УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ ПИРОКЛАПАНА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАПАЛОМ

Полезная модель относится к автоматизированным системам управления технологическими процессами, в частности, наземными испытаниями изделий ракетно-космической техники (РКТ), и может быть использована для подачи команд открытия и закрытия на запорные органы с пороховым (пиротехническим) приводом (пироклапаны с электрическим запалом).
Устройства для включения пироклапанов с электрическим запалом очень широко используются в изделиях РКТ, в том числе при аварийном прекращении их работы. В связи с этим к устройствам для включения пироклапанов с электрическим запалом предъявляются требования: высокое быстродействие подачи электрического сигнала на пирозапал, высокая надежность выдачи сигнала на его срабатывание за счет совместимости с троированной системой управления испытаниями РКТ, исключение ложного срабатывания при проверках параметров цепи электрического запала, гарантируя при этом нормируемый безопасный ток (в пределах 20-50 мА) и минимальное влияние на надежность устройства. Стандартизованным требованием к схемам подачи рабочего тока в электрический запал является его отключение сразу после подрыва, как от плюсовой, так и от минусовой шин питания. Это связано с тем, что продукты сгорания порохового заряда пироклапана могут закоротить цепь электрического запала, а также соединить ее с заземленным корпусом испытываемого изделия РКТ, что в итоге может привести к ложному срабатыванию электрических запалов других пироклапанов, общее количество которых в сложных изделиях РКТ может достигать нескольких десятков.
Известно устройство для включения пироклапана с электрическим запалом по патенту на изобретение №2445300 (заявка №2010132385/05 от 02.08.2012 г.) МПК G06C 5/00, содержащее коммутатор и бесконтактные ключи, через которые электрический запал подключен к плюсовой и минусовой шинам источника питания, подключенный к коммутатору клеммный адаптер для подключения к нему измерительного прибора, при этом бесконтактные ключи соединены с выходами каналов троированной системы управления через схемы управления и состоят из двух цепей, каждая из которых содержит два последовательно соединенных полевых МДП-транзистора р-n типа, подключенных к электрическому запалу со стороны плюса питания, и n-р типа, подключенных к электрическому запалу со стороны минуса питания, при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, подключаемых к плюсовой и минусовой шинам, соединены через свои схемы управления в одной из цепей с первым, а в другой цепи - с третьим каналами троированной системы управления, и при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, непосредственно подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, в цепях которых затворы других полевых МДП-транзисторов подсоединены через свои схемы управления к первому каналу троированной системы управления, подключены ко второму каналу троированной системы управления, а затворы полевых МДП-транзисторов в других цепях бесконтактных ключей, подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, соединены через свои схемы управления одновременно с первым и вторым каналами троированной системы управления, каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с одним каналом троированной системы управления, содержит один оптрон, подключенный входом к выходу канала троированной системы управления, а каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с двумя каналами троированной системы управления, содержит два оптрона, подключенных согласно логике мажоритирования к двум выходам каналов троированной системы управления, причем выходные p-n-р и n-p-n транзисторы оптронов, соединяют цепи затворов полевых МДП-транзисторов, состоящие из делителя на резисторах, с минусом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны плюса питания относительно электрического запала, и с плюсом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны минуса питания относительно электрического запала, при этом выходы преобразователей напряжения с обратной полярностью подключены соответственно - к плюсовой и минусовой шинам бесконтактных ключей.
Схема этого устройства для включения пироклапана с электрическим запалом полностью соответствует перечисленным выше требованиям, но вместе с тем она требует достаточно больших аппаратурных затрат. Это связано с тем, что электрические запалы пироклапанов в РКТ всегда имеют две дублирующие друг друга пережигаемые электрические нити для инициирования возгорания пирозаряда. Схема описанного известного устройства предназначена для подачи тока в одну нить электрического запала. Это обеспечивает максимальную надежность устройства при выполнении ответственных задач, как упомянутая задача аварийного останова или запуска изделия РКТ. В тоже время имеются задачи, для которых дублированная схема пирозапала плюс троированная схема его включения является экономически избыточной. Это, например, реализованные с помощью пироклапанов операции герметизации и разгерметизации изделий, при выполнении которых используется обычно до нескольких десятков пироклапанов.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в упрощении схемы устройства для включения пироклапана с электрическим запалом без уменьшения практически его надежности.
Это достигается тем, что в известное устройство для включения пироклапана с электрическим запалом, содержащее коммутатор и бесконтактные ключи,, через которые электрический запал подключен к плюсовой и минусовой шинам источника питания,, подключенный к коммутатору клеммный адаптер для подключения к нему измерительного прибора, при этом бесконтактные ключи соединены с выходами каналов троированной системы управления через схемы управления и состоят из двух цепей, каждая из которых содержит два последовательно соединенных полевых МДП-транзистора р-n типа, подключенных к электрическому запалу со стороны плюса питания, и n-р типа, подключенных к электрическому запалу со стороны минуса питания, при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, подключаемых к плюсовой и минусовой шинам, соединены через свои схемы управления в одной из цепей с первым, а в другой цепи - с третьим каналами троированной системы управления, и при этом затворы полевых МДП-транзисторов бесконтактных ключей, непосредственно подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, в цепях которых затворы других полевых МДП-транзисторов подсоединены через свои схемы управления к первому каналу троированной системы управления, подключены ко второму каналу троированной системы управления, а затворы полевых МДП-транзисторов в других цепях бесконтактных ключей, подключенных к электрическому запалу со стороны плюсовой и минусовой шин, соединены через свои схемы управления одновременно с первым и вторым каналами троированной системы управления, кроме того, каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с одним каналом троированной системы управления, содержит один оптрон, подключенный входом к выходу канала троированной системы управления, а каждая схема управления полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей, соединенная с двумя каналами троированной системы управления, содержит два оптрона, подключенных согласно логике мажоритирования к двум выходам каналов троированной системы управления, причем выходные p-n-р и n-p-n транзисторы оптронов, соединяют цепи затворов полевых МДП-транзисторов, состоящие из делителя на резисторах, с минусом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны плюса питания относительно электрического запала, и с плюсом преобразователей напряжения - для бесконтактного ключа со стороны минуса питания относительно электрического запала, при этом выходы преобразователей напряжения с обратной полярностью подключены соответственно - к плюсовой и минусовой шинам бесконтактных ключей, согласно полезной модели в него введены первый и второй соединители-коммутаторы, первый и второй входы первого из которых соединены соответственно со стоком полевого МДП-транзистора, подключаемого к электрическому запалу в одной из цепей бесконтактного ключа, непосредственно подключенного к плюсовой шине, и со стоком полевого МДП-транзистора, подключенного к электрическому запалу в другой цепи этого же бесконтактного ключа, первый и второй выходы первого соединителя-коммутатора подключаются соответственно к первой и второй нити дублированного электрического запала со стороны плюсовой шины, которые со стороны минусовой шины подключаются соответственно к первому и второму входам второго соединителя-коммутатора, первый и второй выходы которого подключаются соответственно к истоку полевого МДП-транзистора, подключаемого к электрическому запалу в одной из цепей бесконтактного ключа, непосредственно подключенного к минусовой шине, и к истоку полевого МДП-транзистора, подключаемого к электрическому запалу со стороны минусовой шины другой цепи этого же бесконтактного ключа.
На чертеже изображена схема устройства для включения пироклапана с электрическим запалом.
Нити электрического запала через первый соединитель-коммутатор 1-1, бесконтактный ключ 2 и коммутатор 14, к которому подключен клеммный адаптер 13 для подключения измерительного прибора, соединены с плюсовой шиной источника питания 12 и через второй соединитель-коммутатор 1-2, бесконтактный ключ 3 и коммутатор 14 - с минусовой шиной источника питания 12. Первый 1-1 и второй 1-2 соединители-коммутаторы позволяют реализовать два основных варианта подключения нитей электрического запала: параллельное соединение цепей первого 2 и второго 3 бесконтактных ключей с подключением одной нити, как в известном устройстве, и раздельное соединение этих цепей с двумя нитями электрического запала.
Схемы управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 служат для приема сигналов управления полевыми МДП-транзисторами 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 бесконтактных ключей 2 и 3 от троированной системы управления (на чертеже условно не показана).
Бесконтактный ключ 2 подключения запала 1 к плюсовой шине питания содержит две цепи из двух последовательно соединенных полевых МДП-транзисторов р-n типа 15, 16 для первой цепи и 17, 18 для второй - соответственно.
Бесконтактный ключ 3 подключения запала 1 к минусовой шине питания содержит также две цепи из двух последовательно соединенных полевых МДП-транзисторов n-р типа 19, 20 для первой цепи и 21, 22 для второй - соответственно.
Каждая схема управления 4, 6, 7, 9, 10, 11 содержит по одному оптрону 23-1,…23-6, а схемы управления 5 и 8 - по два оптрона 26-1, 26-2 и 27-1 и 27-2, входы которых соединены с выходами троированной системы управления, а выходные p-n-р и n-р-n транзисторы - соответственно соединяют цепь затвора полевых МДП-транзисторов, состоящую из делителя на резисторах 24, 25 для бесконтактного ключа 2 с минусом преобразователя напряжения 28, а для бесконтактного ключа 3 - с плюсом преобразователя напряжения 29, выходы которых с обратной полярностью подключены к плюсовой и минусовой шинам питания бесконтактных ключей 2 и 3 - соответственно.
Устройство обеспечивает работу в двух режимах.
Первый - основной, осуществляется в процессе проведения огневого стендового испытания изделия РКТ.
Второй - при проверке состояния цепи пирозапала перед испытанием изделия.
Первый режим работы устройства при работе на одну нить электрического запала осуществляется следующим образом. Блок коммутации 14 подает питание 27 В на бесконтактные ключи 2 и 3. Для подрыва пирозапала 1 необходимо от соответствующих логике мажоритирования выходов трех каналов троированной системы управления испытаниями изделия (на чертеже условно не показана) подать сигналы включения на входы схем управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 полевыми МДП-транзисторами бесконтактных ключей 2 и 3. При этом в случае отсутствия неисправности в устройстве все полевые МДП-транзисторы бесконтактных ключей 2 и 3 перейдут в открытое состояние и через электрический запал 1 пройдет подрывающий его ток. Логика подключения бесконтактных ключей 2 и 3 к каналам троированной системы управления обеспечивает работу устройства по схеме мажоритирования 2 из 3 и защиту от отказа одного любого элемента в устройстве, а также от выхода из строя одного из каналов троированной системы управления.
Рассмотрим работу схем управления 4, 6, 7, ключевой схемы 2 на примере функционирования схемы управления 4. При отсутствии тока на входе оптрона 23-1 его транзистор закрыт и на затвор полевого транзистора 15 подается через резисторы 24-1 и 25-1 напряжение его истока и в результате последний разъединен со стоком. При подаче тока на вход оптрона 23-1 его транзистор соединяет вход полевого МДП-транзистора 15 с минусом преобразователя напряжения 28, плюс которого соединен с плюсовой шиной питания бесконтактного ключа 2. На резисторе 25-1 в результате появляется отрицательное напряжение относительно напряжения на стоке полевого транзистора 15 и последний открывается.
Схема управления 5 содержит два оптрона 26-1 и 27-1, соединенных выходами параллельно относительно затвора полевого транзистора 16. В остальном работа схем управления 4 и 5 аналогичны. Подключение оптронов 26-1 и 27-1 к двум каналам троированной системы управления обеспечивает реализацию ими логической функции «или» и вместе с указанной на схеме адресацией подключения схем управления 4, 5, 6, 7 к каналам троированной системы управления реализуют выполнение бесконтактным ключом 2 логической функции голосования по схеме 2 из 3. Согласно изображенной на чертеже схеме цепь полевых МДП-транзисторов 15 и 16 со своими схемами управления 4 и 5 реализуют функцию от выходов троированной системы управления , цепь полевых МДП-транзисторов 17 и 18 - функцию . А весь бесконтактный ключ 2 - функцию: , что соответствует логической функции мажоритирования из трех переменных.
Схемы управления 8, 9, 10, 11 бесконтактного ключа 3 функционируют аналогично описанной работе схем управления 4, 5, 6, 7 бесконтактного ключа 2 с учетом обратной полярности подаваемых на полевые МДП-транзисторы 19, 20, 21, 22 сигналов по сравнению с транзисторами 15, 16, 17, 18. Для этого минусы преобразователей напряжения 29-1,…29-4 соединены с минусовой шиной питания бесконтактного ключа 3. Таким образом обеспечивается полное (до запала) троированное резервированное управление.
При подключении с помощью первого 1-1 и второго 1-2 соединителей-коммутаторов двух нитей дублированного электрического запала из приведенного описания следует, что в устройстве выполняются логические функции  для одной нити и  для другой нити. Таким образом, и в этом случае также обеспечивается мажоритированная логика работы устройства за счет дублирования нитей электрического запала.
Во втором режиме работа устройства обеспечивается при подключении клеммного адаптера 13 через блок коммутации 14 к шинам питания бесконтактных ключей 2 и 3. При этом к клеммному адаптеру 13 подключается специальный переносной прибор для измерения сопротивления линии электрического запала 1 (на чертеже условно не показан). Для этого измерения на входы схем управления 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 необходимо подать сигналы включения бесконтактных ключей 2 и 3 и произвести измерение, подтверждающее значение сопротивления, равное сумме сопротивлений линии (3-5 Ом) и запала (1-1.5 Ом).
Упрощение схемы устройства обеспечивается тем, что для одного пироклапана с двумя дублированными нитями требуется не две, а одна описанная схема с введением простых соединительных элементов, вероятность безотказной работы которых по статистике близка к единице. Выигрыш в упрощении всей автоматизированной системы управления получается особенно существенный при достаточно распространенном случае значительного количества пироклапанов на изделии РКТ, так как их применение в РКТ выгодно с точки зрения энергопотребления, быстродействия и оптимизации кабельной сети. Особенно это проявляется при выполнении предусмотренных на изделии упомянутых операций их герметизации и разгерметизации.