CN101711340A - 引爆器点火保护电路 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于引爆器(100)的点火电路(200)，点火电路包括具有第一端子(211)和相对的第二端子(212)的点火器(210)，在第一端子(211)处和点火器(210)串联电连接的第一二极管(225)，以及在第二端子(212)处和点火器(210)串联电连接的第二二极管(230)。第一和第二二极管(225，230)每个具有正极端子(226，231)和负极端子(227，232)，其中第一和第二二极管(225，230)的同类端子电连接到点火器(210)，从而限定最接近点火器(210)的近端端子和在每个各自二极管(225，230)的相对侧的远端端子。能量源(215)和开关(220)互相串联电连接，并且跨远端端子而电连接。足以点着点火器(210)的电流被阻止流过点火器(210)，直到施加等于或者大于第一二极管(225)或者第二二极管(230)的反向击穿电压的点火电压到远端端子上。
Description
技术领域
本发明涉及电的和电子引爆器，并且，更具体地，涉及被保护以防止由于杂散或感应电流、磁场等而引起的无意着火。
1993年1月12日授予J.Keith Hartman等的标题为“Zener DiodeFor Protection Of Semiconductor Explosive Bridge”的美国专利5179248(以下称‘248号专利)公开了通过在形成半导体桥的一部分的导电金属焊盘(land)上连接齐纳二极管来保护半导体桥以防止无意着火。如第3栏第14行以及以后所解释的，半导体桥装置包括空间分开的金属焊盘对，金属焊盘对以欧姆接触布置在掺杂半导体层上，焊盘之间具有空隙。响应于等于或者超过施加于焊盘之间的间隙上的预定水平和持续时间的电压或者电流，在间隙中形成具有足够能量来启动布置在焊盘之间爆炸的等离子体。该用于防止意外放电的装置包括具有正极和负极的齐纳二极管并优选地由该齐纳二极管构成，该正极和负极分别连接到半导体桥装置的第一、第二焊盘。
1994年5月10日授予J.Keith Hartman等的标题为“Zener DiodeFor Protection of Integrated Circuit Explosive Bridge”的美国专利5309841(以下称‘841号专利)，在‘248号专利公开内容上进行了扩展，包括公开了增加与齐纳二极管相并联的能量源和电容器并且把这些元件合并到集成电路中。
如‘248号专利(第6栏第56行到第7栏第7行；图3)和‘841号专利(第7栏第20到39行；图3)所公布，通过用保护性的齐纳二极管进行波形剪裁来完成保护以防止半导体爆炸桥过早着火。
尽管现有的对引爆器装置的保护方案可能适合于它们预想的目的，但在该技术领域仍存在着对能够提供改善的保护以防止能引起无意的引爆器启动的可能的杂散电势状况的改善的保护方案的需要。
发明内容
本发明的实施例包括用于引爆器的点火电路，包括：具有第一端子和相对的第二端子的点火器，在第一端子处和点火器串联电连接的第一二极管，在第二端子处和点火器串联电连接的第二二极管，第一二极管和第二二极管每个具有正极端子和负极端子，其中第一和第二二极管的同类端子电连接到点火器，从而限定了最接近点火器的近端端子和在每个各自的二极管的相对侧的远端端子。能量源和开关相互串联电连接，并且跨远端端子而电连接。足以点着点火器的电流被阻止流过点火器直到等于或者大于第一二极管或者第二二极管的反向击穿电压的点火电压被施加到远端端子上。
附图说明
以下请参考附图，附图用于示例而不用于限定本发明，并且其中类似元件在附图中给以类似的附图标记：
图1在剖面示意图中示出了根据本发明的实施例使用的引爆器壳体。
图2示出了根据本发明的实施例的示例的点火电路的原理图；并且
图3示出了根据本发明的实施例使用的可替代图2中的点火器的点火器。
具体实施方式
如各附图和附加文字所示及说明，本发明的实施例提供了保护方案，用于防止无意地启动可以用于地震探测、石油/天然气井激励或者危险环境下的爆炸的引爆器，并且在接到命令后提供足够的点火电压给点火器而不用很大地增加能量源必须能够提供给引爆器作延时点火的能量的数量。
参考图1，在剖面示意图中示出了示例的引爆器100，它具有：引爆器外壳105，容纳具有输入管脚115和输出管脚120的输入连接器110；保护电路125(以下将参考图2更详细地描述)，具有输入管脚135和输出管脚140的输出连接器130；点火区域145；第一级引爆器装料150；第二级引爆器装料155；以及第三级引爆器装料160。在输入管脚115上接收到计划的点火电压通过输出管脚120传输到保护电路125，计划的点火电压以下面将更详细描述的方式适当地穿过保护电路125以引起以布置在点火区域145中的点火器210(以下参考图2讨论)着火为开始的连锁反应，这将连续引起第一级引爆器装料150着火、第二级引爆器装料155着火，然后第三级引爆器装料160着火。在实施例中，引爆器外壳105是标准的商业引爆器外壳，具有0.25英寸(6.5mm)标称的直径开口，第一级引爆器装料150是重氮基(重氮基二硝基苯酚，通常称为DDNP)，第二级引爆器装料155是松散的PETN(季戊四醇四硝酸酯，也称为季戊炸药)，第三级引爆器装料160是加压的PETN。
以下参考图2，示出了示例的点火电路200，它具有保护电路205，具有第一端子211和第二端子212的点火器210，电能量源215，以及开关220。在实施例中，保护电路205包括：具有正极226和负极227的第一二极管225，具有正极231和负极232的第二二极管230，以及可选电阻235。如所示，第一二极管225和点火器210在第一端子211处以串联电连接，并且第二二极管230和点火器210在相对的第二端子212处以串联电连接，其中第一和第二二极管225、230的同类端子(例如，正极226和231)电气连接到点火器230，从而限定最接近点火器的近端端子和在每个相应的二极管相对侧的远端端子。仍如所示，能量源215和开关220互相以串联电连接，并且第一和第二二极管225、230的远端端子而电气连接。
将图2和图1关联起来，图2中的接触点240、245和图1中的输入管脚115是电学等效的，图2中的接触点250、255和图1中的输出管脚120是电学等效的，图2中的接触点260、265和图1中的输入端子135是电学等效的，图2中的端子211、212和图1中的输出端子140是电学等效的。尽管在图1中没有具体地示出，通过这里公开的说明和图示可以理解，图2所示的能量源215和开关220在图1中连接到引爆器100的管脚115(和图2中的接触点240、245等效)，因而提供了必要的能量、开关装置以及点火电压来给布置在点火区域145中的点火器210点火。在实施例中，能量源215是电池、充电电容器、或者任何其它的适用于本公开目的的能量源，开关220是电子开关装置，或者任何其它的适用于本公开目的的开关装置，其中开关220是独立的组件或者集成在时间延迟模块里。
如上所述，电阻器235可以可选地布置为跨二极管225和230的远端端子而电连接上，并且与串联的能量源215和开关220相并联。电阻器235(当存在的时候)在二极管225和230前面提供了电通路，用于预测试从点火位置(firing station)(未示出)直到保护电路205和点火器210的电连接的完整性，以及用于对电路205保护以防止杂散的静电电压。
根据本发明的实施例，流过点火器210足以点着点火器210的电流一直被阻止直到施加等于或者大于第一二极管225或者第二二极管230的反向击穿电压的点火电压到二极管225、230的远端端子(例如250、255)上。
在实施例中，第一和第二二极管225、230是具有相同的20伏特的反向击穿电压额定值的齐纳二极管，它们被布置使得它们的正极226、231是近端端子(也就是说，正极226、231电连接到点火器210)。在另一实施例中，第一和第二二极管225和230是具有相同的200伏特的反向击穿电压额定值的齐纳二极管。
在实施例中，点火器210是桥丝，被设计用来利用从桥导线延伸的引线对和爆炸装置(例如，第一级引爆器装料150)接触(例如，嵌入到其中)。不过，将会理解可以使用其他适用于本公开目的的其他点火器代替桥丝，诸如半导体桥300，例如一般地如图3所示地，其具有与半导体层315电接触的焊盘305、310，都布置在基底320上，第一级引爆器装料150跨焊盘305、310以及半导体层315而布置。这样的半导体桥300的操作在爆炸引爆器领域是为人熟知的，这里不再进一步讨论。
在实施例中，第一二极管225、第二二极管230、以及可选电阻235都表面安装在电路板上，一般如图2所示的附图标记205和相关联的虚线图框所示。电路板205和表面安装的二极管225、230以及电阻器235(统称为表面安装组件)的组合的尺寸使得可插入穿过由引爆器外壳105的开口所限定的空间中，在实施例中引爆器外壳是一个标准的具有0.25英寸(6.5mm)的标称的直径开口的商业引爆器外壳。当具有表面安装组件的电路板被安放在引爆器外壳内时，介于任何表面安装组件和引爆器外壳的内壁之间的绝缘击穿电压大于第一二极管225和第二二极管230中每个的反向击穿电压。
在开关220闭合(计划点火)后，不但能量源215有足够的能量在远端端子250和255上生成超过第一二极管225或者第二二极管230的反向击穿电压的电压以产生充足的电流来点着点火器210，而且能量源215还有充足的能量来永久性地损坏第一和第二二极管225、230中反向偏置的一个。由于引爆器100是有意自我毁灭性的装置，不需要将二极管225、230设计为通过对其无损害的反向偏置电流。这样，具有反向偏置电流额定值远低于实际流过的电流的二极管对于本公开的目的就完全足够，从而允许小的二极管用于为保护电路205的紧凑设计中。
在实施例中并且在开关220闭合的情况下，能量源215有足够的能量来生成等于或者大于1.1倍的第一二极管225和第二二极管230中任一个的反向击穿电压的点火电压，来点着点火器210。并且，在开关220断开的情况下，第一二极管225和第二二极管230中的每一个具有当比相关联的反向馈进(reverse-fed)二极管的反向击穿电压少的杂散电压出现在远端端子(例如250，255)时足够阻止点火器210点着的反向击穿电压。
虽然本发明实施例已经在这里被描述为使用有二极管225、230以及电阻器235表面安装在其上的电路板205，将会理解为本公开的目的可以使用其他的封装排列，诸如集成地将二极管225、230以及电阻235模制到插头中，其一般地在图2中附图标记205和相关联的虚线图框所示，其中带有集成模制的二极管225、230以及电阻器235的插头205的尺寸使得可插入穿过由标准尺寸0.25英寸(6.5mm)直径引爆器外壳105的开口所限定的空间中。
虽然本发明实施例已经在这里被描述为分别具有连接到点火器210的正极226、231的第一二极管225和第二二极管230，将会理解本发明的范围还包括这样的排列：其中两个二极管都被反向，使得它们的负极227、232联接到点火器210，只要两个二极管朝向同一方向，使得如果无意的低于二极管击穿电压的电压跨电路205的接触点250、255而施加，没有电流流过点火器210。
图2中所示的电路的例子是这样建立的：用20伏特齐纳二极管作二极管225和230，用68千欧电阻器作电阻器235，用Salt Lake City，UtahDyno Nobel公司制造的超级地震(superseismic)引爆器中的标准桥导线作点火器210。
跨接触点240和245而施加不同等级的电压到电路进行了一系列测试。通过250微法的电容器供电(例如，能量源215)来执行所有的测试，该电容器被充电到下表-1中指定的电压，其测试结果列表如下。
表-1
如表-1数据所示，施加低于或者甚至略微超过齐纳二极管的额定值20伏特的测试电压避免了桥丝的点着。例如，19伏特的电压(测试2和3)、19.8和20.5伏特(测试4)、19.5、20以及21.7伏特(测试6)、20、21以及21.7(测试7到10)都不能点着桥丝。另一方面，更显著地超过齐纳二极管的额定值20伏特的电压提供了一致的点着。例如，测试3以及5到8在22伏特时着火。测试10显示在21.7伏特时未点着，在21.9伏特时点着。更显著的高压，如36伏特(测试1)和29.5伏特(测试9)是成功的。测试数据清楚地表明齐纳二极管保护桥导线防止点着的可靠性，即使在21.7伏特电压时仍可靠。
由于二极管225和230朝向相同的方向，如图2所示，也就是说，二极管在它们的正向导通方向面对面，在接触点240、245处跨电路而施加的电压阻止电流流动，直到并且只有电压超过了二极管的击穿电压。一旦击穿电压被超过，电流将流动从而为桥丝供应能量。
如果齐纳二极管用作二极管240、245，它们的击穿电压可以精确地指定并且可以通过使用本行业技术人员很熟知的方法和计算很容易地为二极管保护的引爆器建立具体的全着火/不着火值。如上述讨论，面对面的二极管，例如，面对面的齐纳二极管，和其它电路组件一起，可以很容易地安放在小的板子上或者模制到插头中，其中任何一个将很容易地装配进标准商业引爆器外壳的内径，大约0.25英寸(6.5mm)。所公开的引爆器是抗不超过二极管击穿电压的射频频能量、静电以及任何其它的电力源产生的杂散电流的。
设想在实施例中第一和第二二极管225和230是齐纳二极管，每个具有200伏特的反向击穿电压，将提供对于点火器210防止在输入引脚115上的具有峰值电压约170伏特的标准120伏特AC-rms(交流电有效值)电压的充分保护。通过使用具有200伏特反向击穿电压(设想实施例中的第一和第二二极管225和230)和很小的电流额定值(例如小于2毫安)的齐纳二极管，来自400伏特电容器放电点火系统的4-8焦耳的巨大的能量脉冲将导致二极管225和230的一次性使用，其在传导模式中将失效。既然二极管225和230只需要工作一次，在传导模式中出现失效对于本公开目的来讲是完全可以接受的。适合于本公开目的的商业上能够获得的齐纳二极管的例子是元件代号为1SMB5956BT3G、由Oakley Telecom，LC制造的元件，其在1.9毫安的反向电流时具有标称的200伏特的反向齐纳电压。
在多个装料爆炸系统中单个爆炸装料启动的定时精度必须准确控制以实现期望的矿石和岩石的破碎，并且减小爆炸对爆炸带的外部的结构的影响。单个装料启动的定时精度通过提供所要求的爆炸导致的冲击波的分布来控制爆炸的效力。本发明的实施例提供可以用于准确控制在多个爆炸装料爆炸操作中的单个爆炸装料启动的定时的引爆器。例如，对于引爆器100的电子延时，提供给点火电路200的接触点250和255的测试电压可以安全地提高到恰好低于二极管225和230的击穿电压的水平而不必担心过早点着能量很低的点火器210，从而使得能够与在多个装料爆炸系统中连接的其它引爆器更好的通信。此外，和其它使用以串联连接电阻器来保护点火器的爆炸系统(其将内在地导致点火时在串联连接电阻上的I2R的能量损失)相反，本发明实施例没有这样的能量损失，因而可从能量源215获得更多的能量供爆炸系统的控制，通讯以及电子延时电路使用。
尽管本发明参考所举例的实施例进行说明，那些本领域的技术人员将理解本发明可以做各种变化以及等效物可以替代其元件的，而不脱离本发明的范围。此外，可以做许多改进以调整特定的状况或者材料以适应本发明的教导，而不脱离本发明的基本范围。因此，预想的是，本发明不限于公开的作为最佳的或者只是设想的作为实现本发明的模式的特定的实施例，本发明包括所有的落入到所附的权利要求范围内的实施例。此外，在附图和说明中，公开的本发明的示例性的实施例，尽管可能使用了具体术语，除非另外说明，它们只是在一般性和描述性的意义上使用，并不是为了限定。本发明的范围因而不因其受到限制。而且，词汇第一、第二等的使用不指代任何顺序或者重要性，而是词汇第一、第二等用于区分一个元件和另一个元件。此外，使用词汇“一(a，an)”等不是指数量限制，而是指存在至少一个所称的事物。
Claims (17)
1.一种用于引爆器的点火电路，包括：
具有第一端子和相对的第二端子的点火器；
在所述第一端子处与所述点火器串联电连接的第一二极管；
在所述第二端子处与所述点火器串联电连接的第二二极管；
所述第一二极管和所述第二二极管均具有正极端子和负极端子，其中所述第一二极管和所述第二二极管的同类端子电连接到所述点火器，从而限定最接近于所述点火器的近端端子和在各个相应的二极管的相对侧的远端端子；
能量源和开关，所述能量源和开关相互串联电连接且跨所述远端端子而电连接；
其中足以点着所述点火器的电流被阻止流过所述点火器，直到大于等于所述第一二极管或所述第二二极管的反向击穿电压的点火电压被施加到所述远端端子上。
2.如权利要求1所述的点火电路，其中所述第一二极管和第二二极管是齐纳二极管。
3.如权利要求1所述的点火电路，其中所述第一二极管和第二二极管具有相同的反向击穿电压。
4.如权利要求1所述的点火电路，其中所述第一二极管和第二二极管的正极端子是所述近端端子。
5.如权利要求1所述的点火电路，其中所述点火器包括桥丝。
6.如权利要求1所述的点火电路，其中所述点火器包括半导体桥。
7.如权利要求1所述的点火电路，还包括电阻器，该电阻器跨所述远端端子而电连接且与串联连接的所述能量源和开关并联电连接。
8.如权利要求1所述的点火电路，还包括：
电阻器，该电阻器跨所述远端端子而电连接且与串联连接的所述能量源和开关并联电连接；
其中所述第一二极管和所述第二二极管是具有相同的反向击穿电压的齐纳二极管。
9.如权利要求1所述的点火电路，还包括：
在其上表面安装有所述第一二极管和所述第二二极管的电路板；
其中具有表面安装的二极管的所述电路板的尺寸以使得可插入穿过由标准尺寸的四分之一英寸直径的引爆器外壳的开口所限定的空间。
10.如权利要求9所述的点火电路，其中所述表面安装的二极管与所述引爆器外壳的内壁之间的介质击穿电压大于所述第一二极管和所述第二二极管中每个的反向击穿电压。
11.如权利要求10所述的点火电路，还包括：
电阻器，该电阻器跨所述远端端子而电连接且与串联连接的所述能量源和开关并联电连接；
其中所述电阻器被表面安装在所述电路板上。
12.如权利要求1所述的点火电路，其中在所述开关闭合后所述能量源具有足够的能量以在所述远端端子处产生超过所述第一二极管或所述第二二极管的反向击穿电压的电压，以及产生足够的电流以用于点着所述点火器。
13.如权利要求12所述的点火电路，其中在所述开关闭合后所述能量源还具有足够的能量以永久性地损坏所述第一二极管和所述第二二极管中的反向偏置的一个二极管。
14.如权利要求12所述的点火电路，其中在所述开关被闭合的情况下，所述能量源还具有足够的能量以产生大于等于所述第一二极管和所述第二二极管中的任一个的反向击穿电压的1.1倍的点火电压以点着所述点火器。
15.如权利要求14所述的点火电路，其中在所述开关被断开的情况下，所述第一二极管和所述第二二极管均具有在所述远端端子处出现小于等于相关的反向馈进二极管的反向击穿电压的杂散电压时足够用于阻止所述点火器引爆的反向击穿电压。
16.如权利要求1所述的点火电路，还包括：
在其中集成模制有所述第一二极管和所述第二二极管的插头；
其中所述具有集成模制的二极管的插头的尺寸以使得可插入穿过由标准尺寸的四分之一英寸直径的引爆器外壳的开口所限定的空间。
17.如权利要求1所述的点火电路，其中所述第一二极管和所述第二二极管均具有200伏特的反向击穿电压。
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