一种电击器高压脉冲电源的制作方法

本发明专利涉及一种电击器高压脉冲电源(参看图1)，这种高压电源输出脉冲功率相对比较大，工作效率以及可靠性均很高，技术性能优越，这种高压电源用于配置现公安执法人员使用的高压电击器设备，可以提高安防设备的使用效果以及工作效率，对提高公安执法人员的自卫能力和人身安全很有必要。

背景技术：

目前很多高压电击器配置的高压电源都是采用自激式开关电源，然后通过变压器升压的方式来工作(参看图2)，图2-(a)是自激式开关电源的工作原理图，图2-(b)是变压器次级线圈输出电压的波形(理想状态)。这种开关电源属于单激式开关电源，其正激输出是一个方波(开关管导通时)，而反激输出是一个幅度很高的尖峰脉冲波(开关管关断时)，其正、负脉冲的幅度是不相等的。

在占空比等于0.5的情况下(开关管q1的导通时间和关断时间相等)，反激输出的尖峰脉冲幅度会远远高于正激输出的脉冲幅度，但正、反激脉冲的半波平均值完全相等。在理想情况下，当负载开路时，反激输出的尖峰脉冲幅度几乎可以看成是无限大，但这种理想情况不可能存在，因为变压器初、次级线圈的匝数比非常大(好几千倍)，这样的变压器初、次级线圈的分布电容和漏感都很大，当开关管关断时，尖峰脉冲会在漏感和分布电容组成的电流回路中产生高频振荡，从而使尖峰脉冲转变成一个幅度相对比较低的正弦波(阻尼振荡)，并且这个正弦波的频率是不稳定的，当负载比较轻的时候，正弦波的振频率比较高，而当负载比较重的时候，正弦波的谐振频率比较低。

另外，由于这种开关电源是采用自激式工作，即开关管的导通和关断都是通过一个正反馈线圈(n2)产生的感应电动势来进行控制，这种自激式开关电源的优点是电路简单，但缺点是变压器铁芯工作于临界饱和状态，工作效率相对比较低，特别是，因为变压器初、次级线圈的漏感和分布电容都很大，当开关管关断的时候产生的高频振荡也会感应到正反馈线圈(n2)之中，由于高频振荡频率的不稳定，使开关管的工作频率也不稳定，因此，这种开关电源的工作频率相对比较低，变压器的体积相对比较大，而高压脉冲输出的幅度很难提高，如果想提高高压脉冲输出的幅度，则要求变压器的体积相对比较大，另外，这种自激式开关电源一般都工作于连续状态，平均损耗功率比较大。

鉴于图2这种自激式高压开关电源存在的缺点，目前市场上还出现了一种如图3所示的倍压式高压开关电源，这种倍压式开关电源也是属于自激式开关电源，但这种开关电源采用倍压电路来升压，因此可以大大的降低开关变压器初、次级线圈的匝数比，从而使开关变压器初、次级线圈的漏感和分布电容相对减小，使开关电源工作相对比较稳定。

图3所示的倍压式高压开关电源的缺点是开关电源工作于连续状态，不是高压脉冲输出，如果要提高输出电压，其输出功率的平均值相对会很高，并且倍压整流电路的内阻一般都比较大，如果要降低内阻，则需要选用容量比较大的高压电容器，这不但会增加成本，同时也会使体积增大，无法安装在普通高压电击器之中，给使用带来不便。

鉴于图2和图3这种自激式高压开关电源存在的缺点，目前市场上还出现了一种如图4所示的由两个开关电源组成的高压开关电源。第一级开关电源主要由晶体管q1和变压器t1组成，第二级开关电源主要由可控硅rs1(或晶体管)和变压器t2组成。

图4中第一级开关电源是一种自激式开关电源，其工作原理与图2所示的开关电源工作原理基本相同，t1次级线圈n3输出由c2、d1、d2组成倍压整流，整流输出通过电阻r4对电容器c3充电，由于充电电流的变化率比较低，所以在电容器充电期间变压器t2次级线圈不会有高压输出，但充电电流在变压器铁芯中产生的磁场却可以使变压器铁芯退磁，使变压器铁芯的磁化范围增大，从而可以增大开关电源工作的脉冲宽度，即可以增加变压器的输出脉冲功率。

图4中，在整流输出电压对电容器c3充电的同时，整流输出电压同时也通过r4、r5对电容器c4进行充电，当c4两端的电压达到触发二极管db1的导通电压时，触发二极管db1就会导通，使可控硅rs1被触发导通，此时电容器c3储存的电荷就会通过可控硅rs1和变压器t2的初级线圈n1组成的电流回路进行放电，即电容器c3两端的电压通过可控硅rs1加到变压器t2初级线圈n1的两端，在变压器t2的次级线圈n2就会产生一个高压脉冲输出。

在图4中，第一级开关电源的工作方式是连续的，其主要作用是给第二级开关电源提供一个比较高的工作电压，而第二级开关电源的工作方式是间隙式的，即每隔一定的时间，可控硅rs1才被触发导通一次，这个间隔时间的长短可通过调整r5、c4的时间常数来改变。这里顺便说明，可控硅rs1也可以用晶体管或场效应管来替代，只需要它的耐压和电流参数满足要求即可。

显然，图4所示的高压电源与图2高压电源相比，在平均功率输出大小相同的情况下，其输出的脉冲功率是图2高压电源输出脉冲功率的好几倍，并且图4高压电源输出的脉冲幅度也可以是图2高压电源输出的脉冲幅度的好几倍，因为图4中第二级开关电源属于间隙式脉冲工作状态。

在图4中，第二级开关电源的工作电压越高，其工作效率也越高，但工作电压的高低主要由可控硅rs1的耐压来决定，以及开关变压器t2的伏秒容量决定。开关变压器的伏秒容量由下式给出：

uτ＝ns(bm-br)×10^-8——变压器的伏秒容量(1)

或

——变压器初级线圈匝数(2)

上面(1)和(2)式中，uτ为变压器的伏秒容量(单位为伏-秒)，n为变压器初级线圈的匝数，s为变压器铁心的截面积(单位平方厘米)，bm为变压器铁心的最大磁通密度(单位高斯)，br为变压器铁心的剩余磁通密度(单位高斯)。一般铁氧体变压器铁芯的最大磁通密度bm约为5000高斯，而剩余磁通密度约为2500高斯(与退磁效率有关)。

伏秒容量表示：一个开关变压器能够承受多高的输入电压和多长时间的冲击。在开关变压器伏秒容量一定的条件下，输入电压越高，开关变压器能够承受冲击的时间就越短，反之，输入电压越低，开关变压器能够承受冲击的时间就越长；而在一定工作电压的条件下，开关变压器的伏秒容量越大，开关变压器铁芯中的磁感应强度就越低，开关变压器的铁芯就不容易饱和。

由上面两式可以看出，当变压器的铁心面积及初级线圈匝数一定之后，伏秒容量也基本被确定了，如果要提高工作电压，则必须减小脉冲宽度，所以伏秒容量的大小也是设计开关电源的一个重要指标，对于一般的高压电击器使用的开关电源，变压器的伏秒容量主要受到变压器体积的限制。

一般小可控硅的耐压大部分都在100v～300v之间，其它小功率半导体器件的耐压大部分也都在600v以下，如果要进一步提高第二级开关电源的工作电压，以得到更大的脉冲输出功率和更高的脉冲电压输出，必须更换耐压更高的开关器件，放电管是目前耐压最高的开关器件，图5是采用放电管作为开关器件的另一种的高压脉冲电源，图7是放电管的伏-安特性曲线。

放电管的击穿电压一般都可以达2000伏以上，因此选用放电管作为开关器件，开关电源的工作电压就可以选得很高，并且放电管的工作电流很大，可达数千安培。但放电管也有缺点，就是其导通时存在一个残留电压(图7中的v4)，因此，当放电管导通时，加到变压器初级线圈两端的电压只有工作电压与残留电压之差。尽管如此，只要开关电源的工作电压选得足够高，这个差值还是很大的。

所以，图5所示的高压脉冲电源的变压器不需要选择很大的匝数比就可以输出很高的脉冲电压，其缺点是因变压器受到伏秒容量的限制，高压脉冲的宽度相对还是比较窄，即开关电源输出的脉冲功率还是不够大，空气被击穿打火的强度也不高。

那么，有没有一种高压脉冲电源，其输出脉冲的电压幅度不但很高，而且输出高压脉冲的功率也很大，使空气被击穿打火的强度达到足够高呢？

有！本发明的一种电击器高压脉冲电源就具有这个功能，即其输出脉冲的电压幅度不但足够的高，而且输出脉冲的功率也很大，空气被击穿打火的强度可达到足够的高。

技术实现要素：

针对现有电击器高压脉冲电源，输出脉冲电压的幅度不够高，以及输出脉冲的功率不够大，使用效果差，对使用者人身不够安全等缺点，本发明的一种电击器高压脉冲电源，采用两级开关电源组合结构，第一级开关电源有多组直流高压输出，第二级开关电源采用放电管做开关器件，并把第一级开关电源多组直流高压输出叠加到第二级开关电源的高压输出之上，不但克服了目前电击器高压脉冲电源输出脉冲幅度不够高，脉冲功率不够大，空气打火放电强度低等缺点，并且在其它技术性能方面也有很大的提高。

一般高压开关电源，由于受到体积的限制，高压变压器的体积都不能做得太大，故高压变压器的伏秒容量都不大，因此，高压开关电源输出的高压脉冲宽度相对都很窄，当高压脉冲把空气击穿时，高压脉冲的幅度会跌落得非常快，使空气击穿的维持时间非常短，即高压脉冲的打火强度相对很低。

如果在高压脉冲之中叠加一个直流电压(如图1所示)，当高压脉冲把空气击穿放电时，虽然高压脉冲的幅度跌落仍然很快，但由于直流电压的存在，仍然可以维持空气继续击穿放电，直到叠加的直流电压跌落到低于空气击穿的维持电压时才停止，通过调整直流电压的高低和输出功率，就可以调整空气继续击穿放电的时间，或打火强度。

这里所说明的空气击穿电压与维持击穿电压，并不是同一概念，前者的数值远远高于后者，因为空气被击穿以后，在两个高压电极之间的气体分子大部分都已经被电离成分别带正电和带负电的电离子，这些带电的电离子在比较低的电场力作用下就可以被当成载流子而在空气中流动，即放电。

实际上空气被击穿的过程与放电管被击穿放电的过程基本上是一样的，只不过是放电管被击穿放电的气体是惰性气体氦气，因为氦气不会跟放电管中的金属电极产生电腐蚀(化学反应)，所以可增长放电管的使用寿命。

由此可知，高压脉冲相当于是两个高压电极a、b之间的点火电压(相当于图7中的v1)，而空气被高压脉冲击穿时的维持电压，就等同与放电管被击穿放电时产生的残留电压(图7中的v4)，因此，只要在高压脉冲之中叠加的直流电压高于空气击穿的维持电压，空气打火放电的时间就可以大大延长，并且打火强度可以通过调整储能滤波电容器容量的大小来调整强度的高低。

在图1中，变压器t1的次级线圈n3、n4、n5等各组线圈的反激输出电压经整流二极管d1、d2、d3等整流后，再经电容器c1、c2、c3等滤波，然后通过串联，把各滤波电容器的两端电压进行叠加，就可以得到一个比较稳定的高压直流输出。

至于为什么要采用这么多组次级线圈来进行整流输出，一个原因是，为了减小变压器次级线圈因匝数太多，分布电容过大而产生的高频阻尼振荡，此振荡会增加输出电压的纹波，并且会增加整流二极管的损耗，从而降低开关电源的工作效率；另一个原因是，如果每组线圈输出的电压过高，则要求整流二极管和滤波电容器的耐压也越高，这个会降低元器件的可靠性，并且元器件的成本相对也会提高；再有一个原因，采用多组电压输出，线圈的两个出头之间不容易产生击穿打火，并且通过选择次级线圈的个数，对不同输出电压的要求比较容易匹配。

对于技术规格不同的高压电击器，可以通过改变叠加直流电压大小(或组数多少)来达到用户的要求，调整起来很方便。

图1电路，在变压器t1的初级线圈中，还增加了一组升压线圈绕组n2，其输出电压(反激输出)与输入电压低压电源(1)叠加，经整流二极管d01整流及电容器c01滤波，再经稳压控制电路单元(2)稳压后，作为间隙时间控制(3)和pwm脉冲调制(4)等单元的电路工作电压。

另外，由变压器t1初级线圈n1漏感产生的尖峰脉冲，经过整流二极管d02整流，也具有升压的功能，并且还可以提高电源的工作效率和防止因尖峰脉冲幅度过大，把开关管q1击穿。

一般高压电击器使用的电池多为7.2v锂电池(两节锂电池串联)，如果开关管的驱动电路(pwm脉冲调制电路)也选用7.2v电源电压工作，则驱动信号的输出幅度一般都小于7v，而一般场效应管要求的驱动电压大多数都在8v以上，因此必须要对驱动电路的工作电压进行提高，开关管才能正常工作。线圈绕组n2的功能就是为了提高pwm脉冲调制电路的工作电压，使工作电压由7.2v提高到15v，此电压还可以通过调整pwm脉冲调制电路输出脉冲的占空比来稳压，同时对多组直流输出电压也起到同样的稳压效果。

在图1中，还有一个间隙时间控制电路，用于对高压打火输出进行时间控制，即本发明的一种电击器高压脉冲电源正常工作时，不是采用连续工作方式，而是采用间隙工作方式，比如，每工作1秒钟，然后停止10秒钟，如此断断续续地工作，这种间隙工作方式可以大大降低电池的平均输出功率，提高电池的使用寿命。间隙时间控制电路可采用比较简单的时基控制电路来实现，也可以采用微处理器(cpu)来控制，采用微处理器控制不但可以提高电击器的技术相能，还可以利用微处理器控制的其它接口来实现智能控制。

本发明的一种电击器高压脉冲电源还设置有一个过流保护功能，这个功能也很重要。一般开关电源在刚开机的时候，由于所有的整流滤波电容事先都没有充满电，刚开机一瞬间，相当于电源输出负载短路，此时pwm脉冲调制电路输出脉冲的宽度，一般都比较正常工作时的宽，因此很容易使变压器的铁芯饱和，或者上一次关机的时候，变压器铁芯没有充分退磁，下一次开机时也会很容易使变压器饱和，特别是到了夏天，室外温度比较高的时候，因开关电源散热条件不好，本机工作温度也会升高，当变压器的铁芯工作温度达到摄氏90度左右时，其导磁率就会急速下降，变压器初级线圈的电感量将会减小，使工作电流急速增加，这些情况都很容易使开关电源因过热损坏。

在图1中，当流过变压器初级线圈回路的电流过大的时候，在取样电阻r01的两端就会产生一个取样电压被送到过流保护电路单元(5)进行处理，并限制驱动脉冲的宽度大小，或终止驱动脉冲的输出，从而保护开关电源因过流损坏，大大提高开关电源工作的可靠性。

本发明的一种电击器高压脉冲电源特征在于：

本发明的一种电击器高压脉冲电源由两级开关电源组成，第一级开关电源主要由开关管q1和变压器t1组成，第二级开关电源主要由放电管g1和高压变压器t2组成，第二级开关电源主要由放电管g1和高压变压器t2组成，第一级开关电源有多组直流高压输出，分别为v1、v2、vn等，多组直流高压之间以串联方式进行叠加，其中一组直流高压v1还兼为放电管g1和高压变压器t2的工作电压，多组直流高压与高压变压器t2的次级线圈n2、n3串联，当放电管g1工作时多组直流高压将与高压变压器t2的次级线圈产生的高压脉冲叠加输出，极大限度地提高高压电源的脉冲输出功率，增强高压电击器的使用效果。

本发明的一种电击器高压脉冲电源特征还在于：

第一级开关电源的变压器t1各组输出电压均采用反激式输出，其中，变压器t1的初级线圈n2绕组的输出电压与低压电源(1)输入电压叠加，经整流二极管d01整流及电容器c01滤波，再经稳压控制(2)稳压后，作为间隙时间控制(3)和pwm脉冲调制(4)等单元电路的工作电压。

以及，低压电源(1)的正端与变压器t1初级线圈的抽头n1、n2的两个同名端连接，低压电源(1)的负端与冷地(6)连接，n1的另一端与开关管q1(场效应管的漏极或晶体管的集电极)连接，n2的另一端(反激输出端)与整流二极管d01的正极连接，整流二极管d01的负极与滤波电容器c01的正极连接，电容器c01的负极与冷地(6)连接，开关管q1的另一端(场效应管的源极或晶体管的发射极)与电流取样电阻r01连接，同时也与过流保护(5)电路连接，电阻r01的另一端接冷地(6)，开关管q1的控制极(场效应管的栅极或晶体管的基极)与pwm脉冲调制(4)的驱动信号输出端相连；电路单元1、2、3、4、5分别表示为：低压电源(1)、稳压控制(2)、间隙时间控制(3)、pwm脉冲调制(4)、过流保护(5)等电路单元。

本发明的一种电击器高压脉冲电源特征还在于：

第一级开关电源的变压器t1的次级线圈绕组n3、n4、n5、nn等，各绕组的反激输出电压经整流滤波之后互相进行串联，其中：变压器t1的次级线圈绕组n3的同名端与热地(7)连接，n3的另一端(反激电压输出端)与整流二极管d1的正端连接，整流二极管d1的负端分别与电容器c1、电容器c2、放电管g1、变压器t1的次级线圈绕组n4的同名端连接，电容器c1的另一端接热地(7)，放电管g1的另一端与变压器t2的初级线圈绕组n1的同名端连接，变压器t2的初级线圈绕组n1的另一端与热地(7)连接。

还有，变压器t1次级线圈绕组n4的另一端(反激电压输出端)与整流二极管d2的正端连接，整流二极管d2的负端分别与滤波电容器c2、cn等、变压器t1的次级线圈绕组nn等的同名端连接，变压器t1的次级线圈绕组nn等的另一端(反激电压输出端)与整流二极管dn等的正端连接，整流二极管d2的负端分别与滤波电容器cn等和变压器t2的次级线圈绕组n3的非同名端连接，变压器t2的次级线圈绕组n3的同名端为高压脉冲输出a，变压器t2的次级线圈绕组n2的同名端接热地(7)，n2的另一端(非同名端)为高压脉冲输出b。

本发明的一种电击器高压脉冲电源特征还在于：

用于作为间隙时间控制(3)的电路单元还可以换成微处理器电路，以便实现智能控制。

【附图说明】

图1是一种电击器高压脉冲电源的基本电路结构图；

图2是一种自激式单开关高压电源基本电路结构图；

图3是一种自激式倍压输出高压电源基本电路结构图；

图4是一种组合式双开关电源并采用可控硅器件的高压电源原理图；

图5是一种组合式双开关电源并采用放电管器件的高压电源原理图；

图6是放电管伏-安特性曲线图。

图7是一种采用两个ne555带多组高压直流叠加输出的双开关电源电原理图；

图8是一种采用ne7556带多组高压直流叠加输出的双开关电源电原理图；

图9是一种采用微处理器控制带多组高压直流叠加输出的双开关电源电原理图；

【实施方案】

图7、图8、图9是根据图1的基本电路结构设计的一种电击器高压脉冲电源具体实施方案的3个电原理图。

图7中，开关管q1与图1中的开关管q1对应，开关变压器t1、t2分别与图1中的开关变压器t1、t2对应；开关变压器t1的初、次级线圈n1、n2、n3、n4、n5分别与图1中的开关变压器t1初、次级线圈n1、n2、n3、n4、nn等对应；开关变压器t2初、次级线圈n1、n2、n3分别与图1中的开关变压器t2初、次级线圈n1、n2、n3对应；整流二极管d4、d5、d6、d7、d8分别与图1中的整流二极管d02、d01、dn、d2、d1等对应；放电管g1与图1中的放电管g1对应；电容器c5、c9、c8、c7分别与图1中的电容器c01、c1、c2、cn等对应；电阻r12与图1中的r01对应。

在图1中，cn等是代表任意多个电容器的意思，但在图7中与图1对应的只有3个直流输出滤波电容，即图7中只有3组直流电压输出，但不代表图1中只能用3组直流电压输出，它可以根据实际需要，采用任意多组直流电压输出。

采用多组直流电压输出的好处是，可以减小因变压器次级线圈因匝数太多，分布电容过大而产生的高频阻尼振荡，并且会增加整流二极管的损耗，从而降低开关电源的工作效率；另一个原因是，降低对整流二极管和滤波电容器的耐压要求。

图7中，e1与图1中的低压电源(1)对应，k1为电源开关，c1为储能滤波电容；由r1、r2、d1、c2、c3、u1、r8、r9、v2组成的电路为间隙时间控制电路单元(3)，其中u1为ne555时基控制集成电路，调整r1和r2就可以分别调整电击器高压脉冲电源的工作时间和停止时间(占空比)。

图7中，由r3、r4、d2、d3、c4、u2、r5组成的电路为pwm脉冲调制电路单元(4)，其中u2为ne555时基控制集成电路，调整r3和r4就可以分别调整pwm输出脉冲的宽度和关断时间(占空比)。

图7中，由r11、c6、v3组成的电路为过流保护电路单元(5)，正常工作时，流过变压器t1初级线圈n1的电流为锯齿波(励磁电流)，故在取样电阻r12的两端也会产生一个锯齿波电压。在变压器初级线圈电感量保持稳定的条件下，这个锯齿波的电压幅度与脉冲宽度成正比，或者在脉冲宽度一定的条件下，这个锯齿波的电压幅度与变压器初级线圈的电感量成反比。

那么，当开关电源在工作过程中出现异常或者故障时，即，当开关管q1的导通时间突然过长，或变压器铁芯出现饱和时，取样电阻r12两端锯产生的锯齿波电压幅度就会变大，此时，如果经r11和c6积分之后得到的锯齿波电压幅度超过0.7v时，v3将导通，同时u2的4脚电位将会降低，从而使u2输出脉冲关断，使开关电源起到过流保护的作用，改变取样电阻r12阻值的大小，或者改变r11和c6的时间常数，都可以改变过流保护的灵敏度。

图7中，由vd1、r10、v1、r6组成的电路为稳压控制电路单元(2)，其中稳压二极管vd1可作为基准电压，当c5两端的电压(集成电路的工作电压)高于vd1的击穿电压时，v1就会导通或进入电流放大区，使u2的5脚电位降低，u2输出驱动脉冲的占空比将变小，从而使变压器t1初级线圈n2的输出电压降低，从而起到对集成电路的工作电压进行自动调整稳定作用。

在图7中，变压器t1只有3组次级线圈，分别为n3、n4、n5，对应有3组直流输出，分别为c7、c8、c9电容器的两端电压，其中c9电容器的两端电压兼为空气放电管g1、开关变压器t2组成的开关电源工作电压，当n3输出的脉冲电压通过d8整流并对c1充电产生的直流电压达到空气放电管g1击穿的时候，在变压器t2次级线圈n2、n3的两端就会产生数万伏的高压脉冲电压，此电压与c7、c8、c9电容器的两端电压串联叠加后被输出到高压电极a、b两端，然后把a、b两端的空气击穿放电。

图8的工作原理完全与图7相同，不同之处只是用一个ne7556取代两个ne555。

图9的工作原理基本上与图7、图8相同，不同之处是间隙时间控制电路单元(3)由微处理器控制单元取代。用微处理器来控制电击器高压脉冲电源的工作有很多好处或优点，一个是微处理器可以对电击器高压脉冲电源实现智能控制，可以通过屏幕菜单来选择控制模式，另一个是微处理器一般都附带很多功能接口，比如远程通信功能，可以实现远程控制功能，还有gps定位功能等。