CN1684715A - 用于构成对加热元件电路非线性补偿的可变电阻器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种改善的可变电阻器至少能够部分补充在包含诸如薄膜加热元件之类加热元件的电路中的非线性。一种可控加热器包括一个加热元件，一个耦合着加热元件的电压源(例如，标准AC电源插头)，以及一个耦合着加热元件和电压源地可变电阻器。可变电阻器包括一个固定电阻元件(例如，一个或多个薄膜电阻器)已经一个诸如滑杆之类的移动元件。移动元件在位置有关的接触点上可调整接受固定电阻元件，使得可变电阻器具有至少部分相对于位置非线性的电阻，而加热元件具有至少部分相对于可变电阻器的位置线性的消耗功率。这类系统可以结合蒸发传输设备使用，以便于对环境中所具有的气味密度提供更加线性的控制。

Description

用于构成对加热元件电路非线性补偿的可变电阻器的方法和装置

技术领域

本发明主要涉及加热元件的控制，尤其涉及改善对在包括加热元件的电子电路中的非线性至少进行部分补偿的可变电阻器。

背景技术

采用相当紧凑合和简单的无源元件来提供电阻性负载的控制是所期望的。例如，经常是采用可变电阻器来实现对加热元件的某些测量，并且一般是将可变电阻器构成与适当电源的串连。这样，可变电阻器就具有可控电压分压器的有效功能。

通过采用可变电阻器能够补偿在十分简单的加热电路中的非线性属性，这可提供一些优点。也就是说，当流过电阻性加热元件的总的电流以及在加热元件两端的电压是可变电阻器的函数时，在加热元件中所消耗功率之间的关系以一种不是普通方式与可变电阻器的位置有关。然而，这在许多应用中是难以满足的，因为客户或者用户只是希望在应用中所配置的可变电阻器应该具有相对于可变电阻器(例如，滑杆、转盘、旋钮或者其它这类与可变电阻器机械耦合的用户接口)位置的线性响应。

一种改善可变电阻器的这类应用将有利于蒸发扩散(播)装置的领域。总的来说，蒸发扩散(播)产品一般都包括蒸发性材料以及构成便于蒸发性材料蒸发到周围空气中的传输系统。例如，在某些系统中，在容器瓶中包含液体；在其它一些系统中，可以使用蜡状物材料。外壳，可以从外壁向外突出(并且可以提供电压电源)，方便于蒸发材料蒸发到环境中。在这种设备中，加热元件热耦合蒸发材料和/或任何毛细或者其它材料传输元件。在这种情况下，希望蒸发速率至少是与可变电阻器的位置具有部分线性关系。

发明内容

以下将更详细地讨论本发明所针对的现有技术的不足，同时本发明提供了一种改善的电阻器，它可以构成至少部分补偿在包含加热元件的电子电路(例如，薄膜加热元件)中的非线性。

根据本发明的一例实施例，可控加热装置包括：一个加热元件、一个与加热元件相耦合的电压电源(例如，标准AC电源插头)，以及一个与加热元件和电压电源相耦合的可变电阻器。可变电阻器包括：一个固定的电阻元件(例如，一个或多个薄膜电阻器)，以及一个诸如滑杆的可移动元件。可移动元件可以调节的方式在与位置相关的接触点上接触固定电阻元件，使得可变电阻器具有至少部分相对于位置的非线性的电阻，但是其中加热元件所具有的消耗功率至少部分相对于可变电阻器的位置是线性的。

根据本发明一例实施例，固定元件可以包括一个或者多个薄膜电阻器，且薄膜电阻器所具有的宽度可随着它的长度连续变化或者断续变化。例如，这类加热器可以结合蒸发扩散设备一起使用，这类设备是热耦合加热器，并且它可以包含各种蒸发材料，例如，油、蜡状物或者其它等等。

附图说明

通过参考附图的详细讨论可以对本发明有更加完整的理解，在附图中，类似的标号用于表示相同的元件；

图1显示了本发明所配置的加热元件；

图2图示说明了在可变电阻和消耗功率之间的非线性关系；

图3是说明根据本发明一例实施例的加热元件和可变电阻器的示意图；

图4图示说明了由一对具有变化宽度的薄膜电阻器所构成的固定电阻元件；

图5是举例说明的薄膜电阻器的等距视图；

图6图示说明了由一对具有断续或者“台阶”宽度的薄膜电阻器所构成的固定电阻元件；

图7A-7D是在消耗加热器功率和滑杆位置之间典型关系的定性图形；

图8是采用结合根据本发明的蒸发传输设备的可控加热器的示意方框图；和，

图9A和9B图示说明了根据本发明另一实施例的薄膜电阻元件。

具体实施方式

下列描述仅仅只是本发明的典型实施例，并不试图以任何方法限制本发明的范围、应用或者结构。相反，下列描述试图对实现本发明的各种实施例提供一种简单明了的说明。很显然，对这些实施例中讨论的元件功能和结构所进行的各种变化都不背离本文所阐述的本发明范围。例如，在本发明内容中，可以发现本文所讨论的方法和装置特别适用于结合蒸发传输系统的使用，例如，气体溶剂表面增粘剂以及其它等等。但是，一般来说，本发明可以结合任何应用来使用，例如，需要诸如薄膜电阻器加热源之类可控加热源的应用。

图1图示说明了根据本发明的典型电路108。总的来说，电压源102是一个具有电压V的电压源(例如，AC或者DC电压源)，它串连连接着一个电阻性加热元件106(具有相关的电压V_H和电阻R_H)和一个可变电阻器104(具有相关的电压V_S和电阻R_S)。电流I对应于总的电路电阻，即，R_S+R_H。

该电路的属性是加热器106所消耗的电源功率与可变电阻器104的电阻是非线性的。这是由于事实上加热器106的消耗功率是电路总的电流以及加热器106两端电压的函数，这些两个数值都是可变电阻器104的电阻的函数。更具体地说，加热器106的消耗功率可以由下列公式给出：

 P_H＝IV_H＝I(V-V_S)                 (1)

而总的电路电流可以由下列公式给出：

$I=\frac{V}{R_S+R_H}---\left(2\right)$

将公式(2)代入公式(1)并进行简化，由加热器所产生和消耗的功率可以由下列公式以颠倒的多项式来表示：

$P_H=G_1\left[\frac{1}{R_S^2+C_2{R}_S+C_3}\right]---\left(3\right)$

式中：

 C₁＝V²R_H，C₂＝2R_H，C₃＝R_H ²

考虑到公式(3)相当复杂，它难以产生与可变电阻器104的位置线性变化的消耗功率P_H。更具体的说，现在参考图2所示的定性图形说明，由加热器106(曲线202)所消耗的功率随着可变电阻的增加而下降，而且曲线率(或者斜率)也下降。正是如此，在低的电阻数值处只能提供消耗功率的较小控制(或者较粗的控制)，而在高的电阻数值处可提供消耗功率的的较大控制(或者较精细的控制)。相类似，由可变电阻器104所消耗功率在它自身电阻数值内也是非线性变化的。

图2所示的非线性会在用户所希望的控制具有线性行为的内容中产生不满意的结果。也就是说，可变电阻器104一般可以包括：滑杆、旋钮、转盘或者其它由用户产生特殊加热器设置所需维持的这类用户接口。这些设置可以采用文字、符号、条形标记或者其它这类标识来表示。例如，可以在滑杆的一端(或者在旋钮的一端设置)上可以提供“H”，以表示“高的”设置(即，具有低的可变电阻数值)，以及可以在滑杆或者旋钮的另一端提供“L”，以表示“低的”设置(即，具有高的可变电阻束之后)。假定电阻数值R_S是沿着滑杆的特性距离d的函数，使得R_S＝f(d)，d的尺寸参数范围是从0至1.0，如果可变电阻器的电阻数值可随着位置线性变化，即，

R_S＝R_maxd                               (4)

式中，R_max是器件的最大电阻，于是加热器所消耗的功率随着滑杆设置也是非线性变化的。

例如，认为在图1所示系统中，电压源102是标准的115VAC的电压源，加热器106的电阻是一个4852欧姆的相当稳定的电阻器，并且随着滑杆(或者其它界面)从“H”设置移动到“L”设置，可变电阻器104的电阻可以从8232.0欧姆变化到0.0欧姆。使用以上公式(3)，可以显示出加热器106所消耗的功率可以从2.73瓦变化到0.37瓦。然而，沿着加热曲线的中间点，((2.73+0.37)/2)＝1.55瓦，大约是在滑杆的四分之三点的位置上，接近于在“高的”和“低的”设置之间的“高的”设置而不是在中间。

然而，根据本发明，可变电阻器包括固定电阻元件和移动元件，构成了可变电阻器具有至少部分非线性对应于可变电阻器的位置的电阻以及具有至少部分线性对应于位置的消耗功率。

参考图3，可控制的加热装置300可适当地包括与可变电阻器308串连工作的加热元件306。提供一对端子302和304，用于连接所适用的功率电源(未显示)。可变电阻器308包括可移动元件310和固定电阻元件308。可移动元件310(例如，诸如铜、钢或者相类似的导电材料)构成沿着固定电阻元件308从低的设置314横向移动至高的位置312，并且根据移动元件310可以产生位置的数量，在一点或多点上与电阻元件308相接触。也就是说，移动元件310可以沿着电阻元件308连续移动，或者可以沿着电阻元件308的长度方向上具有多个离散确定的位置。例如，可移动元件310可以简单地具有两个离散的位置(在位置312上的“高”，以及在位置314上的“低”)；三个离散的位置(在上述结构中具有另一个设置在位置312和314之间的大约一半的“中间”)，或者在沿着电阻元件308的长度方向上以任意方式所定义的任何数量的离散位置。

在图3所示的移动元件310以滑杆说明的同时，本发明并不限制与此。可以结合移动元件310使用各种器件和接口，包括，各种旋钮、刻盘、螺杆、拨轮开关和任何其它目前已知或者未来开发的这类元件。此外，在移动元件310的路径是以卡笛尔(例如，沿着线路平移)坐标来说明的，可变电阻器308也可以极坐标空间方式构成，例如，采用具有给定半径的移动元件310可以多个特征角度环绕着电阻元件和与电阻元件相接触的刻盘。另外，可以使用任何任意路径的移动元件310。

加热元件306可适当包括一个或者多个加热元件，例如，薄膜电阻器、线圈、和/或其它等等。在所说明的实施例中，加热元件306包括蛇形图形的薄膜电阻材料。可以选择加热元件306的电阻率和几何形状，以及通过元件310的移动施加在加热元件306上的电流范围，有利于任何所需的温度数值范围。在举例说明的实施例中，加热元件306具有下列热特性：在“高”设置的位置上温度大约为140°F至160°F，在“中”设置的位置上温度大约为100°F至130°F，在“低”设置的位置上温度大约为110°F至120°F。

固定电阻元件308包括一个或者多个电阻元件，例如，线圈电阻、薄膜电阻器、或者任何目前已知或者未来开发的这类元件。在所说明的实施例中，电阻元件308包括两个电阻器316和318，该电阻器基本构成了从沉积在适用基片402(例如，塑料或者印刷电路板(PCB)材料)的一端(314)并联连接着另一端(312)。但是，应该理解的是，可以采用任何数量和任何组合的这类电阻元件。

薄膜电阻器316和318可适当地包括任何适用的薄膜材料，包括，例如，根据任何常规或者未来开发的沉积技术沉积在基片402上的TaN、NiCr、或任何其它这类材料。

图3所说明的实施例可以下列方法进行工作。当移动元件310(或者任何类型与元件310相耦合的刻盘、滑杆或者其它元件)沿着电阻元件308定位(例如，当用户希望变化加热器的设置)时，移动元件310在各个所对应的位置上接触薄膜电阻器316和318，使得电路从端子302，通过加热元件306，通过移动元件310和另一部分薄膜电阻器316，并返回之端子304，该端子304和端子302一起接触适当的电压电源(未显示)。随后，可变电阻器308的电阻等于从移动元件310的接触点延伸至“高的”设置点312的两部分薄膜电阻器(316和318)的电阻之和。

随着可变电阻器308的电阻增加，通过电路的总的电流减小，从而使得加热元件306两端的电压下降。因此，由加热元件306所消耗的热量就减小。这样，加热元件306所消耗的功率可以由移动元件310的位置来控制。

正如以上所简要讨论的那样，本发明提供了一种可变电阻器，该可变电阻器可以呈现出至少部分相对于可变电阻器位置的非线性，并且具有至少部分相对于可变电阻器位置线性的消耗功率。这样，可变电阻器可以部分补充电路中的非线性属性。根据本发明的一个方面，薄膜电阻器316和/或318的一种或多种属性可以沿着其长度方向变化，以提供所需的位置和电阻之间的关系。

例如，部分薄膜材料的电阻可以为：

式中：ρ是薄膜电阻率，以Ω.cm表示；d是电阻器的长度；w是薄膜的宽度，以及t是薄膜的厚度，正如图5所示。因此，它可以适用于随着其长度改变薄膜电阻器的宽度、厚度和/或电阻率。

现在，参考图4，根据本发明一个实施例的可变电阻器包括一对在基片402上科改变其宽度的薄膜电阻器部分316和318。移动元件310可以定位在表面电阻器的端点312和314之间距离x的位置上，它可以具有长度L。尺寸参数d＝x/L表示元件310从“高”到“低”的相对位置。

在移动元件310所接触的电阻元件的长度上，薄膜电阻器部分316和318的组合电阻等于公式(5)所给出关系中的积分：即，

$R\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\ρ}}{t}{\∫}_0^x\frac{1}{w\left(x\right)}\mathrm{dx}---\left(6\right)$

利用公式(6)，可以选择宽度函数w(x)，以便于提供任何在滑杆位置(例如，移动元件310的位置)和消耗功率之间所适用的关系。在这一关系中，w(x)可以是连续的函数，如图4所示，还可以是断续的函数。参考图6，例如，电阻元件316和318可以由从一端(312)到另一端(314)相串连的多个相邻矩形形状特性的“台阶”结构来形成。在所说明的实施例中，例如，薄膜电阻器316和318各自在沿着长度方向上的不同点上具有四种离散的宽度。

根据本发明的一个实施例，可变电阻与滑杆位置的平方根成比例，即， $R_s=R_{\max }\sqrt{d}.$ 在特殊内容中希望具有多种其它算术关系，例如，对数函数、多项式函数、或者及其合组。另外，各种薄膜电阻器的宽度可以根据经验以及/或者通过诸如有限元分析之类迭代技术的使用来确定。此外，各种薄膜电阻器都可以在原位进行激光精调，以进一步定制它们的特性。

在图4和图6所示的实施例说明具有基本相同形状的薄膜电阻器的同时，应该意识到的是，本发明试图包含形状和类型不同的薄膜电阻器的实施例。例如，薄膜电阻器316可以具有一系列不同的宽度，同时薄膜电阻器可以具有连续变化的宽度。此外，正如图9A和9B，薄膜电阻器316可以包括能够获得所需电阻变化的任何数量的几何变化。例如，参考图9A，薄膜电阻器316可以包括逐渐缩小部分的蛇形图形薄膜材料。另外，正如图9B所示，一个或多个薄膜电阻器的形状可以改变，以便于在两个曲线之间的几何关系可以在移动元件310的位置和总的电阻之间产生所需要的关系。在所说明的实施例中，例如，薄膜电阻元件318可根据指数或者多项式函数与元件318相分离。

薄膜电阻器316和318的结构可以选择，以便于在多个方面产生至少部分线性的功率/位置曲线。现在，参考图7A至7D所示的典型图形，固定电阻元件可以构成在消耗功率和滑杆位置之间产生任何适当的关系。例如，正如图7A所示，功率/位置曲线702在它的操作范围内基本上是线性的。也就是说，在上述公式(3)本身是非线性的同时，它是连续的，因此可以保持着(通过对R_S适当关系的选择)，以便于产生在所需范围内具有线性特性的曲线。

图7B显示了一例功率/位置曲线是非线性的实施例，但是该实施例包括对应于所消耗功率712和基本符合所需线性关系的滑杆位置710的预定位置704。也就是说，正如图7B所示，消耗功率(712)的一半点对应于滑杆位置(710)的一半点，即使曲线706和708在点704两侧都是非线性的。该实施例在包括“高”、“低”和中间设置的系统中特别需要。

另外，正如图7C所示，曲线可以是断续的，在该情况下，可以包括多个被断续716所分割非线性部分714。图6所示的实施例可以构成呈现出这类关系。相类似，正如图7D所示，曲线可以是断续的，在这种情况下，可以包括多个被断续720所分割的离散恒定功率区域。

在图7A至7D所示的曲线都是单调减小的同时，本发明试图所消耗的功率在曲线的一个或者多个区域中实际上是简洁上升的。也就是说，只要所消耗的功率曲线至少在系统在特殊范围内或者对特殊数值呈现出基本线性的行为的背景下是部分线性的，随之可变电阻器可以构成所消耗的功率具有周期性的或者其它非单调的特性。

图8表示了根据本发明一项应用的系统方框图，在该应用中，诸如油，蜡状物或者其它等等的可挥发性材料可通过典型的材料传输系统800传输至环境808中。如图所示，材料传输系统110可以适用地包括耦合着挥发性材料802的毛细结构804和排泄结构806。毛细结构804热耦合加热元件106(例如，上述所讨论的各种电阻元件)，可以通过可变电阻器104来适当控制其温度。加热元件506是电耦合着电源功率102，其中，电源功率102包括任何能够提供上述加热元件106所需要的电流和电压的电压/电流源。所适用的电源包括，例如，标准家用AC电源插头，一个或者多个电池，太阳能电源，以及其它等等。

根据所举例的实施例，材料传输系统800和挥发性材料802形成了一个自包含单元，该单元包括一个或者多个插头，构成了可插入电源插座，例如，双口AC电源接头。加热元件106随后可间接地从AC插头接受电源，即，可通过适当固定的和/或可变电阻器。可以包括一个或者多个熔断器，以便于电路可避免过电流条件所引起的潜在损坏。

此外，根据所举例的实施例，毛细结构804包括凸出的焊盘(或者简单的“焊盘”)，该焊盘可以或者不可以包括其它毛细结构502的元件所使用的相同材料，它可以热耦合薄膜电阻元件，该元件能够将凸出焊盘加热到表面温度的范围内。热耦合毛细结构804和加热元件106可以具有传导属性、转换属性、辐射属性，以及其组合属性。在一例实施例中，例如，在毛细结构804和加热元件106之间的热转换基本上是通过热传导来实现的。也就是说，毛细结构804可以直接接触加热元件106(通过，例如，干涉配合和/或加压负载)或者通过一层或者多层塑料或其它材料的中间层热耦合加热元件106。

总之，本发明提供了一种适用于改善可变电阻器的方法和装置，伽可变电阻器可以构成至少可补偿在包含加热元件的电路中的非线性。

以上已经提供参考各种典型实施例讨论了本发明。然而，可以在不背离本发明范围的条件下对所举例的实施例进行许多变化、组合和改进。例如，可以采用其它方法来实现各种元件。可以根据特殊的应用或者考虑与系统操作相关的任何数量的因素来适当选择这些替代实施例。此外，本文所讨论的技术也可以延伸或者改进应用于其它类型的设备。

Claims (19)

1.一种可控加热装置，其特征在于，它包括：

一个加热元件；

一个耦合所述加热元件的电压源；

一个耦合所述加热元件和所述电压源的可变电阻器，所述可变电阻器包括一个固定电阻元件和一个移动元件，所述移动元件具有一个位置，并且可在与所述位置有关的接触点上调整接触所述固定电阻元件；

所述可变电阻器具有一个至少部分与所述位置非线性相关的电阻；

所述加热元件具有一个至少部分与所述位置线性相关的消耗功率。

2.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，所述加热元件包括一个薄膜电阻器。

3.如权利要求2所述的可控加热装置，其特征在于，所述加热元件包括一个具有蛇形图形的薄膜电阻器。

4.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，所述电压源包括一个AC功率电源。

5.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，还包括一个热耦合所述加热元件的蒸发扩散设备，所述蒸发扩散设备构成了可以所述消耗功率作为函数的速率将蒸气释放进环境中。

6.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，所述移动元件包括一个选自包括滑杆开关、刻盘、旋钮、螺杆和拨轮开关组的元件。

7.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，所述固定电阻元件包括至少一个薄膜电阻器。

8.如权利要求7所述的可控加热装置，其特征在于，所述至少一个薄膜电阻器具有一个第一端，一个第二端，以及在第一端和第二端之间非线性变化的属性，所述属性可选自包括宽度、厚度材料以及片电阻的组。

9.如权利要求1所述的可控加热装置，其特征在于，所述固定电阻元件具有一个长度，并且包括一个第一薄膜电阻器和一个基本上与所述第一薄膜电阻器并行的第二薄膜电阻器，所述第一和第二薄膜电阻器具有随着所述长度而非线性变化的宽度。

10.如权利要求9所述的可控加热装置，其特征在于，所述宽度可以根据选自包含平方根函数、对数函数以及多项式函数组的几何函数随着所述长度连续变化。

11.如权利要求9所述的可控加热装置，其特征在于，所述宽度可根据离散步骤的周期变化。

12.如权利要求9所述的可控加热装置，其特征在于，所述移动元件可以具有高的位置、低的位置，以及至少一个在所述高和低位置之间的之间位置，并且在所述高的、低的合中间位置上所述消耗功率可定义基本线性的曲线。

13.一种适用于控制与电压源V串连耦合的加热元件的可变电阻器，所述加热元件是一类具有电阻RH和消耗功率PH＝IVH特性的元件，其中，I是流过加热元件的电流，VH是在加热元件两端的电压，所述可变电阻器包括：

一个具有长度为L的固定电阻元件；

一个具有位置x的移动元件，它在与所述位置x相关的接触点上可调整接触所述固定电阻元件；

所述固定电阻元件具有电阻为RS(x)；

其中，相对于RS(x)的所述消耗功率可以由公式表示：

$P_H=C_1\left[\frac{1}{R_S^2+C_2{R}_S+C_3}\right]$

式中：C₁＝V²R_H，C₂＝2R_H，且C₃＝R_H ²，

且式中RS(x)是非线性函数，而PH(x)至少部分是线性函数。

14.如权利要求14所述的可变电阻器，其特征在于，

15.如权利要求14所述的可变电阻器，其特征在于，所述固定电阻元件包括两个基本并行的薄膜电阻器，该薄膜电阻器缩具有的宽度w是随着x函数非线性变化。

16.如权利要求14所述的可变电阻器，其特征在于，

17.如权利要求14所述的可变电阻器，其特征在于，所述移动元件具有高的位置X_high，低的位置X_low，以及至少一个中间点，其中，所述消耗功率P_H具有沿着所述曲线在三个点上基本交叉由(X_high，P_H(X_high))和(X_low，P_H(X_low))所定义线的曲线。

18.一种构成连接包含电压源的电插座的蒸发剂量设备，其特征在于，所述设备包括：

一个挥发性材料的容器；

一个传输系统，与所述挥发性材料通讯，所述传输系统构成便于所述挥发性材料以蒸发速率蒸发进环境，所述传输系统包括一个加热元件，可构成产生所消耗的功率，所述蒸发速率是所述消耗功率的函数；

一个可变电阻器，它耦合所述加热元件和所述电压源，所述可变电阻器包括一个固定电阻元件和一个移动元件，所述移动元件具有一个位置且在与所述位置相关的接触点上可调整接触所述固定电阻元件；

所述可变元件具有至少部分相对应于所述位置非线性的电阻；

所述加热元件具有至少部分相对于所述位置线性的消耗功率。

19.如权利要求19所述的蒸发扩散设备，其特征在于，所述加热元件包括一个薄膜电阻器，所述可变电阻器包括至少一个具有在其长度方向上宽度可变的薄膜电阻器。

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