевого транзистора 308, чтобы задействовать резонирующий участок 302, как показано участком 400g.
Время, в течение которого контроллер 318 держит первый полевой транзистор 308 включенным (напр., часть 400f), может быть выбрано в соответствии с количеством энергии, которую требуется запасти в первой индукционной катушке 204, причем часть этой энергии будет использована для нагрева воспринимающего элемента 202 во время следующего отключения первого полевого транзистора 308, как показано участком 400g (время включения резонирующей части 202). Количество энергии, которую можно запасти в первой индукционной катушке 204 для заданного времени 400f включения первого полевого транзистора 308 будет зависеть от таких факторов, как, например, напряжение, подаваемое источником 108 питания и число включений первой индукционной катушки 204. Понятно, что в этом примере, если напряжение на первом полевом транзисторе 308 достигает 0 В, то напряжение на стоке 308а первого полевого транзисторе 308 также достигает 0 В.
Когда контроллер 318 циклически включает и отключает первый полевой транзистор 308 таким образом со скоростью переключения, то вышеописанный процесс непрерывно повторяется, нагревая воспринимающий элемент 202.
Хотя вышеприведенное описание функционирования схемы 300 представлено в контексте первой индукционной катушки 204, нагревающей воспринимающий элемент 202, понятно, что вторая индукционная катушка 206, образующая часть второго резонирующего участка 304, будет работать по существу так же, при этом второй полевой транзистор 312 выполняет функции эквивалентные функциям первого полевого транзистора 308, а второй конденсатор 310 выполняет функции эквивалентные функциям первого конденсатора 306.
Как отмечалось выше, схема 300 позволяет первой и второй индукционным катушкам работать так, чтобы только одна из катушек, первая 204 или вторая 206, существенно нагревала воспринимающий элемент 202 в данный момент времени. Это достигают, прежде всего, путем переключения с заданной скоростью переключения одного из полевых транзисторов, первого 308 или второго 312, в то время как второй полевой транзистор остается выключенным.
Во-вторых, если одна из катушек, первая 204 или вторая 206, нагревает воспринимающий элемент 202 (как описано выше касательно первой катушки 204), то схема 300 специально сконфигурирована так, чтобы напряжение, индуцируемое в другой, неработающей катушке, переменным магнитным полем работающей катушки, не вызывало протекания существенного тока через неработающую катушку, который сам мог бы вызвать переменное магнитное поле, которое могло бы нагреть воспринимающий элемент. Более конкретно, когда первая индукционная катушка 204 нагревает воспринимающий элемент 202, то предотвращают протекание через вторую индукционную катушку 206 тока, достаточного для того, чтобы вызвать существенный нагрев воспринимающего элемента 202, а когда вторая индукционная катушка 206 нагревает воспринимающий элемент 202, то предотвращают протекание через первую индукционную катушку 204 тока, достаточного для того, чтобы вызвать существенный нагрев воспринимающего элемента 202.
Это необходимо, потому что, как упоминалось выше, первый 308 и второй 312 полевые транзисторы фактически выступают в качестве диодов, когда они выключены, и, таким образом, могут проводить ток, если они имеют положительное смещение (то есть полевые транзисторы не являются идеальными переключателями). Соответственно, важно, чтобы схема 300 была сконфигурирована таким образом, чтобы, когда одна из катушек индуктивности, первая 204 или вторая 206, работает для нагрева воспринимающего элемента 202, напряжение, индуцированное на другой неработающей катушке индуктивности, не приводило к положительному смещению собственного диода полевого транзистора, связанного с этой неработающей катушкой индуктивности, а наоборот смещало ее в обратном направлении.
Специалистам в данной области техники понятно, что при рассмотрении двух индукторов, которые магнитно связаны, их обмотка относительно друг друга определяет, в каком направлении переменное магнитное поле, генерируемое одним индуктором, возбуждает ток/индуцирует напряжение в другом индукторе.
Направление, в котором возбуждается ток/индуцируется напряжение в катушке, может быть определено путем применения хорошо известного "правила правой руки", связывающего направление тока с направлением магнитного поля. Относительную обмотку первой и второй индукционных катушек 204 и 206 можно назвать фазировкой первой и второй индукционных катушек 204 и 206.
В топологии схемы 300 на фиг. 3 первая индукционная катушка 204 и вторая индукционная катушка 206 намотаны в противоположных направлениях, как указано точками, которые появляются на первом конце 204а первой индукционной катушки 204 и на первом конце 206а второй катушки 206. Пример нагревательного устройства 103 также показан подключенным к схеме 300 для иллюстрации того, что в этом примере первая и вторая индукционные катушки 204, 206 физически намотаны в противоположных направлениях.
Соответственно, когда, например, контроллер 318 циклически включает и выключает первый полевой транзистор 308 (как описано выше), чтобы заставить первую индукционную катушку 204 нагревать воспринимающий элемент 202, то каждый раз, когда первый полевой транзистор 308 выключается, на первом конце 204а первой индукционной катушки 204 генерируется положительное напряжение, а соответствующее меньшее положительное напряжение индуцируется на первом конце 206а второй индукционной катушки 206, благодаря магнитной связи. Это приводит к тому, что собственный диод второго полевой транзистор 312 смещается в обратном направлении, и, следовательно, по существу предотвращают протекание тока через второй полевой транзистор 312. Хотя некоторый ток может протекать между второй индукционной катушкой 206 и вторым конденсатором 310, ток, достаточный для создания переменного магнитного поля, достаточно сильного для существенного нагрева воспринимающего элемента 202, не может протекать через вторую индукционную катушку 206 из-за того, что второй полевой транзистор 312 является смещенным в обратном направлении. Также, в результате обратного смещения второго полевого транзистора 312 и предотвращения прохождения тока через него, когда первый полевой транзистор 308 циклически включают и выключают, а второй полевой транзистор 312 остается выключенным, предотвращают накопление значительного количества энергии во второй индукционной катушке 206, так что значительное количество энергии не отводят от первой индукционной катушки 204, которую используют для нагрева воспринимающего элемента 202.
Аналогично, когда, например, контроллер 318 циклически включает и выключает второй полевой транзистор 312, чтобы заставить вторую индукционную катушку 206 нагревать воспринимающий элемент 202, то каждый раз, когда второй полевой транзистор 312 выключается, на первом конце 206а второй индукционной катушки 206 генерируется положительное напряжение, а соответствующее меньшее положительное напряжение индуцируется на первом конце 204а первой индукционной катушки 204, благодаря магнитной связи. Это приводит к тому, что собственный диод первого полевого транзистора 308 смещается в обратном направлении, и, следовательно, по существу предотвращают протекание тока в первом полевом транзисторе 308. Хотя некоторый ток может протекать между первой индукционной катушкой 204 и первым конденсатором 306, ток, достаточный для создания переменного магнитного поля, достаточно сильного для существенного нагрева воспринимающего элемента 202, не может протекать через первую индукционную катушку 204 из-за того, что первый полевой транзистор 308 является смещенным в обратном направлении. Также, в результате обратного смещения первого полевого транзистора 308 и предотвращения прохождения тока через него, когда второй полевой транзистор 312 циклически включают и выключают, а первый полевой транзистор 308 остается выключенным, предотвращают накопление значительного количества энергии в первой индукционной катушке 204, так что значительное количество энергии не отводят от второй индукционной катушки 206, которую используют для нагрева воспринимающего элемента 202.
Таким образом, предотвращение протекания тока, достаточного для существенного нагрева воспринимающего элемента, в нерабочей индукционной катушке обеспечивает дополнительное преимущество, которое заключается в том, что неработающая индукционная катушка отводит значительное количество энергии от работающей катушки, чтобы генерировать свое собственное магнитное поле, энергию которого используют для генерирования переменного тока и, следовательно, магнитного поля рабочей катушкой для нагрева воспринимающего элемента 202.
На фиг. 5 показана вторая схема 500, сконфигурированная для управления первой и второй индукционными катушками 204 и 206, содержащимися в контроллере 106.
Многие из компонентов схемы 500 идентичны соответствующим компонентам схемы 300 и функционируют идентичным образом. Этим компонентам присвоены те же ссылочные позиции, что и на фиг. 3, и для краткости они не будут подробно описаны снова. В некоторых примерах компоненты схемы 500 могут быть расположены по-другому (в другой топологии), не так, как на фиг. 5. В некоторых примерах могут иметься дополнительные или альтернативные компоненты.
В этом примере схему 500 используют для управления нагревательным устройством, в котором как первая, так и вторая индукционные катушки 204, 206 намотаны в одном направлении друг относительно друга (имеют одинаковую фазировку), как указано точками, которые появляются на первом конце 204а первой индукционной катушки 204 и на втором конце 206b второй индукционной катушки 206. Пример нагревательного устройства 103 показан подключенным к схеме 500 для иллюстрации того, что в этом примере первая и вторая индукционные катушки 204, 206 физически намотаны в одном и том же направлении. Одним из отличий топологии схемы 500 по сравнению со схемой 300 является конфигурация проводки, соединяющей вторую индукционную катушку 206 с остальной частью схемы. Как упомянуто выше, в схеме 300 второй конец 206b второй катушки 206 соединен с положительным выводом источника 108 питания через соединение 314 источника питания, а первый конец 206а второй катушки 206 соединен с выводом 312а стока второго полевого транзистора 312. Напротив, в схеме 500 первый конец 206а второй катушки 206 соединен с положительным выводом источника 108 питания через соединение 314 источника питания, а второй конец 206b второй катушки 206 соединен с выводом 312а стока второго полевого транзистора 312.
Хотя в этом примере индукционные катушки 204, 206 намотаны в одном и том же направлении, топология схемы 500 такова, что при работе первой индукционной катушки 204 при каждом отключении первого полевого транзистора 308 напряжение, индуцированное на второй индукционной катушке 206, обратно смещает собственный диод 312d второго полевого транзистора 312, и что при работе второй индукционной катушки 206 каждый раз, когда отключают второй полевой транзистор 312, напряжение, индуцированное на первой индукционной катушке 204, обратно смещает собственный диод 308d первого полевого транзистора 308. Как и в случае схемы 300, в примере контроллера 318 циклически включают и отключают первый полевой транзистор 308, чтобы заставить первую индукционную катушку 204 нагревать воспринимающий элемент 202, каждый раз, когда первый полевой транзистор 308 отключают, при этом на первом конце 204а первой индукционной катушки 204 генерируется положительное напряжение. Однако, в отличие от схемы 300, в схеме 500 из-за магнитной связи соответствующее меньшее положительное напряжение индуцируется на втором конце 206b (вместо первого конца 206a, как в случае со схемой 300) второй индукционной катушки 206. Поскольку в схеме 500 второй конец 206b второй индукционной катушки 206 подключен к выводу 312 стока второго полевого транзистора 312, то каждый раз, когда выключают первый полевой транзистор 308, второй полевой транзистор 312 подвергается обратному смещению. Следовательно, по существу предотвращают протекание тока через второй полевой транзистор 312. И наоборот, когда контроллер 318 циклически включает и отключает второй полевой транзистор 312, чтобы заставить вторую индукционную катушку 206 нагревать воспринимающий элемент 202, каждый раз, когда второй полевой транзистор 312 отключают, первый полевой транзистор 308 аналогично становится обратно смещенным, и, следовательно, по существу предотвращают протекание тока через первый полевой транзистор 308. Таким образом, хотя в схеме 500 индукционные катушки 204, 206 физически намотаны одинаково, схема 500 обеспечивает упомянутые выше преимущества по отношению к схеме 300, поскольку индукционные катушки 204, 206 подключены к схеме так, что предотвращают протекание существенного тока в неактивной индукционной катушке.
Тем не менее, топология схемы 500 может потребовать более сложной компоновки печатной платы с высокоточными дорожками. В некоторых примерах может быть предпочтительной более простая топология схемы 300.
Обращаясь теперь к фиг. 6, будет описан пример контроллера 318a, 318b для управления схемой 300, приведенной на фиг. 3. На фиг. 6 воспроизведена схема 300, показанная на фиг. 3, за исключением того, что контроллер 318 представлен в виде двух разных участков, а именно участка 318a детектора нулевого напряжения и участка 318b переключения, и что не показано соединение со схемой примера нагревательного устройства 103.
Если один из полевых транзисторов, первый 308 или второй 312, циклически включают и отключают, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, для того, чтобы задействовать соответствующую индукционную катушку, первую 204 или вторую 206, участок 318a детектора нулевого напряжения обнаруживает, когда после того, как соответствующий полевой транзистор был выключен, напряжение на этом полевом транзисторе вернулось к нулю (напр, точка 400e на фиг. 4) или стало близким к нулю, и в ответ на такое обнаружение участком 318a детектора нулевого напряжения участок 318b переключения снова включает соответствующий полевой транзистор.
Участок 318a контроллера представляет собой схему обнаружения нулевого напряжения, содержащую первый 600 и второй 602 малые сигнальные диоды, нагрузочный повышающий резистор 604 и логический источник 606 питания. Ниже на примере второй индукционной катушки 206, работающей для нагрева воспринимающего элемента 202, будет описано функционирование участка 318a переключения контроллера.
Когда вторая катушка индуктивности 206 работает для нагрева воспринимающего элемента 202, первый полевой транзистор 308 остается выключенным. Если первый полевой транзистор 308 остается выключенным, то первый малый сигнальный диод 600 либо не имеет смещения, либо имеет обратное смещение в зависимости от напряжений на логическом источнике 606 питания и соединении 314 источника питания, то есть напряжение на катодном конце первого малого сигнального диода 600 либо по существу такое же, либо выше, чем напряжение на анодном конце первого малого сигнального диода 600.
Во время переключения со скоростью переключения второго полевого транзистора 312, когда второй полевой транзистор 312 выключен, и напряжение на нем изменяется, как показано 400b-d на фиг. 4, второй малый сигнальный диод 602 является обратно смещенным. В конце этого изменения напряжения, когда напряжение достигает 0 В, как показано точкой 400e, или близко к 0 В, второй малый сигнальный диод 602 становится положительно смещенным. Второй участок 318b переключения контроллера в этом примере включает в себя одно или несколько триггерных средств (не показаны), которые могут быть установлены для включения или выключения первого и второго полевых транзисторов 308 и 318. Соответственно, если второй малый сигнальный диод 602 положительно смещен в точке 400e, то сигнал от второго малого сигнального диода 602 подают на триггерное средство (не показано), включенное во второй участок 318b переключения контроллера, чтобы установить его для включения второго полевого транзистора 312. Когда второй полевой транзистор 312 включен, второй малый сигнальный диод 602 имеет обратное смещение.
Как уже было описано выше со ссылкой на схему фиг. 3, второй полевой транзистор 312 остается включенным до тех пор, пока необходимое количество энергии не будет накоплено в соответствующей индукционной катушке 206. В этом примере величина тока, протекающего во второй индукционной катушке 206, может быть измерена подходящим средством измерения тока (не показано), которое может содержаться во втором средстве 318b управления переключением. Как только величина тока во второй индукционной катушке 206 достигает уровня, соответствующего требуемому количеству энергии, запасаемой во второй индукционной катушке 206, триггер сбрасывают, чтобы выключить второй полевой транзистор 312 и инициировать другое изменение напряжения 400g на первом конденсаторе 310.
В одном конкретном примере логический источник 606 питания дает напряжение 2,5 В, а сигнал от второго малого сигнального диода 602 подают на триггерное средство, упомянутое выше, включенное во второй участок 318b переключения контроллера. В этом примере триггерное средство переключается при половине напряжения логического источника 606 питания, то есть при 1,25 В. Это означает, что напряжение положительного смещения второго малого сигнального диода 602 и напряжение на стоке второго полевого транзистора 312 должны в сумме составлять 1,25 В, чтобы цифровая логическая схема включала второй полевой транзистор 312. Следовательно, в этом примере второй полевой транзистор 312 включается, когда напряжение на его стоке 312а составляет 0,55 В, а не 0 В, как указано выше. Следует отметить, что в идеале для максимальной эффективности переключение должно происходить при 0 В на полевом транзисторе 312. Это переключение при нулевом напряжении преимущественно предотвращает разрядку второго конденсатора вторым полевым транзистором 312 второго конденсатора, и, таким образом, потерю энергии, запасенной во втором конденсаторе 310.
Однако можно считать, что потеря эффективности из-за использования этой цифровой логической схемы, в отличие, например, от схемы аналогового компаратора, компенсирована выгодной экономией в частях схемы и стоимости. В этом примере 0,55 В является приемлемым напряжением на втором полевом транзисторе 312, при котором можно снова включить второй полевой транзистор 312.
Следует отметить, что в этом примере переключение при нулевом напряжении, как описано выше, происходит в условиях установившегося состояния, то есть когда повторное переключение второго полевого транзистора 312 продолжается. Чтобы начать работу второй индукционной катушки 206 путем начала повторного переключения второго полевого транзистора 312, может быть подан дополнительный сигнал во второй полевой транзистор 312.
Хотя в вышеприведенном описании функционирование схемы 318a обнаружения нулевого напряжения описано в отношении управления переключением второго полевого транзистора 312, понятно, что схема 318a обнаружения нулевого напряжения функционирует так же при использовании первого малого сигнального диода 600 вместо второго малого сигнального диода 602, чтобы управлять первым полевым транзистором 308.
Понятно, что первая и вторая индукционные катушки 204, 206 в некоторых примерах могут иметь, по меньшей мере, одну характеристику, отличающуюся друг от друга. Например, первая индукционная катушка 204 может иметь, по меньшей мере, одну характеристику, отличную от характеристики второй индукционной катушки 206. Более конкретно, в одном примере первая индукционная катушка 204 может иметь значение индуктивности, отличное от значения индуктивности второй индукционной катушки 206. В другом примере первая и вторая индукционные катушки имеют разные длины, так что первая индукционная катушка 204 намотана на больший участок воспринимающего элемента 202 или наоборот. В другом примере первая индукционная катушка 204 может содержать число витков, отличное от числа витков второй индукционной катушки 206. В еще одном примере первая индукционная катушка 204 может быть изготовлена из материала, отличного от материала второй индукционной катушки 206. Предусмотрено, что первая индукционная катушка 204 может иметь одну или несколько характеристик, отличных от характеристик второй индукционной катушки 206, исходя, например, из того, как требуется нагревать курительный материал в объеме воспринимающего элемента. В некоторых примерах первая и вторая индукционные катушки 204 и 206 могут быть по существу идентичными.
Вышеприведенные примеры были описаны для схем 300 и 500, содержащими полевые транзисторы с каналом N-типа. Однако в некоторых примерах вместо них могут использоваться схемы, содержащие полевые транзисторы с каналом P-типа. Например, полевые транзисторы с каналом P-типа могут использоваться в схеме 300, если соединение 314, показанное на фиг. 3, подключено к отрицательному выводу источника 108 питания, а соединение 316 подключено к положительному выводу источника 108 питания.
Различные варианты осуществления, описанные в этом документе, представлены только для того, чтобы способствовать пониманию и передать идеи заявленных признаков. Эти варианты осуществления приведены только в качестве типовых вариантов осуществления и не являются исчерпывающими и/или исключительными. Понятно, что описанные в этом документе преимущества, варианты осуществления, примеры, функции, признаки, конструкции и/или другие аспекты не следует рассматривать как ограничения объема изобретения, заданного формулой изобретения или ограничениями на эквиваленты формулы изобретения, и что, не отклоняясь от объема заявленного изобретения, можно применять другие варианты осуществления и выполнять модификации. Различные варианты осуществления изобретения могут должным образом содержать, состоять из или по существу состоять из подходящих сочетаний описанных элементов, компонентов, признаков, частей, этапов, средств и т.д., отличных от описанных в этом документе. Кроме того, изобретение может включать в себя другие изобретения, не заявленные явно, но которые могут быть заявлены в будущем.