БЕЗОПАСНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ "И"
SAFE "AND" GATE

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте, а именно к устройствам сопряжения выходных сигналов микроконтроллеров и других управляющих устройств ЖАТС с поляризованным реле первого класса надежности в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.
Известны устройства, обеспечивающие реализацию логической функции «И», в которых входные сигналы представляют собой непрерывный уровень напряжения, а к выходу устройства подключено реле (Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника. - М.: Высш. школа. - 1984. - С.164, рис.4.21). Недостатком этих устройств является невыполнение условий безопасности работы, так как при отказе типа «обрыв» или «короткое замыкание» некоторых полупроводниковых приборов схемы возможно несанкционированное включение реле, что может привести к появлению ложного разрешающего показания светофора или вызвать перевод стрелки под движущимся составом.
Известны способы преобразования сигналов и устройства для осуществления безопасной работы, где выходной сигнал микроконтроллера представляет собой импульсный сигнал, который передается на устройство сопряжения, обеспечивающее безопасное функционирование реле и исключение его ложного включенного состояния (Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Методы и принципы обеспечения безопасности микроэлектронных СЖАТ: РТМ 32 ЦШ 1115842.01-94. - С.-Пб.: ПГУПС. - С.86, рис.7.6). Недостатком подобного устройства сопряжения является относительно большое время выхода схемы на установившийся режим, невысокое выходное напряжение схемы и низкая энергетическая эффективность, что обусловлено наличием в коллекторной цепи транзистора активного сопротивления значительной величины.
Наиболее близким техническим решением, которое взято за прототип, является безопасное устройство сопряжения, содержащее двухтактный каскад, состоящий из последовательно соединенных транзисторов p-n-p и n-p-n типов проводимости, коллекторы которых подключены к отрицательному и положительному питающим входам устройства сопряжения соответственно, а точка соединения эмиттеров через первый конденсатор соединена с катодом первого и анодом второго диодов, где анод первого диода подключен к выходу устройства сопряжения и через второй конденсатор к отрицательному питающему входу устройства сопряжения, к которому подключен также катод второго диода, причем поляризующая обмотка реле соединена с выходом устройства сопряжения и с отрицательным питающим входом устройства (Щиголев С.А., Сергеев Б.С. Анализ работы динамического управляющего устройства // Совершенствование информационных систем на железнодорожном транспорте / Межвуз. сб. научн. трудов. - Екатеринбург: УрГУПС. - Вып.16 (98). - 2000. - С.40, рис.5). Это техническое решение имеет один вход, то есть для реализации функции «И» с N входами требуется иметь N поляризованных реле, контакты которых реализуют требуемую логическую функцию известными методами.
Это является недостатком подобного технического решения, так как логический элемент «И» с N входами будет содержать N поляризованных реле, материалоемкость и стоимость каждого из которых значительны.
Целью изобретения является уменьшение материалоемкости и снижение стоимости устройства при выполнении им безопасной логической функции «И» с любым N числом входов.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемое техническое решение введены N развязывающих устройств сопряжения, гальванически развязанных со своими входами, где входные сигналы представляют собой импульсно представленные сигналы микроконтроллеров или других устройств управления, которые поступают на входы соответствующих устройств сопряжения.
Сущность изобретения заключается в том, что положительный полюс основного источника электропитания устройства подключается к положительному питающему входу, а отрицательный полюс источника электропитания к отрицательному питающему входу первого развязывающего устройства сопряжения, причем выходы 1, 2, 3 … и (N-1)-го устройств сопряжения соединены с отрицательными питающими входами соответственно второго, третьего, … N-го устройств сопряжения, а отрицательные питающие входы N устройств сопряжения, начиная с первого и кончая (N-1)-м, подключены соответственно к положительным питающим входам второго, третьего … и N-го устройств сопряжения, а выход N-го устройства сопряжения соединен с первым выводом поляризующей обмотки поляризованного реле, второй вывод которой подключен к отрицательному питающему входу N-го устройства сопряжения.
На фигуре изображена схема безопасного логического элемента «И» с N динамически представленными входными сигналами 20.1, 20.2, 20.3, … 20.N. Логический элемент «И» содержит первый 1, второй 2, третий 3 … и N-й идентичные устройства сопряжения, каждое из которых состоит из следующих элементов и их связей. Базы первого 4 и второго 5 транзисторов p-n-p и n-p-n типов проводимости соответственно соединены с эмиттером фототранзистора бис первым выводом резистора 7, второй вывод которого подключен к коллектору первого 4 транзистора и к отрицательному питающему входу 8 устройства сопряжения. Коллектор второго 5 транзистора соединен с положительным питающим входом 9 устройства сопряжения и с коллектором фототранзистора 6. Точка соединения эмиттеров первого 4 и второго 5 транзисторов через первый конденсатор 10 подключена к катоду первого 11 и к аноду второго 12 диодов, а анод первого 11 диода соединен с выходом 14 устройства сопряжения и первым выводом второго 13 конденсатора, второй вывод которого подключен к катоду второго 12 диода и к отрицательному питающему входу 8 устройства сопряжения.
Элементы и связи между идентичными устройствами сопряжения 1, 2, 3, … N описываются следующим образом. Отрицательный питающий вход 8 первого устройства сопряжения 1 соединен с отрицательным полюсом основного источника электропитания 15 постоянного тока, положительный полюс которого подключен к положительному питающему входу 9 первого устройства сопряжения 1. Кроме этого, отрицательный питающий вход 8 первого развязывающего устройства соединен с положительным питающим входом 9 второго устройства сопряжения 2. Выход 14 первого устройства сопряжения 1 подключен к отрицательному питающему входу 8 второго 2 устройства сопряжения и к положительному питающему входу 9 третьего 3 устройства сопряжения. Аналогичным образом выполнены соединения элементов между устройствами сопряжения 2 и 3 и далее до (N-2) и (N-1). Выход 14 устройства сопряжения N подключен к первому выводу 21 поляризующей обмотки 16 поляризованного реле 17, второй вывод 22 которой соединен с отрицательным питающим входом 8 устройства сопряжения N. Рабочая обмотка 18 поляризованного реле 17 подключена к релейному источнику электропитания 19. Отрицательный питающий вход 8 устройства сопряжения N соединен с выходом 14 устройства сопряжения (N-1), отрицательный питающий вход 8 которого подключен к положительному питающему входу 9 устройства сопряжения N. Входами 20.1, 20.2, … и 20.N логического элемента «И» являются базы фототранзисторов 6 соответствующих устройств сопряжения, которые воспринимают оптические логические сигналы.
Логический безопасный элемент «И» работает следующим образом.
Рассмотрим вначале процессы преобразования одного из входных сигналов логического элемента на примере схемы устройства сопряжения N.
На вход 20.N устройства сопряжения N поступает оптический логический сигнал, единичное значение которого выражается наличием последовательности импульсов излучения, а нулевое - ее отсутствием. Появление единичного входного логического сигнала на входе устройства сопряжения обусловит импульсную работу фототранзистора 6.
к-э
э-к
п
п
вых
п
На протяжении длительности первого входного импульса логического сигнала 20.N фототранзистор 6 окажется во включенном состоянии. Это приведет к выключению первого транзистора 4 и включению второго транзистора 5, что вызовет появление высокого уровня напряжения в точке соединения эмиттеров транзисторов 4 и 5. Это приведет к заряду первого конденсатора 10 через переход  транзистора 5 и второй диод 12 напряжением указанной на фигуре полярности до значения, приблизительно равного напряжению питания ≈U данного устройства сопряжения. После окончания входного импульса излучения фототранзистор 6 выключается, что обусловит включение первого транзистора 4 и выключение второго транзистора 5. Это приведет к разряду первого конденсатора 10 через первый диод 11 и переход  транзистора 4 на второй конденсатор 13, заряжая последний указанной на схеме полярностью напряжения до некоторой величины, определяемой соотношением номинальных значений емкостей конденсаторов 10, 13 и нагрузкой, подключенной к выводам 8 и 14 конкретного устройства сопряжения, т.е., в данном случае, сопротивлением поляризующей обмотки 16 поляризованного реле 17. Через несколько входных импульсов излучения, соответствующих единичному значению входного логического сигнала, напряжение на конденсаторе 13 достигнет напряжения питания ≈U данного устройства сопряжения, но обратной полярности. Это напряжение поступает на выход 14 устройства сопряжения N. Далее при сохранении логической единицы на входе и, соответственно, поступлении следующих входных импульсов излучения это напряжение будет поддерживаться на постоянном уровне. Так как емкости конденсаторов 10 и 13 достаточно велики, на протяжении интервалов времени их заряда и разряда напряжение на них изменяется незначительно. Устройство сопряжения работает практически в режиме пикового детектора. Это определяет выполнение приближенного равенства U≈-U для этого конкретного N устройства сопряжения и для всех других устройств сопряжения.
вых
п
вых
Таким образом, все устройства сопряжения, приведенные на фигуре, преобразуют их импульсные сигналы входной логической единицы в непрерывное выходное напряжение U, причем полярность этого напряжения обратна полярности питающего напряжения U каждого конкретного устройства сопряжения. При нулевом значении входного логического сигнала какого-либо устройства сопряжения, что соответствует отсутствию оптических импульсов на его входе и прекращению импульсной работы фототранзистора 6 и транзисторов 4 и 5, выходное напряжение на его выходе становится равным нулю U=0. Соответственно и напряжение питания каждой последующей схемы сопряжения будет равно нулю.
вых
Импульсный режим работы устройств сопряжения и их схемопостроение обеспечивают безопасность передачи сигналов с его входа на выход. То есть, при любых видах отказов элементов, входящих в схему устройств сопряжения, внезапном пропадании питания или при отсутствии входного логического сигнала на их входе, на выходе устройства сопряжения не появится напряжение U той полярности, которое могло бы привести к ложному включению поляризованного реле 17.
Рассмотрим процессы взаимодействия устройств сопряжения 1, 2, … и N между собой и с поляризованным реле 17.
вых
п
Предположим, что на все входы 20.1, 20.2, … и 20.N устройств сопряжения 1, 2, … и N поступают логические сигналы единичного уровня, то есть присутствуют импульсы оптического излучения. Это определяет появление на всех выходах 14 устройств сопряжения 1, 2, … и N напряжений U, полярность которых противоположна полярности их напряжений питания U.
п
п
п
вых
вых
Питающим напряжением U для устройства сопряжения 1 является напряжение Е основного источника электропитания постоянного тока 15. Питающим напряжением U для устройства сопряжения 2 является выходное напряжение U 1, образуемое на выходе 14 устройства сопряжения 1. Это напряжение относительно питающего входа 8 устройства сопряжения 1 имеет отрицательную полярность. Поэтому для его использования в качестве напряжения питания устройства сопряжения 2 осуществляется смена полярностей подключения соответствующих подводящих проводников. Дальнейшее подключение последующих устройств сопряжения и их функционирование осуществляется аналогичным образом. В частности, отрицательный питающий вход 8 устройства сопряжения (N-1) соединен с положительным питающим входом 9 устройства сопряжения N, а выход 14 устройства сопряжения (N-1) подключен к отрицательному питающему входу 8 устройства сопряжения N. Выходное напряжение U устройства сопряжения N подается на поляризующую обмотку 16 поляризованного реле 17.
вых
вых
вых
п
Очевидно, что напряжение U на выходе 14 устройства сопряжения N будет присутствовать только при условии исправного функционирования всех предыдущих устройств сопряжения: 1, 2, … (N-1) и при наличии на входах 20.1, 20.2, … 20(N-1) и N оптических импульсов, соответствующих единичному значению логических сигналов входных функций. Это соответствует реализации схемой, приведенной на фигуре, логической функции N×«И». Причем схемой обеспечивается невозможность включения реле 17 в случае возникновения любой неисправности в любом из устройств сопряжения. Так, в любом отказавшем устройстве сопряжения, например в (N-3), его выходное напряжение становится равным нулю U=0. Это приведет к неработоспособности (N-2) и последующих устройств сопряжения, а затем и устройства сопряжения N. Если все устройства сопряжения исправны и функционируют нормально, то напряжение на их выходе, включая и N устройство сопряжения, U≈Е. А релейный источник электропитания 19 обеспечивает включенное состояние реле 17 при подаче на его поляризующую обмотку 16 с выхода устройства сопряжения N напряжения только соответствующей величины и полярности. В противном случае реле не включится.
Следовательно, применение предлагаемого технического решения позволяет реализовать безопасную логическую функцию «И» для любого числа N входов логического элемента. При этом используется лишь одно поляризованное реле. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить материалоемкость безопасного логического элемента «И» и снизить его стоимость, что определяет его положительные свойства по отношению к известным безопасным логическим элементам «И».