一种电子雷管发火电路开关驱动的研究.pdf

3 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第柏卷第6 期 一种电子雷管发火电路开关驱动的研究 张晶威∞刘星。颜景龙。 孟立凡中 陈文蓉o ①中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验宣 山西太原，0 3 0 0 5 1 ②北京北方邦杰科技发展有限公司 北京，1 0 0 0 8 5 [ 摘要] 介绍了一种电子雷管点火头发火电压检测仪中的发火电路开关的设计与优化。试验表明使用N M O S 或C M O S 反相器驱动电容放电式火T g ．的发火电路开关。电容放电式发火电路开关的导通过程时问l l J u I ，开关导通 过程中的电容能量损失‘O ．8 ％。 [ 关键词]电子雷管发火电路电子开关导通速度 [ 分类号] T J 4 5 2 ．3 T D 2 3 5 ．2 2 l 电容放电式发火电路及开关特性 “隆芯1 号”数码电子 雷管发火装置测试仪的发火 电路是通过仿真数码电子雷 管发火电路的机理。对起爆 药剂测试的仪器。其发火电 路是典型的电容放电式发火 电路，其原理如图1 所示。 电容C 首先利用外围 电路对其充电储能。使电容 达到一定电压％。在电容 充电过程中，发火电路的控 躅l 电容放电式发火 电路原理模型 制开关K 断开。当控制开关K 闭合时，电容C 、桥 丝电阻R 形成放电回路，电流通过桥丝电阻，桥丝 发热，激发药剂发火，进而引爆雷管，若考虑将电容、 桥丝电阻组成理想的R C 放电回路，其电容电压变 化规律满足下式 U u 0 e - 寄 1 式中R 桥丝电阻值； c _ 一睹能电容值。 该模型电路放电过程电流变化规律满足下式 2 式中肛．桥丝电阻值； ’ c 储能电容值。 根据电路电流和桥丝电阻，可以计算电容储存 能量转化为桥丝热量 妒 g i R c l t I C U o 1 一e ’ 3 式中l 药剂发火时刻o r 电路放电的时间常数，r R C 。 由此式可见，电容储存能量不完全转化为桥丝 电路的热量⋯。 该检测仪中放电回路使用的物理开关是M O S F E T 简称M O S ，M O S 的优点是导通速度快”1 。但 在检测仪的电路中，使用分立元件，故其控制电路设 计和M O S 选择都会影响导通状态的变化、开关的等 效内阻等参数⋯1 。 图2 为某电容放电与开关拉至地电位的时域特 性曲线。曲线1 为电容放电曲线，曲线2 为开关拉 至地电位过程的曲线，曲线1 与2 之差即为施加在 桥丝上的实际电压变化。在该例中，开关实际拉至 地电位时间近2 0 0 1 a , s ，而在这段时间内，开关电阻缓 慢拉至地电位，致使电容能量并未有效施加于桥丝。 反映在实际测量过程中，即曲线I 与2 之差与电容 放电曲线形态相差较大。 图2 某电路电容放电过程与M O S 管拉地时域特性曲线 另外曲线3 是一条在M O S 开关K 的栅极G 取 得的电压变化曲线。因为开关K 前一级由M O S 管驱 动，其变化趋势体现前级b l O S 管反相器由导通 可 变电阻区 到恒流 饱和区 ，再到截至 截至区 的 过程⋯1 。其开关特性速度不足，M O S 管经历横流 收稿日期2 0 1 1 - 0 8 - 2 2 作者蕾彳r 张晶戚 1 9 8 2 一 ，男，硪士。主要从事智能仪器、嵌入式系统研究。E - 曲I 丑d u m s ．．j v O h e t ．曲．咖 万方数据 2 0 1 1 年1 2 月 一种电子雷管发火电路开关驱动的研究张晶威等 3 5 区时间过长，放电电路中开关K 缓慢拉低至地，无 法精确测量电容储能。 由式 3 和以上电路实例中可以发现，其开关 拉地的速度是电容储能能否有效施加于桥丝的重要 参数，开关K 的阻抗近似为∞幻的过程，暂不考虑 开关电阻变化，若放电回路中电容1 0 0 斗F 精度 1 0 ％ ，电阻值1 0 n 精度1 0 ％ ，开关拉至地电位时 ，’ 间为2 0 0 1 ．L s ，在此过程中能量损失约为e 一手1 0 0 ％ 一6 7 ％ 事实上，开关缓变的内阻影响使r 略大，实 际能力损失比计算值稍小 。 2 发火电路开关驱动电路的优化 图3 为一种简易的电容充、放电式桥丝发火电 路，开关触点在位置l 时，电容充电。开关触电在位 置2 时，N M O S 管Q 的栅极电位高，N M O S 管导通， 电流经桥丝和M O S 开关放电。 图3 电容充、放电式发火电路简易电路与 R C 滤波器的时域特性 该电路存在的一个问题是由于机械开关的抖 动，需要在2 触点之后予以消抖，消抖电路一般为 R C 的低通滤波器，而另一方面R C 滤波器也是一个 具有延迟特性的一阶环节【，剐，图中标志为传递函数 C ，其典型的阶跃输入响应特性曲线如图3 中右图 所示曲线所呈现的趋势。 此尺C 低通滤波器电参数R 1 0 k f l ，C 0 ．1 1 v ．F ，滤波频率厂 元蒜一o ．1 6 k H z 。该一阶滤波环 节有消抖特性，同时也使M O S 管Q 的栅源电压‰ 呈缓慢上升趋势，使开关漏源极问的电压‰逐渐 变化。由M O S 管输出转移特性可知，魄的变化影 响‰，在电路中呈现出开关导通速度不足的现象。 图4 采用两级反相器驱动发火电路的N M O S 开 关，电路中N M O S 管均工作在开关状态，该电路中 要有合适的阻值，满足逻辑电平关系【9 】。通常栅极 接地的电阻值稍大，同时漏极D 连接电源电阻值稍 小。 当开关在触电位置l 时，电容充电，Q 。管栅极 为低电平，处于截至状态，此时Q 的栅极为高电平， 图4 增加反相器驱动M O S 管 M O S 管Q 导通，Q 的栅极处于逻辑低电平，M O S 管 Q 截至。当开关在触电位置2 时，经过消抖环节，逻 辑高电平使Q 。导通，此时Q 的栅极为低电平，M O S 管Q 截至，Q 的栅极电平拉高，M O S 管Q 导通，电 容放电。图4 中虚线框中所示电容为M O S 管Q 的 C S 间电容，一般该电容约为p F 级，M O S 管Q 的开 通过程即电源对尺G S 问电容C 充电的过程，电流 方向如虚线电流，所示，注意该电路中若R ，阻值较 大，R C 电路的充电时间较长，影响M O S 管Q 打开的 导通速度，造成能量的损失，但R ，阻值过低，导通的 大电流可能烧毁M O S 管R ，此电阻值需参考相应 M O S 管参数，包括漏极持续电流最大值，耐受冲击 电流最大值和耗散功率，建议R ．不小于0 ．5k 1 2 。 图5 显示了电容放电的全过程，曲线a 为电容 放电曲线，放电过程时间约6 0 0 1 a , s 。曲线c 是M O S 开关由截止至完全导通的过程，整个过程时间约为 l 斗s ，曲线b 为实际施加在桥丝上的电压变化曲线， 可见桥丝的实际电压与电容放电曲线的一致性程度 高，证明电容储能有效施加于桥丝。该电路中的开 关导通过程的能量损失小于0 ．8 ％。 电容『皮电f l } f 线口 桥三 1 一一一一． 桥丝电压曲线6 I 、一．一．一．一． 图5 电容放电过程与M O S 管拉地时域特性曲线 图6 采用了集成的C M O S 反相器驱动发火电路 开关N M O S ，使用C M O S 反相器可以进一步降低电 路的静态与动态功耗，C M O S 电路对P M O S 和N M O S 管的互补对称性要求高，在分立元件设计电路中宜 采用集成的C M O S 反相器，同时注意电压的摆幅。 图7 中可以看出，桥丝两端的电压变化曲线与电容 三 三． 万方数据 3 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第6 期 图6 增加C M O S 反相器驱动 电容放I { 三曲线口 ＼． 桥缝f 乜压曲线＼ ＼、 。h ～ 、、 、．～ ● 5 0 0 LS M O SJ T 美电眶变 化曲线c O1 0 02 o3 【 o4 0 05 0 0 t ／I t s 图7C M O S 反相器驱动发火电路开关的 电容放电特性曲线 放电曲线的一致程度很高。 3 结论 电容放电式发火电路中的开关导通速度是电容 放电式火工品设计的一个重要参数，影响了电容能 量能否有效施加至桥丝，同时影响起爆药剂安全电 压和发火电压指标的设定。采用合理设计的N M O S 反相器、C M O S 反相器电路能快速驱动电容发火电 路开关至几微秒量级，降低了由于放电开关导通时 问而引起电容储能损失，是电容放电式发火电路开 关设计的一个可行方案。 参考文献 [ 1 ] 王凯民，温玉全．军用火工品设计技术[ M ] ．北京国 防工业出版社，2 0 0 6 1 2 3 ．1 2 4 ． [ 2 ] 刘明芳，张小兵．半导体桥电路的设计与仿真[ J ] ．火 工品，2 0 0 8 2 1 - 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d e h yd e t o n a t o rW S , Si n t r o d u c e da n do p t i m i z e di nt h e p a p e r ．E x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw i t ht h eu s eo fN M O So rC M O Si n v e r t e rt od r i v et h ei g n i t i o nc i r c l l i ts w i t c h ，t h es w i t c hW a g c o n d u c t e di nl 炉，a n dl e s st h a n0 ．8 ％c a p a c i t ye n e r g yw 8 8l o s t ． 【K E YW O R D S ] e l e c t r o n - d e l a yd e t o n a t o r ，i g n i t i o nc i r o l l i t ，e l e c t r o n i cs w i t c h ，c o n d u c t i o nv e l o c i t y 上接第3 3 页 AD i s c u s s i o no nt h eA c c u r a c yC o n t r o lM e t h o do fW - s e r i e sD e l a yC o m p o s i t i o n L I UZ h a n y a n g ，L IX i a n g y o u H u l u d a ol a b , h eC h e m i c a lG r o u pC o ．，L t d ． L i a o n i n gH u l u d n o ，1 2 5 0 0 0 【A B S T R A C T ] T h ea c c u r a c yc o n t r o lm e t h o do ft h eW s e r i e sd e l a yc o m p o s i t i o ni se x p o u n d e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ep 枷 c l es i z e 咖b ec o n t r o l l e db ym e a s u r i n gt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fW - 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