Die Erfindung betrifft ein LED-Eisenbahnlichtsignal mit einem Signalgeber zur Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte.
Ein LED Eisenbahnlichtsignal ist beispielsweise aus der
Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf Eisenbahnlichtsignale in Form von Leuchtzeichen oder Lichtsignalen zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, ohne dass der beanspruchte erfinderische Gegenstand auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
Lichtsignale oder Leuchtzeichen auf der Basis von LEDs - lichtemittierende Dioden - anstelle von Glühlampen werden in vielen Bereichen, insbesondere in der Eisenbahnsignaltechnik, zunehmend angewendet. LEDs sind vergleichsweise preiswert, langlebig und lichtstark. Dabei geht der Trend in Richtung HLED - Hochstrom-LED -, deren Lichtstärke derart hoch ist, dass bereits eine einzige HLED pro Lichtpunkt genügend Licht emittiert, um die geforderte Helligkeit zu erreichen.
Bei den bisher üblichen LED-Matrizen mit einer Vielzahl von LEDs wird deren Funktionsfähigkeit durch eine Strommessung überwacht. Dabei ist gewährleistet, dass auch bei einigen defekten oder ausgefallenen LEDs über einen bestimmten Zeitraum eine Mindesthelligkeit erhalten bleibt. Bei HLEDs führt deren Ausfall dagegen schlagartig zu einem extremen Helligkeitsverlust, so dass das übliche Überwachungskonzept mittels Strommessung den sicherheitstechnischen Anforderungen, insbesondere bei den Sicherheitsstufen SIL3 und SIL4 nicht mehr genügt. Die Sicherheitsstufen sind in der Cenelec-Norm EN50129 von SILO - signaltechnisch nicht sicher - bis SIL4 - signaltechnisch hochgradig sicher - definiert. Um die Funktionsfähigkeit der LEDs, insbesondere der HLEDs, zu überprüfen, wird deshalb zunehmend anstelle der Bestromung oder zusätzlich die Lichtstärke des Signals gemessen. Die gemessene Ist-Lichtstärke kann auch als Führungsgröße für eine Regelung der Lichtstärke auf einen vorgegebenen Sollwert verwendet werden.
Bei Lichtsignalen mit verschiedenfarbigen Lichtpunkten kann zusätzlich eine Ist-Stromüberwachung für jeden Lichtpunkt vorgesehen werden. Um das Lichtsignal in Sicherheitsstufe SIL3 oder SIL4 betreiben zu können, muss sichergestellt sein, dass nur der Lichtpunkt mit der vorgesehenen Farbe bestromt isst und dass die weiteren Lichtpunkte nicht stromdurchflossen sind.
Ein weiterer Trend in der LED-Technologie besteht darin, LEDs unterschiedlicher Farben in einer kompakten Baueinheit zusammenzufassen. Bekannt sind beispielsweise RGB-LEDs - Rot/Gelb/Blau-LEDs -, bei denen in einen LED-Gehäuse drei LEDs mit den Farben rot, gelb und blau integriert sind. Bei diesen RGB-LEDs ist es bauartbedingt nicht oder nur schwer möglich, aufgrund einer Strommessung zu ermitteln, durch welche der drei LEDs der Strom fließt. Dies ist jedoch erforderlich, um SIL3 oder SIL4 zu erreichen.
Mit RGB-LEDs ist es möglich, mehrere Farben in einem Lichtpunkt zu realisieren. Dabei werden jedoch immer LEDs gleicher Farbe bestromt, so dass die Anzahl der darstellbaren Farben auch die Anzahl verschiedenfarbiger LEDs begrenzt ist. Prinzipiell kann mit RGB-LEDs jedoch eine Vielzahl von Farben, d. h. Farborten, erreicht werden, indem gleichzeitig verschiedenfarbige LEDs bestromt oder mittels PWM - Pulsweitenmodulation - angesteuert werden, wodurch sich Mischfarben ergeben. Diese Technologie wird bereits für Beleuchtungs- und Anzeigezwecke verwendet. Aus der
U1 ist eine Navigationsleuchte mit LEDs bekannt, die einen optischen Sensor zur Überwachung des Farbortes und der Lichtstärke aufweist. Eine Adaption auf Signalgeber ist jedoch problematisch, da wegen der sicherheitsrelevanten Bedeutung der Lichtsignale im Eisenbahnbetrieb eine signaltechnisch sichere Überwachung sowohl der Lichtstärke als auch des Farbortes erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrfarbiges LED-Eisenbahnlichtsignal anzugeben, das hohen Sicherheitsanforderungen genügt, wobei auch Mischfarben realisierbar und hinsichtlich einer signaltechnisch sicheren Funktionsweise des Lichtsignals auswertbar sein sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand nach Anspruch 1 gelöst.
Erst durch die sichere Erfassung der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, ist es möglich, RGB-LEDs für Lichtsignale mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen, insbesondere SIL3 oder SIL4, verwenden zu können. Auf farbspezifische Strommessungen, die bei RGB-LEDs überhaupt nicht oder nur mit größten Schwierigkeiten möglich sind, kann verzichtet werden. Aufgrund der Tendenz zu lichtstärkeren LEDs und gleichzeitig sinkender Herstellungskosten ist es möglich, anstelle mindestens dreier einzelner HLEDs unterschiedlicher Farben eine einzige RGB-LED einzusetzen. Die Farben können außerdem signaltechnisch sicher gemischt werden.
Die sichere Überwachung basiert auf der Ansteuerung zur Erzeugung des geforderten Farbortes und der sicheren Überwachung des von Umgebungsbedingungen abhängigen, tatsächlich emittierten Lichts. Die Ansteuerung muss üblicherweise nicht sicherheitsrelevant erfolgen, wobei das Gesamtsystem aber durch die signaltechnisch sichere Überwachung der erwarteten Funktion als signaltechnisch sicher im Sinne von SIL3 oder SIL4 eingestuft werden kann.
Vorzugsweise sind mindestens zwei unabhängige optische Sensoren vorgesehen. Dadurch ist gewährleistet, dass Änderungen in einem Messkanal offenbart werden können. Die Fehlererkennung kann zusätzlich durch ein Verfahren unterstützt werden, das die Soll-Helligkeit geringfügig im tolerierbaren Bereich erhöht und erniedrigt. Wenn die in den mindestens zwei Kanälen gemessene Ist-Helligkeit der Soll-Helligkeit erwartungsgemäß folgt, kann von einem fehlerfreien System ausgegangen werden. Das gleiche Prinzip kann auch durch Variation des Farbortes alternativ oder zusätzlich angewendet werden, wodurch noch höhere Anforderungen an die Sicherheit realisierbar sind.
Durch eine geeignete Verknüpfung mit Außeneinflüssen, beispielsweise Temperatur oder Umgebungslicht, können physikalische Eigenschaften von Bauelementen, z. B. deren Temperaturverhalten, oder des Einsatzortes, z. B. hinsichtlich der Umgebungslichtverhältnisse, kompensiert werden, so dass ein Rückmeldesignal an das Stellwerk gemeldet wird, welches direkt mit dem Ansteuersignal zur Beaufschlagung des Signalgebers vergleichbar ist. Im Stellwerk ist somit jederzeit eine zuverlässige Information über die ordnungsgemäße Funktion des LED-Lichtsignals vorhanden.
Gemäß Anspruch 2 besitzt die Auswerteeinrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleich des Ist-Farbortes und/oder der Ist-Lichtstärke mit einem Soll-Farbort und/oder einer Soll-Lichtstärke, wobei Abweichungen, die einen Schwellwert überschreiten, eine eigensichere Reaktion auslösen. Die Rückmeldung an das Stellwerk kann dabei auf Basis der Überwachung oder der eigensicheren Reaktion erfolgen.
Die Auswerteeinrichtung berechnet aus dem Ansteuersignal für den Signalgeber und der spektralen Empfindlichkeit des optischen Sensors ein erwartetes Sensorsignal. Dieses Soll-Sensorsignal wird mit dem erfassten Ist-Sensorsignal verglichen. Die Abweichung wird bewertet, wobei ggf. eine eigensichere Reaktion, z. B. eine signaltechnisch sichere Abschaltung, erfolgt. Im Fehlerfall sorgt die Auswerteeinrichtung dafür, dass eine Bestromung nach dem Fail-Safe-Prinzip erfolgt, d. h. im Falle eines Lichtsignals für die Signalbegriffsanzeige, dass das rote Haltsignal leuchtet.
Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der optische Sensor mehrere farbspezifische Einzelsensoren aufweist. Der farbspezifische Einzelsensor registriert nur dann eine Helligkeit des Signals bzw. eine Lichtstärke, wenn der Lichtpunkt mit der zugeordneten Farbe angesteuert wurde. Fehler jeglicher Art werden leicht erkannt, da dann entweder keiner der farbspezifischen Einzelsensoren oder ein Einzelsensor, der nicht der gewünschten Farbe zugeordnet ist, ein Ausgangssignal erzeugt.
Der farbspezifische Einzelsensor kann beispielsweise mittels vorgeschalteter Farbfilter realisiert werden. Auf diese Weise kann ein Helligkeitssensor verwendet werden, der für den gesamten Farbbereich, d. h. für das gesamte sichtbare Lichtspektrum, ausgelegt ist. Der dem Einzelsensor vorgeschaltete Farbfilter bewirkt, dass der Einzelsensor nur auf eine bestimmte Farbe reagiert.
Der optische Sensor kann aber gemäß Anspruch 4 auch als Breitspektrumsensor ausgebildet sein. In dem Fall muss das Ausgangssignal des optischen Sensors unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des Sensors hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung ausgewertet werden.
Vorzugsweise ist der Sensor gemäß Anspruch 5 über einen Sensorverstärker und einen A/D-Wandler mit der digitalen Auswerteeinrichtung, insbesondere einem Controller, zur Ermittlung des Ist-Farbortes und der Ist-Lichtstärke verbunden. Der optische Sensor erfasst das emittierte Licht. Der Sensorverstärker dient der Verstärkung und Kalibrierung des Ausgangssignals des optischen Sensors. Durch die Kalibrierung können physikalische Eigenschaften, beispielsweise die Empfindlichkeit des Sensors oder der Eingangsbereich der Auswerteeinrichtung, ausgeglichen werden.
Durch den Empfindlichkeitsabgleich können die Ausgangssignale des optischen Sensors derart normiert werden, dass direkt aus den Ausgangssignalen ein Rückschluss auf die Farbanteile möglich ist. Die Abgleichwerte folgen aus den Eigenschaften des Sensors. Vorzugsweise wird auch das Umweltverhalten, insbesondere das Temperaturverhalten, des Sensors bei der Erzeugung des Abgleichsignals berücksichtigt.
Der Abgleich kann aber auch von dem Sensorverstärker auf die Auswerteeinrichtung verlagert werden. Dabei wird ein Empfindlichkeitsprofil im Controller abgelegt. Der Sensorverstärker kann dadurch vereinfacht werden. Durch die erforderliche höhere Dynamik der Eingangswerte steigen jedoch die Anforderungen an den A/D-Wandler, der dem Controller vorgeschaltet ist.
Durch geeignete Wahl des Auswerteverfahrens lassen sich sowohl schmalbandige Sensoren gemäß Anspruch 3 als auch breitbandige Sensoren gemäß Anspruch 4 vorteilhaft verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Ein LED-Eisenbahnlichtsignal besteht im Wesentlichen aus einem Signalgeber 1, der von einem Stellwerk 2 angesteuert 3 wird und Komponenten zur Lichtabstrahlung sowie eine Überwachungseinrichtung 4 aufweist, welche über eine Rückmeldung 5 mit dem Stellwerk 2 verbunden ist.
Die von dem Stellwerk 2 an eine mit einem Temperatursensor 6 ausgestattete Ansteuereinrichtung 7 übermittelte Anforderung an den Signalgeber 1 beinhaltet Information über das geforderte Signalbild des Signalgebers 1, insbesondere hinsichtlich Farbe und Lichtstärke. In der Ansteuereinrichtung 7 wird die Anforderungsmeldung mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors 6 zur Erzeugung eines Soll-Signals 8 verknüpft, welches über einen LED-Treiber 9 in drei Ansteuerungssignale für mindestens eine RGB-LED 10 umgesetzt wird, wobei die RGB-LED 10 Einzel-LEDs 11, 12 und 13 in den Farben rot, gelb und blau aufweist.
Die Farbe des über ein optisches System 14 ausgesendeten Lichts wird durch das relative Verhältnis der drei Ansteuerungssignale für die Farben rot, gelb und blau definiert. Das kann beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation mit entsprechenden Puls/Pausen-Verhältnissen in Verbindung mit einer Variation des jeweiligen LED-Stromes erfolgen. Die Lichtstärke ergibt sich als Summe der Ansteuerungssignale.
Die Überwachungseinrichtung 4 besteht im Wesentlichen aus einem optischen Sensor 15, einem Sensorverstärker 16 und einer Auswerteeinrichtung 17. Der optische Sensor 15 erfasst das Licht der RGB-LED 10, während der Sensorverstärker 16 der Verstärkung und Kalibrierung der Sensorwerte dient. Mittels Kalibrierung werden physikalische Eigenschaften der Sensorik, beispielsweise spektrale Empfindlichkeit, ausgeglichen.
Die Auswerteeinrichtung 17 bestimmt aus den Signalen des Sensorverstärkers 16 die Farbe und die Lichtstärke des ausgesendeten Lichts. Durch eine Verknüpfung bzw. Synchronisierung mit dem von der Ansteuereinrichtung 7 erzeugten Soll-Signal 8 kann die Zuverlässigkeit bzw. die Verfügbarkeit der Überwachung erhöht werden. Die Auswerteeinrichtung 17 ist wie die Ansteuereinrichtung 7 mit einem Temperatursensor 18 versehen, so dass unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur die Rückmeldung 5 des Zustandes des Signalgebers 1 an das Stellwerk 2 erfolgen kann. Möglich ist auch eine eigensichere Reaktion des Signalgebers 1, z. B. eine Abschaltung, die in der Rückmeldung 5 enthalten sein kann.
Diese Überwachungsvariante mit Soll/Ist-Vergleich ist in Figur 4 für eine Sensorverstärker/Auswerteeinrichtung-Baugruppe 16.1/17 nach
Bei der in
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