Высоковольтный генератор
HIGH-VOLTAGE GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контактному электрошоковому оружию (ЭШО) и дистанционному электрошоковому оружию (ДЭШО).
Уровень техники
Известно электрошоковое устройство по патенту РФ №2305246. Высоковольтный генератор импульсов устройства содержит источник электропитания (батарею или аккумулятор), преобразователь постоянного низкого напряжения питания в постоянный ток более высокого напряжения для питания накопительного конденсатора, включенного последовательно с первичной обмоткой выходного высоковольтного импульсного трансформатора и газовым разрядником. В цепь вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора параллельно включен дополнительный конденсатор, заряжаемый от преобразователя через диод, служащий для недопущения стекания тока заряда конденсатора в цепь обмотки трансформатора.
При срабатывании разрядника конденсатор разряжается параллельно цепи обмотки, увеличивая мощность выходного высоковольтного импульса за счет увеличения его длительности.
Устройство имеет несколько недостатков.
Достижению максимальных разрядных токов при максимально возможном для данного трансформатора пробивном расстоянии напряжении воздушного промежутка между поражающими электродами препятствует ток утечки (обратный ток) диода (диодной сборки) и дополнительный ток утечки диода. При протекании этих обратных токов напряжение холостого хода трансформатора значительно падает, и длина искрового разряда (длина воздушного промежутка пробоя) на электродах падает до около 50-60% от аналогичного пробивного расстояния по воздуху чисто трансформаторного (безконденсаторного) выхода. Это существенно снижает эффективность электрошокового устройства, использующего такую схему, так как электрошоковые устройства проектируются как пробивающие максимальное воздушное расстояние при ограниченных габаритах высоковольтного импульсного трансформатора. Стоимость диодных сборок при этом велики. Все диоды схемы в момент высоковольтного импульса высоковольтного импульсного трансформатора оказываются под полным импульсным напряжением, что приводит к частому выходу их из строя.
Другой вариант устройства содержит источник электропитания (батарею или аккумулятор), преобразователь постоянного низкого напряжения питания в постоянный ток более высокого напряжения для питания накопительного конденсатора, включенного последовательно с первичной обмоткой выходного высоковольтного импульсного трансформатора, и газовым разрядником. В цепь вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора последовательно включен дополнительный конденсатор, заряжаемый от преобразователя через диод, служащий для недопущения стекания тока заряда конденсатора в цепь обмотки трансформатора.
При срабатывании разрядника конденсатор разряжается в цепи обмотки, увеличивая мощность выходного высоковольтного импульса за счет увеличения его длительности.
Устройство имеет следующие недостатки.
Конденсатор разряжается через обмотку, имеющую значительное сопротивление. При напряжениях холостого хода высоковольтного импульсного трансформатора в десятки киловольт сопротивление обмотки составляет сотни ом. Соответственно максимальный разрядный ток конденсатора ограничивается активным и реактивным сопротивлением обмотки. Диод схемы в момент высоковольтного импульса высоковольтного импульсного трансформатора оказывается под практически полным импульсным напряжением вследствие емкостной связи "между обмотками высоковольтного трансформатора, что приводит к его частому выходу из строя.
Общим недостатком обоих описанных выше схем электрошоковых устройств является недостаточный визуальный эффект работы устройств вхолостую (т.е. без нагрузки на поражающих электродах). Первое устройство имеет малый пробивной промежуток по воздуху, что снижает эффект от вида разряда. Второе устройство в связи с прохождением тока разряда дополнительного конденсатора через сопротивление вторичной обмотки высоковольтного трансформатора имеет вялый «размытый» вид и недостаточную по сравнению с умножительной (генератор Кокрофта-Уолтона) схемой ЭШО громкость разряда.
Прототипом устройства выбран генератор по патенту РФ №2410835. Высоковольтный генератор устройства состоит из низковольтного источника питания (3-20 В), выключателя, преобразователя низкого постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 600-6000 В, соединенного с накопительным конденсатором, включенным в цепь, состоящую из газового или воздушного разрядника или тиристора и низковольтной первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора. При этом низковольтный источник питания, преобразователь низкого постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 600-6000 В и накопительный конденсатор включены параллельно. К преобразователю подключен также дополнительный токовый накопительный конденсатор, одна обкладка которого соединена с выводом преобразователя напрямую, а другая обкладка соединена с выводом преобразователя через диод.
Выводы конденсатора соединены при помощи конденсаторов со средними выводами вторичных обмоток трансформатора диодами (диодными сборками), которые в свою очередь соединены со свободными выводами вторичных обмоток трансформатора. Точка соединения диода и свободного вывода вторичной обмотки трансформатора соединена с выходным поражающим электродом, а точка соединения диода и свободного вывода вторичной обмотки трансформатора соединена с газовым или воздушным разрядником, в свою очередь соединенным последовательно с вторым поражающим электродом. Низковольтная или высоковольтная обмотки высоковольтного импульсного трансформатора сфазированы с выходом преобразователя и диодами.
Упрощенный вариант высоковольтного генератора прототипа состоит из низковольтного источника питания (3-20 В), выключателя, преобразователя низкого постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 600-6000 В, соединенного с накопительным конденсатором, включенным в цепь, состоящую из газового или воздушного разрядника, и первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора. При этом низковольтный источник питания, преобразователь низкого постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 600-6000 В и накопительный конденсатор включены параллельно. К преобразователю подключен также дополнительный токовый накопительный конденсатор, одна обкладка которого соединена с выводом преобразователя напрямую, а другая обкладка соединена с выводом преобразователя через диод.
Конденсатор включен последовательно вторичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора, при этом один вывод конденсатора соединен с газовым или воздушным разрядником, в свою очередь соединенным последовательно с выходным поражающим электродом. Другой вывод конденсатора подключен к одному выводу обмотки и одному выводу диода (диодной сборке), который вторым выводом в свою очередь присоединен ко второму выводу обмотки через конденсатор. Точка соединения диода и конденсатора соединена с выходным поражающим электродом генератора. Низковольтная или высоковольтная обмотки высоковольтного импульсного трансформатора сфазированы с выходом преобразователя и диодами.
Главным недостатком схем прототипа является низкая надежность работы схем. Применение схем на практике показало, что наиболее слабым местом схемы является диод. В практических схемах зарядное напряжение конденсаторов ограничивается напряжением срабатывания разрядника с напряжением срабатывания 2500 В. При этом диод с максимальным обратным напряжением 5000 В (R5000F) периодически пробивался, что полностью нарушало работу схем. Полностью пробои не ликвидировались и при замене одного диода последовательное соединенными двумя диодами R5000F. Пробой диодов, вероятно, происходит из-за забросов высокого напряжения (в том числе статического) за счет емкостной связи обмоток высоковольтного трансформатора в цепь диода. Полностью на 100% ликвидировать периодические пробои диодов на практике не удалось. Применение в качестве диода высоковольтной диодной сборки (как, например, сборка типа HV03-12, применяемая в качестве диодов, не представляется возможной в связи с увеличением габаритов схемы и большой стоимости подобных типов сборок, что существенно увеличивает себестоимость схемы. Вторым недостатком схемы является необходимость применения в схемах разрядников компании EPCOS B88069X2190S102 или А71-Н25Х высокой стоимости. Применение ЭШО и ДЭШО по схеме без защитного разрядника невозможно принципиально.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на решение задачи создания высоковольтного генератора импульсов для ЭШО И ДЭШО, отличающегося максимальной надежностью при максимально низкой стоимости вследствие исключения ненадежных в работе и дорогих электронных компонентов, а также придания генератору свойство работать с разными выходными параметрами электрических импульсов.
Технический результат достигается тем, что высоковольтный генератор, содержащий источник питания постоянного напряжения в 1,5-30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500-6000 В, накопительный конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и содержащий цепь из последовательно включенных высоковольтного воздушного или газового разрядника или тиристора, первичной низковольтной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, подключенные параллельно-последовательно упомянутому конденсатору, включает в упомянутую последовательную цепь из упомянутого накопительного конденсатора, высоковольтного воздушного или газового разрядника или тиристора, низковольтной первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, также последовательно включенный конденсатор тока, при этом точка соединения вывода первичной обмотки и одной обкладки конденсатора тока подключена к одному выходному выводу вторичной высоковольтной обмотки, а второй ее выходной вывод является первым поражающим электродом, вторая обкладка конденсатора тока соединена со вторым поражающим электродом.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Высоковольтный генератор по п. 1 формулы изобретения (схема электрическая).
Фиг. 2. Вариант исполнения генератора с высоковольтной диодной сборкой (схема электрическая).
Фиг. 3. Вариант исполнения генератора с раздельными вторичными обмотками трансформатора и двумя высоковольтными диодными сборками (схема электрическая).
Фиг. 4. Вариант исполнения генератора с коммутатором (схема электрическая).
Осуществление изобретения
В зависимости от необходимости могут применяться различные исполнения высоковольтного генератора.
Фиг. 1. В наиболее простом воплощении генератор работает следующим образом.
При включении выключателя 1 преобразователь 2 питаемый от батареи 3 начинает заряжать накопительный конденсатор 4. При достижении полного заряда конденсатора 4 потенциал на нем оказывается равным напряжению зажигания разрядника 5, который срабатывает, и конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 и последовательно включенный конденсатор тока 6 в первичную обмотку 7 высоковольтного импульсного трансформатора. При прохождении импульса тока через конденсатор тока 6 он заряжается. Во вторичной обмотке 8 высоковольтного импульсного трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Между поражающими электродами 9 и 10 происходит воздушный пробой. При этом сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала между электродами 9 и 10 резко падает и заряженный конденсатор тока 6 начинает разряжаться в ионизированный воздушный канал через обмотку 8 трансформатора. Боевой разряд (разряд тока конденсатора тока 6) с электродов 9 и 10 проходит через одежду нападающего, т.е. через воздушные промежутки, определяемые толщиной одежды. В некоторых случаях применения электроды 9 и 10 могут быть прижаты и непосредственно к кожному покрову (эпидермису) цели, имеющему сопротивление около 1000 Ом. Однако на нарушение работы устройства в отличие от устройства-прототипа это не влияет, так как до срабатывания разрядника 5 зарядного тока преобразователя на поражающих электродах 9 и 10 в отличие от устройства-прототипа нет.
В данном исполнении генератор может применяться в ДЭШО с минимальными габаритными размерами и малой стоимости, например, в «летающих электрошокерах», иначе называемых электрическими пулями, в которых стоимость устройства, используемого только один раз, должна быть минимальна.
Фиг. 2. В ином варианте исполнения генератор работает следующим образом.
При включении выключателя 1 преобразователь 2 питаемый от батареи 3 начинает заряжать накопительный конденсатор 4. При достижении полного заряда конденсатора 4 потенциал на нем оказывается равным напряжению зажигания разрядника 5, который срабатывает, и конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 и последовательно включенный конденсатор тока 6 в первичную обмотку 7 трансформатора. При прохождении импульса тока через конденсатор тока 6 он заряжается. Во вторичной обмотке 8 трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Диод 11 (высоковольтная диодная сборка) включен обратно полярно полярности импульса вторичной обмотки трансформатора, поэтому шунтирования тока высоковольтного импульса на диод 11 не происходит. Между поражающими электродами 9 и 10 происходит воздушный пробой. При этом сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала между электродами 9 и 10 резко падает и конденсатор тока 6 начинает разряжаться в ионизированный воздушный канал через диод 11. При этом ток разряда конденсатора тока 6 проходит в ионизированный канал практически только через диод 11 с низким прямым сопротивлением, так как его параллельному прохождению через обмотку 8 препятствует ее значительное активное и реактивное сопротивление. В таком исполнении визуальный и звуковой эффект разряда между электродами 9 и 10 максимальный, то есть максимально и психологическое действие устройства на правонарушителя.
Фиг. 3. В ином варианте исполнения генератор работает следующим образом.
При включении выключателя 1 преобразователь 2, питаемый от батареи 3, начинает заряжать накопительный конденсатор 4. При достижении полного заряда конденсатора 4 потенциал на нем оказывается равным напряжению зажигания разрядника 5, который срабатывает, и конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 и последовательно включенный конденсатор тока 6 в первичную обмотку 7 трансформатора. При прохождении импульса тока через конденсатор тока 6 он заряжается. Вторичная обмотка трансформатора разделена на две равные по количеству витков части.
В частях вторичной обмотки 12 и 13 трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Диоды 11 включены обратно полярно полярностям импульсов обмоток 12 и 13 трансформатора, поэтому шунтирования тока высоковольтного импульса на диодах 11 не происходит.
Между поражающими электродами 9 и 10 происходит воздушный пробой. При этом сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала между электродами 9 и 10 резко падает и конденсатор тока 6 начинает разряжаться в ионизированный воздушный канал через диоды 11. При этом ток разряда конденсатора тока 6 проходит в ионизированный канал практически только через диоды 11 с низким прямым сопротивлением, так как его параллельному прохождению через вторичные обмотки трансформатора 12 и 13 препятствует их значительное активное и реактивное сопротивление.
В данном исполнении генератор может применяться в ЭШО И ДЭШО с максимальными пробивными расстояниями между поражающими электродами, в связи с тем, что разделенная вторичная обмотка уменьшает возможное расстояние пробоя от емкостного потенциала разряда на пользователя в 2 раза.
Фиг. 4. Возможен вариант исполнения генератора в комбинированном виде.
Схема снабжается трехпозиционным переключателем 14, имеющим положения «ЕМК.»; ЕМК-ИНД.; «ИНДУКТ».
На Фиг. 4 переключатель стоит в положении «ЕМК-ИНД», в этом случае реализовывается емкостно-индуктивный разряд на поражающих электродах 9, 10, фактически по описанию на Фиг. 1, так как конденсатор тока 6 разряжается на цель через обмотку 8. В этом случае выходные импульсы имеют большую продолжительность при сравнительно малой амплитуде напряжения и тока на нагрузке и при средней энергии в импульсе. При установке переключателя в положение «ЕМК» конденсатор тока 6 разряжается на цель через диод 11, в этом случае импульсы имеют большую продолжительность при большой амплитуде напряжения и тока на нагрузке и большей энергии в импульсе.
При установке переключателя в положение «ИНДУКТ», накопительный конденсатор 4 разряжается в обмотку 7, минуя конденсатор тока 6 и в этом случае импульсы имеют самую малую продолжительность при сравнительно большой амплитуде напряжения и тока на нагрузке и малую энергию в импульсе.
Таким образом в данном исполнении генератора реализуется управление выходными параметрами импульса, например, в зависимости от назначения генератор может производить как мягкое воздействие, так средней силы и очень сильное воздействие. При этом коммутация может происходить по необходимой программе за время воздействия, установленной, например, микроконтроллером. Коммутация может производиться высоковольтными транзисторами или вакуумными высоковольтными герконами, поскольку, как показали опыты, действующее на коммутатор напряжение не превышает зарядного напряжения накопительного конденсатора 4 (в среднем в стандартных современных ЭШО И ДЭШО интервал зарядного напряжения 1400-2500 В) за счет шунтирования в цепи высоковольтного импульса во всех положениях коммутатора конденсатором тока 6.
Во всех представленных выше вариантах исполнения выводы вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора и конденсатора тока 6 должны быть сфазированы.
Для недопущения пробоя диода 11 высоковольтными импульсами вторичной обмотки (обмоток) в качестве диодов необходимо применять высоковольтные диодные сборки с возможно большими значениями допускаемого прямого импульсного тока, обратного напряжения и минимальным обратным током.
Резистор или индуктивность (дроссель) (обозначенный на всех фигурах пунктирными линиями) выполняет функцию недопущения большого остаточного заряда конденсатора тока 6 и соответственной остановки работы генератора вследствие невозможности прохождения полного импульса тока от конденсатора 4 через первичную обмотку 7 трансформатора после срабатывания разрядника 5 в случае неразряда или недоразряда конденсатора тока 6 через ионизированный канал между поражающими электродами. Такой неразряд или недоразряд может получаться вследствие плотного прижатия поражающих электродов к эластичному изолятору (например, гидрокостюму) препятствующему пробою между электродами высоковольтного разряда и необразования ионизированного канала. Неразряд или недоразряд может возникнуть и в областях с повышенным давлением при очень сухом атмосферном воздухе, например при применении в летательных аппаратах, подводных аппаратах. Кроме указанной функции резистор или дроссель обеспечивает функцию предохранения пользователя от случайного воздействия небольшого постоянного остаточного напряжения на конденсаторе тока 6 после его недоразряда в ионизированный канал.