EP2124507A2 - Signalgeber für ein LED-Lichtsignal - Google Patents

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EP2124507A2
EP2124507A2 EP09160459A EP09160459A EP2124507A2 EP 2124507 A2 EP2124507 A2 EP 2124507A2 EP 09160459 A EP09160459 A EP 09160459A EP 09160459 A EP09160459 A EP 09160459A EP 2124507 A2 EP2124507 A2 EP 2124507A2
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EP
European Patent Office
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signal
operating voltage
light signal
characteristic
load
Prior art date
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EP09160459A
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Eike Berg
Stefan Burgass
Rolf Eckl
Uwe Frost
Norbert PÖPPLOW
Michael Zabel
Dirk Zimmermann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1881—Wiring diagrams for power supply, control or testing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2207/00—Features of light signals
    • B61L2207/02—Features of light signals using light-emitting diodes [LEDs]

Definitions

  • the invention relates to a signal generator for a LED light signal with a circuit part for adapting a signal generator current operating voltage characteristic of the LED light signal to a characteristic of a light bulb light signal, wherein a load in response to the operating voltage can be controlled.
  • LEDs Light signals or LEDs on the basis of LEDs - light emitting diodes - instead of incandescent lamps are increasingly being used in many areas, especially in signaling technology. LEDs are comparatively inexpensive, durable and bright. However, the use of LEDs is difficult where the incandescent lamps are to be replaced by LEDs without changes to an existing monitoring device. This is particularly true for light signal circuits of the railroad, in which the proper function is usually monitored by a safe signaling by means of a signal-wise control part. In order to continue to use this monitoring device without modification, the signal generator current operating voltage characteristic of the LED light signal must be approximately matched to that of the incandescent light signal. In order to achieve interface compatibility, therefore, the additional circuit part in the signal generator is required. This circuit part allows the characteristic adjustment by the difference between the power consumption of the illuminated LEDs and the replaced light bulb is compensated by a corresponding electrical power consumption.
  • a control voltage is derived.
  • a rectifier bridge GR is connected in parallel with a control circuit 1 for a load 2, consisting of transistors T1, T2 and load resistors RL1, RL2 and current diodes D1 and D2.
  • the control circuit 1 generates from the operating voltage a control voltage which sets the average current flow through the transistors T1 and T2.
  • the characteristic curve adaptation achievable in this way is relatively inaccurate.
  • the load current, which results mainly through the transistors T1 and T2 is not sinusoidal at sinusoidal operating voltage, whereby the desired purely resistive character of the light bulb to be simulated can not be replicated exactly.
  • a pulse width modulated electronic switch 3rd according to FIG. 2 to use.
  • the circuit comprises, in addition to a power supply 4, an operating voltage measurement 5, wherein a pulse width modulation - PWM - is generated from the operating voltage by means of an algorithm 6, which activates the electronic switch 3 for energizing a load resistor 7.
  • the invention has for its object to overcome these drawbacks and to provide a signal generator of the generic type, which allows a simple way a characteristic adjustment according to needs accuracy.
  • the object is achieved in that a resistor network with electronically switchable resistors is provided as the load.
  • electronically switchable resistors in contrast to the known transistor variant and its modifications by means of PWM or MOSFET, a purely ohmic load character is generated.
  • I U / R.
  • Signal distortions in the zero crossing of the load current or harmonics do not occur.
  • the control of the resistors by means of electronic switches made possible by operating voltage-dependent connection or disconnection of resistors in a simple manner, a realization of the desired load for the characteristic adjustment.
  • the electronic switches of the resistor network can be driven by a microcontroller, depending on the operating voltage.
  • a microcontroller depending on the operating voltage.
  • the resistor network may additionally be equipped according to claim 3 with at least one normally closed contact for simulating an inrush current of the incandescent light signal.
  • the normally closed contact is preferably in the ground state, i. H. with dark signal, closed. After switching on the operating voltage, the normally closed contact is opened after a specified time. This results shortly after switching on the operating voltage for a short time an additional surge, which simulates the surge, which arises at the incandescent light signal due to its lower resistance in the cold state. Since the inrush current in the incandescent light signal depends on the magnitude of the applied voltage and on the heating of the filament, which leads to an increase in the resistance, also on the time, the accuracy of the replica by the use of multiple break contacts, the be controlled according to these initial conditions can be improved.
  • FIG. 4 shows the essential components of a characteristic adaptation according to the invention.
  • transistors - FIG. 1 - or PWM - FIG. 2 - or MOSFET - FIG. 3 - A resistor network with resistors R1, R2, R3, which are controlled by electronic switches 13.1, 13.2, 13.3, used.
  • the desired load is realized by operating voltage-dependent connection or disconnection of the resistors R1, R2, R3.
  • the circuit arrangement of the resistors R1, R2, R3, which may also have different values, is freely configurable according to the respective requirements.
  • For controlling the electronic switches 13.1, 13.2, 13.3 is preferably a microcontroller 14 or a programmable logic.
  • FIG. 5 illustrates a signal generator power operating voltage diagram in which the characteristic 15 to be emulated of a light bulb, the characteristic 16 of an LED array and the characteristic curve 17 of a matching circuit according to the principle of FIG. 4 are shown. It can be seen that a very good characteristic curve adaptation already results with only five resistance levels.
  • the frequency of the characteristic 17 can be by the freely selectable number of resistors R1 to R7 used according to FIG. 6 within the scope of the monitoring-specific tolerances.
  • the LED characteristic 16 is split into a night area ⁇ 8 V and a day area> 8 V. Especially in the night area, there is a big difference between the power consumption of the incandescent lamp and the power consumption necessary for the illumination of the LEDs.
  • the signal generator generates in this critical area suitable for external monitoring output, which comes very close to the incandescent lamp.
  • the circuit can also be used to simulate the cold resistance of the signal lamp.
  • an opener contact 18 is provided which is closed when the signal is switched off. After switching on the operating voltage of the normally closed contact 18 is opened after a specified time. The resulting additional current flow shortly after switching on reflects the additional current flow, which arises in the case of an incandescent lamp due to its lower resistance in the cold state. Since the resistance of the filament increases as a function of the heating, the inrush current of the incandescent lamp depends on the level of the applied voltage and on the time. To replicate this relationship exactly, several separately controlled break contacts 18 can be used.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c show resistor networks of various complexity which can be combined with the cold-thread simulation of FIG. 6d.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen 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. Um auf einfache Weise eine möglichst genaue Kennlinienanpassung zu realisieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Last ein Widerstandsnetzwerk mit elektronisch schaltbaren Widerständen (R1 bis R7) vorgesehen ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen Widerstandsnetzwerke verschiedener Komplexität, welche mit der Kaltfadennachbildung gemäß Figur 6d kombiniert werden können.

Claims (3)

  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.
EP09160459.5A 2008-05-23 2009-05-18 Signalgeber für ein LED-Lichtsignal Withdrawn EP2124507A3 (de)

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