PL180737B1 - Alternating current input circuit for a data acquiring circuitry - Google Patents

Abstract

1. Zmiennopradowa komórka wejsciowa dla obwodów gromadzacych dane, znamienna tym, ze zawiera pierwsza linie (A) przyjmujaca sygnal zmiennopradowy ze zmiennopradowego zródla zasilania i ta pierwsza linia obejmuje pierwszy izo- lator optyczny (U1) zawierajacy diode LED, wla- czony szeregowo pomiedzy pierwsza dioda Zenera (DZ1) oraz pierwsza dioda (D2), jak równiez pierw- szy szeregowy rezystor (R1 ), polaczony szeregowo ze wskazana dioda Zenera (DZ1), przy czym ta pierwsza linia (A) jest skonfigurowana tak, ze wskazany pierwszy izolator optyczny (Ul) emituje tylko przy poziomie napiecia odniesienia pierwszej polowy cyklu sygnalu zmiennopradowego oraz druga linie (B) przyjmujaca sygnal zmiennoprado- wy ze zmiennopradowego zródla zasilania i ta druga linia obejmuje drugi izolator optyczny (U2), wla- czony szeregowo pomiedzy druga dioda Zenera (DZ2) oraz druga dioda (D4), jak równiez drugi szeregowy rezystor (R2), polaczony szeregowo ze wskazana druga dioda Zenera (DZ2) tak, ze wska- zany dragi izolator optyczny (U2) emituje tylko przy poziomie napiecia odniesienia drugiej polowy cyklu sygnalu zmiennopradowego. n a 1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Obecny wynalazek odnosi się zasadniczo do zmiennoprądowej komórki wejściowej dla obwodów gromadzących dane, w szczególności do zastosowań w kolejnictwie.

Aktualnie, zmiennoprądowe obwody wejściowe przeznaczone dla obwodów gromadzących dane zawierają głównie mechaniczne przekaźniki bezpiecznikowe połączone prostym okablowaniem.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 4 091 292 znany jest układ skanujący potencjał prądu stałego w zakresie określonej wartości krytycznej. Układ generuje sygnał ostrzegawczy, jeśli wartość potencjału odbiega od dopuszczalnego zakresu. W układzie tym zastosowane są dwie diody Zenera oraz dwa sprzęgane optycznie izolatory. Jeśli potencjał prądu stałego mieści się w zakresie krytycznym zmiennoprądowy sygnał próbny polaryzuje zaporowo jeden sprzęgany optycznie izolator i wywołuje polaryzację przewodzenia w drugim izolatorze podczas dodatniego pół-okresu, zaś podczas ujemnego pół-okresu - polaryzuje zaporowo ów drugi izolator oraz wywołuje polaryzację przewodzenia w pierwszym. Tak więc dwa optycznie sprzęgane izolatory przewodzą w naprzemiennych pół-okresach zmiennoprądowy sygnał próbny. Gdy potencjał prądu stałego przekracza dozwolony zakres, sprzęgane optycznie izolatory przestają naprzemienne przewodzenie i układ sygnalizuje błąd. Gdy którakolwiek dioda Zenera ulega uszkodzeniu w sposób zmieniający jej charakterystykę tak,

180 737 że układ nie mógłby wykryć zmiany napięcia do wartości poza dopuszczalnym zakresem układ sygnalizuje błąd.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP-A-183406 znany jest ostrzegawczy obwód przełącznikowy. Obwód ten ma wyjście dynamiczne, w którym stanowi pobudzenia odpowiada sygnał zmienny. Sygnał taki zapewnia wyjściowe urządzenie transformatorowe, zasilane przez dwa przeciwne układy przełącznikowe prądu przeciwfazowego.

Celem wynalazku jest zapewnienie zmiennoprądowej komórki wejściowej przeznaczonej dla obwodów gromadzących dane, zwłaszcza do zastosowań w kolejnictwie, której zachowanie pod względem bezpieczeństwa będzie co najmniej równe wcześniejszym rozwiązaniom, przy zapewnieniu korzyści takich jak: zwartość, łatwiejsze utrzymanie i konserwacja oraz dostosowywanie, a także dłuższa żywotność.

W szczególności obecny wynalazek ma zapewnić komórkę, w której błąd w odczycie będzie zawsze zapewniał wskazanie bezpieczniejsze.

Wynalazek ma również na celu zapewnienie wykrywania wad, które mogą wystąpić w różnych elementach składowych tej komórki.

Wynalazek, dodatkowo ma na celu zapewnienie minimalizowania wpływu zmian w charakterystykach używanych składników, na skutek zewnętrznych czynników, na przykład wzrostu temperatury.

Powyższe cele osiągnięto dzięki opracowaniu rozwiązania według wynalazku.

Zmiennoprądowa komórka wejściowa dla obwodów gromadzących dane, według wynalazku cechuje się tym, że zawiera pierwszą linię przyjmującą sygnał zmiennoprądowy ze zmiennoprądowego źródła zasilania i ta pierwsza linia obejmuje pierwszy izolator optyczny zawierający diodę LED, włączony szeregowo pomiędzy pierwszą diodą Zenera oraz pierwszą diodą, jak również pierwszy szeregowy rezystor połączony szeregowo ze wskazaną diodą Zenera, przy czym ta pierwsza linia jest skonfigurowana tak, że wskazany pierwszy izolator optyczny emituje tylko przy poziomie napięcia odniesienia pierwszej połowy cyklu sygnału zmiennoprądowego oraz drugą linię przyjmującą sygnał zmiennoprądowy ze zmiennoprądowego źródła zasilania, a ta druga linia obejmuje drugi izolator optyczny, włączony szeregowo pomiędzy drugą diodą Zenera oraz drugą diodą, jak również drugi szeregowy rezystor, połączony szeregowo ze wskazaną drugą diodą Zenera tak, że wskazany drugi izolator optyczny emituje tylko przy poziomie napięcia odniesienia drugiej połowy cyklu sygnału zmiennoprądowego.

W zmiennoprądowej komórce wejściowej według wynalazku pierwsza linia i druga linia są korzystnie połączone szeregowo.

Alternatywnie, w zmiennoprądowej komórce wejściowej według wynalazku pierwsza linia i druga linia są połączone równolegle.

Korzystnie, w zmiennoprądowej komórce wejściowej według wynalazku dwa rezystory są przyłączone równolegle do wskazanych diod LED każdego izolatora optycznego, po jednym do każdej.

Korzystnie, w zmiennoprądowej komórce wejściowej według wynalazku znajduje się czterozaciskowy kondensator zapewniający minimalne zużycie mocy.

Korzystnie, w zmiennoprądowej komórce wejściowej według wynalazku jedna z linii obejmuje stadium buforowe w skład którego wchodzi rezystor i tranzystor, przy czym stadium buforowe jest podłączone pomiędzy izolatorem optycznym tej linii a wyjściem z tej linii w taki sposób, że impedancja wyjściowa ulega inwersji.

Jak wyjaśniono wyżej, obecny wynalazek odnosi się do zmiennoprądowej komórki wejściowej dla obwodów gromadzących dane, zawierającej co najmniej jeden zespól detekcyjny do wykrywania napięcia większego niż napięcie odniesienia dla dodatniego pół-okresu napięcia wejściowego oraz zespół detekcyjny do wykrywania napięcia większego niż napięcie odniesienia dla ujemnego pół-okresu napięcia wejściowego.

Każdy z tych zespołów detekcyjnych zawiera diodę Zenera, izolator optyczny, zawierający emisyjną diodę LED, diodę i rezystor, połączone szeregowo.

180 737

Zgodnie z pierwszym korzystnym przykładem wykonania obecnego wynalazku elementy tworzące każdy z zespołów detekcyjnych połączone są w jedną gałąź, a obie gałęzie połączone są równolegle.

W tym przypadku elementy tworzące zespół detekcyjny dla ujemnego pół-okresu ustawione są w odwrotnej kolejności niż elementy tworzące zespól detekcyjny dla dodatniego pół-okresu.

Zgodnie z innym przykładem realizacji obecnego wynalazku, oba zespoły detekcyjne połączone są szeregowo w tej samej gałęzi. W tym przypadku elementy tworzące zespół detekcyjny dla ujemnego pół-okresu ustawione są w odwrotnej kolejności niż elementy tworzące zespól detekcyjny dla dodatniego pół-okresu.

Szczególnie korzystnie, do każdego z izolatorów optycznych został przyłączony równolegle rezystor, aby umożliwić ograniczenie wpływu prądu upływowego diod Zenera.

Komórka zmiennoprądowa według wynalazku jest zwarta. Ponadto, z uwagi na fakt, iż stan komórki wejściowej uznawany jest za prawidłowy tylko wówczas, gdy obie linie funkcjonują prawidłowo - błąd sygnału zawsze jest odczytywany w sposób zapewniający bezpieczeństwo. Dzięki temu, złe funkcjonowanie indywidualnego elementu układu może być wychwycone nawet wówczas gdy nie spowoduje to rzeczywistej awarii.

Wynalazek ilustruje rysunek, na którym fig. 1 i fig. 2 odtwarzają schematy ideowe podstawowych elementów składowych rozwiązania według wynalazku, zaś fig. 3 przedstawia schemat ideowy rozwiązania według wynalazku, w którym zrealizowano zasady zilustrowane na rysunku fig. 1-2.

Opis kilku korzystnych przykładów realizacji wynalazku.

Aby zrozumieć zasady leżące u podstaw opracowania rozwiązania według wynalazku, odnieść należy się do rysunku fig. 1 i fig. 2, na których zilustrowano podstawowe elementy znamienne tego rozwiązania.

Rozwiązanie według wynalazku, określane powszechnie jako zmiennoprądowa komórka wejściowa dla obwodów gromadzących dane, jak to pokazano na rysunku fig.1, zbudowane jest zasadniczo z dwóch gałęzi, określanych jako linia A i linia B, które zawierają odpowiednio zespół detekcyjny do wykrywania napięcia wyższego niż napięcie odniesienia dla dodatniego pół-okresu napięcia wejściowego (linia A) oraz zespół detekcyjny do wykrywania napięcia wyższego niż napięcie odniesienia dla ujemnego pół-okresu napięcia wejściowego (linia B).

Generalnie, próg napięcia jest realizowany przez pomiar czasu przez jaki, podczas jednego pół-okresu, napięcie wejściowe jest większe niż napięcie odniesienia. Jeżeli ten czas jest większy od z góry ustalonego limitu czasu to napięcie wejściowe uznawane jest za wystarczające, w przeciwnym przypadku uznaje się, że nie ma dostatecznego napięcia na wejściu.

Linie A i B zawierają takie same elementy lecz ustawione w odwrotnej kolejności. Linia A, która stanowi zespół detekcyjny dla dodatniego półokresu, zawiera diodę Zenera DZ1, izolator optyczny Ul, diodę D2 i rezystor RI połączone szeregowo, natomiast linia B stanowiąca zespół detekcyjny dla ujemnego pół-okresu zawiera diodę Zenera DZ2, izolator optyczny U2, diodę D4 i rezystor R3 - także połączone szeregowo, lecz w odwrotnej kolejności. W przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku fig. 1, linie A i B są połączone równolegle.

Funkcja rezystora RI oraz diody Zenera DZ1 polega na zdefiniowaniu progowego poziomu napięcia, powyżej którego izolator optyczny Ul zaczyna przewodzić w pierwszym półokresie. To z kolei prowadzi do emisji przez izolator optyczny sygnału, który poddaje się próbkowaniu otrzymując sygnał mikroprocesorowy. Rezystor R2, dioda Zenera DZ2 oraz izolator optyczny U2 spełniają te same funkcje w ciągu drugiego pół-okresu. Izolatory optyczne odcinają również skutecznie linie A i B od reszty układu.

Zgodnie z korzystnym przykładem wykonania przedstawionym na rysunku fig. 2 dopuszczalne jest połączenie wszystkich elementów przewidzianych dla linii A i B pokazanych na rysunku fig. 1 w jednej linii, przy czym oba ciągi szeregowo połączonych elementów - z diodą Zenera DZ1 i izolatorem optycznym Ul oraz z diodą Zenera DZ2 i izolatorem optycznym U2, ustawione są w odwrotnej kolejności.

180 737

Główną wadą konfiguracji pokazanej na rysunku fig. 2, jest fakt, że diody Zenera DZ1 i DZ2 mogą mieć duży prąd upływu, który zwiększa się ze wzrostem temperatury.

Korzystnie, aby rozwiązać ten problem wprowadza się rezystory R7 i R13 podłączone równolegle do diod LED izolatorów optycznych Ul i U2.

Dopuszczalne jest również aby inny element spełniający taką samą funkcję - podłączyć równolegle do Ul lub U2. Jednakże, rezystor wydaje się być elementem najbardziej niezawodnym i najprostszym.

Taki układ ma tę zasadniczą zaletę, że umożliwia realizację progu natężenia prądu.

Inną zaletą jest zmniejszenie gabarytów i zwiększenie bezpieczeństwa. Rysunek fig. 3 przedstawia praktyczny przykład rozwiązania według wynalazku, w którym zastosowano zasady zilustrowane na rysunku fig. 2.

Rozwiązanie przedstawione na rysunku fig. 3 jest zmiennoprądową komórką wejściową 110 V - 50Hz, obejmującym trzy bloki funkcjonalne połączone kaskadowo, opisane poniżej, lecz niewyodrębnione na rysunku.

Pierwszy blok (blok I) umożliwia zasadniczo ograniczenie przepięć. Drugi blok (blok II) gwarantuje pobór mocy wejściowej.

Trzeci blok (blok III) realizuje próg napięcia w komórce, jak również zapewnia stałoprądową izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a liniami przetwarzania na wyjściu.

Blok I składa się z warystora VR1, rezystora R5, diod i iskrowników, w celu zabezpieczenia obwodu przed przepięciami, podczas gdy blok II, który zapewnia minimalny pobór znamionowy (moc bierna), obejmuje czterozaciskowy kondensator C4, łączący końcówki wejściowe komórki z blokiem III, który sam zapewnia próg napięcia.

Warystor VR1 ogranicza przepięcia występujące podczas wyładowań różnicowych, natomiast rezystor R5 ogranicza amplitudę szczytów natężenia prądu na czterozaciskowym kondensatorze C4 podczas wyładowań, jak również dV/dt.

Czterozaciskowy kondensator C4 powinien być zaprojektowany tak, aby zapewnić minimalny pobór mocy dla zadanego 50Hz napięcia wejściowego.

Zespół detekcyjny do wykrywania napięcia wyższego niż napięcie odniesienia dla dodatniego pół-okresu napięcia wejściowego, który znajduje się w obrębie linii A, zasadniczo zbudowany jest z podstawowych elementów przedstawionych na rysunkach fig. 1 i fig. 2: z diody Zenera DZ1, izolatora optycznego Ul, diody D2 i rezystora R1, a zespół detekcyjny do wykrywania napięcia wyższego niż napięcie odniesienia dla ujemnego pół-okresu napięcia wejściowego, który znajduje się w obrębie linii B, zasadniczo składa się z takich samych elementów jak te, które przedstawiono na rysunkach fig. 1 i fig. 2: z diody Zenera DZ2, przekaźnika optycznego U2, diody D4 i rezystora R3.

Ponadto, w każdej linii A lub B występuje bezpiecznik F1 lub F2.

Podstawowym kryterium wyboru dla dwóch głównych izolatorów optycznych Ul i U2 jest to, aby działały przy jak najsłabszym możliwym prądzie LED, w tym celu aby na rezystorach R1 i R3 rozpraszaniu ulegało minimum mocy. To również umożliwia zminimalizowanie udziału charakterystyki emisji LED w wartości progu napięcia.

Czas przewodzenia izolatorów optycznych Ul i Ul mierzony jest przez próbkowanie 32 razy w jednakowych odstępach 20 milisekundowych (co odpowiada częstotliwości 50Hz) poziomu elektrycznego dostarczanego do linii przetwarzających na wyjściu i przez zliczanie ilości próbek, dla których występuje stan logiczny 0.

Dioda emisyjna LED z Ul emituje przez cały czas, gdy napięcie wejściowe jest większe niż napięcie progowe linii A. Emisja tej diody lEd izolatora optycznego U1 wymaga uziemienia rezystorów R2, R9 i RIO zainstalowanych w układzie pul lup na izolatorze optycznym Ul, co prowadzi do wyłączenia Q1 i odczytania stanu logicznego 0 na wejściu multipleksera skanowanego przez linię przetwarzającą A' (emiter Ql).

Dioda emisyjna LED z U2 emituje przez cały czas, gdy napięcie wejściowe jest większe niż napięcie progowe linii B. Emisja tej diody LED izolatora optycznego U2 wymaga uziemienia rezystorów R4, R11 i R12 zainstalowanych w układzie pul lup na przekaźniku optycznym U2, co prowadzi także do odczytania stanu logicznego 0 na wejściu multipleksera skanowanego przez linię przetwarzającą B' (kolektor wyjściowego tranzystora z U2).

180 737

Są dwa warunki bezpieczeństwa gwarantowane dla zmiennoprądowych komórek wejściowych 110 V:

- próg wykrywalności nie może spaść poniżej limitu dla napięcia sinusoidalnego 50Hz,

- moc zużywana przy napięciu sinusoidalnym 50Hz dla wejścia w logicznym stanie 1 nie może spaść poniżej wartości drugiego limitu.

Należy zauważyć, że poza czterozaciskowym kondensatorem, elementy tworzące zmiennoprądową komórkę wejściową nie mają żadnej innej istotnej gwarancji bezpieczeństwa. To powoduje, że bezpieczeństwo trzeba gwarantować przez użycie elementów nadmiarowych i sprawdzanie zgodności danych dostarczanych do linii przetwarzających.

W szczególności, linia przetwarzająca A' skanuje napięcie na emiterze Q1, natomiast linia przetwarzająca B' jest podłączona do kolektora wyjściowego tranzystora izolatora optycznego U2. Na końcu każdego cyklu skanowania linie A' i B' wymieniają, dla potrzeb wzajemnej weryfikacji - ich własne wartości liczby próbek pobranych w czasie gdy U1 lub U2 przewodziły.

Sygnały użyteczne na wyjściu z komórki, objawiają się naturalnie na kolektorach wyjściowych izolatorów optycznych, jako wysoki poziom impedancji wyjściowej dla stanu elektrycznego 1 i niski poziom impedancji wyjściowej dla stanu elektrycznego 0. Jedno z zabezpieczeń polega wówczas na użyciu - tylko dla linii przetwarzającej A' - stadium buforowego z tranzystorem odwracającym poziom wyjściowej impedancji tak, że niski poziom impedancji wyjściowej jest dla stanu elektrycznego 1, zaś wysoki poziom impedancji wyjściowej jest dla stanu elektrycznego 0.

Ta charakterystyka niesie z sobą ryzyko, że zrealizowana zostanie logiczna funkcja LUB (jeśli chodzi o stan wejść) dla obu linii przetwarzających w wypadku defektu polegającego na wystąpieniu zwarcia pomiędzy sygnałami wyjściowymi różnych komórek.

Wspomniane stadium buforowe składa się z tranzystora Q1 i rezystora R6, które są włączone w linię przetwarzającą A'.

Przez utworzenie w ten sposób asymetrii pomiędzy omawianymi dwoma liniami, w przypadku wystąpienia wielokrotnych pasożytniczych obwodów przewodzących, wywierających wpływ na te same komórki dla obu linii przetwarzających, odnosi się korzyść z następującego zachowania: równoważnik przekazywanej funkcji LUB (na poziomie elektrycznym) realizowany jest w komórkach linii przetwarzającej A', natomiast równoważnik przekazywanej funkcji I (na poziomie elektrycznym) realizowany jest w komórkach linii przetwarzającej B'.

To prowadzi do wykrycia dywergencji pomiędzy liniami przetwarzającymi gdy tylko dwa obwody, na które wpływają pasożytnicze obwody przewodzące, znajdą się w różnych stanach.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zmiennoprądowa komórka wejściowa dla obwodów gromadzących dane, znamienna tym, że zawiera pierwszą linię (A) przyjmującą sygnał zmiennoprądowy ze zmiennoprądowego źródła zasilania i ta pierwsza linia obejmuje pierwszy izolator optyczny (U1) zawierający diodę LED, włączony szeregowo pomiędzy pierwszą diodą Zenera (DZ1) oraz pierwszą diodą (B2), jak również pierwszy szeregowy rezystor (R1), połączony szeregowo ze wskazaną diodą Zenera (DZ1), przy czym ta pierwsza linia (A) jest skonfigurowana tak, że wskazany pierwszy izolator optyczny (U1) emituje tylko przy poziomie napięcia odniesienia pierwszej połowy cyklu sygnału zmiennoprądowego oraz drugą linię (B) przyjmującą sygnał zmiennoprądowy ze zmiennoprądowego źródła zasilania i ta druga linia obejmuje drugi izolator optyczny (U2), włączony szeregowo pomiędzy drugą diodą Zenera (DZ2) oraz drugą diodą (D4), jak również drugi szeregowy rezystor (R2), połączony szeregowo ze wskazaną drugą diodą Zenera (DZ2) tak, że wskazany drugi izolator optyczny (U2) emituje tylko przy poziomie napięcia odniesienia drugiej połowy cyklu sygnału zmiennoprądowego.
2. 2. Zmiennoprądowa komórka wejściowa według zastrz. 1, znamienna tym, że pierwsza linia (A) i druga linia (B) są połączone szeregowo.
3. 3. Zmiennoprądowa komórka wejściowa według zastrz. 1, znamienna tym, że pierwsza linia (A) i druga linia (B) są połączone równolegle.
4. 4. Zmiennoprądowa komórka wejściowa według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że dwa rezystory (R7, R13) są przyłączone równolegle do wskazanych diod LED każdego izolatora optycznego (Ul, U2).
5. 5. Zmiennoprądowa komórka wejściowa według zastrz. 1, znamienna tym, że obejmuje czterozaciskowy kondensator (C4) zapewniający minimalne zużycie mocy.
6. 6. Zmiennoprądowa komórka wejściowa według zastrz. 5, znamienna tym, że jedna z linii obejmuje stadium buforowe obejmujące rezystor (R6) i tranzystor (Q1), przy czym stadium buforowe jest podłączone pomiędzy izolatorem optycznym tej linii a wyjściem z tej linii w taki sposób, że impedancja wyjściowa ulega inwersji.