Обобщенная схема тональной рельсовой цепи

Как указывалось выше, в процессе развития и совершенствования ТРЦ, а также для разных случаев применения было создано 4 типа аппаратуры ТРЦ. Имея общие принципы построения и работы, они различаются областью применения, технической реализацией аппаратуры и ее характеристиками.

На рис. 2.2. представлена обобщенная структурная схема ТРЦ.

Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема ТРЦ

Передающая аппаратура первого и второго поколений содержала генератор Г амплитудно-модулированных сигналов, усилитель У, путевой трансформатор ПТ для настройки напряжения питания ТРЦ в зависимости от ее длины и величины минимального удельного сопротивления балласта, фильтр питающего конца Ф. В последующем в рельсовых цепях ТРЦ3 и ТРЦ4 блоки Г, У, Ф и ПТ были объединены в один блок генератора, а фильтры стали выполнять новые функции.

На приемном конце последовательно включены два приемника – приемник Пр1 рельсовой цепи 5, настроенный на частоту генератора Г, и приемник Пр2 рельсовой цепи 7 другой частоты. На выходах приемников включены путевые реле 5П и 7П, фиксирующие состояния соответствующих рельсовых цепей.

Генераторы и фильтры настраиваются на конкретную частоту при помощи внешних перемычек. Это позволяет уменьшить номенклатуру аппаратуры, что выгодно как с точки зрения производства (уменьшается разнотипность изделий), так и с точки зрения эксплуатации (уменьшается количество запасных блоков и повышается их универсальность). Приемники выпускаются индивидуально для каждой комбинации несущей и модулирующей частот.

Резисторы R_д играют роль балластных сопротивлений и обеспечивают требуемые входные сопротивления по концам рельсовой линии. Это регулируемый резистор сопротивлением 400 Ом; его величину выбирают в зависимости от длины соединительного кабеля.

Схема ТРЦ предусматривает возможность передачи сигналов АЛС числового и частотного кодов. Включение кодовых сигналов в рельсовую линию производится по существующим жилам кабеля передающего и приемного концов ТРЦ. Конденсаторы С являются элементами фильтра передающих устройств АЛС.

Устройства согласования и защиты УСЗ размещаются в путевых ящиках и решают следующие задачи: согласование сопротивления соединительного кабеля и аппаратуры с сопротивлением рельсовой линии, защита аппаратуры ТРЦ от грозового разряда (при автономной тяге поездов) или от коммутационных перенапряжений в контактной сети, защита от асимметрии обратного тягового тока (при электрической тяге). К устройствам защиты можно отнести и дроссель-трансформаторы, устанавливаемые при электрической тяге для выравнивания обратных тяговых токов в рельсовых нитях (для устранения асимметрии).

Конкретные схемы ТРЦ для разных случаев применения будут рассмотрены далее в соответствующих разделах.

В табл. 2.1. приведены типы и основные особенности аппаратуры ТРЦ разных поколений.

К данным, приведенным в таблице, необходимо дать следующие дополнения и пояснения.

1. В системах ЦАБс и АБТс на начальном этапе, до разработки ТРЦ3, использовалась аппаратура ТРЦ второго поколения.

2. Частоты модуляции для всех типов аппаратуры – 8 и 12 Гц.

3. В скобках указаны усовершенствованные модификации блоков.

4. Числа в обозначении типа фильтра и блока ГП указывают номера несущих частот, на которые они могут быть настроены при помощи внешних перемычек.

5. Разновидности приемников определяются комбинацией несущей и модулирующей частот. Эти данные указываются в обозначении типа конкретного приемника (первое число – условный номер несущей частоты, второй – частота модуляции). Например, ПРЦ8-8 или ПРЦ8-12 (приемник рельсовой цепи, настроенный на несущую частоту f₈=425 Гц и частоту модуляции 8 или 12 Гц). Кроме того, разновидности приемников определяются областью применения (железнодорожные линии или линии метрополитенов). Для линий метрополитенов выпускаются приемники, чувствительность которых в 2 раза ниже. Например, ППМ11-8 (путевой приемник для линий метрополитенов, настроенный на несущую частоту f₁₁=580 Гц и частоту модуляции 8 Гц).

6. В настоящее время в соответствии с Указанием ГТСС № 1454 от 12 мая 2000 года аппаратура первого и второго поколений в действующих устройствах заменена на аппаратуру третьего типа.

Все блоки (кроме путевого трансформатора ПТ) конструктивно выполнены на платах реле НМШ, НШ и ДСШ и подключаются к монтажу при помощи соответствующих штепсельных розеток.

Аппаратура ТРЦ3

Аппаратура ТРЦ третьего поколения разрабатывалась с учетом возможности работы на участках с удельным сопротивлением балласта до 0,04 Ом∙км. При этом одновременно с оптимизацией характеристик ТРЦ были решены вопросы уменьшения объема оборудования, повышения надежности аппаратуры и помехозащищенности приемных устройств.

Опыт разработки и эксплуатации аппаратуры ТРЦ предыдущих поколений позволил создать универсальную аппаратуру для эксплуатации как при пониженном, так и при нормальном сопротивлении балласта на участках с любым видом тяги поездов в централизованных и децентрализованных системах. Так, размеры передающих устройств были уменьшены примерно в два раза, помехоустойчивость повышена примерно в 6 раз, минимальное сопротивление балласта при той же длине рельсовой цепи снижено в 1,4‑1,5 раз.

Для аппаратуры ТРЦ3 было разработано три функциональных блока: путевой генератор типа ГП, путевой фильтр типа ФПМ и путевой приемник типа ПП. Обозначения модификаций этих блоков указаны в сводной таблице типов аппаратуры ТРЦ (см. табл. 2.1) и в пояснениях к ней. Генераторы ГП и фильтры ФПМ собраны на базе реле НШ, приемник ПП – на плате реле ДСШ.

Рассмотрим функции, принципиальные схемы и различие исполнений аппаратуры ТРЦ3 разных модификаций.

Путевые генераторы ГП3 формируют и усиливают амплитудно-модулированные сигналы со 100%-й модуляцией и синусоидальной формой несущей частоты.

Генераторы ГП3 являются взаимозаменяемыми с генераторами ГП предыдущей модификации. Включают в себя следующие узлы: генератор несущих частот, генератор модулирующих частот, манипулятор, предварительный усилитель, регулятор выходного напряжения, выходной усилитель, вторичный источник питания (рис. 2.3).

Генератор несущих частот выполнен на микросхеме DD1 генератора низкой частоты с кварцевым резонатором GB. Настройка на одну из трех предусмотренных частот осуществляется при помощи внешних перемычек (табл. 2.2).

Генератор модулирующих частот и манипулятор реализованы на микросхеме DD2. На его входы от генератора DD1 подаются сигналы тактовой частоты (1 МГц) и несущей частоты f_н.

Предварительный усилитель служит для согласования выхода микросхемы DD2 с регулятором выходного напряжения и выполнен на транзисторах VT2‑VT5, работающих в ключевом режиме.

В состав регулятора входят: переменный резистор R11, резисторы R9 и R10, трансформатор TV и конденсатор С6 с резистором R15.

Резисторы R9‑R11 включаются последовательно с первичной обмоткой трансформатора TV посредством внешней перемычки 83‑72. Переменный резистор R11 за счет изменения тока первичной обмотки TV позволяет регулировать выходное напряжение амплитудно-модулированного сигнала от 1 до 6 В. Ручка переменного резистора R11 выведена на переднюю панель кожуха блока ГП3 для возможности регулировки выходного напряжения без вскрытия блока.

Трансформатор TV обеспечивает гальваническую развязку цепи регулятора от цепи выходного усилителя. Кроме того, он обеспечивает снижение выходного сопротивления регулятора, что исключает такой опасный отказ, как возрастание выходного напряжения генератора ГП3 при различных повреждениях в цепи регулятора и изменении входного сопротивления выходного усилителя. Конденсатор С6 и секционированная вторичная обмотка трансформатора TV позволяют произвести настройку в резонанс на несущей частоте, что исключает искажение формы выходного сигнала. Настройка осуществляется в соответствии с настройкой генератора несущей частоты при помощи внешних перемычек (см. табл. 2.2).

Выходной усилитель работает в линейном режиме и состоит из двух каскадов (транзисторы VT6‑VT9). Наличие 100%-ной отрицательной обратной связи исключает изменение выходного напряжения при изменении коэффициентов усиления транзисторов. Выходной сигнал снимается с выводов 2‑52.

Номинальная выходная мощность усилителя 20 В×А. При необходимости получения более мощного сигнала к выводам 53‑83 подключают путевой усилитель ПУ1. При этом выходной усилитель и трансформатор TV отключают (снятием перемычек 3‑4, 51‑61 и 83‑72), общую точку питания подключают к резисторам регулятора напряжения (перемычкой 2‑83).

Вторичный источник питания вырабатывает двухполярное нестабилизированное напряжение ±20 В и стабилизированное напряжение 9 В.

С целью визуального контроля работы путевого генератора ГП3 предусмотрены светодиоды VD6 и VD11, которые выведены на переднюю панель. Мигание светодиода VD6 говорит о нормальной работе задающих генераторов и предварительного усилителя. Режим мигания светодиода VD6 (8 или 12 Гц) позволяет при достаточном опыте визуально определить настройку генератора модулирующих частот. Ровное свечение светодиода VD11 свидетельствует о наличии питания выходного усилителя.

Схемы генераторов ГП3/8,9,11 и ГП3/11,14,15 идентичны. Различия состоят в параметрах трансформатора VT.

Отличие рассматриваемого путевого генератора от передающих устройств второго поколения заключается в следующем: в одном блоке ГП3 объединены генератор, усилитель и путевой трансформатор, что уменьшает объем аппаратуры; генератор выдает синусоидальный выходной сигнал, что исключает необходимость установки дополнительного фильтра для формирования синусоидальной формы сигнала; применены более стабильные генераторы несущей и модулирующей частот; предусмотрена световая индикация состояния блока путевого генератора. В блоке ГП предыдущей модификации генератор несущих частот был реализован на операционном усилителе с колебательным LC-контуром в цепи положительной обратной связи, генератор модулирующих частот ‑ в виде мультивибратора на операционном усилителе с времязадающими RC-цепочками в цепи отрицательной обратной связи, а манипулятор ‑ на транзисторном ключе.

Путевые фильтры ФПМ решают следующие задачи: защита выходных цепей путевого генератора от влияния токов локомотивной сигнализации, тягового тока и перенапряжений, возникающих в РЛ; обеспечение требуемого по условиям работы рельсовых цепей обратного входного сопротивления аппаратуры питающего конца РЦ; гальваническое разделение выходной цепи генератора от кабеля.

Фильтр ФПМ (рис. 2.4) реализован в виде последовательного колебательного LC-контура. Он содержит 8 конденсаторов и трансформатор TV в качестве индуктивности.

Рис. 2.4. Принципиальная схема путевых фильтров ФПМ

Входом фильтра являются выводы 11‑71, на которые подается сигнал от генератора ГП3. Настройка на требуемую частоту осуществляется одновременным изменением индуктивности и емкости, что позволяет обеспечить относительно стабильное входное сопротивление фильтра на различных частотах. Индуктивность контура изменяется путем использования всей или части первичной обмотки трансформатора TV, емкость – за счет изменения набора конденсаторов (табл. 2.3).

Указанные данные по настройке фильтров ФПМ (см. табл. 2.3) являются расчетными. Для того, чтобы учесть фактические значения емкостей и индуктивностей конкретного фильтра, а также влияние емкости кабеля, подключаемого к его выходу, настройку производят на месте установки аппаратуры. При этом с помощью перемычек добавляют или исключают те или иные конденсаторы, добиваясь получения максимума напряжения на выходе фильтра или равенства напряжений на индуктивности (выводы 23‑11) и емкости (выводы 23‑71).

Фильтры ФПМ8,9,11 и ФПМ11,14,15 различаются параметрами трансформаторов TV.

С учетом различных условий применения в путевых фильтрах ФПМ предусмотрены 3 выхода с различными выходными сопротивлениями.

Фильтр рассчитан таким образом, что энергетически наиболее выгодным является выходное сопротивление 800 Ом (выводы 12‑61). Этот выход используется в случаях наиболее частого применения – в рельсовых цепях с нормальным сопротивлением балласта.

Выводы 12‑62 (выходное сопротивление 400 Ом) используют в ТРЦ при низком сопротивлении балласта, а также при отсутствии защитного резистора в УСЗ, что характерно для автономной тяги. При этом от путевого генератора ГП3 потребляется достаточно малая мощность, что позволяет использовать в качестве резервного источника питания аккумуляторные батареи.

Выводы 12‑63 (выходное сопротивление 140 Ом) используются при низком сопротивлении балласта и наличии электрической тяги. Используемое в этом случае выходное сопротивление фильтра обеспечивает оптимальное обратное входное сопротивление питающего конца ТРЦ (0,4 Ом).

Указанные рекомендации являются общими и в конкретных случаях могут быть приняты другие решения.

Особенностями рассматриваемых фильтров в отличие от фильтров второго поколения являются: универсальность схемы для обоих диапазонов частот, относительная стабильность входного и выходного сопротивлений на разных частотах, наличие трех выходов с разными выходными сопротивлениями для различных случаев применения.

Путевые приемники ППпредназначены для приема и дешифрирования амплитудно-модулированных сигналов и управления путевым реле в соответствии с уровнем этого сигнала.

Путевой приемник ПП (рис. 2.5) содержит следующие функциональные узлы: входной фильтр, демодулятор, амплитудный ограничитель, первый буферный каскад, первый фильтр частоты модуляции, второй буферный каскад, пороговое устройство, выходной усилитель, второй фильтр частоты модуляции, выпрямитель, вторичный источник питания.

Входной фильтр выделяет амплитудно-модулированный сигнал с частотой несущей, соответствующей настройке фильтра, и подавляет сигналы с другими несущими частотами, сигналы АЛС и гармоники тягового тока. Входной фильтр представляет собой полосовой фильтр, собранный из четырех связанных LC-контуров. Причем связь между контурами TV1-C1 и TV2-C2, а также между TV3-C3 и TV4-C4 трансформаторная, выше критической, а между этими парами предусмотрена слабая связь через транзисторный каскад VT1.

Входом фильтра являются выводы 11‑43 внешнего разъема блока ПП.

Подстроечный резистор R34 предназначен для регулировки чувствительности приемника.

Полоса пропускания входного фильтра – не менее 24 Гц; затухание сигнала несущей частоты соседнего канала составляет не менее 38 дБ на частотах f₈, f₉ и не менее 30 дБ на частотах f₁₁, f₁₄, f₁₅.

Демодулятор выделяет сигнал с частотой модуляции и реализуется на транзисторе VT2.

Амплитудный ограничитель введен в схему путевого приемника для более надежной селекции частот модуляции 8 и 12 Гц. Он реализован на транзисторе VT3, включенным по схеме с общим эмиттером. Резистор R10 обеспечивает глубокую отрицательную обратную связь.

Первый буферный каскад (VT4) обеспечивает согласование входного сопротивления первого фильтра модулирующей частоты с параметрами амплитудного ограничителя.

Первый фильтр модулирующей частоты реализован в виде LC-контура (С7, С8, TV5). Добротность контура равна примерно шести. Включение фильтра с такой добротностью перед пороговым устройством в сочетании с наличием амплитудного ограничителя существенно улучшило селекцию модулирующей частоты и повысило защищенность приемника от гармоник тягового тока. При воздействии на вход путевого приемника сигнала с частотой модуляции соседнего канала напряжение постоянного тока на выходе ПП не превышает 0,1 В.. Допустимый уровень гармонической помехи у приемников ПП в 8 раз больше, чем у приемников ПРЦ.

Второй буферный каскад (транзисторы VT5 и VT6, включенные по схеме с общим коллектором) также обеспечивает согласование функциональных узлов.

Пороговый элемент реализован в виде симметричного триггера (VT7, VT8) с коэффициентом возврата близким к 1. Коэффициент возврата приемника искусственно занижен до 0,95 за счет слабой положительной обратной связи между транзисторами VT7 и VT2 через резистор R16. При необходимости коэффициент возврата приемника может быть уменьшен. Для этого выводы блока 62‑21 соединяют через фронтовой контакт путевого реле. В этом случае при возбужденном состоянии путевого реле в цепи регулировки чувствительности приемника параллельно резистору R2 подключен резистор R3. После обесточивания путевого реле (при шунтировании РЦ поездом) резистор R3 отключается. Это приводит к изменению порога срабатывания приемника ‑ при свободной РЦ чувствительность приемника сохраняется в заданных пределах, а после обесточивания путевого реле несколько загрубляется, т. е. для возбуждения реле потребуется большее напряжение на входе приемника.

Выходной усилитель предназначен для питания путевого реле и представляет собой двухкаскадный двухтактный усилитель с двухполярным питанием. Первый каскад (VT9 и VT10) работает в линейном режиме, второй (VT11 и VT12) – в ключевом режиме.

Второй фильтр частоты модуляции (С9, С10, TV6) обеспечивает гальваническую развязку цепей питания усилителя от цепи реле и исключает возможность возбуждения путевого реле при повреждениях, приводящих к попаданию в цепь питания усилителя переменного тока промышленной частоты или его второй гармоники.

Выпрямитель (VD5) обеспечивает питание путевого реле постоянным током.

Вторичный источник питания получает переменное напряжение 17,5 В (через внешние выводы блока 21‑22). Он включает в себя два однополупериодных выпрямителя (VD9, С11, R32 и VD10, С12, R33), вырабатывающих двухполярное постоянное напряжение ±18 В; источник двухполярного стабилизированного напряжения ±6 В (VD6, VD7, R29, R30); источник стабилизированного напряжения ±12 В (VD8, R31).

Номинальное значение чувствительности блоков ПП (величина действующего значения напряжения входного амплитудно-модулированного сигнала с номинальными частотами, при которых путевое реле на выходе приемника притягивает свой якорь) составляет 0,35 В. Выходное напряжение приемника ПП при свободной и исправной ТРЦ и наихудшем сочетании дестабилизирующих факторов ‑ не менее 4,2 В; при занятой – не более 0,1 В.

Мощность, потребляемая приемником, не превышает 5 ВА.

Светодиоды VD11 и VD12 обеспечивают световую индикацию состояния приемника. Поочередное мигание светодиодов с частотой модуляции указывает на наличие на входе приемника сигнала и исправность всех трактов до второго фильтра модуляции. Ровное свечение одного диода и погасание другого свидетельствуют о занятости РЦ или о повреждении приемника.

В приемнике ПП предусмотрена защита от ошибочной установки приемника другого типа. При общем внешнем выводе 31 выход для подключения путевого реле организуется на выводах 33, 13, 83, 52 или 51 для приемников с несущими частотами 420, 480, 580, 720 или 780 Гц соответственно. Выводы 23‑61 служат для подключения (при необходимости) дополнительного путевого реле с целью организации контроля ложного замыкания фронтовых контактов основного путевого реле.

Разные варианты путевых приемников ПП для конкретных комбинаций несущей и модулирующей частот (ПП8-8, ПП8-12 и т. д.) определяются типами трансформаторов TV1‑TV6, емкостями конденсаторов С1‑С4 и отсутствием или наличием конденсаторов С8 и С10.

В метрополитене применяется приемник типа ППМ, схема которого идентична схеме ПП, но чувствительность устанавливается равной 0,7 В и используются другие выводы трансформатора TV2.

В 2001 году начат выпуск путевых приемников типа ПП1, у которых усовершенствована схема вторичного источника питания.