一種大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統的製作方法
2023-04-25 00:14:21 2
本發明涉及測控技術領域，尤其涉及一種大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統。
背景技術：
目前火工品是重要的動作執行裝置，在民用和軍事領域，特別是在航天領域有著廣泛的應用。實際應用中普遍採用電起爆器作為火工裝置的發火元件。電起爆器的激活主要由點火電流和功率決定，電能通過具有一定阻值的橋絲轉化為熱能，加熱橋絲周圍的點火藥並起爆主裝藥，動作瞬間完成。電起爆器需要較大的點火電流和瞬間功率才能實現正常起爆。傳統的火工品點火電路採用大容量供電電池直接放電的方法實現對電起爆器的激活，由於大容量供電電池的質量和體積較大，在對質量和體積有苛刻要求的應用場合難於滿足，對此，可以利用大容量電容的瞬間放電能力實現對電起爆器的激活，可以達到減小點火電路質量和體積的目的。
大容量電容放電電路的工作原理是在接收點火控制指令後，控制開關使放電迴路導通，儲能電容釋放儲存的能量並實現對電起爆器的激活。由於電起爆器的阻值較小，瞬間放電電流很大，會達到十幾或幾十安，放電電流很大時，由於放電功率很高，可能會出現橋絲迅速炸斷而電起爆器卻無法起爆的瞎火現象。
為了確保點火電路安全並防止瞎火，目前的做法是在點火電路中增加限流電阻以控制放電電流的大小，限流電阻的選擇是以能保證電起爆器的可靠起爆為前提的，阻值太大就會增加線路中的電能消耗，只能根據經驗值選取限流電阻，不能根據實際需求輸出安全、可靠的恆定電流，確保點火電路安全並防止瞎火。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明提供一種大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統，已解決現有電容起爆器的點火電路不能根據實際需求輸出安全、可靠的恆定電流，從而不能確保點火電路安全並防止瞎火的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統，包括控制輸入電壓模塊、反饋控制模塊、電容放電輸出模塊以及電流信號放大模塊，其中，所述電容放電輸出模塊包括積分控制模塊、串聯在同一電路上的大容量放電電容、輸出電阻以及功率開關管；
所述控制輸入電壓模塊用於輸入高精密脈衝電壓控制信號，所述控制輸入電壓模塊與反饋控制模塊的輸入端以及電流信號放大模塊的輸出端連接，所述積分控制模塊的輸入端與所述反饋控制模塊的輸出端連接，所述積分控制模塊的輸出端與所述功率開關管連接並控制所述功率開關管導通或關閉，所述電流信號放大模塊與所述輸出電阻並聯後串聯在所述電容放電輸出模塊上。
進一步地，所述反饋控制模塊包括依次串聯的積分部分、跟隨部分和保護部分，其中，所述控制輸入電壓模塊與所述積分部分的輸入端連接，所述保護部分的輸出端與所述積分控制模塊的輸入端連接。
進一步地，所述積分部分包括第一運算放大器，第一運算放大器輸入端的正向端接地，所述第一運算放大器輸入端的負向端通過串聯有第一電阻的第一電路與所述控制輸入電壓模塊連接，所述第一運算放大器的輸出端通過依次串聯有第一二極體、第二電阻的第二電路與所述跟隨部分的輸入端連接；
在所述第一電路上在所述第一電阻與所述第一運算放大器輸入端的負向端之間通過節點並聯連接有通過串聯第二十電阻與所述電流信號放大模塊連接的電路，其中，所述第二十電阻與所述第一電阻的阻值相等。
進一步地，所述第一運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間還並聯有控制導通電路以及第一積分部分電路，所述控制導通電路包括並聯的第一導通電路和第二導通電路，所述第一導通電路上依次串聯有第二二極體和第三電阻，所述第二導通電路上依次串聯有第三二極體和第四電阻，所述第一導通電路在所述第二二極體和第三電阻之間通過節點連接有串聯第五電阻的第一負電壓輸入電路，所述第二導通電路在所述第三二極體和第四電阻之間通過節點連接有串聯第六電阻的第一正電壓輸入電路；其中，第二二極體的正極與所述第一負電壓輸入電路連接，所述第三二極體的負極與所述第一正電壓輸入電路連接，所述第三電阻和第四電阻的阻值相等，所述第五電阻和第六電阻的阻值相等，所述第一正電壓輸入電路和所述第一負電壓輸入電路的輸入電壓絕對值相等；
所述第一積分部分電路包括並聯的兩條分別設置有第一電容、第二電容的電路，其中設置有第一電容的電路上還串聯有第七電阻。
進一步地，所述第二電路在第一二極體、第二電阻之間通過節點並聯有限制輸入電壓的嵌位功能部分，所述嵌位功能部分包括第四二極體以及並聯後串聯在所述第四二極體的正極端的第五二極體和第八電阻，其中所述第五二極體的正極接地，所述第五二極體的負極與所述第四二極體的正極連接，所述第八電阻上連接有負向輸入電壓。
進一步地，所述跟隨部分包括第二運算放大器，第二運算放大器輸入端的正向端與所述第二電路連接，所述第二運算放大器的輸出端通過串聯有第十電阻的第三電路與所述跟隨部分的輸入端連接，所述第二運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有第十一電阻；
所述第二電路上在所述第二電阻和所述第二運算放大器輸入端的正向端之間通過節點設置有第二正電壓輸入電路，所述第二正電壓輸入電路上串聯有第九電阻；所述第二電路上在所述第二正電壓輸入電路的下遊通過節點設置有第三電容接地電路。
進一步地，所述保護部分包括第三運算放大器，第三運算放大器輸入端的正向端與所述第三電路連接，所述第三運算放大器輸出端通過依次串聯有第六二極體、第十三電阻的第四電路與所述積分控制模塊的輸入端連接，所述第三運算放大器輸入端的負向端與第四電路在第六二極體和第十三電阻之間通過節點並聯設置有第十二電阻，所述第三運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有相互並聯的第四電容和第七二極體。
進一步地，所述積分控制模塊包括第四運算放大器，所述第四運算放大器輸入端的正向端與所述第四電路連接，所述第四運算放大器的輸出端串聯有第十五電阻後與所述功率開關管連通，所述第四運算放大器輸入端的負向端連接有並聯的第三正電壓輸入電路和接地電路；
所述第四電路上在所述第十三電阻的上遊通過節點並聯有第四正電壓輸入電路，所述第四正電壓輸入電路上串聯有第十四電阻；所述第四電路上在所述第四正向正電壓輸入電路與所述第十三電阻之間通過節點並聯連接有串聯第二十五電阻的接地電路。
進一步地，所述電流信號放大模塊包括第五運算放大器，第五運算放大器輸入端的正向端通過串聯有第十八電阻的電路與輸出電阻的正向節點連接，所述第五運算放大器輸入端的負向端通過串聯有第十九電阻的電路與輸出電阻的負向節點連接，所述第五運算放大器輸出端與所述第二十電阻的輸出端連通。
進一步地，所述第五運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有相互並聯的第二十一電阻和第五電容，且在第二十一電阻和第五電容與所述第五運算放大器輸出端的連接節點上並聯有連接有第八二極體電路，所述第八二極體電路上施加負向電壓；
所述第十八電阻與所述第五運算放大器輸入端的正向端之間通過節點連接有串聯有第二十三電阻的接地電路。
(三)有益效果
本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明提供的大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統是針對利用大容量電容作為儲能元件的起爆電路進行的設計，實現了起爆電路控制電容放電電量輸出可以由用戶根據需要定製電流曲線，從而控制電容合理放電起爆火工品。
除了上面所描述的本發明解決的技術問題、構成的技術方案的技術特徵以及有這些技術方案的技術特徵所帶來的優點之外，本發明的其他技術特徵及這些技術特徵帶來的優點，將結合附圖作出進一步說明。
附圖說明
圖1是本發明實施例大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統的示意圖。
圖中：1：控制輸入電壓模塊；2：反饋控制模塊；3：電容放電輸出模塊；4：電流信號放大模塊；
U1：第一運算放大器；U2：第二運算放大器；U3：第三運算放大器；U4：第四運算放大器；U5：第五運算放大器；
R0：輸出電阻；R1：第一電阻；R2：第二電阻；R3：第三電阻；R4：第四電阻；R5：第五電阻；R6：第六電阻；R7：第七電阻；R8：第八電阻；R9：第九電阻；R10：第十電阻；R11：第十一電阻；R12：第十二電阻；R13：第十三電阻；R14：第十四電阻；R15：第十五電阻；R16：第十六電阻；R17：第十七電阻；R18：第十八電阻；R19：第十九電阻；R20：第二十電阻；R21：第二十一電阻；R22：第二十二電阻；R23：第二十三電阻；R24：第二十四電阻；
C1：第一電容；C2：第二電容；C3：第三電容；C4：第四電容；C5：第五電容；C6：第六電容；
D1：第一二極體；D2：第二二極體；D3：第三二極體；D4：第四二極體；D5：第五二極體；D6：第六二極體；D7：第七二極體；D8：第八二極體；
Vin：高精密脈衝電壓控制信號；M1：功率開關管；Vcap：大容量放電電容。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」、「多根」、「多組」的含義是兩個或兩個以上，「若干個」、「若干根」、「若干組」的含義是一個或一個以上。
圖中，第一運算放大器U1、第二運算放大器U2、第三運算放大器U3、第四運算放大器U4以及第五運算放大器U5上的標號2端表示的是運算放大器輸入端的負向端、標號3端表示的是運算放大器輸入端的正向端，標號6端表示的是運算放大器的輸出端，標號7端表示的是正向電壓接入端，標號4端表示的是負向電壓接入端。
如圖1所示，本發明實施例提供的一種大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統，包括控制輸入電壓模塊1、反饋控制模塊2、電容放電輸出模塊3、以及電流信號放大模塊4，其中，所述電容放電輸出模塊3包括積分控制模塊、串聯在同一電路上的大容量放電電容Vcap、輸出電阻R0以及功率開關管(Power MOSFET)M1。
所述控制輸入電壓模塊1用於輸入高精密脈衝電壓控制信號vin，所述控制輸入電壓模塊與反饋控制模塊的輸入端以及電流信號放大模塊的輸出端和所述反饋控制模塊的輸入端連接，所述積分控制模塊的輸入端與反饋控制模塊的輸出端連接，積分控制模塊的輸出端與所述功率開關管(Power MOSFET)連接並控制所述功率開關管(Power MOSFET)導通或關閉，所述電流信號放大模塊與所述輸出電阻並聯後串聯在所述電容放電輸出電路上。
本發明實施例大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統由控制輸入電壓模塊1、反饋控制模塊2、電流信號放大模塊4和功率輸出模塊3組成，可以實現點火電流上升沿小，輸出電流由功率開關管(Power MOSFET)M1最大導通電流決定，持續時間在最大輸出時間內任意可調，而最大持續時間由電容Vcap的容量決定，且其輸出波形可根據需求自行定製。
具體的如圖1所示，所述反饋控制模塊包括依次串聯的積分部分、跟隨部分和保護部分，其中，所述控制輸入電壓模塊1與所述積分部分的輸入端連接，所述保護部分的輸出端與所述積分控制模塊的輸入端連接。
所述積分部分包括第一運算放大器U1，所述第一運算放大器U1輸入端的正向端通過第二十二電阻R22接地，所述第一運算放大器輸入端的負向端通過串聯有第一電阻的第一電路與所述控制輸入電壓模塊連接，且在第一電阻和第一運算放大器輸入端正向端之間通過節點並聯有用於與電流信號放大模塊的輸出端連接的串聯有第二十電阻R20的第五電路，所述第一運算放大器的輸出端通過依次串聯有第一二極體D1、第二電阻R2的第二電路與所述跟隨部分的輸入端連接。其中，第二十電阻R20與第一電阻R1的阻值相等。
所述第一運算放大器U1輸入端的負向端與其輸出端之間還並聯有控制導通電路以及第一積分部分電路，所述控制導通電路包括並聯的第一導通電路和第二導通電路，所述第一導通電路上依次串聯有第二二極體D2和第三電阻R3，所述第二導通電路上依次串聯有第三二極體D3和第四電阻R4，所述第一導通電路在所述第二二極體D2和第三電阻R3之間連接有帶有第五電阻R5的第一負電壓輸入電路，所述第二導通電路在所述第三二極體D3和第四電阻R4之間連接有帶有第六電阻R6的第一正電壓輸入電路；其中，第二二極體D2的正極與所述負電壓輸入電路連接，所述第三二極體D3的負極與所述正電壓輸入電路連接，所述第三電阻R3和第四電阻R4的阻值相等，所述第五電阻R5和第六電阻R6的阻值相等，所述第一正電壓輸入電路和所述第一負電壓輸入電路的輸入電壓絕對值相等；所述第一積分部分電路包括並聯的兩條分別設置有第一電容C1、第二電容C2的電路，其中設置有第一電容的電路上還串聯有第七電阻R7。
所述第二電路在第一二極體D2、第二電阻R2之間的電路節點上並聯有限制輸入電壓的嵌位功能部分，所述嵌位功能部分包括第四二極體D4以及相互並聯後串聯在所述第四二極體D4的正極端的第五二極體D5和第八電阻R8，其中所述第五二極體D5的正極接地，所述第五二極體的負極與所述第四二極體的正極連接，所述第八電阻上連接有負向輸入電壓形成第二負電壓輸入電路。
所述跟隨部分包括第二運算放大器U2，所述第二運算放大器U2輸入端的正向端與所述第二電路連接，所述第二運算放大器U2的輸出端通過串聯有第十電阻R10的第三電路與跟隨電路的輸入端連接，所述第二運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有第十一電阻R11；所述第二電路上在所述第二電阻R2和所述第二運算放大器U2輸入端的正向端之間通過節點設置有第二正電壓輸入電路，所述第二正電壓輸入電路上串聯有第九電阻R9；所述第二電路上在所述第二正電壓輸入電路的下遊通過節點設置有串聯第三電容C3的第三電容接地電路。
所述保護部分包括第三運算放大器U3，所述第三運算放大器U3輸入端的正向端與所述第三電路連接，所述第三運算放大器輸出端通過依次串聯有第六二極體D6、第十三電阻R13的第四電路與所述積分控制模塊的輸入端連接，所述第三運算放大器U3輸入端的負向端與第四電路上第六二極體D6與第十三電阻R13之間的節點並聯連接有第十二電阻，所述第三運算放大器U3輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有並聯的第四電容C4和第七二極體D7。
本發明實施例大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統的控制輸入電壓模塊輸入高精密脈衝電壓控制信號Vin，其信號電壓準確度和控制電平持續時間由點火輸出電流定製曲線決定，而脈衝電壓控制信號準確度決定了點火輸出電流的準確度。反饋控制模塊由積分電路、跟隨電路和保護電路組成。
實際可選用，第一正電壓輸入電壓電路、第一負電壓輸入電路、第二正電壓輸入電路、第二負電壓輸入電路上的輸入電壓的絕對值均為15v，其中正向輸入15v，負向輸入輸入-15v，第二十電阻R20的阻值為20kΩ、第七電阻R7的阻值為1kΩ、第一電容的電容值為10nF、第二電容C2的電容值為10pF；由運算放大器U1、第二十電阻R20、第七電阻R7、第一電容C1、第二電容C2等組成積分電路，在輸入控制電壓為10V時，時間常數τ＝R20*(C1+C2)，約為0.2ms，顯著地提升整個控制放電電路的響應速度。而由第四二極體D4、第五二極體D5和第八電阻R8組成的嵌位功能部分，嵌位電壓Vq＝0-VD5-VD4,約為-1.2V，則積分電路產生的控制信號不低於-1.2V，使得電路工作時控制信號快速到達標準值。跟隨部分由運算放大器U2和R11組成，增強控制信號的電流輸出能力，減小後續電路對控制信號質量的影響。保護部分由運算放大器U3、第六二極體D6和第七二極體D7組成，D7防止幹擾信號，起到抑制過快變化幹擾電壓的作用；D6防止後端產生的反向電壓衝擊運算放大器U3。
如圖1所示，所述積分控制模塊包括第四運算放大器U4，所述第四運算放大器輸入端的正向端與所述第四電路連接，所述第四運算放大器的輸出端串聯有第十五電阻R15後與所述功率開關管(Power MOSFET)連通，所述第四運算放大器輸入端的負向端連接有並聯的第三正電壓輸入電路和接地電路，所述第四運算放大器輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有第六電容C6；其中第三正電壓輸入電路包括串聯在電路上的第十六電阻R16，所述第十六電阻R16的輸入端加正向電壓；所述接地電路是通過第十七電阻R17和第二十四電阻R24的串聯後接地，其中第二十四電阻R24也串聯在與所述功率開關管(Power MOSFET)以及大容量放電電容Vcap組成的放電迴路中。所述第四電路上在所述第十三電阻的上遊通過節點並聯有第四正電壓輸入電路，所述第四正電壓輸入電路上串聯有第十四電阻R14，所述第四電路上在所述第四正向正電壓輸入電路與所述第十三電阻R13之間通過節點並聯連接有串聯第二十五電阻R25的接地電路。
本發明實施例大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統的電容放電輸出模塊由積分控制部分、功率開關管(Power MOSFET)M1和大容量放電電容Vcap等組成。其中，第三正電壓輸入電路的輸入電壓為10v，第四正電壓輸入電路的輸入電壓為15v，第十六電阻R16的阻值為619kΩ、第十七電阻R17的阻值為1kΩ、第二十四電阻R24的阻值為0.13Ω，所述第四正電壓輸入電路積分控制電路由運算放大器U4等組成，在M1關閉狀態下，U4的負輸入端電壓為
為0.024V，當U4正輸入端電壓大於0.024V時，輸出控制M1導通，大容量放電電容Vcap放電輸出電流，輸出電流值經過採樣電阻R0，採樣後經過電流信號放大後送反饋控制電路，產生穩定的可定製電流輸出曲線。
如圖1所示，所述電流信號放大模塊包括第五運算放大器U5，所述第五運算放大器U5輸入端的正向端通過串聯有第十八電阻R18的電路與輸出電阻R0的正向節點連接，所述第五運算放大器U5輸入端的負向端通過串聯有第十九電阻R19的電路與輸出電阻R0的負向節點連接，也即電容放電模塊中輸出電阻兩端的+out和-out和電流信號放大模塊的+out和-out正正負負對應連接；其中，第十八電阻R18和第五運算放大器U5輸入端的正向端之間的電路上還通過節點連接有串聯有第二十三電阻R23的接地電路。所述第五運算放大器U5輸入端的負向端與其輸出端之間並聯有相互並聯的第二十一電阻R21和第五電容C5，且在第二十一電阻R21和第五電容C5與所述第五運算放大器輸出端的連接節點上並聯有連接有第八二極體D8的第八二極體電路，所述第八二極體D8電路上施加負向電壓；所述第五電路與所述第五運算放大器的輸出端連接。
本發明實施例大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路系統的電流信號放大模塊由第五運算放大器U5和電阻R23、R18、R21和R19組成差分放大電路，放大倍數為
可實現50倍放大功能，對電容放電輸出電流輸出電阻R0上的採樣電壓進行放大。
本發明提供的大容量電容起爆火工品放電曲線可定製電路，是電壓控制電容點火電流輸出，輸入高準確度的脈衝控制電壓信號保證輸出電流的準確度，實現低成本、高可靠、點火電流精確控制的火工品點火電路，有效防止火工品起爆瞎火現象，具有極大的應用推廣價值。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。