Устройство безыскровой коммутации подрывных импульсов для конденсаторного прибора взрывания

Устройство безыскровой коммутации подрывных импульсов для конденсаторного прибора взрывания
МПК F42D 1/045
Полезная модель относится к области производства взрывных работ, в частности системам и средствам взрывания, и предназначена для работы в составе конденсаторных приборов взрывания.
Известны устройства коммутации, применяемые в приборах взрывания и коммутирующие высоковольтные конденсаторы напрямую в электровзрывную сеть (ЭВС), например КПМ-2, КПМ-3 (СССР), ZK-300 (Польша), в которых коммутирующими элементами являются высоковольтные кнопки, включенные в разрыв цепи «высоковольтный конденсатор – ЭВС»; при нажатии кнопки происходит выдача подрывного импульса в ЭВС. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. – М.: Рандеву-АМ, 2000. – С. 155–157, 207.
Известны устройства коммутации, применяемые в приборах взрывания ПИВ-100м, ПИВ-100М2, и коммутирующие высоковольтные конденсаторы напрямую в электровзрывную сеть (ЭВС), в которых коммутирующими элементами являются поворотные ключи: при повороте ключа происходит замыкание цепи, содержащей высоковольтный конденсатор, на ЭВС. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. – М.: Рандеву-АМ, 2000. – С. 141–146.
Недостатком данных устройств является искрообразование в момент коммутации, которое делает приборы с данным видом коммутации непригодными для ведения взрывных работ в местах, опасных по газу и пыли.
Известны устройства коммутации, применяемые в приборах взрывания и коммутирующие высоковольтные конденсаторы в электровзрывную сеть (ЭВС), например КВП-2/200, КВП-1/20, в которых коммутирующими элементами являются управляемые газовые разрядники. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. – М.: Рандеву-АМ, 2000. – С. 150–152, 183–186. Данное схемотехническое решение исключает искрообразование на контактах кнопок.
Недостатком данных устройств является необходимость высоковольтного запуска управляемых газовых разрядников и, как следствие, применение дополнительных генераторов высоковольтных импульсов, что приводит к увеличению габаритов и массы взрывных приборов и уменьшению их надежности. Также недостатком данных методов коммутации подрывных импульсов является низкий рабочий ресурс управляемых газовых разрядников.
Известны устройства коммутации, применяемые в приборах взрывания, например ЖЗ 2460 (Россия), BM C150(2VA) (фирма «Нитро Нобель», Швеция), в которых коммутация взрывных импульсов напрямую в ЭВС осуществляется тиристорами. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. – М.: Рандеву-АМ, 2000. – С. 146–150.
Известен конденсаторный взрывной прибор для инициирования электродетонаторов и электровоспламенителей, содержащий генератор с ручным приводом, подключенный к его выходу, выпрямитель-умножитель напряжения, конденсатор-накопитель заряда, кнопочный переключатель «взрыв», электронный пороговый ключ и резисторы разряда, стабилизатор напряжения, индикатор тока со светодиодом, резистивный ограничитель тока замыкания электровзрывной цепи и подключенный параллельно входу электронного порогового ключа пусковой конденсатор, при этом выходной каскад электронного порогового ключа подключен через резистивный ограничитель тока короткого замыкания к электровзрывной цепи, выход первой ступени выпрямителя-умножителя напряжения подключен через коммутирующий диод к стабилизатору напряжения, конденсатор-накопитель зашунтирован резистором разряда через нормально замкнутые контакты кнопочного переключателя «взрыв», вход электронного порогового ключа и пусковой конденсатор подключены к выходной ступени выпрямителя-умножителя напряжения через последовательно соединенные резистивный делитель напряжения, нормально-разомкнутый контакт кнопочного переключателя «взрыв» и диод, причем соединение конденсатора-накопителя, индикатора тока со светодиодом, стабилизатора напряжения и электронного порогового ключа с резистивным ограничителем тока короткого замыкания электровзрывной цепи выполнено в виде моста, в котором конденсатор-накопитель и индикатор тока со светодиодом включены в одни противолежащие плечи моста, стабилизатор напряжения и электронный пороговый ключ с резистивным ограничителем тока короткого замыкания электровзрывной цепи в другие противолежащие плечи моста, а к его выходной диагонали подключен резистор разряда. Патент РФ № 2246096, МПК F42D 1/045, 10.02.2005.
Известен сетевой прибор взрывания, содержащий микроконтроллер, устройство замедления в виде тиристорного ключа, запоминающее устройство, внешний источник энергии, преобразователь напряжения, устройство контроля и защиты прибора, датчик тока, датчик напряжения, аналого-цифровой преобразователь, устройство ввода и отображения информации, коммутирующее устройство, блок контроля изоляции, при этом один вход тиристорного ключа подсоединен к преобразователю напряжения и через коммутирующее устройство к электровзрывной сети, а другой вход подключен к микроконтроллеру, причем между преобразователем напряжения и тиристорным ключом подключены последовательно датчик тока и датчик напряжения, выходы которых подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу микроконтроллера, к другим входам которого подключены устройство ввода и отображения информации, блок оперативно запоминающего устройства, устройство контроля и защиты прибора и блок контроля изоляции, который подключен к электровзрывной сети через коммутирующее устройство, к входу которого подключен один из выходов микроконтроллера. Патент РФ № 2333459, МПК F42D 1/055, 10.09.2008. Применение тиристорного ключа исключает искрообразование на контактах коммутирующего устройства; отпирание тиристоров осуществляется низковольтными импульсами напряжения.
Недостатком данного технического решения является частичная управляемость тиристоров: отсутствует возможность управления длительностью подрывного импульса, что делает невозможным применение взрывных приборов с данным схемотехническим решением в местах, опасных по газу и пыли, в которых длительность подрывного импульса не должна превышать 4 мс.
Известны приборы взрывания TZV-100/200, RT-60 (Венгрия), где данный недостаток устранен в схеме коммутации взрывных импульсов на основе двух тиристоров следующим образом: первый тиристор включен последовательно с источником подрывного импульса (высоковольтный конденсатор) и ЭВС, второй тиристор подключен параллельно ЭВС и включается через заданный промежуток времени (порядка 4 мс), шунтируя ЭВС и срезая таким образом хвост взрывного импульса. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. – М.: Рандеву-АМ, 2000. – С. 214–215.
Недостатком данного схемотехнического решения является использование двух коммутирующих элементов, что требует применения дополнительных схем генерации пусковых импульсов и дополнительного реле времени, задающего временной интервал меньший или равный 4 мс, что усложняет схему устройства и ухудшает габаритно-массовые характеристики приборов взрывания.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание универсального устройства силовой полностью управляемой коммутации подрывных импульсов тока широкого назначения и повышенной надежности для взрывных приборов.
Технический результат заключается в повышении безопасности за счет отсутствия искрообразования при высоковольтной коммутации (выдаче подрывного импульса в ЭВС) и низковольтного управления длительностью подрывного импульса.
Технический результат достигается тем, что устройство безыскровой коммутации подрывных импульсов для конденсаторного прибора взрывания состоит из цепи высоковольтной коммутации, блока низковольтного источника напряжения и блока формирования пускового импульса. При этом цепь высоковольтной коммутации состоит из биполярного транзистора с изолированным затвором, соединенного последовательно коллекторным выводом с электровзрывной сетью, токоограничительного резистора, соединенного последовательно с электровзрывной сетью и первым контактом кнопки специальной конструкции с функцией разновременности замыкания групп контактов, второй контакт которой соединен с положительным выводом генератора подрывного тока произвольного прибора взрывания. Блок низковольтного источника напряжения состоит из последовательно соединенных токоограничительного резистора и выпрямительного диода, катод которого соединен с положительным выводом накопительного конденсатора, который является положительным выходом блока низковольтного источника напряжения, а отрицательный вывод накопительного конденсатора является отрицательным выходом блока низковольтного источника напряжения. Блок формирования пускового импульса состоит из первого времязадающего и токоограничительного резистора, соединенного последовательно с положительным выводом первого времязадающего конденсатора и выводом второго времязадающего и токоограничительного резистора, являющимися положительным входом блока формирования пускового импульса. Другой вывод второго времязадающего и токоограничительного резистора соединен с положительным выводом второго времязадающего конденсатора, первым выводом третьего времязадающего и токоограничительного резизистора и катодом стабилитрона, который является положительным выходом блока формирования пускового импульса. Анод стабилитрона, отрицательные выводы двух времязадающих конденсаторов и второй вывод третьего времязадающего и токоограничительного резистора соединены в один узел, являющийся отрицательным выходом блока формирования пускового импульса, причем третий контакт кнопки специальной конструкции с функцией разновременности замыкания групп контактов цепи высоковольтной коммутации соединен с положительным выходом блока низковольтного источника напряжения, четвертый контакт кнопки специальной конструкции с функцией разновременности замыкания групп контактов цепи высоковольтной коммутации соединен с положительным входом блока формирования пускового импульса, положительный выход которого соединен с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором цепи высоковольтной коммутации, второй вывод токоограничительного резистора блока низковольтного источника напряжения соединен с первым выводом дополнительной обмотки трансформатора преобразователя напряжения произвольного прибора взрывания, а второй вывод дополнительной обмотки трансформатора преобразователя напряжения произвольного прибора взрывания, отрицательный вывод генератора подрывного тока произвольного прибора взрывания, эмиттер биполярного транзистора с изолированным затвором цепи высоковольтной коммутации, отрицательные выходы блока низковольтного источника напряжения и блока формирования пускового импульса соединены с общим проводом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема устройства безыскровой коммутации подрывных импульсов для конденсаторного прибора взрывания, где:
1 – схема высоковольтной коммутации;
2 – блок низковольтного источника напряжения;
3 – блок формирования пускового импульса;
4 – генератор подрывного тока произвольного прибора взрывания (вне устройства);
5 – выход дополнительной обмотки трансформатора Т1.1 преобразователя напряжения произвольного прибора взрывания (вне устройства);
S2 – кнопка специальной конструкции;
VT1 – биполярный транзистор с изолированным затвором;
R1 – токоограничительный резистор;
С1 – накопительный конденсатор;
VD1 – выпрямительный диод;
R2 – токоограничительный резистор;
VD2 – стабилитрон;
R3, R4, R5 – токоограничительные и времязадающие резисторы;
С2, С3 – времязадающие конденсаторы.
На фиг. 2 изображен конструктивный чертеж кнопки S2, где:
6 – крышка;
7 – составной корпус из изоляционного материала;
8 – пружинный толкатель;
9 – контакт «S2.1» высоковольтной группы контактов;
10 – контакт «S2.2» высоковольтной группы контактов;
11 – контакт «S2.3» низковольтной группы контактов;
12 – контакт «S2.4» низковольтной группы контактов;
13 – днище с изолирующей перегородкой;
14 – заклепка.
Суть полезной модели заключается в применении электронного ключа на основе последовательно соединенных по высокому напряжению биполярного транзистора с изолированным затвором VT1 и кнопки специальной конструкции S2, содержащей две изолированные друг от друга группы контактов и пружинный толкатель, который обеспечивает разновременность замыкания групп контактов следующим образом: сначала замыкается высоковольтная группа контактов, затем группа контактов цепи генерации низковольтного единичного пускового импульса, отпирающего транзистор VT1, что приводит к выдаче подрывного импульса в электровзрывную сеть (ЭВС). Данное схемотехническое решение исключает искрообразование при замыкании высоковольтной группы контактов, соединенной последовательно с коллекторным выводом транзистора VT1, т.к. в запертом состоянии транзистор VT1 между коллекторным и эмиттерным выводами имеет электрическое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению диэлектриков. Применение транзистора VT1 позволяет полностью управлять длительностью подрывного импульса, что позволяет использовать данную схему коммутации подрывных импульсов в приборах взрывания, применяемых для работ в местах, опасных по газу и пыли.
Устройство включает в себя цепь высоковольтной коммутации 1, блок низковольтного источника напряжения 2 и блок формирования пускового импульса 3. Цепь высоковольтной коммутации состоит из транзистора VT1, токоограничительного резистора R1 и кнопки специальной конструкции S2, соединенных между собой следующим образом: коллектор транзистора VT1 последовательно соединен через ЭВС с резистором R1, который соединен с выводом «S2.1» кнопки S2; эмиттер транзистора VT1 соединен с общим проводом, затвор транзистора VT1 соединен с положительным выходом блока 3; вывод «S2.2» кнопки S2 соединен с положительным выводом генератора подрывного тока произвольного прибора взрывания 4, отрицательный вывод которого соединен с общим проводом; вывод «S2.3» кнопки S2 соединен с положительным выходом блока 2; вывод «S2.4» кнопки S2 соединен с положительным входом блока 3; кнопка S2 состоит из крышки 6, составного корпуса 7 из изоляционного материала, пружинного толкателя 8, контактов «S2.1» и «S2.2» высоковольтной группы контактов (9 и 10), контактов «S2.3» и «S2.4» низковольтной группы контактов (11 и 12), днища 13 с изолирующей перегородкой и двух заклепок 14, скрепляющих конструкцию; при этом высоковольтная и низковольтная группы контактов отделены друг от друга изолирующей перегородкой днища 13, а пружинный толкатель имеет форму, обеспечивающую разновременность замыкания групп контактов так, что первой замыкается высоковольтная группа контактов. Блок низковольтного источника напряжения состоит из токоограничительного резистора R2, выпрямительного диода VD1 и накопительного конденсатора С1, соединенных между собой следующим образом: вывод «R2.2» резистора R2 соединен с выводом «Т1.1.1» дополнительной обмотки трансформатора Т1.1 преобразователя напряжения произвольного прибора взрывания 5, вывод «Т1.1.2» которого соединен с отрицательным выводом конденсатора С1, являющимся отрицательным выходом блока 2 и соединенным с общим проводом; вывод «R2.1» резистора R2 соединен с анодом VD1, катод которого соединен с положительным выводом конденсатора С1, являющимся положительным выходом блока 2. Блок формирования пускового импульса состоит из токоограничительных и времязадающих резисторов R3, R4, R5, времязадающих конденсаторов С2, С3 и стабилитрона VD2, соединенных между собой следующим образом: вывод «R3.1» резистора R3 является положительным входом блока 3, вывод «R3.2» резистора R3 соединен с положительным выводом конденсатора С2 и выводом «R4.2» резистора R4, вывод «R4.1» резистора R4 соединен с выводом «R5.1» резистора R5, положительным выводом конденсатора С3 и катодом VD2, который является положительным выходом блока 3; анод VD2, отрицательные выводы конденсаторов С2 и С3, выводы «R3.2» и «R5.2» резисторов R3 и R5 соединены в один узел, который является отрицательным выходом блока 3 и соединен с общим проводом.
Устройство работает следующим образом. Во время взведения произвольного прибора взрывания переменное напряжение, поступающее с дополнительной обмотки трансформатора Т1.1 преобразователя напряжения произвольного прибора взрывания 5, выпрямляется цепью VD1–R2 и заряжает конденсатор С1 в блоке 2. При нажатии кнопки S2 в блоке 1 первой замыкается высоковольтная группа контактов «S2.1–S2.2», транзистор VT1 при этом остается закрытым, через некоторое время замыкается низковольтная группа контактов «S2.3–S2.4», при этом положительное напряжение с конденсатора С1 поступает на вход блока 3, где на цепи R3–С2 задается крутизна фронта пускового импульса. Параметры элементов С2, R3, R4, R5 и С3 блока 3 подбираются таким образом, чтобы конденсатор С3 заряжался гораздо быстрее, чем разряжается, при этом напряжение на конденсаторе С2 должно превосходить значение напряжения стабилизации стабилитрона VD2, что обеспечивается соотношением сопротивлений R4 и R5. В свою очередь значение напряжения стабилизации стабилитрона VD2 выбирается так, чтобы оно было больше значения напряжения насыщения цепи «затвор–эмиттер» транзистора VТ1 и меньше максимально допустимого значения напряжения цепи «затвор–эмиттер» транзистора VТ1. Резистор R4 в свою очередь должен обеспечивать ограничение значения тока, протекающего через стабилитрон VD2 на уровне, не превышающем максимально допустимое значение силы тока для данного стабилитрона. Время разряда конденсатора С2 задается значениями сопротивлений резисторов R4 и R5, конденсатор С3 нужен для коррекции входной емкости цепи «затвор–эмиттер» транзистора VТ1, и при этом может быть исключен из схемы, если значение емкости цепи «затвор–эмиттер» транзистора VТ1 достаточно для требуемых временных параметров пускового импульса. В результате формируется единичный пусковой импульс напряжения заданной формы, длительности и амплитуды. Пришедший на затвор единичный пусковой импульс отпирает транзистор VT1, в результате чего с генератора подрывного тока выдается подрывной импульс в ЭВС.
В результате можно сделать вывод о достижении технического результата в полной мере, т. к. при работе предложенной схемы полностью отсутствует искрообразование на контактах кнопки S2, а длительность подрывного импульса полностью зависит от длительности пускового импульса, которая задается параметрами элементов С2, R3, R4, R5 и С3. Применение компонентов поверхностного монтажа позволяет максимально миниатюризовать данное устройство, что значительно уменьшает массогабаритные характеристики приборов взрывания, в которых данное устройство может быть применено.