CN100534243C - 用于电气单元阵列的监视设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于监视电气单元阵列特别是高性能发光二极管(LED)阵列的监视设备。该电气单元串联并由恒定电流驱动。该监视设备包括：针对每个电气单元的旁路装置，其在相应的电气单元断路的情况下可用来旁路相应的电气单元，以及与电气单元阵列并联的求值单元，该求值单元适合于确定电气单元阵列的总电压以及根据总电压值相对于预定义门限值的值输出指示电气单元阵列的功能状态的控制信号。因此，提供了一种电路，其能够对例如由于短路和/或断路造成的个别LED的故障而引起的LED阵列故障进行容易且可靠的检测，同时在只发生小问题的情况下保证阵列的继续工作。可在信号显示设备中使用上面该监视设备，特别是用作铁路信号显示的用途。

Description

用于电气单元阵列的监视设备
技术领域
本发明涉及一种用来监视电气单元阵列特别是高性能发光二极管(LED)阵列的监视设备，该电气单元串行连接并且由恒定电流来驱动，该监视设备包括针对每个电气单元一个旁路装置和与该电气单元阵列并联的一个求值单元，在相应的电气单元断路的情况下，该旁路装置可用来旁路相应的电气单元。
本发明还涉及一种信号显示设备，其包括串联的发光单元特别是高性能发光二极管(LED)阵列，被耦合到该发光单元阵列用来驱动发光单元的恒定电流源，以及操作上与该发光单元阵列相连用于监视该发光单元阵列的监视设备。
另外，本发明涉及上面所提及的信号显示设备的使用。对于铁路信号显示的用途，传统的信号显示灯(例如，12VAC，35W)被与专用反射镜/透镜***相连的高性能发光二极管(LED；例如，每个二极管4V，350mA电流)阵列所替代。使用LED代替传统的灯的主要优点在于它们出众的耐用性，这使得提高了操作成本效率。
背景技术
文献DE198 41 490 A1公开了一种电路以保护至少两个LED的串连不会出故障。因此，分别给每个LED并联地提供一个齐纳(Zener)二极管和一个比较器。上述比较器在相关联的LED出故障的情况下检测到上述齐纳二极管上的压降增加，并且给控制单元提供输出信号，其中上述该比较器的相应的输出端与该控制单元的输入端并联。
特别地，当使用上面所提及类型的LED阵列用于信号显示的用途时，例如在铁路***中，必须提供某些类型的电路，这些类型的电路允许对LED阵列的故障(例如由短路或者断路造成的个别LED的故障所引起的LED阵列故障)进行方便可靠的检测，同时保证在只出现小问题的情况下(例如在有十二个二极管的阵列中只有一个二极管出现故障)LED阵列继续工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种监视设备，其能用来单个地监视多个串联的例如高性能发光二极管这样的电气单元，以便检测短路和/或断路故障并可以区分大问题和小问题。
本发明的另一个目的是提供一种上面所提及类型的信号显示设备，可监视该信号显示设备的各个发光单元的故障即短路和/或断路，并可以区分大问题和小问题。
本发明的又一个目的是提供一种具有长久耐用性的安全的铁路信号显示设备。
根据本发明的第一个方面，通过一种用来监视电气单元阵列特别是高性能发光二极管(LED)阵列的监视设备来达到目的，该电气单元串联并且由恒定电流来驱动，该监视设备包括：
-针对每个电气单元的一个旁路装置，其在相应的电气单元断路的情况下，可用来旁路该相应的电气单元，以及
-与该电气单元阵列并联的一个求值单元，
其中，上述求值单元适合于确定该电气单元阵列的总电压以及根据总电压相对于预定义门限值的值输出一个指示该电气单元阵列的功能状态的控制信号。
根据本发明的第二个方面，还通过一种信号显示设备来达到目的，该信号显示设备包括：
-串联的发光单元特别是高性能发光二极管(LED)阵列，
-被耦合到该发光单元阵列用来驱动发光单元的恒定电流源，以及
-一种操作上与该发光单元阵列相连用于监视该发光单元阵列的监视设备，
其中，根据上述本发明的第一个方面来配置上述监视设备。
作为一种总思路，本发明利用了如下事实：假若存在用来在断路故障的情况下“模仿”一个阵列内的给定电气单元的短路故障的装置，该断路故障否则会彻底妨碍该电气单元阵列的工作，那么可以通过该阵列上的减小的总电位/电压降来检测该阵列中串联的个别电气单元的故障。
在根据本发明的监视设备的一个优选实施例中，该旁路装置包括与相应的电气单元并联的开关元件()。虽然开关元件不能实现“完全的”短路，但是它可以被容易地控制来提供压降的差值，其可以被用于检测上述电气单元阵列内的个别电气单元(例如LED)的故障。
有利地，该旁路装置包括彼此串联并且与开关元件并联的第一电阻器和第二电阻器，其中该第一电阻器和第二电阻器的节点被耦合到该开关元件的控制极。以这种方式，通过改变实际上作为电压分压器用的这两个电阻器的电阻值，可以调节激发该开关元件所需的电位降。
在根据本发明的监视设备的又一个优选实施例中，该旁路装置包括与该第二电阻器并联的电容器。这样，防止在存在寄生电压毛刺的情况下意外地激发该开关元件。
为了把彻底影响***状态的故障情况(例如会引起不可接受的亮度下降的在有十二个LED的阵列中超过两个LED发生故障)与不削弱被监视的电气单元阵列的综合可操作性的故障情况区分开，在根据本发明的监视设备的另一个实施例中，该求值单元包括一个差分放大器，该差分放大器适合于接收电气单元阵列的总电压作为输入电压以及生成一个指示该电气单元阵列的总电压的输出信号。作为补充或替代，该求值单元可包括比较器，该比较器适合于在第一输入端接收一个指示该电气单元阵列的总电压的输入信号和在第二输入端接收一个参考信号，并且适合于输出一个用作上述控制信号的二进制输出信号。用这种方式，通过调整上述差分放大器的放大和/或该参考信号的电压，提供了一种简单的方式，用来(预)定义在上述二进制输出信号的电平(高/低)发生改变之前该电气单元阵列中多少个电气单元可能由于短路或断路出现了故障。
在根据本发明的上述第二个方面的信号显示设备的另一个实施例中，上述信号显示设备还包括一个用来基于控制信号来监视阵列的功能状态的监视单元。该监视单元可以用于将阵列的当前功能状态转发给上级控制中心，例如以便关闭发光单元阵列，如果例如由于多个发光单元同时出故障造成亮度严重下降而引起综合可操作性不再得到保证，那么这是有必要的。
为了能够将根据本发明的信号显示设备用于铁路信号显示的用途，根据本发明的信号显示设备的另一个实施例，后者还包括一个操作上与发光单元阵列相连用来使由上述发光单元阵列内的发光单元所产生的电磁辐射成束、聚焦和定向的专用反射镜/透镜***。对应地并且根据本发明的第三个方面，还通过将前面所提及的信号显示设备用作铁路信号显示灯来达到本发明的目的。
基于本发明的总思想，可以实现任意数目的待监视的电气单元例如LED的串联。此外，本领域的普通技术人员将意识到，考虑到不同电气单元例如LED的特性，可以容易地对所提出的电路进行适应性修改。与电气单元的并联相比，根据本发明的该串联原则上可以实现更加容易的故障检测。
有利地，可以以与在公共支撑材料上的电气单元例如LED相集成的形式(即作为混合集成电路(混合IC))来实现所提出的监视设备和所提出的信号显示设备-或者至少其中的部分。
可以从参考附图对以下优选实施例的描述中获得本发明的其他优点和特性。上面和下面所提及的特征可以根据本发明单独使用或者结合起来使用。所提及的实施例不应该理解成穷举，而应理解成关于本发明的基本思想的例子。
附图说明
图1是根据本发明的一个铁路信号显示灯的示意框图；
图2是根据本发明的一个LED阵列和一个监视设备的详细的电路图；
图3是显示了在根据图2的电路中不同点处测得的电压和电流值的图；
图4是根据本发明的一个LED阵列和一个监视设备的详细的电路图，其中许多LED从上述阵列断开；以及
图5是显示了在根据图4的电路中不同点处测得的电压和电流值的图。
具体实施方式
以下本发明的详细描述参考了附图。相同的参考标号可以在不同的图中用来标识相同或类似的单元。
图1是根据本发明的一个用来作为铁路信号显示灯的信号显示设备1的示意框图。该信号显示设备1包括一个恒定电流源2，一个求值单元3，和一个通过导线5并联并且相应地耦合到地电位GND的高性能发光二极管(LED)阵列4。该LED阵列4在操作上与被提供用来使由阵列4中的各个LED(参见图2和图4)发射的用于信号显示用途的电磁辐射7、7’定向和/或聚焦的反射镜/透镜***6相连。导线5包括适合于将阵列4连接到电流源2或将阵列4从电流源2断开的开关装置8，其可以实现为本领域的普通技术人员所知的任何类型的由电信号控制的开关，例如电机械或微机械开关或者晶体管。
出于举例说明的目的，在图1中开关装置8被描述成在其“打开”位置。当该开关装置8关闭时，该LED阵列4由来自电流源2的恒定电流I来驱动，其在阵列4上产生总电位降(也称作总电压)UT。阵列4中的LED接下来将发射电磁辐射7，其通过反射镜/透镜***6进行处理，即(重新)定向和/或聚焦，用于信号显示的用途。根据本发明，求值单元3对总电压UT进行求值并且向耦合到求值单元3的监视单元9发布一个控制信号CS。本领域的普通技术人员将意识到，如果总电压UT的值指示阵列4中的预定数目的LED出现故障，则该监视单元9被用于生成一个附加的监视信号(未显示)，用于将LED阵列4的当前功能状态转发给上级控制中心(未显示)，其可以将该LED阵列4从该电流源2断开。
图2是根据本发明的一个LED阵列4和一个监视设备的详细的电路图。该LED阵列4包括串联的多个高性能LED 4.1-4.12，其中每个LED通常可被称作电气单元。与每个LED 4.1-4.12并联提供了一个低功率开关元件4.1a-4.12a，即可在阴极侧进行控制的单控制极开关三极管。分别与每个开关元件4.1a-4.12a并联提供了相应的彼此串行耦合的第一电阻器4.1b-4.12b和第二电阻器4.1c-4.12c。每对第一和第二电阻器的相应的节点4.1d-4.12d，即，位于相应的第一电阻器4.1b-4.12b与相关联的第二电阻器4.1c-4.12c之间的电路点，与对应的开关元件4.1a-4.12a的控制极相连。与每个第二电阻器4.1c-4.12c并联连接了电容器4.1e-4.12e。
在示出的(仿真)并且非限制性的实施例中，选择第一电阻器4.1b-4.12b具有电阻值R1＝1.5kΩ。第二电阻器4.1c-4.12c具有电阻值R2＝274Ω。LED 4.1-4.12每个都产生电压降U1＝U2＝...＝U12＝Ui＝1.9V，从而UT＝∑Ui。实际上，每个LED 4.1-4.12的电压降依赖于LED的颜色并且典型地在2.2V至4V的范围内。电容器4.1e-4.12e具有电容值C＝0.1μF。
监视设备的求值单元3与上面详细描述的LED阵列4并联。该求值单元3包括一个第一放大器3.1，其非倒相输入端(+)经由一个分别包括电阻器3.2a(100kΩ)和3.2b(10kΩ)的电压分压器3.2耦合到导线5(参见图1)。该放大器3.1的倒相输入端(-)经由一个电阻器3.3(22.1kΩ)接地GND。该第一放大器3.1的输出端经由另一个电阻器3.4(100kΩ)与倒相输入端(-)相耦合。以这种方式，该放大器3.1适合于用作差分放大器，其在它的输出端提供一个指示在该LED阵列4上的总电压UT的输出信号。除了上述第一放大器3.1之外，该求值单元还包括一个第二放大器3.5，其非倒相输入端(+)与第一放大器3.1的输出端相连，以从其接收上述输出信号。该第二放大器3.5的倒相输入端(-)经由一个电阻器3.6(1kΩ)与参考电位VREF(＝11.5V)相连。该第二放大器3.5的输出端经由一个齐纳二极管3.7与倒相输入端(-)相耦合。此外，该第二放大器3.5的输出端与一个电阻器3.8(1kΩ)相耦合，并且上述电阻器3.8的下游节点3.9经由一个二极管3.10接地。此外，经由该电阻器3.8，该第二放大器3.5的输出端与控制单元9(参见图1)相连。这样，第二放大器3.5用作一个用来比较差分放大器3.1的输出信号(指示在该LED阵列4上的总电压UT)和参考电压VREF的比较器，在它的输出端生成一个二进制输出信号，即如果与第一放大器3.1相关联的电压超过参考电压VREF，那么该二进制输出信号将是高(HIGH)。否则，第二放大器3.5的二进制输出信号将是低(LOW)。该二进制输出信号被用作监视单元9的控制信号CS。
在图2的实施例中，恒定电流源2适合于提供恒定电流I＝350mA。本领域的普通技术人员将意识到，包括在具有盒子形状外形的电流源2内的电阻器-电容器网络只是供仿真用途的需要，并且其在这里的描述中未被涉及。
现在将参考附图3来解释在图2中描绘的电路的工作。
图3示出了作为时间t(单位为毫秒)的函数的、在根据图2的电路的不同点处即图2中被注以B、I、C和D的点处测得的电压和电流值。B点的电压在图3的标有“B”的顶部面板中显示。在图3的第二个面板中(标有“I”)，显示了在I点测得的电流。图3的第三个面板(标有“C”)中描绘了在C点测得的第二放大器3.5的非倒相端(+)处的电压，并且在图3的第四个面板(标有“D”)中绘出了在D点测得的第二放大器3.5的二进制输出信号。在t＝100ms处，操作开关8以连接恒定电流源2和LED阵列4，即恒定电流I＝350mA流经每个二极管4.1-4.12，其相应地发射辐射7(参见图1)。因为所有二极管4.1-4.12都正常工作，所以在LED阵列4(B点)上的总电压基本上对应着二极管4.1-4.12的累积电压降。这样，在C点测得的信号超过参考电压VREF，并且比较器3.5的二进制输出信号为高(HIGH)，其指示LED阵列4的正常工作。
相反，如果LED 4.1-4.12(参见图2)中的至少一个存在短路，那么将导致在阵列4上的即在B点以及相应地在C点处的减小的电压UT。本领域的普通技术人员将意识到，通过修改第一放大器3.1的放大和/或参考电压VREF，可以控制LED阵列上的总电压UT的门限值，在该值处比较器3.5的输出值从高切换到低(或者相反)。在图2的实施例中，LED 4.1-4.12中的三个LED处同时短路将导致第二放大器3.5的输出端上的低(LOW)电平输出信号，其被用作给监视单元9的控制信号CS，如前面所描述的，该监视单元9将其转发给控制中心。以这种方式，在阵列4内预定义数量的LED发生故障的情况下，可以有效地关闭LED阵列4即信号显示设备1(参见图1)。另一方面，因为阵列4内多至两个LED发生故障不会在总亮度等方面削弱信号显示设备1(参见图1)的机能，那么在这种情况下求值单元3将继续提供高(HIGH)电平的二进制输出信号。
图4给出了根据本发明的一个LED阵列4和一个监视设备的详细的电路图，其中许多LED 4.1、4.2、4.3从上述阵列4断开。另外，图4内的图对应着上面所描述的图2内的图。在这种情形下，在电压降通常大于5V的情况下(可通过调节相应的第一和第二电阻器4.1b-4.12b、4.1c-4.12c来实现这种情况)，对于每个已断开的LED 4.1、4.2、4.3，分别通过并联的开关元件4.1a、4.2a、4.3a实现短路。以这种方式，开关元件4.1a-4.12a实际上用作(已断开的)LED 4.1-4.12的旁路装置。电容器4.1e-4.12e防止了在可能的电压毛刺的情况下激发开关元件4.1a-4.12a。显然，由于开关元件上的内部电压降，其可达大约为UTHY＝0.8V，相应开关元件4.1a、4.2a、4.3a没有实现“完全的”短路。然而，与LED 4.1、4.2、4.3上的电压降ULED相比的电压降差值(根据LED的颜色，每个已断开的LED即对于每个已激发的开关元件近似为ULED-UTHY＝1.4V至3.2V)足以通过求值单元3来进行安全的检测。因此，如上面参考图2所描述，LED阵列4上的总电压减小，从而超过两个LED 4.1-4.12发生断路故障将导致第二放大器3.5的低(LOW)电平二进制输出信号。再次，这个信号可用于将LED阵列4从电流源2断开，这样就有效地关闭本发明的信号显示设备1(参见图1)。
图5示出了作为时间t的函数(参见图3)的、在根据图4的电路的不同点处即图4内注明B、I、C和D点处测得的电压和电流值。当在t＝100ms时开启恒定电流I(图5中顶部开始的第二个面板，标记为“I”)，由于LED 4.1-4.3的断路，LED阵列4上的总电压UT(图5中最顶部的面板，标记为“B”)首先急剧地上升。接着，相关联的开关元件4.1a-4.3a被激发，并且阵列4上的总电压保持稳定在一个减小的值处(与在图2、3所描述的情况相比较)。相应地，该阵列4上的电位降的减小导致在C点测得的差分放大器3.1(参见图4)的减小的输出信号(图5的第三个面板，标注为“C”)。因为上述输出信号的值现在低于由参考电压VREF所定义的门限值，所以比较器3.5的二进制输出信号表现为如图5的最后一个面板(标注为“D”)所示的低(LOW)电平信号。根据本发明，这可导致通过控制中心打开开关装置8，这样就从电流源2断开LED阵列4并且有效地关闭了信号显示设备1(参见图1)。
因此，本发明提供了电路，其能够对例如由于短路和/或断路造成的个别LED的故障而引起的LED阵列故障进行容易且可靠的检测，同时在只发生小问题的情况下保证LED阵列的继续工作。

Claims (12)

1.一种用于监视串联并由恒定电流(I)来驱动的电气单元阵列(4)的监视设备，其包括：
-针对每个电气单元(4.1-4.12)的旁路装置(4.1a-4.12a)，其在所述相应的电气单元断路的情况下可用来旁路所述相应的电气单元，以及
-与所述电气单元阵列(4)并联的求值单元(3)，
其特征在于，上述求值单元(3)适合于确定所述电气单元阵列(4)的总电压(UT)以及根据总电压值(UT)相对于预定义门限值(VREF)的值输出一个指示所述电气单元阵列(4)的功能状态的控制信号(CS)。
2.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于所述电气单元阵列(4)是发光二极管(LED)阵列。
3.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于所述旁路装置包括与所述相应的电气单元(4.1-4.12)并联的开关元件(4.1a-4.12a)。
4.根据权利要求3所述的监视设备，其特征在于所述旁路装置包括彼此串联并且与所述开关元件(4.1a-4.12a)并联的第一电阻器(4.1b-4.12b)和第二电阻器(4.1c-4.12c)，其中所述第一电阻器和第二电阻器的节点(4.1d-4.12d)耦合到所述开关元件(4.1a-4.12a)的控制极。
5.根据权利要求4所述的监视设备，其特征在于所述旁路装置包括与所述第二电阻器(4.1c-4.12c)并联的电容器(4.1e-4.12e)。
6.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于所述求值单元(3)包括差分放大器(3.1)，所述差分放大器(3.1)适合于接收所述电气单元阵列(4)的总电压(UT)作为输入电压，并且生成指示所述电气单元阵列(4)的总电压(UT)的输出信号。
7.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于所述求值单元(3)包括比较器(3.5)，所述比较器(3.5)适合于在第一输入端接收指示所述电气单元阵列(4)的总电压(UT)的输入信号和在第二输入端接收参考信号(VREF)，并且输出二进制输出信号用来作为所述控制信号(CS)。
8.一种信号显示设备(1)，其包括：
-串联的发光单元阵列(4)，
-恒定电流源(2)，其被耦合到所述发光单元阵列(4)用来驱动所述发光单元(4.1-4.12)，以及
-监视设备，其操作上与所述发光单元阵列(4)相连用于监视所述发光单元阵列(4)，
其特征在于，根据权利要求1至6中的任何一项来配置所述监视设备。
9.根据权利要求8所述的信号显示设备(1)，其特征在于所述发光单元阵列(4)是发光二极管(LED)阵列。
10.根据权利要求8所述的信号显示设备(1)，其还包括用来基于所述控制信号(CS)来监视所述阵列(4)的功能状态的监视单元(9)。
11.根据权利要求8所述的信号显示设备(1)，其还包括在操作上与所述发光单元阵列(4)相连的专用反射镜/透镜***(6)。
12.一种使用信号显示设备(1)的方法，其中将根据权利要求11所述的信号显示设备(1)作为铁路信号显示灯。
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