ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ МОБИЛЬНОГО СРЕДСТВА СВЯЗИ

Полезная модель 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.
В современных мобильных телефонах используются источники питания следующих типов (электрохимических систем): никель-кадмиевые (Nickel-Cadmium или сокращенно NiCd), никель-металлогидридные (Nickel Metal Hydride или NiMH), литий-ионные (Lithium ion или Li-ion) и литий-полимерные (Lithium polymer или Li-pol). Аккумуляторы характеризуются такими основными параметрами: напряжением, электрической емкостью; внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.
Напряжение аккумулятора определяется моделью телефона, в котором он используется. Аккумулятор может состоять как из одного, так и из нескольких однотипных элементов, соединенных последовательно. Например, в мобильных телефонах используются аккумуляторы с напряжением 3,6 В (один Li-ion элемент или три NiCd или NiMH элемента), 4,8 В (только четыре NiCd или NiMH элемента), 6 В (только пять NiCd или NiMH элементов), 7,2 В (два Li-ion элемента или шесть NiCd или NiMH элементов). Таким образом, если телефон питается напряжением 4,8 В или 6 В, то использование в нем литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов невозможно.
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 H04M 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 источник электроэнергии для сотового телефона по патенту РФ на изобретение №2492568, МПК H02J 7/32,, опубл. 10.09.2013 г., прототип.
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.
Задачи создания полезной модели значительное увеличение срока службы источника электроэнергии.
Достигнутые технические результаты: увеличение срока службы источника электроэнергии.
Решение указанных задач достигнуто в источнике электроэнергии мобильного средства связи, содержащее корпус и электрогенератор, соединенный с мобильным устройством, тем, что электрогенератор выполнен на основе электроэлектретов, помещенных между обкладками конденсатора. Могут быть применены гетероэлектреты. Могут быть применены моноэлектреты. Обкладки конденсатора могут быть выполнены в виде металлических пластин, на которые нанесено электроизоляционное покрытие. Обкладки конденсатора могут быть выполнены в виде металлизированного покрытия, на которое нанесено электроизоляционное покрытие.
Электреты могут быть выполнены из пленки, свернутой в рулон с электроизоляционной прокладкой между слоями электроэлектрета. Между электроэлектретом и металлическими обкладками с обоих сторон могут быть выполнены слои пористого активированного углерода, пропитанного электролитом.
Электрогенератор может быть выполнен в виде автономного прибора, закрепленного на корпусе мобильного средства связи и соединенного кабелем с мобильным средством связи. Электрогенератор может быть выполнен внутри корпуса мобильного средства связи и соединен проводами с аккумулятором. Электрогенератор может быть выполнен в виде автономного прибора, закрепленного на корпусе мобильного средства связи и соединенного кабелем с аккумулятором мобильного средства связи.
К выходу источника электроэнергии может быть подсоединен накопитель энергии. В качестве накопителя энергии может быть применен конденсатор. В качестве накопителя энергии может быть применен ионистор.
Сущность группы изобретений поясняется на фиг. 1…13, где
- на фиг. 1 приведено мобильное средство связи (сотовый телефон),
- на фиг. 2 приведена электрическая схема мобильного средства связи,
- на фиг. 3 приведена схема электроэлектрета (герероэлектрет),
- на фиг. 4 приведена схема электроэлектрета (моноэлектрет),
- на фиг. 5 приведен электроэлектрет в форме рулона,
- на фиг. 6 приведена схема расположения слоев электроэлектрета в рулоне,
- на фиг. 7 приведен электроэлектрет со слоями активированного углерода,
- на фиг. 8 приведен вариант источника электроэнергии, установленного вне корпуса мобильного средства связи,
- на фиг. 9 приведен вариант источника электроэнергии, установленного внутри корпуса мобильного средства связи,
- на фиг. 10 приведен вариант источника электроэнергии, установленного внутри корпуса мобильного средства связи вместе с аккумулятором,
- на фиг. 11 приведен источник электроэнергии в начале эксплуатации,
- на фиг. 12 приведен источник электроэнергии после длительной работы,
- на фиг. 13 приведен вариант источника электроэнергии после подзарядки от электрического поля земли.
Мобильное средство связи (фиг. 1…13) 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. Электронная плата 8 соединена электрическими проводами 8 с преобразователем энергии 9, который проводами 10, соединен с накопителем энергии 11 и источником электроэнергии 12 (фиг. 1).
В качестве накопителя энергии 11 может быть применен или конденсатор большой емкости или ионистор.
Ионистор состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом. Интересен он тем, что в порах частиц активированного угля возникает так называемый двойной электрический слой - два расположенных близко друг к другу слоя электрических зарядов разного знака, то есть своего рода электрохимический конденсатор.
Расстояние между слоями исчисляется ангстремами (1 ангстрем - 10-9 м). А емкость конденсатора, как известно, тем больше, чем меньше расстояние между обкладками.
Благодаря этому запас энергии на единицу объема в двойном слое больше, чем у самого мощного взрывчатого вещества.
Работает ионистор следующим образом. При отсутствии внешнего напряжения его емкость ничтожно мала. Но под действием приложенного к полюсам конденсатора напряжения прилегающие к ним слои угля заряжаются. Находящиеся в растворе ионы противоположного знака устремляются к частицам угля и образуют на их поверхности двойной электрический слой.
Источник электроэнергии 12 содержит электроэлектрет 13 установленный между обкладками конденсатора 14 и 15 (фиг. 3 и 4). При этом возможно применение гетеро-электрета (фиг. 3) или гомоэлектрета (фиг. 4). Обклаки конденсатора 14 и 15 могут быть выполнены в виде металлических пластин или металлизированного покрытия.
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 e раз). Временем жизни электрета τ называется промежуток времени, в течение которого материал сохраняет электретные характеристики. У различных полимеров τ составляет 3-10 лет.
Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, но физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным. Электроэлектреты изготовляются без нагревания и освещения с использованием только электрического поля. Электроэлектрет может быть приготовлен практически из любого полимерного диэлектрика. Данные параметры определяют долговременную стабильность свойств полимерного электрета. Электроэлектреты получают путем поляризации полимеров без термической обработки. Заряд электроэлектретов обусловлен инжекцией зарядов. Механизм образования электроэлектретов обусловлен внедрением носителей заряда из зазора образец электрод.
Для повышения стабильности электроэлектреты подвергают отжигу - прогреванию при повышенной температуре. Ранее полагали, что такая обработка ведет к быстрому спаду быстро релаксирующей компоненты и вследствие этого к стабилизации заряда. Однако в последнее время полагают, что отжиг повышает стабильность электретов благодаря снижению электропроводности поверхностного слоя.
Итак, для получения электроэлектретов показывают, что для образования больших поверхностных зарядов не требуется проводить обработку в поле при повышенных температурах, а достаточно воздействовать электрическим полем, напряженность которого близка к пробивной, при комнатной температуре.
В предложенном мобильном средстве связи использованы электроэлектреты 13 в виде полимерной пленки с обкладками конденсатора 14 и 15 в виде металлизированного покрытия с обеих сторон. Металлизированное покрытие выполняет роль электрической шины и предназначено для снятия напряжения с электроэлектретов 13 и его передачи по проводам 10. На обкладки конденсатора 14 и 15 нанесено электроизоляционное покрытие 16 и 17 для исключения утечки тока.
Возможно выполнение электроэлектрета 13 в виде рулона из металлизиированной пленки электроэлектрета 13 (фиг. 5 и 6). Между слоями электроэлектретов 13 с обкладками конденсатора 14 и 15 в виде металлизированного покрытия проложена электроизоляционная прокладка 18 для исключения короткого замыкания (фиг. 6).
Между электретом 12 и обкладками конденсатора 14 и 15 с обоих сторон могут быть выполнены слои пористого активированного углерода 19 и 20, пропитанного электролитом (фиг. 7). Слои активированного углерода 16 и 17 выполняют роль ионисторов, т.е. многократно увеличивают емкость конденсатора.
Возможны три варианта компоновки источника электроэнергии 12 (фиг. 8…10),
Первый - в котором источник электроэнергии 12 выполнен в корпусе 21 из диэлектрического материала и установлен на корпусе 1 мобильного устройства связи см. фиг. 8 (средства крепление на фиг. 8 не показаны), а разъем 22 мобильного средства связи и разъем 23 источника электроэнергии 12 соединены кабелем 24). В этом случае предложенная полезная модель может использоваться на ранее изготовленных мобильных средствах связи.
Во втором варианте корпус источника электроэнергии 12 установлен внутри корпуса 1 мобильного средства связи (фиг. 9). Этот вариант предпочтительнее.
В третьем варианте в корпусе 1 дополнительно установлен аккумулятор 25, например никель-кадмиевый (фиг. 10).
На фиг.11 приведен вариант источника электроэнергии 12 в начале эксплуатации, электроэлектреты 13 полностью заряжены при изготовлении источника электроэнергии 12. На фиг. 12 приведен вариант источника электроэнергии 12 после длительной работы, а на фиг. 13 приведен вариант источника электроэнергии 12 после подзарядки от электрического поля земли.
РАБОТА ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
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 сеансах связи заряд в электроэлектретах 13 расходуется, (фиг. 8) Электрическое поле земли (между ее поверхностью и ионосферой составляет около 150 В на 1 м на уровне моря и постоянно действует на электроэлектрет 13. При толщине электроэлектрета 13 всего в 10 мм он будет постоянно подзаряжаться напряжением 1,5 В. Если этого напряжения недостаточно можно соединить последовательно от 2-х до 4-х электроэлектретов 13. Ток по проводам 10 поступает на преобразователь 9 для стабилизации напряжения и далее к накопителю энергии 11 или к электронной плате 6 при работе мобильного средства связи. При наличии аккумулятора 25 осуществляется его подзарядка для компенсации израсходованной электроэнергии.
Можно использовать электрическое поле земли для подзарядки электроэлектретов 13, являющихся основой источника электроэнергии.
Применение полезной модели позволило значительно повысить ресурс работы мобильного средства связи за счет использования «замороженного электричества» электроэлектретов.
В принципе возможно создание источника электроэнергии, который может работать в течение всего срока эксплуатации мобильного средства связи (обычно 3…5 лет) без подзарядки от внешнего устройства зарядки.