БЕЗОПАСНАЯ СХЕМА "2И"
SAFE CIRCUIT "2AND"

Изобретение относится к средствам техники безопасности движения на железнодорожном транспорте, а именно к аппаратуре коммутации и блокировки, которые обеспечивают сопряжение выходных сигналов микроконтроллеров с исполнительными устройствами, приводящими в действие устройства, обеспечивающие регулирование движением поездов.
Известны устройства, обеспечивающие реализацию логической функции «2И», в которых входные сигналы представляют собой непрерывный (в пределах одного цикла или полуцикла работы устройства) 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 их безопасной работы, где выходной сигнал микроконтроллера представляет собой импульсный сигнал, передаваемый на устройство сопряжения, которое обеспечивает безопасное функционирование исполнительного устройства и исключение его ложного включения (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 этих устройств является трудность управления достаточно мощными исполнительными устройствами из-за появления большой мощности, рассеиваемой полупроводниковыми устройствами схемы.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является система для регулирования движения железнодорожного транспорта, где осуществляется реализация безопасной логической функции «2И» (Пат. РФ №2286279. Двухканальная система для регулирования движения железнодорожных транспортных средств / В.Г.Гуменников, А.Ю.Крылов, Д.В.Шалягин. Публ. 2006.10.27). Это устройство включает в свой состав источник электропитания, диодно-транзисторные оптроны, резисторы и первый безопасный преобразователь последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности, который содержит входной диодно-транзисторный оптрон и интегрирующую цепь, состоящую из первого конденсатора, первым выводом соединенного с анодом первого диода и с катодом второго диода, анод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к потенциальному выходу безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности, общий выход которого соединен со вторым выводом второго конденсатора и с катодом первого диода.
Недостатком этого устройства является сложность устройства и отсутствие унификации отдельных функциональных узлов схемы.
Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно упрощение устройства, возможность использования унифицированных функциональных узлов и соответствующее снижение стоимости, а также введение сигналов диагностики самой схемы «2И».
Указанная цель достигается тем, что в безопасную схему «2И» введен второй безопасный преобразователь последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности.
Сущность изобретения по п.1 формулы заключается в том, что потенциальный выход второго безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности подключен к общему выходу первого безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности, потенциальным выходом через последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы, первый преобразователь подключен к положительному полюсу источника электропитания, причем точка соединения первого и второго резисторов через прямовключенный диод нулевого выходного диодно-транзисторного оптрона и переход коллектор - эмиттер транзистора нулевого опросного диодно-транзисторного оптрона подключена к отрицательному полюсу источника электропитания и к общему выходу второго безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности, точка соединения второго и третьего резисторов через обратно включенный диод единичного опросного диодно-транзисторного оптрона и переход эмиттер - коллектор единичного опросного диодно-транзисторного оптрона подключена к отрицательному полюсу источника питания, а переходы коллектор - эмиттер транзисторов нулевого и единичного выходных диодно-транзисторных оптронов являются нулевым и единичным выходами безопасной схемы «2И» соответственно, причем последовательно и согласно соединенные фотодиоды нулевого и единичного диодно-транзисторных опросных оптронов являются входом тестирующих импульсов.
Сущность изобретения по п.2 формулы изобретения заключается в том, что в первый и второй безопасные преобразователи последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности введен двухтактный транзисторный каскад, где эмиттер единичного транзистора n-p-n-типа проводимости соединен с эмиттером нулевого транзистора p-n-p-типа проводимости и со вторым выводом первого конденсатора, базы транзисторов подключены к эмиттеру транзистора входного диодно-транзисторного оптрона, коллектором соединенного с коллектором единичного транзистора и с положительным полюсом источника электропитания, а коллектор нулевого транзистора подключен к отрицательному полюсу источника электропитания, причем между базой и коллектором нулевого транзистора включен базовый резистор.
На чертеже изображена безопасная схема 2И.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 второй безопасные преобразователи последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности, каждый из которых содержит входной диодно-транзисторный оптрон 3 с диодами 3.1 и 3.2. Коллектор транзистора 3.2 подключен к положительному полюсу источника электропитания 4 и к коллектору единичного транзистора 5 двухтактного транзисторного каскада. Коллектор нулевого транзистора 6 соединен с отрицательным полюсом источника электропитания 4, а базы транзисторов 5 и 6 соединены с эмиттером транзистора 3.2 оптопары 3. Эмиттеры транзисторов 5 и 6 подключены к первому выводу первого конденсатора 7, второй вывод которого соединен с анодом первого диода 8 и с катодом второго диода 9, анодом соединенного с первым выводом второго конденсатора 10 и с потенциальным выходом соответствующего безопасного преобразователя 1 или 2. Между базой и коллектором нулевого транзистора 6 p-n-p-типа проводимости включен базовый резистор 11. Общий выход первого преобразователя 1 подключен к потенциальному выходу второго преобразователя 2, общий выход которого соединен с отрицательным полюсом источника питания 4. Потенциальный выход первого преобразователя 1 через последовательно соединенные первый 12, второй 13 и третий 14 резисторы подключен к положительному полюсу источника питания 4. Точка соединения первого 12 и второго 13 резисторов соединена с анодом диода 15.1 нулевого выходного диодно-транзисторного оптрона 15. Точка соединения второго 13 и третьего 14 резисторов подключена к катоду диода 16.1 единичного выходного диодно-транзисторного оптрона 16. Переходы коллектор - эмиттер транзисторов 15.2 и 16.2 оптронов 15 и 16 являются выходами схемы нулевого  и единичного Y сигналов соответственно.
Сигнал опроса «TST» безопасной схемы поступает на последовательно и согласно включенные фотодиоды 17.1 и 18.1 оптронов 17 и 18 соответственно. Эмиттеры транзисторов 17.2 и 18.2 оптронов 17 и 18 соединены с отрицательным полюсом источника электропитания 4. Коллектор транзистора 17.2 соединен с катодом диода 15.1 оптрона 15, а коллектор транзистора 18.2 подключен к аноду диода 16.1 оптопары 16. На фотодиоды 3.1 оптронов 3 безопасных преобразователей 1 и 2 поступают входные сигналы X1 и Х2.
Безопасная схема «2И» работает следующим образом.
Сигналом логической единицы на входах Х1 или X2 безопасной схемы является наличие последовательности импульсов, а ее отсутствие соответствует логическому нулю.
Рассмотрим вначале пример наличия импульсной последовательности, то есть логической единицы, на входе X2 безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности 2.
При наличии импульса сигнала X2 излучением диода 3.1 осуществляется включение транзистора 3.2 оптопары 3. Это обусловливает включение единичного транзистора 5 и последующий заряд первого конденсатора 7 через первый диод 8. Так как сопротивление открытого транзистора 5 мало, то конденсатор 7 заряжается практически до напряжения U источника питания 4. После окончания входного импульса, когда прекращается излучение диода 3.1, транзисторы 3.2 и 5 выключаются. За счет напряжения, которое присутствует на конденсаторе 7, и наличия базового резистора 11 появляется базовый ток нулевого транзистора 6, что приводит к его включению. Конденсатор 7 через диод 9 подключается ко второму конденсатору 10. Вследствие малых постоянных времени заряда конденсаторов 7 и 10 напряжения на них в установившемся режиме работы равны величине U. При этом напряжение на конденсаторе 10 имеет отрицательную полярность относительно общего выхода безопасного преобразователя последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности 2.
Таким образом, если на входе X2 преобразователя 2 присутствует сигнал импульсной последовательности, то на его потенциальном выходе появится отрицательное постоянное напряжение - U, равное по модулю напряжению источника питания 4. При отсутствии сигнала импульсной последовательности X2 транзисторы 3.2, 5 и 6 выключены и на потенциальном выходе преобразователя 2 напряжение будет равно нулю.
Аналогичным образом при наличии или отсутствии импульсной последовательности Х1 работает и другой безопасный преобразователь последовательности импульсов в постоянное напряжение отрицательной полярности 1.
Так как выходы преобразователей 1 и 2 включены последовательно, то при наличии импульсных последовательностей Х1 и X2 выходное напряжение потенциального выхода преобразователя 1 будет определяться суммой двух выходных напряжений, то есть оно будет равно 2U.
Следовательно, на потенциальном выходе преобразователя 1 появится напряжение, равное -2U, только в том случае, когда логические сигналы соответствуют Х1=1 и Х2=1. То есть показанная схема включения преобразователей реализует логическую функцию 2 И, в которой выходной сигнал логической единицы имеет вид постоянного напряжения -2U.
Как показывает анализ возможных отказов элементов схем преобразователей 1 и 2 (обрывы, замыкания, уход параметров и др.), они не приводят к появлению ложного выходного сигнала, равного логической единице.
Между потенциальным выходом преобразователя 1 и положительным полюсом источника питания 4 включен делитель напряжения, состоящий из последовательного соединения резисторов 12, 13 и 14. Величина сопротивления указанных резисторов выбрана такой, что в зависимости от напряжения на потенциальном выходе преобразователя 1 (точка «а» схемы) напряжения в точках соединения резисторов 12 и 13 (точка «б» схемы) и 13 и 14 (точка «в» схемы) относительно отрицательного полюса источника электропитания 4 должны быть различными.
а
б
в
а
в
а
а
а
Если, например, напряжение в точке «a» U=0, то напряжения в других точках делителя напряжения определятся как U>0 и U>0. Если напряжение U=2U, то в зависимости от соотношения величин сопротивлений резисторов 12, 13 и 14 напряжение U<0, то есть полярность его будет отрицательной. В соответствии с этим, при U=U или при U>U напряжение в точке «в» не может иметь отрицательную полярность. Таким образом, отрицательная полярность напряжения в точке «в» будет присутствовать лишь при наличии на выходе преобразователя 1 напряжения логической единицы, то есть при U=-2U.
Выходом безопасной схемы 2И, определяющим ее безопасное функционирование, является переход коллектор - эмиттер транзистора 16.2 оптрона 16. Его выходной сигнал должен соответствовать логической функции Υ=X1 & Х2, который должен иметь вид импульсной последовательности. Эта последовательность при помощи известных безопасных импульсных усилителей мощности управляет исполнительными устройствами, приводящими в действие, например, стрелочные электроприводы, светофоры и т.п.
Преобразование безопасного постоянного напряжения -2U (напряжение в точке «a» схемы) в импульсную последовательность Y осуществляется следующим образом.
На диоды 17.1 и 18.1 оптронов 17 и 18 поступает сигнал опроса «TEST», к которому не предъявляется требований по безопасности, так как его отсутствие не приводит к появлению ложного сигнала Y. Это обусловливает импульсную работу транзисторов 17.2 и 18.2 оптронов 17 и 18. Если в точке «в» схемы будет присутствовать отрицательная полярность напряжения, то это приведет появлению импульсов тока, протекающих через последовательно включенные диод 16.1 оптрона 16 и транзистор 18.2 оптрона 18, что обусловит импульсную работу транзистора 16.2 оптрона 16. То есть на выходе схемы появится импульсный сигнал Y, соответствующий логической единице схемы.
Отсутствие отрицательного напряжения -2U в точке «а» схемы обусловливает аналогично отсутствие отрицательного напряжения в точке «в» делителя напряжения. Это вызовет запирание диода 16.1 и прекращение импульсов тока через цепь, состоящую из последовательного соединения диода 16.1 и транзистора 18.2.
Следовательно, выходной сигнал Y будет иметь место только при наличии на выходе преобразователя 1 (в точке «а» схемы) отрицательного напряжения -2U. В иных случаях при наличии сигнала «TEST» положительное напряжение в точке «б» схемы обусловит появление импульсов тока через фотодиод 15.1 оптрона 15 и транзистора 17.2 оптрона 17, что вызовет выходной сигнал схемы , соответствующий логическому нулю. Таким образом, при отсутствии обоих или одного из сигналов Х1 и X2 или при появлении любых отказов элементов схемы на выходе схемы может присутствовать только сигнал , который может не использоваться при дальнейшем преобразовании информации.
Как видно из описания работы, предлагаемое устройство обеспечивает безопасную реализацию логической функции Y=Х1 & X2. Это определяет возможность использования схемы в устройствах и системах железнодорожной автоматики и телемеханики при использовании простых схемотехнических решений и возможности их унификации за счет единой схемотехники преобразователей 1 и 2, что обусловливает его большую экономическую эффективность.