KR101341396B1 - 전자 시한 신관 - Google Patents

Abstract

통제장치로부터 전원을 공급하기 위한 2 가닥의 피복전선과 전원 캐패시터를 방전하기 위한 1 가닥의 피복전선을 구비한 전원부; 점화코일에 기폭 전류가 공급되면 동작하는 기폭관; 트랜지스터 인버터와 MOS 트랜지스터를 구비하여 기폭신호가 전달되면 기폭관의 점화코일에 기폭 전류를 공급하는 기폭 회로부; 상기 전원부에 위치한 전원 캐패시터를 방전하면서 상기 기폭 회로부에 전원을 공급하기 위한 아날로그 스위치 회로부; 상기 통제장치로부터 시한정보와 카운트다운 시작 신호를 데이터 입력부를 통하여 전달받아 카운트 다운을 시작하여 기폭 시한 직전에 상기 아날로그 스위치 회로부를 동작시키기 위한 신호들을 출력하고, 시한정보에 의한 시한값에 도달하면 기폭신호를 출력하는 컨트롤러부; 통제장치에서 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 1 가닥의 피복전선을 통하여 전달받는 상기 데이터 입력부이면서 그리고 DC 차단 캐패시터와 RC 저역통과필터로 이루어지거나, 또는 전압 분배기와 RC 저역통과필터로 이루어진 상기 데이터 입력부를 포함하여 이루어지는 전자 시한 신관.

Description

전자 시한 신관{an electronic time fuze}

본 발명은 운반체(vehicle)에서 발사되는 병기 발사체(ordnance projectile)에 충전된 폭약을 기폭하기 위하여 사용되는 신관 시스템(fuzing system)에 관한 것으로, 특히 발사 시 피복전선들이 녹아서 서로 다른 전선과 접촉이 생김으로써 발생하는 오동작을 방지하고, 전기적 잡음을 감소시킬 수 있는 전자 시한 신관에 관한 것이다.

운반체에서 발사되는 병기 발사체에 사용되는 기존의 신관에는, 에너지 저장 수단으로서 전원을 발사 직전에 전원 캐패시터를 충전함으로써 저장 혹은 운반 시 신관의 비활성 상태를 확보할 수 있는 신관이 있고, 이와 같은 신관에 방전의 수단이 더 있어 비활성의 상태로 되돌릴 수 있는 신관도 있다. 일정 시간이 지난 뒤에 기폭이 되는 신관을 시한 신관(time fuze)이라 하고, 이런 시한 신관이 초기에는 통제장치(local control unit)에 피복전선들로 연결되어 있으며, 발사 직전에 이 피복전선들을 통하여 전원 캐패시터를 충전하고, 통제장치에서 이 시한 신관에 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 피복전선을 통하여 전달하고 이 명령에 따라 기폭이 되는 기존의 시한 신관들에서는, 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 서로 다른 전선과 접촉이 생김으로써 발생하는 오동작의 문제를 효과적으로 해결하지 못하는 문제점이 있었다.

또한 대응탄은 적의 대전차미사일(ATGM: Anti-Tank Guided Missile), 대전차로켓(ATR: Anti-Tank Rocket) 등 전차에 접근하는 위협체를 탐지 및 추적하여 무력화시키는 능동파괴체계(APS: Active Protection System)에 필요한 탄약으로서, 전차에 부착된 구동장치 위에 위치한 발사장치에 대응탄을 장착하여 사용하게 된다. 이 전차에 스위칭전원이 사용되고, 구동장치를 구동하기 위하여 스위칭 전력 증폭기가 사용되고 있는데, 이들의 기본동작이 파워 스위칭의 연속이고 전기적 잡음의 발생원으로서의 성격을 갖는다. 일반적으로 전기적 잡음은 발생과 전달과정에서 변수가 많은 관계로 배선, 접지, 차폐, 등의 한 가지 방법으로는 방지하는데 한계가 있기 때문에 대응탄의 사용조건에 비추어 전기적 잡음에 강한 전자 시한 신관이 필요하지만 이런 신관기술이 기존에 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 대응탄 발사 시 고온에 의한 피복전선들이 녹아서 서로 다른 전선과 접촉이 생김으로써 발생하는 오동작을 방지할 수 있는 전자 시한 신관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 대응탄 사용조건에서 전기적 잡음에 의하여 발생하는 오동작을 방지할 수 있는 전자 시한 신관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이중의 조건을 만족할 때만 기폭 전류를 공급할 수 있게 하여 안전을 확보할 수 있는 전자 시한 시관을 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자 시한 신관은 DC 차단캐패시터와 RC 저역통과필터를 구비하거나, 또는 전압 분배기와 RC 저역통과필터를 구비한 것의 특징과 그리고 대응탄 시한 신관에 위치한 마이크로컨트롤러에서 기폭신호와 기폭신호 바로 직전에 아날로그 스위치를 동작시키는 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 특징은 전원을 공급하기 위한 2 가닥의 피복전선과 전원 캐패시터를 방전하기 위한 1 가닥의 피복전선을 구비한 전원부; 점화코일에 기폭 전류가 공급되면 동작하는 기폭관; 트랜지스터 인버터와 MOS 트랜지스터를 구비하여 기폭신호가 전달되면 기폭관의 점화코일에 기폭 전류를 공급하는 기폭 회로부; 상기 전원부에 위치한 전원 캐패시터를 방전하면서 상기 기폭 회로부에 전원을 공급하기 위한 아날로그 스위치 회로부; 통제장치로부터 시한정보와 카운트다운 시작 신호를 데이터 입력부를 통하여 전달받아 카운트다운을 시작하여 기폭 시한 직전에 상기 아날로그 스위치 회로부를 동작시키기 위한 신호들을 출력하고, 시한정보에 의한 시한값에 도달하면 기폭신호를 출력하는 컨트롤러부; 통제장치에서 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 1 가닥의 피복전선을 통하여 전달받는 상기 데이터 입력부이면서 그리고 DC 차단 캐패시터와 RC 저역통과필터로 이루어지거나, 또는 전압 분배기와 RC 저역통과필터로 이루어진 상기 데이터 입력부를 포함하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 세부적 특징은 능동파괴체계에 필요한 탄약으로서의 대응탄에서 실시된 점이다.

상기 통제장치는 전차에 탑제된 것을 특징으로 하며, 상기 통제장치는 능동파괴체계(APS: Active Protection System) 통제장치이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 다른 세부적 특징은 상기 DC 차단 캐패시터가 1㎌의 캐패시턴스를 갖는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 또 다른 세부적 특징은 상기 RC 저역통과필터가 79.5㎑ ~ 318㎑ 의 대역폭을 갖는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관에서 대역폭이 79.5㎑인 RC 저역통과필터의 특징은 저항은 2㏀이고, 캐패시터는 1,000㎊를 갖는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관에서 전압분배기의 특징은 데이터 입력부의 입력에 연결된 저항과 접지에 연결된 저항이 직렬로 연결되고, 이 두 저항의 연결점이 전압분배기의 출력으로 사용되는 전압분배기로서, 데이터 입력부의 입력에 연결된 저항은 1㏀이고, 접지에 연결된 저항은 5.11㏀인 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 또 다른 세부적 특징은 상기 전원부가, 상기 통제장치에서 인가한 전압보다 허용전압이 낮은 복수의 캐패시터를 병렬로 연결하여 전원 캐패시터로 사용하기 위한 제너다이오드; 상기 제너다이오드에 직렬로 연결되어 과전류 보호를 위한 휴즈형 저항; 서로 다른 피복 전선과의 접촉으로 발생하는 오동작을 해결하기 위해 상기 휴즈형 저항에 직렬로 연결되고 서로 병렬을 이루는 쇼트키 베리어(Schottky Barrier) 다이오드; 상기 기폭 회로부와 전압기준장치 그리고 아날로그 스위치 IC에 전원을 공급하는 전원 캐패시터; 상기 전원 캐패시터에 충전된 전원을 공급받아 5Vdc 출력을 생성하는 전압기준장치; 상기 전압기준장치의 출력 캐패시터; 상기 전원 캐패시터를 방전하기 위한 저항을 포함하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 또 다른 세부적 특징은 상기 전원 캐패시터가 각각 150㎌인 캐패시터 4개가 서로 병렬로 연결된 캐패시터이며 허용전압은 10Vdc인 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관에서 상기 전원 캐패시터를 방전하기 위한 저항의 특징은 3.92㏀인 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 구성의 또 다른 세부적 특징은 상기 컨트롤러부가 기폭 시한 20㎳전에 상기 아날로그 스위치 회로부를 동작시키기 위한 신호들을 출력하는 점이다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관은 다음과 같은 효과를 나타낼 수 있다.

첫째, 병기 발사체를 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 서로 다른 전선과 접촉함으로써 발생하는 오동작을 방지할 수 있다.

둘째, 병기 발사체의 사용조건에서 전기적 잡음에 의하여 발생하는 오동작을 방지할 수 있다.

셋째, 이중의 조건을 만족할 때만 기폭 전류를 공급할 수 있게 하여 안전을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전자 시한 신관의 블록도이다.
도 2는 전원부를 나타낸 도면이다.
도 3a는 데이터 입력부의 입력 데이터가 데이터 입력부의 출력에 직접 연결되어 있음을 나타낸 도면이다.
도 3b는 전압분배 회로를 사용하여 대응탄을 발사할 때 피복전선들의 접촉에 의한 문제의 해결을 나타낸 도면이다.
도 3c는 전압분배 회로를 사용하여 대응탄을 발사할 때 피복전선들의 접촉에 의한 문제를 해결하고, 저역통과필터를 사용하여 잡음에 의한 문제의 해결을 나타낸 도면이다.
도 3d는 DC 차단 캐패시터를 사용하여 대응탄을 발사할 때 피복전선들의 접촉에 의한 문제를 해결하고, 저역통과필터를 사용하여 잡음에 의한 문제의 해결을 나타낸 도면이다.
도 4는 컨트롤러부를 나타낸 도면이다.
도 5는 아날로그 스위치 회로부를 나타낸 도면이다.
도 6은 기폭 회로부를 나타낸 도면이다.
도 7은 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령에 나타난 잡음의 예를 나타낸 도표이다.
도 8은 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 나타낸 도면이다.
도 9는 대역폭이 79.5㎑인 저역통과필터에서 측정된 출력파형을 나타낸 도표이다.
도 10a는 능동파괴체계 기동시험치구에 설치된 전원을 사용할 때 잡음이 포함된 데이터를 측정하여 나타낸 도표이다.
도 10b는 도 10a의 데이터가 필터 입력일 때 318㎑ 대역폭인 저역통과필터의 출력을 측정하여 나타낸 도표이다.
도 10c는 도 10a의 데이터를 필터 입력으로 사용하여 대역폭이 79.5㎑인 저역통과필터를 디지털 필터로 구현하고 그 디지털 필터의 출력을 나타낸 도표이다.
도 10d는 도 10a의 데이터를 필터 입력으로 사용하여 대역폭이 15.9㎑인 저역통과필터를 디지털 필터로 구현하고 그 디지털 필터의 출력을 나타낸 도표이다.
도 11a는 DC 차단 캐패시터의 입력을 측정하여 나타낸 도표이다.
도 11b는 DC 차단 캐패시터가 1,000㎊일 때 DC 차단 캐패시터 출력을 측정하여 나타낸 도표이다.
도 11c는 DC 차단 캐패시터가 1㎌일때의 DC 차단 캐패시터 출력을 측정하여 나타낸 도표이다.
도 11d는 1㎌인 DC 차단 캐패시터를 통과하고 대역폭이 79.5㎑인 저역 통과필터 출력을 측정하여 나타낸 도표이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 전자 시한 신관에서 대응탄 발사 시 고온에 의하여 피복전선들이 녹아서 서로 다른 전선과 접촉이 생김으로써 발생하는 오동작을 방지하기 위한 방법 및 대응탄 사용조건에서 전기적 잡음에 의하여 발생하는 시한 신관의 오동작을 방지하기 위한 방법 그리고 이중의 조건을 만족할 때만 기폭 전류를 공급할 수 있게 하여 시한 신관의 안전을 확보하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 시한 신관(100)은 전원부(110), 데이터 입력부(120), 컨트롤러부(130), 아날로그 스위치 회로부(140), 기폭 회로부(150) 및 기폭관(160)을 포함하여 이루어진다.

전원부의 전원 캐패시터를 충전하기 위하여 능동파괴체계 통제장치에서 전원부에 피복전선(1)과 피복전선(2)로 연결되어 있다. 방전의 수단을 제공하기 위하여 전원 캐패시터는 저항을 통하여 피복전선(3)으로 능동파괴체계 통제장치에 연결되어 있다. 능동파괴체계 통제장치로 연결된 피복전선(4)을 거쳐서 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 데이터 입력부(120)의 출력(5)을 통하여 컨트롤러부(130)의 마이크로컨트롤러에 전달한다. 능동파괴체계 통제장치에서 전자 시한 신관(100)에 연결된 피복전선들(16)은 AWG24의 굵기를 갖는 나선형 피복전선(coiled cable)이며, 쉽게 분리될 수 있도록 하기 위하여 자유 단(free end) 형태의 컨넥터로 대응탄 전자 시한 신관(100)에 연결되어 있다.

기폭 회로부(150)에 전원을 공급하기 위하여 전원부(110)의 전원 캐패시터는 아날로그 스위치 회로부(140)에 연결(6)되어 있다. 전원 캐패시터에 충전된 전원을 전압기준장치(voltage reference)의 입력으로 사용하여 전압기준장치의 5Vdc 출력을 컨트롤러부(130)에 공급(7)한다. 또한 이 5Vdc 출력은 풀업 저항(pull-up resistor)을 통하여 컨트롤러부(130)에 연결(8)되어 있다. 기폭 신호보다 20㎳전에 아날로그 스위치 회로를 동작시키기 위한 아날로그 스위치 동작신호들(9, 10)이 컨트롤러부(130)로부터 아날로그 스위치 회로부(140)에 전달된다. 컨트롤러부(130)에서 생성되는 기폭신호(11)는 기폭 회로부(150)에 전달된다. 전원부(110)의 전원 캐패시터에서 아날로그 스위치 회로부(140)에 제공되는 전원은 아날로그 스위치 회로부(140)를 통하여 기폭 회로부(150)로 전달(12)된다. 기폭회로의 접점(13)과 접점(14)는 굵기가 AWG24인 2개의 피복전선들(17)을 통하여 기폭관(160)에 위치한 점화코일(15)에 연결되어 있다.

도 2는 전원부(110)를 나타내고 있다. 피복전선(1)과 피복전선(2)는 능동파괴체계 통제장치에서 전원부(110)에 연결되어 있고, 발사 직전에 이 피복전선들을 통하여 전원 캐패시터(22)를 충전한다. 여기서 능동파괴체계 통제장치에서 공급하는 전원은 12Vdc이며 능동파괴체계 통제장치에서 다른 목적으로 사용하는 전원이지만 전자 시한 신관(100)에서도 함께 사용한다. 그런데 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 서로 다른 피복전선과 접촉이 생김으로써 발생하는 오동작의 문제를 해결하기 위하여 쇼트키 베리어(Schottky Barrier) 다이오드(20)가 도 2에서와 같이 서로 병렬을 이루도록 구성되었다. 이 쇼트키 베리어 다이오드(20)는 On Semiconductor사의 BAT54AWT1이다. 전원 캐패시터(22)를 충전하고 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 피복전선(1)과 피복전선(2)가 접촉될지라도 혹은 피복전선(1)이 피복전선(3)에 접촉되고 혹은 피복전선(1)이 피복전선(4)에 접촉될지라도 쇼트키 베리어 다이오드(20)가 역방향이기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 이런 이유에서 피복전선들이 녹아서 피복전선(1)이 다른 피복전선과 접촉이 생길지라도 전자 시한 신관은 정상 작동하기 때문에 피복전선들이 녹아서 일으킬 수 있는 문제의 일부분을 해결하고 있다.

능동파괴체계 통제장치에서 피복전선(1)과 피복전선(2) 사이에 12Vdc 전압이 인가되면 제너다이오드(18)에 대략 2.2V-2.6V의 전압이 걸리고, 휴즈형 저항(fusible resistor)(19)에 걸리는 전압은 무시하며, 충전 시 쇼트키 베리어 다이오드(20)에 대략 0.35Vdc-0.40Vdc(forward voltage)가 걸리지만 충전이 완료되면 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 대략 0.2Vdc정도 걸린다. 따라서 전원 캐패시터(22)에 걸리는 전압은 최대 9.6Vdc정도이며, 기폭 회로부에 전원을 공급하고 아날로그 스위치 IC에 전원을 공급하기 위하여 아날로그 스위치 회로부에 연결(6)되어 있다. 과전류(over current) 보호를 위하여 10Ω인 휴즈형 저항(19)이 추가되었으며, 과전류가 흐르면 휴즈형 저항이 파손되게 한 것으로 안전을 위한 것이다.

전원 캐패시터(22)는 허용전압(rated voltage)이 10Vdc이며, 각각 150㎌인 캐패시터 4개가 병렬로 연결되어 있다. 이 캐패시터들은 칩 캐패시터(chip capacitor)이며 허용전압이 10Vdc 보다 큰 것은 칩 캐패시터의 치수(dimension)가 약간 더 크다. 치수가 큰 것은 치수가 작은 것에 비하여 충격시험에서 견뎌내기가 더 어려운 단점이 있다. 허용전압이 16Vdc이며, 각각 150㎌인 캐패시터 4개를 병렬로 연결하여 사용하면 제너다이오드가 없어도 동작을 시킬 수 있으나 칩 캐패시터의 치수가 크기 때문에 충격시험에서 캐패시터가 깨지는 현상이 발생하여 실패하였다. 이런 이유에서 칩 캐패시터의 치수가 더 작기 때문에 허용전압이 10Vdc로 더 작지만 허용전압이 10Vdc이고 각각 150㎌인 캐패시터 4개를 병렬로 연결하고, 동작전압(working voltage)이 2.2V-2.6V인 제너다이오드(18)를 이용하여 전원 캐패시터(22)에 최대 9.6Vdc 전압이 걸리게 하여 이 문제를 해결하였다. 이 제너다이오드(18)는 NXP Semiconductors의 BZX84-C2V4이다. 여기서 허용전압이 10Vdc이면서 각각 150㎌인 캐패시터 4개를 병렬로 사용하는 캐패시터의 용량은 전자 시한 신관의 최대 지연시간과 관계된다.

본 발명에 따른 전자 시한 신관의 최대 지연시간이 150㎳로 주어졌기 때문에, 이 조건을 만족할 수 있는 캐패시터의 용량이 필요하다. 캐패시터의 용량이 부족하면 최대 지연시간을 만족할 수 없으며, 캐패시터의 용량이 너무 크면 치수가 커지는 문제를 발생할 수 있기 때문에 이것들을 고려하여 제너 다이오드(18)를 사용하고 허용전압이 10Vdc이면서 각각 150㎌인 캐패시터 4개를 병렬로 사용한 것이다. 이 전원 캐패시터(22)를 전압기준장치(23)의 입력 캐패시터(22)로 부르기도 하고 전압기준장치의 출력 캐패시터(24)가 도 2에 표시되어 있고, 이것은 허용전압이 10Vdc이고 1㎌인 캐패시터이다. 이 전압기준장치(23)는 입력 캐패시터(22) 양단에 걸려있는 최대 9.6Vdc의 전압을 출력 캐패시터(24) 양단에서 5Vdc로 만드는 Maxim Integrated Products Inc.의 MAX6035AAUR50-T이다. 이 5Vdc 전압(7)은 컨트롤러부(130)의 마이크로컨트롤러에 필요한 전원을 공급하고, 또한 2㏀의 풀업 저항(25)를 통하여 컨트롤러부(130)의 마이크로컨트롤러 Master Clear(

)핀에 연결(8)되어 있다.

위협체를 탐지하는 순간에 능동파괴체계 통제장치는 피복전선(1)과 피복전선(2) 사이에 12Vdc 전압을 인가하여 전원 캐패시터(22)를 충전하고, 어느 일정시점까지 위협체의 변위 데이터를 분석하여 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 피복전선(4)으로 전달하는 경우와 위협체의 판단을 취소하는 경우가 있다. 위협체의 판단을 취소하는 경우에는 저항(21)을 통하여 피복전선(3)이 능동파괴체계 통제장치에 연결되어 있어 이 통제장치에서 전원 캐패시터(22)를 방전시킨다. 이 저항(21)을 통하지 않고 전원 캐패시터(22)에서 피복전선(3)에 직접 연결하여 통제장치에 있는 저항을 통하여 방전을 실시하였으나 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 피복전선(3)이 피복전선(2)에 접촉이 되어 전원 캐패시터(22)에 저장된 에너지가 즉시 방전되어 실패하였다. 이런 이유에서 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 피복전선(3)이 피복전선(2)에 접촉된다 해도 본 발명에 따른 전자 시한 신관의 최대 지연시간인 150㎳동안은 신관의 정상작동이 필요하기 때문에 이에 대한 수단이 필요하였으며, 이 수단을 제공하는 것이 3.92㏀의 저항(21)이다.

전원 캐패시터(22)에 걸리는 전압이 8.5Vdc 보다 작지 않고, 도 1의 기폭관(160)에 위치한 점화코일(15)을 대신하여 모의 기폭관에 해당되는 4Ω의 저항을 연결하여 도 6에 나타낸 저항(49)에 걸리는 기폭출력 전압이 4.5Vdc 보다 작지 않으면 신관이 정상 동작함을 실험을 통하여 확인하였으며, 방전시작 3초 후에는 전원 캐패시터(22)를 다시 충전하기 위하여 방전시작 후 3초 이내에 마이크로컨트롤러에 공급하는 전압(7)이 대략 2.0Vdc이하가 될 수 있도록 방전이 되어야 한다. 저항(21)의 값을 바꾸어가면서 피복전선(3)을 피복전선(2)에 접촉시켜 150㎳ 시점에 전원 캐패시터(22)에 걸리는 전압을 측정하여 200Ω 일 때 8.0Vdc, 1.0㏀일 때 8.8Vdc, 2.0㏀일 때 9.2Vdc를 얻었으며, 저항이 클수록 측정 전압이 큰 것을 알 수 있다. 또한 저항(21)의 값이 2.0㏀일 때 피복전선(3)을 피복전선(2)에 접촉시켜 150㎳시점에 모의 기폭관에 해당되는 4Ω의 저항을 연결하여 도 6에 나타낸 저항(49)에 걸리는 기폭출력 전압이 4.5Vdc 이상임을 확인하였으며, 저항이 클수록 기폭출력 전압이 크게 측정되었다. 여기서 저항(21)의 값이 크면 피복전선들이 녹아서 피복전선(3)이 피복전선(2)에 접촉되었을 때 신관의 정상작동이 가능하지만, 방전시작 후 3초 이내에 마이크로컨트롤러를 초기상태로 되돌리고, 방전시작 3초 후에는 12Vdc 전압을 다시 인가하여 캐패시터(22)를 재충전하기 위한 방전의 목적을 달성하기 위해서는 저항(21)의 값에 제약을 받는다. 저항(21)의 값을 바꾸어가면서 피복전선(3)을 피복전선(2)에 접촉시켜 마이크로컨트롤러에 공급하는 전압(7)이 방전시작 후 3초 이내에 대략 2.0Vdc이하가 되는 저항(21)의 값을 대략 4.3㏀이하로 얻었다. 여기서 2.0Vdc는 Brown-out Detect Voltage로서 이 전압보다 낮으면 제 4도에 나타낸 마이크로컨트롤러(31)는 초기상태로 되돌려진다. 이런 이유에서 대응탄을 발사할 때 높은 온도 때문에 피복전선들이 녹아서 피복전선(3)이 피복전선(2)에 접촉된다 해도 150㎳의 지연시간 동안은 기폭에너지를 충분히 얻을 수 있게 하기 위하여 저항(21)의 값은 4.3㏀에 가까운 3.92㏀이 선정되었으며, 발사시험을 통하여 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(2)에 접촉되어 나타나는 문제가 해결되었음을 확인하였고, 방전의 기능도 확인하였다.

도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d는 데이터 입력부(120)를 나타내고 있으며, 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령이 능동파괴체계 통제장치에서 데이터 입력부(120)의 입력(4)에 전달되고, 데이터 입력부(120)의 출력(5)가 마이크로컨트롤러에 전달되는 부분이다.

도 3a에서와 같이 데이터 입력부(120)의 입력(4)를 직접 데이터 입력부(120)의 출력(5)에 전달하여 실험실에서는 기능에 문제가 없었으나, 발사시험에서 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 되는 문제가 발생하여 실패하였다. 도 3a에서는 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 되면 전원 캐패시터(22)에 걸리는 전압의 대부분이 마이크로컨트롤러의 입력에 걸리게 되어 마이크로컨트롤러에서 허용하는 전압 5.5V 보다 커지는 문제가 발생하여 실패하였다.

이 문제를 해결하고자 도 3b에서와 같이 전압분배(voltage divider) 회로를 사용하여 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉될 때 전압분배 회로의 출력이 5.5V보다 크지 않게 하고, 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령의 데이터 전압은 크게 줄어들지 않게 하기 위하여 저항(26)을 1㏀으로 정하고, 저항(27)을 5.11㏀으로 하여 전압분배 비율이 83.6%이다. 이 비율보다 작으면 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령의 데이터 전압이 줄어들고, 저항(26)이 1㏀일 때 저항(27)이 너무 크면 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉될 때 전압분배 회로의 출력이 5.5V를 넘게 된다. 5.0V의 데이터가 전압분배 회로의 출력에서 4.18V로 줄어들지만, 마이크로컨트롤러의 입력 High 전압이 2.0V이상이기 때문에 4.18V는 충분하다. 도 3b에서 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 되어 나타나는 문제는 해결이 되었지만, 전차에 사용되는 스위칭전원 및 스위칭 전력 증폭기에 의한 스위칭 잡음 때문에 전기적 잡음에 강한 전자 시한 신관이 필요하다.

이런 이유에서 도 3c에서는 도 3b에서 설명한 것처럼 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 되어 나타나는 문제를 해결할 수 있고, 저역통과필터(low pass filter)를 사용하여 전기적 잡음에 강한 특성을 갖고 있어 스위칭 잡음에 의한 오동작을 방지할 수 있는 방법을 제공하고 있다. 이 필터의 대역폭(bandwidth)을 결정하기 위하여 능동파괴체계 기동시험치구에 설치된 전원을 사용할 때 스위칭 잡음이 포함된 데이터를 측정하고 이것을 사용하여 필터의 기능을 확인하였다. 또한 디지털 필터의 프로그램을 작성하고, 잡음이 포함된 이 데이터를 이용하여 디지털 필터의 출력을 살펴보았다. 여기서 능동파괴체계 기동시험치구란 능동파괴체계의 모든 구성품을 전차대신에 시험치구에 장착하여 방호성능시험을 실시하기 위하여 제작된 모의 전차이며, 실제로 전차에 활성의 위협체를 발사할 수 없기 때문에 기동시험 치구를 사용한 것이다.

전기적 잡음은 발생과 전달과정에서 변수가 많은 관계로 발생과 전달과정에서 전기적 잡음의 저감 대책도 필요하고, 도 7에 보인 잡음이 관찰된 것으로 보아 이와 같은 잡음이 발생할 수 있는 가능성이 있기 때문에 잡음에 강한 신관이 필요한 것이다.

도 8은 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 나타내고 있으며, 각각의 펄스폭이 20㎲이면서 4비트로 구성된 1010의 이진 신호(50) 다음에 각각의 펄스폭이 50㎲이면서 8비트로 구성된 이진 신호(51)이 시한정보를 나타내고 있으며, 그 뒤 300㎲(52)가 지나서 펄스폭이 100㎲인 신호(53)가 카운트다운을 시작하라는 명령이다. 여기서, 마이크로컨트롤러가 상기의 4비트로 구성된 1010의 이진 신호(50)를 잡음에 의하여 인식하지 못하면 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 인식하지 못하기 때문에 마이크로컨트롤러는 카운트다운을 시작하지 못하게 된다.

저역통과필터의 대역폭이 작으면 스위칭 잡음의 제거는 양호하지만 파형의 왜곡이 심해지고, 필터의 대역폭이 크면 파형의 왜곡은 작아지지만 스위칭 잡음이 제거되는 정도는 줄어든다. 이런 이유에서 대역폭의 하한값은 디지털 필터의 출력에 나타난 파형의 왜곡을 고려하여 79.5㎑로 선정하고, 실제로 저항(28)을 2㏀으로 하고 캐패시터(29)를 1,000㎊로 하여 대역폭이 79.5㎑인 저역통과필터를 구성하여 그 필터 출력을 도 9에 나타내었다. 대역폭의 상한값은 디지털 필터의 출력에 나타난 스위칭 잡음이 제거되는 정도를 고려하여 318㎑로 선정하고, 실제로 저항(28)을 5㏀으로 하고 캐패시터(29)를 100㎊로 하여 대역폭이 318㎑인 저역통과필터를 구성하였다.

능동파괴체계 기동 시험 치구에 설치된 전원을 사용할 때 스위칭 잡음이 포함된 데이터를 측정하여 도 10a에 나타내었고, 이 도 10a의 데이터가 필터 입력일 때 318㎑ 대역폭인 저역통과필터의 출력을 측정하여 도 10b에 나타내었다. 대역폭이 79.5㎑인 디지털 필터를 구현하여 도 10a에 나타낸 데이터를 그 필터의 입력으로 사용하여 그 필터의 출력을 구한 것이 도 10c에 나타나 있고, 같은 방법으로 대역폭이 15.9㎑인 디지털 필터의 출력이 도 10d에 나타나 있다. 이것들을 근거로 79.5㎑ - 318㎑ 범위에서 대역폭을 선정할 수 있는데 79.5㎑에서 스위칭 잡음이 거의 제거 되었고 파형의 왜곡이 크지 않으며 마이크로컨트롤러에서 정상 작동하였기 때문에 대역폭을 79.5㎑로 선정하였다.

도 3d에서는 도 3c에서의 저항(26)과 저항(27)로 구성된 전압 분배기 대신에 DC 차단 캐패시터(DC block capacitor)(30)를 사용하여 대응탄을 발사할 때 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 되어 나타나는 문제를 해결하는 방법을 제공하고 있다. 여기서 전압 분배기란 전압분배 회로를 의미한다. 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 될 때 DC 차단 캐패시터(30)은 DC 전류를 통과시키지 않기 때문에 피복전선(3)이 피복전선(4)에 접촉이 될 때 마이크로컨트롤러에서 허용하는 전압 5.5V 보다 큰 전압이 가해질 수 없어 문제를 해결할 수 있다. 반면에 캐패시터(30)의 캐패시턴스가 1,000㎊로 작으면 DC 차단 캐패시터(30)의 출력이 도 11b에서 볼 수 있는 것처럼 왜곡이 심하고, 출력이 감소하는 문제가 발생하는데 그 출력에 문제가 생기지 않을 정도로 DC 차단 캐패시터(30)에 충분한 캐패시턴스가 필요하다. 도 11a는 DC 차단 캐패시터(30)의 입력을 측정하여 나타낸 도표이고, DC 차단 캐패시터(30)에 1,000㎊를 사용하여 출력을 측정한 결과가 도 11b에 나타나 있으며, 왜곡이 심하고 출력이 감소하는 것을 알 수 있다. DC 차단 캐패시터(30)에 1㎌를 사용하여 출력을 측정한 것이 도 11c에 나타나 있으며, 1㎌의 DC 차단 캐패시터(30)를 통하고 79.5㎑ 저역통과필터를 통과한 출력이 도 11d에 나타나 있으며, 이 출력은 마이크로컨트롤러에서 정상 작동함을 확인하였다.

도 4는 컨트롤러부(130)를 나타내고 있다. 크리스탈 오실레이터(crystal oscillator)(32)가 마이크로컨트롤러(31)에 연결되어 클럭(clock)을 제공하고, 이 크리스탈 오실레이터는 STATEK Corporation의 HGXO5HNSM3-4.0M으로 5V 전원에서 동작하고, 100,000G의 충격에 견딜 수 있으며, 주파수는 4.0㎒이다. 캐패시터(33)은 전압기준장치의 출력 캐패시터(24)와 병렬로 연결된 것으로 높은 주파수의 잡음이나 펄스성의 짧은 주기의 잡음을 흡수시키기 위하여 병렬로 사용된 것이다. 마이크로컨트롤러(31)은 Microchip Technology Inc.의 PIC16F630-1로 8비트 CMOS 마이크로컨트롤러이다. 이 마이크로컨트롤러에 공급해야 하는 전압은 2.0V-5.5V이며,

도 2의 전압기준장치의 출력 캐패시터(24)의 출력(7)에 연결되어 도 4의 마이크로컨트롤러에 필요한 전원(supply voltage)(7)을 공급하고 있다. 또한 마이크로컨트롤러의 Master Clear핀(

)은 도 2의 전압기준장치의 출력 캐패시터(24)에 연결된 풀업 저항(25)를 통하여 연결(8)하여 마이크로컨트롤러에 공급하는 전압이 2.0V이하이면 Master Clear가 동작한다. 여기서 풀업 저항(25)는 전압을 안정시키기 위하여 사용한 것이다.

데이터 입력부(120)의 출력(5)을 통하여 도 4의 마이크로컨트롤러의 입력(5)으로 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령이 전달되면 마이크로컨트롤러(31)는 카운트다운을 시작하여 시한정보에 의한 시한값 보다 20㎳전에 아날로그 스위치 회로부(140)의 아날로그 스위치 회로를 동작시키기 위한 신호(9)와 신호(10)을 내보내고 시한정보에 의한 시한값에 도달하면 기폭신호(11)를 내보낸다. 여기서 10㏀의 저항(34)와 10㏀의 저항(35)은 전압을 안정시키기 위하여 사용된 풀다운 저항(pull-down resistor)이다.

도 5는 아날로그 스위치 회로부(140)를 나타내고 있다. 마이크로컨트롤러에서 기폭신호(11)를 보내기 20㎳전에 신호(9)와 신호(10)이 주어지면 전원부(110)의 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)을 기폭 회로부(150)의 전원(12)으로 공급하기 위한 아날로그 스위치 회로이다. 아날로그 스위치 IC(36)은 Maxim Integrated Products의 Max4592이며, 이 IC에는 4개의 아날로그 스위치가 있다. 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)이 아날로그 스위치 IC(36)을 동작시키기 위한 전원으로 사용되며, 0.22㎌의 캐패시터(37)은 전원 캐패시터(22)와 병렬로 연결된 것으로 높은 주파수의 잡음이나 펄스성의 짧은 주기의 잡음을 흡수시키기 위한 것이다. 마이크로컨트롤러에서 신호(9)가 주어지면 아날로그 스위치가 동작하여 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)이 2㏀의 저항(39)를 통하여 방전되면서, 동시에 마이크로컨트롤러에서 신호(10)이 주어지면 이 신호는 아날로그 스위치 회로부에 있는 스위치 2개를 병렬로 동작시켜 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)을 기폭 회로부(150)의 전원(12)으로 공급한다. 여기서 충전된 전원(6)을 2㏀의 저항(39)을 통하여 방전시키면서 기폭 회로부(150)의 전원(12)으로 공급하는 것은 안전을 위한 것으로, 만약 기폭에 실패한 경우에 전원을 방전시키기 위한 것이다. 그리고 쇼트키 베리어 다이오드(38)은 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)을 한 방향으로만 공급하기 위한 것으로, 기폭 회로부(150)의 전원(12)으로만 공급한다.

도 6은 기폭 회로부(150)를 나타내고 있다. 1㏀의 저항(40), 5.11㏀의 저항(41), 51.1㏀의 저항(47) 및 트랜지스터(43)은 트랜지스터 인버터로 동작하여 트랜지스터 스위치 역할을 하는데, 안정된 동작을 위하여 0.01㎌의 캐패시터(42)가 추가되었다. 기폭신호(11)를 받기 20㎳전에 아날로그 스위치 2개를 통하여 전원 캐패시터(22)에 충전된 전원(6)이 기폭회로부(150)에 전달(12)되어 10Ω의 휴즈형 저항(44)을 통하여 150㎌의 캐패시터(46)에서 트랜지스터 인버터와 MOS 트랜지스터(48)의 전원이 공급되면서 1㏁의 저항(45)에서는 방전된다. 기폭신호(11)가 전달되면 트랜지스터(43)을 도통시키고 MOS 트랜지스터(48)를 도통시켜서 도 1의 기폭관(160)에 위치한 점화코일(15)에 기폭 전류를 공급하여 기폭을 시킨다. 여기서 1㏀의 저항(49)은 기폭관(160)에 위치한 점화코일(15)에 병렬로 연결되어 있으며, MOS 트랜지스터(48)는 Fairchild Semiconductor의 FDN306P이다.

Claims (10)

1. 통제장치로부터 전원을 공급하기 위한 2 가닥의 피복전선과 전원 캐패시터를 방전하기 위한 1 가닥의 피복전선을 구비한 전원부;
   점화코일에 기폭 전류가 공급되면 동작하는 기폭관;
   트랜지스터 인버터와 MOS 트랜지스터를 구비하여 기폭신호가 전달되면 상기 기폭관의 점화코일에 기폭 전류를 공급하는 기폭 회로부;
   상기 전원부에 위치한 전원 캐패시터를 방전하면서 상기 기폭 회로부에 전원을 공급하기 위한 아날로그 스위치 회로부;
   상기 통제장치에서 시한정보와 카운트다운을 시작하라는 명령을 1 가닥의 피복전선을 통하여 전달받되, 서로 다른 피복 전선과의 접촉으로 발생하는 오동작을 해결하기 위한 DC 차단 캐패시터 또는 전압 분배기와, 스위칭 잡음에 의한 오동작을 방지하기 위한 RC 저역통과필터가 구비된 데이터 입력부; 및,
   상기 데이터 입력부를 통하여 시한정보와 카운트다운 시작 신호를 전달받아 카운트 다운을 시작하여 기폭 시한 직전에 상기 아날로그 스위치 회로부를 동작시키기 위한 신호들을 출력하고, 시한정보에 의한 시한 값에 도달하면 기폭신호를 출력하는 컨트롤러부를 포함하여 이루어지는 전자 시한 신관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 통제장치는 전차에 탑제된 능동파괴체계(APS: Active Protection System) 통제장치인 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
3. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 입력부의 DC 차단 캐패시터는 1㎌의 캐패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
4. 제1항에 있어서,
   상기 데이터 입력부의 RC 저역통과필터의 대역폭은 79.5㎑ ~ 318㎑ 인 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
5. 제 4항에 있어서,
   대역폭이 79.5㎑인 RC 저역통과필터의 저항은 2㏀이고, 캐패시터는 1,000㎊인 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전압분배기는 데이터 입력부의 입력에 연결된 저항과 접지에 연결된 저항이 직렬로 연결되고, 이 두 저항의 연결점이 전압분배기의 출력으로 사용되는 전압분배기로서, 데이터 입력부의 입력에 연결된 저항은 1㏀이고, 접지에 연결된 저항은 5.11㏀인 것을 특징으로 하는 전압분배기를 포함하여 이루어지는 전자 시한 신관.
7. 제1항에 있어서,
   상기 전원부는,
   상기 통제장치에서 인가한 전압보다 허용전압이 낮은 복수의 캐패시터를 병렬로 연결하여 전원 캐패시터로 사용하기 위한 제너다이오드;
   상기 제너다이오드에 직렬로 연결되어 과전류 보호를 위한 휴즈형 저항;
   서로 다른 피복 전선과의 접촉으로 발생하는 오동작을 해결하기 위해 상기 휴즈형 저항에 직렬로 연결되고 서로 병렬을 이루는 쇼트키 베리어(Schottky Barrier) 다이오드;
   상기 기폭 회로부와 전압기준장치 그리고 아날로그 스위치 IC에 전원을 공급하는 전원 캐패시터;
   상기 전원 캐패시터에 충전된 전원을 공급받아 5Vdc 출력을 생성하는 전압기준장치;
   상기 전압기준장치의 출력 캐패시터;
   상기 전원 캐패시터를 방전하기 위한 저항을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전원 캐패시터는 각각 150㎌인 캐패시터 4개가 서로 병렬로 연결된 캐패시터이며 허용전압은 10Vdc인 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
9. 제7항에 있어서,
   상기 전원 캐패시터를 방전하기 위한 저항은 3.92㏀ 인 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.
10. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러부는 기폭 시한 20㎳전에 상기 아날로그 스위치 회로부를 동작시키기 위한 신호들을 출력하는 것을 특징으로 하는 전자 시한 신관.

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