CZ292986B6 - Stejnosměrný vstupní článek pro obvody sběru dat - Google Patents

Abstract

Stejnosměrný vstupní článek pro obvody sběru dat, zejména pro oblast železniční dopravy, je tvořen alespoň dvěma paralelními větvemi (A, B) ze stejných součástek. Každá větev (A, B) obsahuje alespoň jednu Zenerovu diodu (DZ1, DZ2), přepínač (SW1, SW2), zejména elektronický vazební člen (U1, U2), a volitelně odporový prvek (R1, R18). Tyto dvě větve (A, B) jsou spojeny dvěma dalšími elektronickými vazebními členy (U3, U4), z nichž každý obsahuje diodu LED.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká stejnosměrného vstupního článku pro obvody sběru dat, zejména pro železnici.

Dosavadní stav techniky

Dosud užívané vstupní články pro použití v obvodech sběru dat jsou v podstatě sestaveny z bezpečnostních relé, které jsou navzájem propojeny jednoduchým kabelovým vedením. Toto provedení, používající mechanicko-elektrické členy, je přirozeně značně poruchové, montuje se s obtížemi, vyžaduje prakticky stálou kontrolu a údržbu a jeho životnost je v důsledku mechanického opotřebení nízká.

Podstata vynálezu

Vynález přináší podstatně dokonalejší stejnosměrný vstupní článek pro obvody sběru dat, určený zejména pro použití v oblasti železniční dopravy. Bezpečnostní parametry jednotky podle vynálezu jsou přinejmenším rovnocenné dosavadní technice a výhodou je její nižší poruchovost, snadnější údržba, montáž a větší životnost.

Vynález přináší stejnosměrný vstupní článek pro obvody dat, obsahující dvě paralelní větve identických prvků, kde každá větev obsahuje alespoň jednu Zenerovu diodu, přepínač, zejména elektronický vazební člen, a volitelně odporový prvek, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že tyto dvě větve jsou spojeny dvěma dalšími elektronickými vazebními členy, z nichž každý obsahuje diodu LED.

Vynález může být též uspořádán tak, že oba elektronické vazební členy s diodou LED jsou uspořádány paralelně v opačných směrech.

Vynález může být též uspořádán tak, že oba elektronické vazební členy, opatřené diodou LED, jsou uspořádány do série v opačných směrech, přičemž každý z těchto elektronických vazebních členů je uspořádán paralelně s diodou.

Vynález může být též uspořádán tak, že oba elektronické vazební členy, obsahující diodu LED, jsou uspořádány vzájemně v protisměru, přičemž každá z diod LED obou elektronických vazebních členů je uspořádána paralelně s prvním odporovým prvkem.

Vynález může být též uspořádán tak, že každý z elektronických vazebních členů, obsahující diodu LED, je uspořádán do série s druhým odporovým prvkem a každý z těchto druhých odporových prvků je uspořádán paralelně s prvním odporovým prvkem.

Vynález může být též uspořádán tak, že v každé větvi je uspořádána paralelně se Zenerovou diodou druhá Zenerova dioda a za ní je uspořádán přepínač.

Vynález může být též uspořádán tak, že jedna větev obsahuje vyrovnávací stupeň s tranzistorem pro změnu úrovně výstupní impedance.

Uspořádání vstupního článku podle vynálezu vylučuje chyby snímání, umožňuje odhalit případné poruchy v obvodu a na nejmenší míru snížit účinek kolísání parametrů součástek vlivem vnějších faktorů, např. vlivem teploty.

-1 CZ 292986 B6

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn na výkresech, na nichž znázorňuje obr. 1 až 4 schéma principu a uspořádání základních prvků zařízení podle vynálezu, obr. 5A a 5B praktické provedení zařízení podle principů z obr. 1 až 4, obr. 6 a 8 sekvenci příkazů spínače a odezvy v příkladu provedení logického obvodu zařízení podle vynálezu a obr. 7 a 9 postupové schéma zpracování vzorků sekvencí z obr. 6 a 8.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 až 4 jsou znázorněny základní prvky, charakterizující princip zařízení podle vynálezu. Zařízení podle vynálezu, obecně nazvané jako stejnosměrný vstupní článek pro obvody sběru dat, tvoří podle obr. 1 v podstatě dva paralelní obvody shodných součástek, zapojených do série.

Prvou větev A obvodu tvoří Zenerova dioda DZl, dále přepínač SW1, dále elektronický vazební člen U3 opatřený diodou LED a volitelně odporový prvek RL Ve druhé větvi B obvodu je Zenerova dioda DZ2. přepínač SW2. dále elektronický vazební člen U4 opatřený též diodou LED a volitelně další odporový prvek R18.

V takovém uspořádání je referenční práh definován Zenerovými diodami DZ1 nebo DZ2. Nevýhoda tohoto uspořádání spočívá vtom, že odběr garantovaný na prahové úrovni závisí především na citlivosti elektronických vazebních členů U3. U4.

Právě z toho důvodu je navrženo zdvojení obvodů prvků. Podle uspořádání znázorněného na obr. 1 jsou oba elektronické vazební členy U3. U4 zapojeny paralelně tak, aby se kontinuální výměnou dat mezi oběma větvemi A, B prověřovala spojitost systému.

Podle jiného způsobu provedení, který je znázorněn na obr. 2, nejsou již oba elektronické vazební členy U3, U4 řazeny paralelně, ale proti sobě. V tomto případě je samozřejmě nutné k nim připojit paralelně diodu D1, resp. D2. Dioda Dl je řazena paralelně s elektronickým vazebním členem U3. dioda D2 pak paralelně s elektronickým vazebním členem U4 a obě diody DL D2 jsou v protisměru.

Podle jiného výhodného provedení jsou diody Dl a D2 nahrazeny odporovými prvky. V případě uspořádání větví obvodů s diodami je třeba poznamenat, že zde není proudový práh pro emisi diody LED. Dioda má proud za temna, ale ten zůstává nevyužitý.

Diody D1. D2 podle uspořádání z obr. 2 jsou na obr. 3 nahrazeny naprosto shodnými prvními odporovými prvky R5. R12. Tím se na svorkách diod LED elektronických vazebních členů U3, U4 při jejich přepínání garantuje minimální odběr proudu na prahu minimálního napětí IV. Aby tedy dioda emitovala, musí napětí dosáhnout práh IV a proud projde do odporového prvku v protější větvi. Tím se tam napětí mimořádně nezvýší.

Prvé odporové prvky R5. R12 budou tedy garantovat minimální odběr proudu pod prahem.

Jiné zdokonalení spočívá v paralelním připojení Zenerových diod DZ3. DZ4 jednak k Zenerově diodě DZ1 a přepínači SW1 a jednak k Zenerově diodě DZ2 a přepínači SW2. Je třeba

-2CZ 292986 B6 poznamenat, že garance minimálního odběru spočívá v přítomnosti odporových prvků R5, RI2 a že zvýšení jednoho ze dvou odporů vede ke zvýšení prahového napětí. Úplné rozpojení jednoho z odporových prvků R5, R12 je normálně detekováno znemožněním uvést elektronický vazební člen U3, U4 do vodivého stavu.

Nicméně v případě, kdy vstupní napětí překročí určitý práh, odpovídající minimálnímu průraznému napětí diody LED elektronických vazebních členů U3, U4. je možné pokládat funkci za správnou tehdy, kdy dioda LED, vedená do závěrného stavu, se stane průrazem vodivá.

Funkcí Zenerových diod DZ3 a DZ4 je tedy zabránit, aby závěrné napětí na jedné z diod LED elektronických vazebních členů U3, U4 dosáhlo minimálního průrazného napětí diod LED. Působení a hodnotu Zenerových diod DZ3, DZ4 kontrolují elektronické vazební členy U3, U4 v průběhu intervalů výběru, kdy jsou oba přepínače SW2, SW1 rozpojeny.

Jiné zdokonalení znázorněné na obr. 4 předpokládá zařazení druhého odporového prvku R21, R25 do každé větve A, B. Tyto druhé odporové prvky R21, R25 jsou v sérii ke každému elektronickému vazebnímu členu U3. U4 opatřenému diodou LED a paralelně k prvým odporovým prvkům R5. R12. Rovněž druhé odporové prvky R21. R25 musí být shodné. Jejich zařazením se zajistí, že závěrné napětí, které se může objevit na svorkách diody LED, je stále nižší než její průrazné napětí. Jestliže se odporový prvek R12 rozpojí, funkce detekční větve by mohla být zpracovatelskými větvemi považována za normální, jestliže dioda LED elektronického vazebního členu U2 vstoupí do zóny průrazu. Prakticky jsou závěrná napětí diod LED velmi malá a zřídka překročí několik voltů.

Zařazením druhých odporových prvků R21, R25 je pro maximální vstupní napětí zaručeno, že závěrné napětí, které se může objevit na svorkách diody LED, je stále nižší než její průrazné napětí.

Na obr. 5A a 5B je znázorněno zařízení, uspořádané podle principů, uvedených na předešlých obrázcích.

Zařízení na obr. 5A a 5B je uspořádáno ze dvou funkčních bloků, řazených do kaskády. Blok I zajišťuje minimální ochranu proti přepětí a tvoří jej v podstatě odporový prvek R3, který omezuje amplitudu proudových špiček případného vybíjení ve členu VR1. a transzorb TRZ1. který omezuje amplitudu přepětí při případných vybíjeních.

Druhý blok Π realizuje v podstatě funkce prahového napětí jednotky a galvanického oddělení vstupu a výstupů zpracovatelských větví.

Místo přepínačů SW1. SW2, uvedených na předcházejících obrázcích, jsou v uspořádání na obr. 5A a 5B elektronické vazební členy Ul, Ú2, zatímco odporové prvky R18. RI jsou nahrazeny napáječi Π a 12. Proudový napáječ II tvoří prvky R17. 06. 05, DZ4 a R18, proudový napáječ 12 prvky R19, Ol, 02, DZ3 aR2.

Zenerova dioda DZ1, elektronický vazební člen U3 a proudový napáječ II tvoří prvý referenční práh. Druhý referenční práh je realizován Zenerovou diodou DZ2. elektronickým vazebním členem U4 a proudovým napáječem 12.

Elektronické vazební členy jsou programovány tak, aby zpracovatelské větve při každém výběrovém cyklu vstupu DC spolupracovaly při řízení elektronických vazebních členů Ul a U2 podle následující sekvence.

-3CZ 292986 B6

	Ul	U2
fáze 1	„zapnuto“	„vypnuto“
fáze 2	„vypnuto“	„zapnuto“
fáze 3	„zapnuto“	„zapnuto“
fáze 4	„vypnuto“	„vypnuto“

Na konci výběrového cyklu zůstává střídavě jeden ze dvou elektronických vazebních členů Ul, U2 vodivý.

Při každé fázi výběrového cyklu vyhodnocují zpracovatelské řetězce logický stav na výstupním kolektoru elektronického vazebního členu U3, U4.

Rozhodnutí o funkčním stavu článku a logickém stavu vstupního napětí jsou uskutečňována podle následujících tabulek.

Případ 1

	Ul	U2
fáze 1	„vypnuto“	„vypnuto“
fáze 2	„vypnuto“	„vypnuto“
fáze 3	„vypnuto“	„vypnuto“
fáze 4	„vypnuto“	„vypnuto“

Vstup je na úrovni log.,,0“.

Případ 2

	Ul	U2
fáze 1	,,zapnuto“	„vypnuto“
fáze 2	„vypnuto“	„zapnuto“
fáze 3	„vypnuto“	„vypnuto“
fáze 4	„vypnuto“	„vypnuto“

Vstup je na úrovni log.,,1“.

Logický obvod pracuje následujícím způsobem. Jedenkrát v cyklu provádí procesory výběr vstupů v průběhu 20 ms. Nabírají 32 vzorků s odstupem 625 Ts. Mimo tento interval výběru je jeden spínač sepnutý a druhý rozpojený, aby byl zajištěn nepřetržitý odběr. Poloha spínačů se při každém cyklu vystřídá a každý obvod vede střídavě.

Podle jiného výhodného provedení se předpokládají dvě různé výběrové sekvence, kdy při každém cyklu změní zpracovatelské obvody výběrovou sekvenci.

Každá výběrová sekvence je rozložena do dvou intervalů, přičemž

P je počet vzorků čtených v horním stavu na výstupu elektronického vazebního členu Ul větve A v intervalu 15 ms,

N je počet vzorků čtených v horním stavu na výstupu elektronického vazebního členu U2 větve B v intervalu 15 ms,

P' je počet vzorků čtených v horním stavu na výstupu elektronického vazebního členu Ul větve A v intervalu 5 ms a

-4CZ 292986 B6

N' je počet vzorků čtených v horním stavu na výstupu elektronického vazebního členu U2 větve B v intervalu 5 ms.

Sekvence 1

Obr. 6 znázorňuje příkazy přicházející do obou spínačů a odezvy na výstupu příslušného elektronického vazebního členu. Jestliže je příkaz v horním stavu, je elektronický vazební člen sepnutý. Jestliže je odezva v dolním stavu, elektronický vazební člen vede.

Obr. 6 poskytuje přehled o počtu vzorků v horním stavu, které jsou čteny zpracovatelskými řetězci v každém intervalu.

Na obr. 7 je postupové schéma zpracování vzorků sekvence 1, ve kterém v intervalu 15 ms vede pouze větev A. Jestliže vstupní napětí překročí práh, elektronický vazební člen Ul, spojený s větví A, musí vést během celého intervalu. V tomto případě P = 0 a N = 24. V intervalu 5 ms jsou oba přepínače současně sepnuty. Elektronické vazební členy nemohou vést. V tomto případě P'=N' = 8.

Po každé výběrové sekvenci 20 ms, na základě mikropočítačem zpracovaného počtu vzorků v horním stavu, se objeví proměnné HODNOTA a STAV. Proměnná HODNOTA označuje, zda napětí vedené do jednotky je nižší či vyšší než prahové.

HODNOTA = 0 Ujn < Upjah

HODNOTA = 1 Ujn — Upjat

Proměnná STAV označuje správnou funkci vstupního okruhu.

STAV = 0 -> porucha

STAV = 1 -> správná funkce článku

Binární proměnná, kterou logický obvod vyhodnotí pro pokračování zpracování je HODNOTA * STAV. Vstup tedy nikdy nemůže být kalkulován v případě poruchy. Značka otazníku - ? udává, že proměnná není změněna.

Jak je znázorněno na obr. 7, určité odchylky od ideálního počtu vzorků se tolerují. Tolerance jsou nutné pro zajištění správné funkce jednotky vzhledem k reakčnímu času elektronických součástek, což jsou elektronické vazební členy, tranzistory, atd., při změně řízení přepínačů.

Sekvence 2

Sekvence 2, znázorněná na obr. 8, je doplňkem sekvence 1. V intervalu prvých 15 milisekund je řízena pouze větev B. V průběhu posledních 5 milisekund jsou obě větve rozpojeny.

Obr. 9 znázorňuje postupové schéma zpracování vzorků.

Aby logický obvod hodnotil vstupní napětí jako vyšší než prahové je třeba, aby během čtyř následných výběrů, tedy sekvence 1, sekvence 2, sekvence 1 a sekvence 2, byl výsledek zpracování HODNOTA * STAV = 1.

Užití takových výběrových sekvencí umožní zajistit netečnost jednotky na každé střídavé napětí 50 Hz.

Kritériem pro výběr obou elektronických vazebních členů Ul, U2, které mají funkci spínače, je schopnost pracovat s co nej slabším proudem diody LED, což zajistí správnou funkci komutace.

-5CZ 292986 B6

Jiným nutným kritériem pro výběr elektronických vazebních členů Ul, U2 je dosažení minimálního oddělení mezi vstupem a výstupem.

Užitečné signály na výstupu z jednotky se objevují na kolektorech výstupních elektronických vazebních členů se zvýšenou úrovní výstupní impedance pro elektrický stav „1“ a se slabou úrovní impedance pro elektrický stav „0“. Tato charakteristika představuje nebezpečí vzniku logické funkce „OU“ na obou zpracovatelských větvích z hlediska stavu vstupů v případě poruch vlivem krátkých spojení mezi výstupními signály různých článků. Tomu lze předejít tím, že pouze do větve A, jak je znázorněno na obr. 5A a 5B, se zařadí koncový stupeň s tranzistorem, který invertuje úroveň výstupních impedancí takovým způsobem, aby v tomto případě byla nízká úroveň impedance pro elektrický stav „1“ a zvýšená úroveň impedance pro elektrický stav „0“. Koncový stupeň tvoří následující prvky tranzistoru R9, 03. R10, Rll, a 04.

Vytvořením asymetrie mezi oběma řetězci větvemi A. B se využije, v případě vícenásobných poruch zasahujících případně stejné jednotky obou zpracovatelských větví, následující chování. Ekvivalent funkce „OU“ na elektrické úrovni se realizuje na jednotkách větve A, zatímco ekvivalent funkce „ET“ na elektrické úrovni se realizuje na jednotkách větve B.

To vede k detekci odchylky mezi zpracovatelskými větvemi, jakmile se oba články, zasažené poruchovými obvody, nachází v různých stavech.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný v elektronickém průmyslu a zejména prakticky v železniční dopravě.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (7)

1. Vynález je využitelný v elektronickém průmyslu a zejména prakticky v železniční dopravě.

   PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Stejnosměrný vstupní článek pro obvody sběru dat, obsahující dvě paralelní větve (A, B) identických prvků, kde každá větev (A, B) obsahuje alespoň jednu Zenerovu diodu (DZ1, DZ2), přepínač (SW1, SW2), zejména elektronický vazební člen (Ul, U2), a volitelně odporový prvek (R1 , R18), vyznačující se tím, že tyto dvě větve (A, B) jsou spojeny dvěma dalšími elektronickými vazebními členy (U3, U4), z nichž každý obsahuje diodu LED.
2. 2. Stejnosměrný vstupní článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba elektronické vazební členy (U3, U4) s diodou LED jsou uspořádány paralelně v opačných směrech.
3. 3. Stejnosměrný vstupní článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba elektronické vazební členy (U3, U4), opatřené diodou LED, jsou uspořádány do série v opačných směrech, přičemž každý z těchto elektronických vazebních členů (U3, U4) je uspořádán paralelně s diodou (Dl, D2).
4. 4. Stejnosměrný vstupní článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že oba elektronické vazební členy (U3, U4), obsahující diodu LED, jsou uspořádány vzájemně v protisměru, přičemž každá z diod LED obou elektronických vazebních členů (U3, U4) je uspořádána paralelně s prvním odporovým prvkem (R5, R12).
5. 5. Stejnosměrný vstupní článek podle nároků laž4, vyznačující se tím, že každý z elektronických vazebních členů (U3, U4), obsahující diodu LED, je uspořádán do série s druhým odporovým prvkem (R21, R25) a každý z těchto druhých odporových prvků (R21, R25) je uspořádán paralelně s prvním odporovým prvkem (R5, R12).

   -6CZ 292986 B6
6. 6. Stejnosměrný vstupní článek podle nároků laž4, vyznačující se tím, že v každé větvi (A, B) je uspořádána paralelně se Zenerovou diodou (DZ1, DZ2) druhá Zenerova dioda (DZ3, DZ4) a za ní je uspořádán přepínač (SW1, SW2).
7. 7. Stejnosměrný vstupní článek podle nároků laž6, vyznačující se tím, že jedna větev (A) obsahuje vyrovnávací stupeň s tranzistorem (R9, Q3, R10, R11, Q4) pro změnu úrovně výstupní impedance.