-
Elektrische Zündschaltung für Geschoßzündeinrichtungen zum Zünden
einer oder mehrerer Ladungen Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Zündschaltung
für Geschoßzündeinrichtungen zum Zünden einer oder mehrerer Ladungen mittels eines
Zündelementes zu genau vorgegebenen Zeiten. Hierbei soll sowohl die Eingangsenergie
mit Rücksicht auf das Bauvolumen des Zünders als auch die Streuung der Umsetzungszeit
der Zündmittel mit Rücksicht auf die genaue Einhaltung der vorgegebenen Zeit möglichst
klein gehalten werden.
-
Es sind mechanische Lösungen bekannt, die das Zünden einer ersten
oder zweiten Ladung nach einer bestimmten Zeit ermöglichen. Diese Lösungen scheiden
aber bei extrem kurzen Verzögerungszeiten, die z. B. nur Mikrosekunden betragen,
völlig aus. Bei größeren Zeiten bedingen sie oft derart ungünstige Abmessungen des
Zünders, daß sie in vielen Fällen nicht eingesetzt werden können.
-
Will man ein derartiges Problem rein elektrisch lösen, so muß man
selbsttätige Schalter einsetzen. Voraussetzung für die Verwendbarkeit einer elektrischen
Lösung ist, daß diese Schalter genau zu der vorgegebenen Zeit schalten und dann
die gespeicherte Energie so schnell auf das Zündelement geben, daß die Streuung
der Umsetzungszeit des Zündelementes einen minimalen Wert erreicht. Ferner ist es
bezüglich der Abmessungen des gesamten Zünders wichtig, die zu speichernde Energie
möglichst klein zu halten.
-
Es ist bekannt, mit RC-Gliedern Zündschaltungen aufzubauen, bei denen
die in einem Speicherkondensator gespeicherte Zündenergie über einen Widerstand
verzögert auf einen parallel geschalteten Zündkondensator gegeben und, um die Zündung
des Zündelementes erst bei einer bestimmten Spannungshöhe einzuleiten, über ein
Schaltelement, dessen Innenwiderstand bei Überschreiten eines Schwellenwertes der
Spannung sprungartig abnimmt und bei Unterschreiten eines anderen, niedrigeren Schwellenwertes
der Spannung sprungartig zunimmt, auf das Zündelement übertragen wird, wobei das
Schaltelement mit dem Zündelement in Reihe geschaltet ist und die Reihenschaltung
parallel zum Zünderkondensator liegt.
-
Bei diesen bekannten Zündschaltungen bestehen die spannungsabhängigen
Schaltelemente aus Glimmlampen. Bei der Verwendung solcher Glimmlampen in Geschoßzündeinrichtungen
ergeben sich jedoch gewisse Schwierigkeiten insofern, als der Einbau und die Halterung
der Glimmlampen infolge des zumeist nur in begrenztem Maße zur Verfügung stehenden
Raumes sehr umständlich sind. Ferner ist auch die Funktionssicherheit nicht immer
gewährleistet, da solche Glimmlampen gegen Stöße und Erschütterungen empfindlich
sind.
-
An Hand der Fig. 1 sei die Wirkungsweise einer derartigen Anordnung
erläutert; das Diagramm in Fig.2 zeigt den Verlauf der Spannung am Zündkondensator
2 als Funktion der Zeit. Zur Zeit 6 wird ein Speicherkondensator 1 zu einer bestimmten
Spannung aufgeladen und dann über einen entsprechend der gewünschten Verzögerungszeit
ausgelegten Widerstand 3 auf einen Zündkondensator 2 umgeladen. Da die Glimmlampe
4 im ungezündeten Zeitbereich 6 bis 7 einen sehr hohen Innenwiderstand Ri hat, ist
eine gleichzeitige Entladung des Zündkondensators 2 über den Außenkreis, gebildet
aus der Glimmlampe 4
und dem Zündelement 5 mit dem Widerstand Rz, nicht möglich.
-
Bei Erreichen der Zündspannung U9 zur Zeit 7 zündet die Glimmlampe
4, und ihr Innenwiderstand Ri sinkt stark ab, so daß sich der Zündkondensator 2
über den Außenkreis bis auf die Löschspannung Ufo entladen kann. Die Entladezeit
7 bis 8 hängt von der Zeitkonstante T = CR ab, wobei R = Ri -f- Rz und C die Kapazität
des Zündkondensators 2 ist.
-
Unterhalb der Löschspannung Ulo hat die Glimmlampe 4 wieder einen
sehr hohen Widerstand Ri, so daß eine weitere Entladung ausgeschlossen ist. Daraus
ergibt sich, daß im Zündkondensator 2 eine Restenergie von der Größe 1/z
- C Ui, verbleibt, die für die Zündung nicht ausnutzbar ist. Da die minimale
Löschspannung der Glimmlampen bei etwa 70 Volt liegt, kann selbst bei kleineren
Kapazitäten die Restenergie im Vergleich zur Ansprechempfindlichkeit des Zündelementes
(z. B. 0,5 - 10-3 Ws) noch sehr groß sein.
-
Insgesamt wird dem Außenkreis somit während der Entladezeit 7 bis
8 eine Energie von der Größe
ij2C- (U,' - U;") zugeführt,
die sich nach bekannten Gesetzen im Verhältnis der Widerstände Ri und Rz aufteilt.
Der Innenwiderstand Ri der gezündeten Glimmlampe ist lastabhängig und liegt mit
seinem Minimalwert bei etwa 1 ka. Will man nun den größten Teil der im Zündkondensator
2 gespeicherten Energie auf das Zündelement 5 übertragen, so muß nach den bisherigen
Ausführungen der Widerstand Rz des Zündelementes wesentlich größer sein als der
Innenwiderstand Ri der Glimmlampe 4. Damit vergrößert man aber zwangläufig die Zeitkonstante
T = CR, d. h., die in. -der Zeiteinheit dem Zündelement zugeführte
Energie wird geringer und somit die Streuung der Umsetzungszeit größer.
-
Diese für die Einhaltung einer genauen Verzögerungszeit ungünstigen
Faktoren können zum Teil dadurch ausgeschaltet werden, daß man im Zündkondensator
2 erheblich mehr Energie speichert, als für die Initiierung des Zündelementes 5
erforderlich ist. Damit wird aber -der Zünder größer, so daß er in vielen Fällen
mit begrenztem Zünderraum nicht eingesetzt werden kann. Ferner steht auch eine derart
große Energie nicht immer zur Verfügung.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und eine elektrische Zündschaltung für Geschoßzündeinrichtungen so aufzubauen, daß
mit einer minimalen elektrischen Eingangsenergie nach einer vorgegebenen. Zeit das
Zündelement mit einer definierten Zündenergie derart gezündet wird, daß die Streuungen
der Umsetzungszeiten so klein wie möglich gehalten werden.
-
Diese Aufgabe wird nun gemäß der Erfindunng dadurch gelöst, daß, als-spannungsabhängiges
Schaltelement ein an sich bekanntes Halbleiter-Bauelement verwendet wird. Halbleiter
dieser Art sind z. B. unter den Bezeichnungen -»Hocktransistor«, »Gesteuerte Gleichrichter«
und. -»Vierschichtdiode« bekannt, sie zeichnen sich vor allem durch ihre sehr kurzen
Umschaltzeiten aus: Außer den bekannten schaltungsmäßigen Vorteilen ergeben sich
durch die erfindungsgemäße Verwendung der Halbleiter-Bauelemente weitere Vorteile
:für Geschoßzündeinrichtungen, indem einmal der Einbau und die Halterung wesentlich
einfacher durchzuführen sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei gedruckten
Schaltungen die Halbleiterplättchen -unmittelbar in dem Träger der Schaltleitungen
unterzubringen, ähnlich, wie es bereits in der Mikromodultechnik bei Widerständen,
Transistoren u. dgl. bekannt ist. Solche Halbleiter-Bauelemente sind beschleunigungsfest
und drallunempfindlich, so daß durch die Einflüsse der Geschoßbewegung die Funktionssicherheit
nicht beeinträchtigt wird.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Halbleiter in Geschoßzündeinrichtungen
wird also nicht nur ein nahezu vollkommen funktionssicherer Zünder :geschaffen,
sondern. es wird darüber hinaus auch die Herstellung der Zünder vereinfacht und
damit wirtschaftlicher gestaltet.
-
An Hand der, Spannungs-Strom-Charakteristik nach Fig. 3 und dem Schaltbild
in Fig. 4 ist die Wirkungsweise eines derartigen Halbleiters erläutert. Das gezeichnete
Symbol 17 entspricht dem der Vierschichtdiode. Im Diagramm nach, Fig. 5 ist
wiederum die Spannung am Zündkondenstor 16 als Funktion der Zeit aufgetragen.
-
Ähnlich wie bei. der Glimmlampe ist der Halbleiter 17 sehr hochohmi&,,
bis die angelegte positive Spannung einen bestimmten Spannungswert U11 überschreitet.
Der Halbleiter schaltet dann, d. h., er wird niederohmig, wobei der Innenwiderstand
Ri bis auf wenige Ohm absinkt. Dieser Zustand wird so lange aufrechterhalten, bis
ein minimaler Haltestrom unterschritten wird, der höchstens einige Milliampere beträgt.
Die zugehörige Spannung U12 (Fig. 3) wird als Haltespannung bezeichnet. Dann kippt
der Halbleiter 17 wieder in den hochohmigen Bereich über. Die Schaltzeit vom hochohmigen
in den niederohmigen Bereich beträgt Bruchteile einer Mikrosekunde.
-
Um die bereits eingangs erwähnte Streuung der Umsetzungszeit des Zündelementes
18, die wesentlich von der Energiebeaufschlagung in der Zeiteinheit abhängt, klein
zu halten, wurde ein Zündelement mit möglichst niedrigem Innenwidertand Rz, vorzugsweise
kleiner als 20 Ohm, ausgewählt: Setzt man für den Haltestrom einen Wert von beispielsweise
50 mA ein und nimmt man für den Innenwiderstand Ri des Halbleiters einen Mittelwert
von 5 Ohm an, so beträgt die Restspannung U13 am Zündkondensator .16 50 - 10-3 (5
-f- 20) = 1,25 Volt.
-
Bis zur Zeit 6 (Fig. 5) gelten die gleichen Ausführungen wie die zu
Fig. z. Bei Erreichen der Spannung U11 kippt der Halbleiter 17 sehr schnell in den
niedrohmigen Bereich, so daß der Zündkondensator 16 schlagartig über den Außenkreis,
gebildet aus dem Halbleiter 17 und dem neiderohmigen Zündelement 18, bis
auf die kleine Restspannung U13 entladen wird. Nahezu die gesamte im Zündkondensator
16 gespeicherte elektrische Energie wird somit in kürzester Zeit von 19 bis 20 auf
den Außenkreis übergeführt. Umfangreiche Versuche haben bewiesen, daß dadurch die
Streuung der Umsetzungszeit so gering wird, daß man sie in vielen Fällen ganz vemachläs=
sigen kann.
-
Das in Fig. 4 dargestellte Schaltbild darf bis auf den Zündkreis,
gebildet aus dem Zündkondensator 16 und der parallelliegenden Reihenschaltung des
Zündelementes 18 und des Halbleiters 17, beliebig verändert und erweitert werden,
ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
-
Ebenfalls kann unter Zwischenschalten des geschilderten Zündkreises
mit einer hochohmigen Übertragungsspule (beispielsweise induktive Abfeuerung) ein
niederohmiges Zündelement gezündet werden.
-
Fig. 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Zündschaltung für
zwei Ladungen, die in einem bestimmten Zeitabstand voneinander gezündet werden sollen.
Das Spannungs-Zeit-Diagramm in Fig. 7 veranschaulicht den Verlauf der Spannung an
den beiden Zündkondensatoren 21 und 22.
-
Zur Zeit 37 wird über die Eingangsklemmen 23
und 24 der
Zündschaltung eine definierte elektrische Energie zugeführt, d. h., die Speicherkondensatoren
25 und 26 werden aufgeladen. Im vorliegenden Beispiel ist als Energiequelle ein
aufgeladener Kondensator 27 gewählt worden, der über einen Schalter 28 die Speicherkondensatoren
25 und 26 auflädt. Die Umladewiderstände 29 und 30 sind jetzt so abgestimmt, daß
die Zeitdifferenz von 38 bis 39 (Fig. 7) der vorgegebenen Verzögerungszeit zwischen
dem Zünden der beiden Ladungen entspricht.
-
Die Zündung innerhalb der Kreise 35 und 36 erfolgt wie bei der Zündschaltung
nach Fig. 4, und zwar wird bei Erreichen der Spannung U4, an den Halbleitem 31 und
32 die- in den Zündkondensatoren 21
und 22 gespeicherte Energie
schlagartig auf den Außenkreis und damit auf die Zündelemente 33 und 34 übertragen.
-
Der Gleichrichter 41 verhindert nach dem Zünden des Zündelementes
33 zur Zeit 38 eine Entladung des Speicherkondensators 26 auf den Kreis 35.
-
Die Höhe der Zündspannung U40 richtet sich nach den gewählten Kapazitäten
der Kondensatoren und dem Energiebedarf der Zündelemente. Für die Wirkungsweise
der Zündschaltung ist es nicht erforderlich, daß die Zündspannungen der Halbleiter
31 und 32, wie in Fig. 6 dargestellt, gleich gewählt werden. Jeder der Kreise 35
und 36 kann, wie es auch meistens der Fall ist, für sich auf eine ganz bestimmte
Zündspannung abgestimmt sein.
-
E ist selbstverständlich, daß für das Zünden von weiteren Ladungen
die Zündschaltung ohne Schwierigkeiten durch Parallelschalten weiterer Kreise ergänzt
werden kann.
-
Für eine Aufschlagzündung mit Verzögerung würde der Kreis 35 mit dem
Energiespeicher 27 und dem Schalter 28 ausreichen, und zwar könnte der Schalter
28 beim Auftreffen des Geschosses im Ziel zur Zeit 37 in Fig. 7 Kontakt geben und
damit die Zündung des Zündelementes 33 einleiten. Zur Zeit 38 würde dann die Sprengladung
gezündet werden.
-
Außerdem besteht die Möglichkeit, die Erfindung bei Geschossen einzusetzen,
bei denen auf der Flugbahn eine Zusatzladung gezündet werden soll. Die Schaltung
wird dann lediglich so erweitert, daß die zweite Ladung 34 nur dann zünden kann,
wenn ein beschleunigungsabhängiger Schalter nach dem Zünden der ersten Ladung 33
Kontakt gegeben hat. Dadurch wird verhindert, daß die zweite Ladung bei einem Versagen
der ersten Ladung zündet.
-
Ein weiteres Ausfühungsbeispiel zeigt Fig. B. Bei induktiven Abfeuerungen
kommt man in den meisten Fällen, bedingt durch vielerlei Faktoren, so z. B. die
zu übertragende Energie oder die Konstruktion des Gerätes, zu hochohnügen Übertragungsspulen
42 und 43. Damit wird aber die Auswahl der zur Verfügung stehenden Zündelemente
44 stark eingeengt, da nach den bekannten Anpassungsgesetzen nur dann eine optimale
Energieausnutzung möglich ist, wenn der Innenwiderstand der Wicklung 43 gleich dem
Widerstand des Zündelementes 44 ist, d. h., wenn das Zündelement ebenfalls hochohmig
ist.
-
Lädt man dagegen gemäß Fig. 8 über einen Gleichrichter 45 einen Zündkondensator
46 auf, der bei Erreichen der Zündspannung des Halbleiters 17 schlagartig über den
Außenkreis, gebildet aus dem Halbleiter 17 und dem Zündelement 44, entladen wird,
so kann man ein niederohmiges Zündelement mit dem bereits erwähnten Vorteilen einsetzen.
Und zwar wird dadurch das Zündelement 44 stets zur gleichen Zeit mit der
gleichen gespeicherten Energie in einer sehr kurzen Zeit, die durch die Zeitkonstante
T = CR gegeben ist, beaufschlagt. Diese Forderungen werden vielfach dann gestellt,
wenn bei einer Rohrbatterie mit hoher Schußfolge die Geschosse induktiv angefeuert
werden sollen.