DE2939700A1 - Sicherheits-zuendschaltung fuer einen unterwasserzuender - Google Patents
Sicherheits-zuendschaltung fuer einen unterwasserzuenderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherheits-Zündschaltung für
Minenvernichtungsladungen ο. dgl., bei der ein Signal aus einem Schallfrequenzbereich verwendet wird, um die Zündung
der Ladung auszulösen.
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Bei den bisher verwendeten Zündeinrichtungen für Minenvernichtungsladungen
erfolgt die Auslösung bislang durch Schallsignale, die nicht codiert sind und die beispielsweise
durch die Zündung von ünterwasserhandgranaten erzeugt werden können. Es ist einsichtig, daß ein derartiges Auslösungsprinzip
den gravierenden Nachteil aufweist, daß eine Zündung der Ladung auch zu einem unbeabsichtigten
und gefährlichen Zeitpunkt ausgelöst werden kann, und zwar sowohl von gegnerischen als auch eigenen Einheiten. Mit
Schallsignalen, die ausreichend große Unterwasser-Schalldruckpegel besitzen, sind solche Zündeinrichtungen praktisch
beliebig zündbar, nämlich beispielsweise durch Schiffsgeräusche oder irgendwelche anderen Detonationen.
Aus der DE-OS 26 17 775 sind auch bereits Sicherheitszünder für derartige Sprengladungen bekannt, die eine ausschließlich
mechanische Sicherheitseinrichtung besitzen, bei der nach Entfernen einer mechanischen Sicherung die gesamte
Ladung ins Wasser geworfen wird, woraufhin der beim Absinken zunehmende Wasserdruck über eine Membran und
einen Kolben einen Zwischenzünder betätigt, der dann die Hauptladung zur Explosion bringt. Eine derartige Anordnung
detoniert somit nach Entfernen der mechanischen Sicherung zwangsläufig bei Erreichen eines vorgegebenen hydrostatischen
Druckes, der auf sie nach einer bestimmten Zeit einwirkt, die von der Sinkgeschwindigkeit und damit von
etwaigen Strömungsverhältnissen abhängt. Ein definiertes Einwirken auf den Zündzeitpunkt sowie ein Abwenden der
Zündung ist nach dem Abwerfen praktisch nicht mehr möglich.
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- S
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sicherheits-Zundsehaltung
anzugeben, mit der es möglich ist, eine sichere Zündeinrichtung aufzubauen, die wahlweise zu
definierten Zeitpunkten zündbar ist und bei der ein unbeabsichtigtes Zünden praktisch ausgeschlossen ist.
Die erfindungsgemäSe Lösung besteht darin, eine Sicherheits-Zündschaltung
so auszubilden, daß sie ein analoges Empfangsteil, ein digitales Logikteil sowie zwei über
Treiberstufen angeschlossene parallele Entladungskreise aufweist, um wahlweise einen Detonator zu zünden oder
die Schaltung von ihrer Spannungsversorgung abzutrennen und letztere kurzzuschließen, und daß das digitale
Logikteil die Betätigung der beiden Entladungskreise in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen in Abhängigkeit
von zwei frequenzmässig und zeitlich korrelierten Eingangssignalen
steuert.
Weiterbildende Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltung
sind in den Unteransprüchen sowie in der nachstehenden Detailbeschreibung der Schaltung näher erläutert.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß innerhalb eines ersten Zeit-Intervalls
keine Zündung möglich ist, um Unfälle auszuschließen, innerhalb eines zweiten Zeitintervalls
zu beliebigen Zeitpunkten eine Zündung möglich, aber nicht erforderlich ist, um den jeweiligen Verhältnissen Rechnung
zu tragen, und in einem dritten Zeitintervall die Spannungs-Versorgung
dauerhaft abgeschaltet wird, um Unfälle zu vermeiden und zufällige Zündungen sicher auszuschließen.
Dabei wird in vorteilhafter Weise das selektive Bandpaßverhalten
des analogen Empfangsteiles ausgenutzt, das nur auf einen schmalen Frequenzbereich des möglichen
Ί6
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Eingangssignales ausgelegt ist, wobei eine eindeutige Verriegelung der Digitalschaltung gegen artfremde Signale
gegeben ist. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Schaltung den Vorteil einer hohen Betriebssicherheit unter Verwendung
von C-MOS-Bauelementen, die im Betrieb wenig
Strom brauchen, und einer eine Reihe von Jahren lagerfähigen Energiequelle in Form einer Lithium-Batterie.
Es ist einsichtig, daß die erfindungsgemäße Zündschaltung sowohl für die verschiedensten Minenvernichtungsladungen
als auch für andere Unterwassergerate einsetzbar ist.
Darüber hinaus bestehen selbstverständlich auch andere Verwendungsmöglichkeiten,
wenn man z. B. den beim Ausführungsbeispiel verwendeten Schalter einer Wasserdrucksicherung
durch einen anderen Schalter ersetzt, bei dessen Schließen die Zündschaltung in Betrieb gesetzt wird. Während die
Verwendung der erfindungsgemäßen Zündschaltung mit einer mechanischen Anordnung von Vorstecker und Wasserdrucksicherungen
'
eine geeignete Einsatzart darstellt, ist die erfindungsgemäße Schaltung keinesfalls darauf beschränkt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig.
ein Impulsdiagramm von Ausgangssignalen
an zwei Ausgängen eines Teilers zur Erläuterung der Abfolge von Totzeit, Scharfzeit
und Batterieentladungszeit bei der erfindungsgemäßen Zündschaltung;
Fig. 2A und 2B
Blockschaltbilder zur Erläuterung des Signalflusses bei der erfindungsgemäßen
Zündschaltung;
Fig.
eine Bandfiltercharakteristik der bei der Zündschaltung verwendeten
Filter im Bandpaßfilter;
Fig.
ein Schaltbild des verwendeten
selektiven Bandpaßfilters;
Fig.
eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Dämpfungsverlaufes des selektiven Bandpaßfilters nach
Fig. 4;
30 Fig. 6A und 6B ein Schaltbild zur Erläuterung von
Einzelheiten der gesamten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei
Fig. 6A Einzelheiten der Baugruppen nach Fig. 2A und Fig. 6B Einzelheiten
35 der Baugruppen nach Fig. 2B zeigt.
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Die gesamte Zündschaltung der Zünderelektronik wird dadurch aktiviert, daß bei Erreichen einer vorgegebenen
Wassertiefe von einigen Metern die Zündschaltung über den Schalter 42 der Wasserdrucksicherung mit der
internen Batterie 40 verbunden wird, bei der es sich zweckmäßigerweise um eine Lithium-Batterie
handelt. Bei einer Batteriespannung von ü_ . . fließt
im Normalbetrieb ein normaler Laststrom, während im Einschaltaugenblick für etwa 1 Sekunde ein erhöhter,
etwa doppelt so großer Laststrom fließt. Dieses Verhalten ist gleichzeitig die Kontrolle für die Funktion
des Richtsignalgenerators 26, der dafür sorgt, daß bei Missionsbeginn die digitale Zeitbasis 22 und die übrigen
digitalen Baugruppen 24-32 in eine definierte Ausgangsposition gebracht werden. Außerdem wird neben
weiteren Sicherheitsmaßnahmen zusätzlich während der ersten Betriebssekunde die Gate-Elektrode des Zünd-Thyristors
Thy1 kurzgeschlossen und damit eine Zündung dieses Zünd-Thyristors Thy1 sicher verhindert.
Mit dem Ende des Richtsignales beginnt die digitale Zeitbasis 22 mit der Erzeugung eines Zeittaktes. Das
Impulsdiagramm ist in Fig. 1 dargestellt, in der die logischen Ausgangspegel der beiden verwendeten Ausgänge
QI1 und Q12 des Teilers IC7 gegenüber der Zelt
aufgetragen sind. Die Gesarat-Missionsdauer besteht somit aus drei Hauptintervallen, nämlich einer Totzeit
t., einer daran anschließenden Scharfzeit t_ und
schließlich einer Batterieentladungszeit t~. Die Erzeugung und Verwendung der in Fig. 1 dargestellten
Logiksignale wird nachstehend näher erläutert.
Während der Totzeit im Zeitintervall t1 kann zwar ein
vom Hydrophon 10 empfangenes Schallsignal verstärkt
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und von den Schmitt-Triggern, die im wesentlichen aus den Transistoren T3 und T5 bzw. T4 und T6 aufgebaut
sind, durchgeschaltet werden, jedoch verhindert die digitale Verknüpfungs- und Entscheidungslogik die
Abgabe eines Ausgangssignales vom Leistungsinverter
des integrierten Schaltkreises IC9 an den Zünd-Thyristor
Thy1, so daß eine Zündung in diesem Zeitintervall t1 noch nicht möglich ist.
Während der Scharfzeit im anschließenden Zeitintervall t, ermöglicht der Eingangsdecoder IC4A in Verbindung
mit dem Zeitbasisdecoder IC4B die Vorbereitung des NAND-Gatters G1 Im IC8, so daß beim Eintreffen
eines korrekten Zündsignales der Leistungsinverter
des IC9 durchgeschaltet und damit der Zündvorgang eingeleitet wird. Bleibt aber ein derartiges Zündsignal
während der Scharfzeit im Zeitintervall t_ aus, so wird während des anschließenden Zeitintervalles
t3 die Batterie 40 entladen und über eine
Schmelzsicherung Si die gesamte Auswerte-Elektronik von der Stromversorgung abgetrennt. Eine Zündung
ist auf diese Weise unmöglich, während eine Bergung der dazugehörigen Minenvernichtungsladung oder des
Unterwasserzünders zwar nach der Missionsdauer möglich, aber nicht erforderlich ist.
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u
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Analogteil mit Vorverstärker/ Bandpaßfilter und Trennverstärker (vgl. Flg. 2A und Flg. 6A)
Der Analogteil der erfindungsgemäßen Zündschaltung,
der im wesentlichen einen Vorverstärker 12, ein Bandpaßfilter 14, einen Trennverstärker 16 sowie ein erstes
und ein zweites Selektiv-Filter 18 bzw. 20 aufweist, ist schematisch in Fig. 2A und im einzelnen in Fig. 6A dargestellt.
10
abge
strahlten, codierten Tonfrequenzsignale wird ein kera
mischer Druckwandler oder ein Hydrophon 10 verwendet. Das Hydrophon 10 ist bereits unmittelbar am Eingang
der Schaltung (vgl. Fig. 6A) mit einem Widerstand R1 beschaltet, um das übertragungsmaß zu linearisieren
und um die Ausbildung einer statischen Gleichspannung infolge der Eigenkapazität des Hydrophons 10 zu vermeiden.
Das vom Druckwandler oder Hydrophon 10 empfangene Schallsignal wird dann über den Koppelkondensator C2
dem invertierenden Eingang des analogen Operationsverstärkers IC1 zugeführt, der das wesentliche Bauteil des
Vorverstärkers 12 darstellt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC1 liegt mit zwei hochohmigen Widerständen R3 und R2 symmetrisch zwischen
der Masse bzw. der Versorgungsspannung U_ .., während
die Versorgungsleitung selbst über zwei Kondensatoren C1
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und C15 gegenüber der Masse abgeblockt ist. Zwei Meßpunkte MP5 und MP6 für das empfangene Schallsignal befinden sich an den beiden Enden des Widerstandes R1. Der
nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC1 liegt über einem Widerstand R k und einen Kondensator C3
an Masse. .......
Die Verstärkung dieser ersten Verstärkerstufe beträgt
V1 = 1000 ^ 60 dB, entsprechend der gewählten frequenzabhängigen Gegenkopplung des Operationsverstärkers IC1
über den Widerstand R5 und der Reihenschaltung des Widerstandes R4 und des Kondensators C3. Für ein
empfangenes Schallsignal hat die Ausgangsspannung des
Druckwandlers oder Hydrophons 10 einen Wert U1, so daß
am Ausgang des Vorverstärkers 12 ein entsprechend verstärktes Signal mit einem Wert von U2 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht.
Das aus dem Widerstand R4 und dem Kondensator C3 bestehende RC-Glied sorgt für eine frequenzabhängige
Verstärkung des Ausgangssignals, wobei das Dämpfungsmaß ungefähr 6 dB pro Oktave beträgt. In Verbindung
mit dem aus dem Kondensator C2 und dem Widerstand R3
bestehenden RC-Glied bzw. dem Widerstand R1, die miteinander einen Hochpaß bilden, ergibt sich bereits
an dieser Stelle ein leichtes Bandpaßverhalten. Der Kondensator C4 dient der Frequenzkompensation des
Operationsverstärkers IC1. Der Ausgang des IC1 liegt Über einen Widerstand R6 an der Versorgungsspannung
und über einen Kondensator C5,
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einen Widerstand R7 und einen Kondensator C7 am invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers
IC2A des anschließenden Bandpaßfilters 14.
05 Bandpaßfilter
Das Bandpaßfilter 14 besteht im wesentlichen aus zwei
Operationsverstärkern IC2A und IC2B mit entsprechender Beschaltung, um das bereits im Vorverstärker 12 angestrebte
Bandpaßverhalten mit noch ausgeprägterem
Dämpfungsverlauf zu realisieren.
Der Ausgang des Operationsverstärkers XC2A ist über
einen Widerstand R9 mit dem Invertierenden Eingang verbunden sowie über einen Kondensator C6 mit dem Eingang
des Kondensators C7 sowie der einen Seite eines Widerstandes R8 verbunden, der auf der anderen Seite an
Masse liegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC2A liegt an der einen Seite
eines Widerstandes R10, der auf der anderen Seite über einen Kondensator C8 mit der Masse, über einen Widerstand
R12 ebenfalls mit der Masse, über einen Widerstand
R14 mit dem nichtinvertierenden Eingang des nächsten Operationsverstärkers IC2B und über einen
Widerstand R11 mit der Versorgungsspannung verbunden
ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC2A liegt über einen Widerstand R13 und einen Kondensator C10
am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers IC2B des Bandpaßfilters 14. Der Ausgang des
Operationsverstärkers IC2B ist über einen Widerstand R16 mit seinem invertierenden Eingang sowie über einen
Kondensator C9 mit dem Eingang des Kondensators C10 und der einen Seite eines Widerstandes R15 verbunden,
der auf der anderen Seite auf Masse liegt.
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Das angestrebte Bandpaßverhalten mit ausgeprägtem
Dämpfungsverlauf läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß man zwei selektive Filter 1. Ordnung in
Reihe schaltet, deren Resonanzfrequenzen geringfügig
gegeneinander verstimmt sind, was auch als "staggered
tuning" bezeichnet wird. Der qualitative Dämpfungsverlauf ist in Fig. 3 dargestellt, in der der Betrag
der normierten Verstärkung über der normierten Frequenz aufgetragen ist. Dabei zeigen die Kurven 1 und 2 den
Frequenzgang der Einzelfilter, während die stärker ausgezogene Kurve 3 den resultierenden Frequenzgang
wiedergibt.
Man erkennt, daß der in Kurve 3 dargestellte resultierende Frequenzgang in der Nähe der Resonanzfrequenz wesentlich.,
flacher verläuft als der der einzelnen Tiefpaßfilter, jedoch bei höheren und niedrigeren Frequenzen steiler
abfällt. Ein für den übertragungsbereich optimiertes
Bandpaßfilter, wie es bei der gesamten Schaltungsan-Ordnung verwendet wird, ist im einzelnen in Fig. 4 dar
gestellt.
Es ergibt sich der in Fig. 5 dargestellte Dämpfungsverlauf des selektiven Bandpaßfilters gemäß
Fig. 4 bzw. 6A.
Unter Verwendung von Bauelementen mit einer maximalen Toleranz von 1 % für die Widerstände R7 bis R13 bzw.
von 2,5 % für die Kondensatoren C6 bis C10 ergibt sich eine ausreichend geringe Frequenzänderung über den
Temperaturbereich von -20 0C bis +50 eC.
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- 1Γ. --
Die in Fig. 5 dargestellte Einsattelung des Übertragung sma fies an den Bandenden beträgt maximal
6 dB und ist in der Praxis unerheblich, da im tatsächlich zur Anwendung gelangenden Bereich die
Verstärkung auf + 1 dB konstant ist.
Das im Vorverstärker 12 verstärkte und im Bandpaßfilter 14 aufbereitete und verstärkte Signal wird
über einen Kopplungskondensator C11 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
IC3 angelegte...
Kondensators C11 ist über einen Widerstand R17 mit
der Versorgungsspannung verbunden, während der invertierende Eingang des IC3 mit zwei hochohmigen
Widerständen R18 und R19 symmetrisch zwischen der
Masse und der Versorgungsspannung liegt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC3
liegt über einen Widerstand R20 und feinen Kondensator C12 an Masse, so daß der Operationsverstärker IC3 über das RC-Glied R20/C12 schwach
frequenzabhängig gegengekoppelt ist. Der Ausgang des IC3 ist Über ein Potentiometer P1 mit seinem
nicht-invertierenden Eingang verbunden, so daß sich die erforderliche Ausgangsspannung zur Ansteuerung der Schmitt-Trigger in den beiden
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für das Einhalten der gewählten Empfindlichkeit ist das eindeutige Schalten der Schmitt-Trigger, das
für die beiden Frequenzen F1 und F2 an den beiden Meßpunkten MP3 und MP4 am Ausgang der beiden
Selektiv-Filter nachweisbar ist. Der Kondensator C13
dient der Frequenzkompensation des Operationsverstärkers IC3. Ferner liegt der Ausgang des
Operationsverstärkers IC3 über einen Widerstand R21 an der Versorgungsspannung.
10
Sämtliche vier Operationsverstärker IC1, IC2A, IC2B und IC3 sind in üblicher Weise an die Versorgungsspannung U_ .. und an Masse angeschlossen (vgl. Fig. 6A)
Das am Ausgang des Trennverstärkers 16/ also am Ausgang
des Operationsverstärkers IC3 vorliegende, nunmehr niederohmige und niederfrequente Ausgangssignal
wird über einen Auskoppelkondensator C14 ausgekoppelt
und gelangt über ein RC-Tiefpafiglied, das aus einem
Widerstand R22 und einem Kondensator C16 besteht, auf
die als Begrenzer geschaltete Zenerdiode D1, die bei Erreichen der Zenerspannung das niederfrequente
Ausgangssignal begrenzt.
Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß bei
konstanter Verstärkung bei stärker einfallendem Eingangssignal,
etwa bei einer geringen Zünd- und Sprengentfernung, die nachgeschalteten Stimmgabelfilter
StG1 und StG2 nicht vor den Schmitt-Triggern übersteuert werden. Das hätte zur Folge, daß die zulässige
Schaltbandbreite der Stiitungabelfilter zu sehr von der
Nennfrequenz abweichen würde. Auf diese Weise würde ein Teil der erreichten hohen Selektivität
wieder eingebüßt.
_ 35
_ 35
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Die am Ausgang des Trennverstärkers 16 verfügbare niederfrequente Spannung wird zur weiteren Signalaufbereitung
über die beiden Entkopplungswiderstände R23 und R24 den beiden Selektivfilterkanälen
für die Codefrequenzei F1 und F2 zugeführt, wo sie getrennt weiterverarbeitet werden können. Die erforderliche
hohe Selektivität und übertragungsgüte läßt sich mit relativ geringem Schaltungsaufwand
nur über piezo-elektrische Stimmgabelfilter realisieren,
die die aufgedruckte Resonanz-Sollfrequenz auf + 1 Hz exakt einhalten.
Den beiden Stimmgabelfiltern StG1 und StG2 ist jeweils ein als Emitterfolger geschalteter Transistor
T1 bzw. T2 im Kanal F1 bzw. F2 nachgeschaltet, welche über Auskoppelkondensatoren C19 bzw. C20 jeweils einen
Schmitt-Trigger ansteuern, der aus den beiden Transistoren T3 und T5 bzw. T4 und T6 aufgebaut ist.
Im Kanal für das Signal F1 liegt die Basis des Transistors T1 über einen Widerstand R25 an der Versorgungsspannung,
während der Emitter von T1 über einen Widerstand R27 und einen parallelen Kondensator
C17 auf Masse liegt und der Kollektor direkt mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Der Kondensator C19
ist eingangsseitig mit dem Emitter von T1 verbunden, liegt ausgangsseitig über die in Sperrlchtung geschaltete
Diode D2 an Masse und liefert das Ausgangssignal von T1 über die in Durchlaßrichtung geschaltete
Diode D4 an die Basis des Transistors T3 des ersten Schmitt-Triggers. Die Basis von T3 liegt über einen
Widerstand R29 an der Versorgungsspannung und über einen Kondensator C21 an Masse.
Der Kollektor des Transistors T3 liegt über einen
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Widerstand R31 an der Versorgungsspannung und ist mit
seinem eigenen Emitter über einen Kondensator C23 sowie mit der Basis des nachgeschalteten Transistors T5
direkt verbunden. Der Emitter von T3 liegt über einen Widerstand R32 an Masse und ist an den Emitter des
nachgeschalteten Transistors T5 angeschlossen. Der Emitter von T5 liegt über den Kondensator C23 an seiner
Basis, während sein Kollektor über einen Widerstand R35 an die Versorgungsspannung angeschlossen ist. Am
Kollektor von T5 liegt außerdem der Meßpunkt MP3.
Im zweiten Selektiv-Filter liegt die Basis des als Emitterfolger geschalteten Transistors T2 am zweiten
Stimmgabelfilter StG2 und über einen Widerstand R26
an der Versorgungsspannung, während der Kollektor von T2 direkt an der Versorgungsspannung liegt. Der
Emitter von T2 liegt über eine BaralIeIsehaltung von
Widerstand R28 und Kondensator C18 an Masse, während
das Ausgangssignal von T2 über den Emitter, den Koppelkondensator C20 und eine in Durchlaßrichtung
geschaltete Diode D5 an der Basis des Transistors T4 des zweiten Schmitt-Triggers liegt. Die Ausgangsseite
des Kondensators C20 liegt über eine in Sperrichtung
geschaltete Diode D3 an Masse. Die Basis von T4 liegt über einen Widerstand R30 an der Versorgungsspannung
ür.,4.*. und über einen Kondensator C22 an Masse. Der
Kollektor von T4 liegt über einen Widerstand R33 an der Versorgungsspannung und direkt an der Basis des
Transistors T6 des zweiten Schmitt-Triggers. Zwischen den Kollektor und den Emitter von T4 ist ein Kondensator
C24 geschaltet, während der Emitter von T4 über einen Widerstand R34 an Masse liegt und direkt mit dem
Emitter des Transistors T6 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T6 ist über einen Widerstand R36 an
die Versorgungsspannung angeschlossen, außerdem bildet
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der Kollektor von T6 den Meßpunkt MP4 für das Signal F2 mit der zweiten Codefrequenz.
Beide Schmitt-Trigger arbeiten mit Schaltverzögerungen im Millisekundenbereich, so daß Storimpulse und Rauschsignale
nicht zu einer Fehlauslösung führen können. Somit dient die Maßnahme der Einführung einer Schaltverzögerung
der Betriebssicherheit. Nach dem Durchschalten der beiden Schmitt-Trigger mit den Transistoren T3 und
T5 bzw. T4 und T6 steht an beiden Meßpunkten MP3 und MP4 jeweils ein Gleichspannungssignal mit einem Pegel
von ungefähr 0 V_ an, die als Eingangssignale für den digitalen Logik- und Verknüpfungsteil der Zündschaltung
dienen.
Die Einstellung des Trennverstärkers 16 für die nachgeschalteten Selektiv-Filter geschieht in der Weise, daß
am Meßpunkt MP5 ein Eingangssignal eingespeist wird, wobei beide Frequenzen F1 und F2 entsprechend der gekennzeichneten
Zündercodierung gewählt werden.
Daraufhin wird am Meßpunkt MP3 das Schalten des Schmitt-Triggers mit den Transistoren T3 und T5 für die Frequenz
F1 überwacht, während die Verstärkung am Potentiometer P1 eingestellt wird. Ein zunächst anstehendes Gleichspannungssignal
mit einem Pegel von Un geht beim Schalten des Schmitt-Triggers auf einen Pegel von ungefähr
0 V_. In gleicher Weise wird am Meßpunkt MP4 beim
Einspeisen des Eingangssignales mit der Frequenz F2 30
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das Schalten des zweiten Schmitt-Triggers mit den Transistoren T4 und T6 kontrolliert. Damit ist
die Einstellung der Verstärkung abgeschlossen, wobei die Gesamtverstärkung der Verstärker-Filterkette
gleich der Summe der Verstärkungen der Einzelverstärker ist.
Digitalteil der Zündschaltung 10
Sämtliche integrierten Schaltkreise IC4A, IC4B, IC5, IC6, IC7, IC8 und IC9 im Digitalteil der
Zündschaltung sind in C-MOS-Technik aufgebaut ■J5 und in herkömmlicher Weise an die Versorgungsspannung U__.. bzw. an Masse angeschlossen,
wobei diese Anschlüsse der Deutlichkeit halber in der Zeichnung weggelassen sind. Die im Analogteil
verstärkten und gefilterten Signale F1 und F2 werden, wie in Fig. 6B dargestellt, an den
beiden Eingängen A und B in den Eingangsdecoder IC4A eingespeist, während das Signal F1 außerdem
^- am vierten Eingang des NAND-Gatters G1 liegt. Die
Versorgungsspannung des Eingangsdecoders IC4A ist über einen Kondensator C26 gegenüber Masse
abgeblockt. Die Ausgänge QO und Q3 des IC4A sind frei herausgeführt, während der Ausgang Q1 von
IC4A mit dem P/S-Steuereingang des Schieberegisters IC5 verbunden ist und der Ausgang Q2 von IC4A mit
dem zweiten Eingang des NAND-Gatters G1 verbunden ist.
An den Ausgang RI des Inverters 11 sind der Eingang des
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Inverters 12, über einen Widerstand R 48 die Basis des
Transistors T7, der Takteingang E des Zeitbasisdecoders IC4B, der Rücksetz eingang R des Teilers IC7, der Rücksetzeingang
R des Teilers IC6 und der Takteingang E
°5 des Eingangsdecoders IC4A angeschlossen. Der Ausgang Q12
des Teilers IC6 ist herausgeführt, der Ausgang QI3 des
Teilers IC6 ist mit dem Takteingang CL des Schieberegisters IC5 verbunden und der Ausgang QI4 des Teilers
IC6 an den Takteingang CL des Teilers IC7 angeschlossen.
Die Ausgänge Q11 und Q12 des Teilers IC7 sind mit den
Eingängen A bzw. B des Zeitbasisdecoders IC4B verbunden .
Beim Zeitbasisdecoder IC4B sind der Ausgang QO heraus-
1^ geführt, die beiden Ausgänge Q1 und Q2 an die beiden
Eingänge des NOR-Gatters G3 angeschlossen und der Ausgang Q3 mit dem vierten Eingang des NAND-Gatters G2
verbunden. Der Ausgang des NOR-Gatters G3 ist mit dem dritten Eingang des NAND-Gatters G2 und mit dem Eingang
des Inverters 15 verbunden. Der Ausgang des Inverters 15 liegt einmal am dritten Eingang des
NAND-Gatters G1 und zum anderen über einen Widerstand R39 am Meßpunkt HP8, der über einen Kondensator
C27 gegenüber Masse abgeblockt ist. Der Ausgang RI des Inverters 12 liegt an den beiden ersten Eingängen des
NAND-Gatters G2 sowie an den acht parallelen Dateneingängen PH bis PI8 des Schieberegisters IC5. Der
Eingang DS des Schieberegisters IC5 liegt auf Masse, seine beiden Ausgänge Q7 und Q8 sind herausgeführt
und der Ausgang Q6 ist mit dem ersten Eingang des
NAND-Gatters G1 verbunden. Die Ausgänge der beiden NAND-Gatter G1 und G2 liegen an Invertern 13 bzw. 14,
welche über Widerstände R40 bzw. R41 die Signale für den Detonatorzündkreis bzw. den Batterieentladekreis
liefern. Der Ausgang des Inverters 12 ist über einen
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Widerstand R42 auf den Eingang des Inverters 11 zurückgeführt.
Der Teiler IC6 ist in der angegebenen Weise beschaltet,
so daß der Eingang 0 über einen Kondensator C25 und
einen Widerstand R37 mit dem Eingang ^ und über eine
Serienschaltung aus einem Potentiometer P2 und einem Widerstand R38 mit dem Eingang $ verbunden ist. Der
Eingang 0 selbst liegt am Meßpunkt MP7, der als Zeit-Ί0
raffereingang verwendbar ist.
Der Eingangsdecoder IC4A und der Zeitbasisdecoder IC4B sind in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet
und arbeiten gemäß der nachstehend angegebenen Wahrheitstabelle.
Wahrheitstabelle für die beiden Decoder IC4A und IC4B
F1 | F2 | Tabelle | 1 | Q2 | Q1 | QO | |
B | A | 0 | 0 | 0 | |||
E | L | L | Q3 | 0 | L | 0 | |
0 | 0 | L | L | L | 0 | 0 | |
0 | L | 0 | 0 | 0 | 0 | L | |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
0 | X | X | 0 | ||||
L | 0 | ||||||
Zwei Eingangsfunktionen werden von den beiden Signalen F1 und F2 gebildet, bei denen es sich um trapezförmige
Impulse handelt, die von "L" nach "0" verlaufen und eine Anstiegszeit von etwa 50 ms, eine Anstiegsver-
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- 23 -
zögerung von etwa 50 ms und eine Abfallzeit von etwa 50 ms aufweisen. Die Impulsdauer beträgt bei ordnungsgemäßer
Sendung und ungestörtem Empfang ungefähr 1 Sekunde, der Sendeimpuls kann aber durch Störungen auf dem Ubertragungswege
schwankend oder auch zerhackt sein. Trotz der oben angegebenen, bewußt flach eingestellten Flankensteilheit
sind die Impulse zur Weiterverarbeitung in den anschließenden C-MOS-Schaltkreisen geeignet. Zwischen den
beiden Signalen F1 und F2 liegt eine bestimmte Impuls-
10 pause.
Eine weitere Eingangsfunktion stellt die Versorgung«—
spannung oder Batteriespannung U_ . dar,
weil aus ihrem Anstieg beim Einschalten der Batterie 40 durch den Schalter 42 der Wasserdrucksicherung das
Richtsignal RI abgeleitet wird, das sämtliche Flip-Flops innerhalb der C-MOS-Schaltkreise in ihre Ausgangsposition
bringt und außerdem während der Einschwingzeit mit einer Sicherheitsschaltung die Zündfreigabe sperrt.
Die beiden Ausgangsfunktionen des Digitalteiles sind der Zündstrom für den Detonator 38 sowie der Batterieentladestrom
der Batterie 40.
Wie eingangs bereits erwähnt, besitzt der Digitalteil der Zündschaltung mehrere Aufgaben. Einmal kontrolliert
der Digitalteil, ob die Signale F1 und F2 ungefähr mit der richtigen Impulslänge und der vorgegebenen Zeitfolge
erscheinen. Ferner wird der Detonatorzündkreis 30
gesperrt, wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird.
Außerdem werden die Eingangsfunktionen logisch miteinander verknüpft und die beiden Signale zum Zünden des Zünd-Thyristors
Thy1 für den Detonator bzw. des Entlade-Thyristors
Thy2 für die Batterie gebildet bzw. diese
- 24 -
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Signale in Abhängigkeit von den Zeitfunktionen verriegelt. Außerdem werden sämtliche Speicher beim Einschalten
der Batterie ausgerichtet und die Ausgangsfunktionen gesperrt. Zur Durchführung dieser verschiedenen
Aufgaben werden folgende Zeitfunktionen gebildet:
a) Scharfzeit: Freigabe der Zündung des Detonators
nach t1 nach dem Schließen des Schalters 42
der Wasserdrucksicherung in einer vorgegebenen Wassertiefe von einigen Metern;
b) Ende der Scharfzeit: Sperren der Freigabe der
Zündung des Detonators 38 nach t- + t2 nach
dem Schließen des Schalters 42 der Wasserdruck-Sicherung und Abtrennen der gesamten Zündschaltung
von der Batterie 40;
c) Entladen der Batterie 40 ebenfalls nach t1 + t2
nach dem Schließen des Schalters 42 der Wasserdrucksicherung;
d) Zeitfenster mit 3 Sekunden: Freigabe des Signals zur Zündung des Detonators 38 für etwa 3 Sekunden,
wenn das Signal F1 wieder verschwunden ist, so
daß der Pegel wieder auf eine Spannung von U_ .
oaut
ansteigt. In dieses Zeitfenster muß das Signal F2 fallen, damit die Zündbedingung für den Detonator
erfüllt ist.
Die einzelnen Baugruppen der Zündschaltung werden nachstehend im einzelnen erläutert.
Eingangsdecoder
Der Eingangsdecoder IC4A dient zum Abtasten der beiden Signale F1 und F2, die von den beiden Schmitt-Triggern
- 25 -
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in den beiden Selektiv-Filtern 18 bzw. 20 erzeugt werden.
In der nachstehenden Beschreibung wird folgende Schreibweise für die Signale verwendet:
F1 , F2: logisch "L" (DC-Signal mit 11,2 Va )
05 PT, fT: logisch "0" (Nullsignal).
Die beiden Signale fT und F2~ werden an den Meßpunkten
MP3 und MP4 von den Ausgängen der beiden Schmitt-Trigger geliefert, bei denen die Schnittstelle zwischen Analogteile
und Digitalteil der Zündschaltung liegt. Die beiden Signale werden einem in C-MOS-Technik aufgebauten
Eingangsdecoder IC4A zugeführt, wobei der Eingangscode als 2-Bit-Binärcode aufzufassen ist, d. h. die Logiksignale
fT und fT gelten als Binärvariable und können in beliebiger Verteilung auftreten. Der Ausgangscode
des Eingangsdeco-ders IC4A ist ein i-aus-4-Code, wobei
jeweils einer der vier Ausgänge ein L-Signal führen kann. Der zusätzliche Takteingang E wird nur mit dem
Richtsignal RI vom Inverter 11 angesteuert und sperrt sämtliche vier Ausgänge des Eingangsdecoders IC4A während
des Einschaltvorganges der Batterie 40.
Wie Fig. 6B zeigt, werden nur die beiden Ausgänge Q1
und Q2 des IC4A verwendet, wobei Q1 dann aktiv wird
25 —
und ein L-Signal führt, wenn F1 auf dem 0-Pegel ist,
d.h. wenn die Frequenz F1 vom Sender abgestrahlt worden ist und der Analogteil als Empfangsteil den Schwingungszug ordnungsgemäß aufgenommen, selektiert und verstärkt
hat.
30
30
Aufgrund der oben angegebenen Wahrheitstabelle des Eingangsdecoders IC4A existiert die weitere Bedingung,
daß nicht gleichzeitig mit FT auch fT anliegen darf.
Umgekehrt gilt für die nächste Phase der Signalüber-
- 26 -
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tragung, daß das Signal F1 wieder verschwunden sein
muß, bevor das Signal F2~ kommt. In diesem Falle wird der Ausgang Q2 des Eingangsdecoders IC4A aktiv,
während alle anderen Ausgänge ein 0-Signal führen.
Bei richtigem Empfang der Signale F1 und F2 mit den
entsprechenden Frequenzen erscheint zuerst ein L-Signal
am Ausgang Q1 mit der Aussage "P1 und FT", darauf
wechselt das L-Signal zum Ausgang Q2 und bedeutet dann "FT und F2". Fehlen beide Signale F1 und F2 mit
den entsprechenden Frequenzen oder treten beide Signale gleichzeitig auf, so sind die beiden Ausgänge Q1 und Q2
beide auf 0-Pegel.
15
Im Richtsignalgenerator 26 (vgl. Fig.6B) bilden die beiden in Reihe geschalteten Inverter 11 und 12 als
C-MOS-Buffer-Inverter im IC9 mit positiver Rückkopplung
über den Widerstand R42 zusammen mit einem Vorwiderstand R43 einen Schmitt-Trigger. Dieser
Schmitt-Trigger kontrolliert die Ladespannung des Kondensators C30, der zweckmäßigerweise als Tantalelektrolytkondensator
ausgebildet ist. Beim Einschalten der Zündschaltung über den Schalter 42 der Wasserdrucksicherung wird der Kondensator C30 über
den Ladewiderstand R46 auf die Versorgungsspannung U_ . aufgeladen. Die Aufladezeitkonstante liegt etwa
bei 1/2 Sekunde.
Der nachgeschaltete Schmitt-Trigger kippt ca. 1 Sekunde nach dem Einschalten. Der Ausgang rT bleibt
während dieser Zeit auf 0-Pegel und springt dann auf L-Pegel (RÜf-Signal) . Der komplementäre Ausgang RI geht
unmittelbar nach dem Einschalten auf L-Pegel und kippt ca. 1 Sekunde später auf den 0-Pegel zurück. Beide
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Signale werden im Digitalteil der Zündschaltung verwendet,
und zwar folgendermaßen:
Das Signal RI bringt sämtliche Flip-Flops des Binär-Untersetzers in die Nullage und sperrt den Eingangsdecoder IC4A und den Zeitbasisdecoder IC4B über die
Takteingänge E während der Richtzeit. Außerdem liefert das Signal RI das Ansteuersignal für die Basis des
Transistors T7 für die Funktion einer Kurzschlußschaltung, die dafür sorgt, daß für die Zeit der Richtsignalerzeugung
der Zünd-Thyristor Thy1 gesperrt bleibt.
Das Signal RI hält die parallelen Dateneingänge PH bis PI8 des Schieberegisters IC5, das zur Erzeugung des
3 Sekunden langen Zeitfensters dient, für ca. 1 Sekunde auf dem 0-Pegel. Gleichzeitig sperrt das
Signal RI für 1 Sekunde ι
das NAND-Gatter G2, so daß kein Zünden des Entlade-Thyristors
Thy2 möglich ist.
Mit dem Abklingen des Signals RI und des dazu komplementären Signals RI werden der Eingangsdecoder IC4A und
der Zeitbasisdecoder IC4B sowie das am Ausgang liegende NAND-Gatter G2 für die Zündung des Entlade-Thyristors
Thy2 entriegelt.Gleichzeitig wird der Kurzschluß der
Gate-Elektrode als Zündelektrode des Zünd-Thyristors Thy1 für den Detonator 38 aufgehoben und sämtliche Binär-Untersetzer
in den Teilern IC6 und IC7 freigegeben. Die parallelen Dateneingänge PH - PI8 des Schieberegisters
IC5, das als Zeitfenster 28 arbeitet, werden auf L-Pegel
gelegt. Die gesamte Zündschaltung ist damit in
Betrieb und nicht mehr von den Signalen '
RI bzw. RI abhängig.
- 28 -
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Die Funktion des Zeitfensters 28 wird mit einem 8-stufigen,statischen
C-MOS-Schieberegister IC5 realisiert, bei dem die acht parallelen Dateneingänge PH bis
PI8 nach dem Einschaltvorgang ständig auf L-Pegel liegen. Der einzige serielle Dateneingang/ nämlich der
Eingang DS des IC5 liegt fest auf 0-Pegel. Die drei Ausgänge Q6, Q7 und Q8 der drei letzten Flip-Flops des Schieberegisters
IC5 sind herausgeführt, es wird jedoch nur der Ausgang
Q6 verwendet, um den Zeitfenster-Impuls weiterzugeben.
Der Takteingang CL des Schieberegisters IC5 wird ständig mit symmetrischen Rechteckimpulsen versorgt, die von dem
nachstehend näher beschriebenen Taktsystem der digitalen Zeitbasis 22 geliefert werden. Die Impulsfolgefrequenz
beträgt 2,2755 Hz, was einer Periodendauer von 0,44 Sekunden entspricht. Der Parallel-Seriell-Steuereingang
P/S bestimmt die Funktion des Schieberegisters IC5.
20
Liegt am Steuereingang P/S des IC5 ein Signal mit L-Pegel so arbeitet das Schieberegister IC5 im Parallelbetrieb,
d. h. es arbeitet asynchron, und parallele Operation besitzt Priorität.
25
Liegt am Steuereingang P/S des Schieberegisters IC5 ein Signal mit 0-Pegel, so arbeitet das Schieberegister IC5
in seriellem Betrieb, d.h. synchron mit den Taktimpulsen am Takteingang CL.
30
Der Steuereingang P/S des Schieberegisters IC5 wird vom Ausgang Q1 des Eingangsdecoders IC4A angesteuert (vgl.
Fig. 6B). Das Schieberegister IC5 schaltet auf Parallelbetrieb, wenn der Ausgang Q1 des IC4A auf L-Pegel geht,
d.h. dann, wenn von der Schaltung das Signal MF1"und "fI" empfangen wird. In diesem Falle geht der Ausgang Q6
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J6 130016/0251
des Schieberegisters IC5 auf L-Pegel und bleibt so lange auf L-Pegel wie das Signal "F1 und F2~" ansteht.
Wenn nach ca. einer Sekunde das Signal Fl wieder verschwindet,schaltet der Ausgang Q1 des Eingangsdecoders
IC4A wieder auf 0-Pegel, so daß das Schieberegister IC5 über den Steuereingang P/S wieder auf seriellen Betrieb
umschaltet. Mit dem nächsten Taktimpuls am Takteingang CL wird eine logische "0" in das erste Flip-Flop des Schieberegisters
IC5 "geschoben", da der serielle Dateneingang oder Steuereingang DS, wie bereits erwähnt, ständig auf
0-Pegel liegt. Mit den positiven Flanken der folgenden Taktimpulse schiebt sich die Front der Signale mit 0-Pegel
von Flip-Flop zu Flip-Flop weiter. Beim sechsten Taktimpuls erreicht das Signal
den Ausgang Q6 des Schieberegisters IC5. Auf diese Weise
wird der als Zeitfenster bezeichnete Impuls erzeugt, der folgende Dauer aufweist:
tzf = TF1 + a . 0,44 s für 5 £a £6.
Tp1 wird in der Ausgangsverknüpfung zur Zündung des
Detonators 38 ausgeblendet, so daß die Dauer des Zeitfensters zwischen 2,2 und 2,64 Sekunden liegt.
Die Toleranzbreite erklärt sich daraus, daß die positiven Flanken der Taktimpulse asynchron zum Signal F1 sind, ihre
Phasenlage ist rein zufällig. Die nächste Flanke beim Übergang von 0-Pegel auf L-Pegel nach dem Verschwinden
des Signals F1 kann unmittelbar darauf oder erst nach 0,44 Sekunden kommen.
Die Impulsbreite des Zeitfenster-Impulses ist neben dieser für digitale Zählschaltungen üblichen Toleranz nur von
der Genauigkeit der Oszillatorfrequenz von 2,2755 Kz abhängig, auf die nachstehend im Zusammenhang mit der
digitalen Zeitbasis 22 näher eingegangen werden soll. Der
- 30 -
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Ausgangsimpuls am Ausgang Q6 des Schieberegisters IC5
liegt am ersten Eingang des NAND-Gatters G1 für die Ausgangsverknüpfung der Zündung des Detonators 38.
Digitale Zeitbasis
Das Taktsystem der Zündschaltung besteht aus einem RC-Oszillator mit nachgeschaltetem 26-Bit-Binäruntersetzer
(2 = 67.108.864) und einem Decoder, der die beiden letzten Bits der Teilerkette auswertet.
Der RC-Oszillator ist Bestandteil eines in C-MOS-Technik
ausgebildeten Teilers IC6 mit 14 hintereinandergeschalteten Flip-Flops, die einen Binäruntersetzer
1 : 16 384 bilden, der Betrieb ist asynchron (ripplecarry). Die Nullstellung des Teilers IC6 erfolgt über
einen gemeinsamen Rücksetz-Elngang R, und zwar mit dem oben bereits erläuterten Richtsignal RI vom Inverter
11. Der mit dem Binäruntersetzer integrierte RC-Oszillator wird durch das Trimmpotentiometer P2 abgestimmt,
wobei der Gesamtlastwiderstand durch die Meßanordnung am Meßpunkt MP7 dabei 1 Mil beträgt. Der
Clock-Eingang oder Takteingang des ersten Flip-Flops des Teilers IC6 ist herausgeführt und mit "0" bezeichnet.
Durch Anlegen einer fremden Rechteck-Impulsfolge an den Meßpunkt MP7 und damit an den Takteingang kann der
Oszillator übersteuert werden, so daß die eigene RC-Beschaltung unwirksam ist. Der nachfolgende Binäruntersetzer
verarbeitet Frequenzen bis ca. 8 MHz.
30
Zum Test des in der Zündschaltung enthaltenen Taktprogramms läßt sich z. B. eine Fremdfrequenz im MHz-Bereich
über den Meßpunkt MP7 in den Takteingang einspeisen, der die Taktzeit auf wenige Sekunden verkürzt,
35
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2339700
um lange Wartezeiten während der Prüfung und Einstellung
zu vermeiden, d. h. man arbeitet im Zeitrafferbetrieb
am Meßpunkt MP7. Von Wichtigkeit ist hierbei, daß das steuernde Rechtecksignal keinesfalls symmetrisch um den
Nullpunkt verlaufen darf, sondern etwa 10 V , von Masse beginnend,betragen soll. Hierbei ist
So
zu beachten, daß negative Spannungen von— 0,7 Volt am Meßpunkt MR7 den Teiler IC6 zerstören können
Der letzte Ausgang Q14 des 14-stufigen Binäruntersetzers
im Teiler IC6 gibt eine Rechteckfrequenz von 1,13775 Hz an den nachgeschalteten 12-stufigen Binäruntersetzers des
Teilers IC7 ab (18641 : 16384). Dieser Teiler IC7 teilt die Rechteckfrequenz nochmals im Verhältnis 1 : 4096,
.12
d. h. durch den Wert 21*, so daß an seinem letzten Ausgang
eine Rechteckfrequenz von 2,7777 griffen werden kann.
10~4 Hz abge-
Aus der gesamten Teilerkette, die aus den beiden Teilern
IC6 und IC7 besteht, werden folgende Frequenzen und
Zeiten abgegriffen und ausoewertet:
Teiler/ Ausgang |
Oszillator- Frequenz und Teilung |
Ergebni | ,2755 | S | Hz | Verwendung |
IC6/Q13 | 18641 Hz : 2 | 2 | ,554-1 | Hz | Hz | Zeitfenste] von 3 s |
IC7/Q11 | 18641 Hz : 225 | 5 | ,7777· | o"4 | Scharfzeit, Entladung |
|
IC7/Q12 | 18641 Hz : 2 | 2 | ΙΟ'4 | |||
- 32 -
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- 32 - 2339700
Die Frequenz von 2,2755 Hz dient als Taktfrequenz am Takteingang CL für das Schieberegister IC5. Die beiden
anderen Frequenzen an den beiden Ausgängen Q11 und Q12
des Teilers IC7 werden zur Auswertung dem Zeitbasisdecoder IC4B an seinen beiden Eingängen A und B zugeführt.
Der Eingangscode des Zeitbasisdecoders IC4B ist ein 2-Bit-Binärcode, sein Ausgangscode ist ein i-aus-4-Code.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Impulsdiagramm ergeben sich am Ausgang des Zeitbasisdecoders die drei Zeitbereiche
t-, t2 und t3» wie sich der nachfolgenden Tabelle
entnehmen läßt.
- 33 -
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Bereich | Decode B=Q12 ' |
r-Eing. A=Q11 |
"L" am Decoder- Ausgang |
Verknüpfung/ Verwendung |
Bedeutung |
*1 | 0 I | 0 | QO | keine | "Totzeit" |
fc2 | 0 L |
L 0 |
Q1 Q2 |
NOR-Funktion NOR-Funktion |
"Scharfzeit" |
fc3 | L | L | Q3 | NAND-Funktion | Sperren der Zündung, Freigabe "Entladung" der Batterie" = Zün dung des Entlade- Thyristors Thy2 |
- 34 -
CO U> CD
- 34 - ■·■■- 2339700
Während der Zeit t. nach dem Einschalten der Zündschaltung
sind die beiden NAND-Gatter G1 und G2 am Ausgang des digitalen Logikteiles 24 in den beiden
Zündkanälen für die Zündung des Detonators 38 einerseits und die Entladung der Batterie 40 andererseits
gesperrt. Der einzige Ausgang des Zeitbasisdecoders IC4B, der ein Signal mit L-Pegel führt, nämlich ßO,
wird nicht benutzt. Nach Ablauf von t.
wechselt das Signal mit L-Pegel auf den Ausgang Q1 des
Zeitbasisdecoders IC4B über. Dieses Signal mit L-Pegel
geht dann auf den Ausgang Q2 und schließlich nach t1 + t_ nach dem Einschalten auf den Ausgang Q3 des
Zeitbasisdecoders IC4B, wobei die Ausgänge Q1, Q2 und Q3 zur Ausgangsverknüpfung des digitalen Logikteiles
24 geführt werden.
Ausgangsverknüpfungen zur Zündung des Detonators bzw. zum Entladen der Batterie
Zur Ansteuerung des Zünd-Thyristors Thy1, der die Zündung
des Detonators 38 auslöst, sind insgesamt vier Bedingungen zu erfüllen:
a) Ein Zeitintervall von t1 ist nach dem Einschalten der
Zündschaltung vergangen: Es liegt ein Signal mit L-Pegel am dritten Eingang des NAND-Gatters G1 im IC8.
b) Ein Signal F1 ist empfangen worden: Damit liegt ein
Signal mit L-Pegel am ersten Eingang des NAND-Gatters G1 des IC8 für die Dauer des Signales F1 und ein
30 Intervall von ungefähr 2,4 Sekunden an.
c) Das Signal F1 ist wieder verschwunden: Es liegt ein Signal mit L-Pegel am vierten Eingang des NAND-Gatters
GI des IC8 an.
d) Unmittelbar nach dem Verschwinden des Signals F1 wird ein Signal F2 empfangen: Es liegt ein Signal mit
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L-Pegel am zweiten Eingang des NAND-Gatters G1 des
IC8 an.
Mi Ausgang des vierfachen ΝΑΝΟ-Gatters G1 des IC8 im
digitalen Logikteil 24 entsteht ein Signal mit 0-Pegel, wenn die genannten vier Bedingungen erfüllt sind. Aus
diesem Signal mit 0-Pegel erzeugt der nachgeschaltete Inverter 13 ein Signal mit L-Pegel, d.h. ein Signal zur
Zündung des Zünd-Thyristors Thy1 des Detonators 38. Dieses
Signal mit L-Pegel wird der Gate-Elektrode als Zündelektrode des Zünd-Thyristors Thy1 zugeführt, wo es zusätzlich noch einer Verknüpfung mit dem Richtsignal Ri
vom Inverter 11 unterliegt. Der Transistor T7, dessen Basis über einen Basis-Spannungsteiler mit den beiden
Widerständen R48 und R49 angesteuert wird, schließt die Gate-Elektrode während der Richtzeit kurz.
Zur Ansteuerung des Entladungs-Thyristors Thy2 für die Batterieentladung müssen folgende drei Bedingungen erfüllt sein:
a) Die Erzeugung des Richtsignales RI ist abgeschlossen: Es liegt ein Signal mit L-Pegel an den ersten beiden
Eingängen des NAND-Gatters G2 von IC8.
b) Die Ausgänge Q1 und Q2 des Zeitbasisdecoders IC4B
führen ein Signal mit 0-Pegel. Das nachgeschaltete NAND-Gatter G3 im IC8 erzeugt daraus ein Signal mit
L-Pegel am dritten Eingang des NAND-Gatters G2, aus
dem ein nachgeschalteter Inverter 15 ein Signal mit
0-Pegel für das vierfache NAND-Gatter G1 des IC8 an dessen drittem Eingang macht und damit im digitalen
Logikteil 24 im IC8 die beiden NAND-Gatter G1 und G2 gegeneinander verriegelt.
- 36 -
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c) Der Auegang Q3 des Zeitbasisdecoders IC4B führt
ein Signal mit L-Pegel, d. h. es ist
3 *." "'t*"f inagesamt die ZeTt-Jt4J +' to, seit. dem_
Augenblick des Einschaltens vergangen.
Auf diese Weise liegt am Ausgang des zweiten NAND-Gatter s G2 im IC8 ein Signal mit 0-Pegal an, das durch
einen nachgeschalteten Inverter 14 zu einem Signal mit L-Pegel umgewandelt und dann zur Zündung des Entlade-Thyristors
Thy2 zur Batterieentladung verwendet wird.
Das Ausgangesignal des Inverters 13 der ersten Treiberstufe
30 im IC9 wird einem RC-Filter, der aus dem Widerstand R40 und dem Kondensator C28 besteht, zur Ableitung
von Störspitzen zugeführt. Mit dem Ausgangssignal vom
Inverter 13 wird dann über einen Längswiderstand R44 und
eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode D8 die Gate-Elektrode als Zündelektrode des Zünd-Thyristors Thy1 im
Zündkreis des Detonators 38 unmittelbar angesteuert. Die Leistungs-Diode D8 bringt einen zusätzlichen Sicherheits-Schwellwert
von ungefähr 0,65 V in den Zündkreis.
Anodenseitig ist an den Thyristor Thy1 ein Kondensator C33,
zweckmäßigerweise ein Tantal-Elektrolyt-Kondensator, angeschlossen, der von der Batterie 40 über den Widerstand
R58 auf die Versorgungsspannung von ugatt aufgeladen ist.
Diesem Kondensator C33 entnimmt die Anode des Zündthyristors Thyl den Zündstrom für den Detonator 38, wobei
der Kondensator C33 den erforderlichen Stromstoß sicherstellt.
Der Detonator 38 selbst liegt im Kathodenkreis des ZÜnd-Thyristors Thyl gegen Masse. Parallel zum
Detonator 38 liegt zum Ableiten von Thyristor-Sperrströmen der Widerstand R56 gegen Masse, während die Kathode
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- 37 -ORIGINAL INSPECTED
des Thyristors Thy1 selbst an Meßpunkt MP9 liegt.
Die Gate-Elektrode des Thyristors Thy1 liegt Über einen Widerstand R54 sowie einen parallel dazu geschalteten
Kondensator C32 an Masse, um eventuelle positive Störspitzen an der Gate-Elektrode des Zünd-Thyristors Thy1
abzuleiten.
Wie bereits erwähnt, sorgt der parallel zu dem Widerstand
R54 und dem Kondensator C32 geschaltete Transistor T7, der mit seinem Emitter direkt auf Masse, mit seinem
Kollektor einerseits direkt an der Gate-Elektrode des Zünd-Thyristors Thy1 und andererseits Über die Diode D8,
den Widerstand R44 und das RC-Glied aus R40 und C22 am
Ausgang des Inverters 13 liegt, dafür, daß der Transistor T7 während des Einschaltvorganges der Schaltung, über das
Signal RI vom Inverter 11, eine KurzSchlußfunktion ausübt
und die Sperrung des Zünd-Thyristors Thy1 gewährleistet.
20 Batterieentladekreis
Das Ausgangssignal des Inverters 14 der zweiten Treiberstufe
32 im IC9 durchläuft, ähnlich wie beim Detonatorzündkreis, ein RC-Filter, das aus dem Widerstand R41
und dem Kondensator C29 besteht. Das Signal läuft von
dort aus als Zündimpuls für den Entlade-Thyristor Thy2 über einen Widerstand R45 und eine Zenerdiode D7 zur Gate-Elektrode
als Zündelektrode des Entlade-Thyristors Thy2,
wobei die Zenerdiode D7 mit einer Zenerspannung von 5,1 V
30 zur Anhebung der Thyristor-Zündschwelle sorgt.
Die Gate-Elektrode des Entlade-Thyristors Thy1 liegt über
einen Ableitwiderstand R47 an Masse, während parallel zu R47 ein Kondensator C31, zweckmässigerweise ein Tantal-Elektrolyt-Kondensator,
geschaltet ist, um eventuelle Störspitzen kurzzuschließen. Die Kathode des Entlade-
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Thyristors Thy1 liegt im Gegensatz zum Zünd-Thyristor Thyl
direkt an Masse, während zur besseren Ableitung der im Entlade-Thyristor
Thy2 entstehenden Verlustleistung der Thyristor auf einem Kühlkörper montiert ist.
Die Entladung der Batterie 40 erfolgt über vier parallel geschaltete Widerstände R50 bis R53, die etwa einen Gesamtwiderstand
von 11 Ohm besitzen. Der Entlade-Thyristor Thy2 bleibt gezündet und entlädt die Batterie 40 mit einem Anfangsentladestrom
im Amperebereich. Die übrige Zündschaltung wird beim Zünden des Entlade-Thyristors Thy2
stromlos, da gleichzeitig die als Trägsicherung ausgebildete Schmelzsicherung Si über eine Reihenschaltung zum
Durchschmelzen gebracht wird, die aus einer Diode D9 und
15 einem Widerstand R55 besteht.
Vom Zeitpunkt des Schließens des Schalters 42 der Wasserdrucksicherung
an sorgt der Lastwiderstand R57 für eine konstante Belastung, damit auch beim Unterschreiten des
Haltestromes des Entlade-Thyristors Thy2 während der Entladephase der Vorgang der Batterieentladung nicht
vorzeitig unterbrochen wird.
Wie in den beiden Fig. 2A und 2B angedeutet, werden die Signale vom Hydrophon 10 empfangen und durchlaufen den
Vorverstärker 12, das Bandpaßfilter 14, den Trennverstärker 16 sowie die beiden Selektiv-Filter 18 und 20, die die
beiden Signale F1 und F2 liefern, die als Logiksignale im digitalen Logikteil weiterverarbeitet werden, das an einen
Richtsignalgenerator 26, ein Zeitfenster 28 sowie eine digitale Zeitbasis 22 angeschlossen ist und die Verknüpf
ungs- und Entscheidungslogik enthält, welche, in Abhängigkeit von den vom Hydrophon 10 empfangenen Eingangssignalen, die erste Treiberstufe 30 oder die zweite Treiber-
- 39 -
1300 1 6/02S 1
stufe 32 mit einem Ausgangssignal versorgt/ das entweder über einen Zündkreis 34 den Detonator 38 zündet oder
im Entladekreis 36 für die Abtrennung der Versorgungsspannung sowie die Entladung der Batterie 40 sorgt. In der
Praxis wird die oben beschriebene Zündschaltung mit dem Schalter 42 der Wasserdrucksicherung an die Batterie 40
angeschlossen und damit in Betrieb gesetzt, wenn vorher der Vorstecker und die Wasserdrucksicherungen nach dem
Zwangsfolge-Entriegelungsprinzip entsichert worden sind.
Sobald dieser Anschluß der Zündschaltung an die Batterie 4 erfolgt ist, beginnt die Totzeit t. des Zünders, so daß
ein Einsatzfahrzeug, das eine mit der Zündschaltung versehene Zündladung an den Einsatzort gebracht hat, sich
ohne weiteres entfernen kann, da eine Zündung des Detonators 38 in diesem Zeitintervall nicht möglich ist.
Nach dieser Totzeit t.. beginnt die Scharfzeit t« der Zündschaltung,
während der der Zünder durch codierte Signale mit entsprechenden Frequenzen gezündet werden kann. Dabei
werden Schiffsgeräusche oder Detonationsstöße in oder über dem Wasser von der Auswertelektronik der Zündschaltung
als nicht codierte Signale erkannt und unterdrückt. Aus diesem Grunde kann in einem Operationsgebiet gleichzeitig
mit einer Vielzahl von Zündern mit Zündschaltungen in dieser Art gearbeitet werden, da der Zündercode in der
Auswertelektronik der Zündschaltung unterschiedlich vorgegeben und der den Auslöseimpuls liefernde Sender auf die
einzelnen Zündercodes eingestellt werden kann.
Wenn während der Scharfzeit t2, also bis t1 + t_ nach Einschaltbeginn
der Zündschaltung, kein Zündsignal in der Zündschaltung auftritt, wird über einen Entladekreis 36
mit dem Thyristor Thy2 die im Zünder mitgeführte Batterie mit einem Entladestrom im Amperebereich entladen. Gleichzeitig
wird der Auswerteteil der Zündschaltung, also der
- 40 130016/0251
Analogteil zur Selektion der Eingangssignale, sowie der gesamte Detonator-Zündkreis über die Schmelzsicherung
Si von der Batterie 40 abgetrennt/ während der zur Entladung der Batterie 40 verwendete Entlade-Thyristor
Thy2 auch nach der Entladezeit t- durchgeschaltet bleibt. Wird der Haltestrom von ungefähr
10 Milliampere unterschritten, so sorgt der Entladewiderstand R57 für eine Entladung der Batterie 40 bis
zu ihrer völligen Erschöpfung.
10
Bei der oben beschriebenen Zündschaltung werden zweckmäßigerweise
C-MOS-Bauelemente verwendet, die zwar ein relativ langsames Schaltverhalten im Mikro sekundenbereich
besitzen, jedoch für den vorliegenden Zweck völlig ausreichen und darüber hinaus den Vorteil bieten, daß
sie die Batterie nicht unnötig belasten, weil die einzelnen Bauteile praktisch nur im Schaltaugenblick
f.ujr einige. /us.nennensnLerten Strom ziehen.
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Claims (12)
1./Slcherheits-Zündschaltung für ünterwasserzünder, bei
der ein Signal aus einem Schallfrequenzbereich verwendet wird, um die Zündung auszulösen, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein analoges
Empfangsteil (10-20),'ein digitales Logikteil (22-28)
sowie zwei über Treiberstufen (30, 32) angeschlossene,
parallele Entladungskreise (34, 38, Thy1; 36, Thy2) aufweist, um wahlweise einen Detonator (38) zu zünden
oder die Schaltung von ihrer Spannungsversorgung (40) abzutrennen und letztere kurzzuschließen, und daß das Logikteil
(22-28) die Betätigung der beiden Entladungskreise (34, 38, Thy1; 36, Thy2) in aufeinander folgenden Zeitintervallen
(t1# t2, t3) in Abhängigkeit von zwei frequenzmäßig und
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zeitlich korrelierten Eingangssignalen (F1, F2) steuert.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das analoge Empfangsteil (10-20) hintereinander ein Hydrophon (10), einen Vorverstärker (12),
einen Bandpaßfilter (14), einen Trennverstärker (16) sowie zwei parallel geschaltete Selektivfilter (18, 20) aufweist,
welche an ihren Ausgängen (MP3, MP4) Signale mit Logikpegel (F1, F2) zur Verarbeitung im digitalen Logikteil (22-28)
10 liefern.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das analoge Empfangsteil
(10-20) zwei parallele Selektivfilter (18, 20) besitzt, die
in ihrem jeweiligen Filterkanal in Serienschaltung jeweils ein Stimmgabelfilter (StGI bzw. StG2) einen Emitterfolger
(T1 bzw. T2) und einen Schmitt-Trigger (T3, T5 bzw. T2, T4) aufweisen.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch g e k en η zeichnet , daß die Selektivfilter (18, 20) über zwei
Widerstände (R23, R24) entkoppelt sind und piezoelektrische
Stimmgabelfilter (StG1, StG2) aufweisen, die die aufgeprägte Resonanzfrequenz auf 1 Hertz genau einhalten.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet , daß das digitale Logikteil (22-28) einen Richtsignalgenerator (26) zur Nullstellung
der Zeitschaltung, eine digitale Zeitbasis (22) zur Erzeugung eines Zeittaktes und ein Zeitfenster (28) zur Abtastung
von zeitlich und frequenzmässig korrelierten,
codierten Empfangssignalen (F1, F2) aufweist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das digitale Logikteil (22-28) an seinem Ausgang zwei parallele Treiberstufen (G1,
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13; G2, 14) aufweist, die jeweils einen Thyristor (Thy1,
Thy2) zur Zündung des Detonators (38) bzw. zum Abtrennen
der Versorgungsspannung und Entladen der Batterie (40) steuern.
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7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das digitale Logikteil
(22 - 28) einen Teiler (IC6, IC7) sowie eine nachgeschaltete Verknüpfungslogik (G1, G2, G3, 15) aufweist, die
nacheinander in einem ersten Zeitintervall (t1) beide Entladungskreise
sperren, in einem zweiten Zeitintervall (t.) den Detonatorzündkreis (34) freigeben und den Batterieentladekreis
(36) sperren und in einem dritten Zeitintervall (t-) den Detonatorzündkreis (34) und das analoge Empfangsteil
(10-20) abtrennen und die Batterie (40) entladen.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet / daß die Schaltung durch
Schließen eines Schalters (42) einer Wasserdrucksicherung an die Versorgungsspannung anschließbar ist und daß beim
Schließen des Schalters (42) das digitale Logikteil (22-28) eine definierte Anfangsstellung einnimmt und eine Totzeit
im ersten Zeitintervall (t.) startet.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet , daß die Ausgänge (13, 14) vom digitalen Logikteil (22-28) jeweils mit einer Gate-Elektrode
der Thyristoren (Thy1, Thy2) verbunden sind und
diese bei Vorliegen eines vorgegebenen Ausgangssignales
durchschalten.
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet , daß an die Gate-Elektrode des Zünd-Thyristors (Thy1) für den Detonator (38) ein
Transistor (T7) angeschlossen ist, der im Einschaltaugen-
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blick der Schaltung eine Kurzschlußstrecke bildet und damit ein Durchschalten des Zünd-Thyristors (Thyl) ausschließt.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet , daß das gesamte Logikteil (22-32) aus C-MOS-Bauelementen besteht.
12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung
von einer Lithium-Batterie (40) geliefert wird.
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