4.2 Разработка принципиальной схемы устройства

ИЛС-3 принципиальная схема:

Схема, реализованная в ИЛС-3, имеет несколько недостатков, а именно:

1. Устройство работает только от 50 бортовой сети локомотива.

2. Усилитель, реализованный на трансформаторах, имеет выходной ток только 1А.

3. Кодирующее устройство (КУ) состоит электродвигателя переменного тока, что требует дополнительный преобразователь.

4. Подвижные контактные шайбы и замыкаемые контакты, применяемые в КУ, подвергаются износу, из-за подгорания контактных пластин.

5. Из-за применения трансформаторов и электромотора устройство имеет большой вес.

4.2.1 Выбор принципиальной схемы компонентов устройства диагностики.

Так как разрабатываемое устройство должно выполнять функции испытателя ИЛС-3, целесообразно использовать некоторые блоки из схемы испытателя. Остальные блоки выбираются с учетом требований к микроэлектронному устройству. Таким образом, принципиальная схема устройства содержит следующие компоненты:

• Блок питания – входное напряжение 220В переменного тока,

50В постоянного тока.

• Задающий генератор – выходная частота 25, 50, 75 Гц.

• Кодирующее устройство

• Выходной усилитель – ток передаваемый в шлейф 1.4 А – 4А

• Блок индикации – для отображения выбранной программы.

• Формирователь АМ сигнала (Модулятор)

Принципиальная схема блока питания.

В испытателе ИЛС-3 блок питания представляет собой стабилизатор формирующий напряжение плюс 22 вольта. Так как в разрабатываемом устройстве необходимо применение блока питания формирующего напряжения для питания микроконтроллера и операционных усилителей, а также работа от двух источников питания: 50 вольт постоянного тока, 220 вольт переменного тока, необходимо выбрать схему источника питания обеспечивающего необходимые параметры.

В данном случае выбрана схема блока питания с искусственной средней точкой для формирования двух полярного напряжения, выбрана она так как не имеет аналогов по строению. Так же имеет относительно небольшую стоимость компонентов. Схема блока питания приведена на Рис. 1.4

Рис. 1.4 Схема электрическая принципиальная блока питания.

Устройство и работа блока питания:

Напряжения сети 220В переменного тока поступает на трансформатор ПОБС-5 понижается до 48В затем подается на диодный мост VD1-VD4. Выпрямленное напряжение поступает на конденсаторы С1, С2 и на резисторы R1, R2 создающие искусственную рабочую точку.

Относительно средней точки на стабилизаторах напряжения DA1, DA2 реализован двух полярный источник напряжения для питания операционных усилителей. Стабилизатор напряжения DA3 формирует напряжение плюс 5В для питания микроконтроллера. Для работы от сети локомотива в блоке питания предусмотрены клеммы для подключения 50В.

Принципиальная схема кодирующего устройства.

Основным недостатком испытателя ИЛС-3 является кодирующее устройство представляющее собой механическое устройство, формирующее код передаваемый в испытательный шлейф, оно имеет несколько недостатков, а именно:

• формирование кодовых посылок здесь осуществляется при помощи редуктора и мотора переменного тока замыкающего контакты. Поэтому формируемый сигнал на выходе имеет временные искажения.

• Так как это электромеханическое устройство, то присутствует износ контактов посредством подгорания на замыкающих пластинах, что приводит к периодическим проверкам.

Решением вышеперечисленных недостатков является применения в качестве кодирующего устройства на основе микроконтроллера, который обладает высокой стабильностью благодаря применению в схеме частотозадающего кварца, что делает возможным диагностировать не только АЛСН, но и систему КЛУБ.

В данном случае кодирующее устройство реализовано на микроконтроллере PIC16F84 ввиду его простоты и доступности.

Схема микроконтроллера PIC16F84 приведена на Рис. 1.5.

Рис 1.5 Микроконтроллер PIC16F84

Для удобства использования устройства, кодирующее устройство содержит блок индикации, который реализован на логических элементах «И» для контроля включения программы посредством загорания светодиода в такт выполнения программы. Сопротивления R12…R15 подбираются с учетом обеспечения на входе логического элемента «И» уровня равному 1 для каждого сигнала. Схема кодирующего устройства приведена на Рис. 1.6.

Рис 1.6 Схема кодирующего устройства.

Данная схема хороша тем что помимо высокой стабильности вырабатываемого кода присутствует непосредственная индикация выбранной программы-кода посредством светодиодного индикатора, который загорается в такт коду.

Сформированный код подается на формирователь АМ сигнала где он модулируется с заданной частотой и поступает на усилитель.

Принципиальная схема формирователя АМ сигнала.

Так как в испытателе ИЛС-3, кодирующее устройство электромеханического типа, оно формирует кодовую посылку из сигнала частотой 25, 50, 75Гц и не требует дополнительной обработки.

В данном устройстве необходимо применить формирователь АМ сигнала или модулятор так как применяется микроконтроллер и полученный код необходимо про модулировать с частотой 25, 50, 75Гц для получения кодовой посылки.

В данном проекте формирователь АМ сигнала реализован на двух резисторных оптопарах V1 и V2. Работой модулятора управляет микроконтроллер, V1 формирует отрицательный полупериод, V2 формирует положительный полупериод, тем самым шунтируя выход генератора на корпус и прекращая модуляцию на требуемый интервал времени. Оптопара выбрана, так как на модуляторе реализованном на транзисторах нет возможности добиться требуемого выходного сигнала в виде кодовой посылки. Для данного модулятора V1 и V2 выбраны АОД101А. Схема модулятора представлена на Рис. 1.7

Рис. 1.7 Схема электрическая модулятора

Принципиальная схема усилителя мощности.

Так как выходной ток в шлейф ИЛС-3 ограничен в 1А, необходимо выбрать схему усилителя обеспечивающего выходной ток в диапазоне от 1.4 до 4 А.

Вариантов усилителя для данного устройства есть несколько таких как:

• усилитель мощности на транзисторах – данный тип усилителя способен обеспечить необходимый ток на выходе, но ввиду его сложности и нестабильности используемых в нем компонентов, этот тип усилителя не подходит к требованиям.

• Двухтактный усилитель тока – на составных транзисторах. Данная схема обладает требуемым параметрам по выходному току а также обладает относительно небольшой ценой.

Поэтому в качестве выходного усилителя применена схема из двух составных транзисторов представляющих собой двухтактный усилитель тока и операционным усилителем на входе транзисторов.

Устройство составного транзистора:

Это два транзистора на одном кристалле и в общем корпусе, там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора. У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у биполярного транзистора – база, эмиттер, коллектор.

Рис 1.8 Схема составного транзистора Дарлингтона.

Из схемы видно, что составной транзистор это комбинация из нескольких биполярных транзисторов.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току. У составного транзистора коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления двух транзисторов. Для того что бы транзистор открылся, достаточно небольшого тока базы.

Если в схеме Дарлингтона транзисторы заменить комплементарными транзисторами, получится схема Шиклаи.

Комплементарной парой транзисторов называют два транзистора с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных транзисторов разной проводимости: p-n-p и n-p-n.

Рис 1.9 Комплементарный транзистор Дарлингтона (схема Шиклаи)

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах.

Принципиальная схема выходного усилителя.

Рис 2.0 Схема двухтактного усилителя.

Схема усилителя представляет собой спаренные составные транзисторы Дарлингтона и Шиклай. Номиналы резисторов R1 – R6 подбираются для создания рабочей точки, что бы следующий транзистор был закрыт. С появлением на входе колебаний операционного усилителя транзисторы будут работать по очереди. При одной полуволне один транзистор открыт и через него протекает ток, а другой заперт положительным напряжением относи­тельно его базы, при другой полуволне—наоборот. Операционный усилитель работает в режиме усилителя с отрицательной обратной связью, для усиления сигнала до необходимого уровня на входе транзисторов.

Транзисторы VT1, VT2 представляют собой комплементарные транзисторы, то есть транзисторы с одинаковыми параметрами, но разной проводимости.

Для данного усилителя первой парой транзисторов выбраны:

КТ815Г КТ819ГМ

вторая пара транзисторов:

КТ814Г, КТ819ГМ.

Коэффициент усиления каждой пары равен :

h_21e(ОБЩ) = h_21e(VT1)*h_21e(VT3) (1.0)

где : h_21e(VT1) – коэффициент усиления первого транзистора

h_21e(VT3) – коэффициент усиления второго транзистора

Коэффициент усиления транзисторов взят из справочника:

КТ814Г, КТ815Г - h_21e = 30

КТ819ГМ - h_21e = 12

Рассчитаем коэффициент усиления первой пары транзисторов:

h_21e(ОБЩ) = 30*12

h_21e(ОБЩ) = 360

Коэффициент усиления для второй пары транзисторов будет таким же, так как применены транзисторы с одинаковыми параметрами.

Выбор схемы задающего генератора .

Схема задающего генератора аналогична схемы измерителя ИЛС-3 но реализован он на операционном усилителе, так как операционный усилитель обладает высокой стабильностью.

Задачей генератора является формирование синусоидального сигнала частотой 25, 50, 75 Гц. В качестве задающего генератора синусоидальных напряжений выбран генератор на операционном усилителе с RC цепями и стабилизацией амплитуды выходных напряжений в цепи отрицательной обратной связи реализованной на нелинейных элементах, в данном случае на диодах КД522А. Схема задающего генератора представлена на рис 2.1.

Рис 2.1 Схема задающего генератора 25, 50, 75Гц.

Расчет компонентов RC цепи.

В данной схеме частотно задающими элементами является RC цепь. Номиналы резисторов и емкости подбираются путем расчетов требуемой частоты по формуле: . (1.1)

После расчетов получаем следующие номиналы:

Для частоты 25 Гц R1,R2 = 30 кОм.

50 Гц R3,R4 = 15 кОм.

75 Гц R5, R6 = 10 кОм.

Конденсатор С1 и С2 равен 0.2 мкФ

Описание работы генератора:

Операционный усилитель DA1 работает в режиме генератора за счет введения в цепь операционного усилителя отрицательной обратной связи. Для стабилизации амплитуды выходных напряжений в цепь обратной связи включены диоды VD1, VD2. При возрастании напряжения на выходе диоды VD1, VD2 закрываются, на инвертирующий вход поступает высокий уровень и следовательно, уровень на выходе снижается. Частотно задающими элементами являются сопротивления R1- R6 а также конденсаторы С1, С2. Выбор генерируемой частоты осуществляется переключением S1 на соответствующее положение переключателя.

Описание принципиальной схемы устройства

Принципиальная схема устройства диагностики АЛСН и КЛУБ приведена на Рис. 2.2 и в приложении Г.

Рис. 2.2 Схема электрическая принципиальная устройства диагностики.

Управляет работой схемы микроконтроллер PIC16F84, который отличается низкой стоимостью и высокой производительностью. Выходы RB0, является информационным, с которого формируются коды автоматической локомотивной сигнализации. Где логической 1 соответствует напряжение 5В, отсутствие информации – нуль вольт. Выходы RА0 – RА4 микроконтроллера настроены на вход, состояние которых определяет считывание с микроконтроллера той программы, которая соответствует входному состоянию данного входа.

Устройство диагностики подключается к источнику питания, либо к сети 220 вольт, либо к аккумулятору локомотива. При помощи галетного переключателя S1 производится выбор частоты задающего генератора, следовательно изменяется частота модуляции.

Модуляция сигналов происходит с помощью двух диодных оптопар управляемые микроконтроллером через логический элемент К155ЛА3.

Выбор требуемого выходного кода производится с помощью галетного переключателя S2. При помощи кнопки S3 производится установка тока в шлейфе.

Питание устройства производится с помощью двух стабилизаторов +15 вольт , -15вольт, для питания операционных усилителей.

Питание логических микросхем и микроконтроллера осуществляется с помощью стабилизатора +5 вольт.

Временная диаграмма работы устройства при формировании числовых кодов представлена на рисунке 2.3

При автоматическом режиме формирования кодов первым идет код зеленого, повторяясь в течение 40 секунд, для фиксации показания локомотивным светофором, после чего выдерживается пауза 90 секунд, достаточная для проверки систем бдительности машиниста и переход показания локомотивного светофора с зеленого на белый. После паузы происходит формирование желтого кода в течение 40 секунд, также для фиксации показаний локомотивным светофором, после чего выдерживается пауза 90 секунд, далее формируется код красно-желтого кода в течение 40 секунд и также 90 секундная задержка для проверки перехода показаний светофора с красно-желтого на красный.

Рис 2.3 Временные диаграммы работы устройства

Применение в данной схеме микроконтроллера PIC16F84, позволило избавиться от временных искажений, а также благодаря программе реализовать автоматический режим формирования кодов, что позволяет проверить устройство бдительности машиниста.

Благодаря реализации блока питания стала возможной работа устройства от сети переменного тока 220В в цеху где бортовая сеть локомотива отключена.