УСТРОЙСТВО-КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЕРХЪЯРКИМИ СВЕТОДИОДАМИ В АКТИВНЫХ СВЕТОФОРНЫХ ГОЛОВКАХ
DEVICE FOR CONTROLLING ULTRA-BRIGHT LIGHT-EMITTING DIODES IN ACTIVE LIGHT SIGNAL HEADS

Устройство-контроллер для управления сверхъяркими светодиодами в активных светофорных головках.
Заявляемое техническое решение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в светофорных головках систем управления движением транспорта.
Известно техническое решение по патенту №2248107 от 2000.11.03, Н05В 37/02, JP,
Светодиодная ламповая система имеет:
блок для соединения с источником питания переменного тока, преобразователь для формирования источника питания постоянного тока и светодиодную группу, состоящую из множества светодиодов.
Светодиодная группа снабжена блоком предварительного сообщения срока службы, включающего в себя счетное средство для измерения периода подвода электропитания на основе частоты источника питания переменного тока, интегрирующее средство для подвода электропитания, измеряемого счетным средством, и запоминания интегрированной величины в энергонезависимом запоминающем устройстве и средство управления режимом подвода электропитания для управления свечением светодиодов в различных режимах, включая режимы обычного освещения.
Блок предварительного сообщения предназначен для интегрирования периода подвода электропитания для выдачи предварительно сообщения, указывающего на приближение конца срока службы.
Достоинством является наличие блока предварительного сообщения срока службы, указывающего на приближение конца срока службы.
Однако система не обеспечивает контроля исправности элементов схемы во время работы устройства и блокировки системы при нарушениях режима подвода электропитания, что исключает ее применение в устройствах управления движением транспорта.
Наиболее близким аналогом является техническое решение по патенту ЕР 1777533 от 21.10.2005, G01R 31/26, Н05В 33/08, DE.
Контрольное устройство для группы электрических блоков, предпочтительно, группы светоизлучающих диодов (СИД) высокой яркости, соединенных последовательно и управляемых постоянным электрическим током,
включающее в себя:
средство блокировки, блок оценки,
сигнальное устройство,
включающее в себя:
группу осветительных устройств, в частности, светоизлучающих диодов (СИД) высокой яркости, соединенных последовательно; источник постоянного тока, контрольное устройство, контрольный блок, специфическую систему зеркал/линз, сигнальное устройство используется в качестве железнодорожной сигнальной лампы.
Достоинством является наличие индивидуальной блокировки перегоревших светодиодов, позволяющее использовать устройство в системах управления движения на транспорте.
Однако устройство не обеспечивает динамического контроля элементов схемы блокировки и предполагает накопление и маскировку отказов, снижая время наработки на отказ в ответственных устройствах управления движения транспорта.
-10
-1
Целью разработки заявляемого технического решения является повышение надежности устройств до интенсивности отказа 10 час, безопасности их применения, технологичность применения в релейных или микропроцессорных системах управления движением транспорта.
Поставленная цель достигается следующим образом.
Устройство-контроллер для управления сверхъяркими светодиодами в активных светофорных головках содержат средство блокировки, блок оценки, сигнальное устройство, включающее светоизлучающие диоды (СИД) высокой яркости, соединенных последовательно в управляемых постоянным электрическим током, при этом устройство выполнено из функциональных блоков:
- блока источников света (БИС), содержащего:
- сверхъяркие светодиоды соединенные последовательно-параллельно,
- схему индивидуального блокирования оборванных светодиодов,
- двухканальную схему контроля отказавших светодиодов через оптроны, подключенную к двум гальванически развязанным каналам БМК,
- блока двухканального микропроцессорного контроллера (БМК), содержащего:
- два независимых комплекта микроконтроллеров с функцией взаимного тестирования и сравнения получаемых данных,
- индивидуальные комплекты кварцевых генераторов для каждого микроконтроллера,
- блока безопасного контроля и отключения (ББКО), содержащего:
- схему физического размыкания линии,
состоящую из четырех независимых комплектов, по два на каждую линию питания для каждого микроконтроллера,
- схему контроля диодных мостов, содержащую;
- аналогово-цифровой преобразователь,
- схему анализа входного сигнала, состоящую из двух каскадов:
- запускающего, вырабатывающего сигнал типа «пила» со стабильными временными и амплитудными характеристиками;
- сумматора, осуществляющего сложение сигналов от запускающего каскада и выпрямленного входного напряжения,
- блока питания (БП) содержащего:
- устройство защиты от перенапряжений,
- два выпрямителя, фильтр,
- устройство включения режимов сигнала светофора («день», «ночь», «ДСН») со стабилизированным током питания светодиодов,
- два источника питания, обеспечивающих стабилизированное электропитание двух микропроцессорных каналов БМК,
- стабилизаторы тока, включенные последовательно-параллельно, которые управляются микропроцессорным контроллером.
На представленном чертеже:
Фиг.1 - блок-схема устройства, где
1 - Устройство управления,
2 - Блок питания (БП),
3 - Блок двухканального микропроцессорного контроллера (БМК),
4 - Блок источников света (БИС),
5 - Блок безопасного контроля и отключения (ББКО).
Описание принципиальных схем и принципа работы блоков.
Блок источников света (БИС).
Блок источников света состоит из 12 СИД, разделенных на четыре группы. Каждая группа состоит из 3 СИД, соединенных последовательно. Аноды каждой группы СИД подключены к раздельным стабилитронам, а катоды - к общей шине БП. В зависимости от требуемого режима включения сигнала светофора («день», «ночь», «ДСН») БМК подключает напряжение, стабилизированное по току, к требуемому количеству СИД в каждой группе. Каждый СИД, входящий в Блок источников света, через оптроны подключен к двум гальванически развязанным каналам БМК для контроля количества отказавших СИД, а также к схеме индивидуального блокирования оборванных СИД. Светосила каждого СИД и их количество, включаемое в каждом режиме («день», «ночь», «ДСН»), выбраны таким образом, чтобы выходной световой поток сигнала светофора соответствовал требованиям ТЗ для каждого режима работы сигнала светофора. Технологически БИС выполнен на отдельной печатной плате, на которой расположены 12 СИД и разъем для подключения к плате БМК. Принцип работы Блока источников света.
При включении устройством управления сигнала светофора на вход БП поступает одно из напряжений 6В, 9В или 12В, в зависимости от режима включения сигнала светофора («день», «ночь», «ДСН»), по уровню которого БМК определяет в каком режиме («день», «ночь», «ДСН») должны работать СИД. Рассмотрим включение СИД в режиме «день». Если БМК определил, что в данный момент времени сигнал светофора должен работать в режиме «день» (на вход БП поступает 12 В) он подключает соответствующие четыре стабилизатора тока, через которые подается напряжение питания (стабилизированное по току) на четыре группы СИД, где каждая группа состоит из трех СИД, то есть одновременно включается 12 СИД, что обеспечивает излучение светового потока, соответствующего режиму «день». Количество одновременно включаемых СИД и ток, протекающий через них, выбраны с условием, что выходной световой поток сигнала светофора должен превышать примерно в два раза минимальную нормируемую величину выходного светового потока, определенного в ТЗ для режима «день». Рассмотрим включение СИД в режиме «ночь». Если БМК определил, что в данный момент времени сигнал светофора должен работать в режиме «ночь» (на вход БП поступает 9В), он подключает соответствующие четыре стабилизатора тока, через которые подается напряжение питания (стабилизированное по току) на четыре группы СИД, где каждая группа состоит из двух СИД, то есть одновременно включается 8 СИД, что обеспечивает излучение светового потока, соответствующего режиму «ночь». Количество одновременно включаемых СИД и ток, протекающий через них, выбраны с условием, что выходной световой поток сигнала светофора должен превышать примерно в два раза минимальную нормируемую величину выходного светового потока, определенного в ТЗ для режима «ночь». Рассмотрим включение СИД в режиме «ДСН». Если БМК определил, что в данный момент времени сигнал светофора должен работать в режиме «ДСН» (на вход БП поступает 6В), он подключает соответствующие три стабилизатора тока, через которые подается напряжение питания (стабилизированное по току) на три группы СИД, где каждая группа состоит из одного СИД, то есть одновременно включается 3 СИД, что обеспечивает излучение светового потока, соответствующего режиму «ДСН». Количество одновременно включаемых СИД и ток, протекающий через них, выбраны с условием, что выходной световой поток сигнала светофора должен находиться на уровне верхнего значения, то есть 8% от минимальной нормируемой величины выходного светового потока, определенного в ТЗ для режима «ДСН». Если в период работы сигнала светофора в режиме «день» устройство управления включит режим «ночь» (на вход БП поступает 9В), БМК выключит 12 СИД, работающих в режиме «день» и включит 8 СИД, работающих в режиме «ночь». Если в период работы сигнала светофора в режиме «ночь» устройство управления включит режим «ДСН» (на вход БП поступает 6В), БМК выключит 8 СИД, работающих в режиме «ночь», и включит 3 СИД, работающих в режиме «ДСН». Переключение режимов работы СИД может осуществляться в любое время исходя из напряжения питания, поступающего от устройств управления. Для контроля исправности светодиодов используются:
- два оптрона, включенных параллельно светодиоду (при пробое светодиода его сопротивление стремится к нулю, следовательно, электрический ток пойдет через цепь с меньшим сопротивлением, оптроны закрываются);
- два оптрона, включенных последовательно светодиоду (при обрыве светодиода его сопротивление стремится к бесконечности, следовательно, электрический ток пойдет через цепь с меньшим сопротивлением - открывается стабилитрон, оптроны закрываются).
В связи с тем, что в условиях эксплуатации сигнал длительное время может находиться во включенном состоянии, появляется необходимость контроля исправности элементов схемы. Контроль осуществляется методом кратковременного снятия напряжения питания (миллисекунда) с интервалом в одну минуту. При снятии питания все элементы схемы должны изменить свое состояние на противоположное, в противном случае делается вывод о неисправности. При неисправности светодиода или элементов его контроля он помечается как неисправный.
Блок микропроцессорного контроллера (БМК). Блок микропроцессорного контроллера состоит из двух программно и аппаратно независимых, гальванически развязанных каналов, построенных на отдельных микропроцессорах с установленным программным обеспечением, реализующим алгоритмы контроля и управления режимами работы БССС-МК. Блок питания (БП).
БП подключается к линии питания от устройств управления. Для защиты схемы во входном каскаде установлены: устройства защиты от перенапряжений, два выпрямителя, фильтры, устройство стабилизации напряжения питания. Питание каждого микропроцессора реализовано индивидуальным комплектом с использованием DC-DC конвертора. Неисправность какого-либо из элементов питания микроконтроллера приводит к его отключению, что фиксируется при межпроцессорном обмене. Подача напряжения на светодиоды осуществляется при помощи схемы со стабилизированным током питания. Также используется трансформаторная развязка для защиты от неисправности транзисторного ключа. Для каждого из режимов свечения используется индивидуальный комплект питания. Отличие комплектов состоит в количестве стабилизаторов тока, для режимов «день» и «ночь» - четыре, для «ДСН» - три. Стабилизаторы тока служат для подачи стабилизированного по току сигнала на последовательные цепочки светодиодов. Трансформатор служит для гальванической развязки и формирования управляющего напряжения. В цепь первичной обмотки включен электронный ключ, формирующий переменное напряжение. В случае пробоя или обрыва ключа во вторичной обмотке сигнал будет отсутствовать, следовательно, будет отсутствовать питание светодиодов, что фиксируется схемой контроля исправности светодиодов. В случае аварии схемы питания на СИД будет отсутствовать напряжение, что фиксируется микропроцессорами.
Блок безопасного контроля и отключения (ББКО).
ББКО состоит из трех частей:
Схема физического размыкания линии.
Схема состоит из четырех независимых комплектов, по два на каждую линию питания для каждого микропроцессора. Схема состоит из трансформатора, стабилизаторов тока и диодов. Вторичная низкоомная обмотка включена последовательно в цепь питания. При выключенной схеме во вторичной обмотке отсутствует напряжение и в связи с низким сопротивлением не создает препятствий для прохождения управляющего напряжения. После принятия решения о необходимости осуществить имитацию перегорания нити контроллером посылаются противофазные импульсы (IMP) и постоянный сигнал (POST). При коммутации ключа сигналом (KL) в цепи питания генерируется кратковременный импульс. Данный импульс по току превосходит номинал предохранителя в пять раз, что вызывает его перегорание. Для контроля исправности данной схемы повышается частота IMP и в линию поступает импульс низкого наминала, и он фиксируется схемой анализа сигнала. Проверка каждого комплекта схемы осуществляется индивидуально.
Схема контроля диодных мостов.
Данная схема построена на принципе контроля напряжения питания на выходе выпрямителя при помощи АЦП. Схема основана на контроле уровня напряжения, поступающего от устройств управления. Выполняет функцию преобразования напряжения, поступающего от устройств управления, в напряжение удовлетворяющего уровню напряжений аналогово-цифрового входа микропроцессоров, а также функцию гальванической развязки контролируемых электрических цепей от электрических цепей каналов микропроцессоров. При выходе из строя плеча диодного моста, возрастет уровень переменной составляющей и при помощи встроенного АЦП микроконтроллера данная ситуация фиксируется. Контроль осуществляется по схеме два из двух, для каждого микроконтроллера организуется независимый канал и результат сравнивается. Резистором выставляется чувствительность схемы.
Схема анализа входного сигнала.
Схема контроля аналоговых сигналов выполняет функцию преобразования аналоговых сигналов в дискретные сигналы, удовлетворяющие требованиям входных цепей микропроцессоров для контроля уровня напряжения, поступающего от устройств управления. Функционально схема построена на мультивибраторах. Для каждого микропроцессора выполнен индивидуальный комплект. Схема состоит из двух каскадов:
- первый каскад вырабатывает сигнал типа «пила» со стабильными временными и амплитудными характеристиками;
- второй каскад осуществляет сложение сигналов от первого каскада и выпрямленного входного напряжения. В результате на выходе схемы формируются импульсы различной длины, в зависимости от уровня входного напряжения. Данные импульсы поступают на цифровой вход микропроцессоров, где осуществляется измерение длительности, после сравнения результатов принимается решение о режиме свечения сигнала. При неисправности одного из комплектов, на этапе сравнения полученных результатов выявляется расхождение
Работает устройство следующим образом. От устройства управления 1 приходит сигнал:
Режимы свечения сигнальной головки
Напряжение переменного тока, В
Напряжение постоянного тока, В
День
10-15
10-15
Ночь
8-10
8-10
ДСН
4-7,5
4-7,5
Режим холодного контроля целостности нити
0,5-3
0,5-3
Сигнал может быть непрерывным и мигающим.
1. Система исправна.
Сигнал поступает в блок 2 (БП). После прохождения устройств защиты от помех и фильтров он попадает на два источника питания, обеспечивающих стабилизированное электропитание двух микропроцессорных каналов блока 3 (БМК) и двух каналов блока 5 (ББКО), схемы безопасного отключения при отказах.
Далее блок 3 (БМК) осуществляет тестирование аппаратно-программных средств, блока 2 (БП) и светоизлучающих диодов (СИД), передачу сигналов контроля работоспособности аппаратно-программных средств процессоров в блок 5 (ББКО), контролирует уровень напряжения, поступающего от внешних устройств, и включение сигнала светофора «день», «ночь», «ДСН».
Далее блок 4 (БИС) излучает световой поток установленного цвета и заданной блоком 3 (БМК) силы света. Цвет светового потока определяется типом установленных светоизлучающих диодов (СИД), которые обеспечивают пять основных цветов сигналов: красный, желтый, зеленый, синий, лунно-белый. Сила света сигнала определяется количеством одновременно включаемых в каждом режиме («день», «ночь», «ДСН») светоизлучающих диодов (СИД) и током, протекающим через них. Режимы включения сигнала («день», «ночь», «ДСН») задаются блоком 3 (БМК) в зависимости от уровня напряжения, поступающего от устройств. Блок 4 (БИС) контролируется и управляется блоком 3 (БМК).
2. Система неисправна.
При обнаружении различного вида внутренней неисправности блок 3 (БМК) принимает решение о переходе в безопасное безвозвратное состояние путем отключения устройства от питания при помощи блока 5 (ББКО).
Алгоритм функционирования
Поступление входного напряжения в линии питания (основной или резервной).
1. Входной сигнал выпрямляется, фильтруется и включает микроконтроллеры.
2. Первый тест ресурсов микроконтроллеров. В случае выявления неисправности происходит физическое отключение от линии питания.
3. Анализ входного сигнала и принятие решения о необходимости включения светодиодов (управляющий сигнал или помеха). Выбор режима свечения: «день»; «ночь»; «ДСН».
4. Включение источников света. Начало отсчета времени.
5. Контроль исправности светодиодов.
6. Контроль исправности схемы физического отключения от линии.
7. Контроль схемы исправности диодных мостов.
8. Анализ времени свечения сигнала (непрерывно горящий или мигающий сигнал - одна секунда свечения, половина секунды пауза). Если непрерывно горящий - продолжение алгоритма. Если мигающий - в начало алгоритма.
9. Кратковременное отключение светодиодов для контроля схем управления светодиодами.
10. Второй тест ресурсов микроконтроллеров. В случае выявлении неисправной работы физическое отключение от линии питания.
11. Повторное выполнение пунктов 4-11.
12. Отключение питания сигнала устройствами управления.
При выходе из строя 30% светодиодов происходит отключение основной линии питания сигнала. Информация об отказавших светодиодах записывается и хранится в энергонезависимой памяти микроконтроллеров. При неисправностях остальных элементов схемы происходит физическое отключение от линии питания.
Заявляемое техническое решение промышленно применимо и не представляет трудностей для современного уровня производства.
Заявляемое техническое решение разработано, испытано и прошло экспертизу на безопасность в испытательном центре железнодорожной автоматики-телемеханики Петербургского государственного университета путей сообщения.
В условиях эксплуатации сигнал длительное время может находиться во включенном состоянии, появляется необходимость контроля исправности элементов схемы. Контроль осуществляется методом кратковременного снятия напряжения питания с интервалом в одну минуту. Возможность контроля исправности элементов схемы повышает надежность устройства.
Безопасность применения устройства заключается в следующем. В случае пробоя или обрыва ключа во вторичной обмотке сигнал будет отсутствовать, следовательно, будет отсутствовать питание светодиодов, что фиксируется схемой контроля исправности светодиодов. В случае аварии схемы питания на СИД будет отсутствовать напряжение, что фиксируется микропроцессорами.
За счет снижения веса и габаритов устройства повышается технологичность применения в релейных или микропроцессорных системах управления движением транспорта.