Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

_______________________________

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

Изучение элементной базы

и функциональных узлов

систем телемеханики

Методические указания

к лабораторной работе Т-27 по курсу

«Каналообразующие устройства»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2008

Целью работы является изучение принципов функционирования схемных узлов систем диспетчерской и станционной кодовой централизаций, построенных на основе полупроводниковой элементной базы.

1. Общие сведения

В качестве элементной базы таких широко распространенных на сети железных дорог систем телемеханики, как станционная кодовая централизация СКЦ-67, диспетчерские централизации системы «Нева» и «Луч», используются электромагнитные реле, а также полупроводниковые диоды и транзисторы. В указанных системах телемеханики полупроводниковая элементная база используется в схемах распределителей, генераторов и приемо-передающих устройств, осуществляющих формирование и демодуляцию сигналов телеуправления и телесигнализации. Широкое использование электронных схем явилось серьезным шагом в процессе развития систем телемеханики и позволило существенно ускорить передачу данных, увеличить емкость систем по управлению и контролю, повысить надежность аппаратуры, сократить объемы обслуживания систем в процессе эксплуатации, улучшить их массогабаритные показатели.

Для питания электронных схем используется однополярные или двуполярные источники постоянного напряжения (рис. 1 а). Двуполярные источники питания в изучаемых системах телемеханики обеспечивают, так называемое, основное питание для электронных устройств и напряжение смещения, которое необходимо для надежного запирания германиевых транзисторов. Указанные постоянные напряжения подаются в самые различные участки схемы. Для облегчения зрительного восприятия принципиальных схем цепи питания не прорисовываются в виде проводников, соединяющих фрагменты схемы с источником питания, а изображаются в виде короткого отрезка проводника с условным обозначением полюса источника питания, к которому подключается данный фрагмент схемы (рис. 1 б). Иногда вместо буквенного обозначения полюсов питания используются обозначения в виде стрелок (рис. 1 в).

Рис. 1. Принципы построения цепей питания электронной аппаратуры.

При анализе электронных схем часто используются такие понятия, как потенциал, напряжение и падение напряжения. Напомним, каким образом следует употреблять данные термины. Потенциал всегда определяется для одной точки схемы и соответствует напряжению между этой точкой и точкой, потенциал которой условно принят равным нулю. Обычно говорят: «потенциал на выводе резистора», «потенциал положительного полюса источника питания», «потенциал коллектора транзистора». Напряжение, в отличие от потенциала, всегда определяется между двумя точками схемы (обычно говорят: «напряжение на резисторе», «напряжение источника питания», «напряжение коллектор-эмиттер» и т.п.). Падение напряжения на элементе или участке цепи возникает вследствие протекания через него тока. Поэтому говорить о падении напряжения на каком либо элементе схемы следует только в том случае, если подразумевается, что через данный элемент протекает ток.

2. Полупроводниковая элементная база

1. Диоды

Диодом называется двухэлектродный полупроводниковый элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, основное свойство которого состоит в том, что он пропускает электрический ток только в одном направлении. Если источник питания подключен к диоду в такой полярности, при которой диод проводит электрический ток, принято говорить, что диод открыт или смещен в прямом направлении. В случае, когда источник питания подключен к диоду в противоположной полярности, ток через диод близок к нулю, и говорят, что диод закрыт или смещен в обратном направлении. Условное графическое обозначение диода и его вольт-амперная характеристика (ВАХ) приведены на рис. 2. Полярность подключения источника питания, при которой диод проводит электрический ток, легко запомнить, если представить треугольник на условном графическом обозначении диода в виде стрелки указывающей направление тока через диод. Иногда вывод, на который для открытия диода должен подаваться плюс, называют «анодом», а противоположный вывод «катодом».

Рис. 2. Условное графическое обозначение диода и его вольт-амперная характеристика.

Падение напряжения на диоде, смещенном в прямом направлении, имеет величину менее одного вольта. Величина тока, протекающего через смещенный в прямом направлении диод в реальных схемах определяется, как правило, не вольт-амперной характеристикой самого диода, а сопротивлением элементов, включенных последовательно с диодом в цепь источника питания. Если диод смещен в обратном направлении, через диод протекает, так называемый, обратный ток, величина которого определяется обратной ветвью вольт-амперной характеристики диода. Этот ток обычно имеет весьма малую величину и в ряде случаев при анализе работы схем этим током можно пренебречь.

Указанные свойства диодов позволяют реализовывать с их помощью логические функции «И» и «ИЛИ». Рассмотрим схему изображенную на рисунке 3 а. Очевидно, что если на всех входах схемы присутствует низкий потенциал (например, потенциал отрицательного полюса источника питания), на выходе схемы также будет низкий потенциал. Если хотя бы на одном входе схемы будет присутствовать высокий потенциал, соответствующий диод окажется смещенным в прямом направлении, и через него начнет протекать ток. Потенциал выхода теперь будет отличаться от потенциала данного входа на величину падения напряжения на открытом диоде. Поскольку падение напряжения на открытом диоде обычно во много раз меньше напряжения источника питания, можно утверждать, что на выходе схемы также будет присутствовать высокий потенциал.

Рис. 3. Логические схемы на диодах.

Состояние остальных входов в этом случае не влияет на работу схемы, так как при наличии на них низкого потенциала соответствующие диоды оказываются смещенными в обратном направлении, и токи через них не протекают. Коротко охарактеризовать работу схемы можно следующим образом. Потенциал на выходе будет низким только в том случае, если и на входе 1, и на входе 2, …, и на входе n будет присутствовать низкий потенциал. Иными словами, если низкий потенциал рассматривать в качестве логической единицы – данная схема реализует логическую функцию «И».

В схеме, изображенной на рисунке 3 б, низкий потенциал на выходе будет при наличии низкого потенциала хотя бы на одном из входов. Состояние остальных входов не повлияет в этом случае на потенциал выхода, так как соответствующие диоды будут заперты. Если низкий потенциал рассматривается в качестве логической единицы – данная схема реализует логическую функцию «ИЛИ».

Заметим, что во всех рассмотренных схемах диоды исключают возможность влияния состояния одного входа на состояние другого (изменения потенциала на любом входе никак не влияет на потенциалы остальных входов). В этом случае обычно говорят, что диоды осуществляют развязку соответствующих цепей.

Кроме построения логических схем и обеспечения развязки цепей диоды используются и в других случаях, когда требуется элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве примера рассмотрим использование диодов для коммутации цепей с переменным напряжением. Если переменное напряжение имеет величину порядка нескольких десятых долей вольта и в нем отсутствует постоянная составляющая, ток через диод, включенный в цепь с таким напряжением, будет определяться пологой частью вольт-амперной характеристики (рис. 4 а).

Рис. 4. Использование диода для коммутации переменного напряжения.

Как видно из рисунка, величина этого тока будет очень незначительной, соизмеримой с обратным током диода. Таким образом, можно сказать, что диод обладает большим дифференциальным сопротивлением для переменного напряжения такой величины и его можно рассматривать как разомкнутый ключ. Если требуется коммутировать более высокое напряжение, обеспечивают смещение диода постоянным напряжением в обратном направлении. В этом случае амплитуда переменной составляющей, которая может быть приложена к закрытому диоду, возрастает (рис 4 б).

Если диод сместить постоянным напряжением в прямом направлении, переменная составляющая будет вызывать существенное изменение тока через диод (рис. 4, в). Это означает, что дифференциальное сопротивление диода переменной составляющей мало и диод можно рассматривать как замкнутый ключ.