Генератор поражающих электроимпульсов электрошокового оружия Российский патент 2024 года по МПК F41B15/04 H03K3/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контактному электрошоковому оружию (ЭШО) и дистанционному электрошоковому оружию (ДЭШО), конкретно к генераторам высоковольтных поражающих импульсов электрошокового оружия.

Уровень техники

Первым аналогом заявляемого генератора выбран высоковольтный генератор ЭШО и ДЭШО по патенту [1] с предыонизацией канала основного токового разряда конденсатора высоковольтным слаботоковым импульсом разряда высоковольтного трансформатора. Генератор (фиг. 1 патента [1]) работает следующим образом. При включении инвертера питаемого от источника питания начинает заряжаться накопительный конденсатор. При достижении полного заряда конденсатора потенциал на нем оказывается равным напряжению зажигания газового разрядника, который зажигается и конденсатор разряжается через разрядник и последовательно с ним включенный второй конденсатор тока в первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора. При прохождении импульса тока через конденсатор тока он заряжается. Во вторичной обмотке выходного высоковольтного импульсного трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Между поражающими электродами генератора (они же боевые электроды ЭШО или ДЭШО) происходит воздушный пробой. При этом сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала между поражающими электродами резко падает и заряженный конденсатор тока начинает разряжаться в ионизированный воздушный канал через обмотку трансформатора. Боевой разряд (разряд тока конденсатора тока) с поражающих электродов проходит через одежду нападающего, т.е. через воздушные промежутки, определяемые толщиной одежды цели (биологический объект, биоцель, правонарушитель).

В отличие от уже ставших классическими схем генераторов поражающих электроимпульсов с предыонизацией (Shaped Pulse), созданных в Taser International, Inc. (США), ведущей в мире компанией по разработке и производству ДЭШО [2], генератор-аналог не содержит дорогостоящих и увеличивающих габариты генератора (для применения в компактных ЭШО и ДЭШО) защитных разрядников Gap 2 Gap 3 (фиг. 24 и фиг. 25 патента [2]), без которых поражающее действие генератора на цель невозможна в случае непосредственного контакта поражающих электродов ЭШО или зондов токопроводов ДЭШО с эпидермисом цели. В генераторе аналоге в отличие от генератора по патенту [2] до срабатывания разрядника зарядного тока от инвертера на поражающих электродах нет, соответственно и нет возможности утечки зарядного тока инвертера через эпидермис цели (фактически закорачивание выходного тока инвертера). Собственный же ток инвертера частотой 30-80 кГц и с напряжением 600-3000 В не обладает поражающим биоцель физиологическим действием кроме термических микроожогов (болезненность фактически как у медицинских аппаратов термокоагуляции). Отсутствие защитных разрядников и крайняя простота электросхемы аналога с минимальным количеством электронных компонентов по сравнению с схемами типа патента [2] является достоинством аналога.

В другом варианте исполнения схемы генератора аналога (фиг. 2 патента [1]) он работает следующим образом. При включении инвертера питаемого от источника питания начинает заряжаться накопительный конденсатор. При достижении полного заряда конденсатора потенциал на нем оказывается равным напряжению зажигания газового разрядника, который зажигается и конденсатор разряжается через разрядник и последовательно с ним включенный второй конденсатор тока в первичную обмотку выходного высоковольтного импульсного трансформатора. При прохождении импульса тока через конденсатор тока он заряжается. Во вторичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора наводится ЭДС индукции при высоком потенциале. Диод 11 включен обратно полярно полярности импульса вторичной обмотки трансформатора, поэтому шунтирования тока высоковольтного импульса на диод 11 не происходит. Между поражающими электродами происходит воздушный пробой. При этом сопротивление ионизированного пробоем разрядного канала между поражающими электродами резко падает и конденсатор тока начинает разряжаться в ионизированный воздушный канал через диод 11. При этом ток разряда конденсатора тока проходит в ионизированный канал практически только через диод 11 с низким прямым сопротивлением, так как его параллельному прохождению через обмотку 8 препятствует ее значительное активное и реактивное сопротивление. В таком исполнении визуальный и звуковой эффект разряда между поражающими электродами максимальный, то есть максимально и хорошо известное психологическое действие (снижение агрессивности) ЭШО или ДЭШО на правонарушителя при "демонстрации разряда" правонарушителю до непосредственного применения ЭШО или ДЭШО по цели.

Недостаток аналога заключается в возможности пробоя токового конденсатора поз.6 (фиг. 1 и фиг. 2 патента [1]) при некоторых условиях применения ЭШО или ДЭШО с соответственным отказом работы ЭШО или ДЭШО и недостаточная длина пробоя воздушного электроискрового разряда генератора. Механизм этих недостатков подробно раскрыт в описании к патенту [3].

Другим и меньшим аналогом заявляемого генератора может служить также высоковольтный генератор ЭШО и ДЭШО по патенту [3]. В такой схеме генератора устранены недостатки первого аналога (возможность пробоя токового конденсатора и недостаточная длина пробоя воздушного электроискрового разряда генератора), но при этом вновь введен защитный разрядник, так как работа ЭШО или ДЭШО с таким генератором в случае непосредственного контакта поражающих электродов ЭШО или зондов токопроводов ДЭШО с эпидермисом цели невозможна.

Основным недостатком генераторов с предыонизацией как классических, так и описанных как аналоги является непосредственная гальваническая связь вторичной высоковольтной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора с вторичной обмоткой повышающего трансформатора (или дросселя "flyback converter") инвертера. При этом высоковольтная составляющая работы высоковольтного импульсного трансформатора через емкостную связь между вторичной и первичной обмоткой трансформатора или дросселя инвертора попадает в низковольтную часть электронной схемы ЭШО или ДЭШО в том числе и на источник электропитания ЭШО или ДЭШО и на все дополнительные электронные системы в составе ЭШО или ДЭШО, наводя в них многочисленные сигналы электромагнитных и электростатических помех. При этом современные ЭШО, но, главное, ДЭШО, которые в настоящее время вообще вытесняют ЭШО из пользования, используют сложнейшие электронные схемы на микроконтроллерах с многочисленными узлами самодиагностики, учета количества типа выстрелов, индикации состояния ДЭШО с экранами отображения информации, системы видеофиксации применения оружия, определения местоположения применения по GPS и иные системы типа дальномеров и датчиков безопасного допустимого тока пропускаемого в цель. Такие дополнительные системы и устройства в составе ДЭШО с непременными генераторами поражающего напряжения с предыонизацией под влиянием ведущего в мире разработчика ДЭШО компании "Axon Enterprise, Inc." (правопреемника "Taser International, Inc.") стали непременным условием проведения всех международных тендеров на поставки ДЭШО правоохранительным органам.

Все модели ДЭШО компании "Axon Enterprise, Inc." для правоохранительных органов и профессиональной охраны, выпущенные после 2011 г., разработаны на полностью цифровой платформе. По опыту отечественного конструирования и производству ДЭШО известно о чрезвычайной сложности создания надежно работающих и безотказно действующих при эксплуатации указанных систем при исполнении генераторов поражающего напряжения с предыонизацией и прежде всего при отсутствии возможности применения современных зарубежных помехозащищенных электронных компонентов схем как в связи с их дороговизной (т.е. несоразмерной конечной стоимостью ДЭШО для потребителей РФ), так и полным их отсутствием на рынке РФ в условиях международных санкций. По указанным причинам в настоящее время все ДЭШО производства компаний РФ отличаются от ДЭШО компании Axon Enterprise, Inc. крайне бедным набором дополнительных систем и устройств в составе ДЭШО уже не соответствующим мировым стандартам набора таких систем в ДЭШО.

Прототипа заявляемого генератора патентным и информационным поиском не обнаружено.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема заключается в необходимости создания генератора поражающих электроимпульсов ЭШО и ДЭШО с предыонизацией с большой длиной воздушного электроискрового пробоя, с повышенным напряжением амплитуды поражающих импульсов на нагрузке, с гальванической развязкой выходной вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора от обмотки трансформатора или дросселя инвертера для уменьшения прохождения в низковольтную часть электронной схемы ЭШО или ДЭШО высоковольтной составляющей работы высоковольтного импульсного трансформатора с соответственным уменьшением электромагнитных и электростатических помех на узлах систем индикации состояния оружия до и во время применения, самодиагностики, отображения информации, видеофиксации, GPS и иных дополнительных электронных системах оружия.

Технический результат заключается в создании генератора поражающих электроимпульсов электрошокового оружия, содержащего источник питания постоянного напряжения 1,5…30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500…6000 В, первый конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и включенный в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства, выполненного преимущественно в виде воздушного или газового разрядника или твердотельного полупроводникового ключа и первичной (низковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, при этом вторичная (высоковольтная) обмотка трансформатора состоит из двух частей с одной частью с большим числом витков и другой частью с малым числом витков, соединенных вместе и имеющих отвод от их соединения, выходной конец обмотки с малым числом витков соединен с одним выводом диода, второй вывод которого соединен с первым выходным электродом генератора и с одной обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого соединена с отводом обмоток, выходной конец обмотки с большим числом витков представляет собой второй выходной электрод генератора.

Дополнительная особенность заключается в том, что диод представляет собой диодную сборку.

Дополнительная особенность заключается в том, что обмотка с малым числом витков намотана проводом с большим сечением, чем сечение провода обмотки с большим числом витков.

Дополнительная особенность заключается в том, что обмотка с малым числом витков сфазирована с первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора.

Технический результат заключается в создании генератора поражающих электроимпульсов электрошокового оружия, содержащего источник питания постоянного напряжения 1,5…30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500…6000 В, первый конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и включенный в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства, выполненного преимущественно в виде воздушного или газового разрядника или твердотельного полупроводникового ключа и первичной (низковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, при этом вторичная (высоковольтная) обмотка трансформатора состоит из трех частей с двумя частями с большим числом витков и одной частью с малым числом витков, размещенной между двумя частями с большим числом витков, первый конец обмотки с малым числом витков соединен с одним концом первой обмотки с большим числом витков и имеет отвод, второй конец первой обмотки с большим числом витков представляет собой один выходной электрод генератора, отвод соединен с первой обкладкой второго конденсатора вторая обкладка которого соединена с первым концом второй обмотки с большим числом витков, второй конец которой представляет собой второй выходной электрод генератора, второй конец обмотки с малым числом витков соединен с одним выводом диода, второй вывод которого соединен с местом соединения второй обкладки второго конденсатора с первым концом второй обмотки с большим числом витков.

Дополнительная особенность заключается в том, что диод представляет собой диодную сборку.

Дополнительная особенность заключается в том, что обмотка с малым числом витков намотана проводом с большим сечением, чем сечение провода обмоток с большим числом витков.

Дополнительная особенность заключается в том, что обмотка с малым числом витков сфазирована с первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схема генератора с одной обмоткой с большим числом витков.

Фиг. 2. Схема генератора с двумя обмотками с большим числом витков.

Фиг. 3. Осциллограмма поражающего импульса генератора.

Осуществление изобретения

Фиг. 1. Генератор работает следующим образом. При включении выключателя 1 преобразователь 2 с выходным постоянным напряжением, питаемый от батареи 3, начинает заряжать накопительный конденсатор 4. При достижении полного заряда конденсатора 4 потенциал на нем оказывается равным напряжению пробоя разрядника 5, который срабатывает («зажигается»), при этом конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 в первичную (низковольтную) обмотку 6 высоковольтного импульсного трансформатора. В ином воплощении разрядник 5 может быть заменен на коммутирующее устройство иного типа, например, высоковольтный транзистор или тиристор, например, управляемый отдельным задающим генератором. На описанный ниже принцип работы генератора такая замена не влияет.

Во вторичной (высоковольтной) обмотке трансформатора, состоящей из соединенных вместе обмотки 7 с малым числом витков и обмотке 8 с большим числом витков намотанных в одном направлении, наводится ЭДС индукции с высоком потенциалом. При этом импульс тока обмотки 7, выполненной из проволоки большего сечения, чем проволока обмотки 8, через высоковольтный диод 9 (или высоковольтную диодную сборку) заряжает токовый конденсатор 10. Фактически же конденсатор 10 в воплощении генератора с пороговым устройством в виде газового разрядника может заряжаться не единственным импульсом, а несколькими затухающими близкими к синусоиде импульсами возникающими за счет колебательного контура из конденсатора 4 и индуктивности обмотки 6 и выпрямляемых диодом 9. При этом составляющие высоковольтного импульса обмотки 8 через обмотку 7, через конденсатор 10 и диод 9 проходят к выходным электродам 11 генератора, между которыми происходит высоковольтный воздушный искровой пробой с ионизацией искрового канала, носители заряда которого рекомбинируют за время гораздо большее, чем время собственной длительности импульса. При достижении достаточного количества носителей зарядов в искровом канале заряженный конденсатор 10 начинает разряжаться в искровой канал, увеличивая длительность импульса приобретающего типичную форму поражающих импульсов ЭШО и ДЭШО с предыонизацией [4]. Здесь описан приблизительный процесс работы генератора. В реальности процессы вырабатывания предлагаемой схемой высоковольтных поражающих импульсов с предыонизацией значительно сложнее. Для штатной зарядки конденсатора 10 обмотка с малым числом витков (и соответственно обмотка с большим числом витков) должны быть сфазированы с первичной обмоткой 6 высоковольтного импульсного трансформатора. После разряда конденсатора 4 и погасании разрядника 5, процесс повторяется и генератор вырабатывает следующие высоковольтные поражающие импульсы с предыонизацией.

Фиг. 2. Генератор работает следующим образом. При включении выключателя 1 преобразователь 2 с выходным постоянным напряжением, питаемый от батареи 3, начинает заряжать накопительный конденсатор 4. При достижении полного заряда конденсатора 4 потенциал на нем оказывается равным напряжению пробоя разрядника 5, который срабатывает («зажигается»), при этом конденсатор 4 разряжается через разрядник 5 в первичную (низковольтную) обмотку 6 высоковольтного импульсного трансформатора. В ином воплощении разрядник 5 может быть заменен на коммутирующее устройство иного типа, например, высоковольтный транзистор или тиристор, например, управляемый отдельным задающим генератором.

Во вторичной (высоковольтной) обмотке трансформатора, состоящей из соединенных вместе обмотки 12 с малым числом витков и двумя обмотками 13 и 14 с одинаковым и большим числом витков, намотанных в одном направлении наводится ЭДС индукции с высоком потенциалом. При этом импульс тока обмотки 12 выполненной из проволоки большего сечения чем проволока обмоток 13 и 14 через высоковольтный диод 9 (или высоковольтную диодную сборку) заряжает токовый конденсатор 10. При этом составляющие высоковольтного импульса обмоток 13 и 14 через обмотку 12, через конденсатор 10 и диод 9 проходят к выходным электродам 11 генератора, между которыми происходит высоковольтный воздушный искровой пробой с ионизацией искрового канала, носители заряда которого рекомбинируют за время гораздо большее чем время собственной длительности импульса. При достижении достаточного количества носителей зарядов в искровом канале заряженный конденсатор 10 начинает разряжаться в искровой канал, увеличивая длительность импульса приобретающего типичную форму импульсов ЭШО и ДЭШО с предыонизацией [4]. Здесь описан приблизительный процесс работы генератора. В реальности процессы вырабатывания предлагаемой схемой высоковольтных поражающих импульсов с предыонизацией значительно сложнее. Для штатной зарядки конденсатора 10 обмотка с малым числом витков (и соответственно обмотки с большим числом витков) должны быть сфазированы с первичной обмоткой 6 высоковольтного импульсного трансформатора. После разряда конденсатора 4 и погасании разрядника 5, процесс повторяется и генератор вырабатывает следующие высоковольтные поражающие импульсы с предыонизацией.

Предлагаемые генераторы имеют возможность получения амплитуды токового импульса на нагрузке значительно превышающей напряжение «зажигания» разрядника в аналоге по патенту [3] уже превосходящего по этим параметрам аналог по патенту [1]. Такая возможность, а также регулирование необходимой длительности импульса достигается изменением параметров обмотки с малым числом витков (обмотки 7 или 12), и емкостей конденсаторов 4 и 10. Например, увеличение числа витков обмотки с малым числом витков увеличивает и возможное зарядное напряжение конденсатора 10 и соответственное увеличение амплитуды токового импульса на нагрузке (биоцели), а значит и эффективность воздействия ЭШО или ДЭШО. При этом длина пробиваемого электроискровым разрядом предлагаемых генераторов воздушного промежутка, а значит, возможность пробоя поражающими электроимпульсами толстой одежды цели не уступает как классическим схемам по патенту [2], так и аналогу по патенту [3].

Фиг. 3. Форма, длительность, и амплитуда импульса предлагаемых генераторов на стандартной проверочной нагрузке в 1 кОм для генераторов поражающего электротока для ЭШО и ДЭШО не отличаются от таковых же импульсов генераторов с предыонизацией аналога и прототипа.

Главное преимущество предлагаемых генераторов перед классическими схемами генераторов ЭШО и ДЭШО с предыонизацией и приведенными аналогами это отсутствие гальванической связи между высоковольтными выводами катушки высоковольтного импульсного трансформатора и выводами инвертера. При такой схемотехнике высоковольтная составляющая импульсов не проникает непосредственно на выходную обмотку трансформатора (или дросселя) инвертера и далее за счет емкостной связи между обмотками на всю низковольтную часть схемы инвертера (в частности микроконтроллер-задающий генератор) и по питанию на все дополнительные системы и устройства в составе ЭШО и ДЭШО питаемые от общего источника электропитания ЭШО и ДЭШО. Отсутствие указанной гальванической связи уменьшает помехи, наводимые в ДЭШО при работе генератора до приемлемых для безотказной работы микроконтроллеров инвертера и дополнительные системы и устройства в составе ЭШО и ДЭШО. При этом уровень помех генератора по фиг. 2 менее чем у генератора по фиг. 1, хотя технология намотки вторичной обмотки несколько сложнее. Уменьшение уровня помех у генератора по фиг. 2 наиболее вероятным образом связано со сбалансированностью двух обмоток с большим числом витков по отношению к обмотке с малым числом витков. Указанная гальваническая развязка в предлагаемых генераторах улучшает также возможности конструирования и производства малогабаритных ЭШО и ДЭШО, поскольку вероятность электропробоев по корпусу на пользователя (неплотностей, отверстий под органы управления, непроливы и пористость термопластов материала корпуса) от электроэлементов схемы генератора уменьшатся. У заявляемой схемы падение характеристик при передаче импульса (т.е. эффективной мощности) по проводам на дистанции выстрела существующих средств доставки (10 м) несущественно для практического использования (4,4% падения мощности). Падение же характеристик импульса (амплитуда и длительность импульса) в известных схемах предыонизации доходит до 30-40%. Таким образом, предлагаемый генератор является перспективной для использования в ДЭШО.

Список цитированных источников:

1. Патент РФ № 2 619 061.

2. Патент US № 6 999 295.

3. Патент РФ № 2 690 432.

4. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 392-393.

Генератор содержит источник питания постоянного напряжения, преобразователь постоянного напряжения источника питания в повышенное постоянное напряжение, первый конденсатор. Первый конденсатор включен в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства и первичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора имеет одну часть с большим числом витков и другую часть с малым числом витков с отводом их соединения, выходной конец малой обмотки соединен с одним выводом диода, второй вывод которого соединен с первым выходным электродом генератора и с одной обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого соединена с отводом обмоток, а выходной конец большой обмотки представляет собой второй выходной электрод генератора. Технический результат - уменьшение электромагнитных и электростатических помех на узлах индикации и отображения информации, состояния оружия, самодиагностики и иных дополнительных электронных системах оружия. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор поражающих электроимпульсов электрошокового оружия, содержащий источник питания постоянного напряжения 1,5…30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500…6000 В, первый конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и включенный в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства, выполненного преимущественно в виде воздушного или газового разрядника или твердотельного полупроводникового ключа и первичной (низковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, отличающийся тем, что вторичная (высоковольтная) обмотка трансформатора состоит из двух частей с одной частью с большим числом витков и другой частью с малым числом витков, соединенных вместе и имеющих отвод от их соединения, выходной конец обмотки с малым числом витков соединен с одним выводом диода, второй вывод которого соединен с первым выходным электродом генератора и с одной обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого соединена с отводом обмоток, выходной конец обмотки с большим числом витков представляет собой второй выходной электрод генератора.

2. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 1, отличающийся тем, что диод представляет собой диодную сборку.

3. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 1, отличающийся тем, что обмотка с малым числом витков намотана проводом с большим сечением, чем сечение провода обмотки с большим числом витков.

4. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 1, отличающийся тем, что обмотка с малым числом витков сфазирована с первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора.

5. Генератор поражающих электроимпульсов электрошокового оружия, содержащий источник питания постоянного напряжения 1,5…30 В, преобразователь постоянного напряжения источника питания в постоянное напряжение 500…6000 В, первый конденсатор, подключенный к выводам преобразователя параллельно и включенный в цепь из высоковольтного коммутирующего устройства, выполненного преимущественно в виде воздушного или газового разрядника или твердотельного полупроводникового ключа и первичной (низковольтной) обмотки высоковольтного импульсного трансформатора, отличающийся тем, что вторичная (высоковольтная) обмотка трансформатора состоит из трех частей с двумя частями с большим числом витков и одной частью с малым числом витков, размещенной между двумя частями с большим числом витков, первый конец обмотки с малым числом витков соединен с одним концом первой обмотки с большим числом витков и имеет отвод, второй конец первой обмотки с большим числом витков представляет собой один выходной электрод генератора, отвод соединен с первой обкладкой второго конденсатора, вторая обкладка которого соединена с первым концом второй обмотки с большим числом витков, второй конец которой представляет собой второй выходной электрод генератора, второй конец обмотки с малым числом витков соединен с одним выводом диода, второй вывод которого соединен с местом соединения второй обкладки второго конденсатора с первым концом второй обмотки с большим числом витков.

6. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 5, отличающийся тем, что диод представляет собой диодную сборку.

7. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 5, отличающийся тем, что обмотка с малым числом витков намотана проводом с большим сечением, чем сечение провода обмоток с большим числом витков.

8. Генератор поражающих электроимпульсов по п. 5, отличающийся тем, что обмотка с малым числом витков сфазирована с первичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора.