МОБИЛЬНОЕ СРЕДСТВО СВЯЗИ И СПОСОБ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА МОБИЛЬНОГО СРЕДСТВА СВЯЗИ
MOBILE COMMUNICATION MEANS AND METHOD FOR BATTERY CHARGING OF MOBILE COMMUNICATION MEANS

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована для зарядки батареи любого мобильного средства связи в т.ч. сотового телефона, Смартфона, радиотелефона, планшетника и т.д. путем преобразования механической энергии в электрическую.
Мобильный телефон - переносное средство связи, предназначенное преимущественно для голосового общения. В настоящее время сотовая связь - самая распространенная из всех видов мобильной связи, поэтому часто мобильным телефоном называют сотовый телефон, хотя мобильными телефонами помимо сотовых являются также спутниковые телефоны, радиотелефоны и аппараты магистральной связи. Любой из вышеназванных аппаратов имеет ограниченный по времени и использованию заряда ресурс аккумуляторной батареи. Мобильный телефон - вещь в наше время просто необходимая. А вместе с ним - и его аккумулятор. И, естественно, большинство из нас вспоминает о его существовании не чаще двух раз в неделю - когда мобильный телефон отказывается работать. Производители сотовых телефонов и аккумуляторных батарей к ним решают данную проблему по-разному. Одни, такие как Philips, создают аккумуляторы с увеличенным сроком работы, другие идут по пути уменьшения эргономичности устройств, третьи оставляют все как есть, заставляя владельца раз в два дня, а то и чаще заряжать аккумулятор. Мы предлагаем зарядное устройство, встроенное в корпус аппаратов определенных видов, и способное поддерживать заряд аккумулятора.
Известно зарядное устройство по патенту RU 2384930 МПК H02J 7/32, опубл. 20.03.2010 г.
Это изобретение относится к первичным источникам электроэнергии. Устройство состоит из двух упругих камер, разделенных перегородкой, в которой располагаются канал, внутри которого находятся электрический генератор, выполненный синхронным с возбуждением от постоянного магнита, с рабочим колесом, имеющим вид пропеллера с несколькими, не менее трех, изогнутыми лопастями, а также опоры, блок выпрямителя и аккумулятора и универсальный штекерный разъем для подключения потребителя.
Недостатками этого устройства генерирования электроэнергии является использование воздушных масс и выполнение операций, напрямую не связанных с использованием сотового телефона по прямому предназначению.
Известен сотовый телефон по патенту РФ на полезную модель №71842, МПК Н04М 1/00 опубл. 20.03.2008 г.
Этот сотовый телефон содержит основной и резервный аккумуляторы в одном корпусе телефона с раздельными дисплейными указателями «заряд-разряд аккумулятора», один из которых для основного и второй для резервного аккумулятора и кнопочный микропереключатель, установленный в корпусе телефона, обеспечивающий нажатием кнопки перевод питания телефона с одного аккумулятора на другой и обратно.
Недостатки большой вес и низкая надежность, обусловленная тем, что резервный аккумулятор тоже может «сесть» через 2…3 дня даже при его неиспользовании.
Известен сотовый телефон по патенту РФ на изобретение №2492568, МПК H02J 7/32, опубл. 10.09.2013 г., прототип способа и устройства
Требуемый технический результат этого изобретения достигается тем, что в предлагаемом устройстве механическая работа по приведению аппарата в рабочее состояние сопровождается работой электрогенератора, встроенного в устройство и соединенного с аккумулятором. Происходит подзарядка последнего.
Такое зарядное устройство, состоящее из корпуса телефона и электрогенератора, корпус типа «слайдер», имеющий две части, на одной расположена ведущая шестерня на валу электрогенератора, а на другой - зубчатая рейка, расположенные в параллельных плоскостях и соединенные с помощью специального механизма, позволяющего им сдвигаться («скользить») относительно друг друга в этих плоскостях.
Возможный вариант преобразования механической энергии для мобильного телефона типа «слайдер», который содержит: ведущая шестерня и зубчатая рейка.
Зарядное устройство для мобильного телефона работает следующим образом: при сдвигании крышки в аппаратах типа «слайдер» механическая работа посредством зубчато-реечной передачи передается на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, идущую на подзарядку аккумуляторной батареи.
Зубчато-реечная передача служит для преобразования поступательного движения во вращательное.
Предлагаемое устройство обладает следующими недостатками.
- механический генератор вырабатывает очень мало энергии недостаточно для подзарядки аккумулятора так как работает кратковременно только при сдвигании крышки. Возможно что при многократном сдвигании крышки можно осуществить вызов экстренной службы, но проблема полноценной подзарядки не будет решена.
Механическое устройство недостаточно надежно и через 5…6 месяцев возможны поломки зубчатого механизма.
Задачей создания изобретения является обеспечение длительной подзарядки аккумулятора сотового телефона.
Задачи создания группы изобретений увеличение времени зарядки аккумулятора.
Достигнутые технические результаты: увеличение времени зарядки аккумулятора и повышение надежности.
Решение указанных задач достигнуто в мобильном средстве связи, содержащем корпус, электронный блок, соединенный с аккумулятором, динамик и микрофон, размещенные в корпусе, а также дисплей и набор клавиш, размещенный на лицевой стороне корпуса, электрогенератор, соединенный с аккумулятором, отличающееся тем, что электрогенератор выполнен на основе механоэлектретов и содержит ячейки, в которых размещены грузы и на стенках которых закреплены механоэлектреты, а ячейки выполнены в виде параллелепипеда, имеющего основание в форме квадрата или шестиугольника, а все стенки ячеек выполнены из электретной пленки, с обеих сторон которой нанесено металлизированное покрытие.
Грузы могут быть выполнены в виде шаров.
Грузы могут быть выполнены из керамики.
Грузы могут быть выполнены из стекла. Грузы могут быть выполнены из металла с диэлектрическим покрытием. Грузы могут быть выполнены из электретов. Электрогенератор может быть выполнен в виде автономного прибора, закрепленного на корпусе мобильного средства связи и соединенного кабелем с аккумулятором сотового телефона. Электрогенератор может быть выполнен внутри корпуса мобильного средства связи и соединен проводами с аккумулятором.
Решение указанных задач достигнуто в способе подзарядки аккумулятора мобильного средства связи, включающем периодическую подпитку его вырабатываемой электроэнергией от электрогенератора, тем, что электрогенератор выполнен на основе электретов, преобразующих механическую энергию в электрическую, а в качестве электретов применены трибооэлектреты.
Для выработки электроэнергии может быть использована механическая энергия вибрации. Для выработки электроэнергии может быть использовано перемещение подвижных грузов в ячейках с электретным покрытием.
Выработка электроэнергии может быть осуществлена за счет нажатия на клавиши сотового телефона, снабженные электретами, например, механоэлектретами.
Сущность группы изобретений поясняется на фиг. 1…22, где
- на фиг. 1 приведено мобильное средство связи (сотовый телефон),
- на фиг. 2 приведена электрическая схема сотового телефона,
- на фиг. 3 приведен один из вариантов исполнения ячейки,
- на фиг. 4 приведена схема механоэлектрета,
- на фиг. 5 приведен вариант генератора электрической энергии с ячейками, имеющими основание квадратной формы,
- на фиг. 6 приведен вариант генератора электрической энергии, установленного вне корпуса сотового телефона,
- на фиг. 7 приведен вариант генератора электрической энергии, установленного внутри корпуса сотового телефона,
- на фиг. 8 приведен вариант генератора электрической энергии с ячейками имеющими основание квадратной формы и цилиндрическими грузами,
- на фиг. 9 приведен вариант генератора электрической энергии, установленного вне корпуса сотового телефона и цилиндрическими грузами,
- на фиг. 10 приведен вариант генератора электрической энергии, установленного внутри корпуса сотового телефона и цилиндрическими грузами,
- на фиг. 11 приведен вариант генератора электрической энергии с ячейками имеющими основание шестиугольной формы,
- на фиг. 12 приведен разрез А-А,
- на фиг. 13 приведена ячейка шестиугольной формы,
- на фиг. 14 приведен вариант генератора электрической энергии с ячейками имеющими основание шестиугольной формы, цилиндрическими грузами и трибоэлектретами,
- на фиг. 15 приведен разрез В-В,
- на фиг. 16 приведен вариант сотового телефона с электрогенератором совмещенным с клавиатурой,
- на фиг. 17 приведена схема соединения торцовых граней ячейки,
- на фиг. 18 приведена схема вывода энергии с торцовых стенок ячеек,
- на фиг. 19 приведена схема вывода энергии с механоэлектретов боковых стенок ячеек,
- на фиг. 20…22 приведена схема выработки энергии в механоэлектретах в динамике.
Мобильное средство связи (фиг. 1…22) содержит корпус 1, клавиатуру 2, дисплей 3, микрофон 4 и динамик 5. Внутри корпуса 1 установлены электронная плата 6, соединенная электрическими связями 7 с микрофоном 4 и динамиком 5, аккумулятор 8 соединенный электрическими проводами 9 с электронной платой 6, электрогенератор 10, который проводами 11, содержащими автоматический выключатель 12 соединен с аккумулятором 8 (фиг. 1).
При этом генератор электрической энергии 10 содержит корпус 13, в ячейках 14 которого установлены грузы 15.
Грузы 15 могут быть выполнены из любого материала, в частности из керамики или стекла. Предпочтительно грузы 15 выполнить из металла с диэлектрическим покрытием, чтобы исключить короткое замыкание внутри ячеек 14. Наиболее предпочтительно грузы 15 выполнить из свинца. В этом случае мощность электрогенератора 10 при тех же гадаритах возрастет в несколько раз.
Возможно применение в качестве материала для грузов 15 предварительно заряженных электретов, которые будут дополнительно усиливать электрическое поле внутри ячеек 14, что способствует повышению КПД электрогенератора 10.
На всех стенках ячеек 14 установлены механоэлектреты 16. В механоэлектретах 16 электрическая энергия образуется при деформации электретов (от ударов). В частном случае могут быть использованы трибоэлектреты, в которых электрическая энергия образуется от трения.
Ячейки 14 могут быть выполнены в виде параллелепипеда с основанием в форме квадрата (фиг. 2) или в форме шестиугольника (фиг. 3). Между электрогенератором 10 и аккумулятором 8 установлен преобразователь 17, предназначенный для снижения напряжения и его стабилизации.
Электрет - диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.
Большое количество используемых материалов, методов внешнего воздействия, технологических приемов для создания поляризованного состояния в диэлектриках обуславливают многообразие проявления электретного эффекта в них.
Современные представления об электретном эффекте основаны на двух типах зарядов в диэлектриках - гетеро- и гомозаряде. Гетерозаряд обусловлен электрической поляризацией в объеме диэлектриков вследствие ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации, а также смещением пространственного заряда. В этом случае отрицательный заряд электрета сосредотачивается у анода, положительный у катода, и возникающее электрическое поле противоположно по направлению полю поляризации.
Гомозаряд обусловлен инжекцией из электродов в диэлектрик носителей зарядов и локализацией их на центрах захвата или рекомбинации электронов и дырок (энергетических ловушках) различной природы. В этом случае у катода располагается связанный отрицательный, а у анода - связанный положительный заряд, и результирующее образующееся поле имеет то же направление, что и поляризующее. Вышеупомянутые ловушки представляют собой энергетические уровни захвата инжектированных носителей заряда в запрещенной зоне диэлектрика или полупроводника.
Существует несколько способов изготовления электретов. Большинство из них основано на том, что диэлектрик помещают в электрическое поле и подвергают дополнительному физическому воздействию, которое уменьшает время релаксации диполей либо ускоряет процесс миграции заряженных частиц. В зависимости от вида физического воздействия различают термо-, электро-, фото-, магнито-, радиоэлектреты и др. Электретное состояние может возникать и без приложения к диэлектрику внешнего электрического поля, например, от механической деформации (механоэлектреты), при заряжении диэлектрика в поле коронного разряда (короноэлектреты), при нагревании полимеров в контакте с электродами из разнородных металлов (металлополимерные электреты), при электризации трением (трибоэлектреты), под воздействием плазмы тлеющего разряда. Электретный эффект присущ сегнетоэлектрикам (сегнетоэлектреты), тканям живого организма (биоэлектреты). При фиксировании ориентированных в электрическом поле диполей и смещенных ионов химическим путем, например, вулканизацией, получают хемоэлектреты.
эф
р
ж
ж
2
Важнейшей характеристикой электретов, определяемой экспериментально, является эффективная поверхностная плотность зарядов (σ, Кл/м), равная разности между гомо- и гетерозарядами. Другим параметром, характеризующим свойства электретов, является время релаксации зарядов τ (время уменьшения заряда в е раз). Временем жизни электрета τ называется промежуток времени, в течение которого материал сохраняет электретные характеристики. У различных полимеров τ составляет 3-10 лет.
Возможна установка на выходе из электрогенератора 10 перед автоматическим выключателем 12 накопителя энергии 18 в виде конденсатора (фиг. 1), для исключения перезарядки аккумулятора 8.
В предложенном мобильном средстве связи использованы механоэлектреты 16 в виде полимерной пленки с металлизированным покрытием 19 и 20 с обеих сторон (фиг. 4). Металлизированное покрытие 19 и 20 выполняет роль электрической шины и предназначено для снятия напряжения с электретов и его передачи по проводам 11. В то же время, из-за очень малой толщины оно не препятствует деформации механоэлектретов 16.
Возможны два варианта компоновки электрогенератора 10, который выполнен в корпусе 13 из диэлектрического материала (фиг. 5).
В первом варианте корпус 13 закреплен на корпусе 1 мобильного средства связи (средства крепление на фиг. 1…22 не показаны), а разъем 21 мобильного средства связи и разъем 22 электрогенератора 10 соединены кабелем 23 (фиг. 6). В этом случае предложенное изобретение может использоваться на ранее изготовленных мобильных средствах связи.
Во втором варианте корпус 20 электрогенератора 10 установлен внутри корпуса 1 мобильного средства связи (фиг. 7). Этот вариант предпочтительнее.
На фиг. 8 приведен вариант электрогенератора 10 с ячейками 14, имеющими основание квадратной (прямоугольной) формы и цилиндрическими грузами 15, На фиг. 9 приведен вариант электрогенератора 10, установленного вне корпуса 1 мобильного средства связи и с грузами 15 цилиндрической формы, На фиг. 10 приведен вариант электрогенератора, установленного внутри корпуса 1 мобильного средства связи и цилиндрическими грузами 15. На фиг. 11 и 12 приведен электрогенератор 10 с грузами 15 в форме шара. На фиг. 13 приведена ячейка 14 шестигранной формы.
На фиг. 14 и 15 приведен электрогенератор 10 с механоэлектретами 16 в виде трибоэлектретов и установкой цилиндрических грузов в ячейки 14 без зазора. В этом случае энергия вырабатывается не от ударов, а от трения произведенного грузами 15.
На фиг. 16 приведено средство мобильной связи, конкретно сотовый телефон, в котором электрогенератор 10 совмещен с клавиатурой 2.
На фиг. 17 приведена электрическая схема соединения механоэлектретов 16, размещенных на торцовых стенках ячейки 14, при этом к металлизированному покрытию 19 присоединен провод 24, а к металлизированному покрытию 20 - провод 25.. На фиг. 18 приведена схема вывода электрического тока из электрогенератора 10. К разъему 22, который может быть выполнен коаксиальным, присоединены провода 24 и 25.
На фиг. 19 приведена схема вывода электрической энергии с механоэлектретов 16, расположенных на боковых стенках ячейки 14. Вывод потенциала с этих механоэлектретов 16 осуществлен проводами 26 и 27. Провода 24, 25, 26 и 27 соединены попарно параллельно. Это увеличивает общий ток и мощность электрогенератора 10, т.к. он вырабатывает ток при колебании корпуса 1 мобильного средства связи, в частности сотового телефона в любой плоскости.
На фиг. 20…22 приведена схема выработки энергии в механоэлектретах 16 в динамике. Электрический заряд в предварительно заряженных механоэлектретах 16 постоянно уменьшается (фиг. 21), но вследствие периодических ударов грузов 15 в механоэлектретах 16 снова наводится статическое электричество (фиг. 22) и оно используется для подзарядки аккумулятора 8.
При работе с мобильным средством связи, например сотовым телефоном, абонент не менее 30% времени в сутки находится в движении, передвигается пешком, едет в автомобиле и перемещается по офису. При этом грузы 15 совершают колебательные движения и ударяют по механоэлектретам 16, постоянно вырабатывая в них электрическое напряжение. Ток по проводам 11 поступает на преобразователь 17 для снижения и стабилизации напряжения и далее в аккумулятор 8 и постоянно заряжает его. При полном заряде аккумулятора 8 автоматический выключатель 12 отключает генератор электроэнергии 10 от аккумулятора 8. Управление автоматическим выключателем 12 может быть осуществлено по напряжению на выходе из аккумулятора 8. (средство измерения напряжения на фиг. 1 не показано).
Применение группы изобретений позволило значительно повысить надежность работы мобильного средства связи за счет увеличения ресурса работы аккумулятора в сотни и тысячи раз, т.е. в течение всего срока эксплуатации мобильного средства связи без подзарядки от внешнего устройства зарядки.