RU2718330C1

RU2718330C1 - Case for mobile electronic device

Info

Publication number: RU2718330C1
Application number: RU2019126066A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Сушенцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Маффин Ком"
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-04-01

Abstract

FIELD: personal usage items.SUBSTANCE: invention relates to accessories for mobile electronic devices, in particular to multifunctional cases for mobile electronic devices: telephones, tablets, and so forth. Provides for higher efficiency of heating due to increased rate of heating and possibility of heating temperature adjustment. Case for a mobile electronic device comprises a housing, a heating element installed in the housing, connected to a power supply and a microcontroller, and means for communicating with a mobile electronic device. Microcontroller includes facilities for generation of pulse-width modulation. Heater is connected to the power supply through a bridge circuit including two pairs of semiconductor switches. Microcontroller is connected to bridge circuit and heater through two control semiconductor switches, each of which is connected to one pair of switches of bridge circuit.EFFECT: invention can be used for heating of mobile electronic devices in cold season.3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области аксессуаров для мобильных электронных устройств, в частности к многофункциональным футлярам для мобильных электронных устройств: телефонов, планшетов и т.п., и может быть использовано для подогрева мобильных электронных устройств в холодное время года.The invention relates to the field of accessories for mobile electronic devices, in particular to multifunctional cases for mobile electronic devices: phones, tablets, etc., and can be used to heat mobile electronic devices in the cold season.

Известен чехол для мобильного телефона с электронагревательным элементом по патенту Китая на полезную модель CN202496595, A45C11/24, 2012, содержащий корпус, нагревательный элемент, расположенный в корпусе, выполненный в виде проволоки из металла с высоким электрическим сопротивлением, нагревательный элемент окружен защитным слоем. Защитный слой выполнен из теплопроводного материала со стороны чехла и теплоизоляционным со стороны мобильного телефона. Нагревательный элемент снабжен термостатом. Питание нагревательного элемента осуществляется от батареи мобильного телефона.A known mobile phone case with an electric heating element according to China Patent Utility Model CN202496595, A45C11 / 24, 2012, comprising a housing, a heating element located in the housing, made in the form of a metal wire with high electrical resistance, the heating element is surrounded by a protective layer. The protective layer is made of heat-conducting material from the side of the case and heat-insulating from the side of the mobile phone. The heating element is equipped with a thermostat. The heating element is powered by the battery of the mobile phone.

Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности подогрева батареи мобильного устройства в холодное время года из-за наличия теплоизоляционного слоя между нагревательным элементом и мобильным устройством, низкая эффективность нагрева из-за использования энергии батареи мобильного телефона, а также отсутствие возможности управления нагревом и другими функциями чехла.The disadvantages of the known device are the inability to heat the battery of the mobile device in the cold season due to the presence of a heat-insulating layer between the heating element and the mobile device, low heating efficiency due to the use of the energy of the battery of the mobile phone, and the lack of the ability to control heating and other functions of the case.

Известен чехол для мобильного телефона с функцией нагрева по патенту Китая на изобретение CN103704966, A45C13/00, 2014, содержащий корпус, установленный в корпусе нагревательный элемент в виде проволоки из металла с высоким сопротивлением и достаточно большим поперечным сечением, окруженный двухслойным материалом, верхний слой которого выполнен из теплопроводного материала, а нижний - из теплоизоляционного материала. Нагревательный элемент соединен посредством двухконечного кабеля с мобильным телефоном, снабженным программным обеспечением, для управления режимом нагрева.A well-known mobile phone case with a heating function according to the Chinese patent CN103704966, A45C13 / 00, 2014, comprising a housing, a heating element mounted in the housing in the form of a metal wire with high resistance and a sufficiently large cross section, surrounded by a two-layer material, the upper layer of which made of heat-conducting material, and the bottom is made of heat-insulating material. The heating element is connected via a double-ended cable to a mobile phone equipped with software for controlling the heating mode.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность нагрева из-за отсутствия в чехле собственного источника питания, а также из-за схемы подключения нагревательного элемента к источнику питания, при которой нагрев осуществляется недостаточно быстро. Отсутствует возможность регулирования нагрева.A disadvantage of the known device is the low heating efficiency due to the lack of its own power source in the case, and also because of the connection of the heating element to the power source, in which the heating is not fast enough. There is no possibility of regulation of heating.

Известен чехол для мобильного телефона по заявке Кореи на изобретение KR20140098297, А45С11/00, 2014, выбранный в качестве ближайшего аналога. Известный чехол содержит основной корпус и крышку, источник питания в виде аккумуляторной батареи, установленный внутри корпуса, нагревательный элемент в виде пластины, расположенный в крышке чехла между изоляционными слоями из полиуретана, переключатель режима нагрева, клемму для связи с мобильным телефоном, дисплей со световой индикацией, плату управления.Known mobile phone case according to the application of Korea for the invention KR20140098297, A45C11 / 00, 2014, selected as the closest analogue. The well-known case contains a main body and a cover, a power source in the form of a battery installed inside the case, a heating element in the form of a plate located in the cover of the cover between the polyurethane insulation layers, a heating mode switch, a terminal for communication with a mobile phone, a display with light indication control board.

Недостатком ближайшего аналога является недостаточная эффективность нагрева, обусловленная схемой управления нагревательным элементом, которая не позволяет реализовать быстрый нагрев нагревательного элемента и регулирование температуры нагрева. The disadvantage of the closest analogue is the lack of heating efficiency due to the control circuit of the heating element, which does not allow for quick heating of the heating element and the regulation of the heating temperature.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности нагрева за счет увеличения скорости нагрева и обеспечение возможности регулирования температуры нагрева.The technical result of the invention is to increase the heating efficiency by increasing the heating rate and providing the ability to control the heating temperature.

Технический результат достигается тем, что в футляре для мобильного электронного устройства, содержащем корпус, установленный в корпусе нагревательный элемент, связанный с источником питания и микроконтроллером, средства для связи с мобильным электронным устройством, согласно изобретению, микроконтроллер включает средства для генерирования широтно-импульсной модуляции, при этом нагреватель связан с источником питания через мостовую схему, включающую две пары полупроводниковых ключей, а микроконтроллер связан с мостовой схемой и нагревателем через два управляющих полупроводниковых ключа, каждый из которых связан с одной парой ключей мостовой схемы. Кроме того, в футляре, согласно изобретению, мостовая схема может включать датчик тока. Кроме того, футляр, согласно изобретению, может содержать хотя бы один датчик температуры. The technical result is achieved by the fact that in the case for a mobile electronic device containing a housing, a heating element mounted in the housing connected to a power source and a microcontroller, means for communicating with a mobile electronic device according to the invention, the microcontroller includes means for generating pulse width modulation, in this case, the heater is connected to the power source through a bridge circuit including two pairs of semiconductor switches, and the microcontroller is connected to the bridge circuit and revatelem two controlled semiconductor switch, each of which is associated with one pair of the bridge circuit switches. In addition, in the case according to the invention, the bridge circuit may include a current sensor. In addition, the case according to the invention may contain at least one temperature sensor.

Технический результат обеспечивается за счет использования мостовой схемы подключения нагревательного элемента, включающей полупроводниковые ключи, переключающиеся по заданному алгоритму под управлением микроконтроллера с генератором щиротно-импульсной модуляции (ШИМ). Возможность такого управления обеспечивается связью микроконтроллера с мостовой схемой посредством управляющих ключей. Алгоритм переключения ключей мостовой схемы задается микроконтроллером в соответствии с программой в зависимости от типа нагревательного элемента. Импульсная подача энергии в виде импульсов разной полярности в совокупности с задаваемым алгоритмом переключения ключей реализует двукратный пробег тока через нагревательный элемент и формирует на нагревателе напряжение с удвоенной амплитудой относительно питания мостовой схемы. Это ускоряет нагрев нагревательного элемента. При неизменной величине тока мощность нагрева увеличивается на 70-90%. Мостовая схема подключения нагревательного элемента под управлением ШИМ позволяет изменять частоту переключения ключей от единиц Гц до сотен кГц. Переключение ключей под управлением микроконтроллера с ШИМ дает возможность не только оперативного изменения частоты, но и скважности (ширины) подаваемых импульсов, а также длительности «мертвого времени», под которым понимается задержка между включениями верхнего и нижнего ключей в одном плече мостовой схемы. Изменение ширины импульса подачи энергии позволяет осуществлять регулировку нагрева в зависимости от температуры окружающей среды. Регулирование длительности «мертвого времени» позволяет предотвратить протекание сквозных токов. Предотвращение сквозных токов относится к надежности, а не к эффективности нагрева. Использование мостовой схемы позволяет формировать однополярный, или двухполярный частотный сигнал, или осуществлять подачу постоянного тока. Такая возможность позволяет использовать различные виды нагревателей: проволоку из металла с высоким электрическим сопротивлением, металлическую пластину, пленочные материалы и др. В мостовую схему может быть включен датчик тока, связанный с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микроконтроллера, с помощью которого микроконтроллер под управлением АЦП реализует защиту нагревательного элемента, отключая работу мостовой схемы при превышении заданного значения тока. Все это повышает эффективность нагрева нагревательного элемента.The technical result is achieved through the use of a bridge circuit for connecting a heating element, including semiconductor switches that switch according to a predetermined algorithm under the control of a microcontroller with a pulse-width modulation (PWM) generator. The possibility of such control is provided by the connection of the microcontroller with the bridge circuit by means of control keys. The key switching algorithm of the bridge circuit is set by the microcontroller in accordance with the program, depending on the type of heating element. The pulsed energy supply in the form of pulses of different polarity, in combination with the specified key switching algorithm, implements a double run of the current through the heating element and generates a voltage with a double amplitude on the heater relative to the bridge circuit power. This speeds up the heating of the heating element. With a constant current, the heating power increases by 70-90%. A bridge circuit for connecting a heating element under PWM control allows you to change the key switching frequency from units of Hz to hundreds of kHz. Switching the keys under the control of the microcontroller with PWM makes it possible not only to quickly change the frequency, but also the duty cycle (width) of the supplied pulses, as well as the duration of the "dead time", which is understood as the delay between switching on the upper and lower keys in one arm of the bridge circuit. Changing the pulse width of the energy supply allows you to adjust the heating depending on the ambient temperature. The regulation of the duration of the "dead time" allows you to prevent the flow of through currents. Through-current prevention refers to reliability, not heating efficiency. Using a bridge circuit allows you to generate a unipolar, or bipolar frequency signal, or to supply direct current. This feature allows you to use different types of heaters: a wire of metal with high electrical resistance, a metal plate, film materials, etc. A current sensor connected to an analog-to-digital converter (ADC) of the microcontroller can be included in the bridge circuit, with which the microcontroller is controlled The ADC implements the protection of the heating element by disabling the operation of the bridge circuit when the specified current value is exceeded. All this increases the heating efficiency of the heating element.

На фиг.1 изображен футляр для мобильного электронного устройства.Figure 1 shows a case for a mobile electronic device.

На фиг.2 изображен вид спереди корпуса футляра для мобильного электронного устройства.Figure 2 shows a front view of the case for a mobile electronic device.

На фиг.3 изображена мостовая схема управления нагревательным элементом футляра для мобильного электронного устройства при прохождении тока от левого плеча мостовой схемы к правому.Figure 3 shows the bridge control circuit of the heating element of the case for a mobile electronic device when current flows from the left shoulder of the bridge circuit to the right.

На фиг.4 изображена мостовая схема управления нагревательным элементом футляра для мобильного электронного устройства при прохождении тока от правого плеча мостовой схемы к левому.Figure 4 shows the bridge control circuit of the heating element of the case for a mobile electronic device when current flows from the right shoulder of the bridge circuit to the left.

Футляр для мобильного электронного устройства включает корпус 1, внутри которого расположены источник питания 2, нагревательный элемент 3, микроконтроллер 4. На внешнюю часть корпуса 1 выведены: световая индикация 5, кнопка управления режимом нагрева 6, разъемы 7 и 8 для подключения внешних устройств. Управление нагревательным элементом 3 осуществляется с помощью мостовой схемы, включающей полупроводниковые ключи К2, К3, К5, К6, непосредственно реализующие мостовую схему и полупроводниковые управляющие ключи К1 и К4. Устройство включает датчик тока Т (фиг.3 и 4) и датчик температуры (на фигурах не показан)The case for a mobile electronic device includes a housing 1, inside of which there is a power supply 2, a heating element 3, a microcontroller 4. The external part of the housing 1 displays: light indication 5, a heating mode control button 6, connectors 7 and 8 for connecting external devices. The heating element 3 is controlled using a bridge circuit, including semiconductor switches K2, K3, K5, K6, directly implementing the bridge circuit and semiconductor control keys K1 and K4. The device includes a current sensor T (FIGS. 3 and 4) and a temperature sensor (not shown in the figures)

Футляр для мобильного электронного устройства работает следующим образом. A case for a mobile electronic device operates as follows.

Корпус 1 футляра выполняют, как из мягкого, так и жесткого материала: кожи, пластика и др. Для осуществления и управления функцией нагрева, а также другими функциями, в частности подзарядки мобильного электронного устройства, в корпусе 1 устанавливают плату микроконтроллера 4, например, архитектуры Cortex-M3. В качестве средств для генерирования ШИМ микроконтроллер 4 снабжен многофункциональным таймером с функцией широтно-импульсной модуляции, например, STM32F103, встроенным в микроконтроллер 4 или другими известными средствами. Микроконтроллер 4 также оснащен многоканальным 12-битным аналого-цифровым преобразователем, различными последовательными интерфейсами UART, I2C, SPI для подключения модулей бесконтактной передачи данных (Bluetooth), бесконтактного обмена данными с радиометками (NFC), беспроводной передачи питающей энергии (WPC) и др, Корпус 1 футляра снабжен разъемом 7 USB для подключения мобильного электронного устройства, а также разъемом 8 micro-USB для подключения зарядного блока. В корпусе 1 размещают нагревательный элемент 3 и источник питания 2, связанные с микроконтроллером 4. В корпусе 1 устанавливают датчики температуры: один датчик устанавливают возле разъема 7 для подключения мобильного электронного устройства, другой возле нагревательного элемента 3. Нагревательный элемент 3 представляет собой пластину или проволоку из металла с высоким электрическим сопротивлением, например вольфрама, заключенную в диэлектрическую оболочку. Также может быть применен нагревательный элемент 3 в виде пленки, или индуктивный нагревательный элемент. В качестве источника питания 2 для футляра используют аккумуляторную батарею, преимущественно литиевую. Нагревательный элемент 3 связан c источником питания 2 через мостовую схему, включающую две пары полупроводниковых ключей. Микроконтроллер 4 связан с нагревательным элементом через мостовую схему посредством двух управляющих полупроводниковых ключей, каждый из которых связан с одной парой полупроводниковых ключей мостовой схемы. В качестве полупроводниковых ключей могут быть использованы как биполярные, так и полевые транзисторы. На фиг.3 и 4 приведена мостовая схема, реализованная на полупроводниковых ключах К2, К3, К5, К6. Два ключа К1 и К4 являются управляющими. Питание мостовой схемы и микроконтроллера 4 осуществляется от источника питания 2. Управляющие ключи К1 и К4 используют для согласования напряжений питания микроконтроллера 4 и мостовой схемы и формирования сигналов управления верхними ключами мостовой схемы К2 и К5. Работа мостовой схемы осуществляется под управлением ШИМ микроконтроллера 4, по задаваемому алгоритму. Алгоритм задается программой в зависимости от типа нагревательного элемента и устанавливает частоту и скважность переключения ключей, а также длительность «мертвого времени». Сначала одновременно включаются нижний ключ К3 левого плеча мостовой схемы и верхний ключ К5 правого плеча мостовой схемы. При этом ток протекает через нагревательный элемент 3 в направлении от правого плеча мостовой схемы к левому (фиг.4). Затем все ключи выключаются. Далее, в соответствии с алгоритмом, задаваемым микроконтроллером 4, включается верхний ключ К2 левого плеча мостовой схемы и нижний ключ К6 правого плеча мостовой схемы. Ток при этом протекает через нагревательный элемент 3 в направлении от левого плеча к правому (фиг.3). Затем все ключи вновь выключаются. Под действием проходящего тока нагревательный элемент 3 нагревается. Прохождение тока через нагревательный элемент 3 в двух направлениях ускоряет его нагрев. Мостовая схема может включать датчик тока Т, связанный с одни из каналов АЦП микроконтроллера 4, для защиты нагревательного элемента 3. Микроконтроллер 4 с помощью АЦП преобразовывает показания датчика тока в цифровое значение. Программа, функционирующая в микроконтроллере, в случае превышения заданного значения тока подает команду на отключение работы мостовой схемы и, соответственно, отключение нагрева. Case 1 of the case is made of both soft and hard material: leather, plastic, etc. To implement and control the heating function, as well as other functions, in particular charging a mobile electronic device, a microcontroller 4 board is installed in case 1, for example, architecture Cortex-M3. As means for generating PWM, the microcontroller 4 is equipped with a multifunction timer with a pulse width modulation function, for example, STM32F103, integrated in the microcontroller 4 or other known means. Microcontroller 4 is also equipped with a multi-channel 12-bit analog-to-digital converter, various serial interfaces UART, I2C, SPI for connecting modules for contactless data transfer (Bluetooth), contactless data exchange with RF tags (NFC), wireless power transfer (WPC), etc. The case 1 of the case is equipped with a 7 USB connector for connecting a mobile electronic device, as well as an 8 micro-USB connector for connecting a charging unit. A heating element 3 and a power source 2 connected to the microcontroller 4 are placed in the housing 1. Temperature sensors are installed in the housing 1: one sensor is installed near the connector 7 for connecting a mobile electronic device, the other near the heating element 3. The heating element 3 is a plate or wire made of metal with high electrical resistance, such as tungsten, enclosed in a dielectric sheath. Can also be applied to the heating element 3 in the form of a film, or an inductive heating element. As a power source 2 for the case using a rechargeable battery, mainly lithium. The heating element 3 is connected to a power source 2 through a bridge circuit including two pairs of semiconductor switches. The microcontroller 4 is connected to the heating element through a bridge circuit by means of two control semiconductor switches, each of which is connected to one pair of semiconductor switches of the bridge circuit. As semiconductor switches, both bipolar and field effect transistors can be used. Figures 3 and 4 show a bridge circuit implemented on semiconductor switches K2, K3, K5, K6. Two keys K1 and K4 are control keys. The bridge circuit and the microcontroller 4 are powered from the power source 2. The control switches K1 and K4 are used to coordinate the supply voltages of the microcontroller 4 and the bridge circuit and generate control signals for the upper keys of the bridge circuit K2 and K5. The work of the bridge circuit is carried out under the control of the PWM microcontroller 4, according to the specified algorithm. The algorithm is set by the program depending on the type of heating element and sets the frequency and duty cycle of switching keys, as well as the duration of the "dead time". First, the lower key K3 of the left shoulder of the bridge circuit and the upper key K5 of the right shoulder of the bridge circuit are simultaneously turned on. When this current flows through the heating element 3 in the direction from the right shoulder of the bridge circuit to the left (figure 4). Then all keys are turned off. Further, in accordance with the algorithm specified by the microcontroller 4, the upper key K2 of the left shoulder of the bridge circuit and the lower key K6 of the right shoulder of the bridge circuit are turned on. The current flows through the heating element 3 in the direction from the left shoulder to the right (figure 3). Then all keys are turned off again. Under the influence of the passing current, the heating element 3 heats up. The passage of current through the heating element 3 in two directions accelerates its heating. The bridge circuit may include a current sensor T connected to one of the ADC channels of the microcontroller 4 to protect the heating element 3. The microcontroller 4, using the ADC, converts the readings of the current sensor to a digital value. The program operating in the microcontroller, in case of exceeding the set current value, gives a command to turn off the bridge circuit and, accordingly, turn off the heating.

Выбор и регулирование режима нагрева осуществляется через интерфейс мобильного электронного устройства, оснащенного специальным программным обеспечением с помощью средств бесконтактного обмена данными, например, Bluetooth. Для контроля за нагревом и уровнем заряда на корпусе 1 футляра установлена индикация 5 из нескольких светодиодов. Различные комбинации светящихся и несветящихся светодиодов указывают на состояние нагрева или зарядки мобильного устройства, находящегося в футляре. При невозможности использования мобильного электронного устройства для управления нагревом и зарядкой футляр снабжен управляющей тактовой кнопкой 6, позволяющей включать и отключать нагрев и зарядку мобильного электронного устройства. Наличие датчиков температуры, связанных с АЦП микроконтроллера 4, позволяет в автоматическом режиме с заданной частотой измерять и поддерживать требуемую температуру поверхности мобильного электронного устройства.The selection and regulation of the heating mode is carried out through the interface of a mobile electronic device equipped with special software using means of contactless data exchange, for example, Bluetooth. To control the heating and the charge level, an indication 5 of several LEDs is installed on the housing of the 1 case. Various combinations of luminous and non-luminous LEDs indicate the state of heating or charging of the mobile device in the case. If it is impossible to use a mobile electronic device to control heating and charging, the case is equipped with a control clock button 6, which allows you to enable and disable heating and charging of the mobile electronic device. The presence of temperature sensors associated with the ADC of the microcontroller 4, allows in automatic mode with a given frequency to measure and maintain the required surface temperature of the mobile electronic device.

В холодное время года мобильное электронное устройство, например, смартфон или планшет, располагают в футляре с функцией подогрева таким образом, что нагревательный элемент 3 находится напротив аккумуляторной батареи устройства. Через интерфейс смартфона или планшета устанавливают оптимальную температуру в зависимости от температуры окружающей среды. Соответствующая комбинация вспыхивающих светодиодов на поверхности футляра покажет, что футляр находится в режиме нагрева до температуры, установленной через интерфейс смартфона или планшета. Если мобильное электронное устройство разряжено и через него невозможно установить режим нагрева, то нагревом управляют с помощью тактовой кнопки 6, позволяющей включать, отключать, переключать режимы нагрева в зависимости от длительности удержания кнопки.In the cold season, a mobile electronic device, for example, a smartphone or tablet, is placed in a case with a heating function so that the heating element 3 is located opposite the battery of the device. Through the interface of a smartphone or tablet, the optimum temperature is set depending on the ambient temperature. The corresponding combination of flashing LEDs on the surface of the case will show that the case is in heating mode to the temperature set via the smartphone or tablet interface. If the mobile electronic device is discharged and it is not possible to set the heating mode through it, then the heating is controlled using a clock button 6, which allows you to enable, disable, switch heating modes depending on the length of the button is held.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность нагрева за счет повышения скорости нагрева и обеспечить возможность регулирования температуры нагрева.Thus, the invention allows to increase the heating efficiency by increasing the heating rate and to provide the ability to control the heating temperature.

Claims

1. A case for a mobile electronic device, comprising a housing, a heating element installed in the housing associated with a power source and a microcontroller, means for communicating with a mobile electronic device, characterized in that the microcontroller includes means for generating pulse width modulation, wherein the heater is connected with a power source through a bridge circuit including two pairs of semiconductor switches, and the microcontroller is connected to a bridge circuit and a heater through two control semiconductor ID keys, each of which is associated with one key pair of the bridge circuit.

2. The case according to claim 1, characterized in that a current sensor is included in the bridge circuit.

3. The case according to claim 1, characterized in that it contains at least one temperature sensor.