ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОПОЛЯРНЫХ ТЕЛЕГРАФНЫХ ПОСЫЛОК

Полезная модель относится к области электросвязи и коммутационной техники, в частности к устройствам, обеспечивающим формирование и передачу телеграфных сигналов в линию связи.
Предлагаемое устройство может быть использовано в телеграфном терминальном оборудовании документального обмена, позволяющем вести передачу информации по линейным физическим цепям сигналами постоянного тока одного направления в однополюсном режиме [ГОСТ Р 51026-97. Цепи внешние оконечных установок документальной электросвязи (стр.4, п.6.3), ГОСТ 25830-83. Цепи внешние телеграфных буквопечатающих стартстопных аппаратов пятиэлементного кода].
Известно оптоэлектронное выходное реле, предназначенное для формирования и передачи однополярных телеграфных посылок в линии связи [Терентьев Б.П. и др. «Принципы построения электронно-механических телеграфных аппаратов». М., «Связь», 1973 (стр.44, рис.2.21)].
Известное устройство обеспечивает работу телеграфного передатчика в однополюсном режиме и содержит излучатель, фотоприемник, транзисторный ключ, резисторы, диод, источник линейного напряжения (линейную батарею).
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, особенно проявляющимся при работе по физической линии связи. На реальных линиях связи часты перенапряжения и короткие замыкания,
вызывающие опасность перегрузки электронных коммутационных элементов по току и напряжению, следствием чего является выход из строя этих элементов [Копничев Л.Н. «Принципы построения аппаратуры для передачи дискретной информации». М., «Связь», 1972 (стр.68)].
3
3
Известны и другие оптоэлектронные устройства для формирования однополярных телеграфных посылок [Авторское свидетельство СССР №882015, М.Кл. Н04L 25/18, Н03К 5/01 «Устройство согласования», опубл. 15.11.81, Бюл. №42], [Авторское свидетельство СССР №995362, М.Кл. Н04L 25/18, Н03К 5/01 «Устройство согласования», опубл. 07.02.83, Бюл. №5], недостатком которых также является низкая надежность работы их коммутационных и оптоэлектронных элементов при значительных напряжениях линейных батарей и аварийных режимах в линиях связи.
3
Известно также оптоэлектронное устройство для формирования однополярных телеграфных посылок и передачи их в физическую линию [Авторское свидетельство СССР №790317, М.Кл. Н03К 17/56 «Оптоэлектронный ключ», опубл. 23.12.80, Бюл. №47], выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа), содержащее линейный ключ на биполярных транзисторах n-p-n типа, включенных по схеме Дарлингтона, три диодных оптрона, линейную батарею, линейную нагрузку, пять резисторов, диод, входную клемму, подключаемую к источнику дискретной информации (телеграфный передатчик), с соответствующей структурой связей.
В известном оптоэлектронном устройстве в отличие от других технических решений повышено быстродействие коммутации линейной нагрузки (диодные оптроны обладают самым высоким быстродействием из всех известных типов оптронов), повышена стабильность коммутируемого линейного тока (за счет активного режима работы линейного ключа на транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона) и обеспечена защита от
аварии в линии (за счет автоматического перевода линейного ключа из активного режима в режим отсечки).
Недостатками известного оптоэлектронного устройства являются: ограниченная область применения, недостаточно высокое быстродействие при переключениях, недостаточно высокая надежность при возникновении аварийных ситуаций в линейной нагрузке.
Первый недостаток обусловлен тем, что в известном устройстве фотодиод оптрона, который обеспечивает управление работой линейного ключа, всегда находится под напряжением, равным напряжению линейной батареи. Во многих случаях применения оптоэлектронного устройства для формирования однополярных телеграфных посылок, значение напряжения линейной батареи превышает 120÷160 В [«Принципы построения электронно-механических телеграфных аппаратов». Под ред. Б.П.Терентьева. М., «Связь», 1973 (стр.40)].
вых.обр.
Если же учесть, что на реальных линиях связи могут возникать еще и перенапряжения (например, за счет наведенной ЭДС от грозовых разрядов), то к фотоприемнику оптрона могут быть приложены напряжения, значительно превышающие напряжение 100 В. Диодные оптроны, имея наибольшее быстродействие [Носов Ю.Р. «Оптоэлектроника». М., «Сов. радио», 1977 (стр.134)], имеют существенное ограничение по предельному напряжению на фотоприемнике (фотодиоде). Даже для лучших образцов диодных оптронов предельное напряжение на фотоприемнике (U) составляет 100 В [Носов Ю.Р. и др. «Оптроны и их применение». - М.: «Радио и связь», 1981 (стр.76, таблица 2.4, оптроны АОД101Б)]. Это является существенным ограничением области применения известного технического решения (например, без принятия специальных мер недопустима работа известного устройства со старым парком телеграфных аппаратов, у которых входным устройством является электромагнит с
большим значением индуктивности, а напряжение линейной батареи составляет 150 В).
Второй недостаток обусловлен тем, что несмотря на высокое быстродействие диодного оптрона, выключение линейного ключа в известном устройстве происходит со значительной задержкой за счет пассивного разряда емкости база-эмиттер линейного ключа и барьерной емкости самого фотодиода оптрона [Носов Ю.Р. и др. «Оптроны и их применение». - М.: «Радио и связь», 1981 (стр.142-145, 156)].
Третий недостаток обусловлен тем, что несмотря на наличие защиты устройства от аварии в линии (например, коротком замыкании), переход линейного ключа из активного режима в режим отсечки может быть длительным (например, при медленном увеличении тока перегрузки), что приведет к выделению значительной тепловой мощности на линейном ключе. Последнее обстоятельство может вывести линейный ключ из строя, если не обеспечить эффективный теплоотвод с помощью радиатора, а это, в свою очередь, исключает возможность микроминиатюризации устройства.
Целью полезной модели является расширение области применения, повышение быстродействия и надежности в аварийных ситуациях.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача создания оптоэлектронного устройства для формирования однополярных телеграфных посылок с повышенным быстродействием и обеспечивающем надежную работу с любыми значениями напряжений источников линейных напряжений, в том числе и превосходящих допустимые напряжения на фотоприемнике оптронов. Кроме того, поставленная задача должна решаться как для рабочих режимов линейной нагрузки, так и для аварийных состояний, обусловленных действием импульсных напряжений и коротких замыканий.
Основой для решения поставленной задачи является использование диодных оптронов в вентильном (фотогальваническом) режиме работы,
при котором фотоприемники оптронов для своей работы не требуют подачи внешнего напряжения. При этом в аварийных состояниях устройства используется ключевой режим работы транзисторов с глубокой отсечкой в выключенном состоянии.
Поставленная цель и решение поставленной задачи достигаются тем, что в оптоэлектронное устройство для формирования однополярных телеграфных посылок, содержащее два биполярных транзистора n-p-n типа, включенных по схеме Дарлингтона, три диодных оптрона, линейную батарею, положительный полюс которой соединен с первым выводом линейной нагрузки, пять резисторов, диод, входную клемму, подключенную к выходу телеграфного передатчика, причем база первого транзистора соединена с первым выводом первого резистора, анодом фотодиода первого оптрона, катодом фотодиода второго оптрона, анод светодиода которого подключен к первому выводу второго резистора, эмиттер второго транзистора соединен с первым выводом третьего резистора, введены шестой и седьмой резисторы, конденсатор, стабистор, два элемента И-НЕ, инвертор, формирователь импульсов, оптоэлектронный элемент, входной цепью которого является светодиод, источник напряжения, отрицательный полюс которого является общей шиной, а положительный полюс - шиной питания, к которой подключены второй вывод второго резистора, первый выход оптоэлектронного элемента, аноды светодиодов первого и третьего оптронов, катоды которых через четвертый и пятый резисторы соответственно соединены с выходом первого элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к входной клемме и входу инвертора, выход которого соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, второй вход которого объединен со вторым входом первого элемента И-НЕ и выходом формирователя импульсов, вход которого подключен ко второму выходу оптоэлектронного элемента, светодиод которого соединен последовательно со стабистором в прямом направлении между вторым
выводом линейной нагрузки и точкой объединения второго вывода третьего резистора и коллектора второго транзистора, база которого непосредственно подключена к катоду фотодиода третьего оптрона, а через шестой резистор соединена с эмиттером, анодом диода и анодом фотодиода второго оптрона, катод светодиода которого подключен к выходу второго элемента И-НЕ, при этом катод диода объединен со вторым выводом первого резистора и отрицательным полюсом линейной батареи, седьмой резистор и конденсатор соединены параллельно и включены между анодом стабистора и катодом светодиода оптоэлектронного элемента, а катод и анод фотодиодов соответственно первого и третьего оптронов объединены между собой.
Для оптимизации временных характеристик управления биполярными транзисторами, включенными по схеме Дарлингтона, целесообразно первый, второй и третий диодные оптроны размещать в одном корпусе, то есть реализовать в виде многоканального (трехканального) оптрона, так как при этом обеспечивается идентичность характеристик оптронов.
При минимизации структуры устройства целесообразно в качестве оптоэлектронного элемента использовать диодный оптрон, так как он может быть введен в состав многоканального диодного оптрона в качестве четвертого канала, при этом катод фотодиода должен являться первым выходом оптоэлектронного элемента, второй выход которого должен являться анодом фотодиода.
В случае низкой чувствительности схемы формирователя импульсов ко входным сигналам, целесообразно оптоэлектронный элемент выполнять на основе резистора и транзисторного оптрона, эмиттер фототранзистора которого соединяется с общей шиной, а коллектор является вторым выходом оптоэлектронного элемента, первый выход которого через резистор соединяется с коллектором фототранзистора.
Одной из простых реализации формирователя импульсов является выполнение его по схеме заторможенного релаксационного генератора,
содержащего резистор, конденсатор и триггер Шмитта, вход которого через параллельно включенные резистор и конденсатор соединен общей шиной и является входом формирователя, выход которого является инверсным выходом триггера Шмитта.
Если оптоэлектронный элемент будет выполнен на основе транзисторного оптрона и резистора со связями, указанными выше, то формирователь импульсов может выполняться по аналогичной схеме заторможенного релаксационного генератора, только в этом случае выход формирователя импульсов должен являться прямым выходом триггера Шмитта.
При взаимодействии оптоэлектронного устройства с буквопечатающими стартстопными телеграфными аппаратами, в качестве линейной нагрузки необходимо использовать регулятор линейного тока и входное устройство приемника однополярных телеграфных сигналов, входная цепь которого включается последовательно с регулятором линейного тока между выводами линейной нагрузки.
Учитывая тот факт, что телеграфные аппараты для подключения их к линиям связи комплектуются аппаратными щитками, целесообразно в качестве регулятора линейного тока использовать реостат, который всегда входит в состав аппаратных щитков.
При организации многоканальной телеграфной связи (когда передача информации осуществляется однополярными телеграфными сигналами по большому количеству линий связи), целесообразно, чтобы в качестве передатчика использовалась ПЭВМ со специальным блоком преобразования сигналов, вход которого подключается к шине ISA ПЭВМ, а выход является выходом телеграфного передатчика. В этом случае ПЭВМ может выполнять функцию автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора и обеспечивать взаимодействие через оптоэлектронные устройства с большим количеством абонентов.
Предлагаемая полезная модель представлена на чертеже.
Оптоэлектронное устройство для формирования однополярных телеграфных посылок содержит два биполярных транзистора: первый транзистор 1 и второй транзистор 2 n-p-n типа, включенных по схеме Дарлингтона, три диодных оптрона: первый оптрон 3, второй оптрон 4 и третий оптрон 5, линейную батарею 6, линейную нагрузку 7, первый резистор 8, второй резистор 9, третий резистор 10, четвертый резистор 11, пятый резистор 12, диод 13, входную клемму 14, телеграфный передатчик 15, шестой резистор 16, седьмой резистор 17, конденсатор 18, стабистор 19, первый элемент И-НЕ 20, второй элемент И-НЕ 21, инвертор 22, формирователь 23 импульсов, оптоэлектронный элемент 24, источник 25 напряжения, отрицательный полюс которого является общей шиной 26. Оптоэлектронный элемент 24 может быть выполнен на основе диодного оптрона 27 (как показано на чертеже) или на основе транзисторного оптрона и резистора. Формирователь 23 импульсов может содержать (как показано на чертеже) резистор 28, конденсатор 29 и триггер 30 Шмитта. Линейная нагрузка 7 содержит регулятор 31 линейного тока и входное устройство 32 приемника однополярных телеграфных сигналов. Регулятор 31 линейного тока может быть выполнен в виде реостата 33. Для обеспечения многоканальной телеграфной связи и автоматизации процессов передачи информации, телеграфный передатчик 15 может содержать ПЭВМ 34 и блок 35 преобразования сигналов, вход которого подключается к шине ISA ПЭВМ 34, а выход является выходом телеграфного передатчика 15.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии, при наличии на клемме 14 уровня логического нуля (лог.0), соответствующего стартовой посылке в линии связи (бестоковая посылка), ток в линейной нагрузке 7 практически отсутствует, так как транзисторы 1 и 2 выключены, а значение сопротивления резистора 10 велико, при этом входная цепь
оптоэлектронного элемента 24 обесточена и в его выходной цепи (через фотоприемник) ток не протекает. На входе формирователя 23-лог.0, а на его выходе - уровень логической единицы (лог.1), который поступает на вторые входы элементов И-НЕ 20 и И-НЕ 21. В это время на обоих входах элемента И-НЕ 21 оказываются лог.1, а на его выходе - лог.0, в результате чего через светодиод оптрона 4 протекает ток, а его фотоприемник генерирует вентильное напряжение, которое смещает переходы база-эмиттер транзисторов 1 и 2 в обратном направлении, что способствует надежному их запиранию. Кроме того, на базу транзистора 1 действует запирающее (отрицательное) напряжение, выделяемое на диоде 13 от протекающего через него тока малой величины (величина сопротивления резистора 10 составляет сотни кОм).
При поступлении с выхода телеграфного передатчика 15 на клемму
14 лог.1, соответствующей стоповой посылке в линии (токовая посылка), на обоих входах элемента И-НЕ 20 устанавливаются лог.1, а на его выходе - лог.0. На первом входе элемента И-НЕ 21 устанавливается лог.0 (за счет инвертора 22), а на его выходе - лог.1. При этом прекращается ток через резистор 9 и светодиод оптрона 4, в результате чего прекращается запирающее действие вентильного напряжения фотоприемника оптрона 4 на транзисторы 1 и 2. В это время лог.0 на выходе элемента И-НЕ 20 обеспечивает протекание тока через резисторы 11 и 12 и светодиоды оптронов 3 и 5 от источника 25 напряжения. Фотоприемники оптронов 3 и 5 генерируют вентильные напряжения, которые складываясь (так как фотодиоды включены последовательно), смещают переход база-эмиттер транзистора 1 в прямом направлении и заряжают емкость этого перехода, в результате чего в базе транзистора 1 появляется вентильный ток. Поскольку транзисторы 1 и 2 включены по схеме Дарлингтона, в коллекторной цепи транзистора 2 развивается линейный ток, величина которого определяется сопротивлением линейной нагрузки 7 и величиной напряжения линейной батареи 6. Этот ток (токовая посылка) протекает по
следующей цепи: положительный полюс батареи 6 - реостат 33 регулятора 31 линейного тока - входная цепь входного устройства 32 приемника однополярных телеграфных сигналов - резистор 17 - переход коллектор-эмиттер транзистора 2 - диод 13 - отрицательный полюс батареи 6.
Если значение линейного тока находится в рабочем диапазоне (по ГОСТ Р 51026-97 от 40 мА до 70 мА), то падение напряжения на резисторе 17 от этого тока является недостаточным для включения стабистора 19, поэтому светодиод входной цепи оптоэлектронного элемента 24 по-прежнему обесточен, а на выходе формирователя 23 по-прежнему сохраняется лог.1.
При поступлении с выхода передатчика 15 уровня лог.0, соответствующего стартовой посылке, прекращается ток через светодиоды оптронов 3 и 5, а через светодиод оптрона 4 ток появляется. В результате этого суммарное значение вентильных напряжений фотодиодов оптронов 3 и 5 начинает спадать до нуля, а вентильное напряжение фотодиода оптрона 4 возрастает до своего максимального значения, ускоряя при этом разряд емкости перехода база-эмиттер транзистора 1 и сокращая время выключения транзисторов 1 и 2 в схеме Дарлингтона. После выключения транзистора 2 в линейной цепи и линейной нагрузке 7 протекает незначительный ток (менее 1 мА), обусловленный шунтирующим действием высокоомного резистора 10 перехода коллектор-эмиттер транзистора 2.
Непрерывная работа передатчика 15 вызывает противофазные переключения токов на выходах элементов И-НЕ 20 и И-НЕ 21, что обеспечивает противофазные действия вентильных напряжений на транзисторы 1 и 2, включенные по схеме Дарлингтона и как следствие, снижает влияние паразитных емкостей транзисторов и фотодиодов оптронов на скорость переключения транзисторов, тем самым повышая скорость коммутации линейной нагрузки.
В случае возникновения аварийного состояния линейной нагрузки при формировании стоповой посылки (например, при коротком замыкании в линейной нагрузке или встречном включении наведенного на линии напряжения), на резисторе 17 (после заряда емкости интегрирующего конденсатора 18) выделится напряжение, величина которого будет достаточна для включения стабистора 19. В результате этого в цепи светодиода оптрона 27 появится ток, который вызовет ток через фотодиод этого оптрона. Ток, протекающий от положительного полюса источника 25 напряжения через фотодиод оптрона 27 заряжает емкость конденсатора 29 до напряжения, достаточного для переключения в состояние лог.0 триггера 30 Шмитта формирователя 23. После этого уровень лог.0 с инверсного выхода триггера 30 окажется одновременно на вторых входах элементов И-НЕ 20 и И-НЕ 21 и заблокирует их работу, в результате чего прекратится ток через светодиоды оптронов 3, 4 и 5, и исчезнут вентильные напряжения на фотодиодах этих оптронов. Это приведет к прекращению тока в базе транзистора 1, а следовательно к выключению транзисторов 1 и 2. После выключения транзистора 2 в линейной нагрузке 7 будет протекать незначительный ток (ток утечки), величина которого определяется напряжением линейной батареи 6 и величиной резистора 10. Этот ток, протекая через диод 13, обеспечивает запирающее напряжение на базах транзисторов 1 и 2, повышая температурную стабильность выключенного состояния схемы Дарлингтона. Последнее обстоятельство крайне важно, если в процессе функционирования устройства произойдет выключение источника 25 напряжения (что может быть как штатным режимом, так и аварийным). Прямое напряжение на диоде 13, обеспечивая надежное запирание транзисторов 1 и 2 в их выключенном состоянии, исключает возможность самовключения этих транзисторов за счет тепловых токов коллекторов в широком диапазоне температурных воздействий. В выключенном состоянии транзисторы 1 и 2 (после возникновения аварии в нагрузке) будут находиться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе
29, медленно разряжающемся через резистор 28, не достигнет второго (нижнего) порога переключения триггера 30 Шмитта, после чего на его выходе установится состояние лог.1 и устройство восстановит возможность переключения транзисторов 1 и 2, а, следовательно, и способность формировать однополярные телеграфные посылки.
Если после восстановления возможности переключения транзисторов 1 и 2 линейная нагрузка 7 будет продолжать оставаться в аварийном состоянии, то по описанной выше схеме транзисторы 1 и 2 перейдут в режим отсечки. Фактически формирователь 23 импульсов осуществляет функцию опроса состояния линейной нагрузки 7 через достаточно большие интервалы времени, которые определяются постоянной времени элементов 28 и 29 (как правило, интервалы составляют единицы секунд).
Как следует из описания, конденсатор 18 задерживает выключение транзисторов 1 и 2 при возникновении аварийного состояния линейной нагрузки 7, поэтому величина его емкости не должна быть большой, чтобы не допустить перегрузки транзистора 2 по импульсному току коллектора. С другой стороны, номинал емкости конденсатора 18 должен быть достаточным, чтобы исключить ложные срабатывания защиты устройства от импульсных токов нагрузки, обусловленных разрядом распределенных емкостей линий связи, так как в противном случае устройством может быть нарушена структура кодовой комбинации, формируемой телеграфным передатчиком и снижена достоверность передачи информации. Поэтому при выборе и оптимизации величины емкости конденсатора 18 должен быть найден компромисс.
Следует отметить, что во многих практических случаях, последовательное включение фотодиодов оптронов 3 и 5, работающих в вентильном режиме, является принципиально необходимым (особенно, если транзисторы 1 и 2 являются кремниевыми), так как вентильное напряжение одного фотоприемника может быть недостаточным для
формирования тока базы транзистора 1 [Носов Ю.Р. и др. «Оптроны и их применение».- М.: «Радио и связь», 1981 (стр.258, рис.6.22, в)].
Целесообразность параллельного включения светодиодов оптронов 3 и 5 обусловлена уменьшением влияния изменения прямых напряжений на светодиодах на величину тока, протекающего через них, а следовательно и на величину вентильного тока, так как напряжение источника 25 должно иметь небольшую величину (для питания логических элементов).
Максимальное допустимое напряжение, которое может возникнуть в линии связи при переключениях транзисторов 1 и 2, ограничивается только допустимым коллекторным напряжением этих транзисторов и электрической прочностью гальванической развязки оптронов.
Серийно выпускаемые отечественной промышленностью многоканальные диодные оптроны, в том числе и в бескорпусном исполнении для работы в вентильном режиме, а также соответствующие кремниевые транзисторы, позволяют обеспечить работу предлагаемой полезной модели с линейными напряжениями до 1000 В, при обеспечении времени переключения не более единиц микросекунд.
Возможность использования в качестве телеграфного передатчика 15 вычислительной машины 34 и блока 35 преобразования сигналов с шины ISA из параллельного кода в последовательный, позволила создать и испытать опытный образец автоматизированного рабочего места (АРМ) на 32 однополюсных канала передачи информации. Испытания опытного образца АРМ полностью подтвердили решение поставленных задач и достижение поставленных целей.
Структура основных узлов и связей оптоэлектронного устройства для формирования однополярных телеграфных посылок создает предпосылки для реализации нескольких таких устройств в виде одной гибридной интегральной микросхемы по бескорпусной технологии.
Существенное улучшение основных показателей оптоэлектронного устройства для формирования однополярных телеграфных посылок
позволяет использовать его с высокой эффективностью и надежностью в многоканальных автоматизированных системах передачи дискретной информации.