Электронная схема электрошокового устройства

Область техники, к которой относится полезная модель
Предлагаемая полезная модель относится к области оружия нелетального действия, конкретно - к электронным схемам электрошоковых устройств (ЭШУ).
Уровень техники
Современные ЭШУ, как правило, содержат в своем составе следующие основные блоки: источник электропитания (аккумулятор АКБ или неперезаряжаемый источник питания - батарею), электронную схему формирования сигнала и выходной высоковольтный трансформатор, снабженный рабочими электродами. Все блоки размещены внутри корпуса ЭШУ, при этом упомянутая электронная схема, как правило, смонтирована на печатной плате.
Упомянутая электронная схема функционально и/или конструктивно обычно разделена на несколько узлов (например, ЭШУ по патенту США №7520081):
1. Узел формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора, предназначенный для создания (формирования) высоковольтных (1000…6000 В) импульсов заданных амплитуды, частоты повторения, длительности и фронта/спада.
2. Узел первичного преобразования напряжения питания, управления и контроля, включающий схему формирования промежуточного напряжения и схему управления и контроля. При использовании микропроцессора обе схемы могут быть конструктивно и функционально объединены.
3. Узел индикации, предназначенный в первую очередь для контроля состояния аккумуляторной батареи, режимов работы ЭШУ, а также для контроля данных о параметрах эксплуатации ЭШУ (электронный номер устройства, дата выпуска, версия программного обеспечения, дата и время, количество зарядов/разрядов АКБ, количество срабатываний ЭШУ в период эксплуатации и т.п.).
Блок формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора выполнен, как правило, на основе сочетания накопительного конденсатора и высоковольтного (преимущественно, с напряжением разряда 1000…6000 В) разрядника (твердотельного, вакуумного или газового), либо импульсного высоковольтного ключа, выполненного на соответствующих полупроводниковых элементах, преимущественно транзисторах. Эти аналоговые элементы отличаются объемной конструкцией (высотой, большей, чем длина и/или ширина элемента), в отличие от других цифровых и аналоговых элементов (микросхем, резисторов и конденсаторов), выполненных в современных устройствах в плоских SMD-корпусах, применяемых в других узлах электронной схемы устройства.
В настоящее время существует большое разнообразие конструктивного исполнения корпуса (форм-фактора) ЭШУ: «дубинки» (ЭШУ, корпус которых выполнен в виде цилиндра или близкого к форме цилиндра тела), «электробритвы» (ЭШУ, корпус которых выполнен в виде тела, напоминающего электробритву), «пистолеты» (ЭШУ, корпус которых выполнен в виде тела, напоминающего пистолет или револьвер) и т.п. Следствие - разнообразие (отсутствие унификации) конструктивных исполнений электронных схем, которые необходимо вписывать в разные типы корпусов. При этом их содержание преимущественно одинаковое, поскольку производители стремятся все же к максимальной унификации технических решений и перечня ЭРЭ, с одной стороны, и получению максимальных выходных параметров ЭШУ, с другой стороны, вне зависимости от форм-фактора ЭШУ, который определяется отнюдь не выходными характеристиками, а назначением ЭШУ, которые используются в различных условиях людьми разного пола, роста, возраста, профессии и т.п.
Так, например, российская фирма «МАРТ ГРУПП» (http://www.shoker.ru/shop/) производит несколько типов ЭШУ одного класса, практически идентичных по выходным электрическим характеристикам (следовательно, по применяемым в составе ЭШУ электронным схемам), но существенно отличающихся друг от друга форм-фактором, например, ЭШУ Скорпион («дубинка»), Каракурт-АС («электробритва»), Каракурт-мини («миниэлектробритва») и АИР-140 («пистолет»). Другая российская фирма - «ОБЕРОН-Альфа» (http://npp-oberon.ru/magazin/) - также производит несколько типов ЭШУ одного класса, практически идентичных по выходным электрическим характеристикам (следовательно, по применяемым в составе ЭШУ электронным схемам), но существенно отличающихся друг от друга форм-фактором, например, ЭШУ Фантом («электробритва») и ЭШУ Zeus («дубинка»). При этом в каждой конструкции этих ЭШУ используется уникальная по конфигурации (в зависимости от форм-фактора ЭШУ) печатная плата для размещения практически идентичных электронных схем.
Негативный результат этого - значительное удорожание разработки и производства ЭШУ, поскольку стоимость проектирования платы для очередной конструкции ЭШУ, а также подготовка ее производства (например, создание программ ЧПУ и т.п.), является весьма высокой, что, в свою очередь, заметно влияет на конечную себестоимость ЭШУ, соответственно, - на ее коммерческую цену.
Приведенные выше примеры ЭШУ можно рассматривать в качестве аналогов заявляемой полезной модели.
В качестве прототипа выбрана электронная схема, смонтированная на печатной плате сложной конфигурации (печатной плата имеет множество изгибов в плоскости, повторяя контур корпуса ЭШУ), размещенная в ЭШУ форм-фактора «электробритва» (http://schemeelectronic.blogspot.ru/2013/03/senjata-kejut-listrik-stun-gun.html). Очевидно, что использование данной электронной схемы, смонтированной на плате такой конфигурации, невозможно, например, в ЭШУ, выполненном в форм-факторе «дубинки». В результате, при создании ЭШУ, выполняемого, например, в форм-факторе «дубинки», аналогичного по выходным параметрам, следовательно схемотехнике и применяемым ЭРЭ, придется заново проектировать электронную схему и печатную плату, на которой она будет размещена, что, как было уже выше указано, приведет к значительному удорожанию производства этих ЭШУ.
Цель полезной модели - создание электронной схемы ЭШУ, размещаемой на универсальной печатной плате, лишенной указанных недостатков, а именно на плате оптимальной конфигурации, которая позволяет располагать и монтировать на ней электрорадиоэлементы (ЭРЭ) единообразным автоматизированным способом в серийном производстве, пригодной при этом для использования в ЭШУ различных форм-факторов.
При этом достигается технический результат, заключающийся в существенном повышении коэффициента унификации конструкции электронной схемы ЭШУ, соответственно, в расширении функциональных возможностей ЭШУ, при одновременном обеспечении низкой стоимости производства.
Поставленная цель достигается тем, что электронная схема электрошокового устройства (ЭШУ), содержащая узел первичного преобразования напряжения питания, управления и контроля, узел индикации и узел формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора, размещена на печатной плате, которая выполнена с соотношением короткой и длинной сторон не менее 1:2,5, разделена по меньшей мере на три сегмента, преимущественно путем создания перфорации платы с возможностью механического разделения платы на сегменты по линиям перфорации, и оптимального размещения сегментов в корпусе ЭШУ вдоль продольной оси корпуса ЭШУ, либо поперек нее, либо в комбинации продольного и поперечного расположения, либо в ином, подходящем для данной конструкции корпуса расположении, на плоскости или в объеме внутри упомянутого корпуса, а необходимые электрические соединения между элементами схемы, размещенными на разных упомянутых сегментах, выполнены объемным монтажом или в виде плоских шлейфов.
Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутая перфорация выполнена параллельно короткой стороне платы.
Дополнительная особенность заключается в том, что узел первичного преобразования напряжения питания, управления и контроля, узел индикации и узел формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора размещены на соответствующих сегментах упомянутой платы.
Дополнительная особенность заключается в том, что по меньшей мере один сегмент упомянутой платы после монтажа на нем соответствующего узла защищен диэлектрической пленкой, выполненной преимущественно в виде термоусадочной трубки.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - Типовая блок-схема электронной схемы ЭШУ.
Фиг. 2 - Пример возможного плоскостного расположения сегментов платы: расположение сегментов печатной платы для ЭШУ форм-фактора «электробритвы».
Фиг. 3 - Пример возможного плоскостного расположения сегментов платы: расположение сегментов печатной платы для ЭШУ форм-фактора «дубинки».
Фиг. 4 - Пример возможного плоскостного расположения сегментов платы: расположение сегментов печатной платы для ЭШУ форм-фактора «миниэлектробритвы», вариант 1.
Фиг. 5 - Пример возможного плоскостного расположения сегментов платы: расположение сегментов печатной платы для ЭШУ форм-фактора «миниэлектробритвы», вариант 2.
Фиг. 6 - Пример возможного плоскостного расположения сегментов платы: расположение сегментов печатной платы для ЭШУ форм-фактора «пистолета».
Фиг. 7 - Примеры возможного объемного расположения сегментов печатной платы для ЭШУ.
Фиг. 8 - Обоснование предлагаемых размерных соотношений сторон печатной платы ЭШУ.
Фиг. 1. Типовая блок-схема электронной схемы ЭШУ содержит упомянутые узел индикации 1, узел первичного преобразования напряжения питания, управления и контроля 2, а также узел формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора 3. Как правило, эти узлы размещаются на единой печатной плате, а нередко - именно в таком порядке.
Фиг. 2. При плоскостном расположении печатной платы 4 (Фиг. 2а) в ЭШУ форм-фактора «электробритва» (Фиг. 2б, Фиг. 2в), размеченной на три сегмента 5, 6 и 7 соответственно путем создания перфорации платы (например, в виде миниатюрных отверстий) с возможностью механического разделения платы на сегменты по двум линиям перфорации 8, ее удобно размещать перпендикулярно продольной оси 9 корпуса ЭШУ. На сегментах 5, 6 и 7, в этом варианте форм-фактора ЭШУ, например, удобно разместить узлы 1, 2 и 3 соответственно. В данном примере разрезание платы по линии перфорации не требуется.
Фиг. 3. При плоскостном расположении печатной платы 4 (Фиг. 3а) в ЭШУ форм-фактора «дубинка» (Фиг. 3б, Фиг. 3в), размеченной на три сегмента 5, 6 и 7 соответственно путем создания перфорации платы (например, в виде миниатюрных отверстий) с возможностью механического разделения платы на сегменты по двум линиям перфорации 8, ее удобно размещать вдоль продольной оси 10 корпуса ЭШУ. На сегментах 5, 6 и 7, в этом варианте форм-фактора ЭШУ, например, удобно разместить узлы 1, 2 и 3 соответственно. В данном примере разрезание платы по линии перфорации не требуется.
Фиг. 4. При плоскостном расположении печатной платы 4 (Фиг. 4а) в ЭШУ форм-фактора «миниэлектробритва» (Фиг. 4б) в варианте 1, плата также размечена на три сегмента 5, 6 и 7 соответственно, путем создания перфорации платы (например, в виде миниатюрных отверстий), при этом сегмент 5 механически отделен от платы 4 путем разрезания платы по первой линии перфорации 8 и размещен на оси второй линии перфорации 8, совпадающей с продольной осью 11 корпуса ЭШУ, образуя с другими сегментами условную букву «Т». Таким образом, обеспечивается плотная упаковка схемы, смонтированной на плате, в корпусе ЭШУ. На сегментах 6 и 7, в этом варианте размещения, размещены узлы 2 и 3 соответственно, а на сегменте 5 - узел 1.
Фиг. 5. При плоскостном расположении печатной платы 4 (Фиг. 5а) в ЭШУ форм-фактора «миниэлектробритва» (Фиг. 5б) в варианте 2, плата также размечена на три сегмента 5, 6 и 7 соответственно, путем создания перфорации платы (например, в виде миниатюрных отверстий), при этом сегмент 7 механически отделен от платы 4 путем разрезания платы по второй линии перфорации 8 и размещен зеркально симметрично сегменту 5 относительно продольной оси 12 корпуса ЭШУ, образуя с другими сегментами условную букву «Г». Таким образом, обеспечивается плотная упаковка схемы, смонтированной на плате, в корпусе ЭШУ. На сегментах 6 и 7, в этом варианте размещения, например, удобно разместить узлы 2 и 3 соответственно, а на сегменте 5 - узел 1.
Фиг. 6. При плоскостном расположении печатной платы 4 (Фиг. 6а) в ЭШУ форм-фактора «пистолет» (Фиг. 6б и Фиг. 6в), плата также размечена на три сегмента 5, 6 и 7 соответственно, путем создания перфорации платы (например, в виде миниатюрных отверстий), при этом сегмент 7 механически отделен от платы 4 путем разрезания платы по второй линии перфорации 8 и размещен параллельно симметрично сегменту 6 относительно продольной оси 13 корпуса ЭШУ, образуя с другими сегментами условную букву «Г», повернутую на 90° по часовой стрелке. Таким образом, обеспечивается плотная упаковка схемы, смонтированной на плате, в корпусе ЭШУ. На сегментах 6 и 7, в этом варианте размещения, например, удобно разместить узлы 2 и 3 соответственно, а на сегменте 5 - узел 1.
Фиг. 7. Приведены варианты компоновки сегментов 5, 6 и 7 платы 4 при объемном размещении сегментов в корпусе ЭШУ, в зависимости от абсолютных значений габаритных размеров корпуса, его форм-фактора, ограничений на полезный объем корпуса ЭШУ и его конфигурацию, а также соотношения упомянутых габаритных размеров. В данном случае все сегменты (за исключением варианта, показанного на Фиг. 7а, в котором лишь один сегмент механически отделен от платы по второй линии перфорации) механически разделены путем разрезания платы по обеим линиям перфорации.
На Фиг 7а показана компоновка сегментов, напоминающая условную объемную букву «Г», при этом сегменты платы 5 и 6 могут быть размещены вдоль продольной оси корпуса ЭШУ, а сегмент 7 - перпендикулярно ей. На сегменте 5 удобно разместить узел 1, на сегменте 6 - узел 2, а на сегменте 7 - узел 3 соответственно.
На Фиг. 7б показана компоновка сегментов, напоминающая условную объемную букву «П», при этом сегменты платы 5 и 7 могут быть размещены перпендикулярно продольной оси корпуса ЭШУ, а сегмент 6 - вдоль нее. На сегменте 5 удобно разместить узел 1, на сегменте 6 - узел 2, а на сегменте 7 - узел 3 соответственно.
На Фиг. 7в показана параллельная компоновка сегментов 5, 6 и 7, при этом сегменты располагаются перпендикулярно продольной оси корпуса ЭШУ и механически соединены с помощью жестких элементов 14. На сегменте 5 удобно разместить узел 1, на сегменте 6 - узел 2, а на сегменте 7 - узел 3 соответственно.
На Фиг. 7г показана компоновка сегментов, напоминающая условную объемную букву «Н», при этом сегменты платы 5 и 7 могут быть размещены перпендикулярно продольной оси корпуса ЭШУ, а сегмент 6 - вдоль нее. На сегменте 5 удобно разместить узел 1, на сегменте 6 - узел 2, а на сегменте 7 - узел 3 соответственно.
Указанное расположение сегментов вдоль или перпендикулярно продольной оси корпуса ЭШУ является лишь примером расположения, возможное расположение может быть и другим, например, путем поворота сегментов платы (совместного или раздельного) на угол ±90° (или иной угол) относительно показанных на Фиг. 7 вариантов по любой из трех ортогональных осей.
Следует отметить, что показанные на Фиг. 2 … Фиг. 7 варианты взаимного (плоскостного или объемного) расположения сегментов платы являются примерами, в реальном производстве ЭШУ возможно множество других вариантов, определяемых конкретной конструкцией корпуса ЭШУ.
Изображенные на Фиг. 7 примеры оптимальны преимущественно для ЭШУ в форм-факторе «дубинки», однако могут быть использованы и в ЭШУ других форм-факторов при условии не слишком большой разницы между шириной и высотой корпуса ЭШУ. В ином случае оптимальным является плоскостное расположение сегментов платы.
Все приведенные на Фиг. 2 … Фиг. 7 примеры плоскостного и объемного расположения сегментов платы в корпусе ЭШУ подразумевают исполнение перфорации параллельно короткой стороне платы, хотя теоретически возможны и иные варианты расположения линий перфорации, например, по диагонали или с образованием сегментов в виде правильных шестиугольников, т.е. сот, что может способствовать наиболее плотной упаковке в объеме корпуса ЭШУ в случае необходимости. Кроме того, возможна и непрямоугольная конфигурация самой платы, которая может оказаться более удобной для размещения в корпусе ЭШУ, однако в этом случае поле для размещения ЭРЭ на плате и печатных соединительных проводников должно сохранять единообразную форму для обеспечения унификации сегментов платы.
На основе приведенных примеров показано, что оптимально всегда монтировать узлы 1, 2 и 3 электронной схемы ЭШУ на сегментах 5, 6 и 7 платы соответственно, а необходимые электрические соединения между элементами схемы, размещенными на разных сегментах, выполнять объемным монтажом или в виде плоских шлейфов с длиной, необходимой для возможной реализации различных вариантов компоновки. В этом случае монтаж электрической схемы ЭШУ на предлагаемой универсальной плате не зависит от форм-фактора ЭШУ, в котором данная схема будет использована. Это особенно важно при серийном производстве, поскольку обеспечивает высокий коэффициент унификации не только перечня ЭРЭ, но и конструкции/компоновки узлов схемы, а также топологии всех слоев печатной платы, что упрощает процесс проектирования и производства, автоматизированную настройку и проверку работоспособности входящих узлов и схемы в целом. Последующее возможное механическое разделение платы на сегменты по линии (или линиям) перфорации не представляет больших трудностей. Таким образом, обеспечивается значительное снижение затрат на проектирование и производство упомянутой схемы.
В некоторых случаях, когда требуется обеспечить повышенную электрическую изоляцию между элементами, размещенными на разных сегментах, или между каким-либо сегментом платы и корпусом ЭШУ (особенно, в случаях, когда в корпусе выполнены сквозные отверстия, например, для размещения внешних элементов управления ЭШУ) предлагается при сборке ЭШУ или заранее упаковывать соответствующий сегмент в изолирующую пленку, имеющую высокое значения пробивного напряжения, выполненную преимущественно в виде термоусадочной трубки.
Фиг. 8. Приведен пример размещения платы 4, состоящей из трех сегментов 5, 6 и 7, в цилиндрическом корпусе 14 ЭШУ, выполненного в форм-факторе «дубинки» (показан фрагмент корпуса). Два сегмента платы 5 и 6 размещены вдоль продольной оси корпуса ЭШУ, а третий 7 - перпендикулярно ей, что, как правило, вызвано ограничениями, накладываемыми разработчиками ЭШУ на общую длину устройства. Такая компоновка аналогична компоновке, изображенной на Фиг. 7а.
Введем следующие обозначения:
d - внутренний диаметр корпуса 14;
а - высота (длина) третьего сегмента 7, примерно равная длине двух других сегментов, соответственно, общая длина платы - 3а;
b - ширина сегмента 7 (предполагаем для простоты, что ширина всех сегментов одинаковая), соответственно, это - ширина платы.
Определим оптимальное отношение 3а/b.
2
2
2
Из геометрических соображений (а+b=d для прямоугольника со сторонами а и b, вписанного в окружность с диаметром d) очевидно, что (3а/b)=3*sqrt[(d/b)2-1].
Предположим, что а>=b. Тогда с очевидностью следует b/3а<=1/3, т.е. 3а/b>2,5.
2
2
Предположим, что а<b. Отметим, что для размещения электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на сегментах платы, расположенных вдоль продельной оси корпуса ЭШУ с учетом их реальной высоты, разработчик ЭШУ вынужден сместить упомянутые сегменты ниже упомянутой продольной оси, соответственно, это приводит к соотношению b<d (b=d только в случае размещения соответствующих сегментов на продольной оси, если пренебречь толщиной платы). Анализ ЭШУ в форм-факторе «дубинки», серийно производимых в Российской Федерации и за рубежом, показал, что реальное соотношение b и d (с учетом реальных размеров корпуса ЭШУ и ЭРЭ) не превышает 0,75. Тогда, для b/d=0,75 3a/b=>2,64>2,5, и даже для b/d=0,76 нетрудно вычислить, что 3а/b=3*sqrt[(d/b)-1]=3*sqrt{(1/0,76)-1}>2,56>2,5.
Таким образом, оптимальное соотношение между короткой и длинной сторонами печатной платы, на которой размещается упомянутая электронная схема ЭШУ, не менее 1:2,5.
Можно показать, что для вариантов компоновки сегментов платы, изображенных на фиг. 7б … Фиг. 7г, соотношение 3а/b>2,5 также выполняется.
В других случаях (ЭШУ иных форм-факторов) такое ограничение на соотношение сторон платы может не накладываться, однако, если исходить из универсальности платы для использования в ЭШУ различных форм-факторов, данное соотношение следует сохранять для всех вариантов.
Осуществление полезной модели
Электронная схема ЭШУ выполнена на базе цифровых и аналоговых ЭРЭ, размещенных в SMD-корпусах, за исключением некоторых высоковольтных элементов (накопительный конденсатор, высоковольтный разрядник и трансформатор узла первичного повышения напряжения питания), и смонтирована на прямоугольной печатной плате с размерами 26×69×1,5 мм, при этом плата размечена на три сегмента путем создания перфорационных дорожек, параллельных короткой стороне платы. Каждый сегмент имеет длину 23 мм. Печатная плата может быть размещена как в корпусе ЭШУ форм-фактора «дубинка» с внутренним диаметром корпуса 36 мм, так и в корпусах других форм-факторов. Соединение между ЭРЭ, расположенными на разных сегментах платы, осуществлено навесными проводниками. Узел индикации, узел первичного преобразования напряжения питания, управления и контроля, а также узел формирования входного сигнала высоковольтного трансформатора, размещены последовательно (на первом, втором и третьем сегмента платы соответственно).