Конвертер сигналов электрооборудования рельсовых тяговых транспортных средств
SIGNAL CONVERTER FOR ELECTRICAL EQUIPMENT OF RAIL TRACTION VEHICLES

Изобретение относится к электрооборудованию подвижного состава железнодорожного транспорта и может быть использовано в системах управления и регулирования электрической передачи локомотивов, в качестве устройства для конвертирования входного сигнала напряжения в выходной сигнал силы тока. Представленное устройство устанавливается в аппаратных камерах и шкафах управления железнодорожных рельсовых тяговых транспортных средств.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является известный из патентного документа RU 2675726, опубликованного 24.12.2018, конвертер напряжения, который предназначен для преобразования одного уровня напряжения постоянного тока на входе в другой уровень напряжения постоянного тока на выходе с его стабилизацией для питания потребителей собственных нужд электровоза. Конвертор напряжения содержит дроссель и систему управления, к которой подключены контактор и устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора. Конвертор дополнительно содержит две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем, преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме. Первая ступень выполнена по схеме трехуровневого повышающего регулятора напряжения, содержащего два силовых ключа, два диода, два конденсатора, образующих емкостный делитель напряжения. Вторая ступень является полумостовым резонансным преобразователем, где в качестве силовых ключей используется пара последовательно включенных полупроводниковых ключей. Нагрузкой полумостовых резонансных преобразователей являются первичные обмотки одного общего трансформатора, выходные обмотки которого нагружены на выпрямители. Выходы выпрямителей соединены параллельно для подключения к зажимам нагрузки конвертора напряжения.
Недостатками указанного технического решения является то, что входной (обрабатываемый) сигнал может быть только однополярным, а выходной сигнал представляет собой постоянную величину, что сужает область применения данного устройства.
Задачей изобретения является создание устройства для конвертирования обрабатываемого сигнала напряжения на входе в соизмеримый в определённом отношении по своему значению сигнал силы тока на выходе в системах управления и регулирования электрической передачи локомотивов, конструкция которого обеспечивает упрощенное изготовление и монтаж в эксплуатации, высокую надежность, быстродействие и безопасность.
Технический результат изобретения – упрощенное изготовление и монтаж в эксплуатации, высокая надёжность и быстродействие при минимальных габаритных размерах устройства, а также расширение сферы его применения.
Технический результат достигается предложенным конвертером сигналов электрооборудования  рельсовых тяговых транспортных средств (далее по тексту –конвертер сигналов), который характеризуется наличием корпуса, состоящего из основания и крышки, изготовленных из диэлектрического материала. Входной и выходной печатные узлы имеют связь между собой через установленные между ними трансформаторы гальванической развязки, при этом печатные узлы с трансформаторами закреплены на внутренней части крышки корпуса, а на внешней стороне крышки корпуса установлены входные клеммы, выходные клеммы и клеммы питания.
Трансформаторы гальванической развязки механически изолированы от печатных узлов пластинами, изготовленными из диэлектрического материала, причём на одной из них закреплены оба трансформатора гальванической развязки.
Внутренний электромонтаж клемм закрыт защитной крышкой, установленной на крышку корпуса.
Крышка корпуса крепится к основанию корпуса четырьмя винтами, двумя из которых дополнительно закреплена защитная крышка.
Печатные узлы выполнены на печатных платах по технологии поверхностного монтажа с использованием чип-компонентов (SMD).
Сущность предлагаемого технического решения поясняется изображениями фигур 1-6.
Краткое описание изображений фигур:
Фиг. 1 – Общий вид изобретения с переходным монтажным кронштейном.
Фиг. 2 – Вид изобретения с расположением внутри корпуса электротехнических элементов.
Основание корпуса устройства условно не показано.
Фиг. 3 –  Вид изобретения с расположением внутри корпуса трансформаторов  гальванической развязки. Основание корпуса, выходной печатный узел, изоляционная пластина и соответствующий крепёж устройства условно не показаны.
Фиг. 4 – Общий вид крышки корпуса с установленными на ней электротехническими элементами.
Фиг. 5 –  Вид изобретения сверху с переходным монтажным кронштейном.
Фиг. 6 – Принципиальная электрическая схема изобретения.
Изобретение представляет собой конструкцию в виде малогабаритного корпуса с размещёнными внутри электротехническими элементами. Корпус литой разборный, изготовлен из диэлектрического материала  и состоит из основания (1) и крышки (2) (Фиг.1). К внутренней части крышки корпуса напротив друг друга крепятся входной (3) и выходной (4) печатные узлы (Фиг.2, 4), на которых смонтированы схемотехнические решения показанные в принципиальной электрической схеме устройства. Между печатными узлами размещены трансформаторы гальванической развязки (5) (Фиг.2, 3 и 4), которые обеспечивают электрическую бесконтактную связь печатных узлов между собой. Трансформаторы механически изолированы от печатных узлов с помощью установленных с зазором от них пластин (6) (Фиг.2, 3 и 4) из диэлектрического материала, причём на одной из них закреплены оба трансформатора. На внешней (лицевой) стороне крышки корпуса установлены входные клеммы (7), выходные клеммы (8) и клеммы питания (9).
В устройстве использованы самозажимные клеммы "WAGO", обеспечивающие быстрое подключение проводов и их демонтаж соответственно.
Крышка корпуса соединяется с основанием четырьмя винтами. Внутренний электромонтаж клемм закрывается защитной крышкой (10) (Фиг.1), которая крепится к основанию совместно с крышкой корпуса с помощью её двух винтов. Защитная крышка обеспечивает безопасность эксплуатации устройства и электромонтажных работ.
Устройство монтируется на плоскую поверхность, для крепления которого предусмотрены четыре отверстия в приливах нижней части основания корпуса (11) (Фиг.1) либо в переходном металлическом кронштейне (12) (Фиг.1).
2
2
Проводники, подключаемые к устройству, должны иметь сечение от 0,5 мм до 4 мм. Концы проводников заделываются в цилиндрические наконечники.
Подключение проводов внешних электрических цепей к клеммам производится путем нажатия клавиши клеммы до упора и одновременной установкой наконечников проводников в любое из отверстий клеммы до упора.
Принцип работы устройства заключается в конвертировании сигнала напряжения, поданного на его входные клеммы, в  соизмеримый в определённом отношении по своему значению, сигнал силы тока на выходных клеммах в диапазоне от «- 5 мА» до «+5 мА» с гальваническим разделением входного и выходного сигналов.
Входной сигнал в зависимости от его максимального значения подается на клеммы «0», «75 мВ», «150 В», «1000 В», «1500 В» (клемма «0» является «общей»). Выходной сигнал снимается с клемм «Uвых1», «Uвых2» (клемма «Uвых1» является «общей»). Клеммы «0», «Uвых1» гальванически развязаны. Напряжение питания постоянного тока 15 В подается с внешнего источника питания на клеммы «+15 В», «-15 В». Входные цепи, выходные цепи и цепи питания гальванически развязаны.
В устройстве реализована схема защиты от перегрузок и короткого замыкания выходных цепей.
В соответствии с принципиальной электрической схемой (фиг.6) устройство работает следующим образом:
Сигнал на вход устройства в зависимости от его номинального значения подаётся на выводы «0», «75 мВ», «150 В», «1000 В», «1500 В» резистивного делителя, собранного на резисторах R1 - R10. Напряжение с делителя через фильтр, собранный из конденсатора C1, конденсатора C2, резистора R11, подается на неинвертирующий усилитель постоянного тока, выполненный на микросхеме DA1, который усиливает сигнал с делителя до 1,7 В.
Далее сигнал с выхода усилителя поступает на узел гальванической развязки, состоящий из модулятора, трансформатора Т1 и демодулятора. Модулятор построен на микросхеме DD1, конденсаторе С8, резисторах R18, R19. Импульсами прямоугольной формы через диод VD1 и резисторы R14, R15 происходит управление ключами модулятора. Демодулятор построен на микросхеме DD2, стабилитроне VD8, резисторах R20 – R26. На резисторах R38 – R41, диодах VD6, VD7, конденсаторах С16, С17 построен узел управления ключами демодулятора.
Далее сигнал поступает на узел преобразования напряжения в выходной ток, построенный на микросхеме DA2, резисторах R29 – R33, R35 – R37 и двухтактном усилительном каскаде на транзисторах VT1, VT2.
Схема защиты от перегрузок и короткого замыкания выходных цепей выполнена на диодах VD9 – VD14 и резисторе R34.
Напряжение питания постоянного тока 15В, подаваемое с внешнего источника питания, поступает через фильтр, построенный на конденсаторах С20 – С22, дросселе L1, резисторе R45, стабилитроне VD18, защитном диоде VD19, поступает на генератор импульсов (частота генерируемых колебаний 167 кГц), построенный на микросхеме DD3, диодах VD15, VD16, резисторах R42 – R44, конденсаторе С19 и транзисторах VT3, VT4. Генерируемые импульсы через конденсатор С18 поступают на первичную обмотку трансформатора Т2, вторичные обмотки которого используются для формирования импульсов управления модулятором и демодулятором и гальванически развязанных напряжений питания входных и выходных цепей.
Питание входных цепей осуществляется через выпрямитель, построенный на диодах VD2, VD3, резисторах R16, R17, конденсаторах С4 – С7. Питание выходных цепей осуществляется через выпрямитель, построенный на диодах VD4, VD5, конденсаторах С12 – С15.
Техническая задача решается предложенным конвертером сигналов, который  имеет линейную зависимость выходного тока от входного напряжения, при изменении полярности входного напряжения направление выходного тока меняется на противоположное. Устройство обеспечивает работу с нагрузкой сопротивлением 1000 Ом, предел допускаемой приведенной основной погрешности не превышает ± 1,0 %, амплитуда пульсаций выходного сигнала составляет не более 50 мВ. Устройство выдерживает без повреждений длительный разрыв цепи нагрузки с восстановлением выходного сигнала при снятии разрыва.
Особенностями предложенного конвертера сигналов является оригинальная компоновка печатных узлов, их схемотехническое решение и трансформаторов гальванической развязки, а также применение чип-компонентов (SMD), что обеспечивает компактность и минимальные габаритные размеры устройства. Реализация схемы защиты от перегрузок и короткого замыкания выходных цепей, а также изготовление корпуса, основания, крышки устройства из диэлектрического материала повышает надёжность и безопасность устройства. Применение клемм специальной конструкции значительно облегчает монтаж устройства и сокращает время, необходимое для подключения устройства к внешним электрическим цепям.
Предложенный конвертер сигналов также обеспечивает гальваническое разделение и конвертирование входного сигнала напряжения в выходной сигнал силы тока, соизмеримый в определённом отношении по своему значению. Конструкция изобретения упрощена, а изготовление и монтаж занимают минимум времени, при этом устройство, как и упоминалось выше имеет высокую надежность и безопасность.