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Elektronischer Sprengzeitzünder
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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Sprengzeitzünder mit einem
durch Impulse einer Zündmaschine aufladbaren Kondensator, einer die Impulse der
Zündmaschine zur Einstellung einer Verzögerungszeit verwertenden integrierten Schaltung,
die nach dem Einstellen den Ablauf der Verzögerungszeit steuert, einer bei Ablauf
der Verzögerunctszeit mit Strom beaufschlagten Zündpille und mit Zünderdrähten zum
Verbinden der Zündmaschine mit der integrierten Schaltung.
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Es ist bekannt, anstelle der überlicherweise in Spreng-.
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zeitzündern benutzten pyrotechnischen Verzögerungsladung eine elektronische
Schaltung einzusetzen, die die Verzögerungsfunktion übernimmt. Die elektronische
Zeitverzögerung ist erheblich genauer und unterl.iegt geringeren Exemplarstreuungen
als die pyrotechnische Verzögerung. Damit Sprengladungen zur Erhöhung der Sprengwirkung
zeitlich gestaffelt zur Detonation gebracht
werden, ist es erforderlich,
die Sprengladungen mit Sprengzeitzündern auszustatten, die unterschiedliche Verzögerungszeiten
bewirken. Hierzu werden sowohl die Sprengzeitzünder mit pyrotechnischer Verzögerung
als auch diejenigen mit elektronischer Verzögerung bereits bei ihrer Herstellung
so eingerichtet, daß die yorqesehene Verzögerungszeit bzw. eine vorgesehene Verzögerungszeitstufe
entsteht. Dies bedingt jedoch eine große Vielzahl unterschiedlicher, sich durch
ihre Verzögerungszeiten voneinander unterscheidender Sprengzeitzünder. Die große
Typenvielfalt erfordert einen hohen Herstellungs- und Lagerhaltungsaufwand.
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Die bekannten elektronischen Sprengzeitzünder unterscheiden sich von
den pyrotechnischen Sprengzeitzündern dadurch, daß sie ein größeres Volumen haben
und einen großen Platzaufwand erfordern und daß ihre Herstellung aufwendig und teuer
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Sprengzeitzünder
der eingangs genannten Art zu schaffen, der trotz hoher Packungsdichte seiner Komponenten
eine einfache Anschlußtechnik ermöglicht, mechanisch unempfindlich ist und eine
hohe Funktionssicherheit hat.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß eine
die integrierte Schaltung tragende, elektrische Leiterbahnen aufweisende Trägerplatte
und der Kondensator in einer rohrförmigen Hülse hintereinander untergebracht sind,
daß die Trägerplatte ein erstes Anschluß feld mit Lötstellen zur Befestigung der
Beine
des Kondensators aufweist und daß an der Trägerplatte oder
an einem zusätzlichen Plattenteil ein zweites Anschlußfeld mit Lötstellen zur Befestigung
der aus der Hülse herausführenden Zünderdrähte vorgesehen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sprengzeitzünder sind sämtliche Schaltungskomponenten,
mit Ausnahme des Kondensators, in einem Chip untergebracht, das auf der Trägerplatte
befestigt ist. Die Trägerplatte sowie der Kondensator sind in einer rohrförmigen
Hülse untergebracht, die die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben kann
wie die Hülsen pyrotechnischer Sprengzeitzünder.
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Die Trägerplatte, auf der die integrierte Schaltung befestigt ist,
enthält Leiterbahnen, an die die Anschlußstellen der integrierten Schaltung angebondet
sind. An.
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diese Trägerplatte werden anschließend die Beine des Kondensators
angelötet, wobei Kondensator und Trägerplatte entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet
sind.
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Der Kondensator ist also an einem Ende der Trägerplatte befestigt.
Durch das Anlöten wird sowohl der elektrische Anschluß als auch die mechanische
Befestigung zwischen Trägerplatte und Kondensator bewirkt. Die Trägerplatte bildet
zusammen mit dem Kondensator eine schmale, langgestreckte Baugruppe, die der Form
der schmalen Hülse weitgehend angepaßt ist. Dadurch entsteht eine kompakte schmale
Bauweise. Der Kondensator ist mit seinen Beinen, die eine geringe Länge haben können,
auf Leiterbahnen der Trägerplatte angelötet. Der Kondensator ist in Bezug auf die
Trägerplatte nicht aufrechtstehend, sondern liegend angeordnet, wobei die Beine
parallel zur Trägerplatte verlaufen. Dadurch lassen sich relativ lange Lötverbindungen
herstellen,
mit der Folge einer hohen Festigkeit der Lötverbindung und einer hohen Sicherheit
gegen Stöße und Vibrationen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß ein das zweite Anschlußfeld tragendes Plattenteil über mindestens einen seitlich
an dem Kondensator entlangführenden Steg mit der Trägerplatte verbunden ist. Der
Steg kann mindestens eine Leiterbahn aufweisen, deren eines Ende zu einer Lötstelle
des zweiten Anschluß feldes führt und deren anderes Ende durch Bonden mit der integrierten
Schaltung verbunden ist. Bei dieser Variante ist ein einziger plattenförmiger Schaltungsträger
vorhanden, der aus der Trägerplatte und dem Plattenteil besteht und an dem beide
Anschluß felder vorgesehen sind. Der Steg überbrückt die Länge des Kondensators
und sollte möglichst schmal sein.
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Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist das das zweite Anschluß
feld tragende Plattenteil von der Trägerplatte getrennt angeordnet und die Lötstellen
des zweiten Anschluß feldes sind über Drähte, die seitlich an dem Kondensator entlangführen,mit
der integrierten Schaltung verbunden. Bei dieser Variante wird die Länge des Kondensators
durch dünne Drähte überbrückt, so daß der Durchmesser des Kondensators beinahe so
groß gemacht werden kann wie der Innendurchmesser der Hülse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf der
Leiterplatte ein Programmierfeld aus Leiterbahnen gebildet, das zur Einstellung
wählbarer Verzögerungs-
zeiten durch äußere Einwirkung veränderbar
ist. Ein solches Programmierfeld ermöglicht es, für zahlreiche Verzögerungszeiten
die gleiche Schaltung zu verwenden und erst kurz vor dem Zusammenbau des Sprengzeitzünders
die gewünschte Verzögerungszeit durch Einwirkung auf das Programmierfeld zu verändern.
Das Programmierfeld kann beispielsweise aus einer Matrixanordnung von Leiterbahnen
bestehen, die durch Brücken verbunden oder getrennt werden können, um unterschiedliche
elektrische Bit-Muster zu erzeugen, die die Verzögerungszeit bestimmen. Sprengzeitzünder
mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten unterscheiden sich nur durch ihre entsprechend
modifizierten Programmierfelder. Ein Eingriff in das Innere der integrierten Schaltung
ist nicht erforderlich.
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Vorzugsweise sind die Leiterbahnen des Programmierfeldes mit der integrierten
Schaltung derart verbunden, daß die Verzögerungszeit durch Unterbrechen einer dieser
Leiterbahnen oder einer Kombination dieser Leiterbahnen veränderbar ist. Die Leiterbahnen
sind hierbei auf der Trägerplatte zunächst in unversehrtem Zustand angebracht und
sie können durch mechanische Einwirkung oder z.B.
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mittels Laserstrahldurchtrennung unterbrochen werden.
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Die Erfindung bietet ferner die Möglichkeit, auf die üblicherweise
verwendeten separart vorgefertigten Zündpillen zu verzichten, indem an der Trägerplatte
eine Zündpille erzeugt wird. Hierzu wird ein glühdraht unmittelbar mit Anschlußstellen
der Trägerplatte verbunden.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektronischen Sprengzeitzünder,
Fig. 2 einen Schnitt durch den elektronischen Sprengzeitzünder rechtwinklig zu dem
Schnitt der Fig. 1, Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Darstellung der Einzelheit
III aus Fig. 1 Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der Zündpille und Fig. 5
ein Blockschaltbil.d der wesentlichen RUnponenten, die in der integrierten Schaltung
enthalten sind.
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Der in den Fign. 1 bis 3 dargestellte Sprengzeitzünder weist ein langgestreckte
Gehäuse in Form einer zylindrischen rohrförmigen Hülse 10 auf, die aus Metall, z.
B. aus Kupfer, besteht. Die Hülse 10 ist am vorderen Ende 11 geschlossen und sie
weist an ihrem rückwärtigen Ende eine Öffnung 12 auf, durch die zwei Zünderdrähte
13 von außen in das Hülseninnere hineinführen. Die Zünderdrährte 13 sind auf einem
Teil ihrer
Länge von einem Stopfen 14 aus Kunststoff umschlossen,
der am rückwärtigen Ende der Hülse 10 durch Eindrückungen 15 des Hülsenmantels fixiert
ist. Die Zünderdrähte 13 sind jeweils mit einem Isoliermantel versehen und nur ihre
vorderen Enden 13' sind abisoliert. Die aus dem Stopfen 14 herausragenden Enden
13' sind an den gegeneinanderisolierten Lötstellen 16a, 16b des Anschlußfeldes 17
angelötet. Das Anschlußfeld 17 besteht aus Leiterbahnen, die sich auf der Fläche
eines Plattenteils 18 erstrecken.
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Vor dem Plattenteil 18 ist in der Hülse 10 der zylindrische Kondensator
19 angeordnet, der den Querschnitt der Hülse 10 nahezu ausfüllt. Die Beine 20 des
Kondensators 19 stehen von dessen vorderer Stirnseite ab.
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Jedes der Beine 20 ist an einer Lötstelle 21a bzw. 21b eines Anschluß
feldes 22 angelötet. Diese Lötstellen bestehen aus Leiterbahnen, die auf der Trägerplatte
23 angeordnet sind. Die Trägerplatte 23 erstreckt sich diametral in der Hülse 10.
Sie besteht aus Epoxydharz, keramischem Material oder einem anderen Nichtleiter.
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Auf der starren Trägerplatte 23 ist die integrierte Schaltung 24 in
Form eines Siliziumchips durch Kleben befestigt. Die Anschlußstellen des Chips sind
mit dünnen Drähten 26 durch Bonden mit den entsprechenden Leiterbahnen 25 verbunden.
Weitere Leiterbahnen, die ebenfalls Kontakt mit der integrierten Schaltung 24 haben,
führen zu Anschluß stellen 27a, 27b, welche am vorderen Ende der Trägerplatte 23
vorgesehen sind. An diese Anschlußstellen 27a, 27b werden die Beine einer
Zündpille
28 angelötet, die über das vordere Ende der Trägerplatte hinaus frei in einen Hohlraum
29 der Hülse 10 hinein absteht. Im vorderen Ende der Hülse 10 bzw.
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im Hülsenkopf ist die Initialladung 30 untergebracht, die beim Abbrennen
der Zündpille 28 gezündet wird und den umgebenden (nicht dargestellten) Sprengstoff
zur Detonation bringt.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Plattenteil 18 über
zwei längslaufende Stege 31a, 31b mit der Trägerplatte 23 verbunden, so daß es mit
der Trägerplatte ein einstückiges Teil bildet. Auf den Stegen 31a, 31b führen Leiterbahnen
entlang, die die Lötstellen 16a, 16b mit der integrierten Schaltung 24 verbinden.
Die Stege 31a, 31b umschließen eine Aussparung 23', in der der Kondensator 19 angeordnet
ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, nur einen einzigen Steg an einer Seite
des Kondensators 19 zu verwenden, so daß die Aussparung 23' nach einer Seite hin
geöffnet ist. In diesem Fall können die mit den Lötstellen 16a, 16b verbundenen
Leiterbahnen zweckmäßigerweise auf entgegengesetzten Seiten des einzigen Steges
angeordnet sein, wobei in dem Bereich der Trägerplatte 23 eine Durchkontaktierung
durch die Trägerplatte hindurch vorgesehen sein muß, um die an der Unterseite der
Trägerplatte befindliche Leiterbahn mit dem auf der Oberseite angeordneten Chip
verbinden zu können.
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r Bei einer anderen (nicht dargestellten) Variante ist das Plattenteil
18 vollständig von der Trägerplatte 23 getrennt, so daß überhaupt keine Stege 31a,
31b vorge-
sehen sind. Die Verbindung der Lötstellen 16a, 16b mit
den entsprechenden Leiterbahnen der Trägerplatte 23 erfolgt dann über isolierte
Drähte, die seitlich an dem Kondensator 19 entlangführen.
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Auf der Trägerplatte 23 ist ein aus Leiterbahnen bestehendes Programmierfeld
32 angeordnet, das bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus sechs Leiterstreifen
32a bis 32f besteht, die an ihren einen Enden" untereinander verbunden und an Massepotential
gelegt sind, während die anderen Enden durch Bondungsdrähte C 26 mit dem Chip der
integrierten Schaltung 24 verbunden sind. Jeder einzelnen Leiterstreifen 32a bis
32f kann mit einer mechanischen Trennvorrichtung oder mit einem scharf gebündelten
Laserstral durchgetrennt werden, so daß die Verbindung des betreffenden Anschlußpunktes
der elektronischen Schaltung mit bIassepotential aufgehoben wird, wenn eine Durchtrennung
des Leiterstreifens erfolgt ist.
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In Fig. 4 besteht die Zündpille 28'l aus einem Glühdraht 33, der zwischen
zwei Anschlußstellen 34a, 34b am vorderen Ende der Trägerplatte 23 verläuft und
eine Ausnehmung 35 der Trägerplatte überbrückt. Die Aussparungen 36 dienen zur Glühdrahtführung
während des Anlötens des Glühdrahtes an den Anschlußstellen.
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In Fig. 5 sind die wesentlichen Komponenten der integrierten Schaltung
24 dargestellt, zusammen mit dem an diese Schaltung angeschlossenen Kondensator
19 und den Leiterstreifen 32a bis 32f, die auf der Trägerplatte 23
angebracht
sind.
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Eine Eingangsleitung 37, die mit einem der Zünderdrähte 13 verbunden
ist, wird von einer (nicht dargestellten) externen Zündmaschine mit Impulsen beaufschlagt.
Diese Impulse werden über eine Gleichrichteranordnung 38 dem Kondensator 19 zugeführt,
um diesen aufzuladen. Der Kondensator 19 liefert anschließend ein Spannungspotential
zur Versorgung der übrigen Komponenten und schließlich auch für den Strom der Zündpille
28. Die Impulse der Eingangsleitung 37 werden einem sechsstufigen Eingangszähler
39 zugeführt, der als Binärzähler ausgebildet ist und von 0 bis 63 zählen kann.
Die sechs Ausgangsleitungen des Eingangszählers 39 werden dem einen Eingang eines
Äquivalenzgatters 40 zugeführt. Der andere Eingang des Äquivalenzgatters 40, der
ebenfalls sechs Stellen aufweist, ist mit den sechs Leiterstreifen 32a bis 32f verbunden,
deren andere Enden an Massepotential liegen. Wenn an einer Stelle des anderen Eingangs
des Äquivalenzgatters Massepotential liegt, so bedeutet dies logisches "0"-Signal
und wenn der Leiterstreifen unterbrochen ist, so bedeutet dies "1"-Signal.
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Der Ausgang des Äquivalentsgatters 40 ist mit dem Stop-Eingang eines
Referenzzählers 41 verbunden.
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Dieser Referenzzähler 41 ist als Vorwärts/Rückwärts-Zähler ausgebildet.
Er zählt die an seinem Zähleingang C erscheinenden Impulse vorwärts, wenn an dem
Vorwärtssteuereingang V ein Vorwärtssignal ansteht, und er zählt
die
Impulse des Zähleingangs C rückwärts, wenn an dem Rückwärtseingang R ein Rückwärtssignal
ansteht. Das Vorwärtssignal wird von dem Eingangszähler 39 geliefert, solange dessen
Zählerstand im Bereich von 0 bis 63 liegt. Das Rückwärtszählsignal wird von dem
Eingangszähler 39 geliefert, wenn dessen Zählerstand überläuft. Der Zähleingang
C des Referenzzählers 41 ist an einen Oszillator 42 angeschlossen.
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Der Ausgang des Referenzzählers 41 ist über eine Logikschaltung 43,
die den Zählerstand "0,0,0...0" erkennt, mit einem elektronischen Schalter 44 verbunden,
der geschlossen wird, sobald der Zählerstand des Referenzzählers 41 den Wert 0 erreicht
hat. Wenn die Zündmaschine an Eingangs leitung 37 Impulse liefert, wird der Eingangszähler
39 vom Wert 0 aus hochgezählt.
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Wenn Koinzidenz zwischen beiden Eingängen des Equivalenzgatters 40
besteht, liefert das Äquivalenzgatteri einen Impuls an den Stop-Eingang S des Referenzzählers
41. Dieser Referenzzähler zählt bis zum Erscheinen des Stop-Signals von 0 aus die
Impulse des Oszillators hoch und hält den beim Eintreffen des Stop-Signals vorhandenen
Zählwert solange fest, bis an seinem Eingang R ein Rückwärtssignal erscheint.
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Dieses Rückwärtssignal wird geliefert, nachdem der Zählerstand des
Eingangszählers den Wert 64 erreicht hat. Der Referenzzähler 41 zählt nun von dem
in ihm enthaltenen Zählwert aus abwärts und wenn er den Wert 0 erreicht hat, wird
über die Loaikschaltung 43 der elektronische Schalter 44 geschlossen, so daß die
Zündpille mit Strom versorgt wird.
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An dem Programmierfeld 32 kann durch Unterbrechen einzelner oder mehrerer
Leiterstreifen 32a bis 32f jeder Wert zwischen 0 und 63 eingestellt werden. Wenn
der Leiterstreifen 32a unterbrochen wird, würde das Stop-Signal für den Referenzzähler
41 bereits beim ersten Impuls erzeugt, den der Eingangszähler 39 empfängt.
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Wird dagegen nur der Leiterstreifen 32f unterbrochen, dann wird das
Stop-Signal erzeugt, sobald der Eingangszähler 39 den 32. Impuls empfangen hat.
Auf diese Weise kann am Programmierfeld 32 derjenige Zählerstand des Referenzzählers
41 programmiert werden, der die obere Grenze der Aufladung (des Hochzählens) des
Referenzzählers 41 bildet. Diese Aufladung des Referenzzählers stellt ein Maß für
die Zeit dar, die zum Abwärtszählen des Referenzzählers bis auf Null erforderlich
ist, also die Verzögerungszeit.
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In der Praxis werden an eine einzige Zündmaschine zahlreiche Sprengzeitzünder
angeschlossen, die auf unterschiedliche Verzögerungszeiten programmiert sind und
die alle an ihren Eingangsleitungen 37 mit denselben Impulsen beaufschlagt werden.
Die Referenzzähler der Sprengzeitzünder laden sich entsprechend der individuellen
Programmierung unterschiedlich hoch auf. Nachdem die Zündmaschine eine bestimmte
Impulszahl (hier: 64 Impulse) abgegeben hat, ist die Aufladung der Referenzzähler
sämtlicher Sprengzeitzünder beendet und r danach folgt die Abwärts zählung, wobei
dann die Nullstände der Referenzzähler zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht
werden.