CN104390531A - 一种tvs管型高效能静电防护桥丝式电雷管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TVS管型高效静电防护桥丝式电雷管，包括电极塞、桥丝、发火药、起爆药、猛炸药、加强帽、雷管壳、圆片形高效防静电组件。所述高效静电防护组件通过圆片形静电防护PCB电路板与电雷管双脚线电路连接构成脚-脚静电泄放通道，与管壳电路连接构成脚-壳静电泄放通道。本发明的高效静电防护组件，通过脚-脚静电防护器件和脚-壳静电防护器件，还有多个尖角空气隙构成的脚-壳静电泄放通道，构成静电防护双保险泄放通道。本发明的防护静电组件采用TVS管，可实现脚-壳和脚-脚静电防护达到大于50kV，不管是在脚-壳防护还是在脚-脚防护上都能够经受静电放电的多次冲击而不会发生任何性能改变。

Description

一种TVS管型高效能静电防护桥丝式电雷管

所属技术领域

本发明专利属于电雷管防护技术，特别是一种抗极端人体静电环境的电雷管高效能静电防护技术。

背景技术

电雷管是工程爆破中爆炸装置引爆或武器弹药爆炸序列引爆的重要起爆元件，电雷管中常用灼热桥丝元件作为电热换能元件。桥丝焊接在电雷管两根金属导线末端之间，当通入发火电流时桥丝实现电起爆控制信号(发火电流)的电热转换，桥丝生热产生高温，引燃与之接触的发火药，发火药点火后顺序引燃延期药、起爆药、猛炸药，完成电雷管的起爆、延时控制和输出冲击波的功能。

现有桥丝式电雷管在使用过程中容易受到静电、射频、杂散电流的影响而发生意外发火或性能退化。在电火工品以及爆炸装置的生产、装配、储存、运输、使用和维护等过程中，静电放电的危害普遍存在，是导致电火工品意外发火的最常见的危险源。静电放电具有高电压，低能量、高瞬态的特点，静电放电能量的耦合可能对电火工品的发火性能以及安全性能造成影响，甚至导致瞎火或意外发火，使系统任务无法完成或造成人员伤亡。静电放电试验证明，即使是钝感电火工品在经受25kV静电冲击时也可能会产生损伤或发火，那些敏感电火工品则面临着更加严峻的静电威胁。

电雷管现有的静电防护技术途径有，采用脚-壳之间设置绝缘材料以提高其绝缘强度，从而提高静电击穿电压，或脚-壳之间设置空气隙、涂导电胶等静电泄放通道来提高脚-壳的静电防护能力；而脚-脚的抗静电能力的提高目前只有增大桥丝直径、增大桥塞接触面积、提高发火药爆发点等技术措施。通过以上静电防护技术途径之一或组合，从而使电雷管达到GJB5309.14-2004《火工品试验方法第14部分：静电放电试验》、MIL-DTL-23659F-2010《电起爆器通用设计规范》、GBT8031-2005《工业电雷管》等标准规定的抗人体静电25kV的安全性要求。但是随着工业使用场合及战场的静电环境、电磁环境干扰的日益增强，随着人们对静电作用机理的认识提高，人们发现传统的工业标准和军用标准中制定的最大人体静电电压(军用电火工品为25kV、民用电雷管为10kV)的安全性指标已经不能完全覆盖、满足现代火工品的使用环境要求，也不能代表最为严酷的人体静电环境。如军械工程学院刘尚合院士及美国桑迪亚实验室、美国电气和电子工程师协会报道的极端人体电压值统计结果，其中《英国防静电通用规范》为50kV，《美国防护试验手册》为40kV，《北京国际静电会议》为35kV～50kV，军械工程学院研究结果为60kV。而关于这些静电极端值作用下电火工品安全性试验分析和理论分析鲜有报道。此外，电火工品在使用、运输等过程当中不可避免的会受到多次静电冲击，目前报道在脚-壳之间涂导电胶的方式来防护脚-壳静电危害可以达到抗静电25kV，但当高压静电作用3次之后导电胶的防护效果会大大降低，多次放电甚至会导致导电胶失去静电防护能力。因此这就要求找到一种能够防护更高静电电压、受到多次静电冲击后防护效果不变、特别是对敏感电火工品脚-脚回路能够实现防护的微型化防护器件的技术方案。

中国专利CN201210540239.9公开的防静电结构是在雷管后端外插一个横向放电金属连接件，尺寸较大，不适用长脚线或小尺寸雷管。金属连接件与雷管脚线之间采用压接方式连接，容易造成电极脱落和防护电路断路，使静电保护电路失效。外插式放电金属连接件提升雷管的制造工艺难度，若在雷管成型后外插易造成意外发火而发生危险，而在雷管成型前外插对于雷管的制造工艺带来很大的不便和麻烦，同时外插横向放电金属连接件会给雷管的使用带来限制，在导弹高过载的情况下外插横向大电路板很容易脱落对系统构成危险，在没有多余的使用空间时外插横向大电路板将给整个系统带来危险。且该专利并没有说明静电的防护效果。

中国专利CN201220055188.6公开的防静电结构只用于在半导体桥雷管中，并且在防护脚-壳静电时只选用1个尖角放电，由于产品在运输、装配过程中会经过至少3到5人次对产品进行放电，一次放电后对锯齿可能造成熔化变形，从而失去静电防护作用，多次放电冲击后会发生危险；同时所述专利并没有给出防护效果，也没有提出能够进行抗多次静电冲击，更没有提出产品尺寸的大小。

发明内容

为了抗高于25kV静电电压以及多次静电冲击，本发明专利提供了一种能抗极端人体静电环境的桥丝式电雷管方案，它不但能有效防护脚-壳高压静电放电，而且还能对脚-脚静电放电进行防护，同时还能够经受多次静电冲击。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

在双脚线电雷管输入端放置一个圆片式高效能静电防护组件，能同时构成脚-脚和脚-壳高效能静电泄放通道，静电防护电雷管仍能保持原普通电雷管的发火性能和输出威力。

针对最高人体静电电压极端值50kV、最大浪涌电流500A及电雷管的工作电压，依次确定静电防护PCB电路板上最大浪涌电流承载能力、防护器件最大浪涌电流和箝位电压(击穿电压)，再确定静电防护PCB电路板的布线结构和尺寸。

针对小尺寸电雷管脚-脚和脚-壳用静电防护电子器件的性能要求和安装要求，提出一种圆片形PCB电路板方案，兼有如下功能：固定静电防护电子器件、与脚线电路连接、与管壳电路连接、提供脚壳间静电泄放空气间隙。所述PCB电路板的电路结构包括三个异形金属焊盘、两个金属放电极、两个金属化过孔。

PCB电路板的正面布置了三个异形金属焊盘，一个较长的矩形焊盘、一个较短的矩形焊盘和一个圆弧形焊盘；较长矩形焊盘的上半部和较短矩形焊盘组成一对电极，用于连接一只微型化贴片式双向TVS管静电防护电子器件的两极，使静电防护器件与电火工品脚-脚发火回路构成并联电路，形成脚-脚静电泄放通道；较长矩形焊盘的下半部和圆弧形焊盘组成另一对电极，用于连接另一只微型化贴片式双向TVS管静电防护电子器件的两极，使静电防护器件与电火工品脚-壳发火回路构成并联电路，形成脚-壳间静电泄放通道；只连接一只静电防护器件时则只具备对应静电发火回路的防护功能，如果连接两只静电防护器件时则同时具备电火工品脚-脚、脚-壳静电发火回路的防护功能。

PCB电路板的反面布置了两个对称形状的锯齿形放电极，用于脚壳静电放电的防护，并能实现多次静电放电防护，锯齿形放电极与静电防护器件共同作用构成了脚-壳静电防护的双重保险作用。

高效能静电防护桥丝式电雷管由一个微型化圆片式TVS管静电防护组件和一只普通电雷管组成。静电防护组件装配在电雷管电极塞一端的雷管壳口部，并与脚线、雷管壳形成电路连接，同时构成脚-脚和脚-壳高效能静电泄放通道。电雷管内部零件装配结构关系为雷管壳、猛炸药、起爆药、发火药、双脚线桥丝电极塞、圆片式TVS管静电防护组件、口部密封胶。圆片式TVS管静电防护组件通过管壳收口工艺固定在雷管壳口部，即电雷管装配圆片式TVS管静电防护组件时，并不改变原电雷管内部零件的装配顺序。

高效能静电防护组件的装入并不影响原电雷管的发火电压、发火电流、作用时间等发火性能，所述高效能静电防护电雷管仍能保持原普通电雷管的正常发火性能和输出威力不变。

通过理论计算和实验验证，选用合适的TVS管参数，可以使高效能静电防护电雷管的脚-脚和脚-壳静电防护能力均达到抗极端人体静电50kV以上。其抗静电能力大大高于现行军用标准GJB 5309.14-2004《火工品试验方法第14部分：静电放电试验》、MIL-DTL-23659F-2010《电起爆器通用设计规范》中要求的电火工品抗人体静电最高电压25kV，和高于工业电雷管现行国家标准GBT8031-2005《工业电雷管》中要求的抗人体静电最高电压10kV。由于TVS管具有抗浪涌冲击能力强，能够反复泄放浪涌冲击，因此装配了合适参数TVS管的电雷管，能够实现脚-脚和脚-壳抗50kV多次静电放电而不会发生任何性能改变。

本发明的有益效果是：本发明的TVS管高效能防静电桥丝式电雷管的静电防护能力大大高于现行军用标准和工业标准对电雷管静电安全性要求的技术指标，脚-脚和脚-壳静电防护能力均可以达到抗极端人体静电50kV以上，高于现行电雷管军用标准要求的抗人体静电最高电压25kV的2倍，高于现行工业电雷管国家标准要求的抗人体静电最高电压10kV的5倍。不管是在脚-壳防护还是在脚-脚防护方面都能够经受50kV静电放电的多次冲击而不会发生任何性能改变。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是高效能静电防护组件正面

图2是高效能静电防护组件反面

图3是高效能静电防护组件与电极塞装配示意图。

图4是高效能静电防护组件与电雷管装配示意图。

图5是TVS管功率与静电功率关系图

具体实施方式

结合图3、图4，本发明专利抗静电环境的桥丝式电雷管包括带XXX型TVS管1、5、圆片形静电防护PCB电路板、电极塞8、桥丝、发火药、起爆药、输出药、管壳11，将焊接好TVS管防护组件的锯齿形覆铜板6、7一侧与电极塞的底部(焊接桥丝的另外一侧)接触，通过金属化过孔2、3穿过脚线9、10后形成电路连接，电路连接采用回流焊、手工锡焊或涂导电胶，由于覆铜板高出PCB板而在覆铜板与壳体11之间会形成一薄层空气隙成为静电放电隙，金属化过孔2、3与脚线9、10焊接好形成带有TVS管静电防护器件的电极塞组件，然后按照电雷管制作工艺形成电雷管，雷管壳收口后壳体11与弧形焊盘4相连实现结构结合和电路连接。在脚-壳静电防护方面既有TVS管又有空气隙泄放通道，在防护脚-脚静电方面用TVS管防护。由于XXX型TVS管的工作特性决定了不管是在脚-壳防护还是在脚-脚防护上都能够经受静电放电的多次冲击而不会发生任何性能改变。

针对桥丝式电火工品脚脚静电放电防护的需要，TVS管的选型中应考虑如下几方面内容：

①实际静电放电在脚脚间的注入正反两种电流方向都有可能，因此，选择双向的TVS，对任意方向的静电放电电流注入都可以起到保护作用。

②TVS的最大反向工作电压V_RWM(在此电压下TVS的漏电流只有几μA)要大于被保护器件的正常工作电压，防止火工品正常工作时由于TVS分流而影响性能。

③TVS的箝位电压Vc是TVS管最高限位电压，它要小于被保护器件的静电损害电压，这样就能够有效的保护器件。

④TVS的峰值功率要遵守TVS管功率与静电功率关系图选取，否则将可能烧坏TVS。

⑤响应时间就是TVS管电压达到工作电压开始到起到保护作用的时间，它必须要小于静电放电的时间。

样品的电极塞尺寸3.45×3mm，桥丝为10μmPtW合金，产品电阻3Ω～9Ω，发火工作电压12V(6.8μF)，可计算得出正常工作时作用在火工品的能量为4.9×10^-4J；脚脚静电临界发火电压18.45kV，静电作用下加载到电火工品上最大电压不能超过22V，其峰值功率为88.6W。

防护器件选取参数依据：

(1)根据产品规格，样品正常工作电压为12V(6.8μF)，可靠性考虑过裕度，则此火工品可靠发火电压为12V；

(2)根据产品静电试验得出样品静电环境临界发火电压为18.45kV，计算可得火工品两端加载的电压为22V，安全性考虑裕度为1.3，则此火工品静电最大不发火电压为15.5V；

(3)防护器件的选择结合产品的安全可靠性来确定防护器件的参数选取，因此选取TVS管最大反向工作电压V_RWM应在12V～15.5V之间；

(4)TVS管箝位电压选择小于火工品静电最大不发火电压为15.5V；

(5)通过静电放电模型放电电流时间波形可以得出静电放电时上升时间为几个纳秒，因此防护器件的响应时间必须要小于纳秒级(10^-9s)；

(6)按照极限的静电放电环境50kV单RC模型(串联5kΩ)，计算功率为598.56W，静电放电环境50kV放电时间不超过1μs，再根据TVS管功率与静电功率关系图，因此TVS管功率定为不小于100W。

因此选取TVS管最大反向工作电压V应在12V～15.5V之间(安全裕度为1.3；如果低于12V，则样品将不能正常工作，高于15.5V，TVS管将不起防护作用)。本样品选取P6KE12CA型和ESD12V32D-C双向TVS管。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种TVS管型高效能静电防护桥丝式电雷管，包括一只普通电雷管和一个圆片式TVS管静电防护组件，其特征是所述静电防护组件装配在电雷管电极塞一端的口部，同时构成脚-脚和脚-壳静电防护的静电泄放通道。

2.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是电雷管内部零件的装配结构关系为雷管壳、猛炸药、起爆药、发火药、双脚线桥丝电极塞、圆片式TVS管静电防护组件、口部密封胶，圆片式TVS管静电防护组件通过管壳收口工艺固定在雷管壳口部，即装配圆片式TVS管静电防护组件不改变原电雷管内部零件的装配顺序。

3.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是脚-脚和脚-壳静电防护能力均可以达到抗极端人体静电50kV以上，高于现行电火工品军用标准要求的抗人体静电最高电压25kV的2倍，高于现行工业电雷管国家标准要求的抗人体静电最高电压10kV的5倍。

4.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是脚-脚和脚-壳静电防护能力可以达到抗50kV的多次静电放电的安全性要求且无性能变化。

5.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是圆片式高效能静电防护组件由一个圆片形PCB电路板和至少一个TVS管防护器件组成，当TVS管与桥丝并联时则具有脚-脚高效能静电防护能力，当TVS管与脚-壳危险通道并联时则具有脚-壳高效能静电防护能力，当使用两只TVS管防护器件时，电雷管可以同时具有脚-脚和脚-壳高效能静电防护能力。

6.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是圆片式TVS管静电防护组件的高度仅有0.8mm～1.5mm，对原电雷管高度影响很小。

7.根据权利要求1所述的高效能静电防护桥丝式电雷管，其特征是高效能静电防护组件的装入并不影响原电雷管的发火电压、发火电流、作用时间等发火性能，所述高效能静电防护电雷管仍能保持原普通电雷管的正常发火性能和输出威力不变。