[Книга СЦБ] Схемотехника и исследование светодиодных светофоров железнодорожного транспорта (Б. С. Сергеев Е. О. Савельев М. А. Оськина)

[Admin]

Б. С. Сергеев Е. О. Савельев М. А. Оськина
Схемотехника и исследование светодиодных светофоров железнодорожного транспорта

Скачать

В настоящей монографии приведены результаты работ по исследованию и разработкам схем светодиодных светофоров, которые проводились в Уральском государственном университете путей сообщения за последние 20 лет.
Выполнен анализ недостатков существующих светодиодных светофоров, на основании этого определены пути их совершенствования. Рассматриваются оригинальные устройства различных типов светодиодных светофоров, разработанных авторами монографии, которые защищены патентами РФ. Основные вопросы, которые решались в процессе выполнения приведенных разработок, — повышение надежности и долговечности светофоров, а также решались проблемы диагностики их функционирования в настоящее время решенные в недостаточной степени. Кроме того, рассмотрены задачи управления светодиодными светофорами по волоконно-оптическим линям связи, что обусловливает отказ от применения металлосодержащих управляющих кабелей.
Монография предназначена для использования разработчиками отраслевых проектных организаций, НИИ и КБ для изучения предложенных технических решений и возможной разработки новых схем управления светофорами. Приведенные материалы могут быть использованы преподавателями, студентами вузов при выполнении научных работ, в частности, при выборе магистрантами и аспирантами темы диссертационных работ.
This monograph presents the results of work on analysis and designs of circuits of LED traffic signals which was conducted in the Ural state university of railway transport for the last 20 years.
An analysis of the disadvantages of the currently available LED traffic signals is car-ried out and the ways to improve them are defined on its basis. The genuine devices of differ-ent types of LED traffic signals are developed by the authors of the monograph and patent protected by the Russian Federation. The main issues addressed in the course of the given developments are the increase of reliability and durability of the traffic signals as well as the problems of their operation which are not solved sufficiently at present. Besides, the problems of control of LED traffic signals by fiber-optic communication lines are covered in the work and, overall, it preconditions non-use of metal-containing control cables.
This monograph is intended for use by the developers of industry-based project organ-izations, research institutes and design-engineering departments for studying the proposed technical solutions and potential design of new control circuits of traffic signals. The present-ed materials can be used by lecturers and higher education students in preparing their research and academic works, particularly, when selecting a subject for the thesis by candidates for a master’s degree and post-graduate students.

Введение 4
Раздел 1. Анализ схемотехники существующих светодиодных светофоров 7
1.1. Светодиодные светофоры постоянного напряжения 8
1.2. Светодиодные светофоры переменного напряжения 21
1.3. Контроль функционирования СДМ светофора 33
1.4. Применение микроэлектронных драйверов в качестве источников тока 40
Раздел 2. Повышение энергетической эффективности светодиодных светофоров 44
2.1. Конденсаторные схемы светодиодных светофоров 44
2.2. Индуктивные схемы светодиодных светофоров 50
Раздел 3. Повышение надежности работы светодиодных светофоров 67
Раздел 4. Контроль излучения и работоспособности светодиодных светофоров 83
4.1. Диагностика функционирования светофора
в «горячем» режиме работы для схем с управлением от переменного напряжения 84
4.2. Диагностика функционирования светофора
для схем с управлением от постоянного напряжения 90
4.2.1. Диагностика функционирования светофора в «горячем» режиме работы 90
4.2.2. Диагностика функционирования светофора в «холодном» режиме работы 95
Раздел 5. Применение волоконно-оптических линий связи для управления светофорами 102
5.1. Устройство безопасной передачи аналогового оптического сигнала на излучатель светофора 103
5.2. Принципы реализации схем контроля функционирования светофоров
с использованием ВОЛС 110
5.3. Принципы структурной реализации систем управления и контроля светофоров
с использованием ВОЛС 111
Раздел 6. Нестандартные схемы управления светофорами 115
Заключение 125
Литература 126

В сложной инфраструктуре систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) одной из основных функций, обеспечивающих безопасность движения поездов, является передача ответственной информации с путевых устройств на локомотив. Очень широко применяется для передачи подобной информации оптический канал, где в качестве передатчика соответствующих сигналов используется светофор.
Сейчас на зарубежных и отечественных железных дорогах планомерно заменяют светофоры с лампами накаливания на светодиодные. Появление и развитие эффективных средств оптоэлектроники обусловило использование в светофорах современных светодиодных матриц (СДМ), состоящих из соответствующего электрического и конструктивного соединения одиночных светодиодов. В настоящее время не возникает вопроса о необходимости внедрения средств светодиодной техники на сети железных дорог. Этому процессу способствует ряд преимуществ использования СДМ в железнодорожных светофорах.
К одному из важнейших преимуществ в первую очередь следует отнести намного более высокую надежность и долговечность функционирования светодиодных светофоров — 100 тыс. часов и более. Поэтому отказываются от применения в светофорах ламп накаливания или использования двухнитевых ламп. Другое преимущество — существенно меньшее энергопотребление оптических излучателей, что снижает мощность, потребляемую светофорными системами от источников электропитания, в несколько раз.
За последние десятилетия достигнут прогресс в области улучшения технических, экономических и эксплуатационных характеристик светодиодных светофоров. На базе научных исследований разработаны новые схемотехнические решения. Отечественные и зарубежные заводы-изготовители выпускают различные модификации перегонных, станционных и переездных светодиодных светофоров, внедряемых на сети дорог ОАО «РЖД».

В новом отечественном стандарте предусмотрены технические и эксплуатационные требования к существующим и вновь разрабатываемым светодиодным светофорам для железнодорожного транспорта, внесены соответствующие изменения и в «Технический регламент безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта». Общие основы теории и функционирования светодиодов и СДМ, используемых в светодиодных светофорах, основаны на научных достижениях отечественных и зарубежных ученых и инженеров [1, 2]. В результате выполненных работ в России выпущены нормативные документы, оговаривающие требования к техническим и эксплуатационным характеристикам светодиодных светофоров железнодорожного транспорта и методики их испытаний [3–12].
Несмотря на привлекательность применения светодиодной техники, остаются нерешенные научные и инженерные проблемы. Их научный анализ и разработка на этой основе принципиально новых технических решений позволяет повысить эффективность работы, улучшить эксплуатационные характеристики светофоров и безопасность движения поездов. Решение этих задач дает возможность реализовать новый функционал, который не может быть получен в существующих устройствах светодиодных светофоров и схем управления ими.
Первые отечественные научно-технические публикации, посвященные разработкам в области светодиодных светофоров для железнодорожного транспорта, относятся к началу 2000 г. [13–17]. Перечень наиболее известных отечественных и зарубежных изготовителей светодиодных светофоров железнодорожного транспорта приведен в [18–41].
Значительная часть отечественных публикаций и полученных патентов по рассматриваемой тематике выполнены авторами настоящей монографии, — научными сотрудниками Уральского государственного университета путей сообщения. В библиографии приведены итоги и результаты более чем 15-летней работы созданной в университете научно-технической школы по направлению совершенствования характеристик и расширения функциональных возможностей светодиодных светофоров железнодорожного транспорта. Практически все приведенные в данной монографии технические решения защищены патентами Российской Федерации, патентообладателем которых является Уральский государственный университет путей сообщения.


Рассматриваемые в монографии вопросы светодиодной техники — это составная часть более широкой области исследования и решения научно-технических задач оптоэлектроники. Поэтому в монографии рассматриваются вопросы решения смежных со светодиодной техникой задач, которые ранее не исследовались и не применялись в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики.
При реализации и эксплуатации устройств автоматики и телемеханики применяют дорогостоящую медесодержащую кабельную продукцию (в станционных устройствах управления движением поездов). На железнодорожном транспорте для передачи и преобразования больших объемов цифровой информации планомерно замены медесодержащие кабели на волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). К сожалению, это не коснулось устройств автоматики и телемеханики (СЦБ).
Анализ возможностей использования ВОЛС в устройствах автоматики и телемеханики, проведенный в настоящей монографии, показывает неоспоримые преимущества их применения. Нами разработаны принципиально новые схемотехнические устройства и структурные решения управления и контроля светодиодными, которые могут быть применены также и в существующих ламповых светофорах.
Приведенные в настоящей монографии технические решения и их анализ предназначены не только для ознакомления с материалом. Авторы рассчитывают, что это приведет к созданию новых технических решений, которые будут обладать большей эффективностью и патентоспособностью. А это, в свою очередь, обусловит прогресс в области повышения эффективности и конкурентоспособности различных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта и не только светофоров.
Железнодорожный транспорт России остается одной из немногих структур, где сохранились централизованные подразделения, которые организуют и поощряют движение изобретателей и рационализаторов. Поэтому авторы рассчитывают на успех нашего предположения в области создания новых перспективных технических решений изобретателей и рационализаторов железнодорожного транспорта.