专利名称：高压脉冲发生器(各方案)的制作方法
技术领域：
本发明涉及接触型和非接触型武器，其带有杀伤目标的电气装置(电击枪)，还涉及高电压大电流脉冲的获取技术，例如，在电液力放电装置、电热投掷装置、需要在气体和材料中的大电路电流远距离放电的其它装置中。
现有技术现已知全球行业领军公司Taser International, Inc.的电击装置,例如,按照美国专利N2 6999295公开的整形技术高压脉冲发生器(亦即，用低能量初始放电预先使放电间隙电离化，以便储能电容大功率脉冲沿着电离化空气沟道通过)。在整形脉冲的技术上， 通过不经变换地直接施加在由高压脉冲变压器功率较小的预先放电电离化的目标和杀伤电极(战斗电极)之间的放电隙将其放电，达到增强储能电容(电容)放电效率的目的。这种装置的缺点是电路复杂、允许实现整形脉冲技术的转换器需要多绕组(4x和5x绕组)变压器、在高压放电电路中接入限制脉冲电流的高压脉冲变压器次级绕组的电阻，这使之无法获得大的放电电流。已知高压脉冲电压变压器，例如，M a P K c a发生器。M a ρ K c a发生器包括充电电路，它包括电阻和高压电容，后者以比较低的电压电流并联充电，并在高压脉冲产生的瞬间借助于气体放电器(触发管、闸流管、引燃管)依次地自动连接。在某些装置中把两个Ma pKC a发生器合成一个装置，其中多级M a ρ K c a发生器带有总容量不大的电容器，保证形成带有总电容量大的电容器的基本MapK c a少级发生器的放电所需的高电压电位，以较低的电位，在持续的脉冲中可以保持大的电流强度。在这种情况下多级M a P K c a发生器完成上述整形脉冲(ShapedPulse)的功能。M a ρ K c a发生器的缺点是需要建立几级带有昂贵的质量因数高的高压电容、昂贵的放电器、火花放电隙明显的损耗、需要精确选择的充电电阻、放电器动作电压。已知按照俄罗斯专利N2 2305246的电击装置。按照上述专利的图I高压脉冲发生器包括供电电源(电池组或蓄电池)、向储能电容4供电用的把电源低电压变换为较高电压的转换器3、该电容与输出高压脉冲变压器初级绕组7串联接入，以及气体放电器6。在高压脉冲变压器次级绕组13电路中并联接入辅助电容9，它由转换器3通过二极管10充电，该二极管用来阻止电容9的充电电流流入变压器绕组7电路。放电器6动作时，电容9并联地向绕组13电路放电，由于脉冲时间延长，增大高压脉冲的输出功率。该装置具有下列缺点电容9经过电阻很大的绕组13向放电火花隙放电。在高压脉冲变压器几十千伏的空载电压下，绕组13的电阻为几百欧姆。相应地电容9最大的放电电流仅受电阻小的二极管(二极管组件)11正向电阻和击穿发生时其电阻极小的火花隙电阻限制。但是，二极管12 (二极管组件)漏电流(反向电流)和二极管10附加的漏电流在对于给定的变压器尽可能大的击穿距离下妨碍在杀伤电极14和15之间空气隙达到最大的放电电流。在这种反向电流流过的情况下，变压器空载电压明显降低，而电极14和15上火花放电的长度(击穿空气隙长度)降低至纯变压器输出(无电容输出)类似空气击穿距离的约50-60%，这极大地降低了利用这种电路的电击装置的效率，因为在高压脉冲变压器有限的外形轮廓下，电击装置是作为最大空气击穿距离设计的。所描述的装置的另一个重要的缺点是，在该装置造成电击枪远程放电方案的情况下，在杀伤电极之一不击中(或不同时击中)目标时，或者在电击枪接触应用的情况下，只有一个杀伤电极与目标接触时，在电路所有的元件上都出现电容性电位。一个杀伤电极击中目标时，该电容量约为80皮法拉(人体标准的电容量)，该电容发生充电和用户身体电容同时充电。因此，该装置和用户身体(持远程电击枪的手)之间出现相当于5-10千伏电压的电容稱合的电位差。该装置空载电压约为50千伏(大部分电击枪空载标准电压值)下，电容耦合的电压为7-10千伏。这样的电压能够在10毫米或更大的距离上击穿空气距离或形成沿着电击装置外壳元件的表面放电。
在任何高压脉冲发生器(变压器型或倍增器型)类型的电击枪中都会出现电容耦合，但是在电路高压级和大部分电路元件之间存在电流耦合的电路中(例如，在所考察的电路中)电容耦合特别有害。首先，低压电路元件存在很大的电气击穿可能性，例如，变压器和转换器3的电容发生电容放电。其次，而且是主要的，在从带电电路元件向用户人体(手)电容放电击穿时，用户感受中等强度的电击。用户出现所谓对自己武器的恐惧，类似于用户对带有过分痛苦的后座力或者射击声特别巨大的火器的恐惧的综合症状。对自己武器的恐惧使用户不可能正常瞄准，因为用户预料到痛苦。这样的武器效用不取决于其杀伤性能，而趋近于零。既然在外壳上有足够数目的开孔(例如，保险器输出端、启动扳机、蓄电池充电插销、激光目标指示器等等)，因此设计一种外壳完全电密封的武器，使得没有任何一个与电路电流相连的金属件露出在装置外壳之外的武器，是极其困难的。在大多数情况下，不论对电路元件进行精细的绝缘，还是甚至用电绝缘混合物浇注电路元件，都无助于排除电容放电现象。现已知按照俄罗斯专利池2305246(图3)的带有高压脉冲发生器的电击装置，其包括供电电源(电池组或蓄电池)、向蓄能电容4供电用的把电源低电压变换为较高电压的转换器3、该蓄能电容与输出高压脉冲变压器的初级绕组7和气体放电器6串联接入。在高压脉冲变压器次级绕组13的电路中串联接入辅助电容20，由转换器3通过二极管21充电，该二极管用来阻止电容20充电电流流入变压器的绕组7电路。放电器6动作时，电容20向绕组13电路放电，由于延长其持续时间，增大输出高压脉冲的功率。该装置有下列限制性缺点电容20通过电阻相当大的绕组13放电。在几十千伏的高压脉冲变压器空载电压下，绕组13的电阻为几百欧姆。相应地电容20的最大放电电流受绕组13的电阻限制。在特殊用途的电装置中，这个缺点使在电容20有限的充电电压下增大脉冲电流成为不可能。但是，由于需要增大电容外壳间绝缘的厚度，而其耐击穿强度对于所有当今所有电介质都达到极限，增大电容20充电电压引起其外部尺寸几何增大。电击装置上述这两个电路的缺点是空载(亦即，在杀伤电极上没有负载)装置工作的视觉效果不足。应用电击装置的基本要求是，有可能在攻击性袭击者面前演示放电，这时电击枪视觉强大的放电(颜色、声音)正如实践所表明的，在大多数情况下能在精神上预防攻击。电击枪甚至在直接应用之前在放电生理学作用上富有成效，亦即在“演示威吓”瞬间，在精神上总是输给放电生理学效果较小但视觉效果较大的电击枪。强大的演示效果在大多数情况下允许避免使用电击枪并相应地降低偶然的严重创伤性的或致命伤害的危险。所考察的电击装置电路的放电演示在视觉效果上优于纯变压器输出的电击枪(例如，俄罗斯电击武器领军的M A P T L·公司集团的所有产品)，但功效明显地低于带有倍增器(纯电容输出)电路的电击枪的演示放电。这与以下一点相联系，即(专利RU 2305246)图I的装置的放电，在高压变压器有限的尺寸下，其放电空气击穿长度不足，但(专利RU2305246)图3的装置的放电由于电容放电电流通过高压变压器次级绕组电阻，显出没精打采的枯萎样子，而且与倍增器电路相比放电的声响不够大。 本发明的目标是，创建一种简单又不昂贵的高压脉冲发生器，用于工作效率高的包括高电压大放电电流的脉冲产生的技术领域，用它充当电击装置输出的高压脉冲发生器，减少与用户的电容耦合，旨在改善放电演示的视觉效果。本发明的本质在于，在按照本发明的装置中，包括并连接入的自主电源、把电源的直流电压转换为600-6000伏电压的转换器和蓄能电容，还包括由下列形成的电路采取空气或气体放电器或可控硅整流器形式的高压开关和高压脉冲变压器的低压绕组，与直流电压转换器的输出并联接入，由上述转换器通过二极管充电并与高压脉冲变压器高压绕组并联建立的辅助蓄能电容、接在高压绕组末端的输出电极，和接入辅助电容放电电路的空气或气体放电器，此时高压绕组具有两个高压绕组部分，在它们本身之间连接两个由与辅助蓄能电容串联接入的二极管电路，此时，第一电路二极管的一个输出端直接连接上述辅助蓄能电容的一个极片，而第二电路二极管的一个输出端直接连接辅助蓄能电容的另一个极片，第一电路二极管的另一个输出端连接一个输出电极，第二电路二极管的另一个输出端连接另一个输出电极，高压脉冲变压器的低电压和高压绕组与上述直流电压转换器的输出端和二极管同相。补充特征在于，利用两个带有一部分次级绕组和并联或串联的初级绕组的高压脉冲变压器作为带有两个彼此绝缘的次级绕组部分的高压脉冲变压器。补充特征在于，利用高压二极管组件作为二极管。补充特征在于，在储能电容或辅助蓄能电容的充电电路中并联放电电阻。补充特征在于，高压脉冲变压器的低电压绕组并联二极管，它相对于储能电容的工作极性反极性接入。本发明的本质还在于，按照本发明的装置包括并联接入的自主电源、把电源直流电压转换为600-6000伏直流电压的转换器，和蓄能电容，还包括由下列组成的电路采取空气或气体放电器或可控硅整流器形式的高压开关、高压脉冲变压器的低压绕组、并联接入的蓄能电容、由转换器通过二极管充电并与高压脉冲变压器高压绕组串联地建立的辅助蓄能电容、接在绕组末端的输出电极和接入辅助电容放电电路的空气或气体放电器，此时高压绕组的两个输出端都连接在本身之间由与辅助蓄能电容串联接入的二极管组成的电路，此时二极管一个输出端直接连接辅助蓄能电容的一个极片，其另一个极片连接一个输出电极，二极管的另一个输出端连接第二输出电极，高压脉冲变压器的低电压和高电压绕组与直流电压转换器的输出端和二极管同相。补充特征在于利用高压二极管组件作为二极管。补充特征在于，蓄能电容或辅助蓄能电容的充电电路并联接入负载电阻。补充特征在于，高压脉冲变压器的低电压绕组并联二极管，它相对于储能电容的工作极性反极性连接。附图
的简要描述图I是按照一个实施方案的高压脉冲发生器的电路图；
图2是带有两个高压脉冲变压器的高压脉冲发生器的电路图；而图3是按照另一个实施方案的高压脉冲发生器的电路图。本发明的实施方案鉴于需要适应不同的高压脉冲发生器方案，按照图I权利要求I的高压脉冲发生器包括本身是蓄电池、电池组或其他电源的低压电源I、开关2、把电源低的直流电压转换为600-6000伏直流电压的转换器3，连接蓄能电容4，并联接入由气体或空气放电器5或可控硅整流器和高压脉冲变压器的低压初级绕组6组成的电路。以及低压电源I、把电源低直流电压转换为600-6000伏直流电压的转换器3，和并联接入的蓄能电容4。在转换器3上还接入辅助电流蓄能电容7，其一个极片与转换器3的输出连接，另一个极片与转换器3通过二极管8连接。电容7输出端借助于电容9和10用二极管(二极管组件)13和14连接变压器次级绕组11和12的中间输出端，而这些二极管本身连接变压器次级绕组11和12未被占用的输出端。二极管13和变压器次级绕组11的自由输出端的连接点与发生器的输出电极15 (发生器用于电击装置时的“杀伤电极”)，二极管14和变压器次级绕组12自由输出端的连接点与气体或空气放电器16连接，而放电器与输出电极(发生器用于电击装置时的“杀伤电极”)17串联。高压脉冲变压器的低电压或高电压绕组应该与转换器3的输出端和二极管8，13，14同相。该装置以下列方式工作。开关2闭合时转换器3开始给电容4充电，并通过二极管8给电容7充电。电容4达到完全充电时，其上电位出现放电器5相同的点燃电压，放电器5动作，而电容4通过放电器5向变压器的初级绕组6放电。就在此时，电容7仍在充电，因为它向放电器5和变压器初级绕组6电路的放电被
二极管8阻止。在高电位下电感的电动势对准变压器的次级11和12。对于变压器绕组11和12的脉冲极性，二极管13和14反极性接入，因此二极管13和14上不发生高压脉冲的电流分流。在带有预先选定的距离以保证击穿空气的电极15和17之间，在变压器次级绕组11和12串联形成的电位下，发生空气击穿。此时，在电极15和17之间因击穿而电离化的放电沟道电阻急剧下降,而电容7开始通过二极管13和14向电离化的空气沟道放电。此时，电容7的放电电流实际上只能通过二极管13和14在电离化沟道中发生，因为容量小的电容9和10阻止它并联地通过绕组11和12流动。电容9和10相对于绕组11和12的配置并不重要，而且既可以接到绕组的中间输出端，又可以接到绕组两端，使绕组端与二极管13和14连接。电容这样的配置用虚线示于图I。在该发生器用于电击装置的情况下，电极15和17的战斗放电通过攻击者的外衣发生，亦即通过被外衣厚度分开的空气隙发生，但在某些应用情况下，电极15和17可以直接压向电阻约为1000欧姆的目标的皮肤覆盖层。在这种情况下转换器3的直流电流开始在电极15和17上通过并经二极管13和14进一步在皮肤覆盖层的电阻上通过。此时电容4和7不充电，而转换器3直流的杀伤作 用很小，而电击装置不再有效。为了防止这样的寄生电流沿着上述回路流动，在杀伤电极17和二极管14与次级绕组12自由输出端连接点之间接入空气或气体放电器16，其点燃电压大于放电器5点燃电压。于是，放电器16在放电器5点燃瞬间之前，并相应地在出现变压器高压脉冲之前，完成不允许转换器3电流在目标电阻上通过的功能。就在变压器高压脉冲通过1000欧姆或更低(直至I欧姆)的目标电阻时，放电器16，其点燃电压与变压器的高压脉冲次级绕组的电位相比并不大，被高压脉冲的电位点燃，保证电容7直接通过目标(或空气隙和目标)放电。除上述功能外，放电器16还保证防止用户受到电容4和7上剩余直流电压的作用。放电器16的配置并不重要，它既可以接入电极17的电路，也可以接入电极15的电路。因为若把两个绕组看作是一个高压绕组，则该中点电位仅为整个绕组的一半，所以高压绕组11和12与电路的低压部分的电流耦合是从绕组的中点实现的。为了增强电容9放电作用在目标上的重要性并防止二极管被变压器次级绕组13和14的高压脉冲击穿，必须使用直流脉冲电流允许值、反向电压尽量大而反向电流最小的
高压二极管组件作为二极管。所考察的装置允许获得的空气击穿长度等于所使用的变压器带有串联在绕组11和12中间点的纯变压器击穿空气击穿长度的95-100%。开关2关断和在一定的时间瞬间(电容4完全充电和放电器5动作之前)转换器3不再工作之后，电容7仍不放电，而且甚至在转换器3已经关断之后，由于二极管8的漏电流开始对电容4充电。这样的过程在电容7容量明显地大于电容4的容量的情况下发生。在电容4充足电和放电器5动作的情况下，在发生器关断的情况下在高压变压器上发生单个高压脉冲。在该装置关断之后这样的意外的单个脉冲对用户乃是一种危险。为了排除它在电容4充电电路中出现，可以与之并联接入大阻值的放电电阻。在图2上示出一种不同于图I装置的装置，它不采用一个带有单独的次级绕组的高压脉冲变压器，而是两个带有初级绕组18和19但没有中间抽头的单独的高压脉冲变压器。
此时，单个变压器的初级绕组18和19并联(在某些情况下为了更协调采取串联)，而次级绕组20和21按照图I上分开的绕组的接入方法接入。这样的利用典型的高压脉冲变压器的装置允许获得比脉冲中电流强度大时从一个变压器获得的大的击穿距离。在图3中示出高压脉冲发生器，它由本身是蓄电池、电池组或其他电源的低压电源I、开关2、把电源低压直流转换为600-6000伏直流电压的转换器3组成，该转换器与蓄能电容4连接，后者并联接入由气体或空气放电器5和高压脉冲变压器初级绕组6组成的电路。此时，该低压直流电源I、把电源低压直流转换为600-6000直流电压的转换器3和并联接入的蓄能电容4。转换器3上还接入辅助电流蓄能电容7，其一个极片直接与转换器3的输出连接，其另一个极片通过二极管8与转换器3的输出连接。电容7串联接入高压脉冲变压器的次级绕组22,此时电容7的一个输出端与气体或空气放电器16连接,而该放电器本身又与输 出电极17(发生器用于电击装置时的“杀伤电极”)串联。电容7的另一个输出端与绕组22的一个输出端和二极管(二极管组件)23的输出端连接，二极管本身以其第二输出端通过电容24接绕组22的第二输出端。二极管23和电容24的连接点与发生器的输出电极15(发生器用于电击装置时的“杀伤电极”)连接。高压脉冲变压器的低电压或高电压绕组应该与转换器3的输出端和二极管8和23同相。该装置以下列方式工作。开关2闭合时，转换器3开始向电容4充电，并经二极管8向电容7充电。电容4完全充电时，其上出现与放电器5点燃电压相等的电位,放电器5动作,而电容4通过放电器5向变压器的初级绕组6放电。就在此时，电容7仍在充电，因为它向放电器5和变压器初级绕组6电路的放电被
二极管8阻止。在高电位下电感电动势导向变压器的次级绕组22。二极管23与变压器绕组22脉冲极性反极性地接入，因此在二极管23上不发生高压脉冲电流的分流。在带有为了保证空气击穿而预先选定的距离的电极15和17之间，在变压器次级绕组22产生的电位下，发生空气击穿。此时电极15和17之间被击穿而电离化的沟道电阻急剧下降，电容7开始通过二极管23向电离化空气沟道放电。此时，电容7向电离化沟道放电的电流仅仅通过二极管23进行，因为它经绕组22的通过被串联在绕组22上的小容量电容24阻止。电容24相对于绕组22输出端的配置并不重要，它既可以接向绕组一个与电容7和二极管23连接点连接的输出端，又可以接向绕组的另一个输出端。电容24这样的配置用虚线示于图3。唯一条件是用电容24把电容7的放电流与它沿着绕组22的通过分开。放电器16的配置同样不重要，它既可以接入电极17的电路，又可以接入电极15的电路。唯一的条件是用放电器16分离电容7的放电电流。
所考察的装置允许获得的空气火花击穿长度，等于所使用的变压器的纯变压器击穿的空气击穿长度的150-180%与纯变压器输出相比，增大空气击穿长度的效果是靠下列方法达到的该给定电 路最有效地利用输出电极之间沟道的初步电离化，与此相联系的是，电容7这样的电流放电既作为输出电极之间火花放电，又在开始时作为弱电晕放电，此时有赖于出现电容7的大的放电电流强度。即使在纯变压器放电中理论上也会出现弱电晕放电，但由于电流强度小看不到火花放电。
权利要求
1.高压脉冲发生器，其包括并联的自主电源、把电源直流电压转变为600-6000伏直流电压的转换器和蓄能电容，还包括下列构成的电路采取空气或气体放电器或可控硅形式的高压开关和与直流电压转换器的输出端并联接入的高压脉冲变压器的低压绕组、由上述转换器通过二极管充电并与高压脉冲变压器的高压绕组并联设置的蓄能电容、接在高压绕组端部的输出电极和接入辅助电容放电电路的空气或气体放电器，其特征在于，高电压绕组具有两个彼此绝缘的独立部分，这两部分的两个输出端都连接在自己的两个由与辅助蓄能电容串联接入的二极管组成的电路之间，此时，第一电路二极管的一个输出端直接与上述辅助蓄能电容的一个极片连接，而第二电路二极管的一个输出端直接接到辅助蓄能电容的另一个极片，第一电路二极管的另一个输出端与一个输出电极连接，第二电路二极管的另一个输出端连接到另一个输出电极，高压脉冲变压器的低电压和高电压绕组与上述直流电压转换器的输出和二极管同相。
2.按照权利要求I的发生器，其特征在于，作为带有次级绕组两个彼此绝缘部分的高压脉冲变压器，使用带有单一部分次级绕组和并联或串联初级绕组的两个高压脉冲变压器。
3.按照权利要求I的发生器，其特征在于，利用高压二极管组件作为二极管。
4.按照权利要求I的发生器，其特征在于，在储能电容或辅助蓄能电容的充电电路中并联放电电阻。
5.按照权利要求I的发生器，其特征在于，高压脉冲变压器的低电压绕组并联二极管，后者相对于储能电容的工作极性反极性接入。
6.高压脉冲发生器，其包括并联接入的自主电源、把电源直流电压变换为600-6000伏直流电压的转换器和蓄能电容，还包括下列组成电路采取空气或气体放电器或可控硅整流器形式的高压开关和高压脉冲变压器的低压绕组、与蓄能电容并联接入、由转换器通过二极管充电和与高压脉冲变压器高压绕组串联建立的辅助蓄能电容、接至绕组末端的输出电极和接入辅助电容放电电路的空气或气体放电器，其特征在于，高压绕组的两个输出端都接在本身由与辅助蓄能电容串联接入的二极管组成的电路之间，此时该二极管的一个输出端直接连接辅助蓄能电容的一个极片，其另一个极片连接一个输出电极，二极管的另一个输出端连接第二输出电极，高压脉冲变压器的低电压和高电压绕组与直流电压转换器的输出端和二极管同相。
7.按照权利要求6的发生器，其特征在于，利用高压二极管组件作为二极管。
8.按照权利要求6的发生器，其特征在于，在储能电容或辅助蓄能电容的充电电路中并联接入放电电阻。
9.按照权利要求6的发生器，其特征在于，高压脉冲变压器的低电压绕组并联二极管，后者相对于储能电容工作极性反极性连接。
全文摘要
发明涉及接触型和非接触型装置，其带有杀伤目标的电气装置(电击枪)，还涉及高电压大电流电脉冲的获取技术。高压脉冲发生器包括并联接入的自主电源、把电源直流电压变换为600-6000伏直流电压的转换器和蓄能电容，还包括下列构成的电路采取空气或气体放电器或可控硅整流器形式的高压开关和与直流电压转换器输出端并联接入的高压脉冲变压器低压绕组、由上述转换器通过二极管充电并与高压脉冲变压器高压绕组并联设置的辅助蓄能电容、接至高压绕组端部的输出电极，和接入辅助电容放电电路的空气或气体放电器。在一个实施方案中，高压绕组具有两个彼此绝缘的独立部分。在另一个实施方案中，高压绕组的两个输出端都在本身之间用两个由与辅助蓄能电容串联接入的二极管组成的电路连接。本发明的技术效果在于它提高了操作效率并且增强了演示放电的视觉冲击力。
文档编号H05C1/04GK102783027SQ201080056517
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月23日
发明者奥列格·瓦列里耶维奇·索罗金, 尤利娅·奥列格未克·雷亚金, 尤利娅·阿列克桑德洛维奇·加比利亚 申请人:V&S世界有限责任公司