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7/23/2019 Info Taser

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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TARJETA ELECTRNICA PARA

GENERACIN Y CONTROL DE ONDAS ELCTRICAS DE INMOVILIZACINHUMANA USADAS EN DARDOS INALAMBRICOS

ALVARO TORRES AMAYA

Trabajo de grado en la modalidad de profundizacin para optar al ttulo deMagister en Ingeniera Electrnica

Director:

Ing. MSc. Giovanny Aldemar Baquero Rozo


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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA TARJETA ELECTRNICA PARA

GENERACIN Y CONTROL DE ONDAS ELCTRICAS DE INMOVILIZACINHUMANA USADAS EN DARDOS INALAMBRICOS

ALVARO TORRES AMAYACd. 2100914

Trabajo de grado en la modalidad de profundizacin para optar al ttulo deMagister en Ingeniera Electrnica

Director:

Ing. MSc. GIOVANNY ALDEMAR BAQUERO ROZO


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Nota de Aceptacin:

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________Firma del presidente del jurado


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DEDICATORIA

A mi familia, por su acostumbrada motivacin para emprender cada nuevo reto enmi vida y el aporte desde lo simple al logro de lo importante.

A mi amada Daissy, por ser la persona comprensiva, amorosa y dedicada, quehace que las cosas buenas de la vida tambin me ocurran a m.


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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa su agradecimiento a las siguientes personas: A mi director detrabajo de grado Ing. Giovanni Aldemar Baquero Rozo, MSc. por la motivacinpara iniciar este trabajo y su incondicional disposicin para guiar y apoyar eldesarrollo del mismo. Al ingeniero German Giraldo por la invitacin a participar enel proyecto. Al cuerpo de docentes y directivas de la Facultad de estudios aDistancia de la Universidad Pedaggica y Tecnolgica de Colombia por facilitar larealizacin de mis estudios y el acceso a los equipos de laboratorio de la

Tecnologa en Electricidad. Finalmente al Ing. Javier Alberto Chaparro Preciado,PhD. Decano de la facultad de Ingeniera Electrnica de la Escuela Colombiana deIngeniera por sus orientaciones y apoyo en mi proceso acadmico.


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NOTA DE RESPONSABILIDAD

El autor declara bajo la gravedad de juramento que todas las declaracionesexpresadas en el presente documento son de su responsabilidad y nocomprometen ni a la Universidad ni al director del trabajo. Los conceptos yelementos grficos enunciados o producidos por otros autores han sido citados deacuerdo con la normatividad vigente.


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CONTENIDO

Pg.

1.

INTRODUCCIN ............................................................................................ 17

1.1

MOTIVACIN ........................................................................................... 17

1.2

DEFINICIN DEL PROBLEMA ................................................................ 17

1.3

JUSTIFICACIN ....................................................................................... 19

1.4

PREGUNTA DE INVESTIGACIN ........................................................... 20

1.5

OBETIVOS ............................................................................................... 20

1.5.1

General .............................................................................................. 20

1.5.2

Especficos ......................................................................................... 21

1.6

ALCANCES Y LIMITACIONES ................................................................. 21

2.

MARCO TEORICO ......................................................................................... 23

2.1

FENOMENOS ELCTRICOS EN EL CUERPO HUMANO ...................... 23

2.1.1

La electricidad en el cuerpo humano.................................................. 23

2.1.2

Corriente continua versus corriente alterna ........................................ 24

2.1.3

Efectos de la frecuencia ..................................................................... 26

2.1.4

Impedancia del cuerpo humano ......................................................... 27

2.1.5

Las corrientes Let-Go ......................................................................... 29

2.2

ARMAS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA (cew).................................. 30


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3.2.2

Variable principal ................................................................................ 48

3.2.3

Indicadores ......................................................................................... 49

3.2.4

Metodologa de trabajo ....................................................................... 49

3.2.5

Instrumentos ...................................................................................... 51

3.3

ARQUITECTURA ..................................................................................... 51

3.3.1

Onda X26 ........................................................................................... 51

3.3.2

Onda S-200 ........................................................................................ 52

3.4

TOPOLOGIAS .......................................................................................... 52

3.4.1

Topologa X26 .................................................................................... 53

3.4.2

Topologa S-200 ................................................................................. 54

3.4.3

Consideraciones para implementacin .............................................. 56

3.5

INTEGRACIN Y CONTROL ................................................................... 57

3.6

PRUEBAS finales Y RESULTADOS ......................................................... 58

3.7

CONCLUSIONES DEL CAPITULO .......................................................... 58

4.

DISEO Y DESARROLLO ............................................................................. 59

4.1

CIRCUITO OSCILADOR DE ONDA DE ANILLO ..................................... 59

4.2

Oscilador tipo tanque LC .......................................................................... 59

4.3

CARGA Y DESCARGA DE CONDENSADORES ..................................... 63

4.3.1

Onda X26 ........................................................................................... 64


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4.8

INTEGRACIN DE ETAPAS .................................................................... 88

4.9

CONCLUSIONES DEL CAPITULO .......................................................... 92

5.

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ............................................................... 93

5.1

Protocolo ................................................................................................... 93

5.1.1

Modelos de carga utilizados ............................................................... 93

5.1.2

Equipo de medicin ............................................................................ 94

5.1.3

Estrategia de medicin ....................................................................... 94

5.2

realizacin DE LA PRUEBA ...................................................................... 95

5.2.1

Medicin de corriente ......................................................................... 95

5.2.2

Medicin de Voltaje ............................................................................ 96

5.2.3

Condiciones de las pruebas ............................................................... 97

5.3

RESULTADOS ......................................................................................... 98

5.3.1

Onda X26 ........................................................................................... 98

5.3.2

Onda S-200 ...................................................................................... 100

5.3.3

Anlisis de resultados ...................................................................... 101

5.4

CONCLUSIONES DEL CAPITULO ........................................................ 102

6.

CONCLUSIONES ......................................................................................... 103

6.1

RESULTADOS ....................................................................................... 103

6.2

CONCLUSIONES ................................................................................... 103


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LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Zonas de tiempo corriente en impulsos de corriente en el cuerpohumano. ................................................................................................................. 25

Figura 2. Zonas de tiempo y corriente de efectos en AC para el cuerpo humano . 26

Figura 3. Red equivalente del cuerpo humano segn IEC60990 .......................... 28Figura 4. Red propuesta por De Santis & Barchansky ........................................... 29

Figura 5. Onda Ring Wave .................................................................................... 31

Figura 6. Forma de onda de la M26 ....................................................................... 32

Figura 7. Forma de onda X26 ................................................................................ 32Figura 8. Dispositivo X26 ....................................................................................... 33

Figura 9. Parmetros en una onda X26 ................................................................. 34

Figura 10. Forma de onda S-200 ........................................................................... 35

Figura 11. Dardo XREP ......................................................................................... 36

Figura 12. Agujas desplegadas en el XREP .......................................................... 36

Figura 13. Esquema metodologa de trabajo ......................................................... 50

Figura 14. Arquitectura propuesta onda X26 ......................................................... 51Figura 15. Arquitectura propuesta onda S-200 ...................................................... 52

Figura 16. Esquema para simulacin de la onda X26 ............................................ 53

Figura 17. Seales de voltaje y corriente X26 simuladas ...................................... 53

Figura 18. Esquema de simulacin onda S-200 carga IEC ................................... 54

Figura 19. Seales de voltaje y corriente S-200 carga IEC simuladas .................. 54

Fi 20 E d i l i d S 200 D S ti 55


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Figura 35. Red Snubber ......................................................................................... 74

Figura 36. Respuesta de la red Snubber ............................................................... 76

Figura 37. Circuito Boost diseado ........................................................................ 76

Figura 38. Ncleos toroidal y tipo EE ..................................................................... 77

Figura 39. Comportamiento de la corriente ............................................................ 78

Figura 40. Circuito de control ................................................................................. 85

Figura 41. Esquema general de programacin ...................................................... 86

Figura 42. Algoritmo de programacin del PID ...................................................... 88

Figura 43. Integracin de etapas ........................................................................... 89

Figura 44. Aspecto de la placa PCB diseada ....................................................... 90

Figura 45. Aspecto final de la tarjeta ensamblada ................................................. 91

Figura 46. Modelo resistivo utilizado ...................................................................... 93

Figura 47. Aproximacin del modelo IEC utilizada................................................. 94

Figura 48. Aproximacin utilizada al modelo DeSantis y Barchansky .................... 94

Figura 49. Medicin de corriente en modelo resistivo ............................................ 95

Figura 50. Medicin de corriente en modelo IEC ................................................... 95

Figura 51. Medicin de corriente en modelo DeSantis .......................................... 96

Figura 52. Medicin de voltaje en modelo resistivo ............................................... 96

Figura 53. Medicin de voltaje en modelo IEC....................................................... 97

Figura 54. Medicin de voltaje en modelo DeSantis .............................................. 97

Figura 55. Resultados X26 carga resistiva ............................................................ 98

Figura 56. Resultados X26 modelo IEC ................................................................. 99

Figura 57. Resultados X26 modelo DeSantis ........................................................ 99

Figura 58. Resultados S-200 carga resistiva ....................................................... 100

Figura 59 Resultados S-200 modelo IEC 100


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LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Parmetros de la onda X26.......34

Tabla 2. Tecnologas CEW. 37

Tabla 3. Parmetros S-200. 40

Tabla 4. Comparacin de parmetros X26 y S-20041Tabla 5. Resumen de especificaciones........... 47

Tabla 6. Dispositivos MOSFET seleccionados67

Tabla 7. Resultados prueba de configuraciones.68

Tabla 8. Requerimientos de energa circuitos generadores..73


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LISTA DE ANEXOS

Pg.

Anexo 1. Esquemtico general.... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........112

Anexo 2. Cdigo de control implementado....... .......... .......... .......... .......... .........114

Anexo 3. Aspecto final del prototipo....................119


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GLOSARIO

ARRITMIA CADIACA: alteracin de la frecuencia cardiaca o ritmo de los latidosdel corazn

CARGA ELCTRICA: cantidad fundamental de la electricidad responsable de osfenmenos elctricos

CARGA INICA: carga elctrica real sobre un ion

CATECOLAMINAS: Neurotransmisores que se vierten al torrente sanguneo,incluyen la adrenalina, noradrenalina y dopamina.

CEW: Conducted Electrical Weapon

CONVULSIN TNICA-CLNICA: crisis epilptica que compromete todo elcuerpo

CORRIENTE DE RHEOBASE: Corriente mnima aplicada a un musculo, capaz deproducir un potencial de accin

CRONAXIA: Tiempo necesario para que una intensidad del doble de la reobaseproduzca efecto

DESCARGA ELCTRICA: circulacin de una cantidad elevada de energaelctrica a travs de un medio durante un periodo de tiempo corto.

DESPOLARIZAR: disminuir del valor absoluto del potencial de membrana en unaneurona

FIBRILACIN VENTRICULAR (VF): Contraccin o temblor incontrolable de las


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PCB: Tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los elementos

que conforman un circuito electrnicoPWM: Tcnica que modifica el ciclo de trabajo de una seal peridica paracontrolar la cantidad de energa que se enva a una carga

SIMPATOADRENERGICOS: Relativo a componentes del sistema nerviosoautnomo tanto del sistema simptico como del sistema adrenrgico

TASER: Thomas A. Swits Electric Rifle

XREP: Extended Range Electro-Muscular Projectile


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RESUMEN

Las armas de electroconduccin humana CEW [1]son dispositivos ampliamenteempleados para el control de situaciones altamente peligrosas como pueden seramotinamientos, tomas de rehenes o intentos de suicidio cuyo desenlace por logeneral es la prdida de vidas o la ocurrencia de lesiones importantes. Elaprovechamiento que hacen estos dispositivos de las caractersticas deconduccin elctrica del cuerpo humano a travs de la distorsin en las seales

neuronales que controlan la actividad muscular, se constituye en un principioaltamente efectivo en el propsito de lograr la inmovilizacin temporal del serhumano, permitiendo de esta manera realizar el control fsico del individuo y ladisolucin de la situacin de riesgo, no obstante, la exposicin a niveles excesivosen algunas variables elctricas puede llegar a causar efectos letales.

Este documento pretende realizar por una parte, una aproximacin terica a lascaractersticas que hacen de estos dispositivos elementos peligrosos y a aquellas

que son deseables en un arma efectiva y segura, y por otra, busca exponer unaaproximacin prctica a los recursos tecnolgicos necesarios para el diseo yconstruccin de un dispositivo generador de ondas elctricas para inmovilizacinhumana, orientado al estudio de la efectividad y seguridad de seales elctricasque puedan brindar condiciones de aplicacin de mnima energa y largo alcancecomo las posiblemente utilizadas en los dardos electrnicos inalmbricos.

El texto expone en forma progresiva el desarrollo de la actividad investigativa,

desde el acercamiento al problema, la exploracin documental relacionada con losfenmenos elctricos en el cuerpo humano y los efectos producidos por losdispositivos CEW, identificando aquellas tecnologas que muestran, a la luz de las

id i i tfi l f t d i ili i d d


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1. INTRODUCCIN

1.1 MOTIVACIN

Uno de los aspectos ms polmicos respecto a la aplicacin de la fuerza en contralos ciudadanos por parte de las autoridades de polica en el mundo es el uso dedispositivos de conduccin elctrica por parte de las fuerzas de seguridadciudadana. No obstante el principio y propsito de estos dispositivos sigue siendoun instrumento ideal para la inmovilizacin de personas que desencadenansituaciones potencialmente peligrosas para la comunidad y para s mismos.

Este trabajo surge con el propsito de contar con un conocimiento detalladoacerca de los fenmenos elctricos que ocurren durante la aplicacin de lasdescargas elctricas producidas por los dispositivos de electroconduccin y derealizar una propuesta de equipo de experimentacin con el fin de permitir laoptimizacin de las seales empleadas, adecundolas a niveles que reduzcan almnimo el riesgo para la vida y cuyos circuitos electrnicos puedan ser adaptados

a la tecnologa de dardos.

1.2 DEFINICIN DEL PROBLEMA

Colombia se encuentra envuelta en un conflicto armado de ms de 50 aos, endonde las cifras de homicidios con armas de fuego son realmente alarmantes. Enla actualidad el pas se enfrenta a un fenmeno de migracin del conflicto hacia

las grandes ciudades, traducido en el aumento de los ndices de inseguridad,robos, vandalismo, extorsiones y disputas entre bandas criminales, un fenmenoque ha llevado a las autoridades a estudiar nuevas estrategias de combate contrael delito en los grandes centros urbanos. Muestra de ello es la emisin de la


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No obstante, las armas de conduccin elctrica (CEW), especficamente las armas

de tipo sonda (almbricas), presentan algunas limitaciones y riesgos que las hanhecho objeto de crticas por parte de organizaciones como Amnista Internacionaly Naciones Unidas. Una limitacin evidente es el alcance, estas armas solopueden alcanzar objetivos entre seis y diez metros de distancia, lo cual restringesu uso a situaciones en las que se tiene plena cercana con el objetivo, sinembargo son numerosos los casos en los que no se tiene la posibilidad deacercamiento al individuo como en los escenarios de amotinamiento,persecuciones, o toma de rehenes, por lo que es necesario un dispositivo de

mayor alcance.Dentro de los riesgos identificados, el ms destacable es la posibilidad de controlde la descarga elctrica por parte del ser humano, quien basado en juiciossubjetivos puede prolongar peligrosamente el tiempo de exposicin a lasdescargas elctricas sobre su objetivo. Esta caracterstica se encuentra ligada a lacercana con que el arma debe ser disparada y a la posibilidad de que el sujeto nosea impactado adecuadamente, o presente una condicin fsica que le permita

resistirse a la descarga y liberarse de los electrodos. No obstante, el propsito deestas descargas no es el de incapacitar por tiempo prolongado al sujeto, sino el deaturdirlo durante un tiempo suficiente para facilitar su desarme y detencin.

Una alternativa explorada por compaa TASER, ha sido el desarrollo de un dardoincapacitante denominado XREP [5], una versin encapsulada de las armastradicionales, pero con la ventaja de poseer un alcance de hasta treinta metros, yla garanta de aplicar como lmite, la energa que puede proveer una pequea

batera incorporada en el proyectil. Sin embargo, este dispositivo enfrenta desafosimportantes, como la integracin de los componentes en un proyectil de un calibrede uso militar estndar, y la reduccin de lesiones ocasionadas por la energacintica asociada a su impacto en el cuerpo humano Adicionalmente la difusin


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generar, una forma de onda con las caractersticas adecuadas reduce

considerablemente la energa necesaria para inmovilizar a una persona y por endeel riesgo de causar daos irreparables.

Una preocupacin expresada por la polica Colombiana respecto al uso de estasarmas, est relacionada con las fatalidades ocurridas en personas concaractersticas antropomtricas sustancialmente diferentes a las de la poblacinColombiana, un hecho que puede llegar a limitar la introduccin de estasherramientas en el pas; as pues, se identifica como problemtica, la falta de un

instrumento tecnolgico que permita estudiar y adaptar las ondas elctricas deinterrupcin neuromuscular actualmente utilizadas, para el desarrollo detecnologa inalmbrica de origen nacional.

1.3 JUSTIFICACIN

Pese a los inocultables casos de fatalidades, las armas de conduccin elctrica sehan convertido en elementos necesarios y apropiados para el control de

situaciones particularmente crticas, como es el caso de los amotinamientos, lastomas de rehenes, agresiones entre ciudadanos y hacia la fuerza pblica, entreotras. Estas situaciones, causadas en la mayora de los casos por abuso desustancias psicoactivas o desordenes emocionales temporales, culminangeneralmente con importantes lesiones o incluso la muerte tanto de agresorescomo de agredidos, una situacin que podra mitigarse mediante el uso de lasarmas elctricas, diseadas y operadas adecuadamente.

En la actualidad muy poco se conoce acerca de las armas elctricas inalmbricas,sin embargo se sabe que estos dispositivos generan ondas con menores nivelesde tensin que sus contrapartes almbricas, esta caracterstica es posible graciasa su forma de impacto en el cuerpo humano que mejora el contacto y as aumenta


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tecnolgicos de estas armas, as como de los efectos sobre la poblacin

Colombiana, de manera que resulta til contar con una herramienta tecnolgicapara generacin y control de este tipo de seales a fin de adelantar los estudiosrespectivos.

Una plataforma para generacin de ondas elctricas de interrupcinneuromuscular tipo dardo, busca colocar a disposicin del usuario, la facilidad demodificar, dentro de un rango limitado, algunas de las caractersticas identificadasen las ondas elctricas empleadas por dispositivos como Taser X26 [7] o Stinger

S-200 [8], adaptando sus caractersticas a grupos poblacionales especficos ysometidos a condiciones particulares como presencia de sustancias alucingenas,alcohlicas o de estrs, segn la alteracin de variables como la impedancia.Estas caractersticas hacen necesaria la aplicacin de conocimientos en reascomo electrnica de potencia, control digital, seales y sistemas embebidos.

El resultado final del diseo y construccin de una tarjeta para generacin ycontrol de ondas elctricas incapacitantes, permite poner a disposicin de las

entidades oficiales y privadas del orden nacional, una herramienta de estudio delos requerimientos mnimos necesarios en las seales elctricas de disrupcinneuromuscular con el fin de lograr la inmovilizacin de personas concaractersticas antropomtricas diferentes a las encontradas en los ciudadanosnorteamericanos o europeos utilizando la tecnologa de dardos inalmbricos,brindando espacios para anlisis y respuesta a cuestionamientos como losexpresados recientemente por la defensora del pueblo en la revisa semana [9], enrelacin a la adquisicin de ms de 500 armas por parte de la Polica y la reciente

ocurrencia de episodios fatales ampliamente difundidos, como la muerte de ungrafitero Colombiano en la ciudad de Miami (EE.UU).

1 4 PREGUNTA DE INVESTIGACIN


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1.5.2 Especficos

Identificar mediante investigacin documental, las caractersticas de lasseales elctricas utilizadas por las armas de incapacitacin neuromuscularactualmente empleadas.

Disear y construir un circuito electrnico para generacin, combinacin,amplificacin y control de seales elctricas de interrupcin neuromuscularaprovechables en un dardo inalmbrico de inmovilizacin por descarga

elctrica.

1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES

Una de las limitaciones principales en las armas de conduccin elctricatradicional es que sus caractersticas de impacto no garantizan condicionesuniformes de contacto con el cuerpo humano, existiendo situaciones comoimpactos con separaciones variables entre sondas o ausencia contacto directo con

la piel, estas situaciones son la razn de la necesidad de altos niveles de tensinentre terminales de salida. La tecnologa de dardos como el XREP [5] permitegarantizar en un alto porcentaje una separacin promedio entre sondasequivalente a la distancia ente el trax y las piernas, adems de un contactodirecto con la piel, por lo cual basta con disponer de bajos niveles de voltaje, cercade 500V [10], una condicin que permite disminuir el rango de tensiones y estudiarla efectividad de las seales a partir de niveles mnimos.

La reduccin en la tensin requerida por un dardo inalmbrico, se convierte en unelemento fundamental en el propsito de lograr la disminucin en el tamao deldispositivo, al requerir menores niveles de disipacin trmica y menor calibre enlos componentes un aspecto fundamental en la tecnologa de dardos Este trabajo


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implementar alguna de ellas en un dispositivo electrnico tipo dardo, tomando en

cuenta parmetros como la densidad de componentes, amplitudes de corriente,tensin y requerimientos de potencia, permitiendo al mismo tiempo, estudiar lasposibilidades de efectividad de una o ms formas de onda bajo la tecnologa dedardo inalmbrico.


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2. MARCO TEORICO

El estudio de los efectos que causan las seales elctricas para inmovilizacinhumana utilizadas en las armas para el control del orden civil abarca lacomprensin de la naturaleza de los fenmenos elctricos que afectan al cuerpohumano, incluyendo parmetros como tipo de corriente, amplitudes mximas,frecuencias, tiempos de exposicin, entre otros, y el anlisis de los recursostecnolgicos utilizados para la generacin de seales en tales dispositivos. La

comprensin de estos elementos permite la emisin de juicios entorno a lasestrategias de mitigacin de los riesgos que estos dispositivos pueden llegar apresentar para el ser humano.

2.1 FENOMENOS ELCTRICOS EN EL CUERPO HUMANO

El ser humano como organismo constituido principalmente por agua, presentacaractersticas que facilitan la circulacin de una corriente elctrica a travs del

cuerpo; a travs de la historia, estas caractersticas han venido siendo utilizadaspara el desarrollo de procedimientos mdicos de rehabilitacin como las terapiaselectromagnticas de bajo nivel y por dispositivos de conductividad elctrica ESD,para la inmovilizacin de personas. Las primeras utilizan niveles de energademasiado pequeos para producir estimulacin neuromuscular, mientras que lassegundas aprovechan completamente ste fenmeno [12].

2.1.1 La electricidad en el cuerpo humano

El cuerpo humano compuesto por tejidos orgnicos, los cuales contienen lquidosy sales minerales, se constituye en una estructura con caractersticas propiciaspara la conduccin de la electricidad. El voltaje (V), definido por [13], como el


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cantidad de voltaje est acompaada de muy bajas cantidades de carga elctrica

por unidad de tiempo, lo cual significa que solo una muy baja corriente puedecircular por el cuerpo humano.

De lo anterior se deduce que los fenmenos elctricos en el cuerpo humano nosolo se encuentran definidos por la corriente, la carga y el voltaje, sino tambin porel tiempo en cual fluye la energa hacia el cuerpo. Una fuente limitada de cargacomo el generador de Van del Graaff solo puede producir una cantidad de cargalimitada durante un intervalo de tiempo corto, mientras que una fuente constante

de energa puede hacer circular la carga elctrica durante un tiempo indefinido.Estas consideraciones son el principio de funcionamiento de los dispositivos deconduccin elctrica ESD [15] descritos en este trabajo.

2.1.2 Corriente continua versus corriente alterna

La corriente continua o corriente directa corresponde a una corriente de magnitudconstante; la corriente alterna, por otro lado, se caracteriza por presentar cambios

de polaridad a una frecuencia determinada [13]. Es comn considerar que lacorriente alterna es ms peligrosa debido a que por lo general las fuentes deenerga alterna se asocian con potenciales empleados en las redes de distribucinelctrica, mientras que las fuentes de corriente continua se asocian con elementosde baja potencia como bateras y pequeos dinamos. Estudios realizados porKouwenhoven [16], indican que los circuitos en bajo voltaje de corriente directa noson tan peligrosos como los de corriente alterna, sin embargo en alto voltaje, loscircuitos de corriente directa tienen una mayor probabilidad de causar fatalidades

que los circuitos en AC al mismo voltaje.

Por otro lado, las seales de corriente alterna son las responsables de losfenmenos de contraccin de los msculos del cuerpo los estudios realizados por


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Segn la norma IEC60479-1, en el caso de un impulso de corriente, se especifican

cuatro zonas de peligro especificadas en la Figura 1. C1: Perceptible, sin fibrilacin. C2: Con 5% de riesgo de fibrilacin C3: Con hasta el 50% C4: Con ms del 50% de riesgo

Esta distribucin en zonas indica que para tiempos de exposicin cortos, del ordende fracciones de milisegundo, se pueden alcanzar niveles de corriente elevados,del orden de amperios. Si se realizara una comparacin con las corrientes alternasse encontrar que con las seales continuas interrumpidas el tiempo de duracines ms pequeo que en el caso de una corriente alterna pero la magnitud de lacorriente es ms alta [17].

Figura 1. Zonas de tiempo corriente en impulsos de corriente en el cuerpohumano.


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riesgos de fibrilacin ventricular, por lo cual solo se pueden emplear bajos niveles

de corriente. Estas afirmaciones son consistentes con los estudios realizados porKouwenhoven [16], quien concluye que la corriente alterna es responsable de losfenmenos de contraccin muscular y que esa conclusin puede ser fcilmentedemostrada por los casos de choques elctricos producidos por relmpago, en loscuales la contraccin muscular suele estar ausente.

De acuerdo con el grado de estimulacin del cuerpo humano para corrientealterna, la IEC60479-1 establece cuatro zonas definidas segn el nivel de riesgo:

Zona AC-1: Imperceptible Zona AC-2: Perceptible Zona AC-3: Contraccin muscular Zona AC-4: Posibilidad de efectos irreversibles

En cuanto a los riesgos de producir fibrilacin ventricular, la zona AC-4 presenta 3subcategoras, una zona AC-4-1con hasta un 5%, la zona AC-4-2 con hasta un50%, y la zona AC-4-3 con ms de un 50% de probabilidad [17]. Las intensidades

mximas admisibles en corriente alterna por unidad de tiempo presentantendencias similares a las de corriente continua.

Figura 2. Zonas de tiempo y corriente de efectos en AC para el cuerpo humano

elacorriente(ms)


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que la corriente alterna se caracteriza por producir efectos de contraccin

muscular. Segn lo indica De Santis [19], las frecuencias elevadas, por encima de110MHz, producen un calentamiento en el cuerpo humano, mientras que lasfrecuencias bajas pueden lograr efectos contractivos en presencia de intensidadesmenores de corriente.

De acuerdo con los resultados de Dalziel [18], en presencia de bajas frecuencias,no hay una gran diferencia en la respuesta del cuerpo humano, no obstante, losanlisis de Milesevic [17]demuestran que la exposicin del cuerpo a niveles de

intensidad elevados, como los requeridos para la interrupcin en el controlvoluntario de los msculos, solo se pueden dar en periodos de tiempo muy cortos,por lo que la aplicacin de seales de baja frecuencia, aunque podra resultarefectiva, tambin podra ofrecer resultados lesivos para la salud.

Los fabricantes de armas de electroconduccin (CEW) han adoptado como unestndar, la frecuencia de 100 KHz, esta frecuencia, la cual corresponde a unperiodo de 10S, permite la aplicacin de seales con intensidades mximas dehasta 8 amperios segn los resultados indicados en la figura 1, sin entrar en zonascon riesgo de fibrilacin ventricular, los niveles mximos de corriente encontradosen las CEW varan en un rango de 2 a 4 amperios.

En cuanto a las frecuencias medias y bajas, de menos de 2.5KHz, las indicacionesde la ICNIRP y el estndar IEEE C.95, definen un lmite de corriente umbral de0.5mA. La comparacin de estos valores con los resultados de Milesevic dejanclaro que estos valores se encuentran dentro de los lmites ms altos deseguridad, es decir la categora AC-1, no obstante los lmites soportable por elcuerpo son bastante ms elevados y los requerimientos de las CEW deben ubicarlos niveles de tensin y frecuencia en la categora AC-3.

P t l d l li i d l d f i l d i li l


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todas las frecuencias, el modelo de impedancia definido por la IEC60990 (Figura

3), es aplicable a frecuencias bajas como la de la red de suministro elctrico, noobstante, segn lo indica De Santis [19] la impedancia del cuerpo humano sereduce a medida que aumenta la frecuencia, por lo cual los modelos de bajafrecuencia no reproducen totalmente los comportamientos de las seales deelectroestimulacin.

Las consideraciones anteriores, muestran la importancia de contar con un modelopara frecuencias mayores a las consideradas por la IEC60990, teniendo en cuenta

que la reduccin de la impedancia causa incrementos de flujo de corriente y por lotanto la presencia de mayores cantidades de carga elctrica en el organismo. DeSantis propone un modelo de impedancia humana para un rango de frecuenciasde 40 a 110MHz, el cual toma en cuenta caractersticas resistivas y capacitivasusadas comnmente en otros modelos.

La resistencia del cuerpo tiene dos partes, por un lado, la ofrecida por la epidermis(piel externa) que es ms alta, de otro lado, la derma (piel interna) es ms bajadebido a la presencia de vasos sanguneos y nervios, que por su salinidad sonmejores conductores de la electricidad. La resistencia interna del cuerpo esrelativamente baja y tambin vara segn el voltaje aplicado, los resultados deKouwenhoven [16], indican que en el caso de los hombres la resistencia elctricaes mayor que en el caso de las mujeres.

La red equivalente de un cuerpo humano, dada por el estndar IEC60990 sepresenta en la figura 3, este modelo es empleado en casos de anlisis de losefectos de los efectos del contacto con equipos o lneas energizadas, tambinllamadas corriente de toque. Por otro lado el modelo propuesto por De Santis [21]y Barchansky [22] expuesto en la figura 4 y basado en mediciones reales,replantea el modelo IEC con el fin de cubrir una amplia gama de frecuencias que


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Figura 4. Red propuesta por De Santis & Barchansky

Fuente: De Santis & Beeckman [21]

2.1.5 Las corrientes Let-Go

La Comisin elctrica internacional (IEC) ha definido tres lmites de tolerancia acorrientes de toque o de fuga a 50Hz o 60Hz [19].

Lmite para evitar percepcin y reaccin: 0.5mA Lmite para prevenir ihanilidad (corriente Let-go): 5mA Lmite para prevenir quemaduras elctricas: 500mA


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2.2 ARMAS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA (CEW)

Las armas de conductividad elctrica son dispositivos que usan corriente elctricapara interrumpir voluntariamente el control de los msculos causandoIncapacitacin neuromuscular [23]. La empresa TASER International, ha sidopionera y lder en el desarrollo de las principales CEW empleadas por las policasdel mundo y sus productos aunque diferenciados por sus respectivos modelos, sehan estandarizado bajo el nombre de la empresa.

Jack Cover, un investigador de la NASA, comenz el desarrollo del TASER en1969 bajo el proyecto de desarrollo de armas no letales que el presidente Johnsonsolicit a travs de una comisin. Cover, cuya investigacin llev a cabo entre1966 y 1974, descubri que los pulsos de alta tensin y de muy corta duracin,apenas uno microsegundos, no eran perjudiciales pero tenan un gran efectofisiolgico y psicolgico sobre seres humanos y animales [1].

Con los estudios realizados se desarroll en 1974 el primer Taser, de 7 vatios depotencia, y desde entonces los oficiales de polica en un gran nmero de paseshan usado armas de conduccin elctrica (CEW) con niveles variados deefectividad para el control de individuos violentos, quienes se resisten al arresto oa la ayuda. Los productos TASER son las CEW ms ampliamente utilizadas.Desde el modelo original de 7 vatios (mnimamente efectivas como arma quecausa dolor) producido en el ao de 1974, hasta el modelo de 26 vatios M26producido en el ao 1996 (muy efectivo como herramienta de incapacitacinmuscular). En la actualidad el arma ms utilizada es el modelo de 7 vatios X-26,

producido en 2003 con una forma de onda ms efectiva que sus predecesoras[24].

Aunque son las armas ms utilizadas, los equipos TASER no son los nicos en el


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Figura 5. Onda Ring Wave

Fuente: IEC61000-4-12 [25]

Las normas mencionadas anteriormente, aunque no se refieren especficamente alas consideraciones en la construccin de armas CEW, si relacionan lasimplicaciones de las variables elctricas involucradas en ese tipo de ondas,

particularmente la onda de anillo Ring Wave, la cual se presenta muycomnmente en equipos domsticos e industriales.

A continuacin se exponen las principales tecnologas empleadas en las armas deconduccin elctrica.

2.2.1 Tecnologas de fabricacin

Desde su aparicin a mediados de los aos setenta, las armas de conduccinelctrica han experimentado importantes cambios. Las primeras versiones deestos dispositivos tenan como propsito aplicar altos niveles de voltaje al

i t d l i l i d i t f i t bl id


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miliamperios [28]. El primer medio ciclo de la onda amortiguada de 50KHz de la

M26 es el responsable de efecto de contraccin muscular, aunque el voltaje inicialdisponible entre sondas es de 50000 voltios, el arma aplica un rango de voltajesque vara entre 3000 y 5000 V [29]. La figura 6 muestra la forma de onda de laM26.

Figura 6. Forma de onda de la M26

Fuente: Sweeney James [29]

2.2.1.2 X26

La X26, tambin producida por TASER, fue lanzada en 2003, esta forma de ondacorresponde a una optimizacin de la versin M26. La X26 reduce la amplitud decorriente y voltaje efectivos aplicados al cuerpo e integra una componente unipolarque aumenta la cantidad de carga efectiva aplicada al cuerpo humano, los pulsosagudos aplicados aumentan el efecto de contraccin muscular reduciendo eltiempo de exposicin [20], como se aprecia en la figura 7.

Figura 7 Forma de onda X26


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M26 se desarrolla una descarga de 19 pulsos en un intervalo de 5 segundos en

los cuales se aplica al organismo una corriente promedio de 2.1 miliamperios [28].Figura 8. Dispositivo X26

Fuente:www.taser.com

El pulso de la X26, figura 7, es generado internamente por la carga de 3condensadores diferentes a partir de una batera, cuando se alcanza el voltaje

umbral, la descarga de gas de un pequeo tubo ioniza y conduce la corrientedesde los capacitores hacia las terminales de salida. Los tres capacitoresproducen diferentes constantes de tiempo.

La constante de tiempo ms rpida produce un pulso rpido de 5nS diseadoaparentemente para producir un arco de plasma usado para conducir a travs dela ropa, en los casos en que el contacto con la piel no puede garantizarse. Losotros dos capacitores generan frecuencias de 100 KHz y 10 KHz [20].

Los parmetros utilizados para describir una CEW, y particularmente una ondaX26 de acuerdo con la figura 9 son:

V lt j i (PV) Pi d lt j d l f i i l l
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Figura 9. Parmetros en una onda X26

Fuente: Dawson David [30]

El parmetro de carga neta (NC) se relaciona especficamente con la onda delTaser X26, puesto que esta requiere una definicin de un primer pulso de bajadael cual puede no existir para otros dispositivos CEW. Otro parmetro importante es

la frecuencia de repeticin del pulso (PRF), la cual es calculada a partir del tiempointerpulso como:

PRF = 1media(IPT)El cual puede ser calculado como sigue:

Pulsos 1Tiempo total del pulso=Numero de IPTsuma(IPT) = 1promedio(IPT)En la tabla 1 se muestran los parmetros de la onda X26 definidos por elf b i t t l f bt id tili d d 600 h i


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de muy poca informacin relacionada con su funcionamiento, quizs debido su

poco impacto en el mercado. Sobre el M18, se conoce que dispara entre 13 y 14pulsos por segundo con una potencia de salida de 24.64 vatios, la duracin de ladescarga a igual que los dispositivos actuales es de 5 seg [31]. El dispositivo X3,corresponde a un arma Taser X26 que cuenta con tres cartuchos que pueden serdisparados secuencialmente.

2.2.1.4 S-200

Desarrollada por la empresa Stinger Systems, el S-200 es un arma deelectroconduccin que produce una onda compuesta por pulsos de corriente deduracin mnima y reduccin progresiva de amplitud (Figura 10). Este dispositivogenera en las sondas de impacto un voltaje mximo sin carga de 63 kilovoltios,con una duracin de pulso de entre 200 y 300 microsegundos, y una tasa derepeticin de cerca de 32 pulsos por segundo, en un tiempo mximo de 4

segundos. Este dispositivo aplica un voltaje efectivo a la carga de 1300 voltios,con un corriente promedio de 5 miliamperios y una energa en el capacitorprincipal de 0.6 julios [32].

Figura 10. Forma de onda S-200


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impacta el objetivo con cuatro puntas que se insertan en la superficie conductora,

la estructura posterior libera y expone una serie de agujas afiladas llamadassondas Cholla figura 12. [10].

Figura 11. Dardo XREP

Fuente:www.technovelgy.com

El dardo XREP desarrolla y aplica al objetivo una serie de pulsos elctricos con un

voltaje pico de 500 V y una corriente promedio de 1.3 miliamperios durante unintervalo de tiempo de 20 segundos, de acuerdo con el fabricante, el alto voltajeencontrado en la X26 (50000 voltios), no es necesario debido al contacto directocon la piel esperado en la descarga [10].

Figura 12. Agujas desplegadas en el XREP
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Tabla 2. Tecnologas CEW

Tecnologa Voltaje(V)

Corriente(mA)

Potencia(W)

Tipo deDisparo

Ao Tiempo dedescarga

Alcance

Primer TASER N.D N.D 7 PlvoraNegra

1974 N.D 10 pies

Stun Gun 200.000 3 a 60 20 Contactodirecto

N.D Hasta 10 min N.D

TASER 34000(Air TASER)

N.D* N.D N.D Nitrgenocomprimido

1994 sincronizacinde los pulsos deenerga 30 seg

15 pies

TASER M26 50.000 10 26 Nitrgenocomprimido

1996 5 segundos 4.5 m

TASER X26 50.000 2.1 5.2 Nitrgenocomprimido

2003 Pulsos agudos 5seg

11 m

TASER X3 50.000 2.1 5.2 Nitrgenocomprimido

2009 Pulsos agudos N.D

TASER C2 50.000 2 5 Nitrgenocomprimido

2008 20 segundos 4.5 m

STINGERS-200

60.000 5 9.5 Nitrgenocomprimido

2006 22 pul/s300 a 400 uSduracin porpulso descargasde 4 seg

22 pies

TASER X12

(XREP)

500 1.3 N.D Disparo de

escopeta

2010 20 segundos 30 m

*Informacin no disponibleFuente: El autor

2.2.2 Aspectos mdicos

En aos recientes, los dispositivos de conduccin elctrica CEW han pasado deser definidos como armas no letales, a ser reconocidos como armas baja letalidad.La razn para esta nueva denominacin, son los notables casos de lesiones ymuertes en los que se han visto involucrados estos dispositivos. La investigacinde estos casos lleva rpidamente a encontrar situaciones como el impacto cerca


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2.2.2.1 Fibrilacin ventricular

En el caso de las descargas controladas, como las producidas por las armas deconduccin elctrica o los procedimientos de reanimacin mdica, el fenmenocon mayor riesgo para un organismo vivo es la fibrilacin ventricular, en la cual seproduce una activacin rpida y desorganizada de los ventrculos producto de unacontraccin incontrolable de las fibras musculares que rodean al corazn [34]. Talcontraccin es producida por el elevado nivel de carga elctrica aplicada alorganismo y su exceso se constituye en un factor determinante en la aparicin deuna fibrilacin ventricular.

Segn Dawson [20], el riesgo de fibrilacin ventricular puede ser definido para trestipos de corriente pulsante, pulsos rectangulares, impulsos senoidales y descargasde capacitor, en el caso de los pulsos rectangulares, la energa necesaria paraproducir una fibrilacin (Fe) y la carga elctrica necesaria para producir fibrilacin(Fq) estn definidas respectivamente como:

= =

La probabilidad de inducir una fibrilacin ventricular es en gran parte una funcinde Fq. Mediante ajuste de la curva de riesgo de fibrilacin, se calcula el umbral

como: ()= (1) .D d l i d l l ili d


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Segn Panescu [26], investigaciones realizadas por Sun y Abdallah [36],demuestran que la densidad de corriente puede ser estimada en funcin de lacorriente mediante la expresin:

= (1 + )En donde I es la densidad de corriente, IRhes la rheobase, ces la cronaxia y desla duracin del pulso.

2.2.3 Parmetros de las CEWLas armas de conduccin elctrica aplican cantidades limitadas de energa alcuerpo humano en cada descarga, estos lmites impiden que se produzcan efectosde electroporacin de las clulas, el riesgo al que se expone el cuerpo humano esfundamentalmente la fibrilacin ventricular, la cual segn las investigacionescitadas anteriormente, puede tener origen en dos factores, un exceso de cargaelctrica aplicada al cuerpo o un aumento incontrolado de la densidad de corriente

elctrica, no obstante ste ltimo fenmeno, varia con la distancia de separacinde las sondas de impacto en las CEW, siendo el dardo XREP el que mejorescaractersticas ofrece.

La carga elctrica entregada por pulso es considerado el parmetro msimportante en el diseo de las CEW, se ha estimado que un pulso de 64uC es elmnimo requerido para alcanzar suficiente control muscular en un humano paralograr la cada necesaria. Un pulso con una carga de 20.000uC puede causar

fibrilacin ventricular [24], investigaciones realizadas en cerdos, indican que unacarga de 72uC no puede causar una interrupcin del ritmo cardiaco (Cardiaccapture) en un cerdo de 20 Kgr aun en contacto directo con el corazn [37].


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modelos con impedancia fija, como cargas resistivas o modelos salinos, en dondeno se toma en cuenta impactos en condiciones que afecten el modelo, comopresencia de sustancias y condiciones cardiacas anormales.

Los parmetros indicados en el literal 4.2.1.4 son los nicos disponibles en laliteratura cientfica con respecto a estudios realizados con el dispositivo S-200producido por la empresa Stinger Systems. No obstante Charlie Mesloh et all [15],del Instituto de Investigaciones en Armas y Equipos en la Universidad de Florida,realiza un reporte dirigido al Instituto Nacional de Justicia de los Estados Unidos,en donde realiza una comparacin de las armas Taser X26 y Stinger S-200.Mesloh y su grupo de trabajo, realizan un anlisis del funcionamiento de los dosdispositivos, comparando caractersticas como alcance, tamao y efectividad. Enrespuesta al anlisis realizado, el presidente de Stinger Systems Rober F. Gruder,mediante carta dirigida al Instituto Nacional de Justicia en Febrero de 2008, anexaen [15], realiza una aclaracin con respecto a algunos parmetros defuncionamiento del dispositivo, ellos son:

Tabla 3. Parmetros S-200

Caracterstica Valor

Forma de onda Serie de pulsos complejosDuracin del pulso 200 uS

Activacin de disparo Programable y manual hasta 4 segundosVoltaje de arco pico 56000 VVoltaje pico en la carga 1100 VCorriente DC 2.3 mA promedioEnerga por pulso capacitor principal 0.87 J

Energa por pulso entregada a la carga 0.043 JPotencia entregada a la carga 0.94 W

Fuente: Mesloh et all.


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entre los efectos en fibrilacin ventricular entre cambios de polaridad, de maneraque estas ondas bipolares no aumentan el riesgo de estas armas.

En consecuencia se ha consolidado un resumen de los parmetros defuncionamiento de las dos tecnologas X26 y S-200, bajo el entendimiento de quelas dos poseen caractersticas ideales para el control neuromuscular, estosparmetros se exponen en la tabla 4.

Tabla 4. Comparacin de parmetros X26 y S-200

Tec PARAMETROS DEL FABRICANTE

X26

Iprom P(w) Vpnl(V) NC(uC) PRF T(s) Fmax Vpl (V) PC(A)2.1mA 5.2 50.000 85125

Typ 102+/-816.520Typ 19

5 100Khz 14002520(600)Typ 1200

2.34.2

CF(uC) PD(s) IPT(ms) Ea/p(J) Ed/p(J) Pd(W)108-123Typ:111

105-155 49-62Typ 54

0.36 0.07 1.3

S-

200

Iprom P(w) Vpnl(V) NC(uC) GPPS T(s) Fmax Vpl (V) PC(A)2.3mA 5.2 56.000 92 22 4 100Khz Typ:1100

(500)2.2

CF(uC) PD(s) IPT(ms) Ecp(J) EL/GP(J) PL(W)92 Typ: 200 45ms 0.87 0.043 0.94

Fuente: Recopilacin autor

Iprom = Corriente promedio en DC (sobre el tiempo total)P(w) = potencia consumida en vatiosVpnl(V) = Voltaje pico sin carga (arco)Q(uC) = Carga por pulso

PRF = frecuencia de repeticin del pulsoT = tiempo total de aplicacin de la descargaFmax = frecuencia ms alta dentro de la seal


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2.3 ASPECTOS LEGALES

El uso de las CEW en el contexto de polticas de control civil ms humanas, hapermitido a las agencias de aplicacin de la ley usar tecnologas que les permitendetener confrontaciones que de otra manera terminaran en la aplicacin de fuerzaletal. TASER International se ha consolidado como la compaa ms reconocidapor producir CEWs para el control del orden, sin embargo otros fabricantes comoStinger han entrado en el mercado y sus armas estn siendo utilizadas poralgunos departamentos [24].

2.3.1 Normatividad internacional

Segn la compaa TASER [11], ms de 150.000 cuerpos oficiales en el mundoutilizan como parte de su armamento armas no letales tipo TASERpara el controlde la delincuencia comn y organizada. Diferentes pases en el mundo hanavanzado en la reglamentacin sobre el uso de estas, sin embargo modelosimplantados por algunos estados de pases como Australia, reino Unido y Estados

Unidos, han impulsado la adopcin de polticas propias en otras naciones.

En el caso del servicio de polica de Queensland (QPS) y la comisin de crmenesy malas conductas (CMC), se define la poltica de uso del TASER, la cual en suartculo 14.23 realiza recomendaciones particulares sobre el manejo de estosdispositivos. Estas recomendaciones incluyen: quienes pueden utilizar el TASER,el uso, el disparo, precauciones del uso en sujetos con aparente estado deenfermedad mental, precauciones para evitar danos en los ojos o en la cabeza,

lugares de uso y condiciones generales de seguridad [38].En el Reino Unido, las armas TASER son consideradas como "armas prohibidas"en virtud de la Ley de Armas de Fuego de 1968 y su posesin es un delito La


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encuentra disponible para la compra de armas TASER individuales, el cual est adisposicin de los agentes de polica que ocupan posiciones especiales.

En Estados Unidos los dispositivos TASER no son considerados armas de fuegopor el gobierno de los Estados Unidos. Se pueden adquirir legalmente sin permisoen 43 estados. Estn prohibidos para el uso ciudadano en el Distrito de Columbia,Hawaii, Massachusetts, Nueva York y Rhode Island, as como en algunasciudades y condados. Su uso en Connecticut, Illinois y Wisconsin es legal conrestricciones.

El Departamento de justicia de los Estados Unidos en su anlisis del uso de armaspoco letales del ao 2009 indica que organismos como la oficina de alcohol,tabaco y armas de fuego y explosivos (ATF), y el servicio de Marshals de losEstados unidos (USMS) y la oficina federal de prisiones (BOP) han aprobado eluso del TASER desde mediados del ao 2006. Aunque los miembros deldepartamento de justicia han establecido polticas para el uso de armas menosletales por parte de su personal, solo la ATF ordena que los miembros estatales ylocales de sus fuerzas de tarea acaten estas polticas, incluyendo las polticas deuso de TASER definidas por ATF. La USMS a travs de memorandos dirigidos aagencias estatales y locales, permite a sus oficiales seguir las polticas de suspropias agencias. Otras agencias como el FBI y la DEA siguen sus propiaspolticas aunque reportan un bajo uso de estas armas [39].

En otros pases como Brasil, Canad, Francia, Alemania, Grecia, China, Islandia,Irlanda, Israel, Malasia, Nueva Zelanda, los dispositivos de electroconduccintambin son empleados por sus cuerpos de polica. La compra, posesin y uso deun arma de electrochoques (Tasersy Stunt Guns) es restringido para los civiles,as como su importacin, la cual no puede ser realizada sin un permiso previo. Losorganismos de seguridad emplean estos dispositivos principalmente para grupos


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2.3.2 Normatividad en Colombia

La polica colombiana reglamenta el uso de equipos TASER por medio de laresolucin 02686 del 31 de julio de 2012 y realiza recomendaciones para suutilizacin a travs de los criterios para el empleo de armas no letales, emanadosdel grupo de doctrina y servicio de la polica nacional en Julio de 2009. En elapartado de dispositivos no letales aptos para uso en operaciones especiales,expone la viabilidad del uso de dispositivos de control elctrico que generanparlisis muscular, como un recurso alterno previo al uso de las armas de fuego,

evitando de esta manera el empleo de fuerza con capacidad letal.De la misma forma que en la normatividad norteamericana, los criterios de lasautoridades colombianas sealan que en el uso de estos dispositivos debenconsiderarse factores de salud o anormalidad fisiolgica no visibles o detectablesdel sujeto destinado a recibir el efecto elctrico y las mismas condiciones fsicaspropias de los diversos grupos tnicos que componen la dismil poblacincolombiana, incomparablemente ms lbiles, frgiles y endebles que aquellosarios y anglosajones que en medios de comunicacin y videos de demostracin,se ven caer convulsionantes al recibo de dicha carga inica (Criterios, 2009).

As mismo, la normatividad Colombiana establece las unidades policiales quepueden utilizar este tipo de armamento, entre ellos estn, los escuadrones mvilesantidisturbios (ESMAD), el comando de operaciones especiales (COPES), losgrupos GAULA y los grupos de operaciones especiales (GOES). Dentro de lasarmas elctricas reconocidas por la polica nacional de Colombia, se encuentranlas armas de electrochoque TASER, espada paralizante, armas elctricasinalmbricas como el Close Quarters Shock Rifle y las armas de plasma inducidaspor lser [41].


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privada, as mismo, son tambin consideradas como medios tecnolgicos para ladefensa personal [42].

La polica Colombiana ha expresado su preocupacin respecto al uso de estasarmas, tomando como referencia las fatalidades ocurridas en personas concaractersticas antropomtricas sustancialmente diferentes a las de la poblacinColombiana, un hecho que puede llegar a limitar la introduccin de estasherramientas en el pas.

Existen dos formas a travs de las cuales la superintendencia de vigilancia y

seguridad privada ejerce control sobre este tipo de artefactos:

Sobre los fabricantes, comerciantes e importadores:

De conformidad con la circular externa conjunta No 06 del 29 de Enero de2008, suscrita por la SVSP con el ministerio de comercio, industria yturismo, y segn lo establecido por el artculo 53 del decreto ley 356 de1994, las personas naturales o jurdicas que importen estos equipos deben

registrarse y solicitar ante la SVSP uno de los siguientes documentos:

1. Resolucin de inscripcin como productor y comerciante: Cuando serealizan importaciones permanentes de equipos tecnolgicos para lavigilancia y seguridad privada con el fin de ser comercializados conterceros.

2. Certificacin de autorizacin: Cuando se realizan importacionesespordicas de equipos tecnolgicos para ser utilizados en instalaciones

del importador3. Autorizacin: Requerida para la importacin de equipos, bienes,

productos o automotores blindados.


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En el caso de la onda X26, segn lo indica Panescu et all. [37], la presencia dedos semiciclos consecutivos de polaridad opuesta ocasiona un fenmeno deaturdimiento con poca exposicin a riesgo, mientras que el componente unipolarpermite la aplicacin de una cantidad de carga neta necesaria para producir elfenmeno de contraccin muscular responsable principal de la inhabilitacin en lacapacidad de respuesta muscular del cuerpo.

En lo que respecta a la onda S-200, su estructura presenta coherencia con lasafirmaciones de Kouwenhoven [16], quien concluye que las ondas cuadradas orectangulares son casi tan efectivas como las exponenciales, las cuales sonconsideradas las ms efectivas, con la ventaja de que pueden ser generadas ycontroladas ms fcilmente. La exposicin del cuerpo humano a intervalosdiscretos de carga elctrica cuantizada, en un tiempo total de descargaampliamente distribuido puede reducir los riesgos de causar fenmenos asociadosal exceso de densidad de carga expresado por Sutherland [35].


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3. METODOLOGIA Y DISEO CONCEPTUAL

3.1 ESPECIFICACIONES

Las conclusiones aportadas por el anlisis del componente documental, indicanque las ondas X26 y S-200 presentan las caractersticas ms apropiadas para laproduccin del fenmeno de disrupcin neuromuscular. Los niveles de tensin deestas seales pueden oscilar entre 1100 y 1400 voltios, con un valor tpico de1200 en la X26 y 1100 en la S200, sin embargo, la documentacin evidencia que

el dardo XREP emplea niveles de tensin mxima de 500 voltios, esta condicinpermite establecer un rango de niveles de tensin para el dispositivo desarrolladode 500 a 1400V, siendo optimizado el diseo para 1200V.

En cuanto a la corriente, la tabla 4 indica que el nivel mximo para la onda X26puede oscilar entre 2.3 y 4.2 amperios, mientras que la onda S-200 es de 2.2amperios, sus niveles promedio son muy cercanos en un rango de 2.1mA a2.3mA. El valor de potencia requerida segn la tabla 4, es de 5.2 vatios en las dos

seales, mientras que la potencia disponible en la carga debe ser de 1.3 vatios enla X26 y de 0.94 en la S-200.

La tarjeta propuesta ser alimentada por una fuente de 24 voltios dc y mnimo 1amperio, conectada a travs de borneras a la tarjeta. Las seales de salida sedispondrn en borneras o conectores tipo coaxial. El usuario podr seleccionar eltipo de seal y los parmetros de amplitud de tensin mxima y tiempo deduracin de la prueba utilizando interruptores y perillas de ajuste. La confirmacin

de los parmetros de configuracin seleccionados y el estado del proceso sernindicados por medio de una pantalla LCD. En la tabla 5 se resumen lasespecificaciones de la tarjeta propuesta.


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Las pruebas de funcionamiento de la tarjeta sern realizadas de una parteutilizando cargas resistivas como lo sugiere la documentacin de la onda X26, conuna carga tpica de 600 ohmios, con el fin de verificar la aproximacin de la formabsica de la seal, por otro lado la documentacin sobre la onda S200, ilustradaen la figura 10, sugiere que esta forma de onda es el resultado de su aplicacinsobre una carga humana, de manera que se realizar la verificacin utilizando unmodelo resistivo capacitivo como el definido por la IEC60990, el cual tambinpuede ser empleado para verificar la X26.

3.2 METODOLOGIA

La propuesta planteada se enmarca en una investigacin aplicada, por cuanto sebusca dar utilidad a una serie de conocimientos tcnicos y cientficos aplicados ala construccin de un dispositivo electrnico, brindando solucin a unaproblemtica desde la consolidacin de un desarrollo tecnolgico.

En lo relacionado con el alcance, se desarrolla una investigacin de tipo

exploratorio, en razn a que se cuenta con muy poca informacin acerca deparmetros elctricos y estructura tecnolgica de los dispositivos analizados y porende se requiere la realizacin de numerosas pruebas. Adicionalmente, el estudiode los fenmenos aqu descritos y el desarrollo de la aplicacin propuesta,permitir la formulacin de investigaciones ms rigurosas.

3.2.1 Hiptesis

Los dispositivos de electroconduccin y disrupcin neuromuscular, tambinllamados CEW, son herramientas tecnolgicas desarrolladas en pasesindustrializados bajo parmetros de potencia y carga elctrica definidos mediante


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3.2.3 Indicadores

La identificacin de caractersticas de las seales CEW y el propio estudio de losefectos de las variables elctricas en el cuerpo humano tiene como propsito laconceptualizacin acerca de la efectividad de las formas de onda usadas por lasCEW y consolidacin del grupo de variables caractersticas de las seales quemuestran mayor eficacia. Como indicadores de este propsito, se definen laelaboracin de un cuadro resumen y clasificador de las variables identificadas enforma terica y su verificacin mediante el uso de herramientas de apoyotecnolgico.

El desarrollo aplicado propuesto, en el cual se busca comprender lasoportunidades y limitaciones tecnolgicas existentes para el desarrollo de equiposgeneradores de ondas CEW, presenta como indicadores de cumplimiento laelaboracin de estudios de comportamiento de dispositivos electrnicos yconfiguraciones de trabajo, evaluando y resumiendo mediante cuadroscomparativos, esquemas electrnicos y la elaboracin de un prototipo final,mediante el cual se puede conceptualizar acerca de la posibilidad deimplementacin de las formas de onda identificadas.

3.2.4 Metodologa de trabajo

El desarrollo del trabajo comienza con el proceso de investigacin documental enel cual se busca recopilar y procesar la informacin necesaria para orientar eldesarrollo tecnolgico propuesto y el cual se enmarca en el primer objetivo

especfico. Dada la naturaleza del tema tratado, las fuentes de informacincorresponden particularmente a artculos de revistas especializadas y artculos deconferencia, principalmente disponibles en las bases de datos IEEE y losmateriales publicados por los fabricantes de dispositivos CEW por lo cual es


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destruidos, defectuosos o no encontrados e incluso aspectos logsticos de trabajo,facilitando as la continuidad del proceso global.

Figura 13. Esquema metodologa de trabajo

PROBLEMA

DE

INVESTIGACION

INVESTIGACION

DOCUMENTAL

ANLISIS Y

EVALUACIN

ESPECIFICACIONES

CRITERIOS DE DISEO

DISEO CONCEPTUAL

DEFINICIN DE ETAPAS

ESCOGER TOPOLOGA

DISEO DE ETAPA

IMPLEMENTACION DE

LA ETAPA

PRUEBA DE LAETAPA

ETAPA

AJUSTE DE

ETAPAS

ETAPAS

COMPATIBLES?

NO

SI

NO


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La verificacin de funcionamiento de todas las etapas conduce al desarrollo delproceso de integracin, en el cual se busca interconectar las etapas construidas,primero enfocado al funcionamiento a partir de comandos manuales yposteriormente al control digital del proceso. La existencia de fallas defuncionamiento en esta parte del proceso, puede ser originada por errores en laseleccin de la topologa global o por fallas inducidas en una o ms etapas comoproducto del proceso de acople, en cuyo caso se procede a realizar el ajusterespectivo y la verificacin de funcionamiento.

Finalmente, una vez se observe un comportamiento aceptable del prototipo, seproceder al diseo y elaboracin del PCB o placa de impreso sobre la cual serealizara el respectivo ensamble de componentes y la adecuacin de la estructurade montaje, presentacin y uso del dispositivo propuesto.

3.2.5 Instrumentos

Dentro del proceso documental, es indispensable el uso de instrumentos como

fichas de revisin de literatura, tablas de clasificacin de datos, resmenes yherramientas de simulacin. La fase de desarrollo, implica el uso de equipos demedicin de laboratorio, como voltmetros, ampermetros, osciloscopio, medidoresde inductancia y capacitancia, entre otros, el uso de estos instrumentos secomplementa con el uso de tablas de resultados, esquemas, simulaciones yelementos para construccin de los modelos de prueba y el equipo final.

3.3 ARQUITECTURA

3.3.1 Onda X26


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Como primera medida se define la etapa de conversin dc-dc, en la cual esnecesario proveer un voltaje dc de amplio nivel a partir de una fuente delaboratorio comn, el voltaje a obtener de esta etapa debe ser lo suficientementeamplio para generar seales de una tensin tal que reduzca las dimensiones de laetapa final de amplificacin pero limitado a las capacidades de los dispositivosutilizados en la generacin de la seal.

Una segunda etapa corresponde al generador de onda de anillo [43], el cualproporcionara la seal de oscilacin amortiguada caracterstica de la onda M26,esta etapa se combinar con una tercera etapa de generacin de una onda tipocarga y descarga de condensador, produciendo as la seal X26 en un valoresbajo de tensin. La etapa final de amplificacin permitir producir los niveles detensin y corriente caractersticos de la seal.

3.3.2 Onda S-200

La onda S-220 por otro lado, segn lo sugiere la figura 10, presenta un

componente de descarga de capacitor, marcado por la presencia deconmutaciones de la seal de descarga a intervalos de tiempo no uniformes. Estascaractersticas pueden ser logradas por medio de una etapa de carga y descargade condensador combinada con una etapa de conmutacin en baja tensin yfinalmente una etapa de amplificacin como se ilustra en la figura 15.

Figura 15. Arquitectura propuesta onda S-200

CARGA Y

DESCARGA RC AMPLIFICACIN

CONVERSIN

DC-DC

SEAL DE

SALIDACONMUTACIN

TENSIN DE

ALIMENTACIN

Fuente: El autor


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con el fin de realizar una simulacin de cada forma de onda y verificar algunasmagnitudes encontradas en el proceso documental.

3.4.1 Topologa X26

Un esquema general usando elementos matemticos se muestra en la figura 16,en el cual se ha simulado una onda de anillo a partir de la multiplicacin de unaseal senoidal de 100KHz y una onda de descarga de un capacitor C2. Elresultado se ha adicionado con otra descarga de capacitor con un intervalo de

tiempo mayor C1, y la verificacin de la seal se ha realizado sobre el modelo decarga humano definido por la IEC 69990.

Figura 16. Esquema para simulacin de la onda X26

Fuente: El Autor

0

0

0

E3

ESUM

IN1+

IN1-

IN2+

IN2-

OUT+

OUT-

0

U2

45uS

1 2

0

U3

5uS

1 2

U4

5uS

1 2

C20.1u

CMAX

R7

10

R880

V7

70Vdc

U5

5uS

1 2

U1

45uS

1 2

C1

1u

CMAX

R5

8

R6

30

V2

FREQ = 100KHz

VAMPL = -20v

VOFF = 0v

V6

700Vdc

E2

EMULT

IN1+

IN1-

IN2+

IN2-

OUT+

OUT-

R21

1500

R22

500

C10

0.22u

0

V


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El uso de las herramientas matemticas del software permite encontrar la carganeta CF y la energa Ed/p aplicadas por pulso representadas en las expresiones:

= (()) = 81 ; = () = 0.047La realizacin de las pruebas con el modelo de carga humana definido por DeSantis & Barchansky no muestran diferencias significativas.

3.4.2 Topologa S-200

En la figura 18 se muestra el esquema para simulacin de la onda S-200 la cualen esencia corresponde a la descarga de un condensador en intervalos deduracin definidos. Se realiza la prueba inicial utilizando el modelo definido por laIEC69990.

Figura 18. Esquema de simulacin onda S-200 carga IEC

F t El t

R37

450

0

R28

1500

R38

55

0

R29

500

C15

0.22u

R27

10M

TX3

ELEVADORU8

17.9uS

1 2

U18

182uS

1 2

U19

200uS

1 2

U10

38.5uS

1 2

U11

53.8uS

1 2

U12

76.9uS

1 2

U13

92.3uS

1 2

U14

0uS

1 2

U15

7.7uS

1 2

0

0

U7

10uS

1 2

C3

1u

CMAX

R11

2

V10

1000Vdc

U16

123uS

1 2

U17

141uS

1 2

U9

28.2uS

1 2


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Para estas seales, la carga neta y la energa por pulso corresponden a:

= (()) = 91 ; = () = 0.077Resulta evidente que la grfica de voltaje difiere en algunos aspectos de la sealde la figura 10, por lo cual es necesario realizar la verificacin empleando elmodelo definido por De Santis & Barchansky, el cual se incluye en la figura 20. Losresultados se aprecian en la figura 21.

Figura 20. Esquema de simulacin onda S-200 carga De Santis

Fuente: El autor

V

R37

450

0

0

R21

14.4K

C10

4.63u

R38

55

0

R23

1.55K

C11

0.875u

R24

281.6

C12

0.65u

R25

209.7

C13

29.57n

R26

316.3

C14

19.71p

R27

10M

TX3

ELEVADORU8

17.9uS

1 2

U18

182uS

1 2U19

200uS

1 2

U10

38.5uS

1 2U11

53.8uS

1 2

U12

76.9uS

1 2U13

92.3uS

1 2

R22

61.2

U14

0uS

1 2U15

7.7uS

1 2

0

U7

10uS

1 2

C3

1u

CMAX

R11

2

V10

1000Vdc

U16

123uS

1 2U17

141uS

1 2

U9

28.2uS

1 2


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= (()) = 92

;

= ()

= 0.073

Es notable la diferencia en la respuesta de la forma del onda S-200 frente almodelo de carga IEC69990 y frente al modelo propuesto por De Santis yBarchansky [22], el uso de ste ltimo permite una mejor aproximacin a la formade onda S-200 presentada en la figura 10, al incluir el efecto de almacenamientode energa en el cuerpo humano y la caracterstica de eliminacin decomponentes de alta frecuencia propios de la conmutacin.

Los resultados encontrados mediante el proceso de simulacin permiten definiruna primera aproximacin a las topologas para generacin de las seales X26 yS-200, al mismo tiempo que facilitan la verificacin de algunos parmetrosencontrados durante la fase documental, particularmente los resultados de carga yenerga presentan cifras muy cercanas a las documentadas para los dos tipos deonda y resumidos en el tabla 4.

3.4.3 Consideraciones para implementacin

Existen elementos comunes en la arquitectura propuesta para las ondas X26 y S-200, uno de ellos es la necesidad de una etapa de conversin de la tensin dealimentacin, esta etapa puede ser implementada utilizando un convertidor inversoo tambin denominado BOOST. El segundo elemento comn es la presencia deetapas de carga y descarga RC, los circuitos representados en las figuras 16 y 18ofrecen una buena aproximacin a la estructura de la etapa de carga, sinembargo, en el proceso de descarga es importante considerar que en la

conmutacin de un dispositivo semiconductor es deseable contar con un punto dereferencia fijo, lo cual no ocurre con la tensin del condensador, por lo cual sernecesario reubicar el dispositivo interruptor.


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ajustes en el valor de este elemento son parte del proceso iterativo de pruebaindicado en la figura 13.

3.4.3.2 Topologa S-200La figura 18, presenta una buena aproximacin a la estructura general de estegenerador, un dispositivo semiconductor de potencia actuando como interruptorpuede ser empleado para definir los tiempos de activacin y desactivacinmediante el comando de un dispositivo programable como un microcontrolador, eneste caso, parmetros como la resistencia de encendido, el factor / y lostiempos de activacin y desactivacin juegan un papel importante en elfuncionamiento del circuito, de manera que su optimizacin ser el principaldesafo dentro del ciclo de pruebas indicado en la metodologa de trabajo.

3.5 INTEGRACIN Y CONTROL

El proceso de integracin de las etapas inicia una vez verificado el funcionamientoindividual de cada una de ellas. Como primera medida se realiza el acoplamiento

de las etapas directamente requeridas para la produccin de la forma de ondaesperada, es decir las etapas del oscilador de onda de anillo y descarga RC parala X26 y de descarga RC y conmutador para la S-200. Este primer proceso deintegracin puede ser realizado en niveles mnimos de tensin, por lo cual no esrequerida la etapa de conversin dc-dc.

El xito en el proceso de produccin de cada seal en baja tensin permitir laejecucin del siguiente paso en la integracin el cual consiste en la generacin de

las seales a partir de los niveles mximos de tensin dc aportados por elconvertidor Boost. Durante este proceso es posible que se presenten limitacionesen la capacidad de los componentes que obliguen a la revisin en los diseos decada etapa Un resultado exitoso en este proceso permitir la inclusin de la etapa


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convertidor, el cual permitir mantener el nivel de tensin en el valor definido por elusuario para la realizacin de la prueba.

3.6 PRUEBAS FINALES Y RESULTADOS

Los anlisis expuestos por Dawson [20]para la onda X26, sugieren que la formade onda ilustrada en la figura 9 es producto de su aplicacin sobre una cargaresistiva de cerca de 600 ohmios, la aproximacin a la onda X26 realizadamediante simulacin en el presente capitulo, sugiere que no se encuentran

diferencias significativas entre la realizacin de pruebas sobre una cargapuramente resistiva y sobre una carga resistiva capacitiva como las empleadas enel modelo definido por la IEC69990 y el modelo propuesto por De Santis &Barchansky [21].

Por otro lado, las consideraciones aportadas por Mesloh et all [15] acerca de laforma de onda S-200 sugieren que el aspecto de la seal es el producto de laaplicacin sobre una carga humana. El trabajo de simulacin ha demostrado la

aproximacin favorable que realiza el modelo propuesto por De Santis &Barchansky [21], no obstante la prueba puede ser realizada utilizando el modeloIEC69990, sabiendo que el uso del modelo de De Santis ofrecer la mejoraproximacin al aspecto real de la forma de onda.

3.7 CONCLUSIONES DEL CAPITULO

Los ejercicios de simulacin indican que es posible obtener la forma de onda X26

a partir de la adicin de una onda Ring Wave y una seal de carga y descarga RC.La obtencin de la onda S-200 parece resultar bastante simple de implementar,sus caractersticas resultan bastante coherentes con las cualidades ideales de una


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4. DISEO Y DESARROLLO

4.1 CIRCUITO OSCILADOR DE ONDA DE ANILLO

Como se indic en el captulo 3, una de las etapas fundamentales para lageneracin de la onda X26 es el diseo de un circuito oscilador generador de laonda de anillo (Ring Wave) figura 22, la cual corresponde a una oscilacinsenoidal amortiguada. Segn documentacin tcnica de HILO Test fabricante delgenerador de onda de anillo IPG612, este tipo de onda producida a niveles

elevados de tensin puede ser obtenida mediante el uso de una configuracindenominada Tanque LC, cuyo principio de operacin es empleado por un grannmero de topologas para osciladores y en la cual un condensador es cargado aun voltaje determinado y despus acoplado a un inductor para producir unaoscilacin a partir de la transferencia de energa entre los dos elementos.

Figura 22. Onda Ring Wave

Fuente: IEC145305


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Figura 23. Tanque LC

Fuente: El autor

La frecuencia de oscilacin de un circuito tanque LC est dada por la expresin:

= 12

1 + En donde Q corresponde al factor de calidad del oscilador, este parmetrorepresenta la relacin entre la energa que se almacena y la energa que se disipa,de manera que un valor Q elevado indica una baja perdida de energa en relacincon la energa almacenada por el resonador [44]. Sin embargo, la mayora de lososciladores utilizan circuitos tanque con un factor de calidad Q elevado, por lo quela frecuencia de resonancia puede ser calculada como indica la siguiente

+

-

L

1

2

C

T1

S1

1

2

VCC

0

+

L

1

2

-

C

VCC

0

S1

1

2

T2


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Un resultado aceptable se obtiene utilizando un condensador de 33nF, para el cualse hace necesaria una inductancia cuyo valor es calculado mediante la expresin:

= 1(2) = 1(2 100 10) 33 10= 76.7En la figura 24 se expone el esquema real para implementacin del oscilador. Adiferencia de la figura 23, se utilizan dos interruptores con el fin de aislar la bobinadurante el proceso de carga del condensador, esto permite disponer de constantesde tiempo diferentes para las etapas de carga y descarga, permitiendo reducir la

punta de corriente de carga mediante la resistencia R1 y el ajuste de la velocidadde disipacin de la onda de anillo mediante la resistencia R2, las cuales sonoptimizadas de forma prctica.

Figura 24. Circuito oscilador LC implementado

Fuente: El autor

A pesar de la simplicidad en el diseo, el anterior circuito presenta una importantelimitacin el uso de un valor de capacitancia tan pequeo implica el

IRF540

C1

33n/400V

R1

5.6k

0

FQPF15P12

R215

L1

76uH

1 2

0

60Vdc

0

OUT


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Figura 25. Configuracin Push-Pull

Fuente: Malvino [44]

Con el fin de que el circuito se comporte como un espejo de corriente, se introduceuna red de polarizacin de entrada y de acople para permitir que todos loscomponentes de la seal entrada sean reflejados en la carga, que para el casodebe ser el transformador amplificador. Esta polarizacin se observa en la figura26, sobre la cual se desarrolla el proceso de diseo.

Figura 26. Espejo de corriente onda X26

R1

R2

R2

D1

D2

Q1

Q2

C2

C1

RL

VCC

IN

OUT


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una corriente de colector mxima de 5A. Se elige un valor para R2 y se calcula elvalor de R1 usando el principio del divisor de tensin de forma que el voltaje entrelas bases de los transistores sea 1.2V

1.2 = 226022+21A partir de esta expresin es posible obtener el valor de R1. Un valor demasiadobajo en los valores de resistencia implica un elevado consumo de corriente enrgimen permanente. De manera que la resistencia R1 se ajusta empricamente

hasta el valor ms alto sin causar prdidas en la seal, optimizando su valor en4.7K. Los valores de C1 y C2 se ajustan capacitancias baja y altarespectivamente, el valor bajo permite aislar completamente el componente dc deentrada, mientras que el alto ayuda a reducir la atenuacin de la seal de salida yentregar la totalidad de la potencia del amplificador. Estos valores se optimizan deforma prctica en C1=1.2nF y C2=10uF.

4.3 CARGA Y DESCARGA DE CONDENSADORES

Como se mencion en el captulo 3, el componente DC presente en la onda X26,muestra corresponder a una seal de carga y descarga de condensador, estecomponente es responsable del incremento en la carga neta aplicada al objetivo.En el caso de la onda S-200, su aspecto visual indica que puede ser sintetizada apartir de la descarga de un capacitor, que en este caso debe almacenar toda laenerga a ser aplicada al objetivo durante un tren de pulsos, el control de la

duracin de cada pulso puede ser realizado por medio de dispositivos deconmutacin de alta velocidad.

La configuracin de carga y descarga de capacitor, indicada en la figura 27, es de


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4.3.1 Onda X26

El circuito de carga y descarga RC es utilizado para adicionar el componente DCcaracterstico de la seal y responsable de la cantidad de carga neta final aplicadaal objetivo. Los valores de tiempos de carga y descarga se definen con base en laobservacin de la forma de onda, siendo el primero de aproximadamente 20uS yel segundo de 100uS.

La constante de tiempo de carga se encuentra definida segn Dorf [13], mediante:

= El tiempo de descarga se puede relacionar como: =

Un parmetro buscado en el desarrollo del generador es la reduccin de laspuntas de corriente durante la conmutacin de dispositivos, las cuales puedenafectar el comportamiento del circuito elevador e introducir ruido en la seal

generada. Teniendo en cuenta lo anterior, se busca que el valor de la capacitanciasea el menor posible, manteniendo la capacidad de causar el efecto aditivo sobrela onda de anillo. Las pruebas indican que un condensador de 0.47uF es suficientepara lograr este fin. El valor de la resistencia de carga se obtiene mediante laexpresin:

= =

20 100.4710= 42.5

Un ajuste experimental, define el valor final en 120. El valor de R2 se obtienemediante:


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4.3.2 Onda S-200

El circuito generador de la onda S-200 segn se propone en la figura 18, basa sufuncionamiento en un circuito de descarga por capacitor, a diferencia del circuitoX26, en el S-200 el condensador es el responsable de la aplicacin de toda laenerga al objetivo, de manera que para logar alcanzar los 0.043 Julios indicadosen la tabla 4, es necesaria una capacitancia mnima de:

=2 0.043

60 = 20

Adicionalmente, es necesario, considerar las prdidas de energa en resistencias,transistores, y en el transformador, de manera que se define una capacitancia de150uF y se realiza el ajuste de tiempos de conmutacin y valores de resistencia afin de lograr los niveles de corriente y voltaje requeridos.

Debido a que la caracterstica de la seal indica que solo el periodo descarga delcondensador se refleja en la carga objetivo, es posible distribuir el tiempo de carga

dentro del intervalo de tiempo en que la seal no se aplica al transformadorelevador. Recordando que la S-200 presenta segn la tabla 4, un tiempo total dedescarga de 4 segundos con un ciclo de repeticin de 22 pulsos por segundo yuna duracin por pulso de aproximadamente 200 microsegundos, el periodo de laseal es de 45.4mS, es decir, un tiempo muerto de 45.25mS.

Este tiempo muerto, total o parcialmente puede ser aprovechado para realizar lacarga del condensador. Se decide tomar una cuarta parte del tiempo, es decir,

11mS aproximadamente, con lo cual el valor de la resistencia R1 ser de:

= = 1 1 1 0

150 10= 73


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niveles nicamente positivos en la seal de salida y de cero voltios durante elapagado del transistor, obliga al uso de un diodo volante de alta velocidad antes y

despus del transformador como se indica en la misma figura.

Figura 29. Circuito RC onda S-200

Fuente: El autor

4.4 ELEMENTOS DE CONMUTACIN

Un elemento comn en las topologas analizadas para generacin de las formasde onda X26 y S-200 es la necesidad de dispositivos de conmutacin. En Hart [45]

pg. 3, es posible encontrar una comparacin entre diversos elementossemiconductores para conmutacin, de acuerdo a esta comparacin los elementosque permiten una mayor velocidad de conmutacin son los transistores MOSFET yl t i t d i d i tti SIT

VCC

D1RGP15K

D2RC2

OS-

OS+

C

150u/160V

R1

68

R2

10 TX4

M1

IRF540

S

FQPF15P12

00


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4.4.1 Seleccin de dispositivos

La estructura de los circuitos encargados del almacenamiento inicial de energa enel capacitor principal, tanto para el caso X26 como para el caso S-200, sugiere lanecesidad de emplear un MOSFET canal P, mientras que el proceso de descargadel capacitor, ya sea para alimentar una bobina como en el caso de la X26 o latransferencia de energa hacia el transformador en el caso de las dos ondas puederealizarse mediante conmutacin hacia el terminal de cero voltios, es decir,empleando un MOSFET tipo N.

Tomando en cuenta los niveles de voltaje, corriente, tiempos de respuesta yresistencia de encendido, se han seleccionado dos tipos de MOSFET incrementalcanal N y canal P, sus referencias y caractersticas principales se indican en eltabla 6.

Tabla 6. Dispositivos MOSFET seleccionados

Dispositivo Canal VDSS RDS ID VGS Ton Toff

IRF540 N 100 V 44m 33A 20 V 11nS 39nSFQPF15P12 P -120 V 0.17 -15 A -30 V 15nS 80nSFuente: El autor

4.4.2 Circuitos de disparo

Dado que un MOSFET de tipo incremental es un dispositivo controlado por voltaje,es posible lograr su disparo con facilidad a partir de una seal digital. Sin embargo

es importante considerar que la activacin directa de estos dispositivos con niveleslgicos como el TTL, no garantiza una conmutacin total entre las terminalesdrain-source. De manera que es necesario aplicar tensiones mayores a cinco


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Figura 30. Configuracio

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