CN209131523U - 具有短路保险功能的安全点火电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有短路保险功能的安全点火电路，涉及常规弹药电子引信、导弹火箭弹、工矿领域电雷管和其他电火工品的安全控制技术和电子电路技术领域。通过在电火工品点火电路中增加分压、分流、泄流和抗干扰元件，并基于低成本的常闭型和常开型光继电器设计逻辑电路，具有点火电容充放电控制、点火开关安全控制、电火工品短路控制、解除和恢复保险等功能，使光继电器输出侧根据控制信号按时序动作才能满足电火工品点火起爆条件，以电子电路代替机械短路开关，既能简化和缩小点火装置的结构，又能防止电火工品意外点火，最终形成质量轻、体积小、保险可靠、解锁迅速的高性能电控安全点火电路。

Description

具有短路保险功能的安全点火电路

技术领域

本实用新型涉及常规弹药电子引信、导弹火箭弹、工矿领域电雷管和其他电火工品的安全控制技术和电子电路技术领域，具体为一种具有对电火工品短路保险功能的安全点火电路。

背景技术

常规弹药电子引信起爆控制电路、导弹火箭弹发动机点火装置、工矿领域电雷管、电点火管等电火工品点火电路一般由点火开关、电火工品和贮能电容器(点火电容)组成。工作时点火电路在控制信号作用下，使点火开关导通，贮能电容器经过执行开关向电火工品释放其贮存的电能，使电火工品点火。

而在点火装置的设计中，还需要为电火工品并联短路开关以实现点火装置的短路保险功能，短路开关一般是在特定条件下用于电雷管或其他电火工品由短路状态转换为断路状态的部件，其特点是既要在保险状态可靠短接电雷管，又要在解除保险后保持良好的断开状态。

由于点火电路常用的电火工品自身阻值极小。如爆炸丝电雷管电阻在mΩ数量级，桥丝式电雷管电阻在Ω数量级，为了能在在短路状态下有效旁路可能加在电雷管上的电能，国内武器系统中常采用簧销式和簧片式机械短路开关并联在电雷管两引脚上，机械短路开关存在结构复杂、成本高、可靠度低的不足，纯电子的点火电路需配合机械短路开关组成点火装置才能工作，增加了系统的复杂度和故障率。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了具有短路保险功能的安全点火电路，以电子电路代替机械短路开关，具有点火电容充放电控制、点火开关安全控制、电火工品短路控制、解除和恢复保险等功能，并具有较好的抗干扰特性，使点火装置可由纯电路实现。

本实用新型提供了具有短路保险功能的安全点火电路，包括：点火电容充放电控制模块、点火开关执行模块、电火工品短路控制模块，其中点火电容充放电控制模块主要包括点火电容短路开关J4、点火电容C1、充电保护二极管D1、充电限流电阻R8；点火开关执行模块主要包括点火开关J2、测试二极管D6；电火工品短路控制模块主要包括：电火工品短路开关J1、限流电阻短路开关J3、测试电阻R2、点火限流电阻R3、TVS管D7。

其中，J1～J4为光继电器，光继电器在输入侧采用了LED，在输出侧采用了MOSFET，J1和J4为两个常闭型光继电器，输出侧通态电阻阻值范围在1～25Ω，J2和J3为两个常开型光继电器，输出侧断态漏电流在pA数量级。J1～J4光继电器开关时间范围在0.2ms～2ms，开关响应快，解锁迅速，J1～J4采用SOP、VSON等封装形式，尺寸较小，极大的促进电路整体的小型化设计。

电火工品在电路中用R1表示其内阻，常用的电火工品阻值在Ω和mΩ数量级，测试电阻R2阻值远大于电火工品内阻R1，点火限流电阻R3的阻值远大于测试电阻阻值R2。充电限流电阻R8阻值远大于J4输出侧通态电阻的阻值。

D1、R8和C1依次串联，串联后的两端分别接电源Vin和接地，J4输出侧的两个引脚分别连接在C1两端，J2输出侧的一个引脚连接在R8和C1之间，另一个引脚与D6、R3、R2依次串联，R2再接地，J1输出侧的两个引脚分别连接在R3和R2串联后的两端，J3输出侧的两个引脚分别连接在R3的两端，电火工品和R2、D7并联，J1、J3、J4的一个输入侧控制引脚与单片机连接，以做控制使用，J2作为点火开关和隔断电能的传输通路，其两个输入侧控制引脚均接单片机，以单片机同时输出1和0作为点火开关由断开状态转至导通状态的双路控制信号以提高抗干扰性。

本实用新型实施例中的具有短路保险功能的安全点火电路，保险状态时，J4输出侧对C1形成泄流保护，R8和J4将C1端压钳位在低电位，系统不上电时保证C1两端不会累积电荷，系统上电后限制点火电容C1上积蓄的能量不超过电火工品最大不发火能量；J1对电火工品R1形成短路保护，R3对电火工品R1形成限流和限压保护，D7对R1形成静电放电和射频干扰旁路保护；解除保险时，J4由通态转入断态，Vin经D1、R8向C1充电，J3输出侧导通，J1输出侧断开，解除对R1的限流限压和短路保护；点火时，J2输出侧导通，点火电容C1中贮存的电能通过J2输出侧、D6、光继电器J3输出侧向电火工品R1放电，电火工品R1点火起爆。在试验测试结束后或系统出现故障导致电火工品R1未被引爆，使单片机复位，又可恢复保险。

本实用新型通过增加分压、分流、抗干扰元件，基于光继电器设计电阻网络复合电路，可实现基于常闭型光继电器的电火工品短路保险并兼有较好的抗射频干扰和抗静电放电特性。

常开型光继电器和常闭型光继电器都是通过光敏二极管阵列接收LED光线，将其转换成MOSFET驱动电压来工作，没有机械触点，实现了输入侧控制信号和输出侧能量信号的光电隔离。光继电器具有驱动电流小、导通电阻小、体积小、切换速度快、抗干扰性强等优点，提高了电火工品的保险安全性和起爆可靠性。本实用新型所用的常闭型光继电器和输出侧通态电阻阻值范围在1～25Ω的常开型光继电器的成本较低，实现了低成本光继电器的短路保险电路，具有较高的工程实用价值和成本优势。

本实用新型基于低成本的常闭型和常开型光继电器设计逻辑电路，实现了纯电子电路的短路保险，具有点火电容充放电控制、点火开关安全控制、电火工品短路控制、解除和恢复保险等功能，使光继电器输出侧根据单片机指令按时序动作才能满足电火工品点火起爆条件，从而实现了电火工品的时序保险和安全点火，提高了电火工品的保险安全性和起爆可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的的模块组成及逻辑时序方框图；

图2是本实用新型实施例提供的电路整体结构图；

图3是本实用新型实施例提供的电火工品短路控制模块的另一种实现方式电路图；

图4是本实用新型实施例提供的靠高能快速脉冲起爆的电火工品短路控制模块电路图；

图5是为实用新型提供控制信号的控制开关网络电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

利用常开型光继电器作为点火开关，其两个输入侧控制引脚均接单片机，以单片机同时输出1和0作为点火开关由断开状态转至导通状态的双路控制信号控制点火回路导通，可实现电雷管点火的有效安全控制，提高抗干扰能力。

参照图1、图2，本实用新型实施例提供了具有短路保险功能的安全点火电路，该电路主要包括：点火电容充放电控制模块、点火开关执行模块、电火工品短路控制模块。

其中点火电容充放电控制模块包括点火电容短路开关J4、点火电容C1、充电保护二极管D1、充电限流电阻R8；点火开关执行模块包括：点火开关J2、测试二极管D6；电火工品短路控制模块包括：电火工品短路开关J1、限流电阻短路开关J3、测试电阻R2、点火限流电阻R3、TVS管D7。

其中，J1～J4为光继电器，光继电器在输入侧采用了LED，在输出侧采用了MOSFET，J1和J4为两个常闭型光继电器，输出侧通态电阻阻值范围在1～25Ω，J2和J3为两个常开型光继电器，输出侧断态漏电流在pA数量级。

电火工品内阻R1与电火工品短路开关J1输出侧通态电阻阻值接近，测试电阻R2阻值远大于电火工品内阻R1，点火限流电阻R3的阻值远大于测试电阻阻值R2，充电限流电阻R8阻值远大于J4输出侧通态电阻的阻值。

四个光继电器的输入侧控制引脚1分别与单片机的IO引脚电连接，以做控制使用，具体地，单片机可以为51系列单片机，J1的控制引脚1与单片机的引脚P0.1电连接，J2的控制引脚1与单片机的引脚P0.2电连接，J2的控制引脚2与单片机的引脚P0.5电连接，J3的控制引脚1与单片机的引脚P0.3电连接，J4的控制引脚1与单片机的引脚P0.4电连接。

点火信号涉及到极高的安全性，如果仅通过一路控制信号触发则会带来一定的安全隐患，而光继电器输入端导通所需输入电流仅3～5mA，则利用单片机2个引脚可直接驱动光继电器动作。故点火信号设计为需同时满足P0.2置1，P0.5置0的两路控制信号，实现了安全点火，提高了抗干扰性。

点火电容充放电控制模块主要由D1、R8、C1、J4组成，D1、R8和C1依次串联，串联后的两端分别接充电电能输入端V_in和接地，J4输出侧的两个引脚并联在C1两端，J4初始状态为导通状态，J4的输出侧可看作C1的泄流电阻，保证了C1平时不积累电荷，而当系统上电，V_in输出充电电能，由于R8远大于J4输出侧通态电阻，节点E的电压钳位至低电位(低于点火回路中D6的导通电压)，限制点火电容上积蓄的能量不超过电火工品最大不发火能量。在点火前，需先将P0.4输出置1，J4由通态转入断态，V_in经D1、R8向C1充电，充电时间常数为R8C1，经3～5倍的时间常数，充电过程基本完成，系统进入待发状态。

点火开关执行模块主要由J2、D6组成。J2输出侧的一个引脚连接在R8和C1之间，另一个引脚通过D6接电火工品短路控制模块。J2的输入侧分别接单片机引脚P0.2和P0.5，J2初始状态为断开状态使点火回路不导通。当P0.2置1，同时P0.5置0时，J2输出侧由断态转入通态。导通点火回路，同时D6发光，D6发光强弱与点火电流大小成正比。

电火工品短路控制模块主要由J1、J3、R3、R2、D7组成，J1初始状态为导通状态，J3初始状态为断开状态，R3一端与点火开关执行模块中的D6连接，一端与R2串联，R2一端与R3串联，一端接地，J1输出侧的两个引脚分别连接在R3和R2串联后的两端，J1输入侧一个引脚接P0.1，J3输出侧的两个引脚分别连接在R3的两端，J3输入侧的一个控制引脚接P0.3，电火工品R1和R2、D7并联。

初始状态J1输出侧为导通状态，J3输出侧为断开状态，J1对由R1、R2、R3、D7组成的网络形成短路保护，R3阻值远大于R1和R2，R3起到限流和串联阻抗ESD(静电放电)抑制和射频抑制作用，同时将节点B电压钳位至低电位，保证了流经电火工品R1电流小于最小点火电流，R1的端压小于最小点火电压。TVS管D7起到旁路ESD和射频干扰的作用。当点火开关执行模块输出点火信号的同时或之前，应将P0.1、P0.3同时(也可不同时)置1，此时J1输出侧断开，解除对R1的短路保护，J3输出侧导通形成“节点A→J3输出侧→节点B→R1”的点火通路。

本实施例中，J1～J4的输入侧控制引脚2还分别连接有电阻R6、R4、R5和R7，同时，J1～J4还分别通过发光二极管D4、D2、D3和D5与单片机电连接，其中单片机与发光二极管的正极连接，该四个发光二极管用于指示每个光继电器的工作状态，便于进行人机交互。其中发光二极管D6的正极与J2输出侧3引脚电连接，D6负极接R3，D6用于指示点火电流的通断和强弱。

上述电阻R4～R7中，电阻R5～R7与光继电器输入侧2引脚连接后接地，电阻R4与光继电器输入侧2引脚连接后与单片机的引脚P0.5电连接。电阻R4～R7用作输入侧限流，以保证每个光继电器的正常工作。

当电火工品R1未连接时，测试电阻R2保证电路能够形成回路进行测试，当R1和R2并联时，R2电阻远大于R1，R2的作用可忽略，当R3和R1串联时，R3电阻阻值远大于R1。这就保证了在未解除保险时，即使J2误动作导通，流经电火工品R1的电流仍远小于电火工品的最小发火电流，R1端压远小于最小点火电压，保证了电火工品的安全。

图3为本实用新型实施例提供的电火工品短路控制模块的另一种实现方式，图3中J1、J5为常闭型光继电器，当所选用的电火工品阻值R1远大于J1输出侧导通电阻时，可将J1输出侧引脚4和引脚3分别与节点C，节点O相连，即J1输出侧直接与R2、R1并联，也可并联2个以上常闭型光继电器输出侧以达到更好的短路效果，例如图3中将2个常闭型光继电器J1和J5输出侧同时与R1、R2并联。J5输入侧控制引脚1通过发光二极管D8接单片机引脚P0.6，J5输入侧引脚2经电阻R9接地。

图4中的电火工品短路控制模块中去掉了TVS管D7，主要针对对静电、杂散电流、射频等意外干扰钝感，起爆阈值电压高，起爆脉宽窄，靠高能快速脉冲起爆的电火工品，另外，图4中电火工品短路控制模块可以作为独立的通用模块代替常规点火电路中电火工品，实现对常规点火电路的改造。

图5是为开关网络代替单片机为本实用新型所述的安全点火电路提供控制信号，其中端子P1～P6可代替单片机P0.1～P0.6引脚。具体的，图5中的端子P1通过D4连接J1的控制引脚1，P2通过D2连接J2的控制引脚1，P5通过R4连接J2的控制引脚2，P3通过D3连接J3的控制引脚1，P4通过D5连接J4的控制引脚1，P6通过D8连接J5的控制引脚1。当系统上电后，开关K1～K6为断开状态时，可控制J2、J3输出侧为初始断开状态，J1、J4、J5为初始闭合状态，当开关K1～K6为闭合状态时，可控制J2、J3输出侧为闭合状态，J1、J4、J5为断开状态。其中，电源Vcc依次与开关K1、端子P1、电阻R11、二极管D11正极相连，二极管D11负极再接地形成对光继电器J1控制支路；电源Vcc依次与开关K2、端子P2、电阻R22、端子P5、开关K5、二极管D22正极相连，二极管D22负极再接地形成对光继电器J2控制支路；电源Vcc依次与开关K3、端子P3、电阻R33、二极管D33正极相连，二极管D33负极再接地形成对光继电器J3控制支路；电源Vcc依次与开关K4、端子P4、电阻R44、二极管D44正极相连，二极管D44负极再接地形成对光继电器J4控制支路；电源Vcc依次与开关K6、端子P6、电阻R66、二极管D66正极相连，二极管D66负极再接地形成对光继电器J5控制支路。

工作过程如下：

1、初始保险状态：J4输出侧对C1形成泄流保护，R8和J4将C1端压钳位在低电位，系统不上电时保证C1两端不会累积电荷，系统上电后限制点火电容C1上积蓄的能量不超过电火工品最大不发火能量；J1对电火工品R1形成短路保护，R3对电火工品R1形成限流和限压保护，D7对R1形成静电放电和射频干扰旁路保护。

2、点火电容C1充电：系统上电后，将P0.4输出置1，J4由通态转入断态，Vin经D1、R8向C1充电，充电时间常数为R8C1，经3～5倍的时间常数，充电过程基本完成，进入待发状态。单片机的引脚P0.4始终保持高电平1输出，以保证点火电容C1中充好的电荷不会经J4输出侧泄放。

3、电火工品短路保险解除：单片机的引脚P0.3和P0.1同时(也可先后)输出1并保持不变，使J3输出侧导通，J1输出侧断开。解除对R1的限流限压和短路保护，由于J3输出侧导通电阻远小于R3，J3输出侧导通后形成“节点A→J3输出侧→节点B→R1”的点火通路，进入待发状态，等待点火信号。

4、发出点火信号：单片机的引脚P0.2输出1，同时引脚P0.5输出0，此时J2输出侧导通，点火电容C1中贮存的电能通过光继电器J2输出侧、D6、光继电器J3输出侧向电火工品R1放电，电火工品R1点火起爆。

5、保险恢复：在试验测试结束后或系统出现故障导致电火工品R1未被引爆，通过使单片机复位，则J4输出侧重新对C1形成泄流保护，快速释放C1中的残余电荷，J1对电火工品R1形成短路保护，R3对电火工品R1形成限流和限压保护，电路恢复为初始保险状态。

单片机控制信号及光继电器工作时序须按以下进行，才能满足电火工品点火起爆的条件，从而实现了电火工品的时序保险和安全点火：

1、V_in供电；

2、单片机P0.4输出1并保持输出不变，光继电器J4输出侧由导通转为断开；

3、延时一段时间，待贮能电容器C1充电至起爆电压；

4、单片机P0.3和P0.1输出1并保持输出不变，光继电器J3输出侧由断开转为导通，光继电器J1输出侧由导通转为断开；

5、电火工品多道保险解除完毕，进行待发状态，等待点火信号；

6、单片机P0.2输出1同时P0.5输出0，光继电器J2输出侧由断开转为导通，贮能电容器C1经过J2输出侧向雷管释放其贮存的电能，电火工品点火。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，包括：点火电容充放电控制模块、点火开关执行模块和电火工品短路控制模块，其中，所述点火电容充放电控制模块包括点火电容短路开关J4、点火电容C1、充电保护二极管D1、充电限流电阻R8；所述点火开关执行模块包括点火开关J2、测试二极管D6；所述电火工品短路控制模块包括电火工品短路开关J1、限流电阻短路开关J3、测试电阻R2、点火限流电阻R3；

所述充电保护二极管D1、充电限流电阻R8和点火电容C1依次串联，串联后的两端分别接电源V_in和接地，点火电容短路开关J4输出侧的两个引脚分别连接在点火电容C1两端，点火开关J2输出侧的一个引脚连接在充电限流电阻R8和点火电容C1之间，另一个引脚与测试二极管D6、点火限流电阻R3、测试电阻R2依次串联，测试电阻R2再接地，电火工品短路开关J1输出侧的两个引脚分别连接在点火限流电阻R3和测试电阻R2串联后的两端，限流电阻短路开关J3输出侧的两个引脚分别连接在点火限流电阻R3的两端，电火工品和测试电阻R2并联，电火工品短路开关J1、限流电阻短路开关J3、点火电容短路开关J4的输入侧控制引脚均与控制源连接，以做控制使用；

其中，电火工品内阻R1与电火工品短路开关J1输出侧通态电阻阻值相当，测试电阻R2阻值远大于电火工品内阻R1，点火限流电阻R3的阻值远大于测试电阻R2阻值，充电限流电阻R8阻值远大于点火电容短路开关J4输出侧通态电阻的阻值。

2.如权利要求1所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，所述电火工品短路控制模块还包括TVS管D7，该TVS管D7与测试电阻R2并联。

3.如权利要求1所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，电火工品短路开关J1、点火开关J2、限流电阻短路开关J3、点火电容短路开关J4均为光继电器，所述光继电器在输入侧采用LED，在输出侧采用MOSFET，电火工品短路开关J1和点火电容短路开关J4为常闭型光继电器，输出侧通态电阻阻值范围在1～25Ω，点火开关J2和限流电阻短路开关J3为常开型光继电器，输出侧断态漏电流在pA数量级。

4.如权利要求3所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，所述控制源为51系列单片机，所述电火工品短路开关J1的控制引脚1与单片机的引脚P0.1电连接，点火开关J2的控制引脚1与单片机的引脚P0.2电连接，点火开关J2的控制引脚2与单片机的引脚P0.5电连接，限流电阻短路开关J3的控制引脚1与单片机的引脚P0.3电连接，点火电容短路开关J4的控制引脚1与单片机的引脚P0.4电连接。

5.如权利要求4所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，电火工品短路开关J1、点火开关J2、限流电阻短路开关J3、点火电容短路开关J4的输入侧控制引脚2还分别连接有电阻R6、R4、R5和R7，同时，电火工品短路开关J1、点火开关J2、限流电阻短路开关J3、点火电容短路开关J4还分别通过发光二极管D4、D2、D3和D5与单片机电连接，其中单片机与发光二极管的正极连接，该四个发光二极管用于指示每个光继电器的工作状态；

发光二极管D6的正极与点火开关J2输出侧引脚3电连接，发光二极管D6负极接点火限流电阻R3，发光二极管D6用于指示点火电流的通断和强弱；电阻R5～R7与分别与对应光继电器输入侧引脚2连接后接地，电阻R4与对应光继电器输入侧引脚2连接后与单片机的引脚P0.5电连接，电阻R4～R7用作输入侧限流，以保证每个光继电器的正常工作。

6.如权利要求1所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，所述控制源包括电源Vcc、开关K1、K2、K3、K4和K5，电源Vcc依次与开关K1、端子P1、电阻R11、二极管D11正极相连，二极管D11负极接地形成对电火工品短路开关J1的控制支路；

电源Vcc依次与开关K2、端子P2、电阻R22、端子P5、开关K5、二极管D22正极相连，二极管D22负极接地形成对点火开关J2的控制支路；

电源Vcc依次与开关K3、端子P3、电阻R33、二极管D33正极相连，二极管D33负极接地形成对限流电阻短路开关J3的控制支路；

电源Vcc依次与开关K4、端子P4、电阻R44、二极管D44正极相连，二极管D44负极接地形成对点火电容短路开关J4的控制支路；

所述端子P1、P2、P3、P4和P5依次与所述电火工品短路开关J1的控制引脚1、点火开关J2的控制引脚1、限流电阻短路开关J3的控制引脚1、点火电容短路开关J4的控制引脚1、点火开关J2的控制引脚2电连接。

7.如权利要求1所述的具有短路保险功能的安全点火电路，其特征在于，所述电火工品短路控制模块包括电火工品短路开关J1、J5、限流电阻短路开关J3、测试电阻R2、点火限流电阻R3；

所述电火工品短路开关J1的输出侧并联在测试电阻R2的两端，限流电阻短路开关J3输出侧的两个引脚分别连接在点火限流电阻R3的两端，电火工品和测试电阻R2并联，所述电火工品短路开关J5的输出侧并联在所述电火工品短路开关J1的输出侧两端，所述电火工品短路开关J1、J5、限流电阻短路开关J3的输入侧控制引脚均与所述控制源连接；

其中，所述电火工品的内阻R1远大于电火工品短路开关J1输出侧通态电阻阻值。