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.
Избежать этих недостатков позволяет применение светодиодных модулей в качестве источников света. Из уровня техники известно несколько решений по применению светодиодных источников света в светофорах, в частности, раскрытых в патентах RU 2248107 (МПК H05B 37/02, опубликован 10.03.2005), RU 2250846 (МПК B61L 5/18, B61L 23/00, опубликован 27.04.2005), RU 2399957 (МПК G08G 1/095, опубликован 20.09.2010), RU 2440264 (МПК B61L 5/18, опубликован 20.01.2012), CN206292978 (МПК G08G1/095, опубликован 30.06.2017). Общим недостатком известных решений этого типа является необходимость внесения значительных изменений в конструкцию существующих светофоров, их схемотехнику или вовсе их полную замену.
Известны также решения по созданию светодиодных ламп и/или модулей, совместимых с конструкциями существующих светофоров и аппаратуры железнодорожной автоматики. В частности, такие решение раскрыты в патентах RU 2399957 (МПК G08G 1/095, опубликован 20.09.2010), RU 2660842 (МПК F21S 8/00, опубликован 10.07.2018), KR 101289438 (G08G1/095; H05B37/02, опубликован 23.07.2013). Для подобных решений характерно применение резисторов, на которых выделяется значительная активная мощность, а также в них не раскрыты средства для реализации возможности работы модулей в трех режимах («день», «ночь», «двойное снижение напряжения»), что не позволяет говорить о возможности использования их совместно с существующим оборудованием без значительных доработок.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого решения принято «Устройство-контроллер для управления сверхъяркими светодиодами в активных светофорных головках» по патенту РФ на изобретение № RU 2378706 (МПК G08G 1/095, опубликован 10.01.2010). 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.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, обусловленная большим количеством дублирующих и контрольных схем для минимизации отказов. Кроме того, в известном устройстве не раскрыты средства для реализации электрической совместимости с лампами накаливания, для использования с существующим оборудованием питания и диагностики. Известно, что лампа накаливания потребляет 15 ватт, по данной мощности оборудование диагностики принимает решение об исправности лампы. При использовании светодиодов, как раскрыто в известном решении, потребляемая мощность в разы меньше, что не позволяет использовать известное решение в качестве замены лампы накаливания без внесения изменений в конструкцию.
Технической задачей заявленного решения является преодоление недостатков известных устройств и создание сигнального модуля для железнодорожного светофора, совместимого с существующим оборудованием питания и диагностики вместо ламп накаливания, с возможностью работы в трех режимах («день», «ночь», «двойное снижение напряжения») с простой конструкцией и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат заключается в улучшении показателей совместимости заявленного сигнального светофорного модуля, проявляющемся в возможности использования вместо ламп накаливания без доработки существующего оборудования, упрощении конструкции, снижении тепловыделения и энергопотребления. Заявленное устройство отличается простотой конструкции, высокой технологичностью производства в виде единой печатной платы, низким уровнем пульсации светового потока и высокими показателями характеристик направленности.
Технический результат достигается тем, что в модуле сигнальном светофорном, содержащем 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, согласно заявляемому решению 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. Микроконтроллер выполнен с возможностью плавного включения-выключения блока излучателей и с возможностью поддерживать три режима работы с различными токами излучателя и значениями реактивной нагрузки. К измерительному входу микроконтроллера может быть подключен резистивный датчик тока. Модуль выполнен в виде единой печатной платы, с возможностью установки вместо патрона лампы накаливания. Блок преобразователя «частота – напряжение» может быть выполнен в виде импульсной повышающей схемы.
Благодаря использованию двух отдельных реактивных нагрузок 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.
Микроконтроллер, выполненный с измерительными входами, для измерения падения напряжения на блоке излучателя и величины питающего напряжения, позволяет идентифицировать режим работы модуля и обрыв цепи и/или замыкание в блоке излучателей.
Техническое решение поясняется далее с помощью фигуры, на которой представлена функциональная схема одного из возможных вариантов исполнения модуля. На фиг. 1. представлен модуль сигнальный светофорный, который содержит блок (1) излучателей, на вход которого подается управляющая последовательность импульсов от микроконтроллера (2) через блок (3) преобразователя «частота – напряжение». К блоку (1) излучателей и микроконтроллеру (2) 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 микроконтроллера (2). На входе мостового выпрямителя (5) установлен блок реактивных нагрузок (8-9), выполненных с возможностью отключения посредством ключей (10-11). К измерительному входу микроконтроллера (2) подключен резистивный датчик (12) тока. К микроконтроллеру (2) подключен также формирователь импульсов (13).
Компоненты функциональной схемы на фиг.1 имеют следующие взаимосвязи и назначение: Блоки реактивных нагрузок (8) и (9) 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 микроконтроллеру (2), управляются от него и служат для отключения всей или части реактивной нагрузки, в зависимости от режима работы светофора. Для питания микроконтроллера (2) с обвязкой служит схема стабилизатора напряжения (7), подключенного к одному из входов микроконтроллера (2). Блок (3) преобразователя «частота-напряжение» также соединен с микроконтроллером (2) 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 микроконтроллера (2) в случае выбросов напряжения, питающего модуль, или в соответствии с текущим режимом работы светофора. На резистивном датчике тока (12), который подключен между ключом (4) и микроконтроллером (2), выделяется напряжение, пропорциональное току, протекающему через блок (1) излучателей, которое подается для измерения в микроконтроллер (2).
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 4.5В, 9В, 12В (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 — 11.5В, 9В и 4.5В. 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 неё 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 микроконтроллер (2), и в сам микроконтроллер (2), на один из входов измерения встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Преобразователь (3), построенный как импульсная повышающая схема, в зависимости от частоты управляющего сигнала микроконтроллера (2) генерирует постоянное напряжение величиной 20..40В, в зависимости от количества включенных в цепь светоизлучателей блока (1). Это напряжение также измеряется контроллером (2) 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 тока (12), с которого напряжение, пропорциональное этому току, подается на другой измерительный вход контроллера (2) для образования контура регулирования тока излучателя. Микроконтроллер (2) также получает сигнал от формирователя импульсов (13), который генерирует их из входного переменного напряжения и, тем самым, оперативно информирует микроконтроллер (2) о наличии/отсутствии в данный момент этого напряжения. Это дает возможность микроконтроллеру (2) сформировать кривую уменьшения/увеличения тока блока (1) излучателей в моменты его выключения/включения с постоянной времени лампы накаливания. Благодаря измерению микроконтроллером (2) 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...5В).
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 = 9В) модуль функционирует аналогично вышеописанному с той лишь разницей, что микроконтроллер (2) 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 = 11,5В) микроконтроллер (2) 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.
Микроконтроллер (2) 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 нём падение напряжения, микроконтроллер (2) 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), микроконтроллер (2) 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.
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.
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.
Преимущества данной конструкции по сравнению с известными решениями, предназначенными для использования вместо ламп накаливания, в том числе включают:
1. Все электронные компоненты устройства 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.