軌道回路
軌道回路を利用して情報を列車に送信することがある。信号電流に符号(コード)を重畳して送信するもので、コード軌道回路と呼ぶ。コードの重畳には信号波の断続を利用したり、信号電流を用いて変調したりする。主に車両に搭載された車上子でコードを受信して、車内信号を実現するために用いられる。
商用の50又は60Hz周波数の電力用電源を分圧して使用するものである。直流電化区間で使用されており、その回路のモデル図を右側に示す。2元3位式(2種類の電源で軌道継電器の状態を3つに変化させることで信号機の現示を緑・黄・赤で表示)の自動信号機の場合、各信号機の制御回路には、緩動継電器と軌道継電器の2つのリレーがあり、軌道継電器が軌道回路のレールに流れる交流電流を検知して、信号機を制御している。単相交流3300Vの信号用高圧配電線を、電源供給と軌道回路の送信側と受信側での交流電流の周波数の位相を一致させる為、レールに並行設置して、各閉塞信号機で配電線から配線を分離させている。軌道回路に流す交流電流は、線條変圧器で110Vに降圧させた後、緩動継電器の接点を経由して、軌道変圧器でさらに18Vに降圧されてから流しており、閉塞信号機の信号灯の電源は、軌道回路用の110V電源から、信号灯変圧器で30Vに降圧したのち使用される。
漏れ抵抗は晴天の場合では50Ωと高いが、雨や激しい豪雨の場合では10Ωから1Ωになり、トンネル内で激しい漏水や海水が浸入する場合には0.5Ωから0.1Ωに低下する。漏れ抵抗が低下すると軌道回路の電流が途中で漏れてしまい、その軌道回路に列車が不在の場合や列車が通過して不在の場合でもリレーが落下してしまう恐れがあり、それを防止するため、軌道回路に掛ける電圧をバラストなどの道床条件を考慮して調整している。
実際の軌道回路には、レールへ電流を流す側の送電側では、直流ではシリコン整流器・鉛蓄電池、交流では軌道変圧器・分周器があり、レールからの電流を受け取る側の受電側では、軌道継電器(リレー)・倍周器がある。その他に、軌道回路のレールに直接に電源を接続すると、送電側を輪軸で短絡する際にショートの状態になり、過大な電流が流れて電源機器を破壊してしまうことを防止するため、一定以上の電流が流れないようにする限流のための抵抗やリアクトル、側受電側においてレールからの受電電圧を、軌道継電器への適正な電圧に調整する軌道抵抗子、単軌条式軌道回路においてレールが破断した際に、帰線電流が送電・受電側機器に流れて、溶断又は焼損させて信号設備や連動装置が停止するのを防ぐ軌道可溶片・軌道ヒューズ、送電・受電側機器を機器室に集中して設置する際に、機器室から送電端又は受電端までのケーブルによる電圧低下を低減するための中継変圧器があり、軌道回路を確実に作動させ保護する役目を持たせている。
彼の設計したシステムは、信号機の上に電気的に動作するディスクを取り付けたものとなっていた。また設計は、列車が在線していない時に信号電流がなくなる、開電路式であった。
この設計の本質的な欠点は、フェイルセーフではなく簡単に危険な状態になってしまうことであった。例えばワイヤが切れると、列車が在線していても検知に失敗してしまう。この問題を認識して、ロビンソンは現代の軌道回路のような閉電路式のものを設計し、1872年に前述の場所に設置した。これが現代の完全自動化したフェイルセーフな信号システムの元祖である。
イギリスでは、1876年にウィリアム・サイクがクリスタル・パレス駅で軌道回路の実験を行ったのが最初となっている。実用化されたのは1886年で、ロンドンのセント・ポールズ駅に設置されたものであった。
日本においては、1904年(明治37年)に甲武鉄道(後のJR中央本線)の飯田町 - 中野間でアメリカのユニオン・スイッチ・アンド・シグナル社の技術により導入されたものが最初である。
交流軌道回路では、レールに流れる信号電流は交流であり、周波数は目的に応じて低周波(数百Hz以下)、可聴周波(数百Hz - 数kHz)、高周波(数kHz以上)など様々である。またパルス的に電流を流す軌道回路もある。
送信側で商用周波数電源から整流器に変換しされた直流電源を、軌道回路に流し、送信側でそれを受信して、直流用の軌道継電器(リレー)に入力するもので、設備構成が簡単で設備費が安く、また、停電時にも作動できるように、送信側に蓄電池を接続して浮動充電方式で充電して無停電化を図っている。レール間電圧は4.5Vであり、800mまでの軌道回路で使用できるが、一方で蓄電池の保守の問題がある。非電化区間で使用されており、直流電化区間では電気車の帰線電流が妨害となって使用することができない。さらに近隣の電力使用状況によっても妨害を受けることがある。
閉電路式に対して、列車が在線していない時には電流が流れず、在線している時にだけ電流が流れる方式の回路を開電路式 (open circuit) と呼ぶ。開電路式では、電源と検知用のリレーを直列に接続したものを線路の同じ側につなぎ、列車が進入することで車軸が両側のレールを短絡して電流が流れるようになっている。この回路は、電源の故障、レールの破断、ケーブルの破損などで1箇所でも故障すると電流が流れなくなって列車を検知することができなくなるため、フェールセーフ構成とはなっていない。そのため、列車を誤って検知することが、検知に失敗することより危険になるような場合や、踏切の保安装置での点制御方式において、終止点での列車検知に利用される場合では、こうした軌道回路が用いられる。