RU2783107C2

RU2783107C2 - Method for generating high voltage in protective electric shock apparatus

Info

Publication number: RU2783107C2
Application number: RU2021105427A
Authority: RU
Inventors: Константин Сергеевич Борисов; Павел Юрьевич Павлов; Владимир Михайлович Артышев; Андрей Викторович Потороча
Original assignee: Константин Сергеевич Борисов; Павел Юрьевич Павлов; Владимир Михайлович Артышев; Андрей Викторович Потороча
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-11-09

Abstract

FIELD: weapons.

SUBSTANCE: invention relates to protective electric shock apparatus of security systems and to electrical extermination systems for rodent control. Substance: method for generating a high voltage in protective electric shock apparatus includes converting the input AC voltage into a high pulse voltage and transmitting the high voltage to electrified conductive elements. In the process of generating a high pulse voltage, an is oscillation excitation diagram is used at the resonance frequency of a "capacitor - primary winding of the power transformer" series circuit, containing a high-voltage pulse generator connected via an input stage with galvanic separation to an AC network and controlling, via a driver, two power switches connected between the capacitor connected to the input stage and the primary winding of the power transformer. The high-voltage pulse generator comprises a logical part including, connected in series, a pulse counter, a decoder, an integrated microchip, a diode bridge connected to the input stage, a first Zener diode connected to the pulse counter of the logical part and, via the diode bridge, to the input stage and the capacitor, an operational amplifier connected, via the diode bridge, to the input stage, the capacitor and the integrated microchip of the logic part, which generated signals at the resonance frequency of the "capacitor - primary winding of the power transformer" oscillatory circuit and is connected with the key driver, a second Zener diode connected to the key driver and, via the diode bridge, to the input stage and the capacitor.

EFFECT: removed time limit for transmitting energy from the exciting high-voltage pulse generator to the electrified element.

1 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к защитным электрошоковым устройствам систем охраны, основанным на применении электрической энергии и предназначено для защиты стационарных и подвижных объектов гражданского и ведомственного назначения от несанкционированного проникновения, а также к системам электрической дератизации для борьбы с грызунами и может быть использовано для защиты объектов и территорий различного назначения. The claimed invention relates to protective electroshock devices of security systems based on the use of electrical energy and is intended to protect stationary and mobile civil and departmental facilities from unauthorized entry, as well as to electric rodent control systems and can be used to protect objects and territories for various purposes.

Известен способ формирования высоковольтного напряжения на электризуемых элементах, при котором осуществляют преобразовании входного напряжения переменного тока в высоковольтное импульсное напряжение и передачу последнего на электризуемые токопроводящие элементыA known method of generating a high voltage on the electrified elements, in which the input AC voltage is converted into a high-voltage pulse voltage and the latter is transferred to the electrified conductive elements

(Патент РФ №105496, G08B 13/22, 01.02. 2011 г.). (Patent RF No. 105496, G08B 13/22, February 1, 2011).

Недостатком известного решения является ограниченное время процесса передачи энергии к электризуемому элементу для достижения рабочего напряжения, которое ограничено одним полупериодом колебательного процесса, возникающим в LC-контуре, образованным индуктивностью катушки силового трансформатора и емкостью электризуемого элемента относительно земли. При этом, образуется делитель напряжения, образованный выходным сопротивлением катушки силового трансформатора и емкостью нагрузки, ограничивающий максимально достижимое рабочее напряжение электризуемого элемента.The disadvantage of the known solution is the limited time of the process of transferring energy to the electrified element to achieve the operating voltage, which is limited to one half-cycle of the oscillatory process that occurs in the LC circuit, formed by the inductance of the power transformer coil and the capacitance of the electrified element relative to the ground. In this case, a voltage divider is formed, formed by the output resistance of the power transformer coil and the load capacitance, which limits the maximum achievable operating voltage of the electrified element.

Задачей заявляемого изобретения является снятие ограничения по времени передачи энергии от возбуждающего высоковольтного генератора импульсов к электризуемому элементу, которое может занимать любое количество периодов колебаний LC-контура.The objective of the claimed invention is to remove the limitation on the time of energy transfer from the exciting high-voltage pulse generator to the electrified element, which can take any number of oscillation periods of the LC circuit.

Технический результат заключается в том, что способ формирования высоковольтного напряжения в защитных электрошоковых устройствах, включающий в себя преобразование входного напряжения переменного тока в высоковольтное импульсное напряжение и передачу высоковольтного напряжения на электризуемые токопроводящие элементы, отличается от известного прототипа тем, что в процессе формирования высоковольтного импульсного напряжения, используют схему возбуждения колебаний на частоте резонанса последовательного контура «конденсатор - первичная обмотка силового трансформатора», содержащую генератор высоковольтных импульсов, подключенный через входной каскад с гальванической развязкой к сети переменного тока и управляющий через драйвер двумя силовыми ключами, включенными между конденсатором, подключенным к входному каскаду, и первичной обмоткой силового трансформатора, при этом генератор высоковольтных импульсов содержит логическую часть, включающую в себя последовательно соединенные счетчик импульсов, дешифратор, интегральную микросхему, диодный мост, подключенный к входному каскаду первый стабилитрон, подключенный к счетчику импульсов логической части и, через диодный мост, - к входному каскаду и конденсатору, операционный усилитель, подключенный через диодный мост к входному каскаду, конденсатору и к интегральной микросхеме логической части, которая генерирует сигналы с частотой резонанса колебательного контура «конденсатор - первичная обмотка силового трансформатора» и соединена с драйвером ключей, второй стабилитрон, подключенный к драйверу ключей и, через диодный мост, - к входному каскаду и конденсатору.The technical result lies in the fact that the method of generating high voltage in protective electroshock devices, which includes converting the input AC voltage into a high voltage pulse voltage and transferring the high voltage to electrified conductive elements, differs from the known prototype in that in the process of generating a high voltage pulse voltage , use an oscillation excitation circuit at the resonance frequency of the series circuit "capacitor - primary winding of a power transformer", containing a high-voltage pulse generator connected through an input stage with galvanic isolation to the AC network and controlling through the driver two power switches connected between the capacitor connected to the input cascade, and the primary winding of the power transformer, while the high-voltage pulse generator contains a logical part, which includes a series-connected pulse counter owls, a decoder, an integrated circuit, a diode bridge, the first zener diode connected to the input stage, connected to the pulse counter of the logic part and, through a diode bridge, to the input stage and capacitor, an operational amplifier connected through a diode bridge to the input stage, capacitor and to integrated circuit of the logical part, which generates signals with the resonance frequency of the oscillatory circuit "capacitor - primary winding of the power transformer" and is connected to the key driver, the second zener diode connected to the key driver and, through a diode bridge, to the input stage and capacitor.

На фигуре представлена функциональная схема, поясняющая заявляемый способ формирования высоковольтного напряжения в защитных электрошоковых устройствах на электризуемых элементах.The figure shows a functional diagram explaining the inventive method of generating high-voltage voltage in protective electroshock devices on electrified elements.

Схема содержит входной каскад - блок I, генератор высоковольтных импульсов - блок II, силовые ключи блок III, конденсатор блок IV и выходной каскад - блок V.The circuit contains an input stage - block I, a high-voltage pulse generator - block II, power switches block III, a capacitor block IV and an output stage - block V.

Блок II - генератор высоковольтных импульсов, подключается к сети питания переменного тока напряжением 220 В 50 Гц через входной каскад - блок I, состоящий из кнопки включения 1, предохранителей 2, выполняющих защитную функцию и срабатывающих при резком скачке тока в сети, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи и трансформатора 3, который используется как гальваническая развязка.Block II - a high-voltage pulse generator, is connected to an AC power supply with a voltage of 220 V 50 Hz through the input stage - block I, consisting of a power button 1, fuses 2, which perform a protective function and are triggered by a sharp current surge in the network, thereby breaking the circuit and preventing the subsequent destruction of more valuable elements of the electrical circuit and the transformer 3, which is used as a galvanic isolation.

Генератор высоковольтных импульсов блок II, управляет силовыми ключами блок III. Для работы логической части генератора импульсов 8, необходимо преобразовать переменный ток в постоянный, для этого на вход генератора высоковольтных импульсов блок II установлен диодный мост 4, преобразовывающий переменный ток в пульсирующий постоянный ток.The generator of high-voltage pulses block II controls the power switches block III. For the operation of the logical part of the pulse generator 8, it is necessary to convert the alternating current into direct current, for this, a diode bridge 4 is installed at the input of the high-voltage pulse generator block II, which converts the alternating current into a pulsating direct current.

После диодного моста 4 в схему включены стабилизаторы напряжения (стабилитроны) 5 и 7, задача которых стабилизировать колебания напряжения сети, что необходимо для стабильной работы счетчика 9, дешифратора 10, интегральной микросхемы 11 логической части блока 8 и драйвера ключей верхнего и нижнего уровней 12.After the diode bridge 4, voltage regulators (zener diodes) 5 and 7 are included in the circuit, the task of which is to stabilize the mains voltage fluctuations, which is necessary for the stable operation of the counter 9, the decoder 10, the integrated circuit 11 of the logical part of the block 8 and the driver of the keys of the upper and lower levels 12.

После стабилизации, сигнал поступает на счетчик импульсов 9, который считает импульсы, поступающие на его вход в двоичном коде, переводит их из двоичного кода в двоично-десятичный, и передает полученный код на дешифратор 10, который пересчитывает код в десятичный.After stabilization, the signal enters the pulse counter 9, which counts the pulses arriving at its input in binary code, converts them from binary code to binary-decimal code, and transmits the resulting code to decoder 10, which converts the code to decimal.

После дешифратора 10 находится интегральная микросхема 11, в которой генерируются сигналы определенной частоты (частота импульсов совпадает с частотой колебательного контура силового трансформатора 15 блока V и емкости конденсатора - блок IV. С интегральной микросхемы 11 импульс от генератора высоковольтных импульсов блок II поступает на входы драйвера ключей верхнего и нижнего уровней 12, который выдает управляющие сигналы на силовые ключи 13 и 14 блока III.After the decoder 10, there is an integrated circuit 11, in which signals of a certain frequency are generated (the pulse frequency coincides with the frequency of the oscillatory circuit of the power transformer 15 of block V and the capacitance of the capacitor - block IV. From the integrated circuit 11, a pulse from the high-voltage pulse generator block II is fed to the inputs of the key driver upper and lower levels 12, which issues control signals to the power switches 13 and 14 of block III.

Генератор высоковольтных импульсов блок II на операционном усилителе 6 генерирует импульсы, поступающие на вход интегральной микросхемы 11 и дожидается открывающий сигнал с дешифратора 10, после чего импульс уходит на вход драйвера ключей 12.The high-voltage pulse generator block II on the operational amplifier 6 generates pulses at the input of the integrated circuit 11 and waits for the opening signal from the decoder 10, after which the pulse goes to the input of the key driver 12.

В логической части схемы 8 формируется частота, с которой импульс с генератора высоковольтного импульса блок II поступает на входы драйвера ключей 12 через интегральную микросхему 11 и программируемый стабилитрон 7. Частота импульса равна частоте работы пары конденсатор блок IV - силовой трансформатор 15, что является частотой резонанса.In the logical part of the circuit 8, the frequency is formed at which the pulse from the high-voltage pulse generator block II enters the inputs of the key driver 12 through the integrated circuit 11 and the programmable zener diode 7. The pulse frequency is equal to the frequency of the pair capacitor block IV - power transformer 15, which is the resonance frequency .

На частоте резонанса реактивные сопротивления силового трансформатора 15 и конденсатора блок IV равны по модулю, т.е. равны по значению, но противоположны по знаку, общее сопротивление цепи обращается в ноль. На этой частоте в цепи наблюдается максимум тока, который ограничен только омическими потерями в индуктивности силового трансформатора 15 (т.е. активным сопротивлением провода обмотки силового трансформатора 15) и внутренним сопротивлением источника тока высоковольтного генератора импульсов блок И.At the resonance frequency, the reactances of the power transformer 15 and the capacitor block IV are equal in absolute value, i.e. equal in value but opposite in sign, the total resistance of the circuit vanishes. At this frequency, a maximum current is observed in the circuit, which is limited only by ohmic losses in the inductance of the power transformer 15 (i.e., the active resistance of the winding wire of the power transformer 15) and the internal resistance of the current source of the high-voltage pulse generator block I.

Драйвер ключей верхнего и нижнего уровней 12 представляет собой усилитель мощности импульсов и предназначен для непосредственного управления силовыми ключами 13 и 14.The driver of the keys of the upper and lower levels 12 is a pulse power amplifier and is designed to directly control the power switches 13 and 14.

Интегральная микросхема 11 представляет собой логический элемент «И-НЕ», который при поступлении сигнала от операционного усилителя 6 и открывающего сигнала с дешифратора 10 выдает импульс на вход драйвера 12 ключей верхнего и нижнего уровней, который выдает управляющие сигналы на входы ключей 13, 14 блока III.The integrated circuit 11 is a logic element "NAND", which, upon receipt of a signal from the operational amplifier 6 and the opening signal from the decoder 10, generates a pulse to the input of the driver 12 of the keys of the upper and lower levels, which outputs control signals to the inputs of the keys 13, 14 of the block III.

Драйвер ключей 12 усиливает управляющий сигнал по мощности и напряжению. Драйверы силовых ключей 13 и 14 снабжены множественными механизмами защиты, как самого драйвера ключей 12, так и управляемых силовых ключей 13 и 14, что позволяет выполнять формирование выходных управляющих сигналов согласно определенным алгоритмам, чтобы предотвратить выход системы из строя в аварийной ситуации.Key driver 12 amplifies the control signal in terms of power and voltage. Power switch drivers 13 and 14 are equipped with multiple protection mechanisms, both for the key driver 12 itself and for controlled power switches 13 and 14, which makes it possible to generate output control signals according to certain algorithms in order to prevent system failure in an emergency.

Силовые ключи 13 и 14 предназначены для управления силовым трансформатором 15. Открываясь поочередно, силовые ключи 13 и 14 замыкают цепь конденсатора блок IV - первичная обмотка силового трансформатора 15, коммутируя ток первичной обмотки силового трансформатора 15 в противоположных направлениях.Power switches 13 and 14 are designed to control the power transformer 15. Opening in turn, the power switches 13 and 14 close the capacitor circuit block IV - the primary winding of the power transformer 15, switching the current of the primary winding of the power transformer 15 in opposite directions.

Конденсатор блока IV при этом заряжается и при срабатывании силовых ключей 13 и 14 разряжается на первичную обмотку силового трансформатора 15.In this case, the block capacitor IV is charged and, when the power switches 13 and 14 are activated, it is discharged to the primary winding of the power transformer 15.

Таким образом, заявленное изобретение позволит обеспечить снятие и устранение зависимости частоты срабатывания силового трансформатора от времени, необходимого на заряд конденсатора, а также снятие ограничения времени передачи энергии от возбуждающего высоковольтного генератора импульсов к электризуемому элементу 16. При этом достигается рабочее напряжение на электризуемом элементе 16.Thus, the claimed invention will make it possible to ensure the removal and elimination of the dependence of the frequency of operation of the power transformer on the time required to charge the capacitor, as well as the removal of the time limit for the transfer of energy from the exciting high-voltage pulse generator to the electrified element 16. This achieves the operating voltage on the electrified element 16.

Claims

A method for generating high-voltage voltage in protective electroshock devices, which includes converting the input AC voltage into a high-voltage pulsed voltage and transferring the high-voltage voltage to electrified conductive elements, characterized in that in the process of generating a high-voltage pulsed voltage, an oscillation excitation circuit is used at the resonance frequency of the series circuit the capacitor is the primary winding of the power transformer, containing a high-voltage pulse generator connected through the input stage with galvanic isolation to the AC network and controlling through the driver two power switches connected between the capacitor connected to the input stage and the primary winding of the power transformer, while the generator high-voltage pulses contains a logical part, which includes a series-connected pulse counter, a decoder, an integrated circuit, a diode bridge connected to the input stage, the first zener diode connected to the pulse counter of the logic part and through the diode bridge to the input stage and the capacitor, the operational amplifier connected through the diode bridge to the input stage, the capacitor and to the integrated circuit of the logic part, which generates signals with the resonance frequency of the oscillatory circuit " the capacitor is the primary winding of the power transformer and is connected to the key driver, the second zener diode connected to the key driver and through the diode bridge to the input stage and capacitor.