Высоковольтный генератор с предионизацией в разрядном промежутке
HIGH-VOLTAGE GENERATOR WITH PREIONISATION IN DISCHARGE GAP

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к контактным электрошоковым устройствам (ЭШУ) и дистанционным электрошоковым устройствам (ДЭШУ).
Уровень техники.
Известен высоковольтный генератор с предионизацией канала основного токового разряда конденсатора высоковольтным слаботоковым импульсом разряда высоковольтного трансформатора по патенту РФ №2410835 (Фиг. 1) патента, состоящий из низковольтного источника питания, выключателя, преобразователя низкого постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 600…6000 В, соединенного с накопительным конденсатором 4, включенным в цепь с пороговым устройством и низковольтной первичной обмоткой 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 конденсатор 7, одна обкладка которого соединена с выводом преобразователя напрямую, а другая обкладка соединена с выводом преобразователя через диод. Выводы конденсатора 7 соединены при помощи конденсаторов со средними выводами вторичных обмоток трансформатора диодами (высоковольтными диодными сборками) 13 и 14, которые в свою очередь соединены со свободными выводами вторичных обмоток трансформатора. Точка соединения диода 13 и свободного вывода вторичной обмотки 11 трансформатора соединена с выходным поражающим электродом 15, а точка соединения диода 14 и свободного вывода вторичной обмотки 12 трансформатора соединена с газовым или воздушным разрядником 16, в свою очередь соединенным последовательно со вторым поражающим электродом. Низковольтная или высоковольтная обмотки высоковольтного импульсного трансформатора сфазированы с выходом преобразователя и диодами 8, 13, 14.
Упрощенный вариант высоковольтного генератора по Фиг. 3 патента 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 4, 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 4 включены параллельно. К преобразователю подключен также дополнительный токовый накопительный конденсатор 7, одна обкладка которого соединена с выводом преобразователя напрямую, а другая обкладка соединена с выводом преобразователя через диод 8. Конденсатор 7 включен последовательно вторичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора, при этом один вывод конденсатора 7 соединен с газовым или воздушным разрядником 16, в свою очередь соединенным последовательно с выходным поражающим электродом. Другой вывод конденсатора 7 подключен к одному выводу обмотки и одному выводу диода (диодной сборке) 23, который вторым выводом в свою очередь присоединен ко второму выводу обмотки через конденсатор 24. Точка соединения диода 23 и конденсатора 24 соединена с выходным поражающим электродом генератора. Низковольтная или высоковольтная обмотки высоковольтного импульсного трансформатора сфазирована с выходом преобразователя и диодами.
Главным недостатком аналога является низкая надежность работы схем. Применение рассмотренных схем на практике показало, что наиболее слабым по надежности местом схемы является диод 8 (Фиг. 1 и Фиг. 3). В практически производимых схемах зарядное напряжение конденсаторов ограничивается напряжением срабатывания разрядника (Фиг. 1 и Фиг. 3) с напряжением срабатывания 2500 В. При этом диод 8 с максимальным обратным напряжением 5000 В (R5000F) периодически пробивается, что полностью нарушает работу схем. Полностью пробои не ликвидировались даже при замене одного диода последовательно соединенными 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 8 на практике не удалось. Применение в качестве диода 8 высоковольтной диодной сборки (как например сборка типа HV03-12, применяемая в качестве диодов 13, 14 и 23) 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, так как отечественные газовые разрядники отличаются незначительным ресурсом рабочих срабатываний. Применение в ЭШУ и ДЭШУ схемы без защитного разрядника 16 (Фиг. 1 и Фиг. 3) невозможно принципиально.
Прототипом устройства выбран высоковольтный генератор по заявке на изобретение РФ №2012144214 с предионизацией канала основного токового разряда конденсатора высоковольтным слаботоковым импульсом разряда высоковольтного трансформатора. Генератор содержит низковольтный источник питания постоянного напряжения, 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 ключа в виде воздушного или газового разрядника или тиристора, первичной низковольтной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, подключенные параллельно-последовательно накопительному конденсатору, включенный последовательно с первичной обмоткой токовый конденсатор, при этом вывод одной обкладки токового конденсатора или вывод конца первичной обмотки, противоположный подключенному выводу обкладки токового конденсатора, подключен к одному выходному концу вторичной высоковольтной обмотки, и другой ее выходной конец является первым поражающим электродом, второй вывод обкладки токового конденсатора непосредственно или косвенно соединен со вторым поражающим электродом, при этом выводы концов высоковольтной обмотки могут шунтироваться высоковольтным диодом или диодной сборкой, включенной обратно полярности импульса высоковольтной обмотки.
Недостатком прототипа во всех вариантах по фигурам заявки прототипа №№1…4 является возможность выхода из строя, вследствие электрического пробоя накопительного или токового конденсаторов. Такая вероятность возникает при экстремальных режимах работы ЭШУ и ДЭШУ, например, вследствие неразряда или недоразряда конденсатора тока 6 (нумерация элементов - по описанию прототипа) через ионизированный канал между поражающими электродами. Такой неразряд или недоразряд может происходить вследствие плотного прижатия поражающих электродов к эластичному изолятору (например, прорезиненной одежде), препятствующему первичному трансформаторному пробою между электродами высоковольтного разряда и, соответственно, к невозможности образования 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, в процессе сборки, настройки и проверки ЭШУ и ДЭШУ при увеличении расстояния между поражающими электродами сверх штатного расстояния, при помещении между поражающими электродами массивов диэлектрических предметов, например при испытании на пробой кожи, одежды, прикуривании от ЭШУ и ДЭШУ сигарет (к сожалению, распространенное в охранных и силовых службах явление).
В генераторе-прототипе для борьбы с недопущением неразряда или недоразряда применяется резистор 14 или индуктивность (дроссель) 15 (см. Фиг. 1 описания прототипа), функция которых заключается в возможности стекания по ним тока неразряженного конденсатора 6 для возможности возобновления работы генератора в случае неразряда или недоразряда. Однако при больших значениях тока зарядки конденсатора 6 (возникающих при большой частоте работы ЭШУ и ДЭШУ, при значительной емкости заряжаемых конденсаторов, т.е. большой выходной мощности ЭШУ и ДЭШУ, требуемой в частности для изделий для правоохранительных органов) ток неразряда или недоразряда не успевает стекать по резистору 14 или дросселю 15, вследствие чего конденсатор 6 заряжается полностью. Вследствие того, что конденсатор 6 полностью заряжен, ток заряда конденсатора 4 не может стечь через разрядник 5, обмотку 7 и конденсатор 6. Начинается перезаряд конденсаторов 4 и 6 до максимального напряжения, развиваемого инвертором 2. При этом развиваемое прямоходовыми инверторами напряжение ни в одной модели ЭШУ и ДЭШУ не стабилизируется и выбирается заведомо большим, чем напряжение зажигания газового разрядника 5 (во всех современных отечественных серийных моделях ЭШУ и ДЭШУ в качестве порогового элемента применяются газовые разрядники). Обычно же максимальное напряжение холостого хода (без нагрузки), развиваемое инвертором, выбирается на 50…100% выше, чем напряжение зажигания разрядника. В последние годы в схемах ЭШУ и ДЭШУ все чаще применяются обратноходовые преобразователи (флайбэк). В таких преобразователях напряжение без нагрузки превышается в еще большей степени, в связи с самим принципом работы. Таким образом, при неразряде или недоразряде конденсатора 6 оба конденсатора 6 и 4 начинают перезаряжаться, вплоть до электрического пробоя конденсаторов и, в случае применения обратноходовых преобразователей, также до пробоя изоляции трансформатора-дросселя преобразователя. Понижение сопротивления резистора 14 или индуктивности дросселя 15 с целью недопущения неразряда или недоразряда конденсатора 6 приводит к бесполезной утечке тока в обход конденсатора 6, что полностью лишает данную схему главных преимуществ схем с предионизацией, превращая ее в классическую схему без предионизации с незначительной длительностью поражающих импульсов. Указанный недостаток снижает надежность работы ЭШУ и ДЭШУ, как оружия самозащиты для граждан и служебного оружия, отказ которого грозит пользователю потерей здоровья и жизни.
Главным недостатком указанной схемы является низкое пробивное расстояние по воздуху (особенно при использовании высоковольтного импульсного трансформатора без сердечника) и относительно низкая амплитуда импульса в нагрузке в сравнении со схемой по патенту РФ №2410835, ввиду эффекта деления напряжения на конденсаторах, соединенных последовательно, т.е. снижения зарядного напряжения в связи с расходом части энергии конденсатора 4 на перезаряд токового конденсатора 6, вследствие чего каждый конденсатор заряжен лишь до некоторой части общего напряжения инвертера, ограниченного разрядником 5. Данный недостаток может быть до некоторой степени нивелирован повышением емкости конденсаторов, что, однако, приводит к неизбежному увеличению габаритов собранной схемы и тем самым сводит на нет преимущества схем с предионизацией в разрядном промежутке перед обычным трансформаторным выходным каскадом с равнозначными характеристиками импульса. В схеме прототипе, также как и в схеме по патенту РФ №2410835, принципиально невозможно получить напряжение в импульсе с нагрузкой, принятой за сопротивление тела человека (1 кОм), выше, чем напряжение срабатывания (зажигания) разрядника, ограничивающего зарядное напряжение накопительного конденсатора, причем в серийных схемах напряжение в импульсе (за счет потерь) ниже напряжения срабатывания разрядника на 20…30%.
Раскрытие изобретения.
Изобретение направлено на решение задачи создания высоковольтного генератора поражающих импульсов для ЭШУ И ДЭШУ, отличающегося максимальной надежностью работы при высоких значениях пробивного расстояния по воздуху, высоким значении амплитуды напряжения на нагрузке и отсутствием снижения характеристик импульсов при передаче импульсов к цели по проводам.
Сущность изобретения заключается в том, что высоковольтный генератор, содержит источник питания постоянного напряжения 1,5…30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500…6000 В, первый конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и включенный в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства, выполненного преимущественно в виде воздушного или газового разрядника или твердотельного полупроводникового ключа, первичной (низковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора и второго конденсатора, первый выходной электрод, соединенный с первым выводом вторичной (высоковольтной) обмотки высоковольтного трансформатора, второй выходной электрод, соединенный с выводом второй обкладки второго конденсатора, с последовательным соединением первичной (низковольтной) обмотки и вторичной (высоковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, при этом высоковольтный импульсный трансформатор своим первым выводом первичной (низковольтной) обмотки подключен к первой обкладке первого конденсатора, вторым выводом первичной (низковольтной) обмотки подключен к первому коммутирующему контакту высоковольтного коммутирующего устройства, второй контакт которого подключен к первой обкладке второго конденсатора.
Дополнительная особенность заключается в том, что выводы вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора и второго конденсатора должны быть сфазированы.
Дополнительная особенность заключается в том, что вторая обкладка упомянутого второго конденсатора подключена к выходному электроду генератора через дополнительное высоковольтное пороговое устройство, выполненное преимущественно в виде воздушного или газового разрядника, с напряжением пробоя большим, чем напряжение пробоя коммутирующего высоковольтного порогового устройства или зарядное напряжение первого конденсатора.
Дополнительная особенность заключается в том, что вывод вторичной обмотки упомянутого трансформатора подключен к выходному электроду генератора через дополнительное высоковольтное пороговое устройство, выполненное преимущественно в виде воздушного или газового разрядника, с напряжением пробоя большим, чем напряжение пробоя коммутирующего высоковольтного порогового устройства или зарядное напряжение первого конденсатора.
Дополнительная особенность заключается в том, что вторая обкладка упомянутого второго конденсатора и вывод вторичной обмотки упомянутого трансформатора подключены к упомянутым выходным электродам генератора через дополнительные высоковольтные пороговые устройства, выполненные преимущественно в виде воздушных или газовых разрядников, с напряжением пробоя большим, чем напряжение пробоя коммутирующего высоковольтного порогового устройства или зарядное напряжение первого конденсатора.
Дополнительная особенность заключается в том, что в качестве упомянутого твердотельного полупроводникового ключа используется тиристор или транзистор.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1. Схема высоковольтного генератора с предионизацией в разрядном промежутке.
Фиг. 2. Сравнительные размеры элементов заявляемого генератора и типичного концевого устройства ЭШУ.
Осуществление изобретения.
Фиг. 1. 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 пробоя разрядника 5, который срабатывает (возникает его короткое замыкание), т.е. «зажигается», при этом конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 и последовательно включенный конденсатор 6 в первичную (низковольтную) обмотку 7 высоковольтного импульсного трансформатора. При прохождении разрядного импульса тока конденсатора 4 через конденсатор 6, последний заряжается.
Во вторичной (высоковольтной) обмотке 8 трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Между выходными рабочими электродами 9 и 10 происходит воздушный пробой. При этом электрическое сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала (промежутка) между электродами 9 и 10 резко падает, и конденсатор 6 начинает разряжаться через ионизированный воздушный канал. Емкость конденсатора 6 мала по сравнению с емкостью конденсатора 4, поэтому, когда конденсатор 6 разряжается, разрядник 5 восстанавливается («гаснет»), но поскольку промежуток между электродами 9 и 10 остается ионизированным, через него начинает разряжаться конденсатор 4.При этом конденсатор 6 в процессе разряда через воздушный промежуток между электродами 9 и 10 подпитывается зарядным током преобразователя 2.
Рабочий разряд с электродов 9 и 10 в большинстве случаев применения ЭШУ и ДЭШУ проходит через одежду объекта воздействия, т.е. через воздушные промежутки, определяемые толщиной одежды. В некоторых случаях применения электроды 9 и 10 могут быть прижаты непосредственно к кожному покрову (эпидермису) объекта воздействия, имеющему сопротивление около 1000 Ом. Для недопущения прохождения зарядного тока преобразователя 2 через кожный покров без заряда конденсатора 4 применяется защитный воздушный или газовый разрядник 11 с напряжением пробоя («зажигания») большим, чем напряжение зажигания разрядника 5. Целесообразно применение защитных разрядников с напряжением «зажигания»,превышающим в 2 и более раза напряжение «зажигания» разрядника 5. Фактически разрядник 11 может быть легко выполнен как часть конструкции ЭШУ или ДЭШУ, в виде воздушного разрыва выходной электрической цепи, причем в ДЭШУ, как правило, в силу особенностей конструкции существуют заведомо неустранимые воздушные зазоры между выходными электродами ДЭШУ и электрическими контактами присоединяемого к ДЭШУ средства доставки электрического воздействия в цель (картриджа). Таким образом, разрядный промежуток, имитирующий разрядник 11, не обязательно изготавливать специально.
В ином воплощении разрядник 5 может быть заменен на коммутирующее устройство иного типа например высоковольтный транзистор или тиристор.
На Фиг. 1 разрядник 11 изображен как в цепи электрода 9, так и в цепи электрода 10. В цепь какого именно электрода (или в цепи обоих электродов) устанавливается разрядник 11, не имеет значения.
Несмотря на внешнее сходство электрических схем прототипа и заявляемого изобретения, их принцип действия принципиально отличаются друг от друга. В заявляемой схеме конденсатор 4 является не накопительным конденсатором (каковым в устройстве-прототипе по заявке РФ №201214421 является конденсатор 4), а фактически основным токовым конденсатором, т.е. элементом, формирующим основной токовый импульс в нагрузке. При этом конденсатор 6 играет фактически роль пускового конденсатора. После возникновения ионизированного канала (разряда между выходными электродами 9 и 10), преобразователь 2 оказывается подключенным параллельно к токовой разрядной цепи, осуществляя дополнительную «подпитку» цепи, вследствие чего в момент формирования токового импульса, амплитуда напряжения импульса на нагрузке превышает напряжение «зажигания» разрядника 5.
Заявляемая схема по всем ключевым параметрам импульса существенно превосходит известные ранее схемы генераторов высоковольтных импульсов с предионизацией разрядного промежутка рабочих электродов ЭШУ. Возможность получения амплитуды токового импульса на нагрузке, превышающей зарядное напряжение емкостей, без увеличения номиналов конденсаторов, применяемых в устройстве-прототипе, может быть особенно полезна в сверхминиатюрных конструкциях, где невозможно увеличивать массу и объемы конденсаторов, например в электрических пулях (летающих электрошокерах), где применение высоковольтных генераторов с предионизацией разрядного промежутка необходимо в связи с невозможностью получения поражающих импульсов с физиологически эффективной для объекта воздействия длительностью при помощи высоковольтных микротрансформаторов с ничтожной индуктивностью.
Кроме того, у заявляемой схемы полностью отсутствует падение характеристик при передаче импульса (т.е. эффективной мощности) по проводам на дистанции выстрела существующих средств доставки (5…10 м). Падение же характеристик импульса (амплитуда и длительность импульса) в известных схемах предионизации доходит до 30-40%. Таким образом, новая схема является перспективной для использования в проводных ДЭШУ, особенно в ДЭШУ с большой дистанцией поражения.
Фиг. 2. На фотографиях в одном масштабе изображены два вида преобразователя 12 постоянного напряжения источника питания ЭШУ в постоянное напряжение 500…6000 В предлагаемого генератора (соответствующий схематичному изображению на Фиг. 1 поз. 2), плата генератора 13 с установленными на ней конденсаторами 4 и 6, разрядником 5, и высоковольтным импульсным выходным трансформатором 14, и сборка преобразователя 12, плата генератора 13 с трансформатором 14, и головкой 15 ЭШУ с выходными электродами. На поз.16 изображено стандартное концевое устройство типичных ЭШУ российского и зарубежного производства (концевое устройство ЭШУ "АИР "М-140"; "Мальвина-200"; "Мальвина-250" ведущей компании России по ЭШУ компании ООО "МАРТ-ГРУПП") в стакане которого с головкой 15 установлен только высоковольтный импульсный выходной трансформатор. Сравнительные размеры в масштабе показывают, что предлагаемый генератор размещается вместе с преобразователем и высоковольтным импульсным выходным трансформатором в габаритах только одного высоковольтного импульсного выходного трансформатора типичных ЭШУ. Выходные электрические характеристики ЭШУ с заявляемым генератором и ЭШУ со стандартными концевыми устройствами равнозначны по разрешенной законодательством выходной мощности 10 Вт, амплитуде импульса на нагрузке, напряжению холостого хода но ЭШУ с заявляемым генератором имеет большую длину импульса чем ЭШУ со стандартными концевыми устройствами. Полная длительность импульса ЭШУ с заявляемым генератором по фотографии на Фиг. 2 равна 300 мкс, а длительность импульса ЭШУ "АИР "М-140"; "Мальвина-200"; "Мальвина-250" со стандартными концевыми устройствами не превышает 60 мкс. Таким образом ЭШУ с предлагаемым генератором даже при значительно меньших габаритных размерах обеспечивает большую физиологическую эффективность чем ЭШУ со стандартными концевыми устройствами.