RU171961U1 - Узел импульсного высоковольтного инвертера для электрошокового устройства - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к нелетальному оружию с электрическим средством поражения цели, конкретно к контактным электрошоковым устройствам (ЭШУ) и дистанционным электрошоковым устройствам (ДЭШУ), выполненным преимущественно в форме полицейской дубинки.Максимальная эксплуатационная эффективность узла высоковольтного инвертера при интенсивной эксплуатации, а также повышение выходной электрической мощности достигаются за счет введения в электрическую схему узла обратной связи по току и рекуперационных полупроводниковых диодов.Узел высоковольтного инвертера может иметь также дополнительные функции индикации заряда и разряда батареи или аккумулятора питания инвертера, таймера для ограничения времени одноразового воздействия ЭШУ или ДЭШУ, контроля и регулирования выходных параметров инвертера, контроля температурного режима работы инвертера и его аварийного отключения от батареи или аккумулятора питания инвертера защиты от случайного включения, а также защиты от случайного включения.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к нелетальному оружию с электрическим средством поражения цели, конкретно к контактным электрошоковым устройствам (ЭШУ) и дистанционным электрошоковым устройствам (ДЭШУ), выполненным преимущественно в форме полицейской дубинки.

Уровень техники

Аналогом полезной модели выбраны широко известные из уровня техники инвертеры (преобразователи) DC/DC (High Voltage DC-DC Converters) - преобразователи постоянного низкого напряжения источника электропитания (батареи или аккумулятора) в высокое постоянное напряжение, описанные, например, в http://www.picoelectronics.com/dcdc_hp/HiVoltage.htm), состоящие из полупроводникового генератора импульсного напряжения с различной формой импульсов, повышающего высокочастотного трансформатора и выпрямителя.

Недостаток аналога заключается в невозможности применения его в современных конструкциях ЭШУ или ДЭШУ вследствие того, что подобные инвертеры преобразуют постоянное низкое напряжение источника электропитания (батареи или аккумулятора) в высокое постоянное напряжение, а узлы высоковольтных инвертеров для работы ЭШУ или ДЭШУ должны выдавать импульсное высокое напряжение, которое трансформируется на выходном высоковольтном импульсном трансформаторе в рабочее импульсное высокое напряжение, на порядок превышающее импульсное высоковольтное напряжение узла высоковольтного инвертера.

Прототипом полезной модели выбран уже стандартный на сегодняшнее время для ЭШУ или ДЭШУ узел импульсного высоковольтного инвертера, например, по патенту US №5193048 А, с накопительным конденсатором и пороговым узлом работы выходного высоковольтного импульсного трансформатора (Т2 по Фиг. 5 описания патента), состоящего из батареи или аккумулятора электропитания (ВТ1) полупроводникового генератора (осциллятора) переменного или импульсного напряжения, повышающего высокочастотного трансформатора (Т1) выпрямителя (D4; D5), накопительного конденсатора (С10) и порогового узла на газовом разряднике (GAP).

Недостаток прототипа заключается в том, что выходная мощность ЭШУ с таким инвертером уменьшается пропорционально степени разряда аккумулятора или батареи. Таким образом, инвертер-прототип не может обеспечить постоянную выходную мощность ЭШУ, что снижает рабочую эффективность ЭШУ при разряде аккумуляторов.

Другой недостаток инвертера-прототипа заключается в том, что он не имеет узла, рекуперирующего токи самоиндукции выходного высоковольтного импульсного трансформатора (выходного трансформатора ЭШУ или ДЭШУ), что снижает общий КПД работы ЭШУ или ДЭШУ.

Задачей заявленной полезной модели является устройство узла высоковольтного инвертера, лишенного недостатков прототипа, с повышенной выходной электрической мощностью и эффективным биологическим воздействием, не зависящим от степени разряда батареи или аккумулятора питания ЭШУ или ДЭШУ.

Поставленная задача решается тем, что в узле высоковольтного инвертера, содержащего батарею или аккумулятор электропитания, генератор переменного или импульсного напряжения, выполненный преимущественно на полупроводниковых усилительных элементах, повышающий высокочастотный трансформатор, выпрямитель, накопительный конденсатор и пороговый элемент, выход порогового узла и одного вывода накопительного конденсатора шунтирован по меньшей мере одним рекуперативным полупроводниковым диодом, а упомянутый генератор имеет обратную связь по току питания силовой цепи, обеспечивающую заданную выходную мощность упомянутого генератора во всем диапазоне выходных напряжений упомянутой батареи или аккумулятора.

Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый пороговый элемент узла высоковольтного инвертера представляет собой газовый или воздушный разрядник, или управляемый полупроводниковый ключ.

Дополнительная особенность заключается в том, что узел высоковольтного инвертера имеет дополнительную функцию индикации заряда и разряда батареи или аккумулятора питания инвертера.

Дополнительная особенность заключается в том, что узел высоковольтного инвертера имеет дополнительную функцию таймера работы инвертера.

Дополнительная особенность заключается в том, что узел высоковольтного инвертера имеет дополнительную функцию контроля и регулирования выходных параметров инвертера.

Дополнительная особенность заключается в том, что узел высоковольтного инвертера имеет дополнительную функцию контроля температурного режима работы инвертера и его аварийного отключения от батареи или аккумулятора питания инвертера.

Дополнительная особенность заключается в том, что узел высоковольтного инвертера имеет дополнительную функцию защиты от случайного включения.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг. 1 - Схема электрическая принципиальная узла высоковольтного инвертера.

Фиг. 2 - Плата узла высоковольтного инвертера без источника электропитания и выходного высоковольтного импульсного трансформатора (два вида).

Узел высоковольтного инвертера (Фиг.1) содержит генератор импульсного напряжения на ШИМ-контроллере 1 и силовом ключевом транзисторе 2, повышающий высокочастотный трансформатор 3, выпрямительный полупроводниковый диод 4, накопительный конденсатор 5, газовый разрядник 6 и по меньшей мере один рекуперативный полупроводниковый диод 7, который соединяет один вывод накопительного конденсатора 5 и выходной электрод газового разрядника 6. При этом оба электрода диода 7 служат местом присоединения концов первичной обмотки выходного высоковольтного импульсного трансформатора 8 ЭШУ или ДЭШУ.

Узел высоковольтного инвертера работает следующим образом. При включении предохранительного выключателя 9 напряжение питания от батареи или аккумулятора 10 подается на генератор импульсного напряжения. При включении выключателя 11 (пусковой кнопки ЭШУ или ДЭШУ) генератор запускается. При этом постоянное напряжение батареи 10 повышается на трансформаторе 3 до промежуточного переменного напряжения с амплитудой порядка 1400…3000 В. Выпрямленный диодом 4 ток высокого напряжения заряжает накопительный конденсатор 5. Заряженный до необходимой энергии накопительный конденсатор 5 принудительно, через газовый разрядник 6 или, в другом исполнении, тиристор или иной пороговый управляемый либо неуправляемый элемент, разряжается на первичную обмотку выходного высоковольтного импульсного трансформатора 8, в результате чего на выходе вторичной обмотки трансформатора формируются импульсы высокого, поражающего цель (боевого) напряжения ЭШУ или ДЭШУ.

При использовании в предлагаемом узле высоковольтного инвертера рекуперативного полупроводникового диода выходной импульс высоковольтного импульсного трансформатора 8 ЭШУ или ДЭШУ меняет форму с синусоидального затухающего на экспоненциальный убывающий однополярный. Происходит это вследствие того, что полупроводниковый диод 7, шунтирующий первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора 8, пропускает через себя ток самоиндукции первичной обмотки трансформатора 8 с обратным знаком относительно первой полуволны, при этом в магнитном сердечнике трансформатора накапливается энергия, которая, после спадания тока самоиндукции, в свою очередь, вызывает вторичную самоиндукцию с обратным знаком полуволны, причем эта полуволна обратного знака заполняет промежуток между первой и второй полуволнами импульса, а затем процесс повторяется (всего до 3…4 волн).

Таким образом, полупроводниковый диод 7 уменьшает потери в первичном контуре высоковольтного импульсного трансформатора, вследствие чего растет КПД узла высоковольтного инвертера и соответственно КПД всего изделия ЭШУ или ДЭШУ в целом.

Стабилизация выходной мощности достигается введением обратной связи по току (англ. current mode control - токовый режим управления), для чего в цепь истока силового ключа 2 включен датчик тока. В приведенной схеме в качестве датчика тока используется прецизионный низкоомный резистор 12. В других вариантах схемы считывание тока может быть произведено также при помощи специализированных микросхем (токоизмерительные ОУ, датчики Холла с интегрированным шунтом, силовые ключи со встроенным считыванием и пр.). Токовый сигнал пилообразной формы через фильтр, образованный элементами резистором 13, конденсатором 14, поступает на вход обратной связи (ОС, вывод 3) микросхемы ШИМ-контроллера 1 (UC3845), работающий по принципу компаратора. Фильтр необходим для подавления паразитного высоковольтного выброса в начале периода, в противном случае возможны ложные срабатывания компаратора ОС и, как следствие, неправильное формирование управляющих импульсов на затворе ключа 2. В начале периода ключ 2 находится в открытом состоянии, ток в первичной обмотке повышающего высокочастотного трансформатора 3 нарастает линейно с течением времени, соответственно растет и амплитуда сигнала ОС. По достижении порога компаратора ОС, контроллер 1 немедленно устанавливает низкий уровень сигнала (ключ 2 закрывается) до конца периода. Далее цикл повторяется. При изменении напряжения питания преобразователя меняется и время открытого состояния ключа 2, необходимое для достижения заданного порогового значения тока, при котором за рабочий цикл в индуктивности первичной обмотки трансформатора 3 запасается расчетное количество энергии. При понижении напряжения питания время, необходимое для запасания энергии, увеличивается, при повышении - наоборот, уменьшается, т.е. меняется коэффициент заполнения управляющих импульсов. Таким образом, при правильном расчете компонентов схемы и выборе рабочей частоты преобразователя, запасенная в трансформаторе энергия не изменяется при изменении напряжения питания в границах заданного при расчете. Частота преобразования при этом остается постоянной (т.к. она стабилизирована микросхемой контроллера и не зависит от питающего напряжения), поэтому не изменяется и выходная мощность преобразователя.

Описанный преобразователь может быть построен с использованием разнообразных микросхем ШИМ-контроллеров токового режима, например UC3843, UC3845, UCC3805, МАХ1771 (импортных); 1033ЕУ15хх, 1033ЕУ16хх (отечественных). Все функции токового управления ШИМ можно реализовать и на микроконтроллерах (МК). Помимо собственно ШИМ-контроллера (копирование функционала аналоговых ИС), на МК возможна реализация ряда сервисных и защитных функций, например, индикации заряда батареи, защиты от случайного включения, отсечки времени работы, а также другие описанные ниже дополнительные функции. Модельный ряд современных микроконтроллеров ведущих зарубежных компаний содержит изделия, специально предназначенные для использования в силовой технике. Такие МК включают в себя все типовые блоки для построения преобразователей: цифровые таймеры с многоканальным ШИМ, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, источники опорного напряжения и интегрированные драйверы силовых ключей. При этом, несмотря на относительно высокую цену, стоимость узлов, выполненных на специализированных МК, зачастую получается ниже тех же узлов, выполненных на дискретных аналоговых компонентах.

Узел высоковольтного инвертера, выполненный на МК, может иметь дополнительную функцию индикации заряда и разряда батареи или аккумулятора питания инвертера.

Узел высоковольтного инвертера, выполненный преимущественно на МК, может иметь дополнительную функцию таймера для ограничения времени одноразового воздействия ЭШУ или ДЭШУ с целью не допустить превышение медицинских нормативов по разрешенному времени воздействия на биологическую цель.

Узел высоковольтного инвертера, выполненный преимущественно на МК, может иметь дополнительную функцию контроля и регулирования выходных параметров инвертера, например выходной мощности с целью не допустить превышение медицинских нормативов по допустимой максимальной выходной мощности ЭШУ или ДЭШУ.

Узел высоковольтного инвертера, выполненный преимущественно на МК, может иметь дополнительную функцию контроля температурного режима работы инвертера и его аварийного отключения от батареи или аккумулятора питания инвертера в случае превышения установленного допустимого значения температуры нагрева электронных элементов, например транзисторов. Такое решение предохраняет ЭШУ или ДЭШУ от не разрешенных государственными стандартами длительных включений;

Узел высоковольтного инвертера, выполненный преимущественно на МК, может иметь дополнительную функцию защиты от случайного включения.

Узел предложенного высоковольтного инвертера имеет обратную связь по току, обеспечивающую стабильную выходную мощность инвертера во всем рабочем диапазоне входных напряжений (напряжений источников питания). Такое решение чрезвычайно важно для сохранения эффективности биологического воздействия ЭШУ или ДЭШУ по мере разряда их встроенных источников электропитания (преимущественно аккумуляторов). В настоящее время ни один образец ЭШУ или ДЭШУ отечественного производства не обладает указанной обратной связью и не может выдавать стабильную выходную мощность по мере разряда источника электропитания.

Узел высоковольтного инвертера по предлагаемой полезной модели используется в изделиях: гражданских ЭШУ/ДЭШУ моделей: «Скорпион-250-A»; «Скорпион-250-АЦ»; «Скорпион-350-A»; «Скорпион-350-АЦ» и полицейских ЭШУ/ДЭШУ модели АИР-107У исполнений 250; 350; 500.

Техническая реализация

На плате 15, выполненной из фольгированного однослойного или многослойного изоляционного материала (Фиг. 2), смонтирована электронная схема узла высоковольтного инвертера, включающая ШИМ-контроллер 1, силовой транзисторный ключ 2, повышающий высокочастотный трансформатор 3, выпрямительный полупроводниковый диод 4 (на плате размещены два последовательно соединенных диода), накопительный конденсатор 5, газовый разрядник 6 и рекуперативный полупроводниковый диод 7 (на плате размещены два последовательно соединенных диода), который соединяет один вывод накопительного конденсатора 5 и выходной электрод газового разрядника 6. При этом оба электрода диода 7 служат местом присоединения концов первичной обмотки непоказанного на фотографии выходного высоковольтного импульсного трансформатора 8.

Claims (7)

1. Узел высоковольтного инвертера, содержащий батарею электропитания, генератор переменного или импульсного напряжения, повышающий высокочастотный трансформатор, выпрямитель, накопительный конденсатор и пороговый элемент, отличающийся тем, что выход порогового узла и одного вывода накопительного конденсатора шунтирован рекуперативным полупроводниковым диодом, а упомянутый генератор имеет обратную связь по току питания силовой цепи, обеспечивающую заданную выходную мощность упомянутого генератора во всем рабочем диапазоне выходных напряжений упомянутого источника электропитания.

2. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый пороговый элемент узла высоковольтного инвертера представляет собой газовый или воздушный разрядник, или управляемый полупроводниковый ключ.

3. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что имеет дополнительную функцию индикации заряда и разряда упомянутого источника электропитания.

4. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что имеет дополнительную функцию таймера работы инвертера.

5. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что имеет дополнительную функцию контроля и регулирования выходных параметров инвертера.

6. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что имеет дополнительную функцию контроля температурного режима работы инвертера и его аварийного отключения от упомянутого источника электропитания.

7. Узел высоковольтного инвертера по п. 1, отличающийся тем, что имеет дополнительную функцию защиты от случайного включения.

Images