CN103814522A - 改善的引爆器控制电路 - Google Patents

Abstract

一种改善的控制电路，其被构造为使诸如引爆器之类的另一装置通电。该电路的第一部分包括第一晶体管，并且被构造为以第一速率释放电容器所储存的电荷的第一部分。该电路的另一部分包括第二晶体管，并且被构造为在电荷的第一部分的释放之后以大于第一速率的第二速率释放电荷的第二部分。

Description

改善的引爆器控制电路

技术领域

所公开且要求保护的构思总体上涉及控制电路系统，更特别地，涉及用于使诸如引爆器的另一装置通电的改善的控制电路。

背景技术

众所周知，引爆器是用于各种应用中的小型爆炸装置。例如，它可以用于在电影制作中创建特殊效果、用于军事用途、以及用在可能有必要爆炸性地破坏应急设置中的保险螺栓或其他结构的其他应用中。引爆器的其他用途是众所周知的。

引爆器的应急相关的应用的具体例子是用于核反应堆中的爆炸激活阀或其他组件。在这样的应用中以及在其他应用中，一直存在需要可靠操作时确保可靠操作与在其他时间防止意外操作之间的权衡。已知的控制引爆器的通电的电路通常利用电容器，电容器一旦充电，然后就放电以使引爆器通电。

在诸如以上提及的应急相关应用和其他应用之类的应用中，通常在发出ARM命令时给电容器充电，然后如果适当，通过发出FIRE命令使电容器放电，以利用充电的电容器使引爆器通电。如果没有发出FIRE命令，则期望在这样的应用中在预定时间段内耗散储存在电容器内的电荷。这样的预定时间段的例子可以是不超过五分钟的持续时间。然而，还期望这样的电荷耗散仅在电荷足以使引爆器通电的预定时间段（诸如至少三十秒的持续时间）之后才开始。

也就是说，在这样的应用中，期望FIRE命令在发出ARM命令之后的第一预定时间段内是可用的，但是如果没有发出FIRE命令，则在发出ARM命令之后的第二预定时间段内使电容器放电到安全电荷状态。为了避免无意中使引爆器通电，这是期望的。因此，可取的是，至少在第一预定时间段内，电容器将保持通电到足以使引爆器通电，但是在该预定时间段之后，电容器将在预备（arming）之后的另一预定时间段内立即变为断电，以使电容器置于安全状态。

尽管已知电路对于它们的预期目的通常是有效的，但是它们一直没有限制。更具体地，一直难以可靠地实现预定时间段内保持电荷与随后的预定时间段内释放电荷之间的折衷。因此期望提供一种改善的电路，其能够在预定时间段内保持电荷，并且还能够在另一预定时间段内释放电荷。

发明内容

这些益处和其他益处通过一种改善的控制电路来提供，该控制电路被构造为使诸如引爆器之类的另一装置通电。该电路的第一部分包括第一晶体管，并且被构造为以第一速率释放电容器储存的电荷的第一部分。该电路的另一部分包括第二晶体管，并且被构造为在电荷的第一部分释放之后以大于第一速率的第二速率释放电荷的第二部分。

因此，所公开的要求保护的构思的一方面是提供一种改善的控制电路，其被构造为响应于ARM命令给电容器充电，以使得能够根据需要而使引爆器通电，但是其还被构造为如果在预定时间段内没有发出FIRE命令，则立即耗散电容器储存的电荷。

所公开的要求保护的构思的另一方面是提供这样的一种改善的电路，如果发出了FIRE命令，则该改善的电路在从发出ARM命令起的第一预定时间段内保持足以使引爆器通电的电荷，但是如果没有发出FIRE命令，则该改善的电路在从发出ARM命令起的第二预定时间段内使电荷耗散到安装状态。

所公开的要求保护的构思的另一方面是提供一种改善的电路，其被构造为使得引爆器能够通电，并且其利用两个晶体管和其他组件来实现在两个不同时间以两个不同放电速率释放电容器上的电荷。

所公开的要求保护的构思的这些方面和其他方面通过被构造为使另一装置通电的改善的电路来提供。该电路可以被概述为包括被构造为至少临时储存电荷的电容器。该电路的一部分可以被概述为包括第一固态开关并且被构造为以第一速率释放电荷的第一部分。该电路的另一部分可以被概述为包括第二固态开关并且被构造为在电荷的第一部分释放之后以大于第一速率的第二速率释放电荷的第二部分。在电荷的第二部分的释放开始之前，电容器中已经储存有足以使另一装置通电的一部分电荷。

附图说明

当结合附图阅读以下描述时，可以从以下描述得到所公开的要求保护的构思的进一步理解，其中：

图1是根据所公开并且要求保护的构思的改善的电路的电路图；

图2是描绘在使用图1的电路的情况下随时间变化的电容器电压的示例性图表；以及

图3是描绘在图1的电路的充电周期期间随时间变化的电容器电压的示例性图表。

在整个说明书中，类似的数字指示类似的部件。

具体实施方式

图1概括地描绘了根据所公开且要求保护的构思的改善的引爆器控制电路4。引爆器控制电路4示为与爆炸引爆器6连接，引爆器控制电路4被构造为根据适当的命令使爆炸引爆器6通电。

引爆器控制电路4可以被概述为包括以下面阐述的方式合作的预备（arming）组件8和点火（firing）组件12。预备组件8示为与第一电能源14连接，点火组件12示为与第二电能源16连接。在这里描绘的实施例中，第一电能源14和第二电能源16是以二十四（24）伏特DC提供电功率的电池。然而将理解，可以利用诸如AC至DC转换器（即，电源）、燃料电池等其他能量源，并且在不脱离本构思的情况下，它们可以在与本文中明确描述的那些电压不同的电压下。

预备组件8包括ARM开关18，并且还包括实现预备组件8与点火组件12之间的合作的互锁装置22。更具体地，互锁装置22包括在预备组件8上的互锁继电器26，并且还包括在点火组件12上的一对互锁开关28。还可以看出，点火组件12包括FIRE开关30和点火继电器32，点火继电器32与预备组件8上的一对通电开关36操作地连接。

在预备操作和点火操作期间，预备组件8首先诸如从计算机化的控制器接收ARM命令，但是这样的命令可以手动地发生。这样的ARM命令将使ARM开关18闭合，并且还将包括使互锁继电器26置于第一状态的命令，第一状态将使互锁开关对28保持处于断开状况。一旦预备组件8已经被足够地充电，就将通过另一命令使ARM开关18断开，所述另一命令将停止预备组件8的进一步充电，并且将使互锁继电器26切换到第二状态，第二状态将使互锁开关对28从其断开状况移动到闭合状态。再次地，这可以手动地进行。

如果此刻发出了FIRE命令，则将使FIRE开关30移动到其闭合位置，并且将使点火继电器32改变状态，这将使通电开关对36从断开状态移动到闭合状态，这将使引爆器6通电和爆炸。然而，如下面将更详细地阐述的那样，如果在第一预定时间段内没有发出FIRE命令，则将在第二预定时间段内立即使预备组件8放电，以避免无意中使引爆器6通电。

更具体地，继续参照图1，可以看出预备组件8包括正臂（leg）38和接地臂40，正臂38和接地臂40与第一电能源14连接，并且还与引爆器6连接。正臂38包括与其串联的充电电阻器44。预备组件8另外还包括连接在正臂38与接地臂40之间的电容器46，电容器46与引爆器6并联，虽然与引爆器6被通电开关对36隔开。图1还描绘了电缆电阻48，因为引爆器6本身可能故意与预备组件8隔开一距离，并且因此有可能将具有超过标称水平的电阻，所以当构造引爆器控制电路4时必须考虑电缆电阻48。

如从图1可以理解的那样，当发出ARM命令并且使ARM开关18闭合时，第一电能源14通过充电电阻器44将电流提供给电容器46，电容器46从而变为已充电。注意，电容器供应商通常建议，如果诸如电容器46之类的电容器是固态钽电容器，则充电电阻器44具有不小于每伏特三欧姆的电阻。在这里描绘的示例性实施例中，充电电阻器44具有75欧姆的电阻，但是根据应用的需求和控制电路的其他组件的规格，可以使用其他电阻值。

电容器46具有一对端子52A和52B，端子52A与正臂38连接，端子52B与接地臂40连接。在这里描绘的示例性实施例中，电容器46具有6800μF的电容，但是根据应用的需求和控制电路的其他组件的规格，可以使用其他电容值。

预备组件8还包括第一晶体管56，可以说其构成了固态开关。在本文中给出的例子中，第一晶体管56是n沟道MOSFET晶体管。第一晶体管56可以是例如但不限于IRLZ14S n沟道MOSFET，但是在不脱离本构思的情况下，通常可以利用其他晶体管和其他开关。

第一晶体管56包括栅极58、源极60和漏极62。第一电阻器64连接在源极60与正臂38之间。在这里描绘的示例性实施例中，第一电阻器64具有500KΩ的电阻值，但是根据特定应用的需求，可以利用其他电阻值。在所描绘的示例性实施例中，漏极62直接与接地臂40连接。

预备组件8另外包括以所描绘的方式连接在正臂38与第一晶体管56的栅极58之间的齐纳二极管68。本示例性实施例中的齐纳二极管68具有二十（20）伏特的击穿电压，但是根据电路的需求及其其他组件的规格，可以利用具有不同击穿电压的其他齐纳二极管。与齐纳二极管68和正臂38的连接相对地，预备组件8另外还包括连接在齐纳二极管68与接地臂40之间的耗散电阻器70。在这里描绘的示例性实施例中，耗散电阻器70具有100KΩ的电阻值，但是根据特定应用的需求，可以利用其他电阻值。尽管耗散电阻器70的电阻值大将降低齐纳二极管68的功耗，但是因为通过齐纳二极管68的泄漏，电阻值太大将阻止第一晶体管56变为截止。如下面将更详细地阐述的那样，第一晶体管56使得预备组件8能够以第一速率释放电容器46所储存的电荷的第一部分。

预备组件8还包括第二晶体管74，在这里描绘的实施例中，第二晶体管74具有类似于第一晶体管56的规格，但是根据特定应用的需求和电路的其他组件的规格，情况并非必须如此。第二晶体管74包括栅极76、源极80和漏极82。如图1所示，第二晶体管74的栅极76与第一晶体管56的源极60以及第一电阻器64连接。第二晶体管74的源极80直接与正臂38连接。

如从图1可以进一步看出的那样，预备组件8另外还包括连接在正臂38与第二晶体管74的漏极82之间的第二电阻器84。在这里描绘的示例性实施例中，第二电阻器84具有500KΩ的电阻值，但是根据特定应用的需求，可以利用其他电阻值。漏极82和第二电阻器84进一步与预备组件8的第三电阻器88连接，第三电阻器88也与接地臂40连接。在这里描绘的示例性实施例中，第三电阻器88具有2KΩ的电阻值，但是根据特定应用的需求，可以利用其他电阻值。如下面将更详细地阐述的那样，第二电阻器74使得储存在电容器46中的电荷的第二部分能够以大于第一速率的第二速率释放。

如上所述，举例来说，如果在电容器46完全充电之后不久就发出FIRE命令（假定ARM开关18断开，并且使互锁继电器26变为第二状态并将互锁开关对28移动到其断开状态），则储存在电容器46中的电荷将以电的方式传送到引爆器6，这将使引爆器6变为通电并且爆炸。然而，如果在电容器46完全充电，ARM开关18断开并且使互锁继电器26切换到其第二状态之后没有发出FIRE命令，则电容器46将至少一开始被完全充电，并且在其端子52A和52B上具有24V（在本例子中）的电压。在所描绘的示例性实施例中，第一电阻器64的阈值电压（即，施加于栅极58的电压）将在源极60与漏极62之间产生导电沟道，并且大约为一（1）或二（2）伏特。因为在所描绘的示例性实施例中，齐纳二极管68的击穿电压为20伏特，所以具有24伏特电压的完全充电的电容器46减去齐纳二极管68的20伏特击穿电压至少一开始将向栅极58提供至少大约四（4）伏特。这将使第一晶体管56变为导通状态。注意，当第一晶体管56为导通状态时，第二晶体管74的栅极76处的电压将保持为低，从而使第二晶体管74保持处于截止状态。

在这样的情况下，储存在电容器46中的电荷的第一部分将以第一速率通过两个并行电通道释放，即，包括第一电阻器64以及源极60与漏极62之间的沟道的第一通道，以及通过与第三电阻器88串联的第二电阻器84的第二通道。在图2中在第一线段90处指示了存储在电容器46中的电荷的第一放电速率。在第一电阻器64和第二电阻器84都具有大约500KΩ的电阻并且其中第三电阻器88具有大约2KΩ的电阻的本示例性实施例中，电容器46中的电荷的第一部分以第一速率的释放将持续大约为150秒，即，两点五分钟。然而，在该整个时间段期间，电容器46中的电荷处于足以使引爆器6通电的水平，所以在所描绘的示例性实施例中，在ARM命令完成之后的150秒（即，两点五分钟）内，电容器46保持充电并且能够执行FIRE命令。

随着存储在电容器46中的电荷的第一部分以第一速率释放，如图2的第一线段90所示，电容器46的端子52A和52B上的电压下降。最后，将达到端子52A和52B上的电压不再足以使第一晶体管56保持处于导通状态的点。如上所述，这将在ARM命令完成之后大约150秒处发生。一旦电容器46中的电荷足够地下降以至于其端子52A和52B上的电压可以不再满足第一晶体管56在栅极58处的阈值电压，第一晶体管56就将切换到截止状态。

在这样的情况下，第二晶体管74的栅极76处的电压不再保持为低。相反，第二晶体管74的栅极76处的电压足以使第二晶体管74切换到导通状态。

更特别地，应注意，当估计在栅极76接收的使第二晶体管74切换到导通状态的电压时，必须考虑第一晶体管56在源极60与漏极62之间的截止电阻。这样的截止电阻可以为2000KΩ左右，该截止电阻与第一电阻器64串联连接，如上所述，第一电阻器64可以具有500KΩ左右的电阻。当电容器46的端子52A和52B上的电压足够地下降以至于它不再能克服齐纳二极管68的击穿电压并且还满足第一晶体管56的栅极58处的阈值电压时，电容器46的端子52A和52B上的示例性所得电压将大约为21伏。如果这样的电压施加于第一电阻器64以及第一晶体管56在源极60与漏极62之间的截止电阻（2000KΩ），则栅极76处的电压将大致为16.8伏特，该电压将使第二晶体管74切换到导通状态。

这使电容器46中剩余的电荷开始通过单个通道释放，即，在源极80与漏极82之间并且还包括第三电阻器88的通道。因为在这样的情况下，电容器46中的电荷主要通过如上所述可具有2KΩ电阻的第三电阻器88释放，所以储存在电容器46中的电荷的第二部分的释放以图2的第二线段92所示的第二速率释放，第二速率是大于如第一线段90所示的第一速率的速率。

如从图2可以理解的那样，第二线段92表明电容器46的第二释放速率是比如第一线段90所示的第一释放速率大得多的速率。也就是说，第二线段92具有比第一线段90大得多的斜率（即，随时间变化的电容器电压的下降）。具体地，从图1可以看出，电荷的第一部分的释放通过第一电阻器64（具有500KΩ的示例性电阻）发生，第一电阻器64被布置为与第二电阻器84和第三电阻器88（它们本身被串联布置以提供503KΩ的组合电阻）并联，以使像这样布置的第一电阻器64、第二电阻器84和第三电阻器88上的总电阻约为251KΩ。在所描绘的示例性实施例中，由第一电阻器64、第二电阻器84和第三电阻器88给予的251KΩ电阻比由第三电阻器88给予的2KΩ的示例性电阻大一个完整的数量级，并且实际上更接近于两个数量级。这样的电阻值差使得电容器46中的电荷的第一部分和第二部分可以以这样的明显不同的速率释放，并且重申，在不脱离本构思的情况下，可以利用不同的电阻值和关系。在这里描绘的示例性实施例中，电容器电荷的第二部分的释放大致花费三十秒。因此，电容器46将在从ARM命令完成起不超过大约180秒（即，三分钟）内释放到安全水平。

注意，第一晶体管56的截止电阻将被选择为使得栅极76处的电压足够接近于第三电阻器88上的压降，以使得第二晶体管74在足以使电容器46释放到处于安全水平的时间段内保持处于导通状态。尽管第二晶体管74可以摆脱饱和，但是期望直到电容器46已经足够放电达到安全状况为止，它才切换到OFF状态。

一旦电容器46的端子52A和52B上的电压已经下降得足以使第二晶体管74处于截止状态，不管电容器46中的电荷剩余多少，都将通过包括串联的第二电阻器84和第三电阻器88的单独通道释放。在图2的第三线段94处指示了这样的释放，该释放是小于第一线段90和第二线段92所表示的第一释放速率和第二释放速率的速率。在电容器以这样的方式放电的情况下，引爆器控制电路4有利地抵制引爆器6的意外通电，这是期望的。

进一步参照图2中的第三线段94，注意，栅极58处的可以使第一晶体管56切换到导通状态的阈值电压在1.0至2.0伏特的范围内，这类似于第二晶体管74的阈值电压。该电压必须低于引爆器6的“安全”状态水平。根据导体尺寸、电缆长度和环境温度，示例性电缆电阻48在1.0至3.0Ω的范围内。在电缆电阻48为1.0Ω并且对于引爆器6指定的“安全不点火”电流为1.0apms的情况下，2.0伏特应是对于第一晶体管56的栅极58处的阈值电压所允许的最大值。

关于在发出ARM命令之后电容器46的初始充电，注意，由充电电阻器44和第一电阻器64提供的分压器乘以最小输入电压必须高于齐纳二极管68的击穿电压加上第一晶体管56在栅极58处的阈值电压的和，以便确保在充电期间第一晶体管56将切换到导通状态并且第二晶体管74将切换到截止状态，以便确保充电周期将使得在电容器46上可以达到全电压。而且，齐纳二极管68的击穿电压、第一晶体管56的阈值电压、以及通过包括第一电阻器64、第二电阻器84和第三电阻器88的通道放电的电容器46的时间常数RC的组合将确定电容器46的快速放电开始的点。这必须在电容器46上达到全电压之后的预定时间段之前提前足够时间。这样的示例性预定时间段是五分钟，但是注意，所描绘的示例性实施例中的快速放电仅在两分半钟之后发生。降低齐纳二极管68的击穿电压可以改善在充电周期期间使第一晶体管56保持处于导通状态并且使第二晶体管74保持处于截止状态的能力，以使得电容器46可以完全充电。

关于描绘充电周期期间随时间变化的电容器电压的图3，注意，第二晶体管74至少在充电周期的一部分期间将处于导通状态，因此可用充电电流中的一些将通过第三电阻器88分流。由充电电阻器44和第三电阻器88建立的分压器确定电容器充电曲线的渐进电压，直到第一晶体管56的栅极58处的电压（即，电容器46的端子52A和52B上的电压减去齐纳二极管68的击穿电压）达到第一晶体管56的阈值电压的点为止。一旦达到第一晶体管56的阈值电压，第一晶体管56就切换到导通状态，并且第二晶体管74就切换到截止状态，这使得电容器46可以完全充电，以使得其在端子52A和52B上的电压达到第一电能源14的电压。在图3中用具有数字96的虚线指示第一晶体管56的电压阈值。

因此，有利的是，在发出ARM命令并且电容器46完全充电之后，提供延长的时间段，在该延长的时间段期间，电容器46中的电荷的水平足以使得它可以使引爆器6通电。尽管三十秒被视为是最小接受值，但是所公开的示例性实施例实际上提供150秒，在这150秒内，可以发出FIRE命令。可以在这个时间段内发出FIRE命令，或者可以在这个时间段内容易地手动地执行FIRE命令。

更有利的是，在第二预定时间段内使电容器46充分放电到“安全”状态，第二预定时间段建议最短为五分钟。在这里描绘的示例性实施例中，沿着图3的第一线段90和第二线段92的放电在180秒（即，三分钟）内发生。

在图2中用虚线指示了通过常规的非固态组件将发生的示例性放电速率。由改善的引爆器控制电路4提供的放电曲线因此有利地提供了可取地在足以使引爆器6可以通电的时间段内保持电容器46中的电荷，并且如果没有发出FIRE命令，则立即使电容器46放电。引爆器控制电路4因此有利地提供可靠而又安全的操作。

在不脱离本公开的精神或基本特性的情况下，可以以其他特定形式实施本公开。所描述的实施例在各方面都要被认为是仅仅是例示性的，而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求书指示，而不是由前面的描述指示。落在权利要求的等同形式的意义和范围内的所有改变都包含在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种构造为使另一装置（6）通电的电路（4），所述电路包括：

电容器（46），构造为至少临时地储存电荷；

所述电路的一部分，包括第一固态开关（56），并且被构造为以第一速率（90）释放所述电荷的第一部分；

所述电路的另一部分，包括第二固态开关（74），并且被构造为在所述电荷的第一部分的释放之后以大于第一速率的第二速率（92）释放所述电荷的第二部分；且

在所述电荷的第二部分的释放开始之前，所述电容器中储存有足以使所述另一装置通电的一部分电荷。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一固态开关是第一晶体管，所述第二固态开关是第二晶体管。

3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电路的所述一部分包括连接在所述电容器的端子（52A）与所述第一晶体管的栅极（58）之间的齐纳二极管（68）。

4.根据权利要求3所述的电路，其中，所述电路的所述一部分还包括至少第一电阻器（64），所述第一电阻器（64）与所述第一晶体管的电极（60）连接，并且被构造为进一步与所述电容器的端子连接，所述至少第一电阻器的电阻和所述齐纳二极管的击穿电压中的至少一个被选择，以至少部分地使所述电容器至少在所述电荷的第一部分的释放期间的预定时间段内保持足以使所述另一装置通电的所述一部分电荷。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述电路的所述另一部分的至少一部分被选择，以至少部分地使在所述电荷的第一部分的释放开始之后的另一预定时间段内在所述电容器的端子（52A,52B）上达到预定电压。

6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路的又一部分被构造为在所述电荷的第二部分的释放之后以小于第一速率的第三速率（94）释放所述电荷的其余部分。

7.根据权利要求3所述的电路，其中，所述电路的所述一部分还至少包括连接在所述电容器的端子与所述第一晶体管的电极（60）之间的第一电阻器（64），所述第一晶体管的电极还与所述第二晶体管的栅极（76）连接。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述第二晶体管的电极（80）与所述电容器的端子连接。

9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述电路的所述一部分还包括与所述第二晶体管的所述电极和所述第二晶体管的另一电极（82）连接的第二电阻器（84），所述第二晶体管被构造为当所述第二晶体管的栅极的电压处于或高于阈值电压时在所述电极与所述另一电极之间形成导电通道。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述至少第一电阻器和第二电阻器的电阻基本上相等。

11.根据权利要求9所述的电路，其中，所述电路的所述一部分还包括连接在所述第二晶体管的所述另一电极与所述电路的接地（40）之间的第三电阻器（88）。

12.根据权利要求3所述的电路，其中：

所述电路的所述一部分和所述电路的所述另一部分中的至少一个被构造为使所述电荷的第一部分流过第一数量的电阻器（64,84,88）；

所述电路的所述一部分和所述电路的所述另一部分中的至少一个被构造为使所述电荷的第二部分流过第二数量的电阻器（88）；且

所述第一数量的电阻器具有比所述第二数量的电阻器的第二电阻至少大一个数量级左右的第一电阻。

13.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路的又一部分被构造为在所述电荷的第二部分的释放之后以小于第一速率的第三速率（94）释放所述电荷的其余部分。

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