ЭЛЕКТРОНИКА ЧЕЛЯБИНСК - 2006 2 Диденко А.В. Электроника. Краткий курс лекций. ЧИПС УрГУПС. 2005г. Краткий курс лекций предназначен для обучения рабочих массовых профессий основам электроники. В курсе лекций рассматривается работа выпрямителей, фильтров питания, стабилизаторов и регулируемых выпрямителей. Особое внимание уделено работе транзисторов в режимах переключения и усиления аналоговых сигналов. В кратком курсе лекций также рассматриваются схемы электронных блоков пассажирских вагонов. Краткий курс лекций может быть полезен студентам техникумов, колледжей, а также учащимся лицеев. 3 Выпрямители 1.Однополупериодный однофазный. Выпрямители являются преобразователями переменного тока в постоянный ток. Рис. 1 Однополупериодный выпрямитель Основные параметры выпрямителя: U2 - Напряжение во вторичной обмотке трансформатора; Ud - Среднее за период значение напряжения на нагрузке (среднее значение выпрямленного постоянного напряжения). Измеряется стрелочным или электронным вольтметром; ud - мгновенное (пиковое) значение напряжения выпрямленного постоянного напряжения. Измеряется осциллографом. Среднее за период значение тока - Id Основные соотношения при таком способе выпрямления: Ud = 0,45 U2 Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду Uобр max = 2 U2 = 3,14 Ud Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку Pd = Id * Ud Расчетная мощность трансформатора Sтр = 3, 09 Pd Действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки I2 = 1.57 Id U2 = 2,22 Ud Коэффициент пульсаций составляет : Кп = U1г/ Ud = 1,57 U1г - среднее значение напряжения первой гармоники. Недостатки: 1. Неполное использование мощности трансформатора. 2. Большое обратное напряжение на диодах. 3. Большая пульсация выпрямленного напряжения. 2. Двухполупериодный однофазный с нулевой точкой. Среднее значение выпрямленного напряжения: Ud = 0,9 U2 4 Рис. 2 Работа двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой. Основные соотношения для этого типа выпрямителя: Максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду U обр max = 2 2 U2 = 3,14 Ud Мощность трансформатора Sтр = 1,48 Pd Коэффициент пульсаций Кп = 2 / [( n m )2 - 1] При m = 2 коэффициент пульсации первой гармоники ( n = 1) составляет: Кп = 2 / [(1 * 2)2 - 1] = 2/3 = 0,67 Коэффициент пульсаций получается в два раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой. 3. Двухполупериодный мостовой 5 Рис. 3 Работа двухполупериодного выпрямителя мостового типа. Достоинства: 1. Снижение габаритной мощности трансформатора на 20 %. 2. Ток через диод равен половине тока нагрузки. 3. Малое обратное напряжение на нагрузке. 4. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой. Первичную обмотку можно соединять "звездой" или "треугольником". Напряжения в фазах сдвинуты друг относительно друга на 1/3 периода. Рис. 4 Трехфазный однополупериодный выпрямитель. Основные соотношения для этого типа выпрямителя: Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе: U do = 1,17 U2ф Максимальное значение обратного напряжения на нагрузке: U обр max = 2,09 Udo 6 Ток, проходящий через диод равен: Ia = Id / 3 Мощность трансформатора составляет: ST = 1,35 Pd Трехфазный мостовой Рис. 5 Трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Основные соотношения для этого типа выпрямителя: Среднее значение выпрямленного напряжения Ud = 1,35 U2л = 2,34 U2ф Или U2ф = U/ 2,34 = 0,427 Ud Обратное максимальное напряжение на диоде: U обр max = 1,05 Ud Мощность трансформатора составляет: ST = 1,05 Pd Управляемые выпрямители. Рассмотрим тиристорный регулятор напряжения. В регуляторе применяется фазовое регулирование напряжения. С помощью регулятора R1 регулируют ток и напряжение управления тиристора. Тиристор открывается в тот момент времени, когда ток управления достигает величины тока включения (тока "зажигания"). Угол зажигания этого регулятора - от 0 до /2. Рис. 6 Схема регулятора с фазовым регулированием. 7 На рисунке показаны временные диаграммы фазового регулирования. Рис. 7 Временная диаграмма регулятора с фазовой регулировкой от 0 до /2 При таком способе регулирования невозможно производить регулировку напряжения на нагрузке в широких пределах. Действительно, угол зажигания определяет момент открытия транзистора и составляет пределы от 0 до π/2. При таком регулировании можно менять напряжение на нагрузке от полного значения до половины, после чего тиристор закрывается и регулировка становится невозможной. Для увеличения угла зажигания в цепь управления вводят реактивные элементы (емкости или индуктивности). Емкость позволяет создать дополнительный угол сдвига тока цепи управления по отношению к напряжению. Рис. 8 Угол зажигания регулятора - от 0 до 8 Рис. 9 Временная диаграмма регулятора с фазовой регулировкой от 0 до с емкостью Для обеспечения регулирования напряжения в более широких пределах используют системы импульсно-фазового регулирования (СИФУ). При таком способе регулирования формируют управляющие импульсы, которые позволяют открывать тиристор при углах "зажигания" от 0 до π. Однофазный управляемый регулятор напряжения Рис. 10 Однофазный управляемый регулятор напряжения 9 Трехфазный управляемый регулятор напряжения Рис. 11 Трехфазный управляемый ФИЛЬТРЫ ПИТАНИЯ Постоянное напряжение, полученное после выпрямления обладает большой пульсацией и содержит большое число гармоник. Питать радиоэлектронную аппаратуру таким напряжением нельзя. Применяют сглаживающие фильтры питания (реакторы). Рис. 12 Работа сглаживающего фильтра питания. Во время роста напряжения полуволны конденсатор заряжается, а во время "спада" напряжения С разряжается и "заполняет" накопленной энергией промежутки между полуволнами. Рис. 13 Временные диаграммы сглаживающего фильтра питания. 10 Таким образом уменьшаются пульсации выпрямленного постоянного напряжения. Рис. 14 Структурная схема блока питания. Фильтр уменьшает переменную составляющую выпрямленного постоянного напряжения и сохраняет постоянную составляющую. Коэффициент пульсаций: где -- амплитуда основной гармоники пульсаций -- постоянная составляющая напряжения на нагрузок Коэффициент пульсаций на нагрузке: где - амплитуда основной гармоники пульсаций - выпрямленное напряжение на нагрузке Коэффициент сглаживания S = q / q1 Для фильтров выпрямителей малой мощности: Ud / Udн = 1,05 - 1,1 Для фильтров выпрямителей большой мощности Ud / Udн = 1,005 - 1,01 На практике применяют Ud Udн Для уменьшения пульсаций применяют более сложные Г - образные, П - образные или многозвенные RC - фильтры питания. Г - образный RC - фильтр Рис. 15 Г - образный RC - фильтр 11 П - образный RC - фильтр Рис. 16 П - образный RC - фильтр Уменьшение пульсаций после П - образного RC - фильтра питания. Рис. 17 Временные диаграммы сглаживающего фильтра питания. Многозвенный фильтр питания. Рис. 18 Многозвенный RC – фильтр питания. Более качественное напряжение питания обеспечивают LC - фильтры. На рисунке показан П образный LC - фильтр питания радиоаппаратуры. Рис. 19 П - образный LC - фильтр Транзисторный фильтр питания Транзисторные фильтры питания имеют большой КПД и коэффициент сглаживания. 12 Рис. 20 Транзисторный фильтр питания. Стабилизаторы напряжения. Вольтамперная характеристика стабилитрона. Рис. 21 Вольтамперная характеристика стабилитрона. Параметрические стабилизаторы напряжения. Простейший параметрический стабилизатор напряжения. Рис. 22 Параметрический стабилизатор напряжения. Последовательный транзисторный параметрический стабилизатор напряжения. Рис. 23 Транзисторный параметрический стабилизатор напряжения. 13 Параллельный стабилизатор напряжения. Рис. 24 Транзисторный параллельный стабилизатор напряжения. Увеличение мощности транзисторных стабилизаторов напряжения. Рис. 25 Увеличение мощности транзисторного стабилизатора. Компенсационный стабилизатор напряжения. Рис. 26 Транзисторный компенсационный стабилизатор напряжения. Компенсационный стабилизатор на операционном усилителе. 14 Рис. 27 Компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе. Интегральные стабилизаторы напряжения. Рис. 28 Интегральный стабилизатор напряжения. ТРАНЗИСТОРЫ Работа транзистора в режиме переключения. В этом режиме транзистор работает как ключ. Транзистор может находиться либо в открытом, либо закрытом состояниях. Что означает открытое и закрытое состояния транзистора? Транзистор закрыт. Ключ К1 разомкнут. В этом случае напряжение на базе транзистора отсутствует, то есть отсутствует напряжение между эмиттером и базой (U эб = 0). Рис. 29 Транзистор закрыт На рис.29 показано состояние транзистора, когда ключ К1 разомкнут. К эмиттеру подводится положительное напряжение от источника питания, а база отключена от верхнего провода где присутствует отрицательное напряжение источника питания (Uэб = 0). Так как отсутствует напряжение между эмиттером и базой, то и отсутствует ток ЭМИТТЕР-БАЗА (ток базы). 15 Рис. 30 Сопротивление закрытого транзистора. У закрытого транзистора получается большое сопротивление между ЭМИТТЕРОМ и КОЛЛЕКТОРОМ. Это сопротивление току составляет сотни тысяч - десятки миллионов ОМ. Практически можно сказать, что ток эмиттер-коллектор отсутствует. Допустим в нашем случае сопротивление Rк = 1000 ОМ = 1 К. Сопротивление перехода эмиттер - коллектор составляет 100 000 ОМ ( Обычно это сопротивление намного больше). В выходной цепи эмиттер - коллектор транзистора образуется делитель напряжения, состоящий из двух сопротивлений Rк и Rэк самого транзистора. Этот делитель делит напряжение питания схемы на две части: Допустим напряжение питания составляет 9 вольт. Тогда напряжение на каждом сопротивлении делителя зависит от соотношения, пропорции между ними. R k / R эк= 1000 / 100 000 = 1 / 100 В соответствии с полученной пропорцией разбивается и напряжение между этими сопротивлениями: U Rk 0,01U пит 0,09v U эк Uпит - 0,09 8,91 v Рис. 31 Соотношение сопротивлений и напряжений. На рис.31 показаны сопротивления делителя и величины падения напряжения на этих сопротивлениях. 16 Рис. 32 Выходное напряжение закрытого транзистора. На рис.32 показан закрытый транзистор и величина выходного напряжения. Напряжение выхода соответствует напряжению коллектора транзистора. Напряжение на коллекторе отрицательное, так как оно измеряется относительно нижнего провода (общий провод), который имеет полярность "плюс". Транзистор открыт. Для того, чтобы открыть транзистор на его базу подают отрицательное напряжение. Рис. 33 Транзистор открыт. Для этого замыкают ключ К1. С верхнего провода на базу поступает отрицательный потенциал. На эмиттер поступает положительный потенциал с нижнего провода. Получается напряжение эмиттер - база. Если это напряжение превосходит потенциальный барьер p-n перехода эмиттер - база, то транзистор открывается. Потечет ток эмиттер-база. В результате открытия транзистора уменьшается сопротивление перехода ЭМИТТЕРКОЛЛЕКТОР и составит величины от нескольких ом до нескольких сотен ом. Рис. 34 Сопротивление открытого транзистора. Допустим, в нашем случае, сопротивление эмиттер - коллектор составит 10 ом. На выходе транзистора изменится соотношение сопротивлений делителя напряжения. Теперь сопротивление коллектора Rk оказывается в 100 раз больше сопротивления перехода эмиттер - коллектор транзистора. Rк / R эк = 1000 / 10 = 100 / 1 17 Рис. 35 Соотношение напряжений и сопротивлений. На рис.35 показан делитель напряжения выходной цепи транзистора. Теперь основная (большая) часть напряжения питания ( 9 вольт) приходится, падает на сопротивление Rк. Uэк 0,01Uпит 0,09 v Urk Uпит - 0,09 9 - 0,09 8,91 v Рис. 36 Выходное напряжение открытого транзистора. На рис. 36 показана выходная цепь транзистора и величина выходного напряжения в открытом состоянии. На коллекторе открытого транзистора получается малое отрицательное напряжение 0,09 вольт. Вывод: 1.На коллекторе, на выходе закрытого транзистора получается большая величина отрицательного напряжения примерно равная напряжению питания. 2. На коллекторе открытого транзистора получается малая величина отрицательного напряжения (приблизительно "0"). Ток в транзисторе тоже зависит от его состояния и величины сопротивления перехода эмиттер - коллектор. Рис. 37 Выходные напряжения транзистора. На рис. 37 показан транзистор в двух состояниях. Когда транзистор открыт, тогда в нем текут токи эмиттер-база (эб) и эмиттер-коллектор (эк). Ток ЭК появился в тот момент, когда сопротивление перехода эмиттер-коллектор открывающегося транзистора уменьшается. 18 Рис. 38 Представление транзистора в виде ключа. Транзистор можно представить также в виде ключа. Если транзистор закрыт, то это равноценно разомкнутому состоянию ключа (Бесконечно большое сопротивление). Ток пройти не может. Открытый транзистор соответствует замкнутому ключу (нулевое сопротивление току). В этом случае течет ток эмиттер - коллектор. Как управлять транзистором? Для этого необходимо испытать его и снять входные и выходные характеристики. Для эксплуатационников достаточно знать так называемые "Совмещенные характеристики" Испытание транзистора Для испытания соберем следующую схему: Рис. 39 Схема испытания транзистора. На рис. 39 показана схема испытания транзистора типа МП25. Напряжение питания принимаем 9 вольт. Сопротивление Rк = 1000 ОМ = 1 КОМ. Р1 - вольтметр, измеряющий напряжение ЭБ транзистора; Р2 - миллиамперметр, измеряющий ток базы(ЭБ) транзистора; Р3 - миллиамперметр, измеряющий ток коллектора (ЭК) транзистора; Р4 - вольтметр, измеряющий напряжение ЭК транзистора. Опустим движок переменного сопротивления Rупр в крайнее нижнее положение. В этом случае напряжение на переход ЭБ не поступает (Uэб = 0), а значит и ток базы Iб = 0. При отсутствии управляющих напряжения и тока базы транзистор закрыт. Сопротивление Rэк = max. Ток ЭК отсутствует, а напряжение ЭК большое, примерно равно U пит = 9 v. Если поднимать движок переменного сопротивления вверх, то растет падение напряжения на нижней части движка, откуда напряжение снимается и подается на переход эмиттер - база транзистора. 19 Рис. 40 Параметры транзистора. Напряжение управления (U упр) снимается с нижней части Rупр и подается на переход ЭБ, являясь для транзистора управляющим. Uупр = U эб Под действием напряжения ЭБ можно управлять транзистором, открывая или закрывая его. На рис. 41 показаны совмещенные характеристики германиевого транзистора. Минимальное значение потенциального барьера p-n перехода для выбранного типа транзистора (германиевый транзистор) составляет приблизительно 0,15 вольта. Пока напряжение ЭБ меньше 0,15 вольта - транзистор закрыт. Когда напряжение ЭБ приближается к значению 0,15 транзистор начинает открываться. Сопротивление ЭК постепенно уменьшается. Растет ток коллектора и уменьшается напряжение ЭК. Когда напряжение ЭБ превысит 0,2 - 0,24 вольта, тогда транзистор полностью откроется. Ток ЭК достигнет максимального (для данной нагрузки) значения, а напряжение ЭК наоборот уменьшится почти до нуля. Рис. 41 Совмещенные характеристики транзистора. При дальнейшем увеличении напряжения ЭБ состояние транзистора не меняется, так как он полностью открыт и насыщен. ВЫВОДЫ: 1. Для управления состоянием транзистора меняют величины напряжения ЭБ и тока базы; 2. Если напряжение Uэб < 0,15 v , то транзистор закрыт (Uэк = max, Iк = 0); 3. Если напряжение увеличивать от 0,15 до 0,24 вольта, то транзистор плавно открывается(Uэк -уменьшается, Iк - растет); 4. Когда напряжение Uэб > 0,24 v, то транзистор полностью открыт(Uэк 0=const, Iк = max=const). Совмещенные характеристики можно использовать на практике. Например, необходимо определить состояние транзистора при Uэб = 0,18 в. На совмещенной характеристике найдите это значение и восстановите перпендикуляр до пересечения с графиками Uэб и Iб. Из построений видно, что транзистор примерно наполовину приоткрыт( I к = 1/2 Iк max). 20 Каждый тип транзистора, выполненный на основе германия или кремния имеет свои характеристики, а поэтому рассмотренную выше совмещенную характеристику нельзя распространять на все типы транзисторов! Это характеристика транзистора типа МП25Б, выполненного на основе германиевого кристалла. Германиевые транзисторы имеют величины потенциальных барьеров = 0,15 -0,3 v. Потенциальный барьер определяет величину напряжения, при которой транзистор начинает открываться и полностью открывается. Кремниевые транзисторы имеют величины потенциальных барьеров = 0,4 - 0,8 вольта. Это означает, что кремниевые транзисторы открываются при больших, по сравнению с германиевыми, величинах напряжений Эмиттер-База. Совмещенные характеристики транзисторов имеют существенные недостатки. Они не позволяют показать зависимости между напряжением и током базы, а также между напряжением и током коллектора. Эти зависимости носят нелинейный характер. Поэтому для проведения серьезных расчетов электронных схем используют входные и выходные характеристики транзисторов. Рис. 42 Входные и выходные характеристики транзистора. На рис. 42 показаны входные (слева) и выходные (справа) характеристики транзистора. Из характеристик видно, что зависимости носят нелинейный характер, что не видно на совмещенных характеристиках. Как транзисторы управляет другим транзистором? В электронных схемах транзисторы управляют друг другом. Взаимодействие транзисторов рассмотрим на простом примере: Рис. 43 Значения напряжений в схеме с транзисторами. На рис.42 показаны три транзистора V1, V2, V3, которые соединены так, что коллекторы предыдушего транзистора соединены с базами последующих транзисторов. Такое соединение позволяет управлять последующим транзистором, используя потенциал коллектора 21 предыдущего. Допустим ключ К1 разомкнут. Тогда на базе транзистора V1 напряжение отсутствует и Uэб =0. На коллекторе закрытого транзистора получается отрицательное напряжение, примерно равное Uпит. Используем такие же данные, как и в ранее рассматриваемых цифровых примерах. Тогда на коллекторе получается напряжение, равное -8,91 вольта. Это напряжение с коллектора транзистора V1 поступает на базу транзистора V2. Если на базу транзистора подать напряжение -8,91 в, то переход ЭБ будет разрушен большим током базы(слишком большое напряжение для базы). Чтобы уменьшить величину напряжения, поступающего на базу, в цепи базы устанавливают делитель напряжения (R3,R4 ). На базу подается только часть напряжения коллектора, то есть не -8,91 в, а например -0,30 в. Совмещенные характеристики показывают, что такого напряжения вполне достаточно, чтобы полностью открыть транзистор V2 (Uэб > 0,24 v). На коллекторе открытого V2 получается малое отрицательное напряжение. В нашем случае это будет напряжение 0,09 в. Теперь напряжение с коллектора транзистора V2 поступает на базу V3. Это напряжение слишком мало, чтобы открыть транзистор и он остается в закрытом состоянии. На коллекторе закрытого V3 получается напряжение -8,91 вольта. Таким образом транзисторы управляют друг другом. Рассмотренный пример не имеет практического применения и предназначен для иллюстрации процессов, происходящих в электронных схемах. Рассмотрим одну из реальных схем электроники, называемую "Триггер". Рис. 44 Схема простого триггера. Допустим на вход, на базу V1 подается короткий импульс напряжения, достаточного для открытия транзистора( -0,30 вольта). Под действием напряжения транзистор V1 открывается. На коллекторе получается малое отрицательное напряжение (-0,09 вольта). Это напряжение поступает на базу V2 и закрывает его. На коллекторе закрытого транзистора V2 получается большое отрицательное напряжение (-8,91 вольта). Это напряжение с коллектора V2 поступает на базу V1 и удерживает его в открытом состоянии, даже после того как управляющий импульс напряжения входа закончился. Триггер "Защелкнулся". Триггеры используют в электронике как элементы памяти, запоминающие устройства. Работа транзистора в режиме усиления. Транзистор может работать и в режиме усиления гармонических сигналов. Такой режим используется в усилителях радиоприемников, радиопередатчиков, звуковых усилителях мощности и т.д. Задача усилителя - усиливать электрические сигналы и не искажать содержащуюся в этих сигналах информацию. Для того, чтобы усилитель усиливал сигналы необходимо правильно установить постоянные напряжение ЭБ и ток Базы. Это называется "Смещение". Рассмотрим работу транзисторного усилителя при разных вариантах подачи смещения. 22 Смещение отсутствует. Рис. 45 Усиление аналоговых сигналов транзисторным усилителем. Для проверки усилителя к входу его подключают генератор низкой частоты (ГНЧ) или генератор сигналов синусоидальной формы, а к выходу подключают осциллограф. Синусоидальный проверочный сигнал используют потому, что он позволяет легко визуально выявить искажения при неправильной регулировке усилителя или в случае неисправности. На рис.17 показан усилитель на базу которого не подано постоянное напряжение. Смещение транзисторного усилителя отсутствует и транзистор в исходном состоянии закрыт. Теперь на вход усилителя подают синусоидальный сигнал от ГНЧ. Так как транзистор закрыт, то и сигнал он не усиливает. На экране осциллографа наблюдается прямая линия. Говорят что у транзистора не установлен режим работы по постоянному току. Смещение установлено Рис. 46 Правильная настройка усилителя. Для того чтобы подать смещение базу транзистора соединяют с проводом "минус". Образуется делитель напряжения во входной цепи, состоящий из Rб и сопротивления перехода ЭБ самого транзистора. Следовательно напряжение питания разбивается делителем на 2 части. Путем подбора, регулировки (или предварительного расчета) можно подобрать такое сопротивление Rб при котором напряжение ЭБ приоткроет транзистор. Допустим транзистор наполовину приоткрыт. На рис. 46 показана работа усилителя при правильной подаче смещения. В этом случае сигнал усиливается и не искажается. 23 Рис. 46 График усиления при правильной установке смещения. На рис. 46 показано графическое представление процесса усиления сигнала. Сигнал усиливается по амплитуде и не искажается. Рис. 47 Неправильная настройка усилителя. На рис. 47 показан случай недостаточного, неправильного смещения. Транзистор призакрыт, входной сигнал усиливает и его сильно искажает. Операционные усилители. Операционные усилители широко используются в аппаратуре железнодорожного транспорта. Операционные усилители (ОУ) изготавливают в виде интегральных микросхем и они имеют следующую внутреннюю структуру: 24 Рис. 48 Структура операционного усилителя. На рис. 48 представлена внутренняя структура операционного усилителя. Это структура классического образца ОУ. На входе располагается дифференциальный усилитель, выполненный на транзисторах V1 и V2. Он оказывает основное воздействие на параметры схемы и на ее выход. Дифференциальный усилитель - это симметричная балансная схема, в которой R1 = R2, а транзисторы изготавливают одинаковыми по параметрам. Если на базы транзисторов V1 и V2 подать одинаковое напряжение, то транзисторы также одинаково приоткрываются. Потенциалы коллекторов оказываются равными и напряжение между коллекторами будет равно нулю. Если на базы транзисторов подать разные по величине напряжения, то транзисторы приоткрываются неодинаково и потенциалы коллекторов будут не равны. Между коллекторами появляется напряжение. Это напряжение с коллекторов V1 и V2 поступает на базы V3 и V4, которые также приоткрываются неодинаково. С коллектора V4 напряжение поступает на базу V5, который осуществляет сдвиг уровня напряжения таким образом, что на коллекторе его напряжение получается либо положительной либо отрицательной полярности. Под действием этого напряжения приоткрываются транзисторы разной проводимости V6 или V7. Если приоткрывается V6 , то призакрывается V7 или наоборот. Обозначение операционного усилителя в схемах. Рис. 49 Условное графическое представление операционного усилителя. Питается операционный усилитель двуполярным напряжением. 25 Рис. 50 Двуполярное напряжение питания ОУ. Напряжение между верхним и нижним проводами складывается из напряжений двух одинаковых источников тока U1 = U1 + U2 Напряжения источников тока обязательно должны быть равны: U1 = U2 Между источниками тока располагается общий провод, который как бы делит напряжение схемы U на две одинаковые части. Не инвертирующий усилитель. Рис. 51 Не инвертирующий усилитель Передаточная характеристика неинвертирующего ОУ 26 Инвертирующий усилитель. Рис. 52 Схема инвертирующего усилителя. Передаточная характеристика инвертирующего ОУ Логические и цифровые схемы Логические схемы широко применяются в современной электронной автоматике и вычислительной технике. На подвижном составе они применяются в электронных блоках современных пассажирских вагонов. Различают логические элементы "И", "ИЛИ", "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ", "НЕ". Рассмотрим работу логических элементов. В логических элементах в качестве сигналов применяют логические "0" и "1". Эти цифры соответствуют уровням напряжений. Низкому уровню напряжения соответствует логический "0", а высокому – логическая "1". Ниже показано соответствие логических сигналов уровням напряжений логики TTL (транзисторно-транзисторная логика) интегральных микросхем. 27 Рис. 53 Уровни напряжений TTL - логики Напряжение питания большинства современных логических элементов, входящих в состав интегральных микросхем составляет +5 вольт. Любое напряжение ниже +0,7 вольта воспринимается логическими элементами как логический "0". Напряжения превышающие + 2,3 вольта воспринимается логическими элементами как логическая "1". Логический элемент "И" работает как элемент совпадения. На его выходе Z появится логическая "1" только тогда, когда на обоих входах X и Y будут присутствовать логические "1". Элемент "И" обозначается в виде прямоугольника со знаком "&". Этот знак соответствует английскому слову "and" (русское "И"). Рис. 54 Логический элемент "И" и таблица истинности состояний Работу логического элемента принято представлять таблицей истинности состояний. Из таблицы видно, что логический элемент принимает на выходе значение, соответствующее логической "1" только тогда, когда на обоих его входах появятся лог. "1". Электрическими аналогами элемента могут служить схемы из последовательно соединенных двух контактов или двух транзисторов. Логический элемент "ИЛИ" работает по-другому. На его выходе получается лог."1" тогда, когда на любом из входов появится лог."1". Рис. 55 Логический элемент "ИЛИ" и таблица истинности состояний В длинных логических цепях сигналы могут затухать, а поэтому на выходе логических элементов устанавливают усилители, выполненные на транзисторах, 28 включенных по схеме с общим эмиттером, работающие как инверторы. Знак инверсии в логических элементах обозначают кружком перед входом или выходом элемента. Элементы "И-НЕ" и "ИЛИ-НЕ" работают также как элемент "И" и "ИЛИ", но выходные сигнал этих элементов необходимо изменить на противоположные, то есть произвести "инверсию". Рис. 56 Логический элемент "И-НЕ" и таблица истинности состояний Рис. 57 Логический элемент "ИЛИ-НЕ" и таблица истинности состояний Ниже на рисунке показано устройство интегральной микросхемы К155ЛА3, в состав которой входят 4 элемента "И-НЕ". Элементы работают независимо друг от друга и имеют только общее напряжение питания. Напряжение + 5 вольт подается на вывод 14, а – 5 вольт на вывод 7. Рис. 58 Интегральная микросхема К155ЛА3 29 Рис. 59 Выводы интегральной микросхемы Логические элементы могут работать отдельно, но из них также можно собирать различные схемы. Ниже на рисунке показана схема триггера собранного на элементах "И-НЕ". Рис. 60 Триггер на элементах "И-НЕ" Работу триггера следует анализировать с того логического элемента, состояние которого можно точно определить. На вход S нижнего элемента поступил лог."0", а значит совпадения не получилось. Тогда на выходе нижнего элемента получается лог. "1". Эта лог. "1" поступает по цепи обратной связи на второй вход верхнего элемента и на его выходе появляется лог."0". Ниже на рисунке показано условное графическое обозначение триггера типа RS. Назначение выводов следующее: R – вход сброса ("Reset"); S - вход для записи ("Save"); Q – основной выход триггера; Рис. 61 Условное графическое обозначение RS-триггера. 30 Триггеры используются в качестве ячеек памяти. Они способны запоминать информацию и сохранять ее. При отключении напряжения питания информация стирается. В схемах применяются и другие типы триггеров. Рис. 62 Условное графическое обозначение Т-триггера, D – триггера и JK – триггера. Цифровые интегральные микросхемы Рис. 63 Микросхема К1564ЛА3 Рис. 64 Микросхема К1564ЛА7 31 АЦП и ЦАП Дискретизация - Квантование - Кодирование Дискретизация – по заданному аналоговому сигналу S(t) строится дискретный сигнал S(nT). Дискретизация заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие тактовым моментам времени. Квантование – по заданному сигналу S(nT) строится цифровой кодированный сигнал Su (nT). Диапазон аналогового сигнала по амплитуде разбивается на участки. Квантование состоит в округлении значений аналогового напряжения , выбранных в тактовые моменты времени, до ближайшего уровня квантования. Уровни квантования сдвинуты друг относительно друга на величину К. Каждому уровню квантования присваивается порядковый номер К+1, К+2, ….. К+n. Квантование может быть линейным (с равномерным шагом) или нелинейным (с переменным шагом деления) Кодирование - заключается в представлении полученных при квантовании чисел в виде двоичного кода. Например, получили числа 1,4,7,7,8,3,0. Эти десятичные числа можно представить в виде соответствующих двоичных чисел: 0001, 0100, 0111, 0111, 1000, 0011, 0000. Рис. 65 Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. 32 Аналоговый сигнал преобразовали в цифровую форму. А можно ли его достоверно восстановить? Условие восстановления сигнала по его дискретным значениям сформулировано в теореме Котельникова (теореме отсчетов). " Чтобы восстановление сигнала было точным, частота дискретизации должна быть по крайней мере в 2 раза больше максимальной частоты fmax в спектре преобразуемого сигнала" Рис. 66 Спектр сигнала треугольной формы. На практике широкополосный спектр приходится ограничивать с помощью фильтров (высокодобротных). Спектр сигнала: S(t) = A/2 + 2A 2 1 2 1 2 [cos( t ) cos( 3 t ) cos( 5 t ) _ ...] T 3 T 5 T Математическая модель последовательности прямоугольных импульсов, составленная для первых трех гармоник в программе MathCad: 33 Рис. 67 Сигнал прямоугольной формы, полученный из нескольких синусоид (гармоник). Рис. 68 Спектр сигнала ограниченный фильтром. Рис. 69 Процесс преобразования цифровых кодов в аналоговый сигнал в ЦАП. 34 Рис. 70 Классификация ЦАП. ЭЛЕКТРОННЫЕ БЛОКИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ Блок контроля нагрева букс с позисторными датчиками (БКНБ.004).Блок БКНБ.004 выполняется в металлическом или пластмассовом корпусе и устанавливается в пультах управления вагонов отечественной постройки. Рис.71 Схема СКНБ с позисторными датчиками (БКНБ.004). Позисторные датчики увеличивают свое сопротивление при увеличении температуры. Изменение сопротивления позисторного датчика приведено в таблице. Таблица 1. Изменение сопротивления позисторного датчика. 20о 40 - 150 Ом 105о 120о 500 Ом 4000 Ом 35 Для подключения БКНБ используется 7 клемм. Клеммы 1 и 2 используются для подачи напряжения 110 в или 50 в, в зависимости от установки БКНБ на вагонах соответственно с УКВ и без УКВ. Клемма 3 служит для подачи сигнала на электропневматический тормоз после срабатывания БКНБ. Между клеммами 5 и 6 подключают сигнальную лампу и звонок. Клеммы 6 и 7 подключаются к цепи позисторных датчиков. БКНБ.004 обеспечивает раздельную сигнализацию в случаях перегрева буксы, обрыва в цепи датчиков или короткого замыкания в цепи датчиков. При подаче напряжения питания в схему БКНБ открывается только транзистор V5, а остальные транзисторы в схеме закрыты. Перегрев буксы. В исходном состоянии транзистор V7 закрыт. Ток течет по цепи: + - R3 - V2 - V1 - 6 - T - датчики - минус В случае перегрева буксы возрастает сопротивление цепи датчиков и большая часть тока потечет по цепи: + - R3 - бэ V7 - V8 - упр. Электр. V10 - катод V10 - 7 - минус Этим током транзистор V7 открывается. Уменьшается сопротивление коллектор - эмиттер транзистора V7 и потечет ток управления тиристором V10: + - кэ V5 - кэV7 - V8 - уэк V10 - 7 - минус Открывается тиристор V10 и через него течет ток сигнализации: + - 2 - V23 - V21 - 4 - сигнализация - 5 - V18 - V10 - 7 - минус Сигнализация включается на постоянную работу. В этом случае применяют экстренное торможение. После "остывания" буксы сигнализация не отключается, так как тиристор остается открытым. Обрыв в цепи датчиков. Если цепь датчиков цела, то открыт транзистор V5. Транзистор открыт потому, что ток управления (эмиттер - база) течет по цепи: + - эбV5 - R2 - V1 - 6 - T - датчики - минус Сопротивление эмиттер - коллектор V5 мало и положительное напряжение поступает на базу транзистора V17. По этой причине транзистор закрыт. При обрыве в цепи датчиков ток эмиттер - база транзистора V5 исчезает и он закрывается. На базе V17 оказывается отрицательное напряжение и транзистор открывается. Включается в работу мультивибратор, состоящий из транзисторов V17 и V19. Транзисторы V17 и V19 поочередно открываются. В те моменты времени, когда открывается V19 течет ток сигнализации: +50 - 2 - V23 - V21 - 4 - сигнализация - 5 - кэ V19 - 7 - минус Сигнализация включается на прерывистую работу. В этом случае экстренное торможение не применяют, но ПЭМ обязан устранить неисправность на ближайшей остановке. После устранения неисправности и замыкания цепи датчиков транзистор V5 вновь откроется, отключит мультивибратор и сигнализация перестает работать. Короткое замыкание в цепи датчиков. 36 В случае замыкания сопротивление цепи датчиков либо становится равным "0", либо значительно уменьшается. Потечет ток управления транзистора V4: + - R7 - бэ V4 - V1 - 6 - замыкание - минус Этим током открывается транзистор V4 и включает мультивибратор. Сигнализация включается на прерывистую работу. Экстренное торможение не применяют, но на ближайшей остановке ПЭМ обязан неисправность устранить. После устранения неисправности V4 отключается, выключает мультивибратор и сигнализация перестает работать. Проверка работоспособности БКНБ. Для проверки БКНБ тумблер Т устанавливают в положение "Проверка". Отключается транзистор V5 и включает мультивибратор. Сигнализация включается на прерывистую работу. Таким образом проверяется подача питания, работа мультивибратора, работоспособность лампы и звонка сигнализации, работа транзистора V5. Проверка работы схемы на нагрев буксы выполняют во время технических осмотров. Для проверки параллельно тумблеру Т включают сопротивление 3000 Ом мощностью 2 ватта и размыкают тумблер, устанавливая его в положение "Проверка". В этом случае сопротивление цепи датчиков увеличивается на 3000 Ом, что равноценно нагреву буксы. Открывается транзистор V7 и тиристор V10. Сигнализация включается на постоянную работу. Электронное регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей кондиционеров. Преобразователь частоты вагонов "Кросно" и "Латво" (ПЧ - 24). Подвагонный преобразователь частоты ПЧ - 24 предназначен для преобразования постоянного тока напряжением 110 вольт в переменный трехфазный ток. Трехфазный ток используется для питания электродвигателей холодильной установки УКВ - 31 ТП. Преобразователь позволяет регулировать частоту переменного трехфазного тока и таким образом менять скорость вращения электродвигателей с целью регулировки холодопроизводительности УКВ - 31. ПЧ - 24 установлен под вагоном в специальном ящике. Преобразователь питает электродвигатели по трем каналам: КАНАЛ 1: Электродвигатель компрессора. Напряжение меняется в пределах от 94 до 308 вольт. Частота переменного тока регулируется от 20 до 70 гц. Мощность канала - 18 квт; КАНАЛ 2: Электродвигатель приточного вентилятора центробежный (центральная вентиляция вагона). Напряжение составляет 220 вольт. Частота постоянная и равна 50 гц. Мощность канала - 3 квт; КАНАЛ 3: Электродвигатель вентилятора конденсатора (осевой). Напряжение меняется в пределах от 94 до 308 вольт. Частота переменного тока регулируется от 20 до 70 гц; 37 Рис. 72 Общий вид ПЧ - 24 в подвагонном ящике. Подвагонный преобразователь частоты (Рис. 22) состоит из повышаюших преобразователей напряжения ППН, блоков силовых инверторов БСИ, блока питания и схемы управления. Рассмотрим работу ППН: 1. При подаче напряжения питания происходит заряд конденсатора через дроссель (реактор). Конденсатор заряжается до напряжения 110 вольт. Это необходимо делать, чтобы избежать броска тока заряда в момент "накачки" конденсатора. Рис. 73 Первоначальный заряд конденсатора 2. После заряда конденсатора открывают IGBT транзистор V1. Через транзистор потечет ток, который создает вокруг дросселя (реактора) магнитное поле. Энергия "запасается" в магнитном поле. Рис. 74 Создание электромагнитного поля реактора. 38 3. На третьем этапе работы ППН транзистор V1 закрывают. Уменьшается ток проходящий через реактор, а значит уменьшается и магнитное поле. Изменение поля приводит к индуктированию ЭДС самоиндукции в дросселе ДР. Под действием ЭДС потечет ток заряда конденсатора, который дополнительно зарядит конденсатор до напряжения 400 - 500 вольт. Это способ повышения напряжения называют "накачкой" конденсатора. Диод исключает разряд конденсатора через источники питания. Рис. 75 "Накачка" конденсатора. Для преобразования постоянного тока в переменный трехфазный в ПЧ - 24 применяется инвертор (БСИ). Задача инвертора состоит в том, чтобы обеспечить изменение направления тока в фазовых обмотках электродвигателей. Допустим, в первую треть периода максимум тока должен быть в фазе U и направление тока, например, должно быть "к центру" обмотки электродвигателя, а токи в фазах V, W должны быть меньше и направление токов должно быть "от центра" обмотки. Для этого необходимо открыть транзисторы 1, 5 и 6. Рис. 76 Направление токов при максимальном значении тока в фазе U. В следующую треть периода, допустим, максимальное значение тока должно быть в фазе V. Тогда направление тока должно быть в фазе V "к центру" обмотки, а в фазах U, W - "от центра" обмотки. Для обеспечения такого направления токов необходимо открыть транзисторы 2, 4 и 6. Рис. 77 Направление токов при максимальном значении тока в фазе V. Для обеспечения максимального значения тока в фазе W, необходимо соответственно открыть транзисторы 3, 4 и 5. 39 Периодическая коммутация транзисторов позволяет менять направление токов в трехфазных обмотках электродвигателей и таким образом получать переменный трехфазный ток. Переключение транзисторов можно производить с различной частотой, что позволяет менять частоту полученного переменного трехфазного тока. Скорость вращения трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором зависит от числа пар полюсов и частоты питающего тока. n1 = 60*f / p где: n1 - число оборотов магнитного поля статора электродвигателя; f - частота переменного трехфазного тока; р - число пар полюсов. В холодильной машине УКВ - 31 используют изменение частоты трехфазного тока для регулирования числа оборотов электродвигателей компрессора и вентилятора конденсатора. Частоту меняют в от 20 до 70 герц, что позволяет изменять число оборотов поля статора в пределах 1200 до 4200 оборотов в минуту. Число оборотов ротора с учетом скольжения получается несколько меньше. Этот способ регулирования числа оборотов ротора должен учитывать закон регулирования: где U1 - напряжение, приложенное к статорной обмотке электродвигателя; U1ном - номинальная величина напряжения статорной обмотки соединенной звездой или треугольником; F1 - частота переменного тока (текущее значение); F1ном - номинальная частота переменного тока (принята при расчете электродвигателя); При постоянной величине момента M = const уравнение принимает вид Если необходимо поддерживать постоянную мощность электродвигателя Р = М = const, то получается условие Мномfном = Mf1 = const Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатели постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжение, был прост и дешев. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щеточный аппарат и сравнительно дорогие. Асинхронные двигатели широко распространены, надежны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию. Благодаря бурному развитию электроники и появлению недорогих преобразователей частоты стало возможным регулирование скорости вращения асинхронных двигателей в широких масштабах. Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей не в последнюю очередь стал возможен в связи с появлением новой элементной базы — силовых модулей на базе IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанных на токи до нескольких килоампер, напряжений до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше. Скорость ротора асинхронного электродвигателя можно регулировать изменением частоты питающего напряжения, амплитуды питающего напряжения, числа пар полюсов статора. Для изменения скорости вращения асинхронного электродвигателя наиболее широко используются устройства, позволяющие менять частоту подводимого напряжения — полупроводниковые преобразователи частоты. В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения осуществляется путем изменения частоты и амплитуды напряжения трехфазного источника питания. Как известно, регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты подводимого к статору напряжения возможно как в сторону снижения скорости, так и в сторону увеличения скорости выше номинальной. При регулировании частоты вниз от номинальной можно выбрать такой закон частотного управления (соотношение между частотой и амплитудой питающего напряжения, подводимого к статору асинхронного двигателя), что магнитный поток машины будет поддерживаться постоянным. В этом случае максимальный момент двигателя сохраняется неизменным, и таким образом обеспечивается постоянство перегрузочной способности во всем диапазоне 40 регулирования при неизменном моменте нагрузки. При регулировании частоты вверх от номинальной, что возможно у преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока, имеет место режим снижения магнитного потока двигателя, поскольку амплитуда напряжения остается неизменной на уровне ее номинального значения. Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально не может быть равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно лежит в диапазоне от 0 до 25-33 Гц. Но наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на рисунке. Рис. 78 Преобразователь частоты с промежуточным контуром постоянного тока. Рассмотрим работу ПЧ - 24. Каналы 1 и 3 получают напряжение 400 - 500 вольт для блоков силовых инверторов БСИ1, БСИ2 от одного повышающего преобразователя напряжения ППН 1. Преобразователь ППН 1 состоит из двух реакторов L1 и L2. Установка двух реакторов необходима для того, чтобы обеспечить достаточную "накачку" конденсатора, поскольку ППН 1 нагружен на два канала. Кроме того применение двух параллельных каналов L1, 14 и L2, 13 позволяет разгрузить по току транзисторы 13 и 14. Инверторы БСИ1 и БСИ3 преобразуют постоянный ток в трехфазный, который поступает на выходы каналов 1 и 3. Для защиты каналов от перегрузки и коротких замыканий на выходах каналов установлены платы датчиков тока (ПДТ31 и ПДТ32) имеющие соответственно номера 38 и 40. Для питания БСИ2 канала 2 установлен отдельный ППН2. Для защиты от перегрузки по току также предусмотрен ПДТ32 с номером 39. Управление транзисторами ППН1 и ППН2 осуществляется платами ПР1 и ПР2. Команды управления поступают на транзисторы через платы драйверов ПД1 и ПД2, имеющие в схеме номера 21 и 22. Управление транзисторами инверторов осуществляют платы управления ПУ1 (33, 34 и 35). Сигналы управления с этих плат поступают на транзисторы БСИ через платы сопряжения ПС2 М1 и ПС6 - ТМ (35, 36 и 37). Команды на включение каналов и установку частоты переменного трехфазного тока приходят из пульта управления 41. Обратно в пульт управления поступают сигналы из ПЧ - 24 сообщающие о работе каналов и возможных неисправностях. Для контроля электронных плат ПЧ - 24 от перегрева установлены датчики температуры 43, 44 и 45. 41 Рис. 79 Расположение электронных плат в подвагонном ящике ПЧ - 24 42 Рис. 80 Схема подвагонного преобразователя частоты ПЧ - 24 Электронные блоки пассажирских вагонов без УКВ 43 Электронные блоки используются в вагонах без установок кондиционирования воздуха моделей ЭВ - 26, ЭВ - 29, ЭВ - 32, ЭПВ - 10. Блок защит БЗ В состав блока защит входят РМН - реле максимального напряжения и РПН - реле пониженного напряжения. Блок защит выполняет следующие функции РМН: 1. Защита от повышения напряжения генератора свыше 60 вольт с задержкой 0,2 - 0,7 сек; 2. Защита от броска напряжения генератора при коммутационных перенапряжениях свыше 125 вольт; 3. Отключение генератора при обрыве фаз или перегорании одного из предохранителей F4, F5, F6; 4. Отключение при перегорании предохранителя F1. Защита РПН предусматривает: Отключение части наиболее мощных нагрузок вагона при понижении напряжения аккумуляторной батареи ниже 41 1 вольта. Рис. 81 Электронная схема блока защит БЗ Защита от повышения напряжения генератора свыше 60 вольт с задержкой 0,2 - 0,7 сек. Напряжение от фаз генератора через клеммы А2, Б2, Б3 поступает на диоды V22, V23, V24. На катодах диодов получается положительный потенциал. Это напряжение подается на делитель напряжения R28, R29, R30. С этого делителя напряжение через R26 поступает на эмиттер V29. Если напряжение генератора превышает 60 2 вольта, то потенциал эмиттера V29 превысит потенциал базы и транзистор откроется. В этот момент времени заряжается конденсатор С4. Если за время 0,2 - 0,7 секунды напряжение снизится ниже напряжения уставки (задаваемой R29), то V29 закроется и С4 разрядится через V30 и R27. Если через 0,2 - 0,7 секунды напряжение не уменьшится, то С4 зарядится. Потенциал эмиттера V25 окажется больше потенциала базы и транзистор откроется. Ток управления течет: + - R23 - эк V29 - R24 - V27 - бэ V25 - V20 - V21 - -Транзистор V25 открывает транзистор V16: + - эбV16 - R19 - экV25 - V20 - R22 - Этим током транзистор V16 открывается. Через переход эмиттер- коллектор потечет ток управления тиристором V1: + - эк V16 - уэV1 - катод V1 - К7 - - 44 Рис. 82 Электрические цепи при открытии V16 После открытия V1 потечет ток через катушку реле К7, которое отключит контактор К6, а он, в свою очередь, отключает обмотку возбуждения генератора И1-И2. Защита от броска напряжения генератора свыше 125 вольт. При повышении амплитудного значения напряжения свыше 125 5 вольт, напряжение на делителе R6 - R8 возрастает. С переменного резистора R7 на базу V17 поступает положительный потенциал. Потенциал базы V17 оказывается выше потенциала эмиттера. Транзистор V17 открывается и открывает V16: + - эб V16 - R17 - кэV17 - - Рис. 83 Работа схемы при напряжении свыше 125 вольт. Через открытый V16 потечет ток управления тиристором V1 и тиристор открывается. Включается реле К7 и отключает контактор К6, который отключает обмотку возбуждения генератора. Защита от обрыва фаз. При обрыве фаз или перегорании одного из предохранителей F4, F5, F6 напряжение на катодах диодов V22, V23, V24 снижается. Это приводит к снижению потенциала базы V14. Потечет ток управления V14: + R14, R15, R16 - эбV14 - - V22, V23, V24 Через открытый транзистор V14 потечет ток управления V15. + R14, R15, R16 - экV14 - бэV15 - Транзистор V15 открывается и создает ток эмиттер - база транзистора V16. Это приводит к включению V16, V1, K7 и отключению контактора К6, который отключает обмотку возбуждения генератора. 45 Рис. 84 Работа схемы при обрыве фаз или перегорании предохранителей. Защита от повышения напряжения аккумуляторной батареи ниже 41 1 вольт (РПН). При появлении напряжения на проводе 75 ("Возврат защиты"), напряжение поступает на клемму Б7, а с нее на делитель напряжения R38, R39, R40. Если напряжение аккумуляторной батареи превышает 41 1 вольт, то потенциал базы транзистора V35 получится выше потенциала эмиттера и транзистор откроется. Потечет ток эмиттер - база транзистора V34 через переход коллектор - эмиттер открытого транзистора V35. Этим током транзистор V34 открывается и включает реле К29, которое соединяет провода 192 и 61. Напряжение подается к силовым нагрузкам вагона. Рис. 85 Работа схемы в режиме РПН. Если напряжение аккумуляторной батареи снижается ниже 41 1 вольта, то уменьшается напряжение поступающее на делитель R38, R39, R40. В этом случае потенциал базы V35 получается меньше потенциала эмиттера и транзистор закрывается. Прерывается ток управления V34 и транзистор закрывается. В результате отключается реле К29 и выключает силовые нагрузки. Обрыв предохранителя F1 Обрыв предохранителя F1 при работающем генераторе приводит к коммутационным перенапряжениям. Для защиты от перенапряжений предусмотрена защита. Если предохранитель цел, то плавкая вставка шунтирует переход эмиттер - база транзистора V5 и транзистор закрыт. При перегорании предохранителя электрическая цепь разрывается и на краях предохранителя появляется напряжение. Через переход эмиттер - база V5 потечет ток, открывающий транзистор. После этого через переход эмиттер - коллектор транзистора V5 потечет ток, который потечет по цепи база - эмиттер V15. Транзистор V15 открывается и включает транзистор V16, который открывает тиристор V1. Включается реле К7 и отключает генератор. 46 Рис. 86 Работа схемы при перегорании предохранителя F1. Блокировка защиты при пуске мощных нагрузок. При пуске мощных электрических нагрузок происходит кратковременное понижение напряжения, что может воспринято схемой как неисправность. Чтобы исключить ложные срабатывания нагрузок предусмотрена блокировка. При нажатии кнопки "Пуск преобразователя" напряжение кратковременно снижается. Одновременно на клемму Б5 поступает напряжение с кнопки S40 "Задержка". Происходит заряд конденсатора С10: +Б5 V3 C10 После отпускания кнопки, когда идет пуск преобразователя люминесцентного освещения, конденсатор С10 медленно разряжается через базу V36. Рис. 87 Работа схемы БЗ при блокировке защиты во время пуска мощных нагрузок. V36 открывается и включает транзисторы V35, а он открывает V34. Пока разряжается С10 открыты V36, V35, V34. Транзистор V34 открыт и удерживает во включенном состоянии реле К29. По этой причине реле К29 не отключается, когда напряжение генератора уменьшается. 47 Блок реле частоты (БРЧ) Служит для переключения питания нагрузок с аккумуляторной батареи на генератор и наоборот при изменении скорости движения вагона. Рис. 88 Схема блока реле частоты (БРЧ) Рассмотрим работу схемы. На вход (Б5) поступают положительные полуволны напряжения от фазы 1с2 генератора и выпрямителя. Эти полуволны проходят через фильтр R1, R3, C1 поступают на базу транзистора V3. Фильтр пропускает напряжение только основной, первой гармоники и задерживает остальные гармоники. Таким образом исключается ложное срабатывание БРЧ. Полученные на колекторе V3 импульсы через с4 подаются на базу v5. Конденсатор с4 осуществляет дефференцирование импульсов. В результате усиления напряжения на коллекторе V5 получаются прямоугольные импульсы, следующие с частотой генератора. На резисторе R8 получается падение напряжения от импульсов тока заряда С7. Величина этого постоянного напряжения зависит от частоты генератора (среднее значение алгеброической суммы положительных импульсов напряжения). Это напряжение через R12 подается на инвертирующий вход 4 операционного усилителя (ОУ) D1. На неинвертирующий вход 5 операционного усилителя D1 напряжение подается через R12 со стабилитрона V7. R16 позволяет устанавливать определённый уровень напряжения на входе 5 операционного усилителя D1. Это напряжение определяет уставку, то есть скорость при которой происходит переключение питания нагрузок вагона с АБ на генератор. Входной сигнал ОУ равен разности напряжений на входах 5 и 4. Разность зависит от напряжения на входе 4, которое в свою очередь определяется скоростью движения вагона и частотой генератора: Если U4<U5, то на выходе ОУ получается + U. Транзисторы v13 и v15 закрываются реле K1 выключается. Рис. 89 Управление транзисторами V13 и V15 48 если U4>U5, то на выходе ОУ получается – U. Потечет ток управления V13: +18,5v - R17 - эбV13 - R18 - R9 - ОУ - минус Этим током открывается транзистор V13 и через него потечет ток: +18,5v - R17 - экV13 - R24 - бэV15 - минус Этим током откроется транзистор V15 и включит реле К1: +24v - K1 - кэV15 - минус Реле K1 включает контактор K1 (вне блока БРЧ). Питание системы осуществляется следующим образом, через клеммы Б3, Б4 напряжение подается в схему БРЧ. Через диод V1 и гасящии резистор R20 напряжение поступает для питания транзисторов V11, V15. С2 выполнет роль фильтра питания. Стабилитроны V17, V18 (Д814Д имеет напряжение стабилизации 12v) выполняют роль параметрического стабилизатора напряжения и создают напряжение 12v+12 v=24 v. Второе напряжение подается через диод V2 и гасит резистор R2. С3 – фильтр питания. Стабилитроны V6, V7 (Д818В и Д814В имеют напряжения стабилизации 9 v и 9,5 v) обеспечивают стабилизированное напряжение 9 v + 9,5 v=18,5v. Блок управления зарядом аккумуляторной батареи (БУЗ). Блок управления зарядом предназначен для управления зарядом аккумуляторной батарей 50 V от подвагонного генератора. Питание подается через клеммы Б 5, А 2 на диоды V 3, V 4 которые выпрямляют переменное напряжение. Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию пульсирующего напряжения. Конденсаторы С 2, СЗ совместно со стабилитронами V5, V6 и V 24 У 25 выполняют роль делителя напряжения. Получается двуполярное напряжение. Этим напряжением питаются операционные усилители D1, D2, D3, D74, D5 (прoвода 1и 3) Провод 2 - это общий провод. Работа схемы. Переменное напряжение подается на вход D1 (формирователь пилообразного напряжения). Полуволны переменного напряжения ограничиваются стабилитронами V7, V8 ("срезаются") и поступают на вход D1. Прямоугольные импульсы с выхода D1 поступают на V12. В результате на конденсаторах C4, C5 появляются пилообразные импульсы, находящиеся в противофазе. Эти импульсы поступают через R40 и R45 на неинвертирующие входы D4 и D5 (модуляторы). D2 - измеритель напряжения. На его + вход напряжение поступает через R20 и R21. Оно ограничивается стабилитроном V14. На "-" вход напряжение подается с источника опорного напряжения V15, R25, R26. R27 - делитель напряжения. R26 позволяет регулировать, производить у ставки напряжения заряда. С выхода D2 через R 24, R42,R43 напряжение подается на "-" входы D4, D5. D3 -измеритель тока. На его "-" вход напряжение поступает со входа Б2. Напряжение на "+" вход подается с ион, с делителя R31, R32, R33. R31 производит уставку тока заряда аккумуляторной батареи. С выхода D3 напряжение через R39, R41, R44 поступает на "-" входы D4, D5. 49 Рис. 90 Схема блока управления зарядом аккумуляторной батареи. D4, D 5 - фазоимпульсные модуляторы. Они управляют тиристорами V1 и V2. которые управляют тиристорами в основной схеме заряда аккумуляторов. Схема позволяет автоматически поддерживать установленное значения тока и напряжения в зависимости от наружной температуры (влияние термодатчика R15). В схеме применено широтно - импульсное управление. За счет угла открытия тиристоров регулируются ток и напряжение заряда аккумуляторной батарей. Обслуживающая бригада не управляет режимом заряда аккумуляторов. Это производится автоматически. Тиристорные регуляторы напряжения генераторов Регулятор напряжения генератора обеспечивает ограничение и регулирование напряжения генератора. ЭДС и напряжение генератора зависят от скорости движения вагона и величины магнитного поля. Е = СЕ n Ф Где СЕ - коэффициент, зависящий от конструкции генератора; n- число оборотов ротора генератора; Ф - магнитный поток генератора. Из приведенной выше формулы следует, что при увеличении числа оборотов "n" растет ЭДС и напряжение генератора. При больших скоростях движения вагона ЭДС может достигать недопустимо большой величины. Чтобы ограничить рост ЭДС генератора приходится уменьшать магнитный поток "Ф" пропорционально росту числа оборотов "n". Таким образом ограничивают величину напряжения и ЭДС генератора. Уменьшать магнитный поток (магнитное поле генератора) можно путем уменьшения тока в цепи обмотки возбуждения генератора. 50 Рис. 91 Зависимость Е от числа оборотов с регулятором напряжения. Регулятор напряжения генератора 2Б. 231. 7. Регулятор напряжения генератора 2Б.231 используется в пассажирских вагонах с комплектами электрооборудования ЭВ - 26, ЭВ - 29, ЭВ - 32, ЭПВ - 10 без установок кондиционирования воздуха. В этих вагонах напряжение сети составляет 50 вольт. Рис. 92 Регулятор напряжения генератора 2Б.231.7 В процессе самовозбуждения генератора и во время работы ток возбуждения течет по разным цепям. Когда вагон набирает скорость напряжение генератора мало и тиристор V10 закрыт. Происходит процесс самовозбуждения генератора и ток возбуждения течет по цепи: Фаза генератора - F10 - фаза - V11 - подпитка - К9 - R7 - К6 - И1,И2 - -50 После возбуждения генератора, когда величина напряжения достигает 47 вольт срабатывает реле К9. Это реле разрывает цепь самовозбудения генератора. Теперь ток возбуждения потечет по цепи: Фаза генератора - F10 - фаза - V11 - V10 - обмотка возбуждения - К6 - И1,И2 - -50 Ток обмотки возбужения И1,И2 генератора регулируется тиристором V10. Тиристором управляет схема уравления. Схема управления. 51 Регулятор напряжения содержит измерительный делитель напряжения, выполненный на резисторах R1 – R7 питающий делитель напряжения R8 , V2 , V3 , V4 , измерительный транзистор V1, пусковую схему на транзисторах V5, V6, исполнительную группу V10, V11, V12 . Пока напряжение генератора ниже уставки регулятора, напряжение на R3 – R5 (точка А) ниже опорного напряжения цепи v3- v4 (точка В). Потенциал базы v1(точка А) выше потенциала эмиттера (точка В), а значит транзистор v1 закрыт. Потенциал эмиттера транзистора v6 оказывается выше потенциала базы и поэтому транзистор v6 открывается. Течёт ток управления v6: + А1 – R8 - V2 – V3 – экV6 – R10 – бэV5 – V9 - уэV10 - кV10 - обмотка возбуждения - К6 - И1,И2 - -50 Этим током открывается транзистор V5. Через переход коллектор - эмиттер этого транзистора потечет ток, который окончательно откроет транзистор V6. Ток течёт через открытый v6 по цепи: После открытия V6 течёт ток открывающий тиристор v10: Фаза - F10 – A1 - R8 – V2 - V3 – экV6 – V7 – V8 – V9- (уэ-к)V10 – Б3 – К6 - И1,И2 – V1, V2, V3 Тиристор V10 открывается и пропускает ток через обмотку возбуждения: +V3 – F10 - A1 – v11 –V10 - Б 3 - К6 И1,И2 - v1, v2 v3. Токи в цепях управления и силовых цепях тиристора синхронизированы. После включения тиристор v6 получает питание только в интервалах времени, соответствующих положительному анодному напряжения тиристора v10, благодаря чему обеспечивается синхронизация импульсов управления тиристора. С наступлением следующей положительной полуволны на v10 и питающий делитель подаёт напряжение. И если v1 закрыт. То обеспечивается повторное включение тиристора v10. При повышении напряжения генератора выше установки регулятора транзистор v1 открывается и обеспечивала закрытие v6, а следовательно и v5. Подача импульсов управления прекращается. Регулирование напряжения обеспечивается благодаря чередованию 2-х описанных режимов работы тиристора. Когда тиристор закрыт напряжение в обмотке возбуждения равно 0,4 когда v10 открывается, то напряжение в обмотке достигает мах. Регуляторы напряжения для генераторов переменного тока. Современные вагоны с установками кондиционирования воздуха снабжаются генераторами переменного тока. В этих вагонах регуляторы напряжения генераторов в качестве регулирующего элемента используются транзисторы (биполярные, полевые с изолированным затвором или транзисторы IGBT типа). Транзисторы в схемах регуляторов работают в импульсных режимах с ШИМ - регулированием. Рис. 93 Коэффициент заполнения в схемах транзисторных регуляторов. 52 В импульсной технике существуют следующие параметры импульсной последовательности: - скважность импульсов; - коэффициент заполнения. Скважность импульсной последовательности - это отношение периода к длительности импульса. Q = T/ tИ Коэффициент заполнения - это отношение длительности импульса к периоду. КЗ = tИ / Т Таким образом коэффициент заполнения - это величина обратная скважности. С помощью ШИМ - регулирования возможно изменение коэффициента заполнения импульсов напряжения и тока обмотки возбуждения. Коэффициент заполнения не может быть больше 1. Чем больше коэффициент заполнения тем больше среднее действующее значение тока обмотки возбуждения. При неработающем (остановленном ) генераторе коэффициент заполнения обычно около 0,8. При раскручивании ротора генератора растет напряжение генератора. Для ограничения напряжения генератора коэффициент заполнения уменьшают, что приводит к уменьшению тока возбуждения, магнитного поля и напряжения генератора. Коэффициент заполнения определяет соотношение открытого и закрытого состояния регулирующего транзистора за период. Рассмотрим работу регулятора напряжения. Регулятор состоит из устройства измерения "И" и управляющего устройства УУ. Регулятор контролирует и ограничивает напряжение генератора. Для этого измеритель "И" включен параллельно основному выпрямителю Восн генератора переменного тока в токах a и b. Если напряжение генератора превышает установленное значение 142 вольта, то измеритель "И" подает сигнал на устройство управления УУ, которое уменьшает коэффициент заполнения и ток в цепи обмотки генератора уменьшается. Это приводит к уменьшению магнитного поля генератора и напряжения генератора. Таким образом ограничивается максимальное значение напряжения генератора. Регулятор ограничивает ток генератора. Для этого измеритель "И" подключен к шунту Ш1 генератора и таким образом измеряет ток генератора. Если ток генератора превышает максимально допустимое значение 220 ампер, то измеритель "И" подает сигнал в устройство управления УУ. Это устройство уменьшает коэффициент заполнения, а значит уменьшает ток возбуждения генератора. Снижается величина магнитного поля генератора, напряжения генератора и соответственно тока генератора. Рис. 94 Регулятор напряжения генератора переменного тока вагона с УКВ. Регулятор ограничивает ток заряда аккумуляторной батареи. Процесс ограничения зарядного тока аналогичен процессу ограничения тока генератора. 53 Регулятор напряжения генератора "1U2" вагонов ГДР с УКВ. Рассмотрим работу регулятора 1u2 вагона ГДР с УКВ. G – генератор; n1 – n3 - основной выпрямитель; n3 – n5 – дополнительный выпрямитель для цепи возбуждения; ОВГ (F1 – F2) – обмотки возбуждения; 1 n 1 - Аккумуляторная батарея. 1d5 – реле устройства испытания регулятора; 1d4 – реле схемы аварийного отключения; 1d6 – реле минимального напряжения; 1d7 – реле минимального напряжения; Кнопки и переключатели: 1b8 – (внутри ПУ) "Испытание регулятора" ; 1b9 – (внутри ПУ) "Испытание аварийной защиты"; 1b7 – кнопка "Авария"; 1b3 – (внутри ПУ) "Возврат сигнализации повышенной температуры генератора". Регулятор возбуждения 1U2 содержит электронные блоки: FGE 61 – Входной блок. Через него напряжение поступает (через фильтр) в блок NGL 51, а также выводится напряжение на ОВГ. Здесь же располагается КЗ тиристор; NGL 51 - Блок мощности. В нем находится транзисторный переключатель, создающий импульсный постоянный ток; EBT 71 - Блок управления зарядом аккумуляторной батареи в зависимости от температуры; EGS 61 - Блок защиты генератора. Подключен к шунтам (f 4 и f 1); EGR 51 – Блок регулирования и управления; FLS 71 - Блок защиты от минимального напряжения; 1 К 51 - Блок сигнализации перегрева генератора; Цепь возбуждения генератора: + n3 – n5 – e11 – 1e5 – FGE 61 – NGL 51 – FGE 61 – F 1 – ОВГ – F 2 – 1 f 4 – f 1 – n1 – n 3 Блок EGR 51 (блок регулирования и управления) вырабатывает управляющие импульсы прямоугольной формы, которые поступают в блок NGL 51 (блок мощности) и управляют транзисторным переключателем (VT 3, VT 4). Транзисторы VT 3 и VT 4 периодически открываются или прерывают ток возбуждения. Получаются прямоугольные импульсы тока возбуждения. Регулирование тока возбуждения осуществляется путем изменения коэффициента заполнения Vт. Чем больше Vт, тем больше среднее действующее значение тока возбуждения. Коэффициент заполнения Vт определяется блоком EGR 51 (блок регулирования и управления) и зависит от блоков EBT 71 (блок управления зарядом АБ) и EGS 61 (блок защиты генератора). Блок EBT 71 подключен к датчику 1f 3, который располагается в подвагонном аккумуляторном ящике (со стороны купе) и меняет свое значение при изменении температуры. Блок EBT 71 вырабатывает сигнал управления, который поступает в блок EGR 51 и влияет на коэффициент заполнения Vт, то есть меняет ток возбуждения. 1. Увеличивается температура - уменьшается ток возбуждения - уменьшается напряжение генератора. 2. Уменьшается температура - увеличивается ток возбуждения - увеличивается напряжение генератора. 54 Рис. 95 Коэффициент заполнения. Зимой напряжение генератора достигает максимума. Напомним основные параметры энергосистемы системы: Основное отрегулированное напряжение - 135 В Номинальный ток - 230 А Зарядный ток батареи - 100 А. Влияние температуры на напряжение заряда: 0 грд – 140 v + 20 грд – 134v + 40 грд – 128v Повышение температуры генератора: Блок EGS 61 подключен к шунту f 1 (ток генератора) и 1 f 4 (ток возбуждения). В блок также подается напряжение возбуждения. В качестве датчика нагрева генератора используется обмотка возбуждения ОВГ (F1, F2). Блок EGS измеряет ток и напряжение обмотки возбуждения, следовательно можно измерять и сопротивление обмотки возбуждения. R = Uвозб./ I возб. При нагреве генератора - меняется сопротивление обмотки возбуждения генератора. В блоке формируется сигнал, поступающий в блок EGR 51, что приводит к ограничению тока генератора, следовательно снижается температура. Одновременно сигнал поступает в блок 1К51, который включает светодиод 1h8 "Повышение температуры генератора". Для отключения светодиода - нажать 1b3. Ограничение крутящего момента генератора. Когда скорость движения мала, а нагрузка большая (большой тормозной момент), то возникает опасность механической перегрузки привода (муфта может сорваться). В этом случае блок EGS 61 подает сигнал в блок EGR 51, приводящий к уменьшению тока возбуждения, а следовательно к уменьшению напряжения генератора и тока генератора. Уменьшается крутящий момент, а значит снижается механическая нагрузка на привода. Ток возбуждения повышается ступенями, для этого EGS 61 подключен к f 1 и чувствует ток генератора. 55 Защита от перенапряжений. Причины: - неисправности генератора; - неисправности батареи; - перегорание (отсутствие) силовых предохранителей; - внезапная разгрузка генератора. Если напряжение больше 140 В, то в блоке EGS 61 EGR 51 формируется сигнал, который поступает в блок NGL 51 и в блок FGE 61. Включается тиристор VД 7, который закорачивает цепь возбуждения генератора и он развозбуждается. Срабатывает автомат 1е5 и отключает цепь возбуждения. При такой схеме не нужен расцепитель перенапряжений - в отличии от других схем. 56 Рис. 96 Регулятор напряжения генератора DCG - 4435 вагонов К/К постройки ГДР. 57 Блок регулирования напряжения генератора ( БРНГ) вагона "Кросно". Блок БРНГ (1А5) предназначен для контроля параметров аккумуляторной батареи, генератора и выполнения функций защиты генератора и нагрузок. В состав БРНГ входят РПН и РМН. Реле пониженного напряжения РПН Снижение напряжения аккумуляторной батареи создает аварийную ситуацию по следующим причинам: Происходит самопроизвольное отключение электрических аппаратов и электронных блоков; В случаях коротких замыканий могут не сработать предохранители. В схеме "Кросна" установлены два реле - 1KV4 и 1KV5. Они включаются блоком БРНГ (смотри клеммы 16 и 17). Для защиты батареи от глубокого разряда используется отключение нагрузок в 2 ступени: При снижении напряжения АБ ниже 90 вольт отключается реле 1KV5 - 2-я ступень; При дальнейшем снижении напряжения АБ ниже 87 вольт отключается реле 1KV4 - 1-я ступень. На 2-й ступени реле 1KV5 отключает: Блокирует работу кондиционера в режиме "Охлаждение"(405); Включает светодиод "Защита батареи / ступень II" (146). На 1-й ступени реле 1KV4 отключает: Отключает контактор 1KM1(148), который отключает нагрузки подключенные к проводу 81; Отключает цепи управления софитов(209); Блокирует работу приточного вентилятора(404); Включает светодиод "Защита батареи / ступень I"; После этого можно включать только нагрузки: Лампы накала и хвостовые фонари; Люминесцентные лампы служебного отделения и купе проводников; Цепи управления высоковольтным отоплением; УПС; СКНБ; Вызывную сигнализацию; Устройство контроля уровня воды; Нагреватель сливной трубы в котельном отделении; Оборудование "ЭКОТОЛ". Внимание! При срабатывании защиты первой ступени следует аккумуляторную батарею подзарядить! Рис. 97 Таблица настроек РПН в вагонах разных моделей. В вагонах с электрооборудованием ЭВА - 110.01 РПН1 срабатывает при напряжении 87 вольт, а РПН2 срабатывает при напряжении 90 вольт. В Вагонах моделей ЭВА-110.02 и ЭВА-110.09 настройки РПН изменены. Восстановление защиты РПН происходит автоматически , как только напряжение АБ достигает 115 вольт. 58 Регулирование напряжения генератора Во время движения вагона напряжение генератора регулируется с целью ограничения напряжения и тока генератора, а также регулируется ток заряда батареи. Эти режимы регулирует БРНГ. Ток обмотки возбуждения течет по цепи: + VD1,VD2,VD3 -> 30 -> 1QF1 ->БРНГ/ 2 -> VT1 ->БРНГ/ 6 -> 31 ->F1 -> F2 -> 1QF1 -> 1RS3 -> 1RS1 -> 16 -> - UZ1-UZ3. В этой цепи ток регулирует исполнительный транзистор VT1 блока БРНГ. Транзистор работает в импульсном режиме. Для управления транзистором используется ШИМ - регулятор. Регулирование тока возбуждения генератора производится путем изменения коэффициента заполнения (Кз). При малом коэффициенте заполнения соответственно мала величина среднего действующего значения тока возбуждения и наоборот. Если увеличивается ток обмотки возбуждения , то возрастает магнитное поле генератора и увеличивается напряжение генератора. БРНГ регулирует следующие параметры: Ток заряда аккумуляторной батареи не должен превышать 70 А; Максимальный ток генератора не должен превышать 220 А; Напряжение генератора не должно превышать 136 вольт при температоруре свыше +200 С; Напряжение генератора не должно превышать 142 вольта при температуре ниже +150 С. Рис. 98 Электронные блоки БРНГ Назначение электронных блоков БРНГ: 1. Блок управления реализует функции - регулирование тока заряда АБ; - выработка сигнала для управления током возбуждения генератора. На блоке располагаются светодиоды: "Uвозб<" - выходной сигнал ШИМ-контроллера (Яркость свечения обратно пропорциональна коэффициенту заполнения); "ВКЛ" - подано питание ШИМ-контроллера; "Iов" - ограничение зарядного тока АБ на максимально допустимом уровне. 2. Блок контроля реализует функции: - контроль уровня напряжения генератора и величины напряжения в обмотке возбуждения (нагрузка на генератор). На основании этих параметров выдается сигнал на подключение мощных силовых нагрузок; - контроль выходного напряжения стабилизатора напряжения сети (РНС). При не исправности РНС выдается сигнал на ограничение напряжения генератора; 59 На блоке располагаются светодиоды: "Uг <" - сигнал о возможности включения силовых нагрузок; "Uг > Ua" - неисправность РНС. Ограничение напряжения генератора. 3. Блок питания имеет в своем составе: - источник питания (+15В, -15В, -5В); - устройство сигнализации перегрева генератора; - устройство управления зарядным напряжением в зависимости от температуры в аккумуляторном ящике. В блоке питания установлены светодиоды: "Перег" - перегрев обмоток генератора; "Вкл" - сигнал о работе преобразователя блока питания; "Тщуп" - сигнал о целостности цепи подключения температурного щупа (датчика температуры аккумуляторной батареи). 4. Блок защиты реализует функции: - ограничение тока генератора в силовой цепи; - ограничение вращающего момента на валу генератора (ограничение максимального тока в обмотке возбуждения); - измерение и ограничение температуры генератора на предельно допустимом уровне. В блоке установлены светодиоды: " Т " - превышение температуры генератора; " I " - ограничение тока генератора; " М " - ограничение по максимальному вращающему моменту(защита привода генератора). Электронные блоки БРНГ Блок силовой Блок силовой обеспечивает непосредственное регулирование тока в обмотке возбуждения генератора. Для этого в блоке установлен мощный полевой транзистор VT1. Ток обмотки возбуждения проходит через транзистор по следущей цепи: + VD1,VD2,VD3 -> 30 -> 1QF1 ->БРНГ/ 22,23 ->L2 -> VT1 ->L1 -> БРНГ/ 25,26 -> 31 ->F1 >обмотка возбуждения -> F2 -> 1QF1 -> 1RS3 -> 1RS1 -> - UZ1-UZ3. Ток в обмотке возбуждения регулируется импульсным способом. Для управления транзистором применяется принцип широтно-импульсной модуляции. Рис. 99 Коэффициент заполнения С помощью ШИМ - регулирования возможно изменение коэффициента заполнения импульсов напряжения и тока обмотки возбуждения. Коэффициент заполнения не может быть больше 1. Чем больше коэффициент заполнения тем больше среднее действующее значение тока обмотки возбуждения. При неработающем (остановленном ) генераторе коэффициент заполнения около 0,8. При раскручивании ротора генератора растет напряжение генератора. Для ограничения напряжения генератора коэффициент заполнения уменьшают, что приводит к уменьшению тока возбуждения, магнитного поля и напряжения генератора. Коэффициент заполнения определяет соотношение открытого и закрытого состояния транзистора VT1 за период. В блоке силовом используется: 60 высокочастотный фильтр L1, L2 позволяющий подавлять высокочастотные помехи, возникающие при коммутации тока в обмотке возбуждения; - тиристор аварийного отключения VD5; - драйвер DA1, обеспечивающий оптронную развязку силовых цепей и цепей управления. Если силовой транзистор VT1 будет "пробит", то схема управления (на рисунке не показана) откроет тиристор VD5. Получается режим короткого замыкания в цепи возбуждения. Ток возбуждения быстро возрастает и автоматический выключатель 1QF1 отключается. В результате цепь возбуждения разрывается и ток возбуждения исчезает, а напряжение генератора уменьшается почти до нуля. Сигнал ШИМ - регулирования поступает через драйвер DA1 на затвор управления транзистора VT1 из блока управления. - Блок управления Блок управления реализует функции: - регулирование тока заряда АБ; - выработка сигнала для управления током возбуждения генератора. На входы блока поступают сигналы: с шунта 1RS2 поступает напряжение, пропорциональное току заряда аккумуляторной батареи +RA, -RA (провода 43, 44). Это напряжение подается на входы операционного усилителя DA1; из цепи возбуждения поступает напряжение возбуждения UU (провод 22); сигнал суммирующей шины Uиз блока контроля. Это напряжение зависит от тока генератора (шунт 1RS1), тормозного момента генератора (шунт 1RS3), напряжения на выходе блока силового (провод 31); сигнал IG из блока контроля; сигнал UT из блока питания; напряжение низковольтной магистрали (напряжение в схеме вагона) UV. Эти сигналы поступают на вход ШИМ - контроллера, который вырабатывает сигналы для управления силовым транзистором VT1 силового блока. Сигнал ШИМ поступает с выхода ШИМ - контроллера через транзистор VT4 на вход драйвера DA1, а с выхода на затвор транзистора VT1. Сигнал с шунта 1RS2 сравнивается с сигналом IG поступающим из блока защиты и определяет коэффициент заполнения на выходе ШИМ - контроллера, то есть регулирует ток заряда батареи (не более 70 А). Сигнал UT поступает из блока питания и используется для ввода ограничения по максимальному зарядному напряжению: - в зимний период не более 142 вольта; - в летний период не более 136 вольт. Напряжение UV из низковольтной магистрали (батарея или генератор) поступает через резисторный делитель на вход ШИМ - контроллера. В случае исчезновения напряжения (например, обрыв обратной связи по напряжению АБ) схема защиты ШИМ - контроллера обеспечивает отключение силового транзистора в силовом блоке. Сигнал U поступает из блока защиты и определяет момент на валу генератора. Если момент превышает заданное значение, то на выходе ШИМ - контроллера уменьшается коэффициент заполнения, а значит уменьшается напряжение, ток и тормозной момент генератора. Сигнал UU поступает из цепи возбуждения и предназначен для контроля максимального напряжения генератора. Если напряжение генератора превышает 165 вольт, то сигнал ШИМ на выходе блока управления уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения генератора. Процесс регулирования коэффициента заполнения осуществляется путем сравнения поступающих на входы ШИМ - контроллера сигналов с пилообразным напряжением, которое создается внутри контроллера. В результате сравнения получаются прямоугольные импульсы, коэффициент заполнения и скважность которых можно регулировать в широких пределах. 61 Рис. 100 Получение прямоугольных импульсов при ШИМ - регулировании. Блок защит Блок защиты реализует функции: - ограничение тока генератора в силовой цепи; - ограничение вращающего момента на валу генератора (ограничение максимального тока в обмотке возбуждения); - измерение и ограничение температуры обмоток генератора на предельно допустимом уровне. Ток генератора ограничивается на уровне не превышающем 220 ампер. Для этого сигнал с шунта 1RS1 поступает по проводам 41, 42 на вход блока +RG, -RG и далее на входы операционного усилителя DA1. Таким образом измеряется ток в силовой цепи генератора. Это напряжение усиливается, делится делителем напряжения и поступает на суммирующую шину U. Если срабатывает ограничение по току генератора, то загорается светодиод " I ". Сигнал U поступает в блок управления на один из входов ШИМ - контроллера и уменьшает коэффициент заполнения. Это приводит к уменьшению магнитного поля генератора, напряжения и тока нагрузки генератора. Ограничение электромагнитного момента сопротивления на валу применяется для защиты привода генератора. Такая необходимость возникает при малой скорости движения вагона (30 35 км/час) и большой величине тока нагрузки. Сигнал с шунта обмотки возбуждения 1RS3 по проводам 45, 46 поступает на входы -RF, +RF блока защит и далее на входы усилителя DA2. После усиления этот сигнал поступает через стабилитрон на суммирующую шину U. Стабилитрон открывается и пропускает сигнал на суммирующую шину только в случае если уровень напряжения в сигнале превышает уровень, соответствующий максимальному значению тока возбуждения. В этом случае регулятор работает в режиме ограничения тока возбуждения. Напряжение суммирующей шины U воздействует на ШИМ - регулятор блока управления, который уменьшает коэффициент заполнения и снижает ток возбуждения. Уменьшаются напряжение и ток генератора. Загорается светодиод VD9 "М". Ограничение температуры обмоток генератора. В качестве датчика температуры используется сама обмотка возбуждения, а точнее изменение сопротивления обмотки возбуждения. На вход усилителя DA3 подаются сигналы: - с выхода усилителя DA2 пропорциональный току обмотки возбуждения; - с выхода силового блока UF пропорциональный напряжению в цепи обмотки возбуждения. Таким образом на выходе усилителя DA3 получается сигнал, пропорциональный вычисленному значению сопротивления обмотки возбуждения генератора. При перегрузке генератора возрастает температура обмоток, в том числе и обмотки возбуждения. Повышается сопротивление обмотки возбуждения. Усилитель DA3 открывает транзистор, через который на суммирующую шину U поступает сигнал, ограничивающий ток генератора. Загорается светодиод "Т" сигнализирующий о перегреве обмоток генератора и включенном режиме ограничения генераторного тока. Блок контроля Блок контроля реализует функции: 62 - контроль уровня напряжения генератора и величины напряжения в обмотке возбуждения (нагрузка на генератор). На основании этих параметров выдается сигнал на подключение мощных силовых нагрузок; - контроль выходного напряжения стабилизатора напряжения сети (РНС). При неисправности РНС выдается сигнал на ограничение напряжения генератора; Включение силовых нагрузок происходит путем включения реле движения - стоянки 1KV2. Для этого на вход 22 подается напряжение с выпрямителя VD1, VD2, VD3 (сигнал UU). Это напряжение поступает на вход нижнего усилителя DA1 и сравнивается с опорным напряжением, поступающим из цепи стабилитрона. Если напряжение UU выше опорного, то на выходе операционного усилителя появляется сигнал, который открывает транзистор VT1. Это приводит к включению реле К1, а реле включает 1KV2. В этом случае разрешается работа мощных силовых нагрузок вагона (кондиционер, кипятильник, водонагреватели). Блокировку включения силовых нагрузок осуществляет верхний усилитель микросхемы DA1. Для этого на вход 26 блока контроля поступает сигнал UF с выхода силового блока. Этот сигнал поступает на вход верхнего усилителя микросхемы DA1 и сравнивается с напряжением из цепи стабилитрона (опорное напряжение). Если коэффициент заполнения напряжения возбуждения на выходе силового блока уменьшается до 0,7, что соответствует большой нагрузке генератора, то на выходе верхнего усилителя DA1 появляется высокий уровень напряжения. Если на выходе DA1 низкий уровень напряжения, то это напряжение поступает в цепь стабилитрона и блокирует вход 22 блока. Это равноценно запрещению включения силовых нагрузок. Когда на выходе DA1 появляется высокий уровень напряжения, то вход 22 разблокируется и нижний усилитель DA1 начинает контролировать коэффициент заполнения, то есть загрузку генератора. Сигнал UU поступает через вход 22 на вход нижнего усилителя DA1. Когда UU > Uоп , тогда включается К1. Это реле включает реле движения - стоянки. Контроль максимального значения напряжения на выходе регулятора напряжения сети РНС. Если напряжение на выходе РНС (провод 201) превысит 115 вольт, то происходит ограничение тока возбуждения генератора и напряжение генератора снижается. Напряжение с провода 201 поступает через вход 8 БРНГ на вход 28 блока контроля. Далее напряжение поступает на базу транзистора VT3, который открывается. Это приводит к открытию транзистора VT2, который посылает сигнал UT. Сигнал UT поступает на вход ШИМ - контроллера блока управления и уменьшает коэффициент заполнения. Таким образом уменьшается ток возбуждения и напряжение генератора ограничивается на уровне не выше 115 вольт. Блок питания. Блок питания имеет в своем составе следующие устройства: - источник питания (+15В, -15В, -5В); - устройство сигнализации перегрева генератора; - устройство управления зарядным напряжением в зависимости от температуры в аккумуляторном ящике. Напряжение с провода 28 поступает через клемму 1 в БРНГ (провод UV). Это напряжение поступает через предохранитель FU1 в схему преобразователя напряжения DA2. На выходе преобразователя получаются напряжения +15в, -15в и 0 (общий) для питания электронных блоков БРНГ. Для управления напряжением заряда аккумуляторной батареи напряжение снимается с датчика температуры 1В1 и по проводам 65, 47 поступает на входы +RT, -RT блока питания. С этих входов напряжение поступает на входы усилителя DA1. Выходное напряжение DA1 через транзистор оказывает влияние на выходной сигнал UT. Если температура в подвагонном аккумуляторном ящике менее 10 град С(зимний режим, то устройство управления зарядным напряжением не оказывает влияния на выходной сигнал UT. С ростом температуры возрастает сопротивление датчика 1В1. Увеличивается напряжение на датчике и соответственно на выходе микросхемы DA1. Это напряжение через транзистор VT3 поступает на выход UT и далее на вход UT блока управления на ШИМ - контроллер. Меняется коэффициент заполнения и напряжение генератора. Блок логики. В БРНГ используются 2 блока логики. Эти блоки позволяют контролировать напряжение аккумуляторной батареи и включение нагрузки. 63 При разряде аккумуляторной батареи нагрузки отключаются в 2 ступени: - при снижении напряжения аккумуляторной батареи ниже 98 вольт отключаются нагрузки второй ступени (реле 1KV5). Это наиболее мощные и наименее важные потребители. - - при снижении напряжения аккумуляторной батареи ниже 93 вольт отключаются нагрузки первой ступени (реле 1KV4). Это менее мощные и более важные потребители. Когда напряжение поднимается до 115-116 вольт защита отключается. 64 Рис. 101 Схема БРНГ вагона "Кросно" 65 66 Регулятор напряжения генератора вагона "Латво" МГ-03 Вагон с комплектом электрооборудования "Латво" комплектуется регулятором МГ - 02 (модуль генератора). Рис. 102 Модуль генератора МГ - 02. Модуль генератора реализует следующие функции: 1. Ограничивает напряжение генератора (не более 143 вольта); 2. Ограничивает ток генератора (не более 230 ампер); 3. Ограничивает ток заряда аккумуляторной батареи (не более 70 ампер); 4. Регулирует величину зарядного напряжения в зависимости от наружной температуры. Ток обмотки возбуждения течет по цепи: +V1,V2,V3 - A7 - F1 - F2 - 1K6 - A5 - VG - A3 - -1V7 - 1V12 Регулирующим элементом тока возбуждения является транзистор типа IGBT. Это транзистор VG. Транзистор позволяет менять коэффициент заполнения и таким образом регулирует ток обмотки возбуждения. Сигналы управления транзистором VG формируются в компараторе К, на входы которого поступает пилообразное напряжение с таймера Т (1000 герц) и напряжение управления с ШИМ регулятора Uб. На выходе компаратора К получаются импульсы прямоугольной формы постоянной частоты 1000 герц и с переменной величиной коэффициента заполнения. Эти импульсы поступают на специализированный драйвер Д, который формирует мощные импульсы управления транзистором VG. Для измерения основных параметров генератора и аккумуляторной батареи в схеме применяются блоки: Iг - блок контроля тока генератора; Iб - блок контроля тока заряда аккумуляторной батареи; Тб - блок контроля температуры аккумуляторной батареи; Uб - блок контроля напряжения генератора и батареи с ШИМ - регулятором. Если возрастает напряжение генератора свыше 150 вольт, то на выходе ШИМ - регулятора растет напряжение, что приводит к уменьшению коэффицента заполнения. Время открытого состояния транзистора VG за период сокращается. Ток возбуждения уменьшается. Это приводит к уменьшению магнитного поля и напряжения генератора. Если ток генератора превышает 230 ампер, то на выходе блока Iг появляется сигнал, который поступает в блок Uб на ШИМ - контроллер и вызывает уменьшение коэффициента заполнения. Уменьшаются магнитное поле генератора, напряжение и ток генератора. Аналогично происходит ограничение величины зарядного тока аккумуляторной батареи. 67 В летнее время года, когда температура воздуха превышает + 20 градусов, блок контроля температуры аккумуляторной батареи подает сигнал на ШИМ - контроллер, который ограничивает ток возбуждения и напряжение заряда аккумуляторов. В этом случае напряжение заряда не превышает 136 вольт. Рис. 103 Схема БУЗ Рассмотрим работу БУЗ, используя упрощенную схему (Рис. 26). БУЗ измеряет параметры аккумуляторной батареи и управляет процессом заряда АБ. Параметрами заряда являются: - напряжение заряда АБ; - ток заряда АБ; - наружная температура. Операционный усилитель D2 измеряет напряжение аккумуляторной батареи АБ. Для этого входы D2 подключены параллельно батарее. В этой цепи установлен датчик наружной температуры R15, что позволяет корректировать напряжение заряда батареи АБ в зависимости от времени года. Операционный усилитель D3 измеряет ток заряда батареи. Для этого входы D3 подключены параллельно шунту Е1. Ток заряда батареи проходит через шунт и создает на нем падение напряжения. Таким образом напряжение на шунте прямо пропорционально току заряда батареи. Усилитель D1 и транзистор VT1 создают импульсы напряжения на конденсаторах и вырабатывают пилообразное напряжение. Напряжение пилообразной формы подается на неинвертирующие входы усилителей D4 и D5. Это напряжение используется для формирования импульсов управления тиристорами V1 и V2, которые управляют тиристорами V7 и V8 (ШИМ регулирование). Сигналы (напряжения) с выходов усилителей D2 и D3 поступают через диоды V18 и V19 на инвертирующие входы усилителей D4 и D5 (фазо - импульсные модуляторы). На входах усилителей D4 и D5 сигналы смешиваются. Рассмотрим процесс формирования импульсов управления в модуляторах D4 и D5. 68 Рис. 104 Временные диаграммы БУЗ На входы усилителей D4 и D5 поступают напряжения пилообразной формы и напряжение сигнала Uсигн (пропорциональное напряжению, току заряда и температуре). На выходе усилителей D4 и D5 формируется прямоуголный импульс напряжения UвыхD4 тогда, когда на входах пилообразное напряжение достигает величины напряжения сигнала Uсигн. Эти моменты соответствуют точкам 1, 2 и 3 на графиках рисунка 12. Допустим возросло напряжение аккумуляторной батареи. Соответственно возрастает напряжение сигнала Uсигн2. Прямоугольный импульс на выходе D4 появляется в момент времени, соответствующий точке 2. Тиристор открывается позже по времени (точка 2). Возрастает падение напряжения на тиристоре и уменьшается падение напряжения на аккумуляторной батарее. Блок регулирования и защиты БРЗ-3 (2Б.785) "ЛАТВО" Блок БРЗ-3 (рис.1) содержит модуль питания МП-06, модуль генератора МГ-03 и модуль защиты МЗ-03. Модули подключены через штепсельные разъемы (схема рис.2) и являются функционально законченными узлами, что гарантирует полную взаимозаменяемость однотипных модулей без дополнительной регулировки. Корпус блока имеет винт для заземления, а рамки модулей соединены с корпусом через заземляющие планки. На лицевых панелях модулей размещены элементы встроенной диагностики (светодиоды, кнопочные переключатели и диагностическая розетка Х2 на модуле МП-06) с диагностическими табличками. Параметры модулей можно проверить на вагоне при неработающем генераторе, при напряжении (100-130) В на аккумуляторной батарее, используя многопредельный вольтметр. Методика проверки модулей приведена в техническом опи- 69 сании и инструкции по эксплуатации ОТР.466.256.4Д ТО комплекта электрооборудования ЭВ 44.03.4Д 1. Модуль питания МП-06 Модуль питания МП-06 (рис. 3) преобразует постоянное входное напряжение "Un" = (70-160) В в стабилизированные напряжения 24 В и имеет три выхода: "24 V" - используется для питания цепей блока БРЗ-3 и модуля стабилизатора МС-02; "UH 24 V" -гальванически независимое напряжение для питания цепей драйвера МС-02; "UK 24 V" - гальванически независимое напряжение для питания цепей климатической установки вагона. Кроме того, модуль МП-06 имеет выходы для диагностической проверки уставок модулей МГ-03 и МЗ-03 по напряжению ("Uб", "+B"). МП-06 (схема рис.4) содержит преобразователь напряжения ПН, модулятор импульсов МИ, реле напряжения РН и схему диагностики Д. Преобразователь напряжения модуля питания построен по схеме однотактного преобразователя обратного хода (преобразователя с обратным включением выпрямительных диодов). Его основными элементами являются ключевой IGBT транзистор VT2 и трансформатор Т. Преобразователь напряжения работает следующим образом. Когда транзистор VT2 открыт, ток в обмотке Н4-К4 и магнитный поток в сердечнике трансформатора линейно увеличиваются, а диоды V7...V8 при этом закрыты обратным напряжением. Когда транзистор VT2 закрывается,, магнитный поток в сердечнике начинает уменьшаться, и это вызывает токи во вторичных обмотках трансформатора Н1-К1, Н2-К2 и НЗ-КЗ. Токи этих обмоток через диоды V6...V8 заряжают соответствующие конденсаторы С12...С16 и текут в нагрузки. О наличии выходного напряжения свидетельствует светодиод Н. 70 71 Для устранения выбросов напряжения на коллекторе транзистора VT2 к нему подключены демпфирующие цепи С6, R14 и С10, R12. R13, R20 через диод V5. Транзистор VT2 управляется микросхемой D1 с тактовой частотой 20 кГц через резистор R10. Микросхема D1 является основным элементом модулятора им пульсов, в которой формируются функции запуска, управления и защиты преобразователя. Микросхема D1 содержит в себе: тактовый генератор (вывод 4 ), частота которого определяется резистором R7 (вывод 5) и конденсатором С8 (вывод 6). На конденсаторе С8 формируется пилообразное напряжение, которое имеет верхний и нижний пороги соответственно равные 2,8 и 1 В. Источник опорного напряжения 5,1 В (вывод 16). Устройство плавного запуска (вывод 81 Время которого определяется емкостью конденсатора С7. Выходной усилитель (вывод 14). на котором присутствуют импульсы управления транзистором VT2. Операционный усилитель, сравнивающий опорное напряжение (вывод 2) с входным сигналом (вывод 1). Усиленный и проинтегрированный входной сигнал поступает на вывод 3. Интеграция обеспечивается резистором R6 и конденсатором СЗ. ШИМ-компаратор, сравнивающий пилообразное напряжение конденсатора С8 (вывод 7) с усиленным входным сигналом (вывод 3). Импульсы напряжения с выхода компаратора поступают на логическое устройство, которое в свою очередь, управляет работой выходных усилителей. Блокировку по току транзистора VT2. Измеряемый сигнал снимается с шунта RS и через фильтр R11. R23, С9 поступает на вывод 9. Блокировка по току закрывает выходные усилители и соответственно транзистор VT2 при достижении на выводе 9 уровня сигнала 1 В. Устройство защиты от понижения питающего напряжения ниже 9 В на выводе 15. В момент включения МП-06 микросхемы D1, D2 питаются входным напряжением. Оно поступает от эмиттерного повторителя VT1, который открывается током заряда конденсатора С2. При переходе МП-06 в режим нормальной работы транзистор VT1 закрывается напряжением открытого диода V1 и микросхемы D1, D2 получают питание от обмотки трансформатора Н2-К2, то есть от конденсатора С13 через диод V4 и резистор R8. Это напряжение сглаживается конденсатором С4 и стабилизируется стабилитроном V2. Обратная связь по напряжению на вход микросхемы D1 подается через резисторный делитель RP2, R4, R5 с конденсатора С13. В свою очередь, благодаря изменению времени открытого состояния транзистора VT2 на конденсаторе С13 в режиме нормальной работы МП-06 поддерживается стабилизированное постоянное напряжение 24 В при изменении входного напряжения и нагрузок. При этом на конденсаторах С12, С16 (выход UH 24 V) и С14, С15 (выход UK 24 V) поддерживается напряжение (24-31) В и (21-27) В соответственно. Уставка напряжения 24 В на конденсаторе С13 регулируется потенциометром RP2. Если выходная суммарная мощность МП-06 превышает (36-40) Вт выходные напряжения снижаются, обеспечивая таким образом постоянную максимальную 72 мощность на выходах МП-06. Эта регулировка также осуществляется микросхемой D1 по сигналу обратной связи по току от шунта RS При снижении напряжения на конденсаторе С13 ниже 16 в срабатывает защита от понижения напряжения питания микросхемы D1, закрывается транзистор Vt2 и отключается МП-06. Таким образом обеспечивается защита от коротких замыканий на выходах МП-06 Реле напряжения. Его основным элементом является микросхема D2. На микросхеме D2 организована защита от повышения выходных напряжений. Выходное напряжение с конденсатора С13 через делитель R15...R17, RP3 поступает на вход (вывод 3) микросхемы D2, где сравнивается с опорным напряжением 5,1 В поступающим на инвертирующий вход (вывод 2). B случае увеличения напряжения выше уровня 27 В на конденсаторе С13 микросхема D2 переключается и выдает отключающий сигнал на микросхему D1 через диод V11 и резистор R18. При это также запирается транзистор VT2 и отключается МП-06. Уставка по напряжению срабатывания защиты регулируется потенциометром RP2. Кнопка S1 позволяет произвести проверку этой защиты, а для восстановления работы модуля необходимо отключить и повторно включить питание МП-06. Схема диагностики получает питание от демпфирующей цепи С10. R12. R13, R20, при этом напряжение на конденсаторе С10 (катод диода V5) выше питающего напряжения "Un" на (100-150) В. В режиме диагностики (при нажатой кнопке S2) это напряжение подается через транзистор VT3 на выход "Uб" и "+В" для проверки уставок МГ-03 и МЗ-03 по напряжению. Регулирование этого напряжения осуществляется потенциометром RP1, а его измерение -внешним вольтметром, подключенным к гнездам "—" и "Up" или "Up" розетки Х2. Розетка Х2 также позволяет произвести измерение напряжения питания "Un" и выходных напряжений "24 V", "UH 24 V" и "UK 24 V". 73 74 75 ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ МОДУЛЯ МП-06 (схема рис.4) Конденсаторы С6 К73-9-630В-470 ПФ±10% 1 С9 К10-17-1 б-М 1500-1000 пФ С7 К10-17-16-М 1500-2700 пФ С8 К73-9-100В-0.01 мкф+5% 1 СЗ...С5 К10-17-1 б-М 1500-0,1 мкФ З С18 К10-17-1 б-М 1500-0.33 мкФ С10 К73-17-630В-0.1 мкф±10% С11 К73-17-2508-0,47 мкФ±10% 1 С1 ,С2 К73-17-400В-0,47 мкф±10% 2 С16 К73-17-63В-1 мкФ±10% 1 С17 С12 С13...С15 Н D1 D2 F К50-29-450В-10 м кФ 1 К50-29-63В-47 мкФ 1 ! К50-29-63В-220 мкФ 3 Светодиод АЛ307ГМ Микросхема К1156ЕУЗ (КР1156ЕУЗ) 1 | Микросхема LM158JG (LM258N.LM2904N); 1 Предохранитель ВПТ1-2А 1 Резисторы R1...R23 RS С2-ЗЗН С5-16МВ-5Вт-0,39 Ом±5% (2Вт) RP1 СП4-1А-0,5Вт-100кОм 1 RP2 СП5-16ВА-0,25Вт-100 Ом+5% RP3 СП5-16ВА-0,25Вт-4,7 к0м+10% V1,V10,V11 ДиодКД521А V2 Стабилитрон Д814Д 1 76 ПРОДОЛЖЕНИЕ ПЕРЕЧНЯ ЭЛЕМЕНТОВ МОДУЛЯ МП-06 (схема рис.4) Обозначение Наименование V3 Диод JN5819 V4, V12, V14 Диод КД209А V13 Стабилитрон КС133А V5...V7,V9 Диод КД226Д V8 Диод MUR 860 VT1 Транзистор КТ854А VT2 Транзистор 1RG4PH40U VT3 Транзистор КТ940А S1 Переключатель П2К-С2-1-(Кр)-2-Ч S2 Переключатель П2К-Н2-1-(Кр)-4-Ч Т При мечание Трансформатор ТР35.491 Сердечник Б36 М2000НМ-1 Х1 Х2 Вилка РП10-15 "Л" . Розетка РП10-11 "3" 1 2. Модуль защиты МЗ-03 Модуль защиты МЗ-03 (рис.5) обеспечивает защиту генератора в аварийных режимах при неисправностях модуля генератора МГ-03. при потере фазы (например, при перегорании предохранителя в цепи генератора или в цепи питания модуля МГ-03), защиту цепей вагона от повышенного напряжения при питании от генератора, а также защиту от чрезмерного разряда аккумуляторной батареи. МЗ-03 (схема рис.6) содержит реле максимального напряжения "РМН', выполненное на микросхеме D2.1. транзисторах VT1, VT4, VT5 и реле К1; реле пониженного напряжения "РПН1" и "РПН2", выполненные на микросхеме D1, транзисторах VT2, VT3. VT6. VT7 и реле К2, КЗ; реле напряжения генератора "РНГ", выполненное на микросхеме D2.2, транзисторах VT8...VT9 и реле К4. Питается МЗ03 напряжением 24 В от модуля МП-06. 77 На микросхеме D2.1 организована защита от повышения выходного напряжения генератора. Выходное напряжение через резисторы R16...R18, диод V14 и делитель R22, R26, R27, RP1 поступает на вход D2.1, где сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VZ4. В случае увеличения напряжения генератора уровня 155 В микросхема D2.1 срабатывает с выдержкой времени, обратно пропорциональной величине превышения напряжения, что исключает ложные срабатывания защиты в нормальных переходных режимах. Задержка времени формируется интегрирующей цепью R25, С7. При повышении напряжения генератора выше уровня 200 В открывается диод V22 и микросхема D2.1. срабатывает без задержки. При этом закрывается транзистор VT5, отключается реле К1 и подключенный к реле внешний контактор, обеспечивающий гашение напряжения генератора. Регулировка этой защиты осуществляется потенциометром RP1. Схема, состоящая из резистора R10 и диодов V11, V40, также обеспечивает срабатывание D2.1 при пропадании измеряемого напряжения "UБ" (например, при перегорании внешнего предохранителя цепей управления). На транзисторе VT1 организована защита от обрыва фаз генератора. На нем сравнивается напряжение резисторов R13...R15, соединенных звездой, с напряжением внешних резисторов также соединенных звездой и установленных непосредственно на выходе генератора. В случае обрыва фазы (например, при перегорании одного или двух фазных предохранителей), а также в случае пробоя одного из диодов плюсовой группы силового выпрямителя генератора, транзистор VT1 открывается и через диод V17 и резистор R24 на микросхему D2.1 поступает сигнал, приводящий ее к срабатыванию. Транзистор VT4 обеспечивает контроль напряжения выходного транзистора МГ03 таким образом, что при нормальной работе через VT4 осуществляется периодический разряд конденсатора СЗ, а в случае пробоя транзистора в МГ-03 запирается УТ4, СЗ заряжается через R19, что также приводит к срабатыванию микросхемы D2.1. При отключении реле К1 включается красный светодиод Н1 по цепи R5, Н1, V10, а после снижения измеряемого напряжения реле К1 включается и своим контак- 78 том через диод V8 шунтирует цепь светодиода Н1, при этом светодиод отключается. Цепь, состоящая из резистора R6, диода V9 и конденсатора C1 снимает пepeнaпpяжeния c контактов реле К1 при его отключении. На микросхеме D1 организована защита от понижения напряжения (РПН1 и РПН2), предохраняющая аккумуляторную батарею от чрезмерного разряда, На микросхемах D1.3 и D1.1 сравниваются измеряемое напряжение аккумуляторной батареи Ug, подаваемое через резисторный делитель R31. R33, R34, RP2 на их инвертирующие входы, с опорным напряжением стабилитрона VZ4, подаваемым через резисторы R38 и R47 на их неинвертирующие входы соответственно. При понижении входного напряжения ниже 94 В микросхемы D1.3 и D1.1 срабатывают, и напряжение с их выходов через соответствующие делители R50, R48 и R41, R40 поступают на входы микросхем D1.4 и D1.2, но вход микросхемы D1.2 шунтирован цепочкой, состоящей из резистора R36, диода V32 и открытого транзистора VT7. При этом срабатывает только микросхема D1.4 с задержкой около 6 с, эта задержка формируется: резистором R49 и конденсатором С12. При срабатывании микросхемы D1.4 закрываются транзисторы VT3, VT7 и отключается реле К2 и подключенный к реле внешний контактор, отключающий часть нагрузок от батареи. При этом напряжение на батарее увеличивается; и реле КЗ не успевает отключиться. При дальнейшем разряде аккумуляторной батареи отключается и реле КЗ, также отключая внешний контактор и нагрузку от батареи. При отключенных реле К2 или КЗ обратное переключение микросхем D1.3, D1.1 возможно только при повышении измеряемого напряжения батареи выше уровня 115В. Это вызвано тем, что диоды V30, V25 в этом случае открыты и токи, протекающие по цепям R53, V30, R47 и R44, V25, R38, увеличивают опорное напряжение на входах этих микросхем. При этом благодаря цепям R37, V34 и R32. V41, шунтирующим соответствующие резисторы R50 и R41, уменьшается время обратного переключения микросхем D1.4 и D1.2 до (3-5) с. Для удобства настройки и проверки РПН1 и РПН2 их индикация выполнена с двойной яркостью свечения. При их отключении в первый момент переключаются микросхемы D1.3 и D1.1 и уменьшается яркость соответствующих светодиодов Н2 и НЗ, так как обесточиваются резисторы R52 и R43, а затем отключаются соответствующие реле К2, КЗ и светодиоды Н2, НЗ полностью гаснут. При включении PПН1 и РПН2 сначала срабатывают микросхемы D1.3 и D1.1 и вполнакала загораются соответствующие светодиоды Н2 и НЗ. Затем включаются реле К2, КЗ и светодиоды Н2, НЗ полностью загораются. При подаче напряжения на контакт X: A3 (Вост. РПН) реле К2, КЗ включаются независимо от напряжения аккумуляторной батареи, так как в этом случае цепь V21, R30 шунтирует резистор R31 и измеряемое напряжение на входах 2 и 6 микросхемы D1 увеличивается. Уставка по напряжению отключения РПН1 и РПН2 регулируется потенциометром RP2. Реле напряжения генератора (РНГ) отключает часть нагрузки от сети при неработающем генераторе. На микросхеме D2.2 сравнивается напряжение генератора " +В", поступающее через делитель R61, 64, RP3 на ее инвертирующий вход, с опорным напряжением 79 стабилитрона VZ 4, поступающим через резистор R65 на ее неинвертирующий вход. В случае увеличения напряжения генератора выше 115В микросхема D2.2 срабатывает, и открываются транзисторы VT9, VT8, включается реле К4 и внешний контактор, позволяющий подключить к сети полную нагрузку. При открытом транзисторе VT8 ток, протекающий по цепи R65, R67, V38, VT8 снижает опорное напряжение на микросхеме D2.2 и ее обратное переключение возможно только при напряжении генератора ниже 85 В, что исключает звонковый режим работы РНГ. При отключенном РПН1 т.е. при закрытом транзисторе VT7, ток, протекающий через резистор R62 и диод V36, увеличивает опорное напряжение на входе D2.2. При этом микросхема D2.2 может сработать только после включения РПН1 при разряженной аккумуляторной батарее. О состоянии реле К4 сигнализирует светодиод Н4, подключенный к ее контакту через резистор R4 и диод V6. Уставка напряжения включения PHГ регулируется потенциометром RP3. Кнопки S1 и S2 позволяют произвести проверку работоспособности узлов модуля МЗ-03, имитируя понижение или увеличение измеряемых входных напряжений. 80 81 ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ МОДУЛЯ МЗ-03 (схема рис.6) Обозначение Наименование Кол Примечание -во Конденсаторы С16 К10-17-16-М1500-6800 пФ 1 СЗ,С4 К73-17-250В-0,047 мкФ+10% 2 С1,С7 К73-17-250В-0,1 мкФ+10% 2 С9,С10,С14,С15 К10-17-16-М1500-0,1 мкФ 4 С5,С6,С12,С13 К73-17-63В-0,47 мкФ+10% 4 С2,С8 К73-17-63В-1 мкФ+10% 2 СИ К73-17-63В-1.5 мкФ+10% 1 D1 Микросхема LM124J (LM224N) 1 D2 Микросхема LM158JG (LM258N,LM2904N) 1 Н1 Светодиод АЛ307 БМ 1 Н2...Н4 Светодиод АЛ307 ГМ 3 К1...К4 Реле 30.22S 24V (3022 7024) "Finder" 4 Резисторы R2...R71 С2-ЗЗН 67 RP1,RP2,RP3 СП5-16ВА-0,25Вт-4,7 к0м+10% 3 S1,S2 Переключатель П2К-С2-1-(Кр)-2-ч 2 V1...V9,V14,V15.V19...V Диод КД209В 21 V10...V13,V16...V18,V22 ДиодКД521А ...V41 VZ1...VZ3 Стабилитрон КС147А 14 27 3 VZ4 Стабилитрон Д818Г 1 VZ5 Стабилитрон КС133А 1 VZ6.VZ7 Стабилитрон Д814В ——————————— —— VT1...VT3,VT9 Транзистор КТ3107Б VT4...VT8 Транзистор КТ315Г X Вилка РП10-15 "Л" 2 4 5 82 3. Модуль генератора МГ-03 Модуль генератора МГ-03 (рис.7) обеспечивает регулирование напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи, а также ограничивает максимальный ток нагрузки генератора путем изменения тока возбуждения генератора. МГ-03 (схема рис.8) содержит регулятор возбуждения РВ, выполненный на IGBT транзисторе VG; измеритель напряжения Uб на микросхеме D1.2 и транзисторе VT5; таймер Т на микросхеме DL; компаратор на микросхеме D3 и транзисторах VT6, VT7; драйвер Др на микросхеме DD; измеритель температуры Тб на микросхеме D2.1; измерители тока генератора и тока батареи Iг, I6 на микросхемах D1.1 и D соответственно. Регулирование, тока в обмотке возбуждения генератора обеспечивается путем изменения скважности включения транзистора VG, подключенного к выпрямителю на диодах V1...V3 и включенного последовательно в цепь обмотки возбуждения. Работой транзистора VG управляет драйвер DD, с выхода которого через резистор R40 поступают на затвор VG импульсы управления с частотой 1000 Гц. Микросхема DD содержит в себе: - Компаратор токового ограничения транзистора VG. Измеряемый сигнал снимается с шунта R31 и через фильтр R41, R42, С19 поступает на вывод 1. Этот компаратор закрывает собственный выходной усилитель микросхемы и соответственно транзистор VG при достижении на выводе 1 уровня сигнала 65 мВ. Компаратор токового отключения. Этот компаратор срабатывает при достижении на выводе 1 сигнала 130 мВ, при этом также закрывается транзистор VG, выдается сигнал на вывод 7, который через резистор R50 открывает транзистор VT6, и схема становится на самоблокировку. - Компаратор блокировки, срабатывающий при понижении питающего напряжения ниже 12В. Таким образом, на драйвере DD организована схема ограничения максимального тока возбуждения генератора на уровне 3,5 А и защита транзистора VG от внешних коротких замыканий по сигналу от шунта RS1 на вход драйвера. Драйвером DD управляет широтно-импульсный модулятор, выполненный на таймере DL и компараторе D3. Таймер DL вырабатывает тактовую частоту 1000 Гц. Эта частота и скважность определяется резисторами R43, R44 и конденсатором С12. Пилообразное напряжение с конденсатора С12 поступает на неинвертирующий вход компаратора D3, где оно сравнивается с выходным напряжением микросхемы D1.2, поступающим через резистор R45 на инвертирующий вход. Выходное напряжение микросхемы D1.2 определяет угол управляющего сигнала на выходе компаратора D3. Этот управляющий сигнал усиливается транзисторами VT6, VT7 и поступает на вход драйвера DD. Для ограничения максимального угла управляющего сигнала, а следовательно, и транзистора VG, выход таймера DL подключен через резистор R60 к стробирующему входу компаратора D3. На микросхеме D1.2 выполнен измеритель напряжения аккумуляторной батареи. Измеряемое напряжение поступает на вход D1.2 от резисторного делителя 83 R34, R35, RP4, R52 через резистор R36, где оно сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VZ5. При этом на выходе микросхемы D1.2 сигнал изменяется таким образом, что на аккумуляторной батарее поддерживается конечное напряжение заряда 142 В (при неработающих других ограничениях). Эта уставка регулируется потенциометром RP4. В случае неисправности внешнего стабилизатора МС-02 открывается транзистор VT5 через резистор R31. При открытом транзисторе VT5 ток через резистор R32 воздействует на измерительный делитель таким образом, что на аккумуляторной батарее поддерживается напряжение (120-125) В. На микросхеме D2.1 выполнена схема измерителя температуры аккумуляторной батареи. При сопротивлении термодатчика ниже 54 Ом (+20 °С) сигнал низкого уровня на выходе микросхемы D2.1 никак не влияет на работу измерителя напряжения. При сопротивлении термодатчика выше 55 Ом (+25 °С) на выходе D2.1 появляется сигнал высокого уровня, и ток, протекающий в измерительный делитель через диод V17 и резистор R58 воздействует на измеритель напряжения таким образом, что на аккумуляторной батарее поддерживается конечное напряжение заряда 137 В. Порог срабатывания измерителя температуры регулируется потенциометром RP5. Об обрыве термодатчика сигнализирует светодиод Н5. Диод V19 необходим для исключения влияния измерителя температуры на регулирование напряжения при неисправностях МС-02, когда на аккумуляторной батарее поддерживается (120-125) В. Измеритель тока заряда аккумуляторной батареи выполнен на операционном усилителе D2.2, коэффициент усиления которого определяется резисторами R28, R29. Сигнал от батарейного шунта через резисторы RS3, R27 поступает на вход микросхемы D2.2, где он сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VZ5, поступающим на вход через делитель R25, RP3, R26. Выход измерителя D2.2 через диод V12 резистор R33 подключен к измерителю напряжения аккумуляторной батареи и воздействует на него таким образом, что напряжение на выходе генераторного выпрямителя изменяется для поддержания тока заряда аккумуляторной батареи 70 A. Эта уставка регулируется потенциометром RP3. Для более надежной работы микросхемы D2.2 на ее входе организовано положительное смещение измеряемого сигнала делителем R19, R27, а на конденсаторах С7, С8 выполнен помехоподавляющий фильтр. Аналогично измерителю тока батареи работает и измеритель максимального тока генератора, выполненный на операционном усилителе D1.1. Этот измеритель обеспечивает ограничение выпрямленного выходного тока генератора на уровне 230 А по сигналу от генераторного шунта. Сигнал от генераторного шунта через резисторы RS2, R20 поступает на вход микросхемы D1.1, где он сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VZ5, поступающим на вход D1.1 через делитель R22, RP2, R21. Коэффициент усиления операционного усилителя определяется резисторами R24, R23, а положительное смещение формируется резисторами R63, R20. Помехоподавляющий фильтр выполнен на конденсаторах С2 и СЗ. 84 Выход измерителя D1.1 подключен к измерителю напряжения аккумуляторной батареи через диод V11 и резистор R4. Уставка 230 А регулируется потенциометром RP2. Светодиоды Н1...Н4 и кнопки S1, S2 позволяют провести тестирование модуля МГ-03 Схема, выполненная на потенциометре RP1, резисторах R16...R18, RS2, RS3 и кнопках S1, S2 предназначена для проверки измерителей тока батареи и генератора. При нажатии на кнопку S1 на входы измерителей от соответствующих делителей R17, RS3 и R16, RS2 поступают сигналы, переводящие их в режим, аналогичный измерению реальных токов. При этом сигналы высокого уровня с выходов микросхем D1.1, D2.2 через соответствующие резисторы R8, R15 закрывают транзисторы VT1, VT3 и светодиоды НЗ, Н2 включаются. При одновременном нажатии на кнопки S1 и S2 величина сигналов на входе измерителей недостаточна для их переключения, из-за цепи резистора R18, транзисторы VT1, VT3 при этом открыты, а светодиоды НЗ, Н2 отключены. Такая схема проверки позволяет выявить разрегулированный модуль МГ-03. Порог срабатывания этой проверки регулируется потенциометром RP1. Светодиоды Н1 и Н4 сигнализируют о максимальном угле открытия транзистора VG, причем светодиод Н1 включатся только после восстановления защиты на пульте управ ления и 85 86 ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ МОДУЛЯ МГ-03 (схема рис.8) Обозначение Наименование Примечание Конденсаторы | С18 КТ2 С21 К10-1 7-16-М1500-620 пФ С17 К10-1 750-1 ОпФ 7-16-М1500-1000 пФ С19 К10-1 7-16-М1500-2400 ПФ+10% С11,С22 К10-17-16-М1500-0,015 мкФ С12 К73-1 7-250В-0,047 мкФ±10% С2...С10,С13,С14,С16, К10-1 7-16-М1500-0,1 мкФ С20 С1 К73-1 7-400В-0.47мкФ±10% С15 К73-1 7-63В-0,68 мкф±10% D1,D2 Микрс )схема LM158JG (LM258N.LM2904N) D3 Микр< осхема К554САЗА DL Микр< осхема КР1006ВИ1 DD Микр осхема МС33153Р Н4 Свето диод АЛ307 ГМ Н1...НЗ,Н5 Свето диод АЛ307 БМ R1...R63 Резис поры С2-ЗЗН RP1...RP5 Резистор СП5-16ВА-0,25-4,7кОм ±10% 5 RS1 Резис RS2,RS3 тор С5-16МВ-5Вт-0,1 Ом ±5% (2Вт) Резистор С2-29В-0,25-49,9 Ом±1% | 2 RU Варис V1 ...V3 пор 595-РН-250В+10% Диод MUR4100E (MUR480E) V4 Диод MUR860 1 V5,V19 Диод КД209В V6...V8,V11...V14,V16...V18i Диод КД521А VZ1 ,VZ4 | Стабилитрон КС147A 2 VZ2 Стаби литрон КС133А VZ3 Стаби ЛИТронД814В VZ5 Стаби литрон Д818Г VG Транз истор MGW21N60ED (IRG4PC50UD) V7 Г1 ,VT3,VT5,VT7 Транзистор КТ 3107Б 4 V7 -2,VT4,VT6 Транэ исторКТ315Г S1 ,S2 Пере <лючатель П2К-С2-1-(Кр)-2-ч X Вилка 1РП10-15"Л" 14 63
