ПОРТАТИВНОЕ НАВИГАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Заявленная полезная модель относится к портативным навигационным устройствам и может быть использована для приема сигналов глобального позиционирования от навигационных спутников.
Известные портативные навигационные устройства, как правило, работают от заряжаемых аккумуляторных батарей. В качестве источника подзарядки в полевых условиях могут служить автомобильные аккумуляторы, портативные электростанции, а также любые другие источники тока. Проблема с подзарядкой портативных устройств может возникнуть при отсутствии источников тока. Особенно актуальна данная проблема для навигационных устройств, поскольку, в соответствии со своим предназначением, они могут использоваться в условиях отсутствия источников питания.
В качестве альтернативных источников заряда сейчас применяются устройства, использующие различные способы получения электрической энергии, например, солнечные батареи или ветрогенераторы. Однако, возможности их применения имеют ограничения. Например, потребность в подзарядке навигационного устройства может возникнуть в темное время суток. Заявителю неизвестны устройства того же назначения, снабженные дополнительными источниками электрической энергии, однако, исходя из условий функционирования, в качестве аналогов можно рассматривать, в том числе, устройства мобильной связи.
Известно устройство мобильной связи (патент РФ №68826 на полезную модель «Сотовый телефон с солнечной батареей (варианты), опубл. 27.11.2007 г., МПК H04M 1/73), содержащее корпус с размещенной на нем солнечной батареей в виде фотоэлектрических преобразователей. Наличие солнечной батареи позволяет решить задачу бесперебойного питания сотового телефона в условиях, когда иные источники электропитания недоступны.
Известно портативное навигационное GPS-устройство FunTrek (производство Тайвань, представленное на сайге разработчика http://www.holux.com). В качестве источника питания устройство использует съемный литий-ионный аккумулятор, функционирующий до 12 часов в режиме ожидания. Заявителю известно устройство с 2011 года.
Другой пример аналогичного устройства - портативный навигатор Garmin eTrex Legend HCx (производство Тайвань, представлен на сайге разработчика http://www.garmin.ru). Данное устройство использует две батареи АА, и может функционировать в течение 25 часов. Заявителю известно данное устройство с 2007 года.
В качестве ближайшего аналога принято портативное навигационное устройство с заряжаемыми аккумуляторными батареями в качестве источника питания.
Технической задачей, решаемой заявленным устройством, является создание портативного навигационного устройства, способного длительно работать без использования внешних источников питания.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение надежности работы портативного навигационного устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что портативное навигационное устройство дополнительно содержит электромеханический генератор, размещенный в едином корпусе с навигационным устройством и снабженный ручным приводом.
Электромеханический генератор может быть соединен с ручным приводом через механический редуктор.
Электромеханический генератор может содержать ротор с постоянными магнитами и статор с обмотками, соединенными по трехфазной схеме.
В портативном навигационном устройстве электромеханический генератор выходами может быть подключен к трехфазному выпрямительному мосту, при этом выпрямительный мост может содержать диоды Шоттки.
К выходам выпрямительного моста параллельно может быть подключен накопительный конденсатор.
Наличие электромеханического генератора, размещенного в корпусе навигационного устройства, позволяет в нужный момент или по необходимости осуществлять подзарядку прибора, не применяя внешние источники питания.
Наличие механического редуктора для передачи вращающего момента от ручного привода ротору электромеханического генератора позволяет более эффективно использовать создаваемый крутящий момент, тем самым удешевить конструкцию электромеханического генератора за счет использования генератора с большей частотой вращения ротора и меньшим количеством полюсов постоянных магнитов. В предпочтительном варианте исполнения устройства количество полюсов равно шести.
Выполнение электромеханического генератора в виде многополюсного ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками, соединенными по трехфазной схеме «треугольником» и подключенного к трехфазному выпрямительному мосту на диодах, является простым и надежным устройством для получения электрической энергии с постоянным током за счет преобразования механической энергии.
Выполнение выпрямительного моста в виде трехфазной схемы с трехфазным электромеханическим генератором позволяет дополнительно уменьшить амплитуду пульсации выпрямленного напряжения по сравнению с однофазной выпрямительной схемой.
Использование в трехфазном выпрямительном мосте диодов Шоттки позволяет увеличить КПД выпрямительного моста за счет известного свойства диода Шоттки, обусловленного малым падением напряжения при прямом включении. В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6-0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2-0,4 вольт.
На чертежах показаны следующие изображения:
Фиг.1 - вид устройства в разрезе
Фиг.2 - вид устройства с ручкой в рабочем положении;
Фиг.3а - однофазная мостовая схема
Фиг.3b - осциллограмма выпрямленного напряжения.
Фиг.4a - трехфазная мостовая схема
Фиг.4b - осциллограмма выпрямленного напряжения.
Фиг.5a - трехфазная мостовая схема с накопительным конденсатором
Фиг.5b - осциллограмма результирующего напряжения.
Фиг.6 - электрическая схема электромеханического генератора
Заявленное устройство представляет собой корпус 1 с размещенными в нем функциональными блоками, обеспечивающими позиционирование на местности: приемник 2 сигналов спутниковой навигации с антенной 3, сенсорным дисплеем 4 и органами управления в виде кнопок. В качестве электромеханического генератора 5 использован 6-полюсный трехфазный генератор имеющий ротор с постоянными магнитами и статор с обмотками. Для создания крутящего момента на роторе электромеханического генератора 5 используется ручной привод 6, выполненный в виде вращающейся ручки, размещенной в углублении тыльной стороны корпуса 1. Крутящий момент передается от ручки 6 на ротор генератора 5 через повышающий редуктор 7, состоящий из набора шестерен. Напряжение, вырабатываемое электромеханическим генератором 5 подается на выпрямитель 8, собранный на отдельной монтажной плате рядом с приемником 2 спутниковых сигналов. Выпрямитель 8, содержит диоды 9 Шоттки (D1-D6), собранные в мостовое соединение, которое может быть как однофазным, так и трехфазным. Параллельно диодному мосту подключен накопительный 10 конденсатор, выходы которого подключены к аккумуляторным батареям 11. Для предотвращения разряда аккумуляторных батарей 11 предусмотрен защитный 12 диод. Параллельно накопительному 10 конденсатору подключен варистор 13, выполняющий защитную функцию, предохраняя навигационное устройство от перенапряжений, когда вращение ручки производится при отсутствии аккумуляторных батарей 11. Кроме того, параллельно накопительному 10 конденсатору, может быть подключена схема, реализующая индикатор заряда, содержащая транзистор 14, светодиод 15, резисторы 16, 17.
Заявленное устройство работает следующим образом. В состоянии, когда заряд аккумуляторных батарей 11 достаточен для функционирования устройства, ручка 6 находится в углублении корпуса 1. Когда заряд батарей снижается до низкого уровня, недостаточного для дальнейшего продолжительного функционирования устройства, срабатывает сигнал предупреждения. Ручка 6 извлекается из углубления и приводится в рабочее состояние, затем ее начинают вращать. Оптимальной скоростью вращения для обеспечения подзарядки батареи является 120 об/мин. Крутящий момент от ручки через повышающий 7 редуктор подается на ротор электромеханического генератора 5 и приводит его во вращение. С обмоток генератора 5 снимается переменное трехфазное напряжение и подается на входы выпрямителя 8. На выходе выпрямителя напряжение сглаживается накопительным 10 конденсатором.
На фиг.3b представлена осциллограмма выпрямленного напряжения Uвых на выходе однофазного мостового выпрямителя 8, схема которого представлена на фиг.3a. Частота пульсаций равна удвоенной частоте питающего напряжения, подключенного к входным клеммам Uвх. Коэффициент пульсаций составляет 0.67.
В сравнении с однофазной мостовой схемой, трехфазная мостовая схема (фиг.4a) обеспечивает значительно меньший коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (фиг.4b) равный 0.057. В данной схеме трехфазное питающее напряжение подключено к клеммам Uвх. Напряжение выпрямляется трехфазным мостом на диодах 9. Выпрямленное напряжение Uвых снимается с выхода трехфазного выпрямительного 8 моста.
Подключение накопительного электролитического 10 конденсатора параллельно выходам выпрямительного 8 моста (фиг.5a) дополнительно обеспечивает еще большее выравнивание амплитуды выходного напряжения Uвых (фиг.5b).
Далее через защитный 12 диод напряжение подается на аккумуляторные батареи 11 навигационного устройства. Защитный 12 диод предотвращает разряд аккумуляторной батареи 11 навигационного устройства через цепи заряда, когда зарядка не производится.
Варистор 13 подключен параллельно накопительному 10 конденсатору и выполняет защитную функцию, предохраняя навигационное устройство от перенапряжений, когда вращение ручки производится при отсутствии аккумуляторных батарей.
Когда скорость вращения ручки достигает величины, достаточной для генерации тока заряда, загорается светодиод 15, что обеспечивается работой блока индикатора процесса заряда.
По результатам тестирования опытного образца получены следующие данные. Предварительно навигационное устройство было приведено в изначальное состояние путем сброса параметров к заводским установкам и полностью разряжено. После вращения ручки в течение 10 мин. навигационное устройство полноценно функционировало в течение 50 минут, из которых 8 минут было потрачено на поиск навигационных спутников, 20 минут пришлось на работу навигационного устройства с включенной подсветкой экрана и 25 минут в режиме энергосбережения с погашенной подсветкой экрана.