[0001] Die Erfindung betrifft einen Signalgeber für ein LED-Lichtsignal mit einem Schaltungsteil
zur Anpassung einer Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie des LED-Lichtsignals
an eine Kennlinie eines Glühlampen-Lichtsignals, wobei eine Last in Abhängigkeit von
der Betriebsspannung ansteuerbar ist.
[0002] Lichtsignale oder Leuchtzeichen auf der Basis von LEDs - lichtemittierende Dioden
- anstelle von Glühlampen werden in vielen Bereichen, insbesondere in der Signaltechnik
zunehmend angewendet. LEDs sind vergleichsweise preiswert, langlebig und lichtstark.
Schwierig ist der Einsatz von LEDs jedoch dort, wo ohne Änderungen einer vorhandenen
Überwachungseinrichtung die Glühlampen durch LEDs ersetzt werden sollen. Besonders
gilt dieses für Lichtsignalschaltungen der Eisenbahn, bei welchen die ordnungsgemäße
Funktion in der Regel durch eine signaltechnisch sichere Strommessung mittels eines
stellwerkseitigen Stellteiles überwacht wird. Um diese Überwachungseinrichtung ohne
Änderung weiter verwenden zu können, muss die Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie
des LED-Lichtsignals annähernd an die des Glühlampen-Lichtsignals angepasst werden.
Um Schnittstellenkompatibilität zu erreichen, ist daher der zusätzliche Schaltungsteil
in dem Signalgeber erforderlich. Dieser Schaltungsteil ermöglicht die Kennlinienanpassung,
indem die Differenz zwischen der Stromaufnahme der leuchtenden LEDs und der ersetzten
Glühlampe durch eine entsprechende elektrische Leistungsaufnahme ausgeglichen wird.
[0003] Eine weitere Besonderheit bei Eisenbahn-Lichtsignalen ist die Signalisierung außerhalb
von Tunneln oder Umgebungsbedingungen mit annähernd konstanten Lichtverhältnissen.
Hier ist schaltungstechnisch eine Absenkung der Lichtleistung, d. h. der Betriebsspannung,
für den Nachtbetrieb gegenüber dem Tagbetrieb zu realisieren. Daraus ergibt sich die
Notwendigkeit einer möglichst genauen Kennlinienanpassung nicht nur punktuell, sondern
über weite Bereiche der Betriebsspannung.
[0004] Aus der
EP 1 232 654 A1 ist eine adaptive Kennlinienanpassung für LED-Signalgeber bekannt, bei der gemäß
Figur 1 aus der Betriebsspannung eine Steuerspannung abgeleitet wird. Bei dieser für
Wechselspannungsbetrieb konzipierten Schaltung ist eine Gleichrichterbrücke GR parallel
mit einer Steuerschaltung 1 für eine Last 2, bestehend aus Transistoren T1, T2 sowie
Lastwiderständen RL1, RL2 und Stromrichtungsdioden D1 und D2, verbunden. Die Steuerschaltung
1 erzeugt aus der Betriebsspannung eine Steuerspannung, welche den mittleren Stromfluss
durch die Transistoren T1 und T2 einstellt. Die auf diese Weise erreichbare Kennlinienanpassung
ist relativ ungenau. Der Laststrom, der sich hauptsächlich durch die Transistoren
T1 und T2 ergibt, ist bei sinusförmiger Betriebsspannung nicht sinusförmig, wodurch
der gewünschte rein ohmsche Charakter der zu simulierenden Glühlampe nicht exakt nachgebildet
werden kann. Erschwerend kommt hinzu, dass der Wert des nicht sinusförmigen Laststromes
von dem Messverfahren in der glühlampenspezifischen Überwachungseinrichtung des stellwerkseitigen
Stellteiles abhängig ist. In der Praxis werden durchaus unterschiedliche Strommessverfahren
eingesetzt, so dass erhebliche Mess- und Interpretationsunsicherheiten resultieren.
Infolgedessen ist die Auslegung und Verifizierung dieser bekannten Schaltungsanordnung
zur Kennlinienanpassung problematisch.
[0005] Denkbar ist auch, anstelle der Transistorkombination gemäß Figur 1 einen pulsweitenmodulierten
elektronischen Schalter 3 gemäß Figur 2 zu verwenden. Die Schaltung umfasst neben
einer Spannungsversorgung 4 eine Betriebsspannungsmessung 5, wobei aus der Betriebsspannung
mittels eines Algorithmus 6 eine Pulsweitenmodulation - PWM - erzeugt wird, welche
den elektronischen Schalter 3 zur Bestromung eines Lastwiderstandes 7 ansteuert. Mit
einer sinusförmigen Variation des Puls/Pausenverhältnisses der PWM über die Sinushalbwellen
kann auch ein annähernd ohmscher Strom/Spannungsverlauf simuliert werden. Nachteilig
ist jedoch, dass durch die steilen Schaltflanken der PWM hochfrequente Störungen auf
der Versorgungsleitung entstehen, welche Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen
Verträglichkeit - EMV - erzeugen, die wiederum nur durch aufwändige Netzfilter 8 beherrschbar
sind. Die Gesamtschaltung ist infolgedessen hinsichtlich Auslegung und Realisierung
sehr komplex.
[0006] Bei einer weiteren Abwandlung des aus der oben genannten
EP 1 233 654 B1 bekannten und in Figur 1 dargestellten Grundprinzips dient als elektronisch steuerbare
Last gemäß Figur 3 die D-S-Strecke eines Leistungs-MOSFETs 9. Der D-S-Widerstand,
der die gewünschte Verlustleistung 10 zur Kennlinienanpassung bewirken soll, ist von
der G-S-Spannung, aber auch von der D-S-Spannung abhängig. Dadurch entsteht ein nichtlinearer,
nicht rein ohmscher Zusammenhang, der schaltungstechnisch aufwändig kompensiert werden
muss. Darüber hinaus ist der D-S-Widerstand auch stark von der Temperatur und vom
Exemplar des Leistungs-MOSFETs 9 abhängig. Das erhöht wiederum die Komplexität einer
MOSFET- Ansteuerschaltung 11, um eine rein ohmsche Last vorzutäuschen. Über eine Rückkopplung
12 muss der gewünschte Strom überwacht werden, um die Gate-Spannung laufend nachführen
zu können. Letztlich erfordert die MOSFET-Variante für den Einsatz zur Kennlinienanpassung,
insbesondere bei Wechselspannung, einen unpraktikabel großen schaltungstechnischen
Aufwand.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und einen
Signalgeber der gattungsgemäßen Art anzugeben, der auf einfache Weise eine Kennlinienanpassung
bedarfsgemäßer Genauigkeit ermöglicht.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als Last ein Widerstandsnetzwerk
mit elektronisch schaltbaren Widerständen vorgesehen ist. Durch die Verwendung elektronisch
schaltbarer Widerstände wird im Gegensatz zu der bekannten Transistorvariante und
deren Abwandlungen mittels PWM oder MOSFET ein rein ohmscher Lastcharakter erzeugt.
Für Widerstände besteht ein streng linearer Zusammenhang zwischen Strom und Spannung
gemäß dem ohmschen Gesetzt I = U/R. Signalverzerrungen im Nulldurchgang des Laststromes
oder Oberwellen treten nicht auf. Die Ansteuerung der Widerstände mittels elektronischer
Schalter ermöglicht durch betriebsspannungsabhängiges Zu- oder Abschalten von Widerständen
auf einfache Weise eine Realisierung der gewünschten Last zur Kennlinienanpassung.
[0009] Eine kontinuierliche Einstellung des gewünschten Lastwiderstandes ist bei Widerstandsnetzwerken
zwar nicht möglich, aber auch nicht unbedingt notwendig. Innerhalb akzeptabler Toleranzgrenzen
genügen wenige geschaltete Widerstände, so dass letztlich eine aufwandsgünstige Realisierung
möglich ist. Vorteilhaft ist weiterhin das zu erwartende langzeitstabile Verhalten
auch bei erheblichen Temperaturschwankungen.
[0010] Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die elektronischen Schalter des Widerstandsnetzwerkes
betriebsspannungsabhängig mittels eines Mikrocontrollers ansteuerbar sind. Damit ist
es leicht möglich, je nach gemessener Betriebsspannung ein bestimmtes Bitmuster für
die Ansteuerung der elektronischen Schalter zu erzeugen.
[0011] Das Widerstandsnetzwerk kann gemäß Anspruch 3 zusätzlich mit mindestens einem Öffner-Kontakt
zur Nachbildung eines Einschaltstromstoßes des Glühlampen-Lichtsignals ausgestattet
sein. Der Öffner-Kontakt ist vorzugsweise im Grundzustand, d. h. bei dunklem Signal,
geschlossen. Nach Zuschalten der Betriebsspannung wird der Öffner-Kontakt nach einer
festgelegten Zeit geöffnet. Dadurch ergibt sich kurz nach dem Zuschalten der Betriebsspannung
kurzzeitig ein zusätzlicher Stromstoß, der den Stromstoß nachbildet, welcher bei dem
Glühlampen-Lichtsignal aufgrund dessen geringeren Widerstandes im Kaltzustand entsteht.
Da der Einschaltstromstoß bei dem Glühlampen-Lichtsignal von der Höhe der anliegenden
Spannung und aufgrund der Erwärmung des Glühfadens, der zu einer Erhöhung des Widerstandes
führt, auch von der Zeit abhängig ist, kann die Genauigkeit der Nachbildung durch
die Verwendung mehrerer Öffner-Kontakte, die entsprechend dieser Anfangsbedingungen
angesteuert werden, verbessert werden.
[0012] Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen:
- Figur 1
- eine bekannte Schaltungsanordnung zur Anpassung einer Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie
eines LED-Lichtsignals,
- Figur 2
- eine erste Abwandlung der Kennlinienanpassung gemäß Figur 1 in schematisierter Darstellung,
- Figur 3
- eine zweite Abwandlung der Kennlinienanpassung gemäß Figur 1 in schematisierter Darstellung,
- Figur 4
- eine erfindungsgemäße Kennlinienanpassung in der Darstellungsweise der Figuren 2 und
3,
- Figur 5
- ein Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Diagramm und
- Figur 6
- vier Varianten eines Widerstandsnetzwerkes.
[0013] Die oben erläuterte bekannte Kennlinienanpassung gemäß Figur 1 und deren in den Figuren
2 und 3 veranschaulichte Abwandlungen weisen vor allem den Nachteil auf, dass ein
rein ohmscher Lastcharakter nicht oder nur mit ganz erheblichem schaltungstechnischen
Aufwand erreichbar ist.
[0014] Figur 4 zeigt die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Kennlinienanpassung.
Anstelle von Transistoren - Figur 1 - oder PWM - Figur 2 - oder MOSFET - Figur 3 -
wird ein Widerstandsnetzwerk mit Widerständen R1, R2, R3, die von elektronischen Schaltern
13.1, 13.2, 13.3 ansteuerbar sind, verwendet. Die gewünschte Last wird dabei durch
betriebsspannungsabhängiges Zu- oder Abschalten der Widerstände R1, R2, R3 realisiert.
Die schaltungstechnische Anordnung der Widerstände R1, R2, R3, welche auch unterschiedliche
Werte besitzen können, ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen frei konfigurierbar.
Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter 13.1, 13.2, 13.3 dient vorzugsweise ein
Mikrocontroller 14 oder eine programmierbare Logik.
[0015] Figur 5 veranschaulicht ein Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Diagramm, in dem die
nachzubildende Kennlinie 15 einer Glühlampe, die Kennlinie 16 einer LED-Anordnung
und die Kennlinie 17 einer Anpassungsschaltung nach dem Prinzip der Figur 4 dargestellt
sind. Es ist ersichtlich, dass sich bereits bei lediglich fünf Widerstandsstufen eine
sehr gute Kennlinienanpassung ergibt. Die Stufigkeit der Kennlinie 17 lässt sich durch
die frei wählbare Anzahl der verwendeten Widerstände R1 bis R7 gemäß Figur 6 im Rahmen
der überwachungsspezifischen Toleranzen halten.
[0016] Die LED-Kennlinie 16 ist in einen Nachtbereich < 8 V und einen Tagbereich > 8 V zweigeteilt.
Insbesondere im Nachtbereich besteht ein großer Unterschied zwischen der Stromaufnahme
der Glühlampe und der für das Leuchten der LEDs nötigen Stromaufnahme. Durch die beanspruchte
Schaltung erzeugt der Signalgeber auch in diesem kritischen Bereich ein für die externe
Überwachung geeignetes Ausgangssignal, das dem der Glühlampe sehr nahe kommt.
[0017] Die Schaltung kann zusätzlich dafür genutzt werden, den Kaltwiderstand der Signallampe
nachzubilden. Dazu ist gemäß Figur 6d ein Öffner-Kontakt 18 vorgesehen, der bei ausgeschaltetem
Signal geschlossen ist. Nach Zuschalten der Betriebsspannung wird der Öffner-Kontakt
18 nach einer festgelegten Zeit geöffnet. Der sich ergebende zusätzliche Stromfluss
kurz nach dem Einschalten bildet den zusätzlichen Stromfluss nach, welcher bei einer
Glühlampe aufgrund deren geringeren Widerstandes im Kaltzustand entsteht. Da der Widerstand
des Glühfadens in Abhängigkeit von der Erwärmung zunimmt, ist der Einschaltstromstoß
der Glühlampe von der Höhe der anliegenden Spannung und von der Zeit abhängig. Um
diesen Zusammenhang exakt nachzubilden, können auch mehrere separat angesteuerte Öffner-Kontakte
18 verwendet werden.
[0018] Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen Widerstandsnetzwerke verschiedener Komplexität,
welche mit der Kaltfadennachbildung gemäß Figur 6d kombiniert werden können.
1. Signalgeber für ein LED-Lichtsignal mit einem Schaltungsteil zur Anpassung einer Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie
(16) des LED-Lichtsignals an eine Kennlinie (15) eines Glühlampen-Lichtsignals, wobei
eine Last in Abhängigkeit von der Betriebsspannung ansteuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Last ein Widerstandsnetzwerk mit elektronisch schaltbaren Widerständen (R1 bis
R7) vorgesehen ist.
2. Signalgeber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektronischen Schalter (13.1 bis 13.6) des Widerstandsnetzwerkes betriebsspannungsabhängig
mittels eines Mikrocontrollers (14) ansteuerbar sind.
3. Signalgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Öffner-Kontakt (18) zur Nachbildung eines Einschaltstromstoßes des
Glühlampen-Lichtsignals vorgesehen ist.