JP3809094B2 - 状態情報とりわけ鉄道車両に関する状態情報を伝送するための電気回路およびそのような回路を含む電気システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オン／オフ型の情報を伝達するための電気回路に関し、とりわけ、鉄道の分野において使用される電気回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
列車においては、パラメータまたは機器の状態を示す多くのオン／オフ型の信号が、例えば、自動管制電子回路へ、あるいは、監視警報パネルへ伝達される。例えば、そのような信号は、遮断器の状態、あるいは、車両に入るためのドアの開位置または閉位置を表現し、それらの信号は、高い安全性およびアベイラビリティでもって伝達されなければならず、コンピュータ型の低エネルギーリンクをこの種の分野に使用するのを不適切なものにしている。
【０００３】
現在使用されている解決方法は、閉ループ電気回路を蓄電池の２端子に接続することであり、その回路は、監視する装置の状態に対応した少なくとも１つのスイッチと、抵抗と、例えば、自動管制電子回路または監視警報パネルのような、信号内に含まれる情報の宛先デバイスに接続された絶縁リンクとを直列に備える。
【０００４】
スイッチの開位置または閉位置は、パラメータまたは機器の状態を表現する。スイッチを閉じると、抵抗によってその大きさが制限された電流が、回路に流れる。スイッチを開くと、電流は、流れない。この電流の有無が、絶縁リンクによって、電子回路へ伝達されるオン／オフ情報に変換される。
【０００５】
一般的には、列車は、同一の蓄電池の端子に接続された複数のそのような回路を有する。
【０００６】
スイッチは、酸化しやすいので、スイッチをクリーニングするために、約数十ミリアンペア程度の最小電流をそれぞれのスイッチに流さなければならない。電流は、抵抗で消費されて失われる。さらに、ジュール効果によって抵抗で消費された電力は、除去されなければならない熱を発生させる。既知の解決方法は、ファンを使用することだが、現在、列車に搭載された電子回路を冷却する方法としてそのようなファンを使用することは、信頼性の理由から、敬遠されており、それどころか禁止されてもいる。なぜなら、ファンは、詰まり、あるいは、動かなくなり、そして、たいていの場合には、故障するかもしれない機械的な構成要素を含むからである。
【０００７】
電気部品および電子部品の信頼性は、周囲温度が上昇すると、大きく減少するので、熱をできるだけ発生させないようにする。
【０００８】
さらに、蓄電池は、一般には、いくつかの回路、また、その他の機器に電力を供給するので、端子の負荷とともに、蓄電池が提供する電圧は、時間によって変化する。したがって、回路に流れる電流もまた蓄電池の負荷状態に応じて変化する。
【０００９】
従って、スイッチをクリーニングするのに必要な最小電流を得るために、大量の余分な電流すなわち電力が、回路が動作中のある期間において、消費されなければならない。その結果として追加して生じる熱が、上述した熱を除去する問題をさらに増長する。
【００１０】
消費される熱の量は、スイッチの数および伝送する情報とともに増加する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の上述した不都合を緩和しようとするものである。
【００１２】
したがって、本発明は、オン／オフ型の情報を高い信頼性およびアベイラビリティでもって伝達し、それと同時に、ジュール効果によって消費される電力を減少させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明は、パラメータまたは機器の状態を伝送する電気回路を提供し、電気回路は、電力供給蓄電池の端子に接続されるように構成され、
前記電気回路と状態情報を伝送する出力との間の絶縁リンクと、
スイッチの開位置または閉位置が状態情報を表現し、電流が前記電気回路に流れるかどうかを決定するスイッチであり、電気回路が、スイッチから絶縁リンクを介して出力へ状態情報の伝送を保証する、スイッチとを備え、
スイッチを流れる電流の大きさを加減するために、スイッチング手段と協働する可変電圧発生手段をさらに備えて、可変電圧発生手段の出力電圧に応じて、電気回路の構成素子に選択的に電力を供給し、
スイッチと直列に接続された誘導性フィルター手段と、容量性蓄積手段とをさらに備え、それぞれが、定常状態下において、可変電圧発生器の出力電圧に基づいて、電気回路のエネルギーの一部分の蓄積および放出手段を構成することを特徴とする。
【００１４】
この電気回路の別の特徴によれば、
誘導性フィルター手段が、スイッチのすぐ近くに配置される。
【００１５】
ダイオードが、スイッチと誘導性フィルター手段との間に配置され、ダイオードは、スイッチの電流が誘導性フィルター手段からスイッチへ流れないようにバイアスをかけられる。
【００１６】
誘導性フィルター手段が、コイルから構成され、電気回路が、スイッチおよびコイルと直列に、並列の第１および第２の枝を有し、かつ、スイッチおよびコイルと並列に、第２の枝の点に接続された抵抗を有し、コンデンサが、第１の枝内に接続され、
接続スイッチング手段が、一方は、第１および第２の枝の接続点の一つと、他方は、抵抗が第２の枝に接続される点との間の第２の枝内に接続されたダイオードを備え、第２の枝が、同様に、一方は、第１および第２の枝の接続点のもう１つと、他方は、抵抗が第２の枝に接続される点との間に接続されたコンデンサをさらに備える。
【００１７】
絶縁リンクが、誘導性フィルター手段と直列に接続される。
【００１８】
絶縁リンクが、抵抗と直列に接続される。
【００１９】
電圧発生手段によって生成される信号が、オプションとして０ボルトが中央にくるように配置された、方形波、三角波、または、正弦波の信号である。
【００２０】
可変電圧発生手段が、第１の枝内に接続される。
【００２１】
絶縁リンクが、光カプラーからなる。
【００２２】
絶縁リンクが、トランスからなる。
【００２３】
絶縁リンクが、スイッチと直列に接続されたトランスからなり、また、トランスの一次巻線が、同時に、誘導性蓄積手段の少なくとも一部分を構成する。
【００２４】
スイッチの入力が、蓄電池の端子に接続され、ピーククリッパーが、スイッチの出力と蓄電池の他方の端子との間に配置される。
【００２５】
さらに、本発明は、複数の状態情報を伝送するように構成された電気システムを提供し、電気システムは、
蓄電池と、上記において定義された複数の電気回路とを備え、それぞれが１つの状態情報を伝送し、複数の電気回路が、前記蓄電池の端子に並列に接続されることを特徴とする。
【００２６】
電気システムの別の特徴によれば、電気システムが、鉄道車両に搭載され、スイッチのそれぞれが、鉄道車両の装置または機器に関連付けられ、その状態または位置を監視する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
例として提供された以下の説明を読み、添付の図面を参照することによって、本発明をより良く理解できる。
【００２８】
図面をよりわかりやすくするために、本発明を理解するのに必要な構成要素だけが示される。それぞれの図面を通して、同一の構成要素は、同一の符号を有する。
【００２９】
図１は、監視する装置または機器、とりわけ鉄道車両の機器の状態を表わすオン／オフ情報を伝送するのに適した伝送回路の特別な実施形態を示す。図１では、蓄電池の端子間に並列に接続され、かつ、自動管制電子回路に複数のオン／オフ情報を伝送するのに適した類似する複数の基本回路を備えたより完全な電気システム（図示しない）に関連する基本回路を示す。
【００３０】
電気的な伝送回路は、蓄電池３の端子に接続され、接続Ｓは、基本回路の出力において、以下で説明するリンクによってオン／オフ情報を取り込み、電子回路２の入力ポートの中の１つに伝送する。
【００３１】
また、電子回路２は、例えば、自動管制（図示しない）のための出力ポート４を有する。
【００３２】
対象とする主な用途においては、蓄電池３、電気システム、および、電子回路２は、列車に搭載される。当然ながら、自動管制用電子回路２は、監視警報パネルまたはオン／オフ情報を受け取って処理するのに適したどのような装置で置き換えてもよい。
【００３３】
一般的には、蓄電池３は、列車全体に使用される唯一のＤＣ電圧源である。ゆえに、ＤＣ電源を必要とする様々な搭載機器は、ただ１つの蓄電池３から電力を供給される。したがって、端子の負荷に応じて、蓄電池３が提供する電圧は、公称電圧の０．６から１．４倍までの範囲で、時間によって変化する可能性がある。
【００３４】
現在、列車において一般的に使用される蓄電池３は、２４ボルト、３６ボルト、４８ボルト、９６ボルト、および、１１０ボルトの公称電圧を有する。
【００３５】
図１に示されるように、電気的な伝送回路は、蓄電池３から電力を供給されるループＢを備え、ループＢは、直列に配置された、スイッチ５、ダイオード１６、コイル６、例えば光カプラーによって実現されてもよい絶縁リンク７、および、絶縁リンク７の出力に配置された点Ａから並列に分岐する２つの枝８および９を備える。ダイオード１６は、コイル６が光カプラー７以外を経由してよそへ放電しないようにバイアスをかけられる。
【００３６】
便宜上、以下の説明においては、次の約束に従うものとする。すなわち、ループＢにおいて蓄電池３の正端子から負端子へ流れる電流の方向が、ループＢの正方向を定義するものとする。
【００３７】
枝８は、直列に配置された、コンデンサ１０と、図２に示されるような半周期ｔ_０および対称ピークツーピーク振幅Ｖ_ｇを有する方形波信号を生成する可変電圧発生器１とを備える。電圧振幅Ｖ_ｇの値は、蓄電池３の端子電圧Ｅよりも小さくなるように選択され、例えば、約１５Ｖである。
【００３８】
第２の枝９は、ダイオード１２およびコンデンサ１３を直列に備える。抵抗１４が、ダイオード１２とコンデンサ１３との間に位置する第２の枝９の点Ｐと蓄電池３の正端子との間に配置される。ダイオード１２は、コンデンサ１３が抵抗１４以外を経由してよそへ放電しないようにバイアスをかけられる。
【００３９】
以下、この電気回路の動作を説明する。以下の説明においては、約束として次の呼称を用いる。
【００４０】
Ｖ_ｄは、それぞれダイオード１０、１６における電圧降下であり、ここで、Ｖ_ｄは、約０．５Ｖであり、
Ｖ_ｌｅｄは、光カプラー７のＬＥＤにおける電圧降下であり、ここで、Ｖ_ｌｅｄは、約２Ｖであり、
Ｖ_ｃは、入力接点５における電圧降下であり、ここで、Ｖ_ｃ＜Ｅであり、
Ｖ_Ａは、点Ａにおける電圧であり、Ｖ_Ｐは、点Ｐにおける電圧である。
【００４１】
コンデンサ１０および１３のキャパシタンスは、Ｃ_１３≫Ｃ_１０であるように選択され、抵抗１４の抵抗は、小さいものが選択される。
【００４２】
状態を監視する装置または機器が、スイッチ５を開閉する。
【００４３】
スイッチ５が開いているとき、ダイオード１６から上流側の電圧は、０であり、また、光カプラー７のＬＥＤを流れる電流ｉ_ｌｅｄは、０であり、したがって、光カプラーは、出力電流を接続Ｓにまったく提供しない。
【００４４】
スイッチ５が、その開位置から閉位置へ動かされると、電圧発生器１の出力電圧に応じて、２つの異なる段階が開始する。電気回路は定常状態にあると仮定する。
【００４５】
第１の段階において、電圧発生器１の電圧は、時刻ｔ＝０において、−１／２Ｖ_ｇから＋１／２Ｖ_ｇに変化する。したがって、インダクタンスＬのコイル６には、蓄電池３によってダイオード１６を介して電圧が印加され、ダイオード１２が、即座に導通状態となり、点Ａにおける電圧Ｖ_Ａは、点Ｐにおける電圧Ｖ_Ｐに等しくなる。すなわち、第２の枝９における電圧を考慮に入れ、また、抵抗１４の端子間の電圧を無視することによって、
【００４６】
【数１】

となる。
【００４７】
ダイオード１２が、導通するので、第１の枝８のコンデンサ１０の電荷の変動は、次の関係式に従って、ダイオード１２を介して第２の枝９のコンデンサ１３へ即座に伝達される。すなわち、
【００４８】
【数２】

ここで、
【００４９】
【数３】

および、
【００５０】
【数４】

したがって、
【００５１】
【数５】

となる。
【００５２】
また、第１の枝のコイル６の電荷の変動は、ダイオード１２を介してコンデンサ１３へ即座に伝達され、コンデンサ１３の端子間の電圧をわずかに増加させ（Ｃ_１３≫Ｃ_１０であるから）、さらに、電荷は、抵抗１４において消費される。
【００５３】
この第１の段階の期間においては、コイル６における電流変動は、関係式
【００５４】
【数６】

から計算することができ、コイル６の端子間の電圧は、
【００５５】
【数７】

に等しい。したがって、
【００５６】
【数８】

となる。
【００５７】
したがって、第１の段階の期間において、コイルの電流は、以下の関係式に従って、線型に変化する。すなわち、
【００５８】
【数９】

そして、コイル６は、電流発生器として動作する。コイル６のインダクタンスＬは、大きいので、
【００５９】
【数１０】

となり、これは、きわめて小さいものである。したがって、第１の段階の期間において、光カプラー７のＬＥＤを流れる電流の変動は、きわめて小さい。
【００６０】
第２の段階において、電圧発生器両端の電圧は、
【００６１】
【数１１】

において、＋１／２Ｖ_ｇから−１／２Ｖ_ｇに変化し、ダイオード１２は、非導通状態になる。そして、点Ａにおける電圧は、即座に
【００６２】
【数１２】

となり、再び第１の段階が開始時のレベルに対応する
【００６３】
【数１３】

において、値
【００６４】
【数１４】

に達するまで変化する。この段階の期間においては、コイル６を流れる電流は、ダイオード１２によって阻止され、したがって、すべてがコンデンサ１０へ流れ込み、そのコンデンサ１０は、以下の電荷を受け取る。すなわち、
【００６５】
【数１５】

したがって、コンデンサ１０は、第１の段階の期間において失った電荷を取り戻す。
【００６６】
コンデンサ１０の端子においては、
【００６７】
【数１６】

となり、ここで、ｉ_ｌｅｄは、ほぼ一定である。なぜなら、コイル６のインダクタンスＬは、大きいからである。
【００６８】
したがって、これから、電圧が、この間、ほぼ線型に変化することが推定される。したがって、点Ａにおける電圧は、以下の関係式に従って変化し、
【００６９】
【数１７】

次の式が得られる。
【００７０】
【数１８】

すなわち、
【００７１】
【数１９】

コイル６の端子間の電圧は、以下の関係式によって決定される。
【００７２】
【数２０】

したがって、
【００７３】
【数２１】

すなわち、
【００７４】
【数２２】

および、
【００７５】
【数２３】

すなわち、
【００７６】
【数２４】

第１および第２の段階の期間において、コイル６に流れる電流ｉ_Ｌの変動が、わかりやすいように誇張して図３のグラフに示される。
【００７７】
図３において、コイル６に流れる電流ｉ_Ｌは、完全に一定ではなく、小さな範囲だけで変化する。その平均値は、スイッチ５をクリーニングするのに必要な最小電流を得るように、電圧発生器１によって生成される電圧Ｖ_ｇのデューティ比および振幅を加減することによって調節することができ、この例においては、デューティ比は、
【００７８】
【数２５】

に等しい。
【００７９】
コイル６を流れる電流は、光カプラー７にも流れるので、スイッチ５を閉じれば、電流が、光カプラー７に流れ、光カプラー７は、それに応じて、接続Ｓにおける出力信号を生成する。スイッチ５と直列に接続された光カプラー７の位置は、都合がよい。なぜなら、光カプラーが出力において生成する信号は、コイル６を流れる電流の波形をかなり忠実に表現しているからである。
【００８０】
本発明の動作は、上述したように、ジュール効果によって消費されるエネルギーを以下の２つの点で減少させる。
【００８１】
まず第１に、電圧発生器１が、回路内のエネルギーレベルを維持し、そして、目的のために電圧発生器１が放出した電力しかジュール効果によって消費されない。
【００８２】
第２に、回路に流される電流ｉ_Ｌの大きさは、蓄電池３によって提供される電圧Ｅに関係しない。したがって、蓄電池３によって提供される電圧Ｅの変動は、抵抗１４によって消費される電流をなんら変動させることがない。
【００８３】
図４は、図１に示される電気回路を変形させた実施形態を示し、ピーククリッパー１１が、スイッチ５とダイオード１６との間に位置する点と蓄電池３の負端子との間に配置される。この電気回路の動作に変わりはなく、ピーククリッパー１１は、電圧サージにに対する耐力を補強する。
【００８４】
もう１つの変形実施形態（図示しない）においては、絶縁リンク７は、トランスによって実施される磁気結合からなり、さらに、トランスの一次巻線は、少なくとも部分的に、コイル６の巻線を構成し、二次巻線は、接続Ｓに接続される。この電気回路の動作に変わりはない。スイッチ５を閉じたとき、コイル６を流れる電流ｉ_Ｌの変動は、トランス７の二次巻線の端子において、電圧および／または電流を出力として生成し、整流器（図示しない）によって整流された後、出力信号を形成する。
【００８５】
さらにもう１つの変形実施形態（図示しない）においては、絶縁リンク７は、負荷抵抗１４と直列に配置されてもよく、この基本回路の動作に変わりはない。
【００８６】
本発明は、上述した変形の実施形態に限定されない。とりわけ、電流発生器は、オプションとして０ボルトが中央にくるように配置された三角波または正弦波のようなその他の可変波形を提供してもよい。上述した実施形態においては、関係式を簡単にするために、また、電気回路の動作を説明するのを容易にするために、方形波信号を生成する可変電圧発生器を選択した。しかしながら、実際には、好適には、三角波信号を生成する電圧発生器が選択される。
【００８７】
本発明は、鉄道車両だけに適用されるものではなく、あらゆる分野において、オン／オフ情報を伝送することに関係するものである。
【００８８】
本発明の利点の中でも、とりわけ、光カプラーの上流側にコイルがあることは、光カプラーに流れる電流を平滑化することを可能にし、それによって、リップルを小さいものにし、そして、それは、光カプラーが比較的長い寿命を有するのに都合がよいことに注意されたい。
【００８９】
さらに、電気回路の入力側に位置するコイルは、また、他の機器に伝送される可能性のある電磁雑音が生成されるのを制限するのを可能にする。
【００９０】
また、蓄電池の正端子と負端子との間にコンデンサがあることは、電気回路の能動素子の中の１つが故障した場合に、いかなる環境下においても、蓄電池の端子において短絡回路が存在しないことを保証するのを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特別な実施形態における複数のオン／オフ情報を伝送するための電気回路を示す図である。
【図２】電圧発生器の出力電圧を示すグラフである。
【図３】スイッチを含む回路の枝における時間の関数としての電流の理想値を示すグラフである。電流変動を誇張して示すために、ｙ軸が拡大されている。
【図４】図１に示される電気回路の変形実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 可変電圧発生器
２ 電子回路
３ 蓄電池
４ 出力ポート
５ スイッチ
６ コイル
７ 絶縁リンク
８、９ 枝
１０、１３ コンデンサ
１２、１６ ダイオード
１４ 抵抗
Ｓ 接続
Ｂ ループ

Claims (14)

1. パラメータまたは機器の状態を伝送する電気回路であって、前記電気回路は電力供給蓄電池（３）の端子に接続されるように構成され、
   前記電気回路と状態情報を伝送する出力（Ｓ）との間の絶縁リンク（７）と、
   スイッチ（５）の開位置または閉位置が状態情報を表現し、電流が前記電気回路に流れるかどうかを決定するスイッチ（５）であり、電気回路が、スイッチ（５）から絶縁リンク（７）を介して出力（Ｓ）への状態情報の伝送を保証する、スイッチ（５）とを備え、
   スイッチ（５）を流れる電流の大きさを加減するために、スイッチング手段（１２）と協働する可変電圧発生手段（１）をさらに備えて、前記可変電圧発生手段（１）の出力電圧に応じて、電気回路の構成素子に選択的に電力を供給し、
   スイッチ（５）と直列に接続された誘導性フィルター手段（６）と、容量性蓄積手段（１３）とをさらに備え、それぞれが、定常状態下において、可変電圧発生器（１）の出力電圧に基づいて、前記電気回路のエネルギーの一部分の蓄積および放出手段を構成することを特徴とする電気回路。
2. 誘導性フィルター手段（６）が、スイッチ（５）のすぐ近くに配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気回路。
3. ダイオード（１６）が、前記スイッチ（５）と前記誘導性フィルター手段（６）との間に配置され、前記ダイオード（１６）は、スイッチ（５）の電流が誘導性フィルター手段（６）からスイッチ（５）へ流れないようにバイアスをかけられることを特徴とする請求項２に記載の電気回路。
4. 誘導性フィルター手段が、コイル（６）から構成され、電気回路が、スイッチ（５）およびコイル（６）と直列に、並列の第１および第２の枝（８、９）を有し、かつ、スイッチ（５）およびコイル（６）と並列に、第２の枝（９）の点（Ｐ）に接続された抵抗（１４）を有し、コンデンサ（１０）が、第１の枝（８）内に接続され、
   接続スイッチング手段が、一方は、第１および第２の枝（８、９）の接続点の１つと、他方は、抵抗（１４）が第２の枝（９）に接続される点（Ｐ）との間の第２の枝（９）内に接続されたダイオード（１２）を備え、第２の枝（９）が、同様に、一方は、第１および第２の枝（８、９）の接続点のもう１つと、他方は、抵抗（１４）が第２の枝（９）に接続される点（Ｐ）との間に接続されたコンデンサ（１３）をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気回路。
5. 絶縁リンク（７）が、誘導性フィルター手段（６）と直列に接続されることを特徴とする請求項４に記載の電気回路。
6. 絶縁リンク（７）が、抵抗（１４）と直列に接続されることを特徴とする請求項４に記載の電気回路。
7. 電圧発生手段によって生成される信号が、オプションとして０ボルトが中央にくるように配置された、方形波、三角波、または、正弦波の信号であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電気回路。
8. 可変電圧発生手段が、第１の枝（８）内に接続されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電気回路。
9. 絶縁リンク（７）が、光カプラーからなることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電気回路。
10. 絶縁リンク（７）が、トランスからなることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電気回路。
11. 絶縁リンク（７）が、スイッチ（５）と直列に接続されたトランスからなり、また、トランスの一次巻線が、同時に、誘導性蓄積手段の少なくとも一部分を構成することを特徴とする請求項１０に記載の電気回路。
12. スイッチ（５）の入力が、蓄電池（３）の端子に接続され、ピーククリッパー（１１）が、前記スイッチ（５）の出力と蓄電池（３）の他方の端子との間に配置されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気回路。
13. 複数の状態情報を伝送するように構成された電気システム（１）であって、
    蓄電池（３）と、請求項１から１２のいずれか一項に記載の複数の電気回路とを備え、それぞれが１つの状態情報を伝送し、複数の電気回路が、前記蓄電池（３）の端子に並列に接続されることを特徴とする電気システム（１）。
14. 電気システム（１）が、鉄道車両に搭載され、スイッチ（５）のそれぞれが、前記鉄道車両の装置または機器に関連付けられ、その状態または位置を監視することを特徴とする請求項１３に記載の電気システム（１）。

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