Модуль сигнальный светофорный

Заявленное решение относится к устройствам для организации и управления движением на железных дорогах и средствам техники безопасности на железнодорожном транспорте, в частности посредством оптического светового сигнала - светофорам.
.
Традиционно, в качестве источников света в железнодорожных светофорах использовались двухнитевые лампы накаливания, а, следовательно, вся аппаратура железнодорожной автоматики питания и диагностики состояния построена именно для работы с ними. Использование ламп накаливания имеет серьезные недостатки: высокие затраты на обслуживание, связанные с заменой перегоревших ламп, заменой ламп по регламенту, дополнительная юстировка вновь установленных ламп и периодические выезды для чистки линз ввиду отсутствия запаса по световому потоку и высокая потребляемая активная мощность при низком световом потоке
В качестве аналога заявляемого решения известно устройство-контроллер для управления сверхъяркими светодиодами в активных светофорных головках. Известное устройство содержит устройство управления, блок питания, блок двухканального микропроцессорного контроллера, блок источников света и блок безопасного контроля и отключения. Контроллер включает в себя два независимых комплекта микроконтроллеров с функцией взаимного тестирования и сравнения получаемых данных. Блок источников света включает в себя схему индивидуального блокирования оборванных светодиодов и двухканальную схему контроля отказавших светодиодов. Блок контроля выполнен в виде блока безопасного контроля и отключения и включает в себя схему физического размыкания линии, состоящую из четырех независимых комплектов, по два на каждую линию питания для каждого микроконтроллера. Блок питания включает в себя устройство защиты от перенапряжений, два выпрямителя, фильтр, устройство включения режимов сигнала светофора («день», «ночь», «двойное снижение напряжения») со стабилизированным током питания светодиодов, два источника питания, обеспечивающих стабилизированное электропитание двух микропроцессорных каналов блока микропроцессорного контроллера, и стабилизаторы тока, включенные последовательно-параллельно, которые управляются блоком микропроцессорного контроллера. (Патент России №RU 2378706, МПК G08G 1/095; опубликованный 10.01.2010).
Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, модуль сигнальный светофорный, содержащий блок излучателей, питание которого выполнено путем подачи управляющей последовательности импульсов от микроконтроллера через блок преобразователя «частота - напряжение», подключенный к блоку излучателей, ключ для размыкания цепи блока излучателей, подключенный к блоку излучателей и микроконтроллеру, мостовой выпрямитель, подключенный к источнику питания, и сглаживающий фильтр, установленный на выходе мостового выпрямителя, служащий для электропитания всех элементов модуля, а также стабилизатор напряжения для питания блока микроконтроллера, отличающийся тем, что микроконтроллер выполнен с измерительными входами для измерения падения напряжения на блоке излучателей и величины питающего напряжения, а на входе мостового выпрямителя установлен блок реактивных нагрузок, выполненных с возможностью отключения посредством ключей. (Патент России №RU 192899, МПК G08G 1/095; опубликованный 04.10.2019).
Заявленное техническое решение от аналогов отличается тем, что включает блок управления, выполненный на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), подключенный к стабилизатору напряжения, питание блока излучателей выполнено путем подачи управляющей последовательности импульсов от блока управления через блок преобразователя «частота - напряжение», подключенный к блоку излучателей, ключ для размыкания цепи блока излучателей подключен к блоку управления, блок управления выполнен с измерительными входами для измерения падения напряжения на блоке излучателей и величины питающего напряжения.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение является преодоление недостатков известных устройств и создание сигнального модуля для железнодорожного светофора (далее - «модуль»), совместимого с существующим оборудованием питания и диагностики, обладающего повышенной надежностью, способного стабильно функционировать в условиях наличия интенсивных промышленных помех.
Технический результат заключается в повышении надежности устройства.
Повышение надежности, в частности, достигается, за счет снижения нагрева всех компонентов устройства, обеспечения возможности быстрого отключения тока, уменьшения пульсации напряжения,повышения помехоустойчивости, а также за счет улучшения показателей совместимости заявленного сигнального светофорного модуля, благодаря чему становится возможным долгосрочное безопасное использование модуля в конструкции светофоров без доработки существующего оборудования.
Заявленный технический результат достигаются благодаря тому, что модуль сигнальный светофорный, содержащий блок излучателей, ключ для размыкания цепи блока излучателей, подключенный к блоку излучателей, мостовой выпрямитель, подключенный к источнику питания, и сглаживающий фильтр, установленный на выходе мостового выпрямителя, служащий для электропитания всех элементов модуля, при этом на входе мостового выпрямителя установлен блок реактивных нагрузок, выполненных с возможностью отключения посредством ключей, стабилизатор напряжения, включает блок управления, выполненный на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), подключенный к стабилизатору напряжения, питание блока излучателей выполнено путем подачи управляющей последовательности импульсов от блока управления через блок преобразователя «частота - напряжение», подключенный к блоку излучателей, ключ для размыкания цепи блока излучателей подключен к блоку управления, блок управления выполнен с измерительными входами для измерения падения напряжения на блоке излучателей и величины питающего напряжения.
Модуль сигнальный светофорный, содержащий блок излучателей, включает ключ для размыкания цепи блока излучателей, подключенный к блоку излучателей,необходимый для обеспечения возможности быстрого отключения тока, питающего блок излучателей в случае выбросов напряжения, питающего модуль, или в соответствии с текущим режимом работы светофора, и обеспечения надежной работы устройства.
Мостовой выпрямитель, подключенный к источнику питания, и сглаживающий фильтр, установленный на выходе мостового выпрямителя, служит для электропитания всех элементов модуля, выпрямления переменного напряжения с уменьшением его пульсации для оптимизации работы устройства и обеспечения его надежности.
При этом на входе мостового выпрямителя установлен блок реактивных нагрузок и, выполненных с возможностью отключения посредством ключей.
Благодаря использованию двух отдельных реактивных нагрузок и с цепями отключения и отключаемого повышающего преобразователя напряжения, питающего блок излучателей, достигается полная электрическая совместимость с существующим оборудованием, в частности, автоматикой питания и диагностики во всех режимах работы светофора. Реактивный характер нагрузок и обуславливает уменьшение тепловых потерь в модуле, что существенно снижает нагрев всех компонентов устройства и, следовательно, повышает надежность и срок службы изделия.
Модуль сигнальный светофорныйвключает блок управления,который предназначен для измерения падения напряжения на блоке излучателя и величины питающего напряжения и позволяет идентифицировать режим работы модуля и обрыв цепи и/или замыкание в блоке излучателей. Алгоритм работы модуля реализован как автомат состояний, встроенный в миниатюрную программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). Отказ от микроконтроллера с программой существенно снижает риск отказа модуля в условиях интенсивных промышленных помех, повышая надежность устройства.
Стабилизатор, подключенный к одному из входов блока управления, служит для нормализации питания блока управления с обвязкой и стабилизации его работы, что необходимо для надежной работы устройства.
Питание блока излучателей выполнено путем подачи управляющей последовательности импульсов от блока управления через блок преобразователя «частота - напряжение», подключенный к блоку излучателей, при этом преобразователь, построенный как импульсная повышающая схема, в зависимости от частоты управляющего сигнала блока управления генерирует постоянное напряжение величиной, зависящей от количества включенных в цепь светоизлучателей блока.
Ключ для размыкания цепи блока излучателей подключен к блоку управления, что обеспечивает возможность активации ключа посредством блока управления и быстрого автономного отключения тока, питающего блок излучателей в случае выбросов напряжения, питающего модуль, или в соответствии с текущим режимом работы светофора и необходим для надежной работы модуля.
Блок управления выполнен с измерительными входами для измерения падения напряжения на блоке излучателей и величины питающего напряжения.Благодаря измерению блоком управления напряжения с выхода сглаживающего фильтра, он по величине этого напряжения распознает требуемый режим работы светофора и, соответственно, стабилизирует рабочий ток излучателя. Поддерживая ток блока излучателей постоянным и измеряя на нем падение напряжения, блок управления распознает короткое замыкание одного или более светоизлучателя или обрыв всей линейки.
Предпочтительно, модуль сигнальный светофорный включает ограничитель напряжения, подключенный к источнику питания, который защищает схемы модуля от превышения напряжения при возникновении микросекундных импульсных помех большой энергии. Введение блока ограничителя напряжения существенно снижает вероятность отказов модуля и увеличивает срок его службы.
В целях обеспечения совместимости данного модуля с новыми микропроцессорными устройствами автоматики и диагностики светофора блок управления может быть выполнен с возможностью задержки включения блока излучателей на 0.15 с для блокировки вспышек излучателей в момент тестирования холодных нитей устройством автоматики и диагностики, так как в данных устройствах этот тест выполняется с помощью коротких (85..130 мС) импульсов номинального напряжения.
Предпочтительно, блок управления выполнен с возможностью поддерживать три режима работы с различными токами излучателя и значениями реактивной нагрузки, что необходимо для обеспечения лучшей совместимости с существующим оборудованием питания и диагностики: лампы накаливания имеют нелинейную зависимость тока потребления от приложенного напряжения питания, так как чем выше температура спирали лампы, тем выше ее сопротивление. На эти значения опирается автоматика диагностики и питания ламп светофора.
Предпочтительно, к измерительному входу блока управления подключен резистивный датчик тока. На резистивном датчике выделяется напряжение, пропорциональное току, протекающему через блок излучателей, которое подается для измерения в блок управления. Резистивный датчик может быть включен в качестве компонента контура регулирования тока излучателя и поддержания тока на оптимальном для функционирования устройства уровне. Поддерживая ток блока излучателей постоянным и измеряя на нем падение напряжения, блок управления распознает короткое замыкание одного или более светоизлучателя или обрыв всей линейки. Возможность быстрого автономного разрыва электрической цепи позволяет защитить ее компоненты от повреждения или разрушения в случае возникновения неполадок в функционировании какого-то ее отдельного компонента, тем самым, повышается надежность устройства, в частности - ремонтопригодность.
Модуль сигнальный светофорный может быть выполнен в виде единой печатной платы.
Преимущества данной конструкции по сравнению с известными решениями, предназначенными для использования вместо ламп накаливания, в том числе включают:
1) все его электронные компоненты располагаются на единой печатной плате, изготавливаемой в едином производственном цикле и, следовательно, оно является более технологичным;
2) благодаря точному размещению светоизлучателей на плате и минимальным люфтам при установке модуля на токоподводящие шпильки светофора, дополнительная юстировка при смене модуля не требуется;
3) данная конструкция, за счет меньшей концентрации электронных компонентов по площади платы, обладает улучшенными возможностями тепловыделения, а значит более низкой температурой излучателя, что увеличивает срок службы и надежность модуля.
Модуль сигнальный светофорный также может быть выполнен с возможностью установки вместо патрона лампы накаливания для обеспечения лучшей совместимости с существующим оборудованием питания.
Блок преобразователя «частота - напряжение» может быть выполнен в виде импульсной повышающей схемы, чтобы преобразователь, в зависимости от частоты управляющего сигнала блока управления, имел возможность генерировать постоянное напряжение величиной 20..40 В, в зависимости от количества включенных в цепь светоизлучателей блока для дальнейшего улучшения показателей электрической совместимости заявленного сигнального светофорного модуля с существующим оборудованием, в частности, автоматикой питания и диагностики во всех режимах работы светофора.
Техническое решение поясняется далее с помощью фигуры.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предпочтительного варианта исполнения модуля, цифрами отмечены следующие элементы:
- блок (1) излучателей;
- блок (2) управления (ПЛИС);
- преобразователь (3);
- ключ (4);
- выпрямитель (5) мостовой;
- фильтр (6) сглаживающий;
- стабилизатор (7) напряжения;
- нагрузка (8) реактивная;
- ключ (10);
- ключ (11);
- датчик (12) тока резистивный;
- формирователь (13) импульсов;
- ограничитель (14) напряжения.
Далее со ссылками на фигуру описан один из предпочтительных вариантов исполнения модуля. Модуль сигнальный светофорный содержит блок (1) излучателей, на вход которого подается управляющая последовательность импульсов от блока (2) управления через блок (3) преобразователя «частота - напряжение». Блок (2) управления выполнен на миниатюрной программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Алгоритм работы модуля реализован как автомат состояний, «прошитый» в ПЛИС.
К блоку (1) излучателей и блоку (2) управления подключен ключ (4) для размыкания цепи блока (1) излучателей. Модуль подключен к блоку питания (на фигуре не показан), к которому подключен мостовой выпрямитель (5), и сглаживающий фильтр (6), установленный на выходе мостового выпрямителя (5), служащий для электропитания всех элементов модуля, а также стабилизатор (7) напряжения для питания блока управления (2). На входе мостового выпрямителя (5) установлен блок реактивных нагрузок (8), (9), выполненных с возможностью отключения посредством ключей (10), (11). К измерительному входу блока управления (2) подключен резистивный датчик (12) тока. К блоку (2) управления подключен также формирователь (13) импульсов.
Компоненты функциональной схемы на фиг. 1 имеют следующие взаимосвязи и назначение: блоки (8) и (9) реактивных нагрузок подключены к блоку (3) преобразователя «частота-напряжение» через мостовой выпрямитель (5) и сглаживающий фильтр (6), которые обеспечивают электропитанием все узлы модуля, и совместно с блоком (3) преобразователя служат для создания электрической совместимости модуля с заменяемыми им лампами накаливания, что необходимо для надежной работы автоматики диагностики состояния ламп светофора во всех его режимах работы. Полупроводниковые ключи (10) и (11) подключены к блоку (2) управления, управляются от него и служат для отключения всей или части реактивной нагрузки, в зависимости от режима работы светофора. Для питания блока (2) управления с обвязкой служит схема стабилизатора напряжения (7), подключенного к одному из входов блока (2) управления. Блок (3) преобразователя «частота-напряжение» также соединен с блоком (2) управления и преобразует поступающую от него управляющую последовательность импульсов в напряжение питания блока (1) излучателей. Ключ (4), подключенный на выходе блока (1) излучателей необходим для быстрого отключения тока, питающего блок (1) излучателей, по сигналу от блока (2) управления в случае выбросов напряжения, питающего модуль, или в соответствии с текущим режимом работы светофора. На резистивном датчике (12) тока, который подключен между ключом (4) и блоком (2) управления, выделяется напряжение, пропорциональное току, протекающему через блок (1) излучателей, которое подается для измерения в блок (2) управления.
Параллельно входным клеммам подключен блок (14) ограничителя напряжения, который является устройством защиты для схемы модуля от превышения напряжения на модуле выше 24 В, что является эффективной защитой от микросекундных импульсных помех большой энергии (ГОСТ Р 51317.4.5). Предпочтительно, блок (2) управления реализован с возможностью плавного включения-выключения блока (1) излучателей.
Блок (2) управления выполнен с возможностью поддерживать три режима работы с различными токами излучателя и значениями реактивной нагрузки, а именно: «день», «ночь», «двойное снижение напряжения» и имеет возможность установки в электрическую цепь светофора вместо патрона лампы накаливания. При этом преобразователь (3) выполнен по схеме импульсного повышающего источника напряжения.
Модуль может быть выполнен в виде электронного прибора, изготовленного на единой печатной плате методом SMD-монтажа, помещенного в пластиковый корпус и залитый компаундом. В центральной части модуля, над блоком (1) излучателей может быть установлен световодный узел, помещенный в световодный корпус.Для электрического соединения служат клеммы, выполненные в виде сквозных металлизированных отверстий в печатной плате модуля, через которые пропускаются токоподводящие болты светофорной головки.
Работа модуля поясняется далее на примере использования заявленного модуля вместо двухнитевых ламп серии ЖС-12-15+15, ЖС-12-25+25. Данные лампы являются лампами накаливания, а это значит, что они имеют нелинейную зависимость тока потребления от приложенного напряжения питания, т.к. чем выше температура спирали лампы, тем выше ее сопротивление. Так, например, для ламп ЖС-12-15+15, для напряжений 4.5 В, 9 В, 12 В (режимы «д.с.н.» - двойного снижения напряжения, «ночь», «день») ток потребления составит 0.8А, 1А, 1.25А соответственно. На эти значения и опирается автоматика диагностики и питания ламп светофора и именно им и должен соответствовать заявляемый модуль.
Осуществление заявленного решения происходит следующим образом. На входные клеммы модуля поступает переменное напряжение, величина которого зависит от установленного оператором режима работы светофора, а именно «день», «ночь», «д.с.н.». Для светофоров, используемых в железнодорожном транспорте, это соответственно - 11.5 В, 9 В и 4.5 В. Для надежной работы огневого реле автоматики диагностики и питания ламп, ток потребления модуля не должен быть ниже заданной величины, например, 0.72А для реле АОШ2-180/0,45. С другой стороны, этот ток не может превышать максимально допустимое значение для питающего лампу трансформатора в режиме «день». Например, для трансформатора СТ-4М этот ток равен ~ 1,3А. Данные условия легко выполняются при работе с лампой накаливания, благодаря зависимости сопротивления ее спирали от протекающего через нее тока. В заявленном модуле для электрической совместимости с автоматикой диагностики и питания введены две дополнительные отключаемые реактивные нагрузки (8) и (9), а также блок (3) преобразователя «частота-напряжение», выполненного в виде импульсного повышающего источника напряжения, питающего цепь блока (1) излучателей.
В режиме работы «д.с.н» часть потребляемого тока проходит через обе реактивные нагрузки (8) и (9), и ключи (10) и (11). Кроме того, входное напряжение поступает на мостовой выпрямитель (5), далее, через сглаживающий фильтр (6) на блок (3) преобразователя «частота-напряжение». Выпрямленное и сглаженное напряжение также поступает в стабилизатор (7), питающий блок (2) управления, и в сам блок (2) управления, на один из входов измерения встроенного в программируемую логическую матрицу (ПЛИС) аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Преобразователь (3), построенный как импульсная повышающая схема, в зависимости от частоты управляющего сигнала блока (2) управления генерирует постоянное напряжение величиной 20..40 В, в зависимости от количества включенных в цепь светоизлучателей блока (1). Это напряжение также измеряется блоком (2) управления через его измерительный вход, соединенный с выходом блока (3) преобразователя. Пройдя через цепь блока (1) излучателей и ключ (4), питающий ток поступает на резистивный датчик (12) тока, с которого напряжение, пропорциональное этому току, подается на другой измерительный вход блока (2) управления для образования контура регулирования тока излучателя. Блок (2) управления также получает сигнал от формирователя (13) импульсов, который генерирует их из входного переменного напряжения и, тем самым, оперативно информирует блок (2) управления о наличии/отсутствии в данный момент этого напряжения. Это дает возможность блоку (2) управления сформировать кривую уменьшения/увеличения тока блока (1) излучателей в моменты его выключения/включения с постоянной времени лампы накаливания. Благодаря измерению блоком (2) управления напряжения с выхода сглаживающего фильтра (6), он по величине этого напряжения распознает требуемый режим работы светофора и, соответственно, стабилизирует рабочий ток излучателя, а, следовательно, и световой поток на требуемом уровне для режима «д.с.н» (Uвх=4…5 В).
Так как ток потребления импульсной повышающей схемы преобразователя (3), которая стабилизирует ток блока (1) излучателей, обратно пропорционален входному напряжению питания, то задачу имитации нагрузки лампы накаливания можно решить добавлением всего двух отключаемых реактивных нагрузок (8 и 9), что и сделано в заявляемом устройстве.
В режиме работы «ночь» (Uвх=9 В) модуль функционирует аналогично вышеописанному с той лишь разницей, что блок (2) управления по измеренному напряжению с выхода сглаживающего фильтра (6) определяет, что для данного режима нужно установить больший ток стабилизации блока (1) излучателей, а также отключить реактивную нагрузку (9), подав соответствующий сигнал на ключ (11). Необходимость этой нагрузки отпала, так как при данном входном напряжении и установленном токе блока (1) излучателей, суммарный ток потребления модуля достаточен для надежной работы автоматики диагностики и питания.
В режиме работы «день» (Uвх=11,5 В) блок (2) управления устанавливает полный ток стабилизации для питания блока (1) излучателей, а также держит реактивную нагрузку (9) в отключенном состоянии посредством ключа (11). Таким образом, суммарный ток потребления модуля больше тока срабатывания огневого реле, но меньше максимального тока питающего трансформатора, тем самым обеспечивается полная электрическая совместимость с заменяемыми с лампами накаливания. Реактивный характер нагрузок (8 и 9) был выбран для уменьшения тепловых потерь в модуле, что существенно снижает нагрев всех компонентов устройства и, следовательно, повышается надежность и срок службы изделия. Этой же цели служит высокий коэффициент полезного действия импульсной повышающей схемы в блоке (3) преобразователя.
Блок (2) управления во всех режимах работы модуля, благодаря измерительным входам, постоянно контролирует состояние блока (3) преобразователя и блока (1) излучателей. Поддерживая ток блока (1) излучателей постоянным и измеряя на нем падение напряжения, блок (2) управления распознает короткое замыкание одного или более светоизлучателя или обрыв всей линейки. Если блок (3) преобразователя «частота-напряжение» не выдает требуемое напряжение или обнаружен обрыв или замыкание светоизлучателя блока (1), блок (2) управления принимает решение об отказе модуля, отключает с помощью ключей (10) и (11) обе реактивные нагрузки (8) и (9), а также разрывает цепь питания блока (1) излучателей с помощью ключа (4). Ток потребления устройства падает до минимума, огневое реле, находящееся в шкафу питания, отключается, благодаря чему автоматика диагностики получает информацию о необходимости замены модуля.
Представленные фигура, описание конструкции и использования модуля не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.