Schaltungsanordnung und Verfahren zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiode

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung (2). Bei dieser ist parallel zur Leuchtdiodenanordnung (2) mindestens eine Serienschaltung (3) aus einem Schaltelement (S) und einem Lastwiderstand (R_L) geschaltet und das Schaltelement (S) ist an eine Auswerteeinrichtung (4) gekoppelt, die die Betriebsspannung (U_B) der Leuchtdiodenanordnung (2) erfasst und das Schaltelement (S) in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspannung (U_B) ansteuert. Über den Lastwiderstand (R_L) fließt, gesteuert durch die Auswerteeinrichtung, ein Laststrom (I_L). Die Summe aus Laststrom (I_L) und Leuchtdiodenstrom (I_LED) ergibt einen der Betriebsspannung (U_B) zugeordneten Stromwert (I) auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungseinrichtungen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie (U-I-Kennlinie). Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Leuchtdiodenschaltungsanordnung und eine bevorzugte Verwendung der Leuchtdioden-Signallampe.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung und auf eine Leuchtdiodenanordnung, insbesondere eine Leuchtdiodenanordnung für eine Eisenbahnsignalanlage.

[0002] Lichtemittierende Dioden (im Weiteren kurz LED genannt) haben mittlerweile eine Helligkeit erreicht, die deren Einsatz in Verkehrssignalanlagen ermöglichen. Bekannt sind beispielsweise Straßenverkehrsampeln mit Signalgebern, die als lichtemittierende Elemente Leuchtdioden aufweisen. Weiterhin sind auch bereits Eisenbahnleuchtsignalanlagen bekannt, bei denen als Lichtemitter Leuchtdioden eingesetzt sind. Hierbei handelt es sich aber ausschließlich um Anlagen zur kompletten Erstinstallation von Signalsystemen. Hierbei können die Betriebsbedingungen und die Peripherie zur Ansteuerung und Überwachung optimal auf die Anforderungen der LED-Technik eingestellt werden.

[0003] Diese optimalen Voraussetzungen sind in bestehenden Signalanlagen, die ursprünglich mit andersartigen Signallampen oder -lichtquellen, wie beispielsweise propanbetriebene Formsignale, ausgestattet sind, nicht gegeben. Die im Einsatz befindlichen elektrischen Schaltungen in Lichtsignalanlagen sind auf das elektrische Verhalten einer herkömmlichen Signallampe und nicht einer LED-Anordnung abgestimmt.

[0004] Der elektrische Widerstand dieser herkömmlichen Signallampen vergrößert sich mit zunehmender Betriebsspannung, im Gegensatz zu Leuchtdioden, die bei Betriebsspannungen kleiner als die Flußspannung einen sozusagen unendlich hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Dies ist im Diagramm der Figur 1 verdeutlicht, in dem der elektrische Widerstand über der Betriebsspannung aufgetragen ist und der Verlauf des elektrischen Widerstandes einer herkömmlichen Signallampe (durchgezogene Kurve) dem einer LED-Anordnung (gepunktete Kurve) gemäß Figur 2 gegenübergestellt ist. Bei der LED-Anordnung gemäß dem Schaltplan von Figur 2 sind eine Mehrzahl von Einzel-LEDs 20 parallelgeschaltet und jede Einzel-LED besitzt einen Vorwiderstand 21.

[0005] Aus dem Diagramm der Figur 1 ist der Unterschied im elektrischen Verhalten der LED-Anordnung zur Signallampe herkömmlicher Art deutlich sichtbar. Bei kleinen Betriebsspannungen besitzt die herkömmliche Signallampe einen kleinen elektrischen Widerstand, welcher sich bei größer werdender Betriebsspannung erhöht. Dagegen besitzt die LED-Anordnung bei kleinen Betriebsspannungen einen sehr großen elektrischen Widerstand, welcher sich mit größer werdender Betriebsspannung verkleinert.

[0006] Bei den bestehenden Signalanlagen sind in der Regel die peripheren Bedingungen wie beispielsweise die Energieversorgungsparameter fest vorgegeben und zwar ausgelegt auf herkömmliche Arten von Signallampen. Zusätzliche Probleme ergeben sich, wenn die Speisebedingungen, das heißt die Bedingungen der Versorgung mit elektrischer Energie, auf die Einhaltung bestimmter Parameter überwacht werden und bei Nichteinhaltung der Bedingungen sicherheitsrelevante Reaktionen der Anlage erfolgen müssen.

[0007] Ein auf LEDs basierendes Eisanbahnleuchtsignal, das versucht, diese Problematik zu beseitigen, ist beispielsweise aus der WO 95/12512 bekannt. Bei diesem erfolgt eine Anpassung des elektrischen Widerstands des LED-Signals mit einer seriellen LED-Anordnung an den einer ursprünglich an Stelle der LED-Anordnung vorhandenen Signallampe mittels eines elektrischen Widerstandes, der nach einer vorausgehenden Überprüfung der LED-Anordnung im Ruhezustand (hier ist unter anderem ein Schalter im Parallelstrang des Lastwiderstandes offen) parallel zur seriellen LED-Anordnung geschaltet wird, sofern die LED-Anordnung in Ordnung ist. Der parallelgeschaltete Lastwiderstand führt im Betrieb zu einem zusätzlichen Sromfluß, der dann zusammen mit dem Strom durch die serielle LED-Anordnung einen Gesamtstromfluß bewirkt, der den Stromverbrauch einer ursprünglich vorgesehenen Art von Signallampe sozusagen simuliert. Im Stellwerk der Eisenbahnanlage wird auf diese Weise die ordnungsgemäße Funktion der Lampe angezeigt.

[0008] Bei dieser bekannten Anordnung tritt jedoch die Schwierigkeit auf, dass die Anpassung der LED-Anordnung an das elektrische Verhalten einer Signallampe, für die die Signalanlage ursprünglich ausgelegt ist, nur in einem engen Speisespannungsbereich gewährleistet ist. Dies führt besonders bei Signalanlagen zu Nachteilen, bei denen eine Nachtspannungsabsenkung zur Verringerung der Lichtstärke in der Nacht vorgesehen ist, um Überstrahlungen und Blendungen zu verhindern.

[0009] Zu weiteren Problemen führt die Tatsache, dass sich das Signal im Grundzustand, das heißt bei nicht angesteuertem Signal und abgeschaltetem Parallelwiderstand, wesentlich hochohmiger als eine herkömmliche Signallampe verhält. Die Anfälligkeit gegenüber Störsignalen ist dadurch wesentlich höher und es kann unter Umständen zu gefährlichen Zuständen, wie Resonanzerscheinungen, die ein Blinken des Signals zur Unzeit bewirken können, oder auch zur erhöhten Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Ladungen führen.

[0010] Schließlich ist bei der bekannten Anordnung nachteilig, dass bei Ausfall einer einzigen Leuchtdiode in der seriellen Anordnung das gesamte Signal ausfällt.

[0011] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, mit Hilfe der Signallampen herkömmlicher Art durch LED-Anordnungen zu ersetzen und gleichzeitig die übrigen Bestandteile der zugrundeliegenden Signalanlage weitestgehend unverändert zu belassen.

[0012] Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4. Eine Leuchtdioden-Signallampe mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruches 5. Eine besonders bevorzugte Leuchtsignalanordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 6 und eine besonders bevorzugte Verwendung der Schaltungsanordnung, der Leuchtdioden-Signallampe bzw. der Leuchtsignalanordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 7. Ein Verfahren, nach dem die Schaltungsanordnung arbeitet, ist Gegenstand des Patentanspruches 8. Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruches 9.

[0013] Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist parallel zur Leuchtdiodenanordnung mindestens eine Serienschaltung aus einem Schaltelement und einem Lastwiderstand geschaltet. Das Schaltelement, das heißt dessen Strompfad, besitzt im eingeschalteten Zustand einen variablen elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert durch ein Ansteuersignal geregelt wird. Das Schaltelelment ist hierfür an eine Auswerteeinrichtung gekoppelt, die die Betriebsspannung der Leuchtdiodenanordnung erfasst. Die Auswerteeinrichtung steuert auf der Basis des erfassten Eingangssignals der Betriebsspannung das Schaltelement in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspannung derart an, dass über den Lastwiderstand ein Laststrom fließt. Die Summe aus Laststrom und Leuchtdiodenstrom ergibt einen der Betriebsspannung zugeordneten Stromwert auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungseinrichtungen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie.

[0014] Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist das Schaltelement ein Transistor, dessen Strompfad mit dem Lastwiderstand in Reihe geschaltet ist und dessen Steuerpfad an einen Operationsverstärker gekoppelt ist. Im Betrieb sendet der Operationsverstärker ein Steuersignal an den Steueranschluß, dessen Art vom Betriebsspannungssignal am entsprechendem Eingang des Operationsverstärkers abhängt. Mit dem Steuersignal steuert der Operationsverstärker die Leitfähigkeit des Strompfades des Transistors foglich in Abhängigkeit von der Höhe der Betriebsspannung.

[0015] Besonders bevorzugt ist bei der zuletzt angegebenen Ausführungform der Schaltungsanordnung eine Spannungsteilerschaltung parallel zur Leuchtdiodenanordnung geschaltet. Der Mittelabgriff der Schaltungsanordnung ist hierbei auf einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt und an einen invertierdenden Eingang des Operationsverstärkers ist eine Referenzspannungsquelle gekoppelt.

[0016] Diese speziellen Ausführungformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erlauben vorteilhafterweise einen Austausch herkömmlicher Signallampen durch Leuchtdiodenanordnungen ohne allzu großem technischen Aufwand und ohne die Peripherie zur Signallampe hinsichtlich ihrer elektrischen Energieversorgung und der Überwachungsmaßnahmen besonders anpassen zu müssen.

[0017] Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders für Leuchtsignalanordnungen, die in der Nacht zur Verringerung der Lichtstärke des Signals mit einer kleinstmöglichen Betriebsspannung (Nachtspeisebedingungen) betrieben werden und die am Tag, mit größtmöglicher Betriebsspannung betrieben werden. Das Schaltelement ist hierzu bei Nachtspeisebedingungen maximal durchlässig und bei Tagspeisebedingungen hochohmiger.

[0018] Besonders bevorzugt wird die Schaltungsanordnung, die Leuchtdiodenanordnung bzw. die Leuchtsignalanordnung in einer Eisenbahnleuchtsignalanlage verwendet, bei der eine herkömmliche Signallampe durch eine LED-Anordnung ersetzt werden soll.

[0019] Die parallel zur Schaltungsanordnung geschaltete Leuchtdiodenanordnung ist besonders bevorzugt eine Parallelschaltung aus einer Vielzahl von einzelnen LED-Bauelementen oder aus einer Vielzahl von LED-Reihenschaltungen aus mehreren LEDs.

[0020] Die Schaltungsanordnung ermöglicht eine signaltechnisch sichere Anpassung der elektrischen Kennlinie einer LED-Signallampe an die Kennlinie einer herkömmlichen Signallampe. "Signaltechnisch sicher" bedeutet in diesem Fall, dass die Anordnung auch im Fehlerfall (Bauteilausfall etc.) in vorher bestimmbaren Grenzen reagiert.

[0021] Die Schaltungsanordnung verbraucht im fehlerfreien Zustand bei kleinster Betriebsspannung (zum Beispiel bei Nachtspeisebedingungen) den größten Strom. Bei größter Betriebsspannung (zum Beispiel bei Tagspeisebedingungen) ist dagegen der Stromverbrauch der Schaltungsanordnung reduziert.

[0022] Eine mit dieser Schaltungsanordnung ausgerüstete LED-Signallampe (LED-Anordnung einschließlich Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung) ist in Eisenbahnleuchtsignalanlagen über einen weiten Spannungsbereich einsetzbar, wobei die elektrischen Kennwerte dieser LED-Signallampe im fehlerfreien Zustand nahezu identisch den elektrischen Kennwerten einer herkömmlichen Signallampe sind. Im fehlerhaften Zustand lassen sich vorteilhafterweise Grenzbedingungen angeben, welche zum Nachweis der signaltechnisch sicheren Funtion benötigt werden.

[0023] Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, insbesondere gegenüber der in der WO 95/12512 beschriebenen Anordnung, besteht somit darin, daß die Höhe des Gesamtwiderstandes von Lastwiderstand und Schaltelement von der Höhe der Betriebsspannung abhängt und nicht nur einen einzigen festen Wert aufweist. Das Verhältnis der Stromstärke durch die Leuchtdiodenanordnung zur Stromstärke durch den Parallelzweig mit dem Lastwiderstand variiert damit in Abhängigkeit von der Höhe der Betriebsspannung. Bei der Anordnung gemäß der WO 95/12512 wird hingegen nach einem Überprüfungsschritt der LED-Anordnung im Ruhezustand bei geöffnetem Schalter und damit offenem Parallelstrang der Schalter geschlossen, sofern die LED-Anordnung bei dem Überprüfungsschritt als in Ordnung befunden wird.

[0024] Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist hingegen bei niedrigen Betriebsspannungen, beispielsweise bei Nachtspeisebedingungen mit gegenüber Tagspeisebedingungen abgesenkter Betriebsspannung, der Parallelstrang aus Lastwiderstand und Schaltelement niederohmig und bei hohen Betriebsspannungen, wie sie beispielsweise bei Tagspeisebedingungen vorliegen, hochohmig.

[0025] Die Parallelschaltung aus einer Vielzahl von LED-Bauelementen oder LED-Bauelementreihen bringt den besonderen Vorteil mit sich, dass bei Ausfall eines einzigen LED-Bauelements nicht gleich das gesamte Signal ausfällt, sondern dass die übrigen fehlerfreien LED-Bauelemente eine Aufrechterhaltung der Funktion des Signals ermöglichen. Ein Überwachungsaufwand, wie er bei der aus WO95/12512 bekannten Anordnung erforderlich ist, kann vorliegend folglich entfallen.

[0026] Die Schaltungsanordnung erfüllt die prinzipielle Funktionsweise gemäß der Erfindung, wonach zum Anpassen des Stromflusses durch eine LED-Signallampe an eine durch externe Energieversorgungs- und Überwachungseinrichtungen vorgegebene Kennlinie mittels eines parallel zur LED-Anordnung geschalteten regelbaren Lastkreises ein von der Höhe der Betriebsspannung für die LED-Anordnung abhängiger Laststrom erzeugt wird. Dieser zusätzliche Laststrom, ergibt in Summe mit dem Leuchtdiodenstrom durch die LED-Anordnung einen der jeweils an der LED-Anordnung anliegenden Betriebsspannung zugeordneten Stromwert auf der vorgegebenen Kennlinie.

[0027] Weitere Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 3 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispiel.

[0028] Die Schaltungsanordnung, Leuchtdioden-Signallampe bzw. Leuchtsignalanordnung gemäß der Erfindung eignet sich ganz besonders bevorzugt für die Verwendung in einer Signalanlage, bei der die Leuchtdiodenanordnung von einer weit entfernt von dieser angeordneten Energieversorgungs- und Steuereinrichtung, die sich beispielsweise in einer Leitzentrale befindet, versorgt wird. Dies ist insbesondere der Fall in Leuchtsignalanlagen des Schienenverkehrs, Straßenverkehrsleuchtsignalanlagen und Leuchtsignalanlagen des Luftverkehrs.

Figurenbeschreibung:

[0029] Es zeigen:

Figur 1

(oben bereits näher erläutert), ein Diagramm, in dem die Widerstands-Spannungskennlinien einer herkömmlichen Signallampe und einer LED-Anordnung gemäß Figur 2 schematisch dargestellt sind;

Figur 2

(oben bereits näher erläutert), ein Schaltdiagramm einer LED-Anordnung zum Einsatz in einer Leuchtsignalanlage an Stelle einer herkömmliche Signallampe;

Figur 3,

ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien einer herkömmlichen Signallampe und einer LED-Anordnung nach Figur 2 sowie die Differenzkurve der beiden Kennlinien eingetragen sind;

Figur 4,

ein Schaltdiagramm des Ausführungsbeispiels;

Figur 5,

ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien des maximalen Stromes durch den Lastwiderstand und des maximalen Stromes durch die Sicherung der Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel und die Summe der beiden Ströme aufgetragen sind;

Figur 6,

ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien einer herkömmlichen Signallampe, einer LED-Anordnung im fehlerfreien Zustand und einer LED-Anordnung mit maximal anzunehmendem Fehlerstrom der Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung aufgetragen sind; und

Figur 7,

ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispieles für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für Wechselspannungsbetrieb.

[0030] In dem Strom-Spannungs-Diagramm von Figur 3 ist auf der Ordinate der Lampenstrom I in beliebigen Einheiten und an der Abszisse die Betriebsspannung U in beliebigen Einheiten aufgetragen. Die Kurven machen deutlich, wie sich die Strom-Spannungkennlinie einer herkömmlichen Signallampe (durchgezogene Linie) von der einer (herkömmlichen) LED-Anordnung nach Figur 2 (gepunktete Linie), die keinen erfindungsgemäßen Schaltungsteil zur Kennlinienanpassung aufweist, unterscheidet. Zusätzlich ist die Differenzkurve (gestrichelte Linie) der beiden Kennlinien eingetragen, das heißt, der Stromanteil, welcher in Abhängigkeit von der Spannung fehlt, um bei der LED-Anordnung den gleichen elektrischen Strom zu erhalten wie bei, der herkömmlichen Signallampe. Aus dem Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich einer reduzierten Betriebsspannung, wie sie beispielsweise in Eisenbahnsignalanlagen bei Nachtspeisebedingungen vorliegt, dieser Strom ein Maximum besitzt. Im ober Betriebsspannungsbereich, wie beispielsweise bei Tagspeisebedingungen in Eisenbahnsignalanlagen, geht die Differenz dagegen gegen Null.

[0031] Der Schaltplan von Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die parallel zu einer LED-Anordnung gemäß Figur 2 geschaltet wird und die in Abhängigkeit von einer Betriebsspannung U_B der LED-Anordnung den in Figur 3 gezeigten Differenzstrom (gestrichelte Linie) aufnimmt.

[0032] Die Schaltungsanordnung weist im Wesentlichen einen Operationsverstärker OPV, eine Referenzspannungsquelle Uref, sowie eine Serienschaltung aus einem Transistor T und einem Lastwiderstand R_L auf, die parallel zur LED-Anordnung geschaltet ist.

[0033] Die Summe aus dem Strom durch die LED-Anordnung und dem Strom durch den Lastwiderstand RL ergibt im Wesentlichen den Strom durch die LED-Signallampe, den der übrige Teil der Leuchtsignalanlage als Lampenstrom "sieht".

[0034] Im Detail ist in der Schaltungsanordnung gemäß dem konkreten Ausführungsbeispiel parallel zur LED-Anordnung an die Betriebsspannungs(U_B)-Quelle eine Serienschaltung aus einem Lastwiderstand R_L und dem Strompfad E-C (Emitter-Collector) eines Transistors T geschaltet. Der Transistor T ist vorliegend beispielsweise ein pnp-Bipolartransistor. Es kann aber grundsätzlich auch jeder andere Transistortyp eingesetzt werden.

[0035] Parallel zur LED-Anordnung ist eine Spannungsteilereinrichtung, bestehend aus einer Serienschaltung aus einem ersten elektrischen Widerstand R1 und einem zweiten elektrischen Widerstand R2, geschaltet, der eine Sicherung Si vorgeschaltet ist.

[0036] Der Mittelabgriff M der Spannungsteilerschaltung R1,R2 ist auf den nichtinvertierenden Eingang "+" eines Operationsverstärkers OPV gelegt. Parallel zur Spannungsteilereinrichtung R1,R2 ist eine Serienschaltung aus einem dritten elektrischen Widerstand R3, einem vierten elektrischen Widerstand R4 und einer Referenzspannungs(Uref)-Quelle geschaltet. Die Verbindungsleitung zwischen dem dritten R3 und dem vierten elektrischen Widerstand R4 ist auf den invertierenden Eingang "-" des Operationsverstärkers OPV gelegt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärker OPV ist über einen fünften elektrischen Widerstand R5 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV verbunden, der wiederum mit dem Steuereingang B (Basis) des Transistors T verbunden ist.

[0037] Im Folgenden ist die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel erläutert.

[0038] Solange die durch den Spannungsteiler R1,R2 geteilte Betriebsspannung U_B, die am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV anliegt, kleiner als die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV ist, besitzt der Ausgang des Operationsverstärkers OPV Minuspotential und der Transistor T ist leitend. Dadurch ist der Lastwiderstand R_L parallel zur LED-Anordnung und damit auch zur Betriebsspannungs (U_B) -Quelle geschaltet. Dies führt zu einem zusätzlichen Stromfluß parallel zur LED-Anordnung, wodurch die übrige Signalanlage einen kleinen elektrischen Widerstand der LED-Signallampe, das heißt LED-Anordung einschließlich parallel dazu geschalteter Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung, "sieht".

[0039] Vergrößert sich die Betriebsspannung U_B auf einen Wert, so dass die Spannung am nicht invertierenden Eingang "+" die Refer,enzspannung am invertierenden Eingang "-" des Operationsverstärkers OPV erreicht und überschreitet, so regelt der Operationsverstärker OPV seinen Ausgang solange gegen + nach, bis die Spannungen am invertierenden Eingang "-" und am nichtinvertierenden Eingang "+" wieder übereinstimmen. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPV schaltet dadurch in Abhängigkeit von der Betriebsspannung von "-" nach "+" durch. Mit der gleichen Abhängigkeit geht der Transistor T vom voll leitenden in den gesperrten Zustand über, wodurch der Stromfluss durch den fünften elektrischen Widerstand R5 bis auf Null gesenkt wird. Die Referenzspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV wird bestimmt durch die Referenzspannungsquelle Uref und dem Spannungsteiler, bestehend aus den elektrischen Widerständen R₃, R₄ und R₅.

[0040] Der Anstieg der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OPV läßt sich mit Hilfe des dritten und fünften elektrischen Widerstandes einstellen. Die Betriebsspannung U_B, bei welcher der Strom durch den Lastwiderstand RL verringert wird, wird mit dem Spannungsteiler R1,R2 eingestellt.

[0041] Vorzugsweise wird die Anordnung derart eingestellt, dass bei kleinster anzunehmender Betriebsspannung U_B (zum Beispiel bei Nachtspeisebindungen in einer Eisenbahnleuchtsignalanlage) an der Signallampe der Transistor T voll durchgesteuert, das heißt der Strompfad E-C maximal leitend ist und dass bei größter anzunehmender Betriebsspannung U_B (zum Beispiel bei Tagspeisebedingungen in einer Eisenbahnleuchtsignalanlage) der Transistor T voll gesperrt ist, das heißt der Strompfad E-C maximalen elektrischen Widerstand aufweist. Somit ergibt sich eine maximale Stromaufnahme der Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung zum Beispiel unter Nachspeisebedingungen und eine minimale Stromaufnahme unter Tagspeisebedingungen.

[0042] Insbesondere bei Eisenbahnleuchtsignalanlagen stellt sich das grundsätzliche Problem, dass Bauteilausfälle entweder sofort erkannt werden müssen oder deren Auswirkungen keine betriebsgefährdenden Zustände hervorrufen dürfen. Der Lastwiderstand R_L ist aus diesem Grund als Sicherheitsbauform ausgebildet, was bedeutet, dass im Fehlerfall nur mit einer definierten Widerstandsverringerung (zum Beispiel 10%) gerechnet werden muss. Eine Erhöhung des elektrischen Widerstands ist jedoch anzunehmen. Die Sicherung Si ist derart eingefügt, dass ein anzunehmender Kurzschluss des Operationsverstärkers OPV, des Transistors T, der Referenzspannungsquelle Uref und der fünf elektrischen Widerstände R1 bis R5 den dadurch entstehenden Fehlstrom begrenzt.

[0043] Mit diesen Maßnahmen ist an den Anschlüssen der Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung nach Figur 4 nur mit folgenden Fehlerzuständen zu rechnen:

• Verringerung des Stromflusses bis auf Null und
• Erhöhung des Stromflusses bis zu einem maximal möglichen Strom.

[0044] Im Diagramm von Figur 5 ist dies schematisch dargestellt. Der Strom entsprechend der strichpunktierten Linie 51 ergibt sich, wenn zum Beispiel die Collector-Emitter-Strecke C-E des Transistors T kurzgeschlossen ist, aber auch wenn der Ausgang des Operationsverstärkers OPV ständig auf Minuspotential liegt. Aufgrund dessen, dass sich der elektrische Lastwiderstand R_L im Fehlerfall nicht wesentlich verkleinern kann, kann sich auch der Strom durch den Lastwiderstand R_L nicht über den in der strichpunktierten Linie 51 dargestellten Verlauf erhöhen. Unabhängig davon, welcher Bauelementfehler in der Schaltungsanordnung nach Figur 4 angenommen wird.

[0045] Die gepunktete Linie 52 des Diagramms von Figur 5 stellt den Stromverlauf dar, welcher von der Sicherung Si begrenzt wird. Vorzugsweise ist dieser Stromwert wesentlich kleiner als der Strom gemäß der strichpunktierten Linie 51. Dies ist durch die Auswahl geeigneter Bauelemente gewährleistet. Bei einer beispielhaften Konfiguration beträgt der Ansprechwert der Sicherung Si 30 mA, wobei bei Nachspannung durch den Lastwiderstand R_L ein Strom von 500 mA und durch die LED ein Strom von 300 mA fließt.

[0046] Die durchgezogene Linie 53 des Diagramms von Figur 5 zeigt den maximal anzunehmenden Gesamtstrom der Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 im Fehlerfall und ist die Summe des Stromes durch den Lastwiderstand R_L (strichpunktierte Linie 51) und des Stromes durch die Sicherung Si (gepunktete Linie 52).

[0047] In dem Diagramm von Figur 6 (Strom-Spannungs-Diagramm) ist die Stromaufnahme einer LED-Signallampe, bestehend aus einer LED-Anordnung gemäß Figur 2 und einer Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung nach Figur 4 im fehlerfreien Zustand (gepunktete Linie), sowie bei maximal anzunehmendem Fehlerstrom der Schaltungsanordnung zur Kennlineinanpassung (durchgezogene Linie) im Vergleich zur Stromaufnahme einer herkömmlichen Signallampe (strichpunktierte Linie) dargestellt.

[0048] Das Diagramm von Figur 6 zeigt eine gute Übereinstimmung der Stromaufnahme eines LED-Signals, bestehend aus einer LED-Anordnung gemäß Figur 2 und einer parallel dazu geschalteten Schaltungsanordnung gemäß Figur 4, im fehlerfreien Zustand mit der Stromaufnahme einer herkömmlichen Signallampe. Unterhalb des Nachtspannungswertes NS ist die Stromaufnahme der LED-Signallampe etwas kleiner als die Stromaufnahme einer herkömmlichen Signallampe. Es kommt aber schon bei kleinen Betriebsspannungen zu einem Stromfluss, wodurch die LED-Signallampe sich niederohmig verhält und dadurch unempfindlich gegenüber Störspannungen ist.

[0049] Bei fehlerhafter Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung (maximal möglicher anzunehmender Stromfluss) ist die Stromaufnahme der LED-Signallampe bis zum Nachtspannungswert NS fast identisch mit der Stromaufnahme bei fehlerfreier Schaltungsanordnung. Erst ab dem Nachspannungswert NS vergrößert sich die Spanne zwischen fehlerfreier und fehlerhafter Kennlinienanpassung.

[0050] Die im Diagramm von Figur 6 dargestellte Kennlinie bei fehlerhafter Schaltungsanordnung stellt einen Maximalwert dar, welcher nicht überschritten wird, egal welcher Fehler bei der Schaltungsanordnung angenommen wird. Das Verhalten der LED-Signallampe ist somit bis zum Nachtspannungswert NS nahezu identisch dem Verhalten der herkömmlichen Signallampe. Oberhalb des Nachtspannungswertes NS kann es im Fehlerfall der Schaltungsanordnung zu einem zusätzlichen Stromfluss kommen, welcher aber ebenfalls nach oben begrenzt ist.

[0051] Mit diesen Angaben kann das Verhalten der LED-Signallampe in der Lichtsignalschaltung im Fehlerfall untersucht und die sichere Funktion nachgewiesen werden.

[0052] Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 stellt nur eine mögliche Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar. An Stelle des Transistors T lassen sich natürlich jegliche Arten von elektronischen Schaltern verwenden. Auch die Verwendung von mechanischen Schaltern, wie Relais, ist vorstellbar, wobei jedoch in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsspannung elektrische Lastwiderstände R_L unterschiedlicher Größe zu schalten sind (bei kleiner Betriebsspannung ein kleinerer Lastwiderstand, bei großer Betriebsspannung ein größerer Lastwiderstand).

[0053] Einen weiteren Einsatzfall stellt der Wechselspannungsbetrieb dar. Hierzu eignet sich vorzugsweise eine Schaltungsanordnung gemäß dem Schaltplan von Figur 7. In dieser ist eine Gleichrichterbrücke GR1 und ein Siebglied für die Erzeugung einer internen Gleichspannung vor den Eingang der Auswerteeinrichtung 4 geschaltet. Die Sicherung Si ist vor der Gleichrichterbrücke GR1 angeordnet. So können Bauteildefekte an der Gleichrichterbrücke (Kurzschluss einer Diode) durch die Sicherung Si mit abgefangen werden. Parallel zur LED-Anordnung ist eine Parallelanordnung 3 aus einer ersten Serienschaltung aus, Lastwiderstand RL1, Transistor T1 und Diode D1 und einer zweiten Serienschaltung aus Lastwiderstand RL2, Transistor T2 und Diode D2 angeschlossen. Die Durchlassrichtungen der beiden Serienschaltungen sind entgegengesetzt gerichtet. Die beiden Steueranschlüsse B1 und B2 der beiden Transistoren T1 und T2 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV verbunden, dessen Eingangsbeschaltung der der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 entspricht. Die Gleichrichterbrücke GR1 mit dem Siebglied ist zwischen Betriebsspannungsanschluss und Operationsverstärker OPV geschaltet und versorgt den Spannungsteiler R1,R2 mit Gleichspannung.

[0054] Die Lastwiderstände RL1 und RL2 und die Transistoren T1 und T2 sind vor der Sicherung Si angeordnet. Für jede Halblwelle ist ein Transistor T1 bzw. T2 und ein Lastwiderstand RL1 bzw. RL2 verwendet. Die Dioden D1 und D2 verhindern, dass bei dieser Art von Schaltern ein Strom der jeweils anderen Halbwelle in den Collector der Transistoren T1 bzw. T2 hineinfliesst.

[0055] Bei der Verwendung von anderen Schaltern, zum Beispiel Relaiskontakten, ist eine Aufteilung für die einzelnen Halbwellen nicht zwingend erforderlich. Dies hängt einzig und allein von den verwendeten Schalterarten ab.

[0056] Neben den oben explizit beschriebenen sind auch Anordnungen einsetzbar, bei denen eine Vielzahl von Schaltern und Lastwiderständen parallel geschaltet sind. Dadurch kann die aufzunehmende Verlustleistung auf eine Vielzahl von Lastwiderständen und Schaltern verteilt werden. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn aus Gründen der wirtschaftlichen Herstellung oberflächenmontierbare Bauelemente mit kleiner Verlustleistung eingesetzt werden.

[0057] Ist eine LED-Anordnung mit einer anderen Verschaltung der einzelnen LEDs vorgesehen, so ergibt sich in der Regel auch ein anderer Verlauf des Differenzstromes der Kennlinie herkömmlicher Signallampen und der LED-Signallampe. An Stelle des Operationsverstärkers OPV, der Widerstände R1 bis R5 und der Referenzspannungsquelle Uref kann dann eine andere Art von Auswerteeinrichtung eingesetzt sein, die die Betriebsspannung U_B bewertet und einen Ausgang derart ansteuert, dass der Schalter T den Differenzstrom über den Lastwiderstand R_L ausgleicht. Frei programmierbare Anordnungen mit Mikroprozessor ermöglichen zum Beispiel eine Anpassung an jede beliebige Kurvenform des Differenzstromes.

[0058] Zusätzlich zur Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung können Schaltungsteile für eine Temperaturkompensation vorgesehen sein. Auf diese Weise läßt sich eine temperaturabhängigen Stromaufnahme der LED-Anordnung ausgleichen.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung (1) zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung (2), bei der parallel zur Leuchtdiodenanordnung (2) mindestens eine Serienschaltung (3) aus einem Lastwiderstand (R_L) und einem regelbaren Schaltelement (T), dessen elektrischer Widerstand im eingeschalteten Zustand über einen Steuereingang einstellbar ist, geschaltet ist und das Schaltelement (T) an eine Auswerteeinrichtung (4) gekoppelt ist, die die Betriebsspannung (U_B) der Leuchtdiodenanordnung (2) erfasst und das Schaltelement (T) in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspannung (U_B) derart ansteuert, dass über den Lastwiderstand (R_L) ein Laststrom (I_L) fließt, und die Summe aus Laststrom (I_L) und Leuchtdiodenstrom (I_LED) einen der Betriebsspannung (U_B) zugeordneten Stromwert (I) auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungseinrichtungen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie (U-I-Kennlinie) ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der bei niedrigen Betriebsspannungen (U_B) der Parallelstrang aus Lastwiderstand (R_L) und Schaltelement (T) niederohmig und bei hohen Betriebsspannungen (U_B) hochohmig ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schaltelement (S) ein Transistor (T) ist, dessen Strompfad mit dem Lastwiderstand (R_L) in Reihe geschaltet ist und dessen Steueranschluß an einen Operationsverstärker (OPV) gekoppelt ist, der im Betrieb ein Signal an den Steueranschluß sendet, das die Leitfähigkeit des Strompfades des Transistors (T) in Abhängigkeit von der Höhe der Betriebsspannung (U_B) steuert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der eine Spannungsteilerschaltung (R1,R2) parallel zur Leuchtdiodenanordnung (2) geschaltet ist, deren Mittelabgriff auf einen nicht invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (OPV) gelegt ist, und bei der an einen invertierdenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (OPV) eine Referenzspannung gekoppelt ist.

5. Leuchtdioden-Signallampe mit einer Leuchtdiodenanordnung, die insbesondere eine Vielzahl von seriell verschalteten einzelnen Leuchtdioden oder Leuchtdiodenreihen aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche.

6. Leuchtsignalanordnung mit einer Schaltungsanordnung bzw. einer Leuchtdioden-Singallampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der bei Nachtspeisebedingungen zur Verringerung der Lichtstärke mit einer kleinstmöglichen Betriebsspannung (U_B) das Schaltelement (S) maximal durchlässig ist und bei Tagspeisebedingungen mit größtmöglicher Betriebsspannung (U_B) das Schaltelement (S) gesperrt ist.

7. Verwendung einer Schaltungsanordnung, einer Leuchtdioden-Signallampe bzw. einer Leuchtsignalanordnung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche in einer Signalanlage, bei der die Leuchtdiodenanordnung von einer weit entfernt von dieser angeordneten Energieversorgungs- und Steuereinrichtung versorgt wird, insbesondere in einer Schienenverkehrsleuchtsignalanlage, Straßenverkehrsleuchtsignalanlage oder Leuchtsignalanlage des Luftverkehrs.

8. Verfahren zum Anpassen des Stromflusses durch eine Leuchtdioden-Signallampe an eine durch externe Energieversorgungs- und Überwachungseinrichtungen vorgegebene Kennlinie, bei dem mittels eines parallel zur Leuchtdioden-Anordnung geschalteten regelbaren Lastkreises ein von der Höhe der Betriebsspannung (U_B) für die Leuchtdioden-Anordnung abhängiger Laststrom (I_L) erzeugt wird, so dass die Summe aus dem Laststrom (I_L) und einem Leuchtdiodenstrom (I_LED) durch die Leuchtdioden-Anordnung einen aus der Mehrzahl von möglichen Betriebsspannungen (UB) jeweils gerade vorliegenden Betriebsspannung (U_B) zugeordneten Stromwert (I) auf der vorgegebenen Kennlinie ergibt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem bei niedrigen Betriebsspannungen (U_B) der parallel zur Leuchtdioden-Anordnung geschaltete regelbare Lastkreises niederohmig und bei hohen Betriebsspannungen (U_B) hochohmig geschaltet wird.

Zeichnung