Електрична схема УК25/50М-Д, опис його функціонування

Електрична принципова схема УК представлена на рис. 4.

Живлення УК здійснюється від локомотивного джерела постійного струму номінальною напругою 50 В з допустимими відхиленнями ± 10 В та пульсаціями напруги живлення не більше 1 %.

Підсилювач має два входи:

- Вх1 – Вх2 – для підключення УК до ПК у разі використання сигнального струму АЛСН частотою 50 Гц;

- Вх2 – Вх3 – для підключення УК до фільтра ФЛ25/75М у разі використання сигнального струму АЛСН 25 або 75 Гц (вхід загальний у разі використання будь якої з цих двох частот).

Комутація входів УК до виходу попередніх каскадів у відповідності до використовуваної сигнальної частоти (ПК – частота 50 Гц, ФЛ – частота 25 або 75 Гц) здійснюється допоміжним реле ВР, що входить до конструкції підсилювача. При збудженому ВР (шляхом натискання машиністом зовнішньої допоміжної кнопки ВК реле ВР підключається до локомотивного джерела живлення постійного струму) можливе приймання сигналів на частоті 50 Гц. В колі реле ВР резистор R26 призначений для обмеження струму, а конденсатор С3 є шунтом для високочастотних завад, що можуть поступати на вхід УК через локомотивне джерело живлення.

Локомотивні ПК, що з’єднані між собою послідовно зустрічно, підключаються через Вх1 – Вх2 до первинної обмотки трансформатора TV1 (820 витків) і утворюють з нею загальну індуктивність, а разом з конденсатором С1 (0,75 мкФ ± 5 %) це коло є послідовним LC контуром з частотою резонансу 47 Гц (добротність 3...4).

У другого контуру, утвореного паралельним з’єднанням вторинної обмотки трансформатора TV1 (1700 витків з відводами від 60, 75, 90, 105 витків) та конденсатора С2 (3,9 мкФ ± 5 %), частота резонансу дорівнює 50 Гц, а добротність контуру – 10.

Таким чином, обидва контури, що мають трансформаторний зв'язок (індуктивність зв’язку 0,7 Гн), утворюють односмуговий фільтр з центральною частотою пропускання 50 Гц. Секціонування вторинної обмотки TV1 дозволяє змінювати індуктивність контуру, тим самим робити підстроювання його на частоту резонансу 50 Гц (резонансу струмів), при якому напруга на елементах контуру є максимальною, а також змінювати напругу, що подається на перший каскад підсилювача (транзистор VT1). У послідовному контурі у той же час спостерігається резонанс напруг з максимальним значення струму у первинній обмотці трансформатора TV1 на частоті 47 Гц.

Смуга пропускання фільтра, що на його резонансній кривій визначається як спектр частот, в межах якого струм або напруга на другому контурі, що подаються на вхід першого каскаду (VT1) підсилювача, не знижуються нижче 0,7 відносно своєї максимальної величини (на частоті 50 Гц), знаходиться в межах 43…57 Гц. Тобто смуга пропускання фільтра на рівні 0,7×U_max складає 14...16 Гц. При відхиленні від частоти 50 Гц на ± 5 Гц напруга на виході фільтра зменшується не більше, ніж на 15 % від максимального значення.

Другий вхід підсилювача (Вх2 – Вх3), що підключається тиловими контактами реле ВР до виходу ФЛ25/75М (при частоті сигнального струму АЛСН 25 або 75 Гц), має прохідний трансформатор TV2 для узгодження вихідного опору ФЛ25/75М з вхідним опором першого каскаду УК (транзистор VT1).

Перемикач П2 між виходом фільтра (50 Гц) та першим каскадом підсилення (VT1) встановлюється в положення ЭТ на лініях з електричною тягою постійного струму, внаслідок чого чутливість УК зменшується у порівнянні з тою, що потрібна при автономній тязі. Таке переключення здійснюється на локомотивах з автономною тягою при їхньому русі по неелектрифікованим (положення АТ) та електрифікованим (положення ЭТ) дільницям.

Підсилювач має чотири транзисторні каскади: три для попереднього підсилення сигналів числового коду АЛСН та вихідний (двохтактний) каскад з імпульсним реле ИР. У всіх каскадах транзистори включені за схемою із загальним емітером, за виключенням другого каскаду з транзистором VT2, що включений за схемою із зальним колектором.

Живлення перших трьох каскадів підсилення (VT1 – VT3) здійснюється за допомогою подільника напруги R24, R25 – VD5 від локомотивного джерела живлення (50 ± 10) В, напруга живлення при цьому становить 11,5…14 В (напруга стабілізації стабілітрона VD5). Четвертий каскад підсилення (колекторні кола транзисторів VT4, VT5 вихідного двохтактного підсилювача) отримує стабілізоване живлення напругою 9…12 В, яке задається подільником напруги R20 – VD6 (є напругою стабілізації стабілітрона VD6).

Перший каскад УК виконаний на транзисторі VT1 і працює в класі А. Положення робочої точки, що визначає начальний струм I_kн в колекторному колі транзистора, при відсутності вхідного сигналу задається струмом бази, що протікає у колі: + U₁ (середня точка подільника напруги R24, R25 – VD5), резистори R5, R6, перехід «емітер-база» VT1, ділянки кіл вхідних фільтрів з контактами реле ВР та вторинна обмотка трансформатора Т2, резистор R12, стабілітрон VD6, резистор R15, – U₁. Стабілізація режиму роботи каскаду підсилення на VT1 (забезпечення незмінного начального струму I_kн) досягається негативним зворотним зв’язком по постійному струму, що утворюється падінням напруги на резисторах R5, R6.

Для того щоб резистор R5 не зменшував значення змінної складової сигналу, він шунтований конденсатором С4. Резистор R6, що утворює негативний зворотний зв’язок по змінній складовій, дозволяє шляхом зміни його опору регулювати коефіцієнт підсилення каскаду. Негативний зворотний зв'язок по змінній складовій забезпечується також конденсатором С5. Основне призначення цього кола – за допомогою сильного негативного зворотного зв’язку послабити дію високочастотних завад, які можуть проникнути на вхід УК із зовнішніх кіл через ємності між проводами.

Другий каскад підсилення виконаний на транзисторі VT2, який включений за схемою емітерного повторювача і забезпечує підсилення сигналу лише по струму. Цього достатньо для забезпечення роботоспроможності третього каскаду на транзисторі VT3 з урахуванням включення між другим та третім каскадами схеми АРП на стабілітронах VD3, VD4 та конденсаторах С7, С8.

АРП необхідне для виключення перекручувань кодових сигналів, що приймаються з РЛ. Рівень струму у рейках під ПК по мірі руху локомотива від вхідного кінця блок-ділянки до її вихідного кінця може змінюватися у 10…20 разів у залежності від довжини РЛ та провідності баласту. При цьому на вхідному кінці РЛ необхідно забезпечити нормативний струм відповідно до роду локомотивної тяги. На рис. 6 наведено залежність струму АЛСН у рейках від відстані голови поїзда до вихідного кінця блок-ділянки, розраховану в математичній системі MathCAD для РЛ з нормативними параметрами довжиною 2,6 км. Залежність сигналів на вході УК при такій зміні струму можна спостерігати на рис. 2 (нагадуємо, що рівень сигналів – у дБ, тобто, напруга з виходу ФЛ на вхідному та вихідному кінцях РЛ відрізняється на порядок). При незмінній чутливості УК із зростанням вхідного сигналу по мірі руху локомотива по блок-ділянці спостерігалося б подовження імпульсів та скорочення інтервалів (при незмінній сталій часу перехідного процесу ФЛ при зростанні рівня струму в рейках зменшується час наростання фронту імпульсу та збільшується час його спаду від встановленого значення до порога чутливості УК). За допомогою АРП чутливість УК зменшується, що сприяє неперекрученому прийому кодових сигналів.

IPmax

L, км

IАЛС, А

IPном

Рисунок 6 – Струм АЛСН в рейках під ПК у залежності від відстані локомотива до вихідного кінця блок-ділянки

За принципом дії схема АРП є двохстороннім обмежувачем вхідного сигналу третього каскаду (VT3). Нормально через стабілітрони VD3 та VD4 подається струм зміщення, від якого залежать поріг обмеження та ефективність дії АРП. Коло струму зміщення VD3: + U1, R5, R6, перехід «емітер – база» VT1, R12, VD3, R15, – U1. Коло струму зміщення VD4: + U1, R8, R9, VD4, R13, – U1.

Під час імпульсу кодового сигналу в РЛ на вхід третього каскаду VT3 поступає змінний сигнал u_вх3 з виходу другого каскаду підсилення VT2 (падіння напруги на резисторах R8, R10). При негативній відносно емітера VT2 полярності напівхвилі вхідного сигналу, що протікає через перехід «емітер – база» VT3, заряджається конденсатор С8 по колу: + u_вх3 (вузол між R5, R8), R19, перехід «емітер – база» VT3, VD4, С8, R11, – u_вх3. (емітер VT2). При зворотній, позитивній полярності вхідного сигналу заряджається конденсатор С7 по колу: – u_вх3 (вузол між R5, R8), R19, перехід «емітер – база» VT3, VD3, С7, R11, + u_вх3. (емітер VT2). Струм заряду конденсаторів С8 та С7 зростає пропорційно значенню u_вх3, тобто рівню струму кодового сигналу в РЛ.

При миттєвій негативній полярності вхідного сигналу u_вх3 конденсатор С7 розряджається по колу: + u_вх3 (вузол між R5, R8), R19, перехід «емітер – база» VT3, VD3, С7, R11, – u_вх3 (емітер VT2). Максимальний струм розряду конденсатора С7 дорівнює струму зміщення через стабілітрон VD3, який в основному визначається опором резистора R19. Аналогічно при зворотній миттєвій полярності розряджається конденсатор С8: – u_вх3 (вузол між R5, R8), R19, перехід «емітер – база» VT3, VD4, С8, R11, + u_вх3 (емітер VT2), максимальний струм розряду якого дорівнює струму зміщення через стабілітрон VD4, який в основному визначається опором резистора R13.

При малих значеннях u_вх3 струм заряду конденсаторів С7, С8 не перевищує струм зміщення через стабілітрони VD3, VD4 і тому дорівнює струму розряду С7, С8, які виявляються в наслідок цього розрядженими.

При збільшенні рівня кодового струму в рейках при деякому його значенні струм заряду конденсаторів С7, С8 виявляється більшим, ніж струм зміщення через стабілітрони VD3, VD4 і відповідно більшим, ніж струм розряду конденсаторів. Внаслідок цього на конденсаторах С7, С8 виявляється залишковий заряд. Ця напруга протидіє вхідному сигналу, тому чутливість УК зменшується. В інтервалах між імпульсами конденсатори С7 та С8 розряджаються відповідно по колам: + U_C7, R11, R10, R8, R5, R6, перехід «емітер – база» VT1, R12, – U_C7 та + U_C8, R13, – U1, + U1, R8, R10, R11, – U_C8. Сталі часу розряду конденсаторів можуть бути прийняті наступними: t₇ = С7 × R12, t₈ = С8 × R13, і обираються такими, щоб забезпечити мінімальне перекручування параметрів кодових комбінацій АЛСН.

Максимального значення напруга на конденсаторах С7, С8 досягає тоді, коли голова поїзда знаходиться на вихідному кінці блок-ділянки, з якого здійснюється живлення РК. При цьому чутливість УК є мінімальною. Коли голова поїзда вступає на наступну блок-ділянку (наступне РК), величина струму в рейках, а відповідно, і рівень сигналу на вході УК, стрибкоподібно знижується в 10…20 разів. Така зміна струму в рейках з максимального значення (I_Pmax) до нормативного (I_Pнор) (рис. 6) призводить до втрати чутливості підсилювачем протягом часу, який називають часом відновлення t_в (рис. 1), тобто, доки конденсатори С7, С8 не розрядяться, чутливість УК є недостатньою для сприйняття кодового сигналу.

Підвищення ефективності дії АРП збільшує завадозахищеність УК при гармонічних та імпульсних завадах у випадку відносно високого рівня корисного кодового сигналу. Рівень корисного сигналу при наближенні голови поїзда до живлячого кінця РК значно перевищує нормативний струм спрацювання імпульсного реле на виході УК (рис. 6). Тому якщо автоматично підвищити струм спрацювання УК до рівня діючого в РЛ корисного сигналу (занадто більшого за нормативний), то завади, що менші за рівнем від корисного сигналу, але перевищуватимуть нормативну чутливість, не визиватимуть збоїв в нормальній роботі АЛСН.

При низькому рівні корисного сигналу і високому рівні заваді, що накладається на сигнал, збільшується вірогідність дроблення сигналів, зниження чутливості підсилювача, збільшення часу його відновлення (що спостерігається на епюрі рис. 3 б). Для виключення цього явища в схемі АРП використано нелінійний зворотний негативний зв'язок. Між входом АРП та виходом третього каскаду підсилення (VT3) включено коло з додатковими резисторами R14, R17, R23. Це підвищує термостабільність характеристик підсилювача, а введення негативного зворотного зв’язку сприяє тому, що регулювання підсилення починає діяти тільки при досягненні визначеного рівня сигналу, в результаті чого АРП підсилювача значно покращується. Дія негативного зворотного зв’язку нелінійна. При збільшенні рівня вхідного сигналу в 2 – 3 рази у порівнянні з чутливістю УК транзистор VT3 працює в режимі обмеження, і подальше збільшення вхідного сигналу не змінює рівень сигналу негативного зворотного зв’язку.

Третій каскад на транзисторі VT3 працює в класі А. Положення робочої точки задається подільником напруги на резисторах R15 та R8, R9. Стабілізація режиму роботи третього каскаду підсилення (незмінність початкового струму I_кн в колекторному колі VT3) досягається негативним зворотним зв’язком по постійному струму, що утворюється падінням напруги на резисторі R19. Для того, щоб R19 не зменшував змінну складову сигналу, він шунтований конденсатором С9. Для підвищення термостабільності характеристик УК в колі негативного зворотного зв’язку VT3 включено терморезистор R18 з негативним температурним коефіцієнтом (із зниженням температури опір R18 збільшується, негативний зворотний зв'язок зменшується, коефіцієнт підсилення УК зростає).

Четвертий каскад підсилення – кінцевий, двохтактний, виконаний на транзисторах VT4, VT5 з навантаженням у вигляді імпульсного реле постійного струму ИР типу КДР1 з одним трійниковим контактом (+ 50 В від загального контакту 21 на виходи ИФ, ИТ підсилювача), опором обмотки 280 Ом та потужністю спрацювання не більше 40 мВт. Колекторні кола транзисторів VT4, VT5 отримують стабілізоване живлення напругою 9…12 В, що утворено подільником R20 – VD6 і є напругою стабілізації VD6. При відсутності струму в рейках транзистори VT4, VT5 закриті, струм через обмотку ИР не протікає, реле знеструмлене. Поява на напівобмотках 1–2 та 3–4 трансформатора TV3 змінної напруги визиває почергове відкриття VT4, VT5 у відповідні півперіоди змінного струму вхідного сигналу, внаслідок чого в кожному півперіоді через обмотку ИР протікає струм одного напрямку (здійснюється двохнапівперіодне випростування сигналу). Для згладжування пульсацій випростаного струму та підтримки постійної напруги на обмотці ИР використано конденсатор С10.

Параметри схеми АРП для ліній з автономною тягою обираються з урахуванням параметрів амплітудного обмежувача (діоди VD1, VD2, що включені послідовно зустрічно в колі первинної обмотки TV1). Для дільниць з електричною тягою постійного струму амплітудний обмежувач не використовується (відповідне положення перемикача П1 в колі обмежувача на VD1, VD2).

Імпульсне реле ИР є виконавчим органом локомотивного підсилювача. Під час імпульсу струму в РК реле ИР замикає фронтовий контакт, через який подається живлення +50 В на вихід ИФ, при інтервалі ИР відпускає якір, через його тиловий контакт живлення +50 В подається на вихід ИТ підсилювача.