ES2219789T3 - Conjunto de circuito de retraso de detonador electronico hibrido. - Google Patents
Conjunto de circuito de retraso de detonador electronico hibrido.Info
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Abstract
SE EXPONE UN CIRCUITO ELECTRONICO DE RETARDO (10) PARA USO EN UN DETONADOR (100), QUE TIENE UN CIRCUITO DE CONMUTACION (20) Y UN CIRCUITO TEMPORIZADOR (22). EL CIRCUITO DE CONMUTACION CONTROLA EL FLUJO DE UNA CARGA ALMACENADA DE ENERGIA ELECTRICA DESDE UN CONDENSADOR DE ALMACENAMIENTO (12) A UN ELEMENTO INICIADOR DE PUENTE, POR EJEMPLO UN PUENTE DE SEMICONDUCTORES (18) O UN PUENTE DE VOLFRAMIO. LA TEMPORIZACION DE LA LIBERACION DE ESTA ENERGIA LA CONTROLA EL CIRCUITO TEMPORIZADOR (22). EL CIRCUITO DE CONMUTACION (20) ES UN CIRCUITO CMOS (BICMOS DI) INTEGRADO, DIELECTRICAMENTE AISLADO, MIENTRAS QUE EL CIRCUITO TEMPORIZADOR (22) ES UN CIRCUITO DE SEMICONDUCTORES OXIMETALICOS CONVENCIONAL. EL USO DE UN CIRCUITO DE CONMUTACION (BICMOS DI) PERMITE UNA MAYOR EFICIENCIA DE LA TRANSFERENCIA DE LA ENERGIA DEL CONDENSADOR DE ALMACENAMIENTO (12) AL PUENTE SEMICONDUCTOR (18), DE LO QUE SE HABIA CONSEGUIDO ANTERIORMENTE.
Description
Conjunto de circuito de retraso de detonador
electrónico híbrido.
Esta invención se refiere a circuitos de retraso
de detonador electrónico.
Son conocidos los circuitos electrónicos para el
encendido de elementos de iniciación dentro de detonadores después
de un periodo predeterminado de retraso controlado electrónicamente.
El periodo de retraso se mide a partir de la recepción de una señal
de iniciación no eléctrica que puede proporcionar también potencia
para el circuito de sincronización y para el elemento de iniciación.
Por tanto, el documento USA-5.133.257 describe un
sistema de encendido que comprende un transductor piezoeléctrico que
puede estar dispuesto próximo a una línea de derivación de cordón de
detonación. Cuando se detona el cordón de detonación, se libera
energía en forma de onda de impacto, que incluye el transductor para
producir un impulso eléctrico. La energía eléctrica procedente del
transductor es memorizada en un condensador que proporciona potencia
para un sincronizador. Después de un retraso predeterminado, el
sincronizador permite que la energía memorizada restante en el
condensador encienda una cabeza de encendido en el detonador. La
cabeza de encendido inicia el material explosivo, proporcionando así
la salida de explosivo para el detonador.
Dispositivos similares se observan en el
documento US-A-5.173.569; en el
documento US-A-5.377.592 (que
muestra el uso de un condensador de almacenamiento de 3
microfaradios (\muf) de régimen a 35 voltios); y en el documento
US-A-5.435.248 que describe que los
circuitos electrónicos de tales detonadores están formados
típicamente en un solo circuito integrado ("IC") fabricado por
un proceso semiconductor de óxido metálico complementario
("CMOS") utilizado en unión con un condensador de
almacenamiento de 10 \muf (de régimen 35 voltios). La circuitería
CMOS se caracteriza por su bajo consumo de potencia y baja
disipación del calor.
Son conocidos en la técnica los dispositivos de
encendido de puente semiconductor ("SCB") como se describe en
el documento US-A-4.708.060 que
ejemplifica el uso de aluminio para los terminales metalizados del
SCB. Son conocidos también los dispositivos de encendido de puente
semiconductor que utilizan tungsteno para los terminales
metalizados, como se describe en el documento
US-A-4.976.200. Tales dispositivos
tienen generalmente impedancias de menos de 10 ohmios, por ejemplo,
aproximadamente 1 ohmio.
El documento
US-A-4869170 describe un detonador
que tiene un circuito para iniciar un explosivo. El circuito puede
estar formado sobre uno o más chips que utilizan una técnica bipolar
o técnica CMOS y el chip y sus contactos puede encapsularse en los
materiales aislantes.
El documento
US-A-5247241 describe un diseño de
circuito para una fuente de corriente constante. Este documento
caracteriza la técnica anterior como limitación del uso de la
tecnología CMOS-solamente para resistir las fuentes
de corriente de base, y propone hacer obvia esta limitación, de
manera que puede producirse frecuencia y fuentes de corriente
basadas en el condensador en los circuitos CMOS. El documento indica
también que el circuito descrito puede utilizarse con otras
tecnologías semiconductoras, incluyendo BiCMOS.
El objeto de la invención es proporcionar un
circuito de retraso cuyo procedimiento de montaje es menos costoso
que los procedimientos de la técnica anterior y reduce el tamaño del
circuito, simplifica el proceso de integración y permite una
encapsulación más grande, más protectora.
Este objeto se resuelve por las características
como se indica en la reivindicación 1.
Los desarrollos adicionales de la invención y el
uso particular del circuito de retraso junto con el conjunto de
transductor-circuito y también un detonador son
reivindicados en las sub-reivindicaciones.
La invención se refiere a un circuito de retraso
que comprende un terminal de entrada para recibir una carga de
energía eléctrica, medios de almacenamiento conectados al terminal
de entrada para recibir y almacenar una carga de energía eléctrica,
y un circuito de conmutación BiCMOS aislado dieléctricamente,
integrado que conecta los medios de almacenamiento con un terminal
de salida para proporcionar una liberación de energía memorizada en
los medios de almacenamiento hasta un terminal de salida de este
tipo. El circuito de conmutación es responsable de un circuito de
sincronizador. Existe un terminal de salida conectado a los medios
de almacenamiento a través del circuito de conmutación y un circuito
de sincronizador está conectado operativamente al circuito de
conmutación para controlar la liberación con el terminal de salida
por el circuito de conmutación de energía almacenado en los medios
de almacenamiento.
Los medios de almacenamiento pueden comprender un
condensador que tiene una capacitancia de menos de aproximadamente 3
microfaradios de régimen entre 50 y 150 voltios. Por ejemplo, el
condensador puede tener una capacitancia en el intervalo de
aproximadamente 0,22 a 1 microfaradio de régimen entre 50 y 150
voltios.
El circuito puede comprender adicionalmente un
elemento de iniciación de puente conectado al terminal de salida.
Los medios de almacenamiento pueden tener una capacitancia y el
circuito de conmutación puede tener una impedancia de descarga. Los
medios de almacenamiento pueden tener una constante de tiempo
derivada de la capacitancia y la impedancia de descarga de menos de
aproximadamente 15 microsegundos. Por ejemplo, la constante de
tiempo puede estar en el intervalo de aproximadamente 0,2 a 15
microsegundos, por ejemplo, la constante de tiempo puede ser
aproximadamente 2,5 microsegundos.
El circuito de conmutación puede tener una
impedancia de descarga de menos de aproximadamente 15 ohmios. Por
ejemplo, el circuito de conmutación puede tener una impedancia de
descarga en el intervalo de aproximadamente 1 a 5 ohmios.
La invención pertenece también a un conjunto de
transductor-circuito que comprende un módulo de
transductor, un módulo electrónico que comprende (a) un circuito de
retraso como se describe anteriormente con el terminal de entrada
conectado operativamente al módulo de transductor, y (b) medios de
iniciación de salida conectados operativamente al terminal de
entrada del circuito de retraso para recibir la energía procedente
de los medios de almacenamiento y para producir una señal de
iniciación de salida de explosivos.
La invención se refiere adicionalmente a un
detonador que comprende una carcasa que tiene un extremo cerrado y
un extremo abierto, estando dimensionado y configurado el extremo
abierto para conexión con medios de transmisión de señal de
iniciación en la carcasa. Los medios de transmisión de la señal de
iniciación suministran una señal de iniciación eléctrica a un
circuito de retraso como se describe anteriormente. Los medios de
salida del detonador están dispuestos en la carcasa en relación
operativa con los medios de almacenamiento, para generar una señal
de salida después de la descarga de los medios de
almacenamiento.
En una forma de realización particular, los
medios de transmisión de señal de iniciación pueden comprender el
extremo de un tubo de impacto, una servo carga y un módulo
transductor, todos fijados en la carcasa. Estos son dispuestos de
manera que una señal no eléctrica emitida desde el extremo del tubo
de impacto iniciará la servo carga. La servo carga está dispuesta en
relación de comunicación-fuerza con el módulo
transductor y el módulo transductor está conectado operativamente a
la terminal de entrada del circuito de retraso.
Como se utiliza aquí y en las reivindicaciones,
el término "elemento de iniciación de puente" es entendido por
abarcar los dispositivos de encendido de puente de semiconductor y
los dispositivos de encendido de puente de tungsteno.
La figura 1 es una representación esquemática de
un circuito de retraso de acuerdo con una forma de realización de la
presente invención.
La figura 2 es una vista en perspectiva en
sección transversal parcialmente de un conjunto de iniciación de
transductor-retraso que comprende un módulo
electrónico y manguito junto con un módulo de transductor.
La figura 3A es una vista esquemática,
parcialmente en sección transversal que muestra un detonador de
retraso que comprende un circuito electrónico encapsulado de acuerdo
con una forma de realización de la presente invención; y
La figura 3B es una vista, ampliada relativa a la
figura 3A, de la copa de aislamiento y los componentes de servo
carga del detonador de la figura 3A.
La presente invención proporciona una mejora para
los circuitos de retraso electrónicos que permite mayor eficiencia
en la transferencia de energía eléctrica desde un terminal de
entrada hasta un terminal de salida que fue alcanzado en la técnica
anterior. La energía puede utilizarse de varios modos, por ejemplo,
para iniciar un elemento de iniciación de salida, por ejemplo, un
elemento de iniciación de puente. Como resultado, el elemento de
iniciación de salida, que comprende típicamente un puente
semiconductor, puede iniciarse con menos energía que la requerida
para elementos de iniciación convencionales. Esta eficiencia
incrementada es alcanzada empleando un circuito de conmutación de
semiconductor de óxido metálico complementario, bipolar, aislado
dieléctricamente ("DI BiCMOS"), que comprende preferentemente
un elemento de conmutación integrado, tal como un rectificador
controlado con silicio ("SCR") para servir como una conmutación
entre medios de almacenamiento para energía eléctrica y el terminal
de salida para el elemento de iniciación de puente. Un circuito
integrado CMOS puede utilizarse para la porción de sincronización
del circuito de retraso. Al contrario, la técnica anterior (por
ejemplo, Patente de los Estados Unidos 5.435.248) muestra el uso de
circuitería CMOS tanto para funciones de sincronización como de
conmutación en unión con un SCR discreto. Un conjunto de circuito de
la presente invención proporciona la eficacia mejorada de
transferencia de energía que se alcanza a partir de un circuito DI
BiCMOS y el consumo bajo de potencia previsto por un circuito
CMOS.
Un circuito BiCMOS aislado dieléctricamente, como
se utiliza de acuerdo con la presente invención, puede alojar
tensiones más altas que un circuito CMOS de la técnica anterior
correspondiente. Por ejemplo, un circuito BiCMOS puede alojar
tensiones de hasta, por ejemplo 150 voltios, mientras que los
circuitos CMOS son limitados típicamente a aproximadamente 50
voltios. Puesto que el circuito de la presente invención funciona en
el intervalo de por ejemplo 50 a 150 voltios, se permite el uso de
un condensador de almacenamiento de menor capacitancia que se ha
utilizado en la técnica anterior. Como resultado, el circuito de
retraso tiene una constante de tiempo más pequeña (medida en
segundos) para la descarga del condenador de almacenamiento para
iniciación del elemento de encendido de puente que los circuitos de
la técnica anterior. La constante de tiempo puede calcularse como el
producto de la capacitancia del condensador de almacenamiento (en
faradios) y la "impedancia de descarga" del circuito (en
ohmios), es decir, la impedancia impuesta sobre el condensador por
el circuito de conmutación y el elemento de iniciación del puente
durante una descarga de este tipo. La impedancia de descarga puede
aproximarse como la suma de las impedancias del elemento de
conmutación y el elemento de iniciación del puente. La constante de
tiempo más pequeña se traduce en mayor eficiencia en la
transferencia de energía desde el condensador hasta el elemento de
iniciación del puente.
Un circuito de acuerdo con la presente invención
comprende típicamente un condensador de almacenamiento que tiene un
régimen de menos de 3 microfaradios (\muf), por ejemplo, en el
intervalo de aproximadamente 0,22 a 1 microfaradio a aproximadamente
50 a 150 voltios, mientras que los circuitos de la técnica anterior
emplean condensadores de régimen a aproximadamente 3 \muf o más
(por ejemplo, U.S. 5.377.592 (3 \muf); U.S. 5.435.248 (10
\muf)). Adicionalmente, el condensador de almacenamiento de un
circuito de acuerdo con la presente invención puede observar una
impedancia de descarga de 15 ohmios o menos, por ejemplo, 5 ohmios o
incluso 1 ohmio. La constante de tiempo para la descarga del
condensador de la presente invención es, por tanto, bastante
pequeña, por ejemplo, 15 microsegundos (por ejemplo, condensador de
1 microfaradio con impedancia de descarga de circuito de conmutación
de 15 ohmios) o menos, y puede ser tan baja como, por ejemplo,
aproximadamente 0,22 milisegundos (por ejemplo, condensador de 0,22
\muf con impedancia de descarga de 1 ohmio). Por ejemplo, una
constante de tiempo típica para el circuito de la presente invención
se espera que sea aproximadamente 2,5 microsegundos (por ejemplo,
condensador de 0,5 \muf con impedancia de descarga de 5 ohmios).
Preferentemente, la impedancia del elemento de iniciación de puente
es aproximadamente igual a la impedancia del elemento de
conmutación, de manera que la energía procedente del condensador de
almacenamiento no es disipada indudablemente por el elemento de
conmutación durante la descarga al elemento de iniciación de
puente.
Los elementos de iniciación de puente, es decir,
los SCB y los puentes de tungsteno son preferidos sobre otros
elementos de iniciación puesto que los requerimientos de energía
relativamente pequeños tienen para el inicio, su baja impedancia
(normalmente menor de 10 ohmios, preferentemente aproximadamente 1
ohmio), su rápido tiempo de respuesta y superiores características
de transferencia de calor. Los SCB ofrecen también un alto nivel de
seguridad y fiabilidad con respecto a las energías combustibles y no
combustibles. Como se describe de manera más completa a
continuación, el elemento de iniciación de puente puede comprender
parte de medios de iniciación de salida que pueden fijarse al
circuito, y los medios de iniciación de salida pueden comprender una
parte de medios de salida para un detonador.
Un circuito de retraso de detonador electrónico
de acuerdo con una forma de realización particular de la presente
invención se ilustra esquemáticamente en la figura 1, con un
transductor piezoeléctrico 14 y un puente semiconductor 18. El
circuito de retraso 10 comprende una variedad de elementos de
circuito que puede incluir elementos de circuito discretos y/o
circuitos integrados. El circuito de retraso 10 comprende, por
ejemplo, un condensador de almacenamiento 12 que sirve como medios
de almacenamiento para el conjunto para recibir y almacenar una
carga de energía eléctrica desde los medios de señal de inicio. En
la forma de realización ilustrada, la señal eléctrica de inicio se
obtiene a partir de un transductor piezoeléctrico 14 que produce un
impulso de energía eléctrica sobre la recepción de una onda de
impacto de detonación. La onda de impacto de detonación puede
obtenerse a partir de un cordón de detonación dispuesto en
proximidad estrecha con el transductor 14, como se sugiere por la
Patente de Jonsson, U.S. 5.133.257. Alternativamente, la onda de
impacto por detonación puede obtenerse a partir de una carga
asociada con el conjunto de circuito, como se describe de manera más
completa a continuación. La energía producida por el transductor 14
es transportada al condensador de almacenamiento 12 a través de un
diodo de dirección 24. Un resistor regulador de tensión 16 está
colocado en el condensador de almacenamiento de descarga 12 en el
caso de que la energía almacenada por el condensador 12 no se
descargue de otro modo por el circuito de retraso 10.
Ordinariamente, se designa un circuito de retraso de detonador para
iniciar una carga de salida por la descarga del condensador de
almacenamiento dentro de un intervalo de retraso en el intervalo
desde 1 milisegundo a 10 segundos desde la recepción de la señal de
iniciación. El resistor regulador de tensión 16 es elegido de manera
que descarga el condensador de almacenamiento 12 en un periodo de
tiempo significativamente más largo que el intervalo de retraso
anticipado. Por ejemplo, el resistor regulador de tensión 16 puede
elegirse para descargar el condensador de almacenamiento 12 durante
un periodo de tiempo de quince minutos.
SCB 18 está conectado al terminal de salida del
circuito de conmutación 20 y está conectado, por tanto,
operativamente al condensador de almacenamiento 12. El
funcionamiento del circuito de conmutación 20 es controlado por un
circuito sincronizador 22. Como se ilustra, tanto el circuito de
conmutación 20 como el circuito sincronizador 22 aspiran potencia
para su funcionamiento desde el condensador de almacenamiento 12,
aunque en las formas de realización alternativas de la invención,
las fuentes de potencia separadas, tales como células de batería,
pueden estar previstas opcionalmente para activar estos
circuitos.
El circuito de conmutación integrado 20 comprende
un regulador de tensión 26, un rectificador controlado con silicio
(SCR) 28 y un circuito de señal de control del disparador 30. El SCR
28 sirve como un elemento de conmutación a través del cual la
energía almacenada en el condensador de almacenamiento 12 puede
suministrarse a SCB 18. La operación del SCR 28 es controlada por el
circuito disparador 30 que es responsable de una señal de encendido
emitida por el circuito sincronizador 22. El regulador 26 reduce
escalonadamente la tensión memorizada en el condensador 12 para
proporcionar una fuente de potencia para el circuito disparador 30 y
el circuito sincronizador 22.
El circuito sincronizador 22 aspira potencia
desde el condensador de almacenamiento 12 a través del conductor 32.
El circuito sincronizador 22 comprende un oscilador 34, cuya
frecuencia es determinada en parte por un condensador de
sincronización 35 y por la selección de un resistor de
sincronización externo 36. El circuito sincronizador 22 comprende
también un contador 28 y un circuito de reposición de conexión de
potencia ("POR") 40. Después de la recepción de potencia del
condensador de almacenamiento 12 y el regulador 26, el circuito POR
40 inicia el oscilador 34 y ajusta el contador 38 a un estado de
reposición predeterminado. En respuesta a los impulsos recibidos del
oscilador 34, el contador 38 se reduce del estado de reposición y,
cuando se calcula el intervalo predeterminado, el contador 38 emite
una señal de encendido a través del conductor de encendido 42. La
señal de encendido activa el circuito disparador 30 que activa SCR
28. La energía almacenada restante en el condensador de
almacenamiento 12 se descarga entonces a través de SCR 28 al SCB
18.
En la forma de realización ilustrada, el circuito
de conmutación 20 se forma como un circuito BiCMOS integrado en el
que los elementos de circuito integrado son aislados
dieléctricamente (DI) entre sí. No obstante, el circuito
sincronizador 2 es un circuito integrado CMOS convencional y es
capaz, por tanto, de realizar sus funciones de señalización de
sincronización e iniciación al mismo tiempo que se aspira energía
mínima desde el condensador de almacenamiento 12. La impedancia
relativamente alta del circuito sincronizador CMOS 22 no se retira
de la eficiencia con la que se transporta la energía desde el
condensador de almacenamiento 12 hasta el SCB 18. Por ejemplo,
utilizando un condensador de 0,5 \muf y un circuito de conmutación
que tiene una impedancia de descarga de 5 ohmios, el circuito de
conmutación 20 puede descargar 50 microJulios (\muJ) (es decir,
0,05 miliJulio (mJ)) desde el condensador de almacenamiento 12 en
aproximadamente de 1 a 3 microsegundos para iniciar SCB 18. Los
circuitos de la técnica anterior, por el contrario, requieren al
menos 0,25 mJ para el inicio de un elemento de iniciación de puente
en el mismo cuadro de tiempo. Ver, por ejemplo, Patente de los
Estados Unidos 5.309.841 a nombre de Hartman y col, presentada el 10
de Mayo de 1994, en columnas 7, líneas 10-15 (5
voltios aplicados por 10 microsegundos); y patente de los Estados
Unidos 4.708.060 emitida a Bickes, Jr y col, presentada el 24 de
Noviembre de 1987, en columna 6, líneas 7-13
(1-5 mJ). La capacidad para iniciar SCB 18 con una
pequeña cantidad de energía eléctrica mejora la fiabilidad del
circuito de retraso, puesto que es entonces menos probable que el
circuito de conmutación 20 y el circuito de sincronización 22
descarguen el condensador de almacenamiento 12 hasta un grado tal
que sea incapaz, después del retraso de tiempo predeterminado, de
iniciar el SCB 18. Adicionalmente, las constantes de tiempo más
pequeñas de circuitos de la presente invención contribuyen a
actuación más uniforme entre los circuitos configurados de manera
similar.
Como un resultado adicional de la bifurcación de
las funciones de tensión alta y baja del circuito de retraso en los
circuitos integrados de BiCMOS aislado dieléctricamente y CMOS
convencional, el tamaño general del circuito de retraso es más
pequeño que los circuitos solamente CMOS de la técnica anterior
correspondiente, tal como se muestra en el documento U.S. 5.173.569
a nombre de Pallanck y col. Esta reducción en tamaño se alcanza
puesto que ciertos elementos de circuito que tenían que ser
previamente unidades discretas pueden incorporarse en los circuitos
integrados. Por ejemplo, el diodo de dirección 24 y SCR 28 están
formados como parte del circuito de conmutación BiCMOS aislado
dieléctricamente 20, mientras que los diodos de dirección y SCR de
la técnica anterior no podrían incorporarse en un circuito CMOS
estándar y por ello estaban presentes como elementos de circuito
discretos. Adicionalmente, puesto que la porción DI BiCMOS del
circuito puede adaptarse a tensiones más altas que un circuito CMOS,
el circuito de retraso puede comprender un condensador de
almacenamiento más pequeño que los circuitos de la técnica anterior.
Específicamente, el condensador de almacenamiento 12 de la presente
invención puede ser un condensador del tipo de cerámica, que es más
pequeño, menos costoso y más fácil de incorporar en un circuito de
retraso 10 que los condensadores de almacenamiento de la técnica
anterior, que son generalmente del tipo de película enrollada. La
reducción del tamaño que resulta de la bifurcación de las funciones
del circuito de retraso en las porciones CMOS y DI BiCMOS, permite
que la circuitería de retraso de la presente invención sea
incorporada en un detonador que tiene un armazón de tamaño estándar
para un detonador convencional Nº8 y Nº12, que son generalmente de
configuración cilíndrica y tienen un diámetro de 0,296 pulgadas
(0,117 cm). Por tanto, la presente invención proporciona un
detonador electrónico que puede utilizarse con la variedad de los
productos de explosivos convencionales, como servo carga,
dispositivos de conector, etc., que son configurados para
detonadores normalizados, y ofrece al usuario las ventajas de
retrasos que tienen precisión controlada digitalmente. Existe
incluso espacio en el detonador para encapsulación protectora de
circuito, tal como encapsulación 15 (figura 2), que protege al
circuito de detonador de la vibración externa. Al contrario, los
circuitos de detonador controlados digitalmente de la técnica
anterior son tan grandes que requieren armazones sobredimensionados
y por tanto, no pueden utilizarse con muchos componentes explosivos
estándar.
La figura 2 proporciona una vista en perspectiva
del conjunto de circuito-transductor 55 que
comprende un módulo electrónico 54 que contiene el circuito de
retraso 10 de la figura 1, con medios de iniciación de salida 46
fijados a esto. El circuito de retraso 10 incluye varios componentes
de circuito que incluyen circuito sincronizador 22, un resistor de
sincronización 36, un circuito de conmutación 20, un condensador de
almacenamiento 12, un resistor regulador de tensión 16 y conductores
de salida 37 que proporcionan un terminal de salida al que se
descarga el condensador de almacenamiento 12. Estos varios
componentes están montados sobre porciones o trazas similares a un
mallado 41 de un cuadro conductor y excepto para los conductores de
salida 37, están dispuestos dentro de la encapsulación 15. En la
forma de realización ilustrada, los medios de iniciación de salida
46 comprenden, además del puente semiconductor 18 (que está
conectado a través de los conductores de salida 37), una carga de
iniciación 46a, que comprende preferentemente un material explosivo
en partículas finas y un armazón de iniciación 46b que está plegado
sobre la región de cuello 44 de la encapsulación 15 y que mantiene
la carga de iniciación 46a en la relación de transferencia de
energía al puente semiconductor 18. La carga de iniciación 46a es
presionada preferentemente en el armazón de iniciación 46b a una
densidad de menos de 80 por ciento de su densidad teórica máxima
(MTD). Preferentemente, SCB 19 está fijado a los conductores de
salida 37 de manera que permite que el SCB 18 se proyecte dentro y
esté rodeado por carga de iniciación 46a. Alternativamente, tales
materiales pueden volverse en forma de una suspensión o mezcla
perlada que puede aplicarse sobre el SCB. Los medios de iniciación
de salida 46 pueden comprender parte de los medios de salida de un
detonador y pueden utilizarse, por ejemplo, para iniciar la carga de
base o la carga de "salida" del detonador en el que el conjunto
de circuito de transductor 55 es dispuesto, como se describe a
continuación.
La encapsulación 15 acopla preferentemente el
manguito 21 solamente a lo largo de los rebordes o aletas en
proyección que se extienden longitudinalmente (que no son visibles
en la figura 2) y, por tanto, establece un intersticio 48 entre la
encapsulación 15 y el manguito 21 en las regiones circunferenciales
alrededor de la encapsulación 15 entre las aletas. Como una
alterativa a las aletas, la encapsulación 15 puede estar configurada
para tener salientes en proyección para acoplarse en la superficie
interior de un manguito circundante o armazón de detonador, o puede
ser poligonal en sección transversal y acoplar el manguito 21 a lo
largo de puntas o bordes longitudinales, o puede tener cualquier
otra configuración efectiva para disipar las ondas de impacto que
pueden transmitirse al circuito desde el exterior del dispositivo.
Generalmente, tales configuraciones reducen al mínimo o al menos
reducen el contacto de área superficial entre la encapsulación 15 y
el manguito 21. Adicionalmente, parte o toda la encapsulación 15
puede comprender un material de absorción de impacto.
Alternativamente, la encapsulación 15 puede comprender un material
de absorción de impacto que puede realizar opcionalmente un contacto
completo con el manguito 21.
En la forma de realización ilustrada, la
encapsulación 15 define opcionalmente molduras 50 que hacen a los
conductores de ensayo 52 accesibles pero que permiten,
preferentemente, que los conductores permanezcan dentro del perfil
superficial de la encapsulación 15, es decir, los conductores no se
extienden preferentemente en el intersticio 48. Si las molduras 50
se omiten, es preferible que los conductores de ensayo no se
extiendan a través del intersticio 48 para contacto con el
cerramiento circundante. Por consiguiente, antes de que el módulo
electrónico (que comprende varios elementos de circuito, medios de
iniciación de salida 46 y encapsulación 15) se coloque dentro del
manguito 21, los conductores tales como el conductor 52 pueden
acceder para ensayo de la circuitería montada. Después, el módulo
electrónico 54 puede insertarse en el manguito 21 y los conductores
no estarán en contacto con el manguito 21.
El módulo electrónico 54 está diseñado de manera
que los conductores de salida 37 y los conductores de entrada de
iniciación 56, a través de los cuales puede cargarse el condensador
de almacenamiento 12, se proyectan desde los extremos opuestos
respectivos del módulo electrónico 54. Un módulo transductor 58
comprende un transductor piezoeléctrico 14 y dos conductores de
transferencia 62 encerrados dentro de la encapsulación del
transductor 64. La encapsulación del transductor 64 está
dimensionada y configurada para acoplar el manguito 21 de manera que
el módulo transductor 58 puede fijarse sobre el extremo del manguito
21 con conductores 62 en contacto con los conductores de entrada 56.
Preferentemente, la encapsulación 15, el manguito 21 y la
encapsulación del transductor 64 están dimensionados y
configuraciones de manera que cuando se montan, como se muestra en a
figura 2, se establece un intersticio de aire indiciado con 66 entre
la encapsulación 15 y la encapsulación del transductor 64. De este
modo, el módulo electrónico 54 es protegido, al menos parcialmente,
de la onda de impacto de detonación que provoca que el transductor
piezoeléctrico 14 cree el impulso eléctrico que inicia el módulo
electrónico 54. La presión impuesta por tal onda de impacto de
detonación es transferida a través del módulo del transductor 58
sobre el manguito 21, como se indica por las flechas de fuerza 68,
en lugar de sobre el módulo electrónico 54.
Al contrario de los circuitos de retraso de
detonador de la técnica anterior, en los que los varios paquetes y
elementos de circuito estaban montados sobre un substrato polimérico
o cerámico en un dispositivo del tipo de chip sobre cuadro, los
circuitos integrados y los elementos de circuito del circuito de
retraso 10 pueden montarse directamente sobre las trazas metálicas
41 de un cuadro conductor. Este procedimiento de montaje es menos
costoso que los procedimientos de la técnica anterior y reduce el
tamaño del circuito de retraso, simplifica el proceso de integración
y permite una encapsulación más grande, más protectora.
Haciendo referencia ahora a la figura 3A, se
muestra una forma de realización de un detonador de retraso digital
100 que comprende un módulo electrónico de acuerdo con la presente
invención. El detonador de retraso 100 comprende una carcasa 112 que
tiene un extremo abierto 112a y un extremo cerrado 112b. La carcasa
112 está fabricada de un material eléctricamente conductor,
normalmente aluminio, y es preferentemente de tamaño y configuración
de cubiertas de explosivos convencionales, es decir, detonadores. El
detonador 100 comprende medios de transmisión de señal de iniciación
para suministrar una señal de iniciación eléctrica al circuito de
retraso. Los medios de transmisión de señal de iniciación pueden
comprender, simplemente, una línea de señal de iniciación eléctrica
que puede conectarse directamente al terminal de entrada de un
circuito de retraso configurado de forma adecuada de acuerdo con la
presente invención. No obstante, preferentemente, el detonador es
utilizado como parte de un sistema no eléctrico y los medios de
transmisión de señal de iniciación comprenden el extremo de la línea
de transmisión de señal no eléctrica (por ejemplo, tubo de impacto)
y un transductor para convertir la señal de iniciación no eléctrica
en una señal eléctrica, como se describe aquí. En la forma de
realización ilustrada, el detonador de retraso 100 está acoplado a
medios de señal de iniciación no eléctrica que comprende, en el caso
ilustrado, un tubo de impacto 110, servo carga 120 y módulo
transductor 58. Se entenderá que pueden utilizarse las líneas de
transmisión de señal no eléctrica además del tubo de impacto, tal
como un cordón de detonación, cordón de detonación de baja energía,
tubo de impacto de baja velocidad y similares. Como es bien conocido
para los técnicos en la materia, el tubo de impacto comprende
entubado de plástico hueco, cuya pared interior está revestida con
un material explosivo, de manera que, después del encendido, se
propaga una onda de impacto de baja energía a través del tubo. Ver,
por ejemplo, Thureson y col., Patente de los Estados Unidos
4.607.573, presentada el 26 de Agosto de 1986. El tubo de impacto
110 está fijado en la carcasa 112 por un casquillo adaptador 114 que
rodea el tubo 110. La carcasa 112 está plegada sobre el casquillo
114 en pliegues 116, 116a para fijar el tubo de impacto 110 en la
carcasa 112 y formar una junta de sellado protectora del medio entre
la carcasa 112 y la superficie exterior del tubo de impacto 110. Un
segmento 110a del tubo de impacto se extiende dentro de la carcasa
112 y termina en el extremo 110b en proximidad estrecha con, o en
contacto de tope con una copa de aislamiento
anti-estático 118.
La copa de aislamiento 118 tiene un ajuste de
fricción dentro de la carcasa 112 y está fabricada de un material
semiconductor, por ejemplo, un material polimérico relleno de
carbono, de manera que forma una trayectoria de toma de tierra
conductora desde el tubo de impacto 110 hasta la carcasa 112 para
disipar cualquier electricidad estática que puede desplazarse a lo
largo del tubo de impacto 110. Tales copas de aislamiento son bien
conocidas en la técnica. Ver, por ejemplo, Patente de los Estados
Unidos 3.981.240 a nombre de Gladden, presentada el 21 de
Septiembre, 1976. Una servo carga de baja energía 120 está colocada
adyacente a la copa de aislamiento anti-estática
118. Como se muestra mejor en la figura 3B, la copa de aislamiento
anti-estático 118 comprende, como es bien conocido
en la técnica, un cuerpo generalmente cilíndrico (que está
normalmente en forma de un cono truncado, con el diámetro más grande
dispuesto hacia el extremo abierto 112a de la carcasa 112) que está
dividido por una membrana fina, rompible 118b en una cámara de
entrada 118a y una cámara de salida 118c. El extremo 110b del tubo
de impacto 110 (figura 3A) es recibido dentro de la cámara de
entrada 118a (tubo de impacto 110 no se muestra en la figura 3B para
claridad de ilustración). La cámara de salida 118c proporciona un
espacio de aire o soporte entre el extremo 110b del tubo de impacto
110 y la servo carga 120 que están dispuestos en relación de
transferencia mutua de señales unos con respecto a otros. En
funcionamiento, la señal de onda de impacto emitida desde el extremo
110b del tubo de impacto 110 romperá la membrana 118b, atravesará el
soporte proporcionado por la cámara de salida 118c e iniciará la
servo carga 120.
La servo carga 120 comprende una pequeña cantidad
de un explosivo primario 124 tal como una ácida de plomo (o un
material explosivo secundario adecuado tal como BNCP), que está
dispuesto dentro de un servo armazón 132 y sobre el cual está
dispuesto un primer elemento amortiguador 126 (no mostrado en la
figura 3A para facilitar la ilustración). El primer elemento
amortiguador 126, que es de configuración anular excepto para una
membrana central fina, está localizado entre la copa de aislamiento
118 y el explosivo 124, y sirve para proteger el explosivo 124 de la
presión impuesta sobre él durante la fabricación.
La copa de aislamiento 118, primer elemento
amortiguador 126 y la servo carga 120 pueden ajustarse
convenientemente en un servo armazón 132 como se muestra en la
figura 3B. La superficie exterior de la copa de aislamiento 118 está
en contacto conductor con la superficie interior del servo armazón
132 que, a su vez, está en contacto conductor con la carcasa 112
para proporcionar una trayectoria de corriente eléctrica para
cualquier electricidad estática descargada del tubo de impacto 110.
Generalmente, el servo armazón 132 está insertado en la carcasa 112
y la carcasa 112 está plegada para retener el servo armazón 132
dentro, así como proteger los contenidos de la carcasa 112 desde el
entorno.
Un amortiguador no conductor 128 (no mostrado en
la figura 3A para facilitar la ilustración), que es típicamente de
0,015 pulgadas de grosor, está localizado entre la servo carga 120 y
el módulo de transferencia 58 para aislar eléctricamente el módulo
transductor 58 de la servo carga 120. El módulo transductor 58
comprende un transductor piezoeléctrico (no mostrado en la figura
3A) que está dispuesto en relación de comunicación de fuerza con la
servo carga 120 y, por tanto puede convertir la fuerza de salida de
la servo carga 120 en un impulso de energía eléctrica. El módulo
transductor 58 está conectado operativamente al módulo electrónico
54 como se muestra en la figura 2. Los medios de transmisión de la
señal de iniciación que comprenden segmento de tubo de impacto 110b,
la servo carga 120 y el módulo transductor 58 sirven para
suministrar al circuito de retraso 10, en forma eléctrica, una señal
de iniciación no eléctrica recibida a través del tubo de impacto
110, como se describe a continuación.
El cerramiento proporcionado por el detonador 100
comprende, además de la carcasa 112, el manguito de acero de extremo
abierto opcional 21 que encierra el módulo electrónico 54. El módulo
electrónico 54 comprende en su extremo de salida medios de
iniciación de salida 46 (mostrado en la figura 2), que comprende
parte de los medios de salida para el detonador. Un segundo elemento
de amortiguación 142 está adyacente a los medios de inicio de salida
del módulo electrónico 54, el cual es similar al primer elemento de
amortiguación 126. El segundo elemento de amortiguación 142 separa
el extremo de salida del módulo electrónico 54 desde el resto de los
medios de salida del detonador, que comprenden una carga de salida
144 que es presionada en el extremo cerrado 112b de la carcasa 112.
La carga de salida 144 comprende un explosivo secundario 144b que es
sensible a los medios de inicio de salida del módulo electrónico 54
y que tiene suficiente potencia de impacto para detonar los servo
explosivos fundidos, dinamita, etc. La carga de salida 144 puede
comprender, opcionalmente, una carga relativamente pequeña de un
explosivo primario 144a para iniciar el explosivo secundario 144b,
pero el explosivo primario 144a puede omitirse si la carga de
iniciación del módulo electrónico 54 tiene suficiente resistencia a
la salida para iniciar el explosivo secundario 144b. El explosivo
secundario 144b tiene potencia de impacto suficiente para romper la
carcasa 112 y detonar los servo explosivos fundidos, dinamita, etc,
dispuestos en proximidad de transferencia de señales al detonador
100.
En uso, una señal de iniciación no eléctrica que
se desplaza a través del tubo de impacto 110 es emitida en el
extremo 110b. La señal rompe la membrana 118b de la copa de
aislamiento 118 y el primer elemento amortiguador 126 activa la
servo carga 120 para iniciar el explosivo primario 124. El explosivo
primario 124 genera una onda de impacto de detonación que impone una
fuerza de salida sobre el generador piezoeléctrico en el módulo
transductor 58. El generador piezoeléctrico está en relación de
comunicación de fuerza con la servo carga 120 y convierte así la
fuerza de salida en una señal de salida eléctrica en forma de un
impulso de energía eléctrica que es recibido por el módulo
electrónico 54. Como se indica anteriormente, el módulo electrónico
54 almacena el impulso de energía eléctrica y, después de un retraso
predeterminado, libera o transporta la energía a los medios de
salida del detonador. En la forma de realización ilustrada, la carga
es liberada a los medios de iniciación d salida, que inicia la carga
de salida 144. La carga de salida 144 rompe la carcasa 112 y emite
una señal de salida de detonación que puede utilizarse para iniciar
otros dispositivos explosivos, como es bien conocido en la
técnica.
Por ejemplo, aunque el circuito híbrido de
sincronizador y conmutación de la presente invención se ilustra
anteriormente por una forma de realización adaptada para uso en un
detonador fijado a una línea de transmisión de señal de iniciación
no eléctrica (por ejemplo, tubo de impacto 110), se entenderá que la
invención puede ponerse en práctica con detonadores fijados también
a las líneas de transmisión de señal eléctrica.
Claims (13)
1. Un circuito de retraso (10) que comprende:
un terminal de entrada para recibir una carga de
energía eléctrica;
medios de almacenamiento (12) conectados al
terminal de entrada para recibir y almacenar una carga de energía
eléctrica;
un circuito de conmutación BiCMOS integrado
aislado dieléctricamente (20) que comprende elementos de circuito
integrado que están aislados dieléctricamente entre sí y que
conectan los medios de almacenamiento (12) a un terminal de salida
para liberar la energía almacenada en los medios de almacenamiento
para terminal de salida de este tipo en respuesta a una señal
procedente de un circuito sincronizador (22);
un terminal de salida conectado a los medios de
almacenamiento (12) a través del circuito de conmutación (20); y
estando conectado el circuito sincronizador (22)
al circuito de conmutación (20) para controlar la liberación en el
terminal de salida por el circuito de conmutación (20) de la energía
almacenada en los medios de almacenamiento (12), donde el circuito
sincronizador (22) comprende un circuito integrado CMOS.
2. El circuito de la reivindicación 1, donde los
medios de almacenamiento (12) tienen una capacitancia de menos de
aproximadamente 3 microfaradios de régimen entre 50 y 150
voltios.
3. El circuito de la reivindicación 2, donde los
medios de almacenamiento (12) tienen una capacitancia en el
intervalo de aproximadamente 0,22 a 1 microfaradio de régimen entre
50 y 150 voltios.
4. El circuito de la reivindicación 1,
reivindicación 2 o reivindicación 3 que comprende adicionalmente el
elemento de iniciación de puente (18) conectado al terminal de
salida, donde los medios de almacenamiento (12) tienen una
capacitancia y el circuito de conmutación (20) tiene una impedancia
de descarga, teniendo los medios de almacenamiento (12) una
constante de tiempo derivada de la capacitancia y la impedancia de
descarga, de menos de aproximadamente 15 microsegundos.
5. El circuito de la reivindicación 4, que tiene
una constante de tiempo en el intervalo de aproximadamente 0,2 a 15
microsegundos.
6. El circuito de la reivindicación 5 que tiene
una constante de tiempo de aproximadamente 2,5 microsegundos.
7. El circuito de la reivindicación 2 o la
reivindicación 3, donde el circuito de conmutación (20) tiene una
impedancia de descarga de menos de aproximadamente 15 ohmios.
8. El circuito de la reivindicación 7, donde el
circuito de conmutación (20) tiene una impedancia de descarga en el
intervalo de aproximadamente 1 a 5 ohmios.
9. El circuito de cualquier de las
reivindicaciones 1 a 8, que se utiliza junto con un conjunto de
transductor-circuito (58) que comprende:
un módulo transductor (14) para convertir un
impulso de onda de impacto en un impulso de energía eléctrica; donde
dichos
medios de almacenamiento (12) están conectados al
módulo transductor (14) para recibir y almacenar energía eléctrica
desde el módulo transductor.
10. El circuito de cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 9, donde la impedancia de descarga es menor de
aproximadamente 15 ohmios.
11. El circuito de la reivindicación 10, donde la
impedancia de descarga está en el intervalo de aproximadamente 1 a 5
ohmios.
12. El circuito de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, que se utiliza junto con un detonador (100)
que comprende:
una carcasa (112) que tiene un extremo cerrado
(112b) y un extremo abierto (112a), estando dimensionado el extremo
abierto y configurado para conexión con medios de transmisión de
señal de inicio (110);
medios de transmisión de segunda señal de
iniciación (120, 58) en la carcasa (112) para suministrar una señal
de iniciación eléctrica al terminal de entrada del circuito de
retraso (10); y
medios de salida del detonador (120, 14)
dispuestos en la carcasa (112) en relación operativa con los medios
de almacenamiento (12) para generar una señal de salida después de
la descarga de los medios de almacenamiento (12).
13. El circuito de la reivindicación 12, donde
los medios de transmisión de señal de iniciación comprenden el
extremo (110b) de un tubo de impacto (110), una servo carga (120) y
un módulo transductor (14), todos fijados en la carcasa y dispuestos
de manera que una señal de iniciación no eléctrica emitida desde el
extremo (110b) del tubo de impacto (110) inicia la servo carga
(120), que está dispuesta en relación de comunicación de fuerza con
el módulo transductor (14), siendo conectado operativamente el
módulo transductor al terminal de entrada del circuito de retraso
(10).
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