CN117249733A - 基于双能量系统的电子雷管控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双能量系统的电子雷管控制装置，该装置包括：供电电路、主控电路、设置在供电电路输出端和地之间的点火电路和放电电路、以及设置在供电电路和点火电路之间的逻辑指令控制开关；点火电路包括：并联连接的储能电容、点火电阻、以及与点火电阻串联连接的第一开关；放电电路包括：串联连接的放电电阻和第二开关；在通讯操作时，主控电路控制逻辑指令控制开关断开，使储能电容与供电电路的连接断开，以使储能电容不带电；在点火操作时，主控电路控制所述逻辑指令控制开关闭合，使供电电路对所述储能电容充电，在充电完成后，控制所述第一开关闭合，使点火电阻发热触发点火阈值进行点火。本发明可提高电子雷管的使用安全性。

Description

基于双能量系统的电子雷管控制装置

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种基于双能量系统的电子雷管控制装置。

背景技术

电子雷管，又称数码电子雷管、数码雷管或工业数码电子雷管，即采用电子控制模块对起爆过程进行控制的电雷管。电子雷管本身的安全性，主要决定于它的发火控制电路。

如图1所示，是现有技术中典型的电子雷管控制装置的结构示意图。其中，起爆控制器1，起爆控制器1与电子雷管之间通过双线总线(即图1中的差分总线A和差分总线B)连接。电子控制模块2是电子雷管的控制电路部分。参照图1，电子控制模块2通常由电子雷管芯片21、总线保护电阻R1和R2、静电和浪涌防护电路22、点火电阻R4、储能电容C1、电源电容C2、退偶电容C3等组成。在电子雷管芯片21中，通常包括桥式整流电路、内部电源、总线应答调制电路、总线接收解调电路、主控电路以及开关K1和K2、电阻R3等，部分集成度不高的芯片也可以用外部分立器件实现上述的部分电路。其中，开关K1用于控制电子雷管点火开关动作；开关K2用于在故障等特殊状态下泄放储能电容C1的能量，为了限流通常需要在放电通路上加入限流电阻R3或其它限流电路。

电子雷管在进行起爆前，需要先完成注册、组网、赋码等通讯环节的操作。在图1所示控制装置中，储能电容C1与电子控制模块2中的其它电路一起上电，系统的安全性通过设置分段电压来实现，即设定安全通讯电压工作阶段和起爆高压工作阶段，安全通讯电压要求低于应用上的最大不发火电压，这样在注册通讯阶段，即使储能电容C1存在能量，但是由于电压偏低，且总线充电电流被限制在mA量级，当遇到各种因制造缺陷或意外发生的开关K1击穿短路情况下，点火电阻R4也无足够的能量进行点火。但是图1所示电路中在注册通讯阶段储能电容C1上会带有一定的能量，从制造缺陷角度考虑，如果火药的工艺离散性非常大，仍然存在安全隐患。

发明内容

本发明实施例提供一种基于双能量系统的电子雷管控制装置，以提高电子雷管的使用安全性。

为此，本发明实施例提供如下技术方案：

一种基于双能量系统的电子雷管控制装置，所述装置包括：供电电路、主控电路、设置在所述供电电路输出端和地之间的点火电路和放电电路、以及设置在所述供电电路和点火电路之间的逻辑指令控制开关K3；所述点火电路包括：并联连接的储能电容C1、点火电阻R4、以及与点火电阻R4串联连接的第一开关K1；所述放电电路包括：串联连接的放电电阻R3和第二开关K2；

所述主控电路用于控制通讯操作和点火操作，并控制所述逻辑指令控制开关K3、第一开关K1、以及第二开关K2的断开与闭合；在通讯操作时，所述主控电路控制所述逻辑指令控制开关K3断开，使所述储能电容C1与所述供电电路的连接断开，以使所述储能电容C1不带电；在点火操作时，所述主控电路控制所述逻辑指令控制开关K3闭合，使所述供电电路对所述储能电容C1充电，在充电完成后，控制所述第一开关K1闭合，使所述点火电阻R4发热触发点火阈值进行点火。

可选地，在所述逻辑指令控制开关K3与所述点火电路之间还设置有恒流源。

可选地，所述装置还包括：电压监测单元、以及设置在所述逻辑指令控制开关K3和所述恒流源之间的电压比较控制开关K4；所述电压监测单元，用于在点火操作时监测所述供电电路的电压，并在监测电压大于设定的电压阈值时，控制所述电压比较控制开关K4闭合所述储能电容C1与所述供电电路的连接，使所述恒流源对所述储能电容C1充电。

可选地，所述电压监测单元包括：分压电路、基准电源、以及比较器；所述比较器的两个输入端分别与所述分压电路的输出端和所述基准电源的输出端连接，所述比较器的输出端与所述电压比较控制开关K4的控制端连接；

所述分压电路，用于对所述供电电路的电压进行分压，得到所述监测电压；

所述基准电源，用于提供基准电压；

所述比较器，用于在所述分压电路输出的电压大于所述基准电压的情况下，控制所述电压比较控制开关K4闭合所述储能电容C1与所述逻辑指令控制开关K3的连接。

可选地，所述基准电源的输出电压可调。

可选地，所述供电电路包括：通过差分总线与起爆控制器连接的桥式整流电路，在所述桥式整流电路和所述起爆控制器相连的差分总线上设置有总线保护电阻，在所述总线保护电阻前端设置有与所述差分总线相连的静电和浪涌防护电路；所述桥式整流电路的第一输出端连接所述逻辑指令控制开关K3、并通过电源电容C2接地，所述桥式整流电路的第二输出端接地。

可选地，在所述逻辑指令控制开关K3与所述储能电容C1之间还设置有限流电阻。

可选地，所述限流电阻与所述总线保护电阻相匹配。

可选地，所述总线保护电阻的阻值为1kΩ至10kΩ。

可选地，所述装置还包括：通讯电路，所述通讯电路包括：设置在所述总线保护电阻后端、并且分别与所述差分总线连接的总线接收解调电路和总线应答调制电路；所述主控电路根据所述总线解调电路解调得到的总线信息生成应答信息，并通过所述总线应答调制电路将所述应答信息调制到所述差分总线上。

本发明实施例提供的基于双能量系统的电子雷管控制装置，在注册、组网、赋码等通讯环节利用逻辑指令控制开关将供电电路与点火电路隔离开，使储能电容不带电；在需要点火时，通过远程控制逻辑指令控制开关闭合，接通供电电源和点火电路，给储能电容充电，在充电完成后进行相应爆破操作，可以有效保证电子雷管的使用安全性。

进一步地，将逻辑指令控制开关与恒流源相配合，既限制了开关闭合瞬间的电流大小，也通过恒流充电加速后期充电速度。

进一步地，通过设置两级开关，将对储能电容的充电由逻辑指令控制开关和电压比较控制开关联合控制，可有效避免制造缺陷引发的安全隐患，使电子雷管的安全性更可靠。

附图说明

图1是现有技术中典型的电子雷管控制装置的结构示意图。

图2是本发明实施例基于双能量系统的电子雷管控制装置的一种结构示意图。

图3是本发明实施例基于双能量系统的电子雷管控制装置的另一种结构示意图；

图4是本发明实施例基于双能量系统的电子雷管控制装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

针对现有的电子雷管控制装置存在的安全问题，本发明实施例提供一种基于双能量系统的电子雷管控制装置，将通讯电路和发火电路供电分开设置，分别为模块的通讯电路和换能元件的发火电路供电，从而在注册、组网、赋码等通讯环节操作时，发火电容不会带电，保证了应用的安全性。

如图2所示，是本发明实施例基于双能量系统的电子雷管控制装置的一种结构示意图。

该装置包括：供电电路、主控电路215、设置在所述供电电路输出端和地之间的点火电路和放电电路、以及设置在所述供电电路和点火电路之间的逻辑指令控制开关K3，逻辑指令控制开关K3也可称为充电开关。其中，所述点火电路包括：并联连接的储能电容C1、点火电阻R4、以及与点火电阻R4串联连接的第一开关K1；所述放电电路包括：串联连接的放电电阻R3和第二开关K2。

在该装置中，主控电路215用于控制通讯操作和点火操作，并控制逻辑指令控制开关K3、第一开关K1、以及第二开关K2的断开与闭合。具体地，在通讯操作时，比如注册、组网、赋码等环节，主控电路215控制逻辑指令控制开关K3断开，使储能电容C1与所述供电电路的连接断开，以使储能电容C1不带电，确保电子雷管使用的安全性；在点火操作时，此时应用现场操作人员已撤离至安全区，远程控制主控电路215使逻辑指令控制开关K3闭合，使所述供电电路对储能电容C1充电，在充电完成后，主控电路215控制第一开关K1闭合，储能电容C1上所带能量使点火电阻R4发热触发点火阈值进行点火。

考虑到爆破现场可能会遇到各种情况，有些情况需要暂时取消爆破，为保证安全，需要对点火电容C1放电。此时主控电路215控制第二开关K2闭合，对点火电容C1放电。完成放电后，主控电路215控制第二开关K2断开。

参照图2，所述供电电路包括：通过差分总线A、B与起爆控制器10连接的桥式整流电路211，在桥式整流电路211和起爆控制器10相连的差分总线上设置有总线保护电阻R1和R2，在总线保护电阻R1和R2前端设置有与差分总线A、B相连的静电和浪涌防护电路220。桥式整流电路211的第一输出端连接逻辑指令控制开关K3、并通过电源电容C2接地，桥式整流电路211的第二输出端接地。

进一步地，如图2所示，该装置还包括：通讯电路，所述通讯电路包括：设置在总线保护电阻R1和R2后端、并且分别与差分总线A、B连接的总线接收解调电路214和总线应答调制电路213。其中，总线接收解调电路214用于解调总线上传输的信息(包括但不限于起爆控制器发出的信息)，并将解调后的信息传送给主控电路215；总线应答调制电路213用于将主控电路215生成的应答信息调制到差分总线上。也就是说，主控电路215根据总线接收解调电路214解调得到的总线信息生成应答信息，并通过所述总线应答调制电路213将所述应答信息调制到差分总线上。

在该实施例中，第二开关K2用于在故障等特殊状态下泄放储能电容C1的能量，放电电阻R3对放电通路起到限流作用。

爆破现场有可能出现各种情况，为了安全，有时候需要临时取消爆破。主控电路215接收到起爆控制器10下发的放电指令后，可通过控制开关K2闭合，将点火电容C1上的电放掉，即可取消爆破。

起爆控制器10可以通过差分总线A、B给电子雷管下发放电指令。每个电子雷管都有自己的专有编码，起爆控制器10可以群发，也可以单独下发指令，对此本发明实施例不做限定。

需要说明的是，在具体应用中，如图2所示，上述供电电路、通讯电路、主控电路等，可以集成在一个电子雷管芯片201中，电子芯片内的有源器件比如主控电路215，所需电源由内部电源212提供，所述内部电源212与桥式整流电路211的输出端相连，通常可采用LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)来实现，为所述有源器件提供稳定的低压电源。内部电源212还连接有退偶电容C3，退偶电容C3可起到滤波作用，以防止前后电路电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流波动对电路的正常工作产生影响。前端的总线保护电阻R1和R2、静电和浪涌防护电路220、以及储能电容C1、点火电阻R4等设置在电子雷管芯片201之外，和电子雷管芯片201一起作为电子控制模块20。

本发明实施例提供的基于双能量系统的电子雷管控制装置，在注册、组网、赋码等通讯环节利用逻辑指令控制开关K3将供电电路与点火电路隔离开，使储能电容C1不带电；在需要点火时，通过远程控制逻辑指令控制开关闭合，接通供电电源和点火电路，给储能电容C1充电，在充电完成后进行相应爆破操作。可见，利用本发明装置，可以有效保证电子雷管的使用安全性。

考虑到在一些极端情况下，逻辑指令控制开关K3也存在击穿短路的故障的可能性，在注册组网阶段，虽然第一开关K1和逻辑指令控制开关K3同时出现问题的可能性非常低，但是还是要保证万一出现这种情况时的安全性。为此，可以将总线保护电阻R1和R2设置为较大阻值，阻值范围推荐1K-10K欧姆，比如可以选用4.7K欧姆，以限制差分总线上的充电电流在mA级别，使点火电阻R4发热的能量不足以触发点火阈值。这样即使因制造缺陷或应用中的各种外部干扰，导致充电开关K3或点火开关K1提前或意外击穿导通的情况下，也不会触发非预期的发火动作，从而进一步提高了电子雷管的使用安全性。

在开关完好的情况下，由于注册组网阶段电子控制模块20的主电路部分已经获得了一定的能量进行工作(即电源电容C2存储的能量达到一定的电压幅度)，当充电开关K3打开充电的瞬间，会有短暂的大电流冲击点火电阻R4，若第一开关K1存在缺陷，相当于进行了一次点火操作，存在起爆风险。若开关K1完好，也会存在短暂的瞬间大电流冲击，这个瞬间大电流的存在对点火电阻R4的安全性和可靠性不利，并且这个瞬间大电流也会引起电源电容C2和储能电容C1之间的能量再分配，特别是在差分总线存在较大的总线保护电阻时，由于差分总线来不及给电源电容C2提供足够电流，若电源电容C2的容值远低于储能电容C1的容值，则可能导致电源电容C2电压的瞬间跌落，使电子控制模块20掉电复位。而加大电源电容C2的容值既给成本和充电时间带来负面影响，又会增加前面所述的瞬间大电流的不利影响，为此在本发明装置另一实施例中，还可在充电开关K3至储能电容C1之间增加一个限流电阻(未图示)，且限流电阻的阻值是与前端的总线保护电阻R1和R2的阻值相匹配的。

限流电阻的阻值与前端的总线保护电阻R1和R2的阻值相匹配，是指使流经总线保护电阻R1和R2的电流和流经限流电阻的电流大体相当(通常为mA级电流)，这样既可以防止充电开关K3闭合时，电源电容C2上的电压被储能电容C1瞬间拉低，又可以防止第一开关K1出现制造缺陷(比如短路)时，流经点火电阻R4上的电流太大，导致点火电阻R4上的热量达到点火阈值。

考虑到RC参数的存在，上述增加限流电阻的方式使得充电开关K3闭合后对储能电容C1充电速度相对较慢，特别是充电至后期，充电电流越来越小，充满电的等待时间变得很长，影响使用效果。为此，在本发明装置另一非限制性实施例中，如图3所示，在充电开关K3至储能电容C1之间增加恒流源216，也就是说，用一个恒流源代替上述限流电阻，通过恒流源216可有效限制充电开关K3闭合瞬间的充电电流，还可加速后期充电速度。这样，不仅保证了电子雷管的使用安全性，而且可避免充电开关K3闭合瞬间产生大充电电流而使电源电容C2的电压迅速跌落、进而产生非预期的芯片掉电的情况发生，还大大提高了充电速度，可以获得更好的使用效果。

参照图4，是本发明实施例基于双能量系统的电子雷管控制装置的另一种结构示意图，采用两级充电开关，即在逻辑指令控制开关K3和恒流源216之间设置电压比较控制开关K4。

另外，与图3所示实施例相比，该实施例的控制装置还包括电压监测单元，用于在点火操作时监测所述供电电路的电压，并在监测电压大于设定的电压阈值时，控制电压比较控制开关K4闭合储能电容C1与所述供电电路的连接，使恒流源216对储能电容C1充电。

如图4所示，所述电压监测单元包括：分压电路219、基准电源217、以及比较器218。比较器218的两个输入端分别与分压电路219的输出端和基准电源217的输出端连接，所述比较器218的输出端与电压比较控制开关K4的控制端连接。其中：

分压电路219用于对所述供电电路的电压进行分压，得到所述监测电压；

基准电源217用于提供基准电压；

比较器218用于在分压电路219输出的电压大于所述基准电压的情况下，控制电压比较控制开关K4闭合储能电容C1与逻辑指令控制开关K3的连接，从而闭合储能电容C1与所述供电电路的连接，由恒流源216对储能电容C1充电。

需要说明的是，上述分压电路219和基准电源217可以由分压电阻对总线上电压进行分压来实现。另外，基准电源217可设计为输出电压可调模式，方便在不同场景下的应用。

图4所示实施例的基于双能量系统的电子雷管控制装置，采用两级开关，并且分别由开关指令控制和电压幅度比较控制，使得在点火操作时，总线电压达到一定值(比如11V)的情况下再接通储能电容C1与供电电路的连接，从而可有效地规避开关K3潜在的制造缺陷引发的安全隐患，更好地保证电子雷管的使用安全性及使用效果。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述装置包括：供电电路、主控电路、设置在所述供电电路输出端和地之间的点火电路和放电电路、以及设置在所述供电电路和点火电路之间的逻辑指令控制开关(K3)；所述点火电路包括：并联连接的储能电容(C1)、点火电阻(R4)、以及与点火电阻(R4)串联连接的第一开关(K1)；所述放电电路包括：串联连接的放电电阻(R3)和第二开关(K2)；

所述主控电路用于控制通讯操作和点火操作，并控制所述逻辑指令控制开关(K3)、第一开关(K1)、以及第二开关(K2)的断开与闭合；在通讯操作时，所述主控电路控制所述逻辑指令控制开关(K3)断开，使所述储能电容(C1)与所述供电电路的连接断开，以使所述储能电容(C1)不带电；在点火操作时，所述主控电路控制所述逻辑指令控制开关(K3)闭合，使所述供电电路对所述储能电容(C1)充电，在充电完成后，控制所述第一开关(K1)闭合，使所述点火电阻(R4)发热触发点火阈值进行点火。

2.根据权利要求1所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，在所述逻辑指令控制开关(K3)与所述点火电路之间还设置有恒流源。

3.根据权利要求2所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述装置还包括：电压监测单元、以及设置在所述逻辑指令控制开关(K3)和所述恒流源之间的电压比较控制开关(K4)；

所述电压监测单元，用于在点火操作时监测所述供电电路的电压，并在监测电压大于设定的电压阈值时，控制所述电压比较控制开关(K4)闭合所述储能电容(C1)与所述供电电路的连接，使所述恒流源对所述储能电容(C1)充电。

4.根据权利要求3所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述电压监测单元包括：分压电路、基准电源、以及比较器；所述比较器的两个输入端分别与所述分压电路的输出端和所述基准电源的输出端连接，所述比较器的输出端与所述电压比较控制开关(K4)的控制端连接；

所述分压电路，用于对所述供电电路的电压进行分压，得到所述监测电压；

所述基准电源，用于提供基准电压；

所述比较器，用于在所述分压电路输出的电压大于所述基准电压的情况下，控制所述电压比较控制开关(K4)闭合所述储能电容(C1)与所述逻辑指令控制开关(K3)的连接。

5.根据权利要求4所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述基准电源的输出电压可调。

6.根据权利要求1所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述供电电路包括：通过差分总线与起爆控制器连接的桥式整流电路，在所述桥式整流电路和所述起爆控制器相连的差分总线上设置有总线保护电阻，在所述总线保护电阻前端设置有与所述差分总线相连的静电和浪涌防护电路；所述桥式整流电路的第一输出端连接所述逻辑指令控制开关(K3)、并通过电源电容(C2)接地，所述桥式整流电路的第二输出端接地。

7.根据权利要求6所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，在所述逻辑指令控制开关(K3)与所述储能电容(C1)之间还设置有限流电阻。

8.根据权利要求7所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述限流电阻与所述总线保护电阻相匹配。

9.根据权利要求6所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述总线保护电阻的阻值为1kΩ至10kΩ。

10.根据权利要求6至9任一项所述的基于双能量系统的电子雷管控制装置，其特征在于，所述装置还包括：通讯电路，所述通讯电路包括：

设置在所述总线保护电阻后端、并且分别与所述差分总线连接的总线接收解调电路和总线应答调制电路；

所述主控电路根据所述总线解调电路解调得到的总线信息生成应答信息，并通过所述总线应答调制电路将所述应答信息调制到所述差分总线上。