ДУПЛЕКСНЫЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР-ДЕСТРУКТОР БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
DUPLEX ELECTRIC STIMULATOR-DESTRUCTOR OF BIOLOGICAL OBJECTS

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, охватывающей область электробиотехнологий, и может быть использовано в биологии, медицине, сельском хозяйстве для уничтожения сорной растительности, пасынкования, нормализации ионного баланса корневой системы, уничтожения или отпугивания грызунов, изготовления электропастухов, электростимуляции растений и животных.
Известно устройство для уничтожения сорной растительности с помощью электрического тока, содержащее два элемента для определения количества сорных растений и их характеристик. Выходы упомянутых элементов подключены к соответствующим входам системы управления, которая в зависимости от данной информации вырабатывает сигналы, управляющие параметрами источника электроэнергии (RU 2081581 С1, 1997.06.20).
К недостаткам данного устройства следует отнести использование большого количества аппаратных средств и ограниченный диапазон использования.
Известен также пьезоэлектрический стимулятор-деструктор растений, содержащий источник электрической энергии (источник питания), состоящий из пьезоэлемента и привода, ограничитель напряжения, выпрямительный диод, накопительный конденсатор, защитный диод, пусковой элемент, электронный коммутатор, формирователь импульсов и электроды (RU 2289244 С1, 2006.12.20).
Недостатками данного устройства являются ограниченный частотный диапазон выходных импульсов, а также ограниченная область применения.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является устройство дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, содержащее источник операционного напряжения, активный электрод, генератор тестовых импульсов, тестовый анализатор проводимости, операционный анализатор проводимости и систему управления (RU 2005122232, 2007.01.27).
Недостатками данного устройства являются сложность практической реализации принципиальной схемы и высокая стоимость в изготовлении.
Технической задачей изобретения является создание дуплексного электростимулятора-деструктора биологических объектов, обладающего простой конструкцией, небольшими габаритами и массой, имеющего высокий КПД и широкий диапазон использования.
Эта техническая задача достигается тем, что в дуплексный электростимулятор-деструктор биологических объектов, содержащий источник питания, тактовый генератор, импульсный трансформатор, анализатор проводимости, три электронных коммутатора и электроды, введен управляемый емкостный накопитель, образуя при этом новые дополнительные связи.
На чертеже представлена функциональная схема и упрощенные эпюры вольтамперных характеристик дуплексного электростимулятора-деструктора биологических объектов. На эпюрах вольт-амперных характеристик не показаны переходные и колебательные процессы напряжений и токов.
Устройство содержит источник питания 1, первым выводом соединенный с первым входом управляемого емкостного накопителя 8 и первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора 3, второй вывод которой подключен к входу первого электронного коммутатора 2, тактовый генератор 5, прямым выходом соединенный с управляющим входом первого электронного коммутатора 2 и управляющим входом емкостного накопителя 8, инверсным выходом подключенный к управляющему входу второго электронного коммутатора 6, анализатор проводимости 4, входом соединенный с первым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора 3, выходом подключенный к входу второго электронного коммутатора 6, управляющим выходом соединенный с управляющим входом третьего электронного коммутатора 7, вход которого подключен к выходу управляемого емкостного накопителя 8, а выход соединен с выходом второго электронного коммутатора 6 и первым электродом 9, причем второй вывод источника питания 1, выход первого электронного коммутатора 2, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 3, второй вход управляемого емкостного накопителя 8 и второй электрод 10 подключены к общему проводу.
Описание работы устройства
Дуплексный электростимулятор-деструктор биологических объектов состоит из источника питания 1, трех электронных коммутаторов 2, 6, 7, импульсного трансформатора 3, анализатора проводимости 4, тактового генератора 5, управляемого емкостного накопителя 8 и двух электродов 9, 10.
Генератор 5 вырабатывает последовательность тактовых импульсов, которые управляют работой всей схемы. Прямой выход генератора 5(а) соединен с управляющим входом первого электронного коммутатора 2 и управляющим входом емкостного накопителя 8. Инверсный выход генератора 5(b) подключен к управляющему входу второго электронного коммутатора 6.
Импульсный трансформатор 3 представляет собой индуктивный накопитель электрической энергии. Первый вывод первичной обмотки трансформатора 3 соединен с первым выводом источника питания 1, второй вывод подключен к входу первого электронного коммутатора 2. Выход первого электронного коммутатора 2 и второй вывод источника питания 1 соединены с общим проводом.
Накопитель 8 является управляемым емкостным накопителем электрической энергии, первым входом подключенный к первому выводу источника питания 1, вторым входом соединенный с общим проводом.
Вторичная обмотка трансформатора 3 вторым выводом подключена к общему проводу, а первым выводом соединена с входом анализатора проводимости 4(с), выход которого подключен к входу второго электронного коммутатора 6. Управляющий выход анализатора проводимости 4(d) соединен с управляющим входом третьего электронного коммутатора 7, вход которого подключен к выходу емкостного накопителя 8(е). Выходы второго и третьего коммутаторов 6, 7 соединены с первым электродом 9(f), второй электрод 10 подключен к общему проводу. Воздействие на биологический объект (не показан) осуществляется с помощью электродов 9, 10.
В начальный полупериод работы генератора 5 (чертеж, t0-t1) на его прямом выходе (а) образуется сигнал высокого уровня (эпюра а), который переводит коммутатор 2 в открытое состояние. Первичная обмотка трансформатора 3 подключается к источнику питания 1, в результате чего в ней накапливается электрическая энергия. В этот момент во вторичной обмотке трансформатора 3 индуцируется напряжение (эпюра с), которое через анализатор проводимости 4 поступает на вход коммутатора 6. Одновременно, сигнал высокого уровня на управляющем входе емкостного накопителя 8 разрешает заряд последнего до напряжения источника питания 1 (эпюра c). Поскольку уровень сигнала на инверсном выходе генератора 5 равен нулю (эпюра b), то коммутатор 6 находится в закрытом состоянии, разрывая цепь между вторичной обмоткой трансформатора 3 и электродом 9. Коммутатор 7 также закрыт, так как на управляющем выходе анализатора 4 (эпюра d) присутствует нулевой потенциал. Таким образом, в начальный момент времени (t0-t1) между электродами 9 и 10 напряжение воздействия на биологический объект отсутствует, ток равен нулю (эпюра f).
По окончании первого полупериода в момент времени t1 на прямом выходе генератора 5 (эпюра а) образуется нулевой потенциал, емкостный накопитель 8 отключается от источника питания 1, коммутатор 2 закрывается, ток в первичной обмотке трансформатора 3 начинает быстро уменьшаться. В результате этого во вторичной обмотке трансформатора 3 возникает ЭДС самоиндукции высокого напряжения (эпюра c, t1-t2). Сигнал высокого уровня, образованный на инверсном выходе генератора 5 (эпюра b), в момент t1 переводит коммутатор 6 в проводящее состояние, подключая цепь вторичной обмотки трансформатора 3 через анализатор проводимости 4 к электродам 9, 10, к которым присоединен биообъект. В течение времени t1-t2 напряжение на электродах 9, 10 резко возрастает (эпюра с), однако ток, протекающий через биообъект, имеет очень низкое значение и представляет собой ток утечки собственной изоляции биообъекта (эпюра f, t1-t2). В точке t2 наступает пробой изоляции биообъекта, в результате чего внутри него образуется проводящий канал, при этом напряжение вторичной обмотки трансформатора 3 на отрезке времени t2-t3 резко уменьшаться (эпюра c), а ток возрастает (эпюра f). В момент t3 ток проводящего канала достигает оптимального значения (эпюра f), при котором на выходе анализатора проводимости 4 возникает сигнал высокого уровня (эпюра d), который открывает коммутатор 7, подключая заряженный емкостный накопитель 8 (эпюра e) к электродам 9, 10. Операционный (силовой) импульс, поступающий от накопителя 8 через открытый коммутатор 7 на электрод 9, накладывается на проводящий канал, сформированный разрядным током трансформатора 3 (эпюра f, t3-t4). Таким образом, на биообъект производится дуплексное воздействие от двух источников энергии: индуктивного 3 и емкостного 8. Первый формирует канал проводимости, а второй в заданной точке его характеристики осуществляет силовое воздействие, обеспечивая желаемый результат. Появление операционного импульса возможно в любой фазе сформированного проводящего канала, поскольку величина его тока отслеживается анализатором проводимости 4. К моменту времени t4 действие операционного импульса заканчивается (эпюра f). Напряжение на емкостном накопителе 8 принимает остаточное значение (эпюра е, t4-t5) до окончания полного цикла (t0-t5) работы схемы.
Время воздействия электрическим током на биообъект t3-t4 задается длительностью импульса, поступающего на вход коммутатора 7 с выхода анализатора проводимости 4 (эпюра d). Энергия операционного импульса определяется величиной напряжения источника питания 1 и емкостью накопителя 8. В течение активной процедуры дуплексного воздействия t1-t4 (эпюры с, d, е, f) индуктивный 3 и емкостный 8 накопители энергии находятся в отключенном состоянии от источника питания 1 (эпюра а, низкий уровень). Такой режим работы устройства обеспечивает безопасность и защиту источника питания 1 от короткого замыкания между электродами 9 и 10.
Предлагаемое схемотехническое решение позволяет дозировать энергию, подводимую к биообъекту в широком диапазоне. Если энергия операционного импульса достаточно велика, то объект будет уничтожен, в ином случае результатом воздействия может быть стимуляция или замедление роста биообъекта. Принципиально, стимуляция отличается от деструкции (уничтожения) энергетическими параметрами, значениями напряжений, токов, частоты и скважности импульсов, так как в случае стимуляции разрушение или повреждение клеточной структуры биообъекта импульсами воздействия недопустимы.
Практически, напряжение источника питания 1 может составлять 200…500B, при этом напряжение на вторичной обмотке трансформатора 3, формирующее проводящий канал, достигает значений 12…17 кВ.
Максимальный ток (амплитудное значение) операционных импульсов находится в пределах 200…250 А, минимальное значение определяется активированной емкостью накопителя 8 и составляет 1,5…2,0 мА.
Частота следования электрических сигналов находится в диапазоне от 10 Гц до 70 кГц. Минимальная длительность операционных импульсов при отсутствии «затянутых» фронтов составляет 0,2…0,5 мсек.
Устройство может применяться в качестве электропропольщика для уничтожения сорняков, пасынкования, нормализации ионного баланса корневой системы растений, уничтожения или отпугивания грызунов, изготовления электропастухов, электростимуляции растений и животных.
Устройство обладает простой конструкцией, имеет небольшие габариты и массу, высокий КПД и широкий диапазон использования. Оно не нарушает экологию окружающей среды и не вызывает генетических или структурных изменений биообъектов.