ФОНАРЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области светотехники, а конкретно к портативным переносным фонарям для туристов, фермеров, работников лесного хозяйства и пр. в том числе и для использования в условиях крайнего Севера.
Уровень техники
Аналогами полезной модели выбраны широко известные из уровня техники электрические фонари с аккумуляторным или батарейным питанием источника света, обычно выполненного в виде ламп накаливания или светодиодов, в фонаре [1-3]. В конструкциях с лампами накаливания аккумулятор или батарея, как правило, подключается к лампам напрямую через электрический выключатель. В конструкциях фонарей со светодиодами между аккумулятором или батареей и светодиодом в конструкции располагается согласователь, который преобразует выходное напряжение батареи в напряжение, необходимое для питания светодиода.
Недостатком таких конструкций на электрохимических батареях является необходимость частой смены использованных батарей, имеющих в настоящее время очень большую стоимость, и ухудшающих экологическую обстановку в связи с содержанием в них ядовитых металлов и соединений. Недостатком таких конструкций на электрохимических аккумуляторах является длительное время зарядки аккумуляторов питания, составляющее, в зависимости от типа используемых электрохимических аккумуляторов, от единиц до десятков часов. Недостаток аналогов на аккумуляторах заключается также в том, что аккумуляторы любого типа имеют ограниченное количество циклов заряд/разряд, деградируют со временем даже в пределах гарантированного срока службы, и главное - неспособны отдавать всю запасенную в них энергию при пониженной температуре окружающей среды, например, в условиях Севера при освоении Северо-восточной Сибири и Арктики.
Прототипом полезной модели выбрана конструкция фонаря по патенту CN №202008001 U [4], имеющего светодиодный источник света, выключатель, суперконденсатор (ионистор) и устройство зарядки суперконденсатора, например, от бытовой электрической сети переменного тока. При зарядке суперконденсатора последний подключается к бытовой электрической сети через расположенное в фонаре зарядное устройство (преобразователь переменного напряжения сети в постоянное низковольтное напряжение зарядки суперконденсатора). При работе фонаря постоянное низковольтное напряжение разряда суперконденсатора через выключатель (прерыватель тока) поступает на источник света в виде энергосберегающего светодиода, обеспечивая его работу до снижения напряжения на суперконденсаторе до величины порогового напряжения зажигания светодиода.
Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что приведенная конструкция не дает возможности отбирать всю заключенную при зарядке суперконденсатора энергию для работы источника света, так как после снижения напряжения на суперконденсаторе (с начальным напряжением, превышающем пороговое напряжение зажигания светодиодов белого свечения) до порогового напряжения зажигания светодиодов белого свечения, в суперконденсаторе остается еще около 40% от полного заряда, использовать которые не представляется возможным.
Другой недостаток устройства-прототипа заключается в том, что светимость источника света уменьшается пропорционально степени разряда суперконденсатора. Таким образом, из-за комплекса приведенных недостатков устройство-прототип не может обеспечить длительный режим освещения и постоянную степень освещенности освещаемых объектов за время своей работы.
Еще один недостаток прототипа заключается в том, что аккумуляторы любого типа имеют ограниченное количество циклов заряд/разряд, деградируют со временем даже в пределах гарантированного срока службы, и, кроме того, неспособны отдавать всю запасенную в них энергию при низких температурах окружающей среды, например, в условиях Севера, в частности, в Северо-Восточной Сибири и Арктике.
Целью заявленной полезной модели является создание устройства, свободного от указанных выше недостатков.
Задачей заявленной полезной модели является создание устройства фонаря, имеющего источник электроэнергии в виде суперконденсатора для питания источника света, с максимальным коэффициентом использования всей энергии, заключенной в суперконденсаторе, при постоянной степени освещенности освещаемых объектов за время работы.
Поставленная задача решается тем, что в фонаре, содержащем светодиодный источник света, источник энергии, выполненный в виде суперконденсатора (ионистора), выключатель и устройство зарядки суперконденсатора, питание светодиодного источника света осуществляется от преобразователя низкого напряжения суперконденсатора в напряжение питания светодиодного источника света, выполненного в виде преобразователя типа Joule Thief со стабилизатором напряжения питания светодиодного источника света.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является то, что светодиодный источник света состоит из нескольких светодиодов.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является то, что упомянутый суперконденсатор является батареей, составленной из нескольких суперконденсаторов.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что упомянутое зарядное устройство размещено внутри корпуса фонаря.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что упомянутое зарядное устройство располагается снаружи корпуса фонаря и представляет собой съемный блок.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что упомянутый суперконденсатор размещен в футляре, имеющем переднюю и заднюю рабочие грани, на каждой из которых закреплены, по меньшей мере, два разнополярных выводных контакта, соединенных с выводами суперконденсатора соответствующей полярности, причем однополярные выводные контакты расположены один напротив другого, а конфигурация выводных контактов на каждой из граней выбрана из условий не касания и не пересечения фигур вращения, образуемых траекториями движения разнополярных выводных контактов при произвольном повороте корпуса вокруг его продольной оси.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что соединение упомянутых выводных контактов с выводами суперконденсатора выполнено посредством соединительных проводников, размещенных внутри упомянутого футляра.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что каждый из упомянутых выводных контактов может быть выполнен в форме полосы, охватывающей по меньшей мере часть боковой поверхности футляра и образующей фигуру, продольная ось которой ориентирована вдоль продольной оси корпуса, при этом выводные контакты одной полярности расположены на одинаковом расстоянии от центральной плоскости, перпендикулярной продольной оси футляра.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что на поверхности футляра, имеющего параллельные переднюю и заднюю рабочие грани, на каждой из которых закреплены, по меньшей мере, два разнополярных выводных контакта, соединенных с выводами соответствующей полярности суперконденсатора, причем однополярные выводные контакты расположены один напротив другого, закреплены, по меньшей мере, две пары дополнительных разнополярных выводных контактов, соединенных с выводами суперконденсатора соответствующей полярности, каждый из упомянутых дополнительных выводных контактов может быть выполнен в форме полосы, охватывающей по меньшей мере часть боковой поверхности футляра и образующей фигуру, продольная ось которой ориентирована вдоль продольной оси футляра, при этом выводные контакты одной полярности расположены на одинаковом расстоянии от центральной плоскости, перпендикулярной продольной оси футляра.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что выводные контакты одной полярности расположены у торцевых граней корпуса и совмещены с соответствующими дополнительными выводными контактами, расположенными у краев торцевых граней корпуса.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что к одной паре упомянутых разноименных выводных контактов подключен упомянутый преобразователь, а к другой паре разноименных контактов - упомянутое зарядное устройство.
Дополнительной особенностью заявляемого устройства является также то, что упомянутый суперконденсатор размещен в футляре, имеющем параллельные переднюю и заднюю рабочие грани, на каждой из которых закреплены, по меньшей мере, два разнополярных выводных контакта, упомянутый преобразователь размещен внутри упомянутого футляра и подключен к выводам суперконденсатора через выключатель, размещенный снаружи упомянутого футляра, при этом соответствующая пара выводных контактов футляра подключена к выходу упомянутого преобразователя, а другая пара - к выводам суперконденсатора.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены: Фиг. 1 - Блок-схема устройства фонаря.
Фиг. 2а. Вариант конструкции суперконденсатора, размещенного в футляре, с двумя парами выводных контактов, выполненных, соответственно, в виде «пятачка» и кольца, размещенных на торцевых гранях футляра, в разрезе.
Фиг. 2б. Вариант конструкции суперконденсатора, размещенного в футляре, с двумя парами выводных контактов, выполненных в виде «пятачка» и кольца, размещенных на торцевых гранях футляра, вид со стороны торцевой грани.
Фиг. 3а. Общий вид варианта конструкции суперконденсатора, размещенного в футляре, с двумя парами кольцевых выводных контактов, размещенных на боковой поверхности футляра.
Фиг. 3б. Вариант конструкции суперконденсатора, размещенного в футляре, с двумя парами кольцевых выводных контактов, размещенных на боковой поверхности футляра, в разрезе.
Фиг. 4. Общий вид варианта конструкции суперконденсатора, размещенного в футляре, с двумя парами кольцевых выводных контактов, размещенных на боковой поверхности футляра, и двумя парами выводных контактов, выполненных в виде «пятачка» и кольца, размещенных на торцевых гранях футляра.
Фиг. 1. Фонарь состоит из источника света 1, в качестве которого применяется светодиод или несколько светодиодов, преобразователя 2, выполненного, например, в виде преобразователя типа Joule Thief, выключателя 3, суперконденсатора 4 и зарядного устройства 5, которое может быть постоянно расположено в корпусе фонаря (на Фиг. 1 не показан), либо присоединяться к фонарю снаружи только на время зарядки суперконденсатора.
Выключатель 3 может работать как сильноточный (включающий суперконденсатор 4 прямо в работу на преобразователь 2 и далее - на источник света 1), либо как слаботочный, инициирующий работу преобразователя 2. Выключатель 3 также может работать сначала как сильноточный предохранитель, подающий напряжение питания от суперконденсатора 4 на преобразователь 2, а далее - как слаботочный выключатель для инициирования работы преобразователя 2.
Суперконденсатор 4 может состоять как из одного конденсатора (одной «банки»), так и нескольких параллельно соединенных «банок» суперконденсаторов.
Зарядное устройство 5 подключается к источнику электроэнергии - сетевой розетке или, например, разъему прикуривателя автомобиля. Зарядное устройство 5 обеспечивает большой зарядный ток, поступающий на суперконденсатор 4. Вследствие обеспечения большого зарядного тока, суперконденсатор 4 заряжается до нормального напряжения за время, не превышающее нескольких минут. Об окончании зарядки суперконденсатора 4 сигнализирует соответствующий индикатор зарядного устройства 5 (на Фиг. 1 не показан), после чего зарядное устройство 5 отключают от источника электроэнергии. При включении фонаря в работу суперконденсатор 4 при помощи выключателя 3 подключается к преобразователю 2. Преобразователь 2 (например, типа Joule Thief) преобразует низкое выходное напряжение суперконденсатора 4, составляющее (для наиболее распространенных в настоящее время суперконденсаторов) 2,5…2,7 В, в напряжение питания источника света 1, составляющее (для включения белых светодиодов, широко применяемых в настоящее время для фонарей), как правило, не менее 3,4…3,5 В. Существенное отличие преобразователя типа Joule Thief от иных типов преобразователей заключается в возможности его работы от сверхнизкого напряжения, составляющего величины в диапазоне 0,1…0,7 В. Таким образом, даже при падении напряжения на разряжаемом в процессе работы фонаря суперконденсаторе 4 ниже минимального напряжения питания светодиодов, фонарь может продолжать работу до падения напряжения на суперконденсаторе 4 вплоть до напряжения 0,1…0,7 В. Для получения постоянного уровня освещенности освещаемых объектов при постепенном разряде суперконденсатора 4 преобразователь 2 типа Joule Thief может быть снабжен стабилизатором выходного напряжения, поддерживающим постоянный уровень напряжения, подаваемого на источник света 1, а значит, - постоянный уровень освещенности, являющийся одним из главных параметров фонарей.
Фиг. 2а. Суперконденсатор может быть помещен в футляр 6, имеющий боковую поверхность, переднюю и заднюю торцевые грани, при этом футляр 6 выполнен преимущественно удлиненным, он может быть выполнен цилиндрическим, в виде прямоугольного параллелепипеда, а также любой иной формы, например, округлым. Его торцевые грани преимущественно выполнены плоскими, параллельными одна другой и перпендикулярными его продольной оси, или наклонными к ней, или выполнены иной формы, например, округлыми. Выводы разной полярности суперконденсатора соединены с размещенными на торцевых гранях футляра 6 соответствующими выводными контактами 7 и 8, которые образуют по меньшей мере две пары таких контактов. Их расположение и конфигурация выбраны из условия обеспечения возможности их электрического контакта с соответствующими приемными контактами отсека электропитания фонаря, имеющими аналогичное расположение и топологию, при установке футляра в отсек электропитания фонаря, вне зависимости от ориентации футляра (приемные контакты на чертежах не показаны). Соединение упомянутых выводных контактов с выводами суперконденсатора выполнено посредством соединительных проводников, размещенных внутри упомянутого футляра.
Фиг. 2б. Выводные контакты одной полярности на одной из торцевых граней корпуса расположены напротив соответствующих выводных контактов той же полярности на его другой торцевой грани. Конфигурация выводных контактов 8 и 9, размещенных на передней и задней рабочих гранях футляра, выбрана из условия непересечения фигур вращения, образуемых траекториями движения разнополярных выводных контактов, размещенных на одной грани, при произвольном повороте корпуса вокруг его продольной оси. Это означает, что при произвольном повороте футляра вокруг его продольной оси, никакая часть контакта определенной полярности, размещенный на торцевой грани футляра, никогда не совпадет даже с частью ответного приемного контакта противоположной полярности отсека питания фонаря. Конфигурация выводных электродов футляра может отличаться от конфигурации, показанной на Фиг. 2, главное, чтобы при этом выполнялись упомянутые выше условия. Например, разнополярные выводные электроды, расположенные на торцевых гранях футляра, могут быть выполнены в виде коротких полосок или иных геометрических фигур, необязательно одинаковых. Футляр 6 выполнен преимущественно из диэлектрического материала, но может быть выполнен и металлическим, при этом он должен быть снабжен диэлектрическими прокладками, изолирующими его от выводных контактов (на чертежах не показано).
Фиг. 3а. В другом варианте исполнения футляра каждый из выводных контактов 9 и 10 выполнен в форме полосы, охватывающей по меньшей мере часть боковой поверхности футляра 6 и образующей фигуру, продольная ось которой ориентирована вдоль, а в частном случае совпадает, с продольной осью футляра 6. Полосы выводных контактов 9 и 10 могут быть выполнены, например, в виде металлической пленки. Они могут быть выполнены в частном случае непрерывными, охватывающими боковую поверхность футляра 6, по всему ее периметру. Однополярные выводные контакты разных пар расположены на одинаковом расстоянии от центральной плоскости, перпендикулярной продольной оси футляра 6. Ширины выводных контактов 9 и 10 могут быть одинаковыми, а могут отличаться друг от друга. Их расположение и конфигурация выбраны из условия обеспечения возможности их электрического контакта с соответствующими приемными контактами отсека электропитания фонаря при установке футляра в отсек электропитания, вне зависимости от ориентации устройства (приемные контакты на чертежах не показаны).
Фиг. 3б. Соединение упомянутых выводных контактов с выводами суперконденсатора 4 выполнено посредством соединительных проводников, размещенных внутри упомянутого футляра 6.
Фиг. 4. В третьем варианте исполнения футляра одна группа выводных контактов 7 и 8 расположена на торцевых гранях футляра 6 (в соответствии с размещением выводных контактов, показанным на Фиг. 2), а другая группа дополнительных выводных контактов 9 и 10 - на боковой поверхности футляра 6 (в соответствии с размещением выводных контактов, показанным на Фиг. 3).
Таким образом, футляр с суперконденсатором 4 можно размещать в отсек электропитания фонаря, произвольным образом его ориентируя как в отношении его торцевых граней, так и в отношении его произвольного поворота вокруг продольной оси. При этом будет обеспечиваться надежный контакт с ответными контактами отсека электропитания фонаря. Это особенно важно в экстремальных условиях, например, в темноте или неожиданно возникших экстремальных ситуациях при необходимости срочно заменить источник питания.
Наличие нескольких пар разноименных выводных контактов дает дополнительное преимущество, например, к одной паре упомянутых разноименных выводных контактов может быть подключен упомянутый преобразователь 2 низкого напряжения суперконденсатора 4 в напряжение питания источника света 1 фонаря, а к другой паре разноименных контактов - упомянутое зарядное устройство 5.
В некоторых случаях в футляре 6, помимо суперконденсатора, можно разместить и упомянутый преобразователь 2 низкого напряжения суперконденсатора в напряжение питания источника света 1 фонаря, который может быть подключен к выводам суперконденсатора через выключатель 3, размещенный снаружи упомянутого футляра 6, при этом соответствующая пара выводных контактов футляра подключается к выходу упомянутого преобразователя 2, а другая пара - к выводам суперконденсатора 4. В этом варианте футляр может представлять собой функционально и конструктивно законченное устройство, выходное напряжение которого соответствует типовому напряжению питания источника света фонаря.
Отличие суперконденсаторов от обычных аккумуляторов заключается также в том, что суперконденсаторы имеют очень большой, практически неограниченный, срок службы.
Кроме того, отличие суперконденсаторов от обычных аккумуляторов заключается также в том, что суперконденсаторы могут работать, сохраняя свои выходные параметры, в условиях низких температур окружающей среды, например, в Северных регионах Российской Федерации.
Список цитированных источников:
1. Патент РФ №2234638 «Портативный электрический фонарь».
2. Заявка на изобретение РФ №2005115557 «Фонарик».
3. Патент КНР № CN 203848011 U «Portable LED head lamp for storing energy through super-capacitor».
4. Патент КНР № CN 202008001 U «Super capacitor handheld electric lamp».