TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein LED-Lichtmodul, eine Signalleuchte mit einem solchen Lichtmodul,
insbesondere für den Schienen-, Wasser-, Luft- oder Straßenverkehr sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines solchen Lichtmoduls.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] Lichtemittierende Dioden (LEDs) finden aufgrund ihrer Eigenschaften wie niedrigem
Stromverbrauch und hoher Lebensdauer immer häufiger Anwendung als Ersatz von klassischen
Leuchtmitteln, und zwar auch in sicherheitsrelevanten Leuchten wie z.B. Verkehrssignalen,
Begrenzungsleuchten und Fahrzeugleuchten, worunter hier Leuchten für alle Arten von
Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen verstanden werden.
[0003] Bei vielen Leuchten ist eine automatisierte Überwachung des korrekten Funktionierens
gewünscht oder sogar vorgeschrieben. Während bei klassischen Leuchtmitteln die Überwachung
des korrekten Funktionierens meist einfach realisiert werden kann ist (in der Regel
genügt es, zu überwachen, ob Strom durch das Leuchtmittel fließt oder nicht; wenn
trotz angelegter Spannung kein Strom durch das Leuchtmittel fließt, kann davon ausgegangen
werden, dass das Leuchtmittel defekt ist und getauscht werden muss), ist die Funktionsüberwachung
bei LEDs aus verschiedenen Gründen nicht trivial. So kann es z.B. dazu kommen, dass
eine LED nicht leuchtet, obwohl Strom durch sie fließt.
[0004] Der Totalausfall einer LED kann durch eine kombinierte Strom-Spannungs-Überwachung
detektiert werden. Diese Überwachungsart erlaubt es jedoch nicht, eine z.B. durch
Alterung der LEDs bedingte Veränderung des Lichtstromes (Degradation) zu erkennen.
[0005] Es ist bekannt, LED-Lichtmodule, d.h. Anordnungen mit üblicherweise mehreren LEDs
und weiteren Elementen wie Vorschalteinheiten zum Betrieb der LEDs, mit einem Betriebszeitzähler
zu versehen, der die tatsächliche Betriebsdauer der LEDs erfasst. Wird eine bestimmte
Betriebsdauer erreicht, werden die LEDs ersetzt, unabhängig davon, ob das von ihnen
abgegebene Licht noch zur Erfüllung der ggf. vorgeschriebenen Anforderungen ausreicht
oder nicht. Dieses Vorgehen führt dazu, dass regelmäßig LEDs getauscht werden, die
noch korrekt funktionieren.
[0006] Es hat sich gezeigt, dass die Alterung von LEDs nicht nur von ihrer reinen Betriebsdauer,
sondern auch anderen Faktoren, insbesondere dem Betriebsstrom und der Betriebstemperatur
abhängt.
[0007] Eine naheliegende Lösung des Problems der Erfassung einer alterungsbedingten Minderung
der Lichtleistung ist die direkte Überwachung des im Betrieb einer LED abgegebenen
Lichts mittels entsprechender Sensoren. Dazu schlägt die
DE 197 54 222 eine Überwachungseinheit einer LED vor, bei der das von einer LED abgestrahlte Licht
mittels eines Fotosensors gemessen wird. Unterschreitet die Helligkeit des Lichts
einen bestimmten Grenzwert, wird ein Warnsignal erzeugt, dass einem Betreiber der
LED anzeigt, dass die LED ersetzt werden sollte.
[0008] Die aus der
DE 197 54 222 bekannte Art der Überwachung ist gerade bei sog. Streckensignalen für den Schienenverkehr
mit unter Umständen sehr hohem Materialaufwand verbunden, denn die Überwachungseinheit
wird mit einer eigenen Betriebsspannung versorgt, wobei die entsprechenden Kabel nicht
selten über einige hundert, manchmal sogar tausend und mehr Meter von einer entsprechenden
Anschlussstelle zu der Überwachungseinheit geführt werden müssen.
[0009] Die
US 6,078,148 beschreibt eine Steuerung für einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen
mit einer Vielzahl von Windungen und Abgriffen zum Ändern der Zahl der wirksamen Windungen
und somit einer LED-Stranglichtleistung. Dabei erfolgt eine Steuerung der Abgriffe
in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der LEDs für die Aufrechterhaltung der
Lichtleistung der LEDs über einem vorbestimmten Pegel auf Basis einer Kombination
von Messungen von Spannungen und Strömen an den LEDs.
[0010] Die
EP 0 974 947 A1 zeigt eine Lichtsignalanlage mit mindestens einem Signalgeber, dessen Lichtquelle
durch in Form einer Matrix angeordnete LEDs gebildet ist, und mit einer Überwachungseinrichtung
zum Überprüfen der Leuchtdioden auf deren fehlerfreien Betriebszustand, die einen
im Strahlengang der LEDs angeordneten Lichtsensor sowie eine mit diesem verbundene
Auswerteeinrichtung zum Vergleichen eines durch den Lichtsensor erzeugten Lichtsensorsignales
mit einem vorgegebenen Sollwert aufweist, der einem normalen Betriebszustand der Leuchtdioden
entspricht.
[0011] Die
DE 10 2005 032 719 A1 zeigt eine Lichtsignalanlage mit mindestens einem Leuchtdioden aufweisenden Signalgeber
zur Abgabe eines Lichtzeichens, mit einem Steuergerät zur Ansteuerung, Auswertung
und Überwachung der Signalgeber, mit Leitungen zur Energieversorgung und Leitungen
zur Datenübertragung zwischen dem Steuergerät und den Signalgebern, und mit einer
Schaltungseinrichtung zur Ansteuerung der Signalgeber, sowie je Signalgeber eine in
dessen unmittelbare Nähe angeordnete Schaltungseinrichtung, wobei die Signalgeber
über einen die Energieversorgungsleitungen und die Datenübertragungsleitungen aufweisenden
Leitungsstrang mit dem Steuergerät verbunden sind.
[0012] Gemäß der
DE 10 2010 026 012 A1 weist ein Signalgeber zur Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte mit RGB-LEDs
einen optischen Sensor zur signaltechnisch sicheren Überwachung des Farbortes und
der Lichtstärke des Signalgebers auf.
[0013] Zum Betreiben eines Lüfters zeigt
DE 10 2010 013 310 A1 einen an einen Ausgang eines Vorschaltgeräts angeschlossenen Ausgangskreis zur Versorgung
eines Leuchtmoduls mit elektrischer Energie, wobei sowohl der Lüfter als auch eine
Steuerschaltung zur Versorgung mit elektrischer Energie an den Ausgangskreis angeschlossen
sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Lichtmodul mit einer Überwachungseinheit
und eine damit ausgestattete Signalleuchte anzugeben, bei der die Überwachungseinheit
mit minimalem Materialaufwand und mithin besonders kostengünstig betriebsbereit gemacht
werden kann.
[0015] Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines
LED-Lichtmoduls anzugeben, das in kostensparender Weise bei gleichzeitiger Sicherstellung
einer hohen Betriebssicherheit ausgeführt werden kann.
[0016] Die Aufgaben werden gelöst von einem LED-Lichtmodul mit den Merkmalen des Anspruchs
1, einer Signalleuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 4 bzw. einem Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 3.
[0017] Das LED-Lichtmodul gemäß der Erfindung benötigt keine separate Stromversorgung der
Überwachungseinheit, sondern diese kann dem Lichtmodul mit Pulsweitenmodulation des
zugeführten Strom nutzen, um den abgegebenen Lichtstrom zu überwachen und dabei auf
ein aufwendiges Herausrechnen von Streulichtanteilen, die von üblichen Überwachungseinheiten
miterfasst werden, zu verzichten. Diese und weitere Vorteile ergeben sich aus der
nachfolgenden, rein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung, die aus zwei Zeichnungsfiguren besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
[0018]
- Fig. 1
- zeigt stark schematisiert ein Blockdiagramm zum grundsätzlichen Verständnis der Arbeitsweise
der Erfindung.
- Fig. 2
- zeigt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
[0019] In der Fig. 1 ist stark schematisiert die Grundidee der Erfindung dargestellt, wonach
einem Strang 10 von in Reihe geschalteten LEDs eines entsprechenden LED-Lichtmoduls,
insbesondere eines Lichtmoduls für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs,
in an sich bekannter Weise über eine Leitung 12 ein Strom mit einer bestimmten Spannung
zugeführt und dann ein Teil des zugeführten Stroms über eine zu zumindest einigen
der LEDs des Strangs parallele Schaltung zum Betrieb einer Überwachungseinheit 14
genutzt wird. Die Überwachungseinheit 14 kann bestimmte Betriebsparameter des Lichtmoduls,
wie z.B. den im Betrieb durch den Strang fließenden Strom, die am Strang abfallende
Spannung, die Temperatur in der Umgebung des Strangs und den von dem Strang erzeugten
Lichtstrom erfassen und für diese Betriebsparameter charakteristische Werte an eine
übergeordnete Auswerteeinheit 16 ausgeben.
[0020] Die Überwachungseinheit 14 kann komplett über die Stromversorgung des LED-Strangs
gespeist werden so dass vorteilhaft auf eine separate Stromversorgung verzichtet und
damit insbesondere dann, wenn das Lichtmodul in Signalleuchten für den Schienenverkehr
eingesetzt wird, teilweise ganz erhebliche Kabelmengen gespart werden können. Es können
Mittel wie Spannungsmesser für die LED-Vorwärtsspannung vorgesehen sein, die zu einer
oder mehreren LEDs 18 des Strangs 10 parallel geschaltet sind. Diese Mittel können
im Betrieb des Lichtmoduls über die Stromversorgung 20 der LEDs mit Strom versorgt
werden.
[0021] Die übergeordnete Auswerteeinheit 16 wird über die Stromversorgung des LED-Strangs
versorgt, vermeidet also eine Streulichterfassung bei insbesondere pulsweise ausgeschaltetem
LED-Strang. Die dafür notwendigen modernen Komponenten, wie z.B. Temperatur- oder
Fotosensor sowie Mikrocontroller, besitzen eine so geringe Stromaufnahme, dass es
keine merklichen Auswirkungen auf den Lichtstrom des LED-Strangs hat, wenn über die
genannte Parallelschaltung ein Teil des Stroms zur Versorgung der Einheiten 14 und
16 abgezweigt wird.
[0022] Typischerweise weist ein LED-Strang 10 der hier in Frage stehenden Art z.B. acht
in Reihe geschaltete LEDs mit einer Stromaufnahme von 350 mA auf, während ein Fotosensor
als Mittel zur Erfassung eines weiteren Betriebsparameters und ein entsprechender
Mikrocontroller zur Auswertung des Signals des Fotosensors eine Stromaufnahme im Bereich
von etwa 1 bis 2 mA haben. Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Schaltung
insbesondere dann hervorragend funktioniert, wenn die Stromaufnahme der Einheiten
14 und 16 mehr als 20-mal kleiner ist als die Stromaufnahme des LED-Strangs, vorzugsweise
etwa 50- bis 100-mal kleiner.
[0023] In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei hier zwei
Betriebsparameter erfasst und zur Überwachung und Steuerung des LED-Strangs in der
erfindungsgemäßen Weise verwendet werden. Die den Einheiten der Fig. 1 entsprechenden
Einheiten wurden mit den auch in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen.
[0024] Das dargestellte Lichtmodul bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Einheit, die
insbesondere in einer Signalleuchte verbaut und über eine Leitung 12 extern mit Strom
versorgt werden kann. Der LED-Strang wird von einer Anzahl von in Reihe geschalteten
LEDs 18, von denen hier nur einige gezeigt sind, gebildet, wobei die Zuführspannung
und der Strom von einer Vorschalteinheit 20 gesteuert werden. Die Vorschalteinheit
20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso wie die Auswerteeinheit 16 Teil des Lichtmoduls,
kann aber, ebenso wie die Auswerteeinheit 16, auch außerhalb des eigentlichen Lichtmoduls
angeordnet werden. Auswerteeinheit 16 und Vorschalteinheit können Teil einer einzigen
Steuereinheit sein.
[0025] Wie durch die Leitung 22 angedeutet, wird einer Überwachungseinheit 14 an einer ersten
Stelle über eine zur Reihenschaltung der LEDs 18 parallele Schaltung Strom zugeführt,
wobei die verschiedenen in der Figur symbolisch dargestellten Rechtecksignale andeuten
sollen, dass der Strom pulsweitenmoduliert ist.
[0026] Wie durch das entsprechende Schaltbild angedeutet, umfasst die Überwachungseinheit
14 bei diesem Ausführungsbeispiel einen Fotosensor 24, der in dem Lichtmodul angeordnet
ist und einen zu dem Lichtstrom, der im Betrieb der LEDs erzeugt wird, proportionalen
Wert erfasst. Bei Lichtmodulen der hier in Frage stehenden Art sind die LEDs typischerweise
rotationssymmetrisch angeordnet, und das Lichtmodul ist mit einer Vorsatz- oder Streuscheibe
versehen, wodurch ein Teil des abgegebenen Lichts zurückreflektiert wird, was dann
von dem Fotosensor 24 erfasst werden kann.
[0027] Die Überwachungseinheit 14 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel ferner zwei Spannungsmesser
26, die zusammen mit entsprechenden Shunt-Widerständen 28 und Leitungen 30 eine indirekte
Strommessung des im Betrieb durch den LED-Strang fließenden Stroms ermöglichen.
[0028] Nicht dargestellt, aber bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, ist ein
Spannungsmesser, der die gesamte an dem LED-Strang abfallende Spannung misst, was
insbesondere bei Lichtmodulen zum Einsatz in Signalleuchten für den Schienenverkehr
vorteilhaft sein kann. Die Vorteile einer kombinierten Strom-Spannungsüberwachung
bei der Überwachung von LED-Strängen sind bekannt und zum Beispiel in der
EP 1 992 524 A2, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingebunden wird, offenbart. Bei einer Ausführungsvariante
der Erfindung können zur Erfassung des Stroms und/oder der Spannung vorgesehene Mittel
über die Stromversorgung der LEDs gepulst mit Strom versorgt werden.
[0029] Die von den Spannungsmessern 26 für den Ist-Strom, also den tatsächlich durch den
LED-Strang fließenden Strom, repräsentativen Werte und ein zu dem im Betrieb der LEDs
abgegebenen Lichtstrom proportionaler, vom Fotosensor 24 gemessener Wert werden der
Auswerteeinheit 16 zugeführt, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen Mikrocontroller
32 und eine Regelung 34 umfasst, die zur Ausgabe eines Steuerwertes an die Vorschalteinheit
20 ausgebildet ist. Man beachte, dass die Auswerteeinheit 16 nicht, wie bei vormals
bekannten Lichtmodulen, über eine eigene Stromversorgung verfügt, sondern vorteilhaft
ebenso wie die Überwachungseinheit 14 von dem den LEDs 18 zugeführten Strom gespeist
wird. Erfasst nun der Fotosensor, dass zum Beispiel aufgrund einer Degradation der
LEDs 18 der im Betrieb abgegebene Lichtstrom nachlässt, kann die Auswerteeinheit 16
ein entsprechendes Steuersignal erzeugen, mittels welchem die Vorschalteinheit 20
veranlasst wird, den den LEDs zugeführten Strom so zu erhöhen, dass sich der gewünschte
Lichtstrom ergibt. Mit der oben genannten Randbedingung, dass die Stromaufnahme von
Überwachungseinheit 14 und Auswerteeinheit 16 deutlich kleiner ist als die Stromaufnahme
der LEDs, kann die Reduzierung der Helligkeit der LEDs aufgrund der Stromabzweigung
vernachlässigt werden, zumal eine solche ohnehin vom Fotosensor 24 erfasst und zu
einer Nachregelung des Stroms führte.
[0030] Die Auswerteeinheit 16 ist dazu ausgebildet, den dem LED-Strang zugeführten Strom
in Abhängigkeit von dem sog. "weiteren Betriebsparameter", hier also dem Lichtstrom,
direkt oder indirekt zu steuern, also entweder als Teil einer komplexeren Steuerschaltung
direkt Einfluss auf den Strom zu nehmen oder aber mit einer gesonderten Einheit, hier
der Vorschalteinheit 20 zu kommunizieren und dieser Informationen zu übermitteln,
die Basis für eine Steuerung des Stroms sind, und so den Strom indirekt zu steuern.
[0031] Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ist-Stromerfassung zweikanalig,
mithin redundant ausgebildet, so dass Fehlmessungen praktisch ausgeschlossen sind,
weil der Mikrocontroller 32 so ausgebildet sein kann, dass er bei Abweichungen zwischen
den beiden für den Ist-Strom repräsentativen Signalen eine entsprechende Fehlermeldung
erzeugen kann, die dann in an sich bekannter Weise an eine übergeordnete Stelle, zum
Beispiel eine Wartungszentrale, übermittelt werden kann.
[0032] Außer der bereits genannten Sicherstellung eines stabilen Farbortes hat der bei einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehene pulsweitenmodulierte Betrieb
zwei wesentliche weitere Vorteile. So erübrigt sich in denjenigen Fällen, in denen
die Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters einen Fotosensor
wie in Fig. 2 umfassen, ein aufwändiges Herausrechnen des Streulichtanteils, da der
Sensor durch die erfindungsgemäße Versorgung über den LED-Strom nur dann im Betrieb
ist, wenn auch die LEDs eingeschaltet sind, wobei dann Streulichtanteile vernachlässigt
werden können. Licht, das auf den Sensor fällt, wenn die LEDs zwischen zwei Strompulsen
ausgeschaltet sind, wird vom Sensor nicht in die übliche Aufsummierung einbezogen,
so dass in vorteilhafter Weise kostengünstige Standard-Fotosensoren, die zur Ausgabe
eines Messwertes Licht über einen bestimmten Zeitraum aufsummieren, verwendet werden
können.
[0033] Ein weiterer Vorteil des pulsweitenmodulierten Betriebes ist, dass die Auswerteeinheit
16 prüfen kann, ob der Fotosensor 24 oder die Spannungsmesser 26 Signale währen der
Zeit zwischen zwei Strompulsen liefern, woraus dann auf eine Fehlfunktion des Fotosensors
und/oder der Spannungsmesser geschlossen und in an sich bekannter Weise eine entsprechende
Fehlermeldung erzeugt werden kann. Damit verfügt die Auswerteeinheit 16 quasi über
eine Funktion zum Testen der Mittel zur Erfassung des wenigstens einen weiteren Betriebsparameters.
Es wird also geprüft, ob die von dem Strommesser und/oder dem Fotosensor ausgegebenen
Signale einen Verlauf zeigen, der dem Verlauf des pulsweitenmodulierten Stroms entspricht.
[0034] Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen
möglich, die sich insbesondere auf die Art und die Anzahl der Mittel zur Erfassung
von Betriebsparametern der LEDs beziehen. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, die Temperatur in der Umgebung der LEDs des Strangs zu erfassen,
wobei dann mit diesem Wert über die Auswerteeinheit zum Beispiel ein Lüfter angeschaltet
werden kann. Auch ein solcher Lüfter kann vorteilhaft über den Betriebsstrom der LEDs
mit Strom versorgt werden, da bei typischen Anwendungsfällen der Lüfter nur eine geringe
Leistung haben muss.
[0035] Die Erfindung erlaubt in besonders einfacher und kostengünstiger Weise erstmals die
Realisierung einer besonders sicheren Überwachung des korrekten Funktionierens eines
LED-Lichtmoduls, da drei verschiedene Überwachungsmethoden - Überwachung der am LED-Strang
abfallenden Spannung, Überwachung des durch den Strang fließenden Stroms und Erfassung
eines zum abgegebenen Lichtstrom proportionalen Wertes - kombiniert werden können.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0036]
- 10
- LED-Strang
- 12
- Leitung
- 14
- Überwachungseinheit
- 16
- Auswerteeinheit
- 18
- LEDs
- 20
- Vorschalteinheit
- 22
- Leitung
- 24
- Fotosensor
- 26
- Spannungsmesser
- 28
- Shunt-Widerstände
- 30
- Leitungen
- 32
- Mikrocontroller
- 34
- Regelung
1. LED-Lichtmodul, insbesondere für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs,
umfassend
- wenigstens einen Strang (10) von in Reihe geschalteten LEDs (18),
- Mittel zur Überwachung (26, 28, 30) des im Betrieb des Strangs durch den Strang
fließenden Stroms und/oder der an dem Strang abfallenden Spannung,
- eine Stromversorgung der LEDs und
- Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters der LEDs, die
einen Sensor (24) zur Erfassung eines zu einem im Betrieb des Lichtmoduls abgegebenen
Lichtstrom proportionalen Wertes und zur Ausgabe eines Signals auf Basis des Wertes
umfassen,
gekennzeichnet durch
eine Auswerteeinheit (16), die dazu ausgebildet ist, die Stromversorgung (10) der
LEDs für einen dem LED-Strang zugeführten Strom in Abhängigkeit des Signals
durch Pulsweitenmodulation zu steuern, und im Betrieb des Lichtmoduls ebenfalls über die
Stromversorgung (20) der LEDs (18) mit Strom versorgt wird.
2. LED-Lichtmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) über eine Funktion zum Testen der Mittel zur Erfassung des
wenigstens einen weiteren Betriebsparameters verfügt.
3. Verfahren zum Betreiben eines LED-Lichtmoduls, insbesondere für Signalleuchten des
Straßen- und Schienenverkehrs, wobei
- das Lichtmodul über einen Strang von in Reihe geschalteten LEDs verfügt,
- der im Betrieb durch den Strang fließende Strom und/oder die an dem Strang abfallende
Spannung überwacht werden,
- mit einem Sensor (24) ein zu einem im Betrieb des Lichtmoduls abgegebenen Lichtstrom
proportionaler Wert erfasst und ein Signal auf Basis des Wertes an eine übergeordnete
Auswerteeinheit ausgegeben wird und
dadurch gekennzeichnet, dass
der dem Strang im Betrieb zugeführte Strom in Abhängigkeit des Wertes durch Pulsweitenmodulation
der Stromversorgung der LEDs gesteuert wird und die übergeordnete Auswerteeinheit
im Betrieb des Lichtmoduls ebenfalls über die Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt
wird.
4. Signalleuchte, insbesondere für den Straßen- und Schienenverkehr, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein LED-Lichtmodul nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.