Генератор поражающего тока электрошокового оружия - RU2737239C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится преимущественно к технике получения поражающих высоковольтных токовых импульсов нелетального контактного электрошокового оружия (ЭШО) и дистанционного электрошокового оружия (ДЭШО) для правоохранительных органов, и в меньшей степени к общей технике получения высоковольтных сильнотоковых импульсов.

Уровень техники.

Аналогом заявляемого генератора являются широко известные умножители напряжения, (умножители), например, каскадный генератор Кокрофта - Уолтона (Грайнахера) [1; 2]. Принцип работы такого генератора заключается в том, что постоянное напряжение низковольтного источника электроэнергии (аккумулятора или батареи) при помощи преобразователя (инвертера) преобразуется в переменное или пульсирующее напряжение питания генератора, затем выпрямляется на диодах и заряжает конденсаторы отдельных каскадов, а затем полученные постоянные напряжения заряженных конденсаторов суммируются.

ЭШО и ДЭШО с высоковольтным умножителем напряжения на выходе (умножительный выход) широко применяются во всем мире в бюджетных но физиологически неэффективных [3] изделиях малобюджетных оружейных компаний Юго-востока (Китай, Тайвань, Сингапур) поставляемых на рынки беднейших стран мира и особенно в Россию куда через границу поступают десятки контрафактных моделей ЭШО. Причиной применения высоковольтных умножителей в таких ЭШО является высокий КПД умножителей, дешевизна, эффектный визуальный вид (яркость разряда) и треск (шум) искрового разряда хорошо действующий психологически для снижения агрессии нападающих на пользователя ЭШО, а также постоянная воспроизводимость высоковольтных умножителей напряжения даже в условиях низкотехнологичного производства по сравнению с ЭШО и ДЭШО с высоковольтным трансформатором на выходе (трансформаторный выход) применяемом в качественных и дорогих ЭШО. Высокая стоимость ЭШО И ДЭШО с трансформаторным выходом обусловлена тем, что критический узел ЭШО и ДЭШО высоковольтный малогабаритный выходной трансформатор является самым дорогим узлом воспроизводимым без значительного процента брака только на высокотехнологичных предприятиях и только при отработанной годами производства технологией намотки и заливки трансформаторов электроизоляционными компаундами. Поэтому компании, не владеющие высокими технологиями и культурой производства, производят ЭШО и ДЭШО с высоковольтными умножителями на выходе. В России например такой низкотехнологичной компанией, производившей ЭШО "Яна" различных моделей с умножительным выходом, долгие годы было АО «НИИ Стали» являющееся головным предприятием по материалам и конструкциям защиты вооружения и военной техники сухопутных войск, МВД и других силовых ведомств страны.

Недостаток всех типов умножителей для применения в ЭШО и ДЭШО заключается в невозможности получения эффективного физиологического действия на биологическую цель (цель, биоцель, правонарушитель) при разном расстоянии выходных электродов ЭШО с умножительным выходом до биоцели, вследствие чего применение умножителей в ЭШО и ДЭШО является неэффективным. Если в широко распространенном ЭШО и ДЭШО с высоковольтным трансформаторным выходом разряд конденсатора накачки первичной обмотки высоковольтного трансформатора происходит только по достижению им максимального зарядного напряжения (т.е. при максимальной энергии в конденсаторе), то при использовании каскадного умножителя на выходе ЭШО или ДЭШО каскады конденсаторов разряжаются на биоцель при максимальной энергии зарядки только при максимальном для генератора расстоянии искрового электропробоя между выходными (поражающими) электродами ЭШО или ДЭШО (боевого разрядного промежутка) то есть при максимальном расстоянии от каждого из выходных электродов до биоцели равном 1/2 расстояния от максимального расстоянии искрового электропробоя между обеими выходными (поражающими) электродами. Например, чтобы пробить толстую одежду правонарушителя, нужно более высокое напряжение, и соответственно каскады конденсаторов успеют накопить значительную энергию прежде, чем разрядятся через воздушный промежуток, определяемый толщиной одежды на тело биоцели. В том же случае, если толщина одежды незначительна, то каскады конденсаторов пробьют небольшое воздушное расстояние, не накопив полной энергии, следовательно, эффективность воздействия будет мала. При полном же омическом контакте с кожей человека, воздействие будет минимально возможным и равным выходным характеристикам трансформатора инвертера на данной нагрузке. То есть, при уменьшении расстояния от выходных электродов ЭШО или ДЭШО до тела биоцели, частота разрядов будет возрастать и при минимальном расстоянии до тела (полном контакте) станет равной частоте (обычно 10-60 кГц) инвертера (преобразователя питания каскадного генератора) при выходном напряжении трансформатора инвертера (обычно 1-5 кВ). Такое пульсирующее напряжение при выходной силе тока инвертера около 5-10 мА и частоте в десятки килогерц является абсолютно неэффективным при воздействии на биоцель с целью подавления ее агрессии и иммобилизации нанося ей только поверхностные ожоги сходные с действием медицинского биполярного коагулятора. При увеличении расстояния между выходными электродами ЭШО или ДЭШО до тела цели частота тока падает вследствие расхода энергии инвертера на время заряжания конденсаторов каскадов умножителя напряжения до большего потенциала и эффективность физиологического воздействия на биоцель постепенно увеличивается достигая максимума при полном возможном пробивном расстоянии умножителя по воздуху ограниченному расстоянием между электродами защитного разрядника ЭШО или ДЭШО. Однако при максимально возможном расстоянии пробоя одновременно несколько возрастают и собственные потери энергии на искровой электропробой воздуха. Таким образом, при уменьшении расстояния между выходными электродами ЭШО или ДЭШО (то есть фактически уменьшения толщины одежды на правонарушителе) эффективность ЭШО или ДЭШО сводится практически к нулю, так как высокая частота тока (десятки килогерц) источников питания (инвертеров) каскадных генераторов в ЭШУ и ДЭШУ физиологически неэффективна и вызывает только крайне незначительные поверхностные термические ожоги. Оптимальным же физиологическим действием ЭШО и ДЭШО с умножительным выходом могут иметь только при определенном расстоянии выходных электродов до цели. Кроме того ЭШО и ДЭШО с умножительным выходом даже при оптимальном расстоянии от выходных электродов до цели имеют низкую физиологическую эффективность вследствие малой длительности импульсов [4], вытекающих из малой суммарной емкости конденсаторов ступеней и невозможности ее увеличить сверх 5-15 мкс. вследствие ограниченных габаритных размеров ЭШО и ДЭШО удобных для ношения пользователем так как увеличение суммарной емкости возможно только при увеличении емкости (т.е. габаритов) каждого конденсатора каскада. До настоящего времени попытки улучшить физиологическую эффективность ЭШО и ДЭШО с умножительным выходом не привели к положительным результатам [5] прежде всего потому, что умножитель напряжения не имеет порогового узла обеспечивающего однообразные параметры импульсов при любом расстоянии между выходными электродами и нагрузкой, что является необходимым условием обеспечения физиологической эффективности ЭШО и ДЭШО. Пороговым узлом в умножителе напряжения применительно к использованию его в ЭШО и ДЭШО является собственно воздушный зазор (представляющий собой воздушный искровой разрядник) между выходными электродами умножителя и целью. При изменении этого воздушного зазора изменяется частота и энергия в импульсах разряда каскадов конденсаторов умножителей на нагрузке и соответственно изменяется физиологическая эффективность таких импульсов от крайне незначительной до приемлемой однако никогда не достигающей физиологической эффективности ЭШО и ДЭШО с трансформаторным выходом вследствие низкой длительности импульсов при их значительной амплитуде. Длительность же импульсов в ЭШО и ДЭШО с умножительным выходом нарастить до физиологически эффективных (80-150 мкс.) [4] при необходимых для ношения габаритах ЭШО и ДЭШО до настоящего времени нигде в мире не удалось, вследствие того, что максимальная удельная энергоемкость конденсаторов достигается при минимальной толщине диэлектрика то есть при минимальных значениях зарядного напряжения. Однако в умножителях напряжения ЭШО и ДЭШО применяются исключительно высоковольтные конденсаторы и при последовательном их включении для достижения емкости конденсаторов необходимой для получения длительности импульсов с необходимой физиологической эффективностью общий объем и вес занимаемый конденсаторами становиться неприемлемым для применения в носимом пользователем ЭШО и ДЭШО.

Другим аналогом заявляемого генератора выбран генератор импульсов высокого напряжения по патенту РФ №2698245 использующий иной тип источника высокого напряжения поражающего цель электротока нежели в заявляемом генераторе. Принцип действия такого генератора основан на работе генераторе Эрвина Маркса [6], параллельно выходу которого через твердотельную высоковольтную диодную сборку препятствующую импульсу генератора Маркса пробить токовый конденсатор и разрядиться на нем, подключен токовый конденсатор со значительной по сравнению с емкостью конденсаторов ступеней генератора Маркса зарядной емкостью и заряжаемый от источника постоянного тока для питания каскадов генератора Маркса. Такой генератор может применяться в ЭШО и ДЭШО так как его действие не зависит от расстояния выходных электродов ЭШО и ДЭШО до тела биоцели вследствие того, что генератор Маркса работает только в импульсном режиме и заряжаемый от источника постоянного тока питания каскадов генератора Маркса токовый конденсатор всегда заряжается до полного зарядного напряжения (то есть до максимальной энергии) разряжаясь на биоцель по ионизированному каналу образуемому при каждом импульсе вырабатываемом генератором Маркса высоковольтного напряжения. И каждый высоковольтный импульс генератора Маркса происходит только при полной зарядке токового конденсатора поскольку напряжение зажигания триггерного разрядника генератора Маркса выбирается равным полному зарядному напряжению токового конденсатора. Достоинство такого генератора применительно к использованию в ЭШО и ДЭШО состоит в том, что использование токового конденсатора значительной емкости при небольшом зарядном напряжении позволяет получать являющиеся физиологически эффективными длительные импульсы на нагрузке (биоцели). В то же время применение токового конденсатора дает возможность использовать конденсаторы каскадов генератора Маркса незначительной емкости и габаритов поскольку основную энергию в биоцель поставляет токовый конденсатор. Этот аналог имеет следующие недостатки препятствующие его широкому применению в ЭШО и ДЭШО. Применение защитно-разделительных резисторов в генераторе снижает КПД генератора, при этом вследствие необходимой малогабаритности ЭШО и ДЭШО применение зарядных дросселей с низким сопротивлением при значительной индуктивности увеличивает габариты ЭШО и ДЭШО до неприемлемых величин. Применение же зарядных дросселей с низким сопротивлением и малой индуктивностью может приближать их размеры почти к размерам защитно-разделительных резисторов но в этом случае вследствие потерь паразитного перетекания тока между каскадами резко снижается максимальной напряжение в высоковольтном импульсе и вследствие этого расстояние пробивного напряжения по воздуху (то есть фактически толщина пробиваемой одежды на биоцели) в ЭШО и ДЭШО. В этом случае для компенсации уменьшения пробивного расстояния по воздуху необходимо прибавление ступеней в генератор Маркса и соответственный рост как габаритов генератора так и дальнейшего снижения КПД. Кроме упомянутых выше потерь, КПД генератора Маркса также снижают и потери в разрядных промежутках множественных разрядников. Еще один недостаток генератора Маркса на воздушных разрядниках и соответственно генератора-аналога заключается в принципиальной невозможности получения частоты следования импульсов выше нескольких десятков герц и только в лучших опытных конструкциях практически невоспроизводимых серийно около 100 Гц. [7]. Большую частоту на генераторах Маркса возможно получать только при применении водородных разрядников под давлением или сдуванием ионизированного газа в межразрядных промежутках разрядников или помещением всей конструкции генератора в герметичный объем под давлением. Все эти решения неприемлемы при производстве ЭШО и ДЭШО вследствие громадных увеличений габаритов и веса, а также стоимости. При этом известно влияние повышения физиологической эффективности ЭШО и ДЭШО при увеличении действующей частоты свыше 100 Гц, и в частности ведущие российские производители (например ООО "МАРТ-ГРУПП"; ЗАО "ОБЕРОН-АЛЬА" и др.) ЭШО и ДЭШО используют в своих изделиях частоту повторения импульсов свыше 100 Гц. (150-200 Гц). Также производство первичного узла этого генератора-аналога (то есть микрогенератора Маркса) сопряжено со значительными технологическими трудностями. При незначительных зарядных напряжениях каскадов генератора Маркса от инвертера (1-5 кВ) удовлетворяющих условиям электропрочности высокочастотных выходных микротрансформаторов инвертера, для получения поражающего напряжения холостого хода профессиональных ЭШО и ДЭШО для правоохранительных органов в 50-90 кВ (и более) то есть фактически большого расстояния искрового электропробоя ЭШО и ДЭШО по воздуху и одежде в генераторе Маркса необходимо применять не менее 6-10 ступеней с соответственной ручной индивидуальной настройкой 6-10 воздушных разрядников. Автоматизированной настройке или настройке разрядников по измерительному щупу микрогенераторы Маркса не поддаются. Применение же в микрогенераторах Маркса газовых разрядников с установленным напряжением зажигания (2,5÷5,5 кВ) даже ведущей мировой компании EPCOS снижают возможное по количеству ступеней пробивное расстояние более чем на 50% вследствие разброса напряжения зажигания в каждом индивидуальном разряднике на 20% и соответственных потерь. При этом малогабаритные газовые разрядники производства России в отличие от разрядников EPCOS имеют ничтожный ресурс (всего сотни разрядов против сотен тысяч и более у разрядников EPCOS при ассортименте всего в два едва приемлемых напряжения зажигания (Р-159, напр. заж. - 1,0 кВ и Р-160, напр. заж. 1,5 кВ). В случае желания уменьшения количества ступеней необходимо применять большие зарядные напряжения генератора Маркса то есть применять умножитель напряжения между инвертером и генератором (то есть дополнительный электронный узел), что опять же увеличивает габариты и стоимость и снижает надежность работы генератора. Воздушные разрядники узла микрогенератора Маркса генератора-аналога имеют нестабильное напряжение зажигания при различной влажности воздуха и его давления, и таким образом не могут обеспечить постоянство максимальной энергии заряда токового конденсатора и максимального расстояния электропробоя по воздуху при большой влажности и малом давлении атмосферы в связи с чем приходится либо искусственно уменьшать расстояние между выходными электродами ЭШО или ДЭШО либо при желаемом постоянстве расстоянии пробоя между выходными электродами увеличивать количество ступеней генератора Маркса что снова увеличивает габариты и стоимость генератора-аналога и снижает КПД.

Прямого прототипа заявляемого генератора из известного уровня техники и в результате патентного поиска не обнаружено.

Раскрытие изобретения.

Изобретение направлено на решение задачи создания генератора импульсов высоковольтного поражающего тока электрошокового оружия, имеющего по сравнению с первым рассмотренным аналогом повышенную физиологическую эффективность и постоянство физиологического воздействия при изменении расстояния между выходными электродами и биоцелью, а по сравнению со вторым рассмотренным аналогом более высокие КПД и частоту повторения импульсов, уменьшенные габаритные размеры и промышленную воспроизводимость в условиях российских предприятий не обладающих высокой культурой производства и не имеющих высокотехнологичного оборудования. Предлагаемый генератор может использоваться также в различных прикладных областях техники где необходимо иметь сильнотоковый электропробой при больших расстояниях между электродами, в частности исследовательской технике, технике зажигания топлива газотурбинных и жидкостных реактивных двигателей.

Сущность изобретения заключается в том, что в генераторе поражающего тока электрошокового оружия содержащем умножитель напряжения с выходными электродами, и ступенями заряжаемыми напряжением источника питания в 1…10 кВ, параллельно выходным электродам умножителя напряжения через по меньшей мере одну твердотельную высоковольтную диодную сборку подключенную обратнополярно к полярности выходного потенциала умножителя напряжения и воздушный или газовый разрядник подключен токовый конденсатор, заряжаемый через твердотельный выпрямитель входным напряжением источника питания каскадов ступеней умножителя напряжения а в электрическую цепь между, по меньшей мере, одним выходным электродом генератора и остальными элементами электрической схемы генератора включен по меньшей мере один преимущественно газовый защитно-регулирующий разрядник.

Дополнительная особенность заключается в том, что в электрическую цепь между входным контактом питания умножителя напряжения и выходным контактом источника питания включен резистор.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1. Генератор поражающего тока по п. 1 формулы изобретения с источником питания 1-5 кВ (схема электрическая принципиальная).

Фиг. 2. Генератор поражающего тока по п. 1 формулы изобретения с источником питания 5-10 кВ (схема электрическая принципиальная).

Фиг. 3. Опытный генератор по Фиг. 1. во время работы.

Фиг. 4. Опытный генератор, главные элементы с увеличением.

Осуществление изобретения.

Фиг. 1. Генератор поражающего тока рассчитанной на применение источника питания с выходным напряжением 1-5 кВ работает следующим образом: На выводы 1 и 2 заряжания ступеней каскадного умножителя 3 напряжения (на Фиг. 1 выделен пунктирной линией) подается переменное напряжение источника питания 1-5 кВ, получаемое от инвертера 4 представляющего собой DC/AC-преобразователь (постоянного низкого (3-12 В) напряжения источника электропитания - батареи или аккумулятора - в высокое переменное, или пульсирующее напряжение 1…5 кВ). К точке 5 схемы (конец каскадов) каскада ступеней умножителя обратнополярно к выходному потенциалу умножителя подключена твердотельная высоковольтная диодная сборка 6 и последовательно с ней воздушный или газовый токовый разрядник 7 и далее один вывод токового конденсатора 8 заряжаемого через выпрямитель 9 электрического тока от входного переменного напряжения питания умножителя, а к второму выводу конденсатора 8 подключен другой конец каскада (начала каскадов) ступеней умножителя и выходной электрод 10. К точке 5 подключен также один вывод защитно-регулирующего воздушного или газового разрядника 11 второй вывод которого представляет собой выходной электрод 12.

Работа генератора осуществляется следующим образом. При включении инвертера 4 переменный ток питания генератора вырабатываемый инвертером поступает на схему и заряжает конденсаторы каскада ступеней умножителя 3. Одновременно через выпрямитель 9 начинает заряжаться токовый конденсатор 8. Вследствие того, что емкость индивидуальных конденсаторов каскадов умножителя выбирается небольшой (сотни пикофарад) общая зарядная емкость конденсаторов каскада умножителя невелика (десятки пикофарад) по сравнению с емкостью токового конденсатора 0,05-0,5 мкФ (обеспечивающего эффективную длительность поражающего импульса на нагрузке 1 кОм в сотни микросекунд). При начале работы инвертера 4 первыми заряжаются конденсаторы каскадов умножителя и при возрастании потенциала напряжения тока до напряжения зажигания защитно-регулирующего разрядника 11 он зажигается и независимо от расстояния между выходными электродами ЭШО или ДЭШО и биоцелью между выходными электродами 10 и 12 и биоцелью происходит начальный предионизационный электропробой воздушного промежутка но при этом конденсатор 8 еще продолжает заряжаться. При небольшом расстоянии от выходных электродов до биоцели сформированный умножителем предионизационный потенциал выходного напряжения для пробоя между электродами 10 и 12 будет сравнительно низким (но уже более чем напряжение питания генератора), а при большом расстоянии от выходных электродов до биоцели потенциал выходного напряжения умножителя будет близок к полному потенциалу пробоя максимального расстояния боевого разрядного промежутка между выходными электродами. В пробитый умножителем 3 электроискровой ионизированный канал сопротивление которого мало практически независимо от его длины (то есть фактически от расстояния между выходными электродами до биоцели) через токовый разрядник 7 и высоковольтную диодную сборку 6 разряжается токовый конденсатор 8 но только в тот момент когда его зарядное напряжение достигнет полного потенциала падения напряжения при работе умножителя при данном пробивном расстоянии между выходными электродами и биоцелью так как, разрядник 7 не зажигается при неполном зарядном напряжении на конденсаторе 8. Разрядник 7 является пороговым узлом, отвечающим за полный заряд конденсатора 8, который за счет значительной емкости и обеспечивает необходимую длительность физиологически эффективного импульса (80-120 мкс). Таким образом частота работы генератора практически не зависит от расстояния между электродами 10 и 12 или между электродами и биоцелью. Наличие предварительного пробоя расстояния между электродами 10 и 12 до разряда в ионизированный канал токового конденсатора видно на замедленной киносъемке работы генератора и наличию характерного свистящего звука (образование тончайших лидеров предварительного электропробоя от работы умножителя) предваряющего основной разряд токового конденсатора при малых расстояниях между электродами 10 и 12 и большой емкости (0,06-0,1 мкф) токового конденсатора 8. Такой же характерный свистящий звук характеризует и работу генератора по Фиг. 2, см. ниже). Вследствие того, что емкость конденсаторов каскадов умножителей составляет всего десятки пикофарад (для недопущения большого потребления энергии от источника питания на предионизационный разряд) падение напряжения при разном потенциале на выходных электродах мало отличается при условии значительного превышения выходной мощности инвертера 4 питания генератора над мощностью потребляемую умножителем при разных расстояниях пробоя между выходными электродами и биоцелью. При этом зарядное напряжение на токовом конденсаторе 8 будет практически постоянно и близко к выходному напряжению инвертера 4 с поправкой на падение напряжения на умножителе перед электропробоем воздушного промежутка на разных расстояниях между выходными электродами и биоцелью. Высоковольтная диодная сборка 6 включена обратнополярно к полярности рабочего потенциала умножителя 3 и таким образом каскады ступеней конденсаторов умножителя генератора не могут разрядиться через токовый разрядник 7 и токовый конденсатор 8. Конденсатор должен 8 иметь допустимое рабочее напряжение, равное или немногим большее чем максимальное выходное напряжение инвертера 4. При разряде конденсатора 8 большой емкости в нагрузку через ионизированный умножителем 3 разрядный канал достигается большая длительность разрядного импульса при пике амплитуды на нагрузке близкой к зарядному напряжению на конденсаторе 8. В редких случаях применения генератора в ЭШО или ДЭШО (например непосредственное внедрение заостренных выходных электродов ЭШО в тело без слоя одежды или внедрение игл выстреливаемых ДЭШО в тело биоцели токопроводов) выходные электроды будут нагружены на незначительные электрические сопротивления (принятое ГОСТ Р 50940-96 и другими нормативными документами сопротивление тела человека без одежды составляет 1 кОм). В этом случае зарядный ток напряжения питания генератора с большим падением напряжения пройдет на выходные электроды не заряжая конденсаторы ступеней умножителя и токовый конденсатор 8. В таком редком случае (так как непосредственный контакт электродов с эпидермисом биоцели без одежды достаточно редок) использования ЭШО и ДЭШО работа генератора в импульсном режиме с разрядом токового конденсатора 8 на биоцель становится невозможной. Для недопущения прохождения тока напряжения питания генератора на выходные электроды при низких сопротивлениях между ними (то есть при непосредственном контакте выходных электродов с эпидермисом биоцели) применяется защитно-регулирующий разрядник 11 включаемый непосредственно между точкой 5 схемы и выходным электродом 12. Защитно-регулирующий разрядник 11 имеет напряжение зажигания превосходящее значение максимального выходного напряжения инвертера 4. Поэтому даже при непосредственном контакте выходных электродов с биоцелью защитно-регулирующий разрядник 11 не зажжется ранее чем полностью зарядиться конденсатор 8 и потенциал на каскадах умножителя 3 не возрастет более напряжения зажигания разрядника 11. Защитно-регулирующий разрядник 11 выполняет не только функцию недопущения прекращения работы генератора при непосредственном контакте выходных электродов 10 и 12 с эпидермисом биоцели но также и функцию регулирования максимального расстояния пробоя по воздуху между выходными электродами 10 и 12. При напряжении зажигания защитно-регулирующего разрядника 11 лишь на несколько процентов превышающих максимальное напряжение питания (как например в генераторе описанном как второй аналог) вследствие малой емкости конденсаторов каскадов и незначительной выходной мощности (менее 0,5-1 Вт) собственно умножителя, потенциал на выходных электродах умножителя наращивается сравнительно медленно, при этом электроды разрядного промежутка начинают коронировать рассеивая потенциал вследствие чего из-за недостатка выходной мощности умножителя происходит недозаряжание конденсаторов каскада до полного возможного пикового напряжения с образованием предионизационного разряда максимальной длины. Наращивание же выходной мощности собственно умножителя абсолютно нецелесообразно так как задача умножителя состоит не в получении физиологически эффективного разряда, а только создание ионизированного промежутка между ЭШО или ДЭШО и целью для разряда в него токового конденсатора. Поэтому собственная выходная мощность умножителя и выбирается наименьшей, возможной только для искрового предионизационного пробоя необходимого конструктивно расстояния между выходными электродами ЭШО или ДЭШО. Для получения полного необходимого для предионизационного разряда максимальной длины то есть наращения потенциала заряда конденсаторов каскадов умножителя, напряжение зажигания защитно-регулирующего разрядника 11 выбирается значительно большим (на 50-200%) чем значение максимального выходного напряжения инвертера 4. Конкретное напряжение зажигания защитно-регулирующего разрядника 11 выбирается в зависимости от необходимого максимально-конструктивного расстояния между выходными электродами ЭШО или ДЭШО. Защитно-регулирующий разрядник в зависимости от конструктивного исполнения ЭШО или ДЭШО (наличия необходимого пространства для размещения) может устанавливаться как между точкой 5 и выходным электродом 12, так и перед выходным электродом 10, либо в двух указанных местах но в этом случае подбор необходимого напряжения зажигания усложняется так как напряжение зажигания двух газовых разрядников не равно сумме напряжений каждого разрядника в отдельности. Правильный подбор напряжения зажигания газового защитно-регулирующего разрядника 11 позволяет увеличить максимальное расстояние искрового электропробоя между выходными электродами генератора на 25-30% по сравнению с расстоянием искрового электропробоя применяемого в генераторе умножителя напряжения. Закрытый (герметизированный) воздушный разрядник обеспечивает меньшее прибавление расстояния искрового электропробоя между выходными электродами генератора.

КПД заявляемого генератора превышает КПД генератора описанного как второй аналог вследствие того, что в умножителе напряжения отсутствуют омические потери и перетекание тока на защитно-разделительных резисторах генератора Маркса. Кроме того в заявляемом генераторе отсутствуют потери на коронный разряд на разрядниках генератора Маркса. Микрогенераторы высокого напряжения для применения в ЭШО и ДЭШО любого типа в обязательном порядке заливаются полимерными компаундами с высокой электропрочностью, но в случае применения генератора Маркса разрядники должны располагаться в воздухе вне залитых компаундом конденсаторов и резисторов тем самым обеспечивая потери мощности на коронный разряд. Конденсаторы же и диоды каскадного умножителя заливаются компаундом полностью не имея выхода на поверхность заливки коронирующих частей кроме выходных электродов но и развитие коронного разряда на выходных электродах предлагаемого генератора ограничивается применением защитно-регулирующего разрядника 11.

Габаритные размеры предлагаемого генератора при одинаковых с генератором описанном как второй аналог расстояниях искрового электропробоя по воздуху и длительностью импульса значительно меньше вследствие того, что в конструкции отсутствуют воздушные разрядники каскадов и необходимое при встраивании в корпус ЭШО или ДЭШО свободное пространство вокруг разрядников каскадов для недопущения образования скользящих разрядов обходящих разрядники.

Зажигание токового разрядника 7 происходит не только за счет максимального напряжения заряда токового конденсатора 8, но также и за счет пропускных свойств собственной емкости высоковольтной диодной сборки 6 которая при пробое воздушного промежутка между электродами 10 и 12 и биоцелью и воздушного или газового промежутка защитно-регулирующего разрядника 11 или одного разрядника 11 (в случае непосредственного контакта электродов 10 и 12 с эпидермисом биоцели) пропускает потенциал разрядного импульса каскадного умножителя 3 на токовый разрядник 7 создавая дополнительный потенциал зажигания нежели потенциал полного зарядного напряжения токового конденсатора 8. При необходимости получить большую частоту импульсов но при недозаряде конденсатора 8 до полной возможной энергии, напряжение зажигания токового разрядника 7 выбирается равным значения максимального выходного напряжения инвертера 4, а при необходимости получить меньшую частоту импульсов но при полном возможном зарядном напряжении на конденсаторе 8 напряжение зажигания токового разрядника 7 выбирается большим чем значения максимального выходного напряжения инвертера 4 и достигающим 200% и более от максимального выходного напряжения инвертера. Подбор напряжения зажигания токового разрядника 7 осуществляется в зависимости как от необходимой частоты получаемых импульсов и энергии в импульсе так и в зависимости от емкостных свойств высоковольтной диодной сборки 6, емкость которой зависит от типа применяемых высоковольтных диодов и количества диодов в высоковольтной сборке. Количество диодов в сборке зависит от необходимого обратного напряжения в сборке зависящего от выбранного расстояния электроискрового пробоя по воздуху между электродами 10 и 12. Также одно из условий стабильной работы генератора состоит в том, чтобы емкость токового конденсатора 8 значительно превышала общую полную зарядную емкость каскадов ступеней умножителя, но такое условие в любом случае все равно должно соблюдаться в ЭШО и ДЭШО для получения импульсов с физиологически эффективной длительностью. Частота импульсов и энергия импульсов вырабатываемые генератором при неизменном значении емкости токового конденсатора 8 (и соответственно неизменной длительности импульса) в некоторой мере может регулироваться напряжением зажигания токового разрядника 7 которое может иметь напряжение зажигания как больше так и равным значению максимального выходного напряжения инвертера 4. При наименьшей частоте энергия накапливаемая в конденсаторе 8 будет наибольшей (полный заряд) а при наибольшей частоте наименьшей. Однако максимальная физиологическая эффективность достигается при оптимальном соотношении частоты и амплитуды, при равной длительности на нагрузке (то есть выходной мощности ЭШО или ДЭШО), и устанавливается потребно допустимым медицинским нормам в стране применения (обычно различным нормам для гражданских и полицейских образцов ЭШО и ДЭШО). Для питания генератора наиболее целесообразно использовать инвертер с двухтактным каскадом, пуш-пул с задающим генератором или автогенераторный пуш-пул (например на мультивибраторе).

Топология выпрямителя 9 показанная на Фиг. 1 включающего в себя два диода и проходной конденсатор 13 оптимальна при работе автоколебательного мультивибратора с повышающим трансформатором с выходным напряжением 1-5 кВ широко используемого в отечественных ЭШО ведущих российских компаний нелетального оружия в качестве инвертера DC/AC [8] на каскадный умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона (Грайнахера). При иных типах инвертеров и топологий умножителей возможно применение выпрямителей в виде диодного моста и иных конструкций одно и двухполупериодных выпрямителей. В качестве высоковольтной диодной сборки 6 необходимо применять последовательную цепь из высоковольтных диодов или однокорпусные высоковольтные диодные сборки с возможно большими значениями допускаемого прямого импульсного тока, обратного напряжения и минимальным обратным током.

Предлагаемый генератор может применяться также при необходимости электрического пробоя больших газовых, воздушных, жидкостных промежутков с последующим созданием высокоэнергетического плазменно-дугового разряда значительной длительности, например, в электрогидравлических установках, электротермических артиллерийских орудиях, для возбуждения ударных волн в конденсированных средах; генерации интенсивных вспышек светового излучения при разрядах в газах, генерации и ускорения импульсных электронных и ионных пучков высокой мощности, создания импульсных газовых лазеров и т.п. Большой потенциал напряжения, развиваемая каскадным умножителем позволяет получать длину высокотокового электроискрового пробоя генератора для малогабаритных конструкций в сантиметры и десятки сантиметров и для крупногабаритных конструкций в сотни сантиметров. В каскадном умножителе могут применяться керамические малогабаритные конденсаторы с незначительной емкостью (десятки-сотни пикофорад) с допустимым зарядным напряжением 3-6 кВ и высоковольтные диоды с допустимым постоянным током не более 5 мА (например серии 2CL70÷2CL74), что позволяет выполнять генератор в габаритов необходимых для применения в ЭШО и ДЭШО.

При исполнении генератора предлагаемого типа можно использовать любой тип умножителей напряжения однако применение каскадного генератора Кокрофта - Уолтона (Грайнахера, Greinacher) представляется наиболее оптимальным в связи с максимально удобной компоновкой печатных плат с генератором данной топологии по критерию максимальная плотность размещения элементов при достаточной электропрочности толщин компаунда заливки платы генератора. Данная топология обеспечивает и минимально возможные запасы по пробивному напряжению выбираемых диодов и конденсаторов (2U) а также возможности применения минимальных выходных напряжений инвертера оптимальных по условиям достаточной электропрочности отечественных малогабаритных выходных трансформаторов инвертеров.

Указанные свойства предлагаемого генератора делают его особо перспективным для применения в ЭШУ и ДЭШУ с выходными импульсами большой длительности то есть высокой физиологической эффективностью, обеспечивающими иммобилизирующее воздействие на биоцель без применения высоковольтных импульсных выходных трансформаторов.

Фиг. 2. Генератор поражающего тока с топологией рассчитанной на применение источника питания с повышенным выходным напряжением работает следующим образом: На выводы 14 и 15 заряжания ступеней четырехступенчатого умножителя 16 (на Фиг. 2 выделен пунктирной линией) напряжения подается переменное напряжение источника питания 5-10 кВ, получаемое от инвертера 17 представляющего собой DC/AC-преобразователь (постоянного низкого (3-12 В) напряжения источника электропитания - батареи или аккумулятора - в высокое переменное, или пульсирующее напряжение 5-10 кВ). К точке 18 схемы (одному выводу умножителя 16) обратнополярно к выходному потенциалу умножителя подключена высоковольтная диодная сборка 19 и последовательно с ней воздушный или газовый токовый разрядник 20 и далее один вывод токового конденсатора 21 заряжаемого через мостовой выпрямитель 22 электрического тока от инвертера 17, а к второму выводу конденсатора 21 однополярно с диодной сборкой 19 подключена высоковольтная диодная сборка 23 соединенная с выводом 24 умножителя 16 и одним выходным электродом 25 генератора. Такое расположение диодных сборок как доказали построенные опытные генераторы уменьшает возможность недопустимого перенапряжения на токовом конденсаторе 20 при питании генератора повышенным напряжением инвертера 17. К точке 26 схемы подключен один вывод защитно-регулирующего воздушного или газового разрядника 27 второй вывод которого представляет собой второй выходной электрод 28 генератора. Между выводом инвертера 29 и выводом 15 умножителя 16 включен резистор 30.

Работа генератора осуществляется следующим образом. При включении инвертера 17 переменный ток питания генератора вырабатываемый инвертером поступает в умножитель и заряжает конденсаторы каскада ступеней умножителя 16. Одновременно через выпрямитель 22 начинает заряжаться токовый конденсатор 21. Далее принцип работы и регулировок данной топологии не отличается работы описанной по Фиг. 1 за исключением того, что при питании умножителя 16 с небольшим числом ступеней умножения повышенным напряжением инвертера 17 (5-10 кВ) минимальное и максимальное расстояние искрового электропробоя по воздуху между выходными электродами при стабильной частоте выходных импульсов в большей степени чем защитно-регулирующим разрядником 27 (по сравнению с топологией по Фиг. 1) регулируется резистором 30 при этом при уменьшении сопротивления резистора 30 (наименьшее 0 Ом) достигается наибольшее расстояние искрового электропробоя по воздуху между выходными электродами при менее стабильной частоте работы генератора при малом расстоянии между выходными электродами, а при увеличении сопротивления резистора 30 (десятки и сотни кОм), расстояние искрового электропробоя по воздуху между выходными электродами уменьшается но при этом частота выходных импульсов остается стабильной при любом из возможных расстояний между выходными электродами (как и у генератора по Фиг. 1). Данная топология оптимальна при применении в ДЭШО покупных малогабаритных инвертеров производства КНР [9] отличающихся от применяемых в отечественном ЭШО и ДЭШО- строении инвертеров большим выходным напряжением при большом запасе электропрочности и малой стоимости. Применение резистора 30 в схеме по Фиг. 1 менее целесообразно так как регулирующие способности резистора в генераторе с каскадным умножителем с большим количеством ступеней умножения значительно снижены по сравнению с умножителем по топологии приведенной на Фиг. 2. широко распространенной в схемах для ЭШО с умножителями напряжения.

Пример реализации

Фиг. 3. Опытный 12-ти ступенчатый каскадный генератор по топологии Фиг 1. (Кокрофта-Уолтона (Грайнахера). Блок 31 умножителя, высоковольтной диодной сборки и разрядника залитый прозрачным высоковольтным компаундом, аккумулятор 32 питания инвертера 4, токовый конденсатор 8, защитно-регулирующий разрядник 11, электроискровой разряд 33.

Фиг. 4. Корпус блока 31, инвертер 4, высоковольтная диодная сборка 6, газовый токовый разрядник 7, токовый конденсатор 8, выпрямитель 9, проходной конденсатор 13, конденсаторы 34 ступеней умножителя, диоды 35 ступеней умножителя, дополнительный регулируемый разрядник 36 предназначенный для изменения частоты генератора во время опытов. В каскадах умножителя генератора применены керамические конденсаторы (470 пФ; 5 кВ) компании Murata, диоды 2CL70 (компании XUYANG Electronics), токовый конденсатор (последовательно-параллельная сборка из 4-х пленочных конденсаторов (по 47 нФ; 1600 В) (всего 0,047 мкф х 3200 В) компании Rifa, токовый газовый разрядник 4500 В, герметичный регулируемый воздушный разрядник ЗАО"Оберон-Альфа", защитно-регулирующий газовый разрядник 2500 В компании Epcos, высоковольтные диодные сборки CL01-12 (12 кВ; Максимально допустимый прямой импульсный ток 50 А) компании Rugao Dachang Electronics Co., Ltd., и инвертер компании ООО "МАРТ-ГРУПП". Генератор имеет выходную частоту импульсов 150-170 Гц, амплитуду на нагрузке в 1000 Ом 3,5-3,8 кВ, и длительность импульса 85-90 мкс.

Список литературы.

1. Каскадные генераторы.

http://hea.phys.msu.ru/Boss/user-files/kaskadnye_generatory.pdf

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Cockcroft-Waltongenerator

3. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 447.

4. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 350 и дополнительно стр. 374-386.

5. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 446-447.

6. Генераторы импульсного напряжения (ГИН) Маркса. http://hea.phys.msu.ru/Boss/user-files/generatory_impulsnogo_napryazheniya.pdf

7. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 448-450.

8. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 467 (рис. 289).

9. https://ru.aliexpress.com/item/3-6-l-5А/32969616607.html?

spm=a2g0v.l0010108.1000014.1.367f764bu6NBHZ&pvid=58ea5b50-6ad7-44a2-bf60-0bdebl3850fd&gps-

id=pcDetailBottomMoreOtherSeller&scm=l007.13338.112281.000000000000000&scm-url=l007.13338.112281.000000000000000&scm_id=l007.13338.112281.000000000000000

Реферат

Изобретение относится к технике получения поражающих высоковольтных токовых импульсов нелетального контактного электрошокового оружия (ЭШО) и дистанционного электрошокового оружия (ДЭШО), а также к общей технике получения высоковольтных сильнотоковых импульсов. Область применения: электрошоковое оружие контактного и дистанционного действия для правоохранительных служб и граждан, экспериментальная техника. Технический результат - получение сильноточных импульсов, в том числе большой длительности, при минимальных размерах и стоимости и высокой воспроизводимости генератора. Генератор импульсов высокого напряжения содержит источник питания, преобразователь, умножитель напряжения, токовый конденсатор, включенный в разрядную цепь умножителя через высоковольтную диодную сборку и газовый или воздушный разрядник и заряжаемый от выпрямителя, питающегося от преобразователя. Между выходным электродом и элементами схемы установлен защитно-регулирующий разрядник. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула