[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalisierungseinheit. Derartige Signalisierungseinheiten
werden besonders im Schienen- und Strassenverkehr als Lichtsignale verwendet.
[0002] Es sind sehr viele Lichtsignale in Verkehrsanlagen insbesondere in den Eisenbahnnetzen
im Betrieb, welche mit Glühlampen als Lichtquellen ausgerüstet sind. Allein in der
Schweiz dürften dies über 30'000 Lichtquellen sein. Die Signaltechnik im Verkehr basiert
auf Stellteilen, welche die Signallampen mit genau definierten Betriebsparametern
ansteuern. Zusätzlich werden dabei die Lichtquellen mittels Messung von vorbestimmten
elektrischen Parametern, wie z.B. die Grösse des fliessenden Stroms im Lampenstromkreis,
indirekt auf eine korrekte Lichtabgabe überwacht. Es gilt dabei in der Signalisieungstechnik
die Annahme, dass Stromfluss durch eine Glühlampe gleichbedeutend mit Lichtabgabe
ist. Glühlampen haben eine eingeschränkte Lebensdauer und fallen meist mit einem Durchbrennen
/ Durchschmelzen der Glühwendel mit dem folglichen Unterbruch des Stromkreises aus.
Dadurch fällt die bestimmungsgemässe Funktion der optischen Anzeige, z.B. einer bahntechnischen
Fahrtberechtigungs-Information (Signalbegriff) aus. Kritisch sind solche Ausfälle
vor allem bei Haltbefehlen. Es wird je nach Funktion von Betriebshemmung und/oder
dann von Betriebsgefährdung gesprochen. Dadurch ist für die Beseitigung dieses Zustandes
kurzzeitig ein aktiver Einsatz von Wartungspersonal für den Austausch der defekten
Lichtquelle erforderlich.
[0003] Will der Betreiber diese kurzfristigen Wartungseinsätze für den Austausch der Signale
vermeiden, so liegt als Lösung der Austausch der Glühlampe gegen eine andere Technologie
nahe. In der Signalisierungstechnik wird dies bereits mit der LED-Technik für Erstausrüstungen
praktiziert. Doch die Funktionalität vieler im Betrieb stehender Lampenstellteile
mit ihrer Stellwerkschnittstelle verlangen nach Glühlampensubstituten, die jedoch
in der Regel vergleichsweise kostspielig sind. Für einfache Lösungen auf der Lichtquellenseite
wären aufwendige Anpassungen an den (Überwachungs-)Anlagen erforderlich.
[0004] Primär ist es jedoch erforderlich, mittels der Überwachungseinrichtungen oder anderer
Massnahmen die erforderliche sehr geringe Restfehler-Wahrscheinlichkeit im Sinne der
Sicherheit (Safety) zu erreichen und zu gewährleisten.
[0005] Eine Umrüstung auf wartungsarme Lichtquellen ist demzufolge sehr aufwendig und verursacht
hohe Kosten und müsste bei den Umrüstungen in den Stellwerken über Nacht vorgenommen
werden. Zudem sind generell nach solchen Eingriffen in eine Anlage vor Beginn der
Nutzung der aufgerüsteten Funktionen eine Sicherheitsprüfung sowie eine behördliche
Betriebsbewilligung erforderlich. Der Aufwand dabei ist sehr gross. Aufwendige Umbauten
erlauben die heute sehr kurzen Ruheintervalle in den Verkehrsnetzen von nur einigen
Stunden meist nach Mitternacht nicht mehr. Auch ökonomische Kriterien sprechen dagegen.
[0006] Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, dass bei einem Ausfall einer Glühlampe ein
Verfahren und eine Einrichtung diejenige Funktion übernehmen, welche den weiteren
Betrieb ermöglicht und die Instandstellung, das heisst der Lampenwechsel im Signal,
bis zu einigen Tagen hinausgeschoben werden kann. Der herkömmlich unmittelbare Einsatz
für die Instandstellung entfällt somit. Damit werden auch die Risiken gegen körperliche
Schäden beim Unterhaltspersonal stark vermindert.
[0007] Bevor die erfindungsgemässe Lösung vorgestellt wird, soll hier nachfolgend noch einmal
der heutige Ist-Zustand zusammengefasst wieder gegeben werden. Ein Ausfall einer Glühlampe
durch Wendelbruch wird durch das zugehörige Stellteil detektiert und eine entsprechende
Fehlermeldung durch das Stellteil im Stellwerk (System) generiert. Diese im Stellwert
registrierte Fehlermeldung wird nun in der dispositiven Ebene der Leittechnik durch
die Fahrdienstleiter verarbeitet. Mit anderen Worten heisst dies, dass der Pikettdienst
für Störungen aufgeboten wird, um die ausgefallene Lichtquelle zu ersetzen. Gleichzeitig
werden bei Bedarf und soweit möglich die Fahrwege (Fahrstrassen) für die Züge angepasst,
um die ausgefallene Signalstelle zu umfahren und damit Betriebshemmungen zu vermeiden.
Diese Massnahme kann jedoch die Streckenkapazität entsprechend verringern, was netzbetreiberseitig
unerwünscht, aber aus Sicherheitsüberlegungen absolut unerlässlich ist.
[0008] Beim Einsatz von Doppelfadenlampen in einem dafür konzipierten Signalsystem wird
bei Bruch des Hauptwendels mittels einer Einrichtung selbsttätig auf den Nebenwedel
umgeschaltet. Dabei wird jedoch infolge der Stellung des Nebenwendels ausserhalb des
Brennpunktes nur eine verminderte Lichtstärke in der Hauptachse des Signals erreicht
und die Abstrahlcharakteristik ändert sich ebenfalls entsprechend der Brennpunktabweichung.
Elektrisch gesehen, bezogen auf die Überwachungsschaltung, ergeben sich dabei jedoch
durch die Wendelumschaltung mit Ausnahme bei der Umschaltung kurzzeitig auftretender
transienter Artefakte keine Änderungen der Stromkreis-Parameter. Es muss dabei hier
hervorgehoben werden, dass Einfadenlampen für Signalisierungszwecke (und das ist die
Majorität bei vielen Bahnen) nicht durch Doppelfadenlampen ersetzt werden können.
Grund dafür sind die unterschiedlichen Betriebsdaten der Glühlampen und damit die
funktionale Ausprägung der für Einfadenlampen installierten Stellteile, welche für
eine Ansteuerung der zwei Lampenwendel nicht konzipiert sind.
[0009] Erfindungsgemäss ist es nun vorgesehen, im Lampensignalstromkreis parallel zum Glühwendel
eine LED Ersatz-Lichtquelle zu betreiben. Diese Quelle kann synchron mit der Ansteuerung
der Lampe gleichzeitig angesteuert werden oder diese Ersatzlichtquelle liegt auf kalter
Redundanz und wird im Zeitpunkt des Wendelausfalls in den Stromkreis geschaltet und
übernimmt beim durch das Stellteil ausgelösten Stromfluss im Ansteuerkreis die Lichtabgabe
des Signals. Ein solches Licht-Emissionssubstitut übernimmt bei einem Ausfall einer
Einwendel- oder allenfalls Zweiwendel- Glühlampe eine zweckmässige Substitution der
Lichtquelle und vermeidet dadurch Unterbrüche der Funktionalität des Signals und somit
im Betriebsablauf. Dadurch lässt sich der Zeitpunkt der Instandsetzung des Signals
viel zweckmässiger als bisher üblich planen.
[0010] Der erfinderische Ansatz geht in einer ersten Variante davon aus, dass die Standardlichtquelle
beispielhaft eine nominale Leistungsaufnahme einer typischen Signallampe von 20 Watt
aufweist. Die Substitutionslichtquelle dagegen hat zusammen mit seiner Ansteuereinrichtung
eine wesentlich geringere Leistungsaufnahme. Dadurch ist jedoch die auf Glühlampeneigenschaften
dimensionierte Lichtquellenüberwachung im zugehörigen Stellteil nicht in der Lage,
entsprechend der geringeren Leistungsaufnahme und damit dem kleineren Strom des LED
Strahlers diesen anhand der überwachten elektrischen Parameter als funktionstüchtig
zu erkennen.
[0011] Dieses eigentlich fehlerhafte Verhalten kann jedoch bedarfsweise durch den Einsatz
von entsprechenden selbsttätigen Verfahren der Fehlerverarbeitung zur Bildung von
Fahrstrassen-Umgehungen bei der fehlerhaften Signalstelle nun neu berücksichtigt werden,
indem diese Verarbeitung deaktiviert wird. Das Deaktivieren ist zulässig, da die Zuverlässigkeit
der LED Lichtquellen im Besonderen im Einsatz als kalte Redundanz sehr hoch ist.
[0012] Durch eine sehr einfache Ausprägung der Schaltung und eine LED-Anordnung als Lichtquelle
mit hoher Zuverlässigkeit und einer zeitlich gesehen geringen Einsatzdauer ist eine
Überwachung der Funktion der LED-Anordnung nicht zwingend erforderlich, weil die bestimmungsgemässe
Funktionalität mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit angenommen werden kann.
[0013] Wenn der obige Ansatz zur Zuverlässigkeit bei sehr hohen Sicherheitsanforderungen
nicht hinreichend ist, werden noch spezifische Zusatzkriterien in der Überwachung
geschaltet, welche je nach Ausprägung selektive Entscheide beim Auftreten von Fehlerrückmeldungen
durch die Überwachungseinrichtung zulassen.
Tabelle der Prinzipien mit beispielhaften Werten
Nr |
Lichtquelle primär |
Lichtquelle redundant |
Funktion |
1 |
Einfaden-lampe
20 Watt nominal; Betrieb bei Tag mit ca. 17,5 Watt |
Kalte LED
Leistung 1 bis 3 Watt im Betrieb |
Die LED wird aktiviert nach den Prinzip der Wendelumschaltung beim Ausfall der Hauptwendel
bei der Doppelfadenlampe. Die mögliche Wirkung der Umschaltung auf die Überwachung
ist durch folgende Relationen bestimmt: |
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a) Die Leistungsaufnahme der redundanten Lichtquelle ist klein im Vergleich zur Wendel
der Glühlampe. |
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b) Die Lichtleistung der redundanten Lichtquelle ist vergleichbar zur Einfadenlampe. |
2 |
Einfaden-lampe
siehe oben |
Heisse LED
Leistung < 2 Watt im Betrieb |
Beide Lichtquellen (Glühlampe und LED) sind gleichzeitig aktiviert.
Voraussetzung für den Betrieb:
Die Leistungsaufnahme der redundanten Lichtquelle ist vielfach kleiner im Vergleich
zur Glühlampe. Z.B. < 2W. Ist diese Vorgabe nicht erfüllt, sind Anpassungen im Überwachungskreis
des Signalstromkreises erforderlich und die Selektivität der Fehlererkennung nimmt
dadurch ab. |
3 |
Doppelfaden lampe
20 Watt nom. Betrieb bei Tag mit ca. 17,5 Watt |
Kalte LED
Leistung 1 bis 3 Watt im Betrieb |
Die LED ist wie unter Punkt 1 beschrieben in Lampenstromkreis eingeschaltet, wir aber
erst aktiv, wenn beide Wendel der Glühlampe gebrochen sind. |
[0014] Die nachfolgend gezeigten Figuren erläutern einige Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen:
- Figur 1
- in schematischer Darstellung eine erste Signalanordnung mit einer Glühfadenlampe und
LED-Ersatzlichtquelle;
- Figur 2
- in schematischer Darstellung eine zweite Signalanordnung mit einer Glühfadenlampe
und eine über einen Lichtwellenleiter gekoppelte LED-Ersatzlichtquelle;
- Figur 3
- ein Prinzipschaltbild für einen Signalkreis einer Einfadenlampe mit Stromrelais; und
- Figur 4
- ein Prinzipschaltbild für einen Signalkreis einer Doppelfadenlampe mit Stromrelais.
[0015] Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch jeweils ein Lichtsignal, bei dem neben der
Glühlampe eine LED-Einheit vorgesehen ist, die Glühlampe im Fall eines Durchbrennens
ihrer Glühwendel zu ersetzen. In Figur 1 ist die LED-Einheit dabei direkt hinter der
Glühlampe auf der Hauptlichtachse angeordnet; in Figur 2 wird das Licht der LED-Einheit
über einen Lichtleiter hinter der Glühlampe in die Hauptlichtachse eingespiesen. In
beiden Ausführungsbeispiel ist zwischen der Glühlampe und der LED-Einheit (Fig. 1)
resp. dem Lichtaustritt des Lichtleiters ein Infrarot-Filter angeordnet, um eine thermische
Rückkopplung der Glühlampe auf die LED-Einheit bzw. den Lichtleiter zumindest stark
abzuschwächen.
[0016] Da bei einem Bahnsignal keine Reflektoren (Spiegel) zulässig sind (Verhinderung von
Phantomlicht), ist der Lichtstrom über eine Austrittslinse am Signal nur durch die
von der Austrittslinse erfasste Raumwinkel gegeben. Mit anderen Worten heisst dies,
dass ein grosser Teil des Raumwinkels schwarz ist und damit die Lichtstrahlung absorbiert.
Moderne LED-Einheiten mit quasi punktförmigen Lichtquellen erzielen daher Lichtströme
bis 100 Lumen und mehr, die ohne weiteres bei wesentlich geringerer Leistungsaufnahme
die Leuchtkraft der im Signal eingesetzten Glühlampe erreichen.
[0017] Die aktuell neueste Generation von LED hat mittlerweile eine Lichtausbeute bis zu
100 Lumen/Watt. Die Glühlampensignale strahlen in den in der Eisenbahnsicherungstechnik
erforderlichen und gebräuchlichen Ausführung (Vermeidung von Phantomlicht) nur einen
verhältnismässig geringen Lichtstrom aus. Dieser berechnet sich aus dem aktiven Raumwinkel
(Sterradiant) und der Transmission des Farbfilters mit einer Lichtquelle mit weiss
A 2856°K . Für die Signalfarbe Rot werden dann noch um die 10 Lumen nach vorne abgestrahlt.
Unter diesen Gesichtspunkten ist dann der oben definierte Lichtstrom zu beurteilen.
[0018] Der Pfiff der erfindungsgemässen Lösung wird daher darin gesehen, in Signale mit
Glühlampen-Lichtquelle eine redundante Ersatzlichtquelle in LED-Technik einzubauen.
Dabei wird die Glühlampe unverändert im defekten Zustand im Signalgehäuse belassen
und wird in geeigneter Weise als optischer Funktionsteil im Strahlengang der dann
leuchtenden LED-Lichtquelle genutzt.
[0019] Die LED Lichtquelle strahlt direkt in die Hauptachse des Strahlenganges aus den Glaskolben
der Glühlampe nach vorne gegen die Lichtaustrittsöffnung des Signals gerichtet oder
benutzt einen Kollimator für eine Aufbereitung der Abstrahlcharakteristik und / oder
einen Lichtleiter für die Zuführung des Lichtes an den an den geeigneten Punkt in
der Hauptachse. Dabei wird der Glaskolben der Glühlampe als eine Art Linse genutzt,
welche das Licht in geeigneter Weise nach vorne auf die Frontlinse wirft. Es wird
dadurch zumindest annähernd die gleiche Wirkung erzielt, wie sie durch den Wendel
im Brennpunkt der Optik vorliegt.
[0020] Damit wird durch die erfindungsgemässe Lösung eine erhebliche Entlastung in mehreren
Punkten erzielt. Zum einen müssen in der stellwerkseitigen Überwachung des Lampenstroms
keinerlei Veränderungen vorgenommen werden und die herkömmlichen Glühlampen können
gegen solche mit redundater LED-Einheit ausgetauscht werden. Das hierfür erforderliche
Design betrifft daher ausschliesslich das Glühlampen-Einsatzmodul und bedarf - wenn
überhaupt - höchstens nur geringer Anpassungen am Signal. Zum anderen muss das Wartungspersonal
bei dem Ausfall der Glühlampe nicht unmittelbar ausrücken, um die Streckensicherheit
möglichst schnell wieder herzustellen, sondern wegen der hohen Ausfallsicherheit der
LED-Technik kann mit extrem hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass
die LED-Einheit anstelle der Glühlampe leuchtet. Ein Ausfall der Glühlampe löst daher
natürlich einen Service-Auftrag seitens des Stellwerks oder der Leittechnik aus, dieser
ist jedoch mit erheblich grösserer Terminfreiheit ausführbar.
[0021] Die Figuren 3 und 4 zeigen nun jeweils ein Prinzipschaltbild für einen Glühlampeneinsatz
mit redundanter LED-Einheit; einmal für eine Glühlampe mit nur einem Glühfaden (Fig.
3) und einmal für eine Glühlampe mit einem Doppelfaden (Fig. 4).
1. Signalisierungseinheit, umfassend:
a) eine Lichtquelle mit Glühwendel und Ansteuerkreis;
b) eine Schaltungseinrichtung, vorzugsweise mittels Stromrelais in dem Ansteuerkreis
der Lichtquelle oder alternativ mit einer elektronischen Schaltung, zur Erkennung
des Ausfalls eines Glühlampenstromes im Ansteuerkreis; und
c) eine quasi punktförmige LED-Einheit als Ersatzlichtquelle mit einer an die Lichtquelle
angepassten Abstrahlcharakteristik. an die jeweilige Signalfarbe angepasst.
2. Signalisierungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Ersatzlichtquelle oder der Austritt
der Lichtstrahlen der Ersatzlichtquelle in der Hauptachse der Lichtquelle in Abstrahlungsrichtung
der Lichtstrahlen auf der Hauptachse hinter der Glühwendel angeordnet ist.
3. Signalisierungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die an die Lichtquelle angepasste
Abstrahlcharakteristik der LED-Einheit direkt durch die Kuppel der LED oder Vorsetzen
eines Kolimators erzeugbar ist.
4. Signalisierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Wärmeschutz der
LED-Einheit durch Einhalten eines Abstandes (Luftstrecke) oder das Verwenden eines
Lichtleiters oder eines IR Filters oder eine beliebige Kombination dieser Massnahmen
vorgesehen ist.
5. Signalisierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Auskopplung des
Lichtes aus der LED-Einheit in Richtung der Hauptachse oder nahe dem Glaskolben in
der Hauptachse nach vorne abgestrahlt.
6. Signalisierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Glaskolben der
Lichtquelle als Kolimator dient.