DE10142582A1 - Leuchtmittel-Signalelement, Lichtsignalvorrichtung und Lichtsignalsystem - Google Patents

Abstract

Es wird eine Lichtsignalvorrichtung (1) bereitgestellt, bei der ein Abstand (a) von Leuchtmitteln (3) zu einem optischen Element (4) derart gewählt wird, dass eine maximale Seitenlänge (d) einer durch die Leuchtmittel (3) eingenommenen Fläche deutlich kleiner als der Abstand (a) ist. Mehrere Lichtsignalvorrichtungen (1) können zu einem Lichtsignalsystem (5) zusammengefasst werden. Durch eine geeignete elektrische Verschaltung wird erreicht, dass eine hohe Ausfallsicherheit gegeben ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel- Signalelement, und insbesondere ein Leuchtmittel- Signalelement, bei dem Lumineszenzdioden als Leuchtmittel verwendet werden, sowie eine das Leuchtmittel- Signalelement umfassende Lichtsignalvorrichtung sowie ein die Lichtsignalvorrichtung umfassendes Lichtsignalsystem.
• In vielen Bereichen werden Signalsysteme verwendet, die beispielsweise Informationen, eine Warnung oder dergleichen durch ein Leuchtsignal anzeigen. Ein typisches Beispiel hierfür ist eine Ampelanlage. Der Einsatzbereich für derartige Signalsysteme ist oftmals sicherheitsrelevant (Verkehrsregelung usw.). Daher sind für den Betrieb und die Funktionsparameter derartiger Systeme Vorschriften erlassen, die bei der Konstruktion zu beachten sind, beispielsweise minimale Lichtstärke, Ausfallsicherheit und Eindeutigkeit des anzuzeigenden Signals.
• Als Leuchtmittel kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Es können beispielsweise (nachstehend als LED bezeichnete) Lumineszenzdioden verwendet werden. Diese bieten den Vorteil, dass sie beispielsweise gegenüber Glühlampen eine sehr lange Lebensdauer aufweisen und eine geringe Einbaugröße aufweisen, so dass die Größe des Gesamtsystems nicht wesentlich durch die Größe des gewählten Leuchtmittels beeinflusst wird.
• Bisher sind verschiedene Systeme entwickelt worden, von denen zwei nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben sind.
• In Fig. 6 ist ein System gezeigt, bei dem eine Vielzahl von LED 20 gleichmäßig über annähernd die gesamte Leuchtfläche einer Signalvorrichtung auf einer Trägerplatte 21 verteilt sind. Vor jeder LED 20 ist jeweils eine als Sekundäroptik 23 dienende Linse, beispielsweise eine Sammellinse, angebracht. Ferner ist das System mit einer als Primäroptik 22 dienenden Einrichtung versehen, wie beispielsweise Streuscheiben oder Linsenanordnungen. Die Primäroptik stellt die äußere Leuchtfläche bereit.
• Mit Hilfe der Sekundäroptik wird ein möglichst großer Anteil des von dem Leuchtmittel emittierten Lichts in Nutzlicht umgewandelt. Die Primäroptik dient dazu, das von dem Leuchtmittel emittierte und von der Sekundäroptik weitergeführte Licht in geeigneter Weise zu verteilen, beispielsweise um die geforderten Werte nach DIN 67527 oder EN 12368 zu erreichen. Hierzu können auch beispielsweise transparente oder eingefärbte Streuscheiben verwendet werden.
• Weiterhin ist eine Anpassung der Signalsysteme an die von äußeren Lichtquellen (insbesondere von Sonnenlicht) stammende Phantomlichtproblematik möglich. Zu diesem Zweck ist auch die Verwendung von Lamellen- oder Wabeneinsätzen möglich. Derartige Lamellen- oder Wabeneinsätze werden meist zwischen der Primär- und der Sekundäroptik eingesetzt.
• In Fig. 7 ist ein weiteres bekanntes Signalsystem gezeigt, bei dem wenige, lichtstarke LED 20 verwendet werden, die zu einer im Verhältnis zur Leuchtfläche kleineren Einheit 24 auf einer Trägerplatte zusammengefasst sind. Die LED-Einheit 24 ist mit einer Sekundäroptik 25 versehen, die eine einzige Linse umfasst. Zum Erreichen der vorstehend genannten Wirkung kann hierbei ebenfalls eine Sammellinse oder, zur besseren Einpassung der Linse in das Gesamtkonzept, beispielsweise eine Fresnel-Linse verwendet werden. Weiterhin ist eine Primäroptik 22 vorgesehen.
• Zur Ansteuerung der Leuchtmittel durch herkömmliche Steuerungsvorrichtungen existieren verschieden Lösungen. Die Ansteuerung unterliegt in den meisten Fällen bestimmten Voraussetzungen bezüglich der Ausfallsicherheit oder der Signaleindeutigkeit. So kann ein zu einer Metallfadenlampe kompatibles Ausfallverhalten gefordert sein (beispielsweise bei Lichtsignalanlagen nach DIN VDE 0832). Das heißt, wenn die Lichtstärke des Signals durch Ausfall einer oder mehrerer LED einen bestimmten vorbestimmten Wert unterschreitet oder die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte nicht mehr gewährleistet ist, wird das gesamte LED-Signalsystem hochohmig geschaltet (unterbrochen). Dadurch wird sichergestellt, ähnlich dem Durchbrennen des Glühfadens, dass kein für die Steuerungsvorrichtung erkennbarer Strom mehr durch das Signalsystem fließt.
• Zum Erreichen des hochohmigen Zustands kann beispielsweise eine aktive Überwachung verwendet werden, die bei Fehlern hochohmig schaltet. Dazu wird die Funktion der LED durch einen Mikrocontroller oder eine andere Vergleichselektronik geprüft (beispielsweise mittels einer Stromessung des LED-Stroms oder durch optische Sensoren). Im Fehlerfall wird dann ein Sicherungselement (beispielsweise ein Halbleiterschalter oder Relais) abgeschaltet bzw. hochohmig geschaltet. Dies setzt jedoch eine Zusatzelektronik in dem Signalsystem voraus, die zusätzliche Kosten verursacht und selbst eine Fehlerquelle darstellt.
• Eine weitere Möglichkeit stellt eine passive Abschaltung des Signalsystems dar. Hierbei ist die Schaltungsanordnung der LED und der vorgeschalteten Elektronik so ausgelegt, dass bei Ausfall einer Anzahl von LED über ein tolerierbares Maß hinaus kein Strom mehr fließen kann.
• Dies wird beispielsweise erreicht, indem alle LED mit einer Stromquelle in Reihe geschaltet sind. Nach dem Ausfall einer beliebigen LED fließt dann kein Strom mehr in dem Signalsystem.
• Demgegenüber ist in dem Fall, dass die Verfügbarkeit des Signalsystems erhöht werden soll und der Ausfall mehrerer LED toleriert werden kann, eine Parallelschaltung der LED in mehrere Zweige möglich. Die Ansteuerung der Zweige einer derartigen LED-Parallelschaltung erfolgt auf zwei unterschiedliche Arten. Eine Möglichkeit ist, dass jeder Zweig seine eigene Ansteuerung/Energiequelle aufweist. Bei Ausfall eines Zweiges nimmt die Helligkeit des Signalsystems ab. Eine andere vorteilhaftere Möglichkeit ist, dass alle Zweige der LED-Parallelschaltung eine gemeinsame Ansteuerung aufweisen, beispielsweise eine Konstantstromquelle, so dass den anderen Zweigen der Strom des ausgefallenen Zweigs zugeführt wird. Dies führt aufgrund der Kennlinie von Lumineszenzdioden zu einer annähernd konstanten emittierten Lichtmenge. Allerdings ist die Lichtverteilung und/oder die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte auch von dem verwendeten optischen System abhängig.
• Auch bei Systemen, die die letztgenannte Schaltungsart verwenden, ist sicherzustellen, dass nach dem Ausfall einer bestimmten Anzahl von LED das Gesamtsystem (aktiv oder passiv) abgeschaltet wird, auch wenn LED weiterhin verfügbar sind. Dies wird entweder durch einen vorstehend genannten Mikrocontroller oder durch geeignete Dimensionierung der verwendeten Elemente gewährleistet. Wenn beispielsweise die LED in drei Zweige mit einer gemeinsamen Stromquelle aufgeteilt sind und der Gesamtstrom auf den 1,5-fachen Wert des maximal zulässigen Strom einer LED eingestellt ist, stellt sich zu Beginn etwa der halbe zulässige Strom je LED ein, nach dem Ausfall eines Zweiges fließt jeweils der 0,75-fache zulässige Strom und mit dem Ausfall einer weiteren LED überschreitet der Strom der letzten LED ihren zulässigen Maximalstrom. Dies hat zur Folge, dass diese (letzte) LED theoretisch zerstört wird, wodurch das Signalsystem hochohmig wird. In der Praxis arbeiten die LED für eine bestimmte Zeit auch mit höheren Strömen als dem spezifizierten Maximalwert.
• Bekannt sind auch Systeme, die zur Erhöhung der Verfügbarkeit mit einer Diodenmatrix arbeiten, bei der mehrere LED-Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind. Der Stromfluss wird erst unterbrochen, wenn eine der Parallelschaltungen vollständig ausgefallen/abgeschaltet ist. Bis dahin ist auch ein Ausfall von LED in anderen Parallelschaltungen möglich, ohne die Verfügbarkeit vorzeitig einzuschränken. Hierbei sind jedoch nach Flussspannung selektierte LED vorauszusetzen, damit zu Beginn eine gleichmäßige Stromverteilung innerhalb der Parallelschaltung gewährleistet ist. Weiterhin sind Beeinträchtigungen der optischen Ausgangsleistung bezüglich der Leuchtdichteverteilung zu berücksichtigen.
• Wenn bei einem Signalsystem mehrere LED-Reihenschaltungen parallel geschaltet eingesetzt werden, sind die LED einer Reihenschaltung möglichst weit über die Leuchtfläche verteilt, damit der Ausfall einer LED-Reihe bzw. LED- Kette nicht zu einer unzulässigen Darstellung eines Symbols führen kann. Ein derartiges System führt bei Ausfall einer LED-Kette jedoch immer zu wahrnehmbaren Veränderungen der Leuchtdichte.
• Bei den vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 beschriebenen Signalsystemen gemäß dem Stand der Technik können verschiedene Schwierigkeiten auftreten.
• In dem System nach Fig. 6 ist eine große Anzahl an Einzelkomponenten mit jeweils eigener Sekundäroptik eingesetzt. Bei diesen Systemen hat der Ausfall einer LED in jedem Fall immer merkliche Veränderungen der Leuchtdichte zur Folge.
• In dem System gemäß Fig. 7 sind demgegenüber alle Leuchtmittel (LED) hinter einer Linse angeordnet. Dabei ist jedoch eine annähernd parallele Lichtführung innerhalb des optischen Systems nur eingeschränkt möglich. Dadurch ist die Lichtverteilung mit größeren Streuverlusten und Einschränkungen in der Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte beaufschlagt, insbesondere bei der Betrachtung aus seitlicher Richtung. Eine Reduzierung des Phantomeffekts ist deutlich erschwert.
• Ferner können durch die Anordnung von vielen LED auf einen kleinen Raum lokal zu Temperaturerhöhungen im Bereich der LED kommen, was einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der LED hat.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Leuchtmittel-Signalelement, eine verbesserte Lichtsignalvorrichtung und ein mit zumindest einer derartigen Lichtsignalvorrichtung ausstattbares Lichtsignalsystem zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
• In einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Leuchtmittel-Signalelement bereitgestellt mit einem Grundträger und zwei oder mehr elektrischen Leuchtmitteln, die auf dem Grundträger in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Leuchtmittel auf dem Grundträger derart angeordnet sind, dass die eingenommen Fläche eine maximale Seitenlänge aufweist, und das Leuchtmittel-Signalelement in einem vorbestimmten Abstand hinter einem optischen Element angeordnet wird, wobei die maximale Seitelänge kleiner als der vorbestimmte Abstand ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Lichtsignalvorrichtung bereitgestellt mit einem vorstehend genannten Leuchtmittel-Signalelement und einem optischen Element, wobei das optische Element in einem Abstand von dem Leuchtmittel-Signalelement angebracht ist und der Abstand größer als die maximale . Seitenlänge der Leuchtmittel ist.
• Des weiteren ist erfindungsgemäß ein Lichtsignalsystem bereitgestellt mit einer Lichtsignalvorrichtung oder mehreren Lichtsignalvorrichtungen wie vorstehend genannt, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen derart in dem Lichtsignalsystem angeordnet sind, dass eine gleichförmige Lichtstrahlstrecke von den jeweiligen Leuchtmitteln zu den jeweiligen optischen Elementen vorhanden ist und die optischen Elemente in einer Ebene angeordnet sind.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Mittels des vorstehend beschriebenen Leuchtmittel- Signalelement, der vorstehend beschriebenen Lichtsignalvorrichtung und des vorstehend beschriebenen Lichtsignalsystems ist es möglich, die Redundanz von Lichtsignalen zu erhöhen und damit eine höhere Verfügbarkeit bzw. Lebensdauer zu erreichen. Das optische Erscheinungsbild des Lichtsignals verändert sich in Bezug auf seine optischen und elektrischen Eigenschaften bis zum Lebensdauerende nicht wesentlich, da der Ausfall eines Leuchtmittels für den Betrachter unmerklich ist, da weder Lichtstärke noch Lichtverteilung oder Leuchtdichte merklich verändert werden. Dieser Effekt wird um so besser, je punktförmiger die Lichtquelle bzw. je geringer die Divergenz der einzelnen Lichtquellen ist. Daher ist ein Betrieb bis zum Ausfall des letzten Leuchtmittels einer Parallelschaltung möglich, während in bisherigen Systemen aufgrund der nachlassenden Leuchtdichte bzw. der Gefahr der Symbolverwechselung früher abgeschaltet werden muss. Auch bei mehreren in Reihe angeordneten Leuchtmittel-Parallelschaltungen fällt das System erst aus, wenn bei einer der Parallelschaltungen alle Leuchtmittel ausgefallen (bzw. unterbrochen) sind.
• Als Leuchtmittel werden beispielsweise Lumineszenzdioden (LED) verwendet. Diese können mit einer geeigneten elektrischen Energiequelle in Reihe verschaltet werden, dass bei Ausfall einer LED die verbleibenden LED den Energieanteil der ausgefallenen LED übernehmen. Durch die typische Charakteristik der Strom/Lichthelligkeit- Kennlinie der LED kann so der Ausfall der einen LED in der emittierten Lichtstärke kompensiert werden. Ferner ist im Fehlerfall eine passive Abschaltung möglich, die den Anforderungen zur Überwachung durch eine Steuervorrichtung für Lichtsignalanlagen genügt. Diese Art der Beschaltung erspart jegliche mit zusätzlichen Kosten und Fehlerquellen verbundene Elektronik zur aktiven Abschaltung, ohne Nachteile in der Sicherheit der Abschaltung zu erzeugen.
• Wird die Stromquelle so ausgelegt, dass der Strom proportional zur Eingangsspannung geregelt wird, dann kann die Helligkeit des Lichtsignal durch Veränderung der Spannungshöhe angepasst werden, ohne dass ein Verlust an Sicherheit damit verbunden ist, sofern die Überwachung durch die Steuerungsvorrichtung auf den zur Mindestlichtstärke zugehörigen Strom als Grenzwert eingestellt ist.
• Durch eine Sekundäroptik, beispielsweise eine Sammellinse, die in einem vorbestimmten Abstand vor den Leuchtmitteln angeordnet ist, kann ein nahezu paralleler Lichtstrom erzeugt werden. Hierdurch kann eine gewünschte Verteilung des Lichts mit gutem Wirkungsgrad realisiert werden. Zusätzlich ist die Einbringung von phantomlichtreduzierenden Maßnahmen wie Lamellen- oder Wabeneinsätzen möglich.
• Durch Einstellung des Abstands der Sekundäroptik zu den Leuchtmitteln auf einen zehnfachen oder größeren Wert der maximalen Seitenfläche der von den Leuchtmittel beanspruchten Fläche wird erreicht, dass die LED als eine nahezu punktförmige Lichtquelle erscheinen. Hierdurch wird ein nahezu gleiches Bild von jeder LED auf der Betrachterebene hinterlassen.
• Ein Lichtsignalsystem kann vorteilhafterweise zusätzlich eine Primäroptik (Streuscheibe) umfassen, die das Licht sehr gezielt in einer gewünschten Verteilung abstrahlt, um den Wirkungsgrad zu verbessern bzw. den Phantomlichteffekt des Sonnenlicht zu begrenzen.
• Erfordert die Anzahl der benötigten Leuchtmittel die Anordnung mehrerer Lichtsignalvorrichtungen (Leuchtmittel und damit verbundene Sekundäroptiken), dann werden diese vorteilhafterweise gleichmäßig über die Leuchtfläche verteilt, um eine homogene Leuchtdichte zu erhalten. Die Leuchtelemente der einzelnen Lichtsignalvorrichtungen werden parallel und seriell verschaltet, so dass einzelne LED ausfallen können, ohne dass es zwangsläufig zu einer Abschaltung des Lichtsignalsystems kommen muss.
• Durch einen modularen Aufbau des Lichtsignalsystems ist ein vereinfachter Austausch von Modulen, beispielsweise von Leuchtmittel-Signalelementen (Grundträger mit LED), möglich. Dies ist beispielsweise von Vorteil, um das Lichtsignalsystem universeller einsetzen zu können. So kann beispielsweise eine Kombination der Leuchtmittel- Signalelemente in einem Lichtsignalsystem verändert werden, um eine andere Symboldarstellung anzuzeigen. Ebenso ist alternativ dazu ein Austausch fehlerhafter Module möglich, was die Wartung vereinfacht und so Kosten reduziert.
• Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Darstellung einer Signalvorrichtung,
• Fig. 2 eine Darstellung eines Signalsystems unter Verwendung einer Vielzahl von Signalvorrichtungen gemäß Fig. 1,
• Fig. 3 eine Draufsicht eines Signalsystems gemäß Fig. 2,
• Fig. 4 ein vorteilhaftes Schaltdiagramm für die Signalvorrichtung gemäß Fig. 1,
• Fig. 5 ein vorteilhaftes Schaltdiagramm für das Signalsystem gemäß Fig. 2,
• Fig. 6 eine Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik und
• Fig. 7 eine Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik.
• In Fig. 1 ist Ausführungsbeispiel einer Leuchtmittel- Signalvorrichtung 1 gezeigt. Diese umfasst ein Leuchtmittelelement sowie ein optisches Element.
• Gemäß Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 2 eine Grundträgerplatte. Auf der Grundträgerplatte 2 sind als Leuchtmittel verwendete LED 3 in einer Ebene befindlich angebracht. In dem gezeigten Beispiel sind drei LED in enger räumlicher Anordnung angebracht, beispielsweise an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. Die Anzahl der LED kann variiert werden. Ferner ist es möglich, die LED in anderer Form, beispielsweise in konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt herum oder einer Reihe, anzuordnen. Die Anordnungsform der LED wird vorteilhafterweise so gewählt, dass ein möglichst kleiner Durchmesser der Grundfläche der Anordnung erreicht wird.
• Des Weiteren weist die Grundträgerplatte 2 beispielsweise (nicht gezeigte) aufgedruckte Leitungen, die als Verbindung der LED 3 nach außen sowie miteinander dienen, sowie andere elektrische Elemente auf, beispielsweise Widerstände.
• Gegenüber der Leuchtfläche der LED 3 ist ein optisches Element 4 (beispielsweise eine Sammellinse) angebracht, die nachstehend als Sekundäroptik bezeichnet wird. Diese Sekundäroptik ist in einem bestimmten Abstand a zu den LED angebracht, worauf nachstehend näher eingegangen wird.
• Werden die LED 3 mit Energie versorgt, wird Licht einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Das Licht wird zu der Sekundäroptik 4 geführt, wo es in einen nahezu parallelen Lichtstrom umgewandelt wird. Durch die Anordnung und Auslegung der LED 3 ist es möglich, einen möglichst großen Anteil des emittierten Lichts in nutzbares Licht umzuwandeln. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass sich die LED bei dem Brennpunkt der Linse befinden, d. h. a ≍ f, wobei f die Brennweite der Linse ist, so dass das Licht nach Brechung durch die Linse in einem parallelen Strahlenbündel verläuft.
• Die Anordnung der LED 3 auf der Grundträgerplatte 2 ist derart ausgelegt, dass die maximale Länge d (von den Mittelpunkten der LED gemessen) der von der LED-Anordnung abgedeckten Fläche kleiner ist als die optische Entfernung a der LED 3 zu der Sekundäroptik 4. Unter der Annahme, dass die LED-Anordnung eine nahezu punktförmige Lichtquelle hinter der gemeinsamen Sammellinse darstellt, muss a >> d gelten. Hierdurch wird erreicht, dass jede LED 3 ein nahezu gleiches Bild auf der Betrachterebene hinterlässt.
• Idealerweise wird durch die Sekundäroptik 4 ein nahezu paralleler Strahlengang nach Durchgang durch die Linse erzeugt. Unter praktischen Gesichtspunkten ist eine möglichst geringe Divergenz des Strahlenbündels nach Durchgang durch die Sekundäroptik 4 anzustreben. Ein Winkel α von etwa 10° ist hierbei ein beispielhafter Wert. Hierdurch wird erreicht, dass ein Ausfall einer LED 3 keinen wesentlichen Einfluss auf die Lichtverteilung nach der Sekundäroptik 4 hat. Unter der Annahme, dass ein nahezu paralleler Strahlengang erzeugt wird und dass a >> d ist, kann das Verhältnis von maximaler Länge d zu optischer Entfernung a als d/a = tan α angenähert werden. Somit ergibt sich für d/a < 0,1, was für die Auslegung der Größenverhältnisse in der Lichtsignalvorrichtung 1 zu berücksichtigen ist.
• Der Ausfall einer LED 3 ist für den Betrachter unmerklich, sofern sichergestellt ist, dass die verbleibenden LED den Lichtverlust in ihrer Lichtleistung ausgleichen können. Dies wird beispielsweise durch eine Parallelschaltung der LED 3 erreicht, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In Fig. 4 ist die Leuchtsignalvorrichtung 1 mit mehreren parallel geschalteten LED 3 gezeigt. In Reihe zu dieser LED-Parallelschaltung ist eine Stromquelle 10 geschaltet, die einen Strom I zur Energieversorgung der LED 3 liefert. Die Stromquelle kann so ausgelegt sein, dass der Strom proportional zur Eingangsspannung geregelt wird. Die Helligkeit kann dann auch durch Veränderung der Spannungshöhe angepasst werden, ohne dass ein Verlust an Sicherheit damit verbunden ist. Die zugehörige Steuerungsvorrichtung muss lediglich auf ein Unterschreiten des zur Mindestlichtstärke zugehörigen Primärstromes reagieren.
• Bei diesem Schaltungstyp ist ein Ausfall einer LED 3 durch die verbleibenden LED bezüglich der Lichtleistung im Wesentlichen kompensierbar (Erhöhung der Redundanz). Durch geeignete Dimensionierung kann zusätzlich im Vorfeld eine Abschaltbedingung definiert werden. Das optische Erscheinungsbild des Lichtsignals ändert sich in Bezug auf seine optischen und elektrischen Eigenschaften bis zum Lebensdauerende (d. h. bis zum Unterbrechen der letzten LED) nicht wesentlich, da weder Lichtstärke noch Lichtverteilung oder Leuchtdichte sich merklich ändern.
• Die Anzahl der parallelgeschalteten LED 3 wird in der Praxis als Kompromiss zwischen Verfügbarkeit und Kosten der Vorrichtung ausgewählt. Damit ein Betrieb bis zur letzten LED möglich ist, soll der Gesamtstrom der Schaltung den zulässigen Strom einer LED nicht wesentlich überschreiten. Das heißt, je mehr LED parallel betrieben werden, desto mehr LED werden zur Erzielung des erforderlichen Lichtstroms benötigt. Dagegen wird bei einer Verringerung der Anzahl der parallel betriebenen LED die Redundanz der Anordnung verringert. Außerdem ist die Ausdehnung der LED-Anordnung ein weiterer Punkt bei der Auswahl der Anzahl der parallelgeschalteten LED. Eine große Ausdehnung d hat einen großen Abstand a zur Sekundäroptik zur Folge. Hierbei sind vorgegebene Größenwerte für die Vorrichtung zu beachten.
• Daher werden in dem Fall, dass eine zu große Anzahl von LED 3 auf einer Grundträgerplatte 2 unterzubringen wäre, mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 nebeneinander angeordnet, so dass wieder eine vollflächige Abdeckung der Leuchtfläche mit einer sehr gleichmäßigen Leuchtdichte gewährleistet ist.
• Nachstehend ist unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein Lichtsignalsystem 5 gezeigt, bei dem mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 gemäß Fig. 1 verwendet werden.
• In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine der Leuchtmittel-Signalvorrichtung mit der Grundträgerplatte 2, den LED 3 und der Sekundäroptik 4. Bezugszeichen 5 bezeichnet das gesamte Lichtsignalsystem. Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Gehäuse, in bzw. an dem die einzelnen Komponenten des Lichtsignalsystems 5 befestigt sind. Das Gehäuse besteht beispielsweise aus im Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoff und weist an geeigneten Positionen (nicht gezeigte) Unterstützungs- und Befestigungselemente auf, die zur Montage der Elemente verwendet werden. Das Lichtsignalsystems 5 kann einen Gesamtgrundträger (mehrere LED-Anordnungen auf einer gemeinsamen Platte) oder alternativ dazu einen modularen Aufbau aufweisen. Bei einem modularen Aufbau sind die Unterstützungs- und Befestigungselemente derart ausgelegt, dass ein einfacher Austausch bestimmter Komponenten möglich ist. Dies ermöglicht beispielsweise, dass die Leuchtmittel-Elemente (LED 3 und Grundträger 2) auf einfache Weise unterschiedlich angeordnet werden können, um unterschiedliche Symboldarstellungen zu erreichen. Dabei ist auch die geometrische Form der einzelnen Grundträger 2 zu beachten. Vorzugsweise ist eine lückenlose Anordnung bzw. Aneinanderreihen der Grundträger anzustreben. Dies kann beispielsweise mit einer hexagonalen Grundform erreicht werden. Ebenso kann ein beschädigtes Leuchtmittel-Element einfach ersetzt werden. Dabei wird vorteilhafterweise ein Stecksystem für die Befestigung der Komponenten in dem Gehäuse 6 verwendet, aber auch andere Befestigungsarten (Klemmen, Löten usw.) sind möglich.
• Bezugszeichen 7 bezeichnet eine (nachstehend als Primäroptik) bezeichnete optische Zusatzeinrichtung. Diese kann an der Vorderseite des Gehäuses 6 angebracht werden. Als Primäroptik 7 werden beispielsweise verschiedenartige Streuscheiben bzw. Linsensysteme zur Anpassung der Lichtverteilung an vorbestimmte Werte verwendet. Des Weiteren kann die Primäroptik 7 mit transparenten oder eingefärbten Streuscheiben ausgebildet werden.
• Bezugszeichen 8 bezeichnet eine (optionale) weitere optische Zusatzeinrichtung, die beispielsweise Lamellen- oder Wabeneinsätzen umfasst. Hiermit werden Umweltbeeinflussungen des Lichtsignalsystems 5 unterdrückt, wie beispielsweise die durch Sonnenlicht hervorgerufene Phantomlichtproblematik. Diese können auch mittels der vorstehend genannten Primäroptik 7 weiter abgeschwächt werden.
• Die Lichtsignalvorrichtungen 1 sind nebeneinander angeordnet, wobei die zugehörigen Sekundäroptiken 4 eine Ebene bilden. In dem hier gezeigten Lichtsignalsystem 5 sind ebenso die Grundträgerplatten 2 und folglich auch die LED 3 jeweils in einer Ebene angeordnet. Die Sekundäroptiken 4 und Grundträgerplatten 2 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform jeweils als eine Gesamteinheit (eine Sekundäroptikeinheit und eine Gesamtgrundträgerplatte) ausgebildet. Es sind auch weitere Anordnungsformen möglich, solange gewährleistet ist, dass das bei der Sekundäroptik ankommende Licht im Wesentlichen gleichförmig ist und die Lichtquelle punktförmig ist (a >> d). Ferner sind die jeweiligen LED- Anordnungen 3 und Sekundäroptiken 4 gleichmäßig über die Leuchtfläche des Lichtsignalsystems 5 verteilt, damit eine möglichst homogene Leuchtdichte erhalten wird.
• In Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung des Lichtsignalsystems 5 gezeigt. Die LED 3 der jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen 1 sind, wie vorstehend beschrieben, zueinander parallel geschaltet. Die jeweiligen LED-Parallelschaltungen sind zueinander in Reihe geschaltet. Weiterhin ist zu dieser Reihenschaltung eine Stromquelle 10 geschaltet, die einen Strom I zur Energieversorgung der LED 3 liefert. Durch diese Verschaltung wird eine gleichmäßige Leistungsverteilung auf alle Parallelschaltungen erzielt. Durch die passive Abschaltung ist weiterhin eine Überwachung des Gesamtsystems möglich. Das Signalsystem fällt erst aus, wenn eine Parallelschaltung vollständig ausgefallen ist. Bis zu diesem Zeitpunkt ist die Leuchtdichte homogen.
• Ein Beispiel für die Anwendung der vorstehend beschriebenen Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
• Für die Auslegung eines Lichtsignalsystems, beispielsweise für eine Ampelanlage, sind etwa 60 LED, beispielsweise des Typs OSRAM Power-TOPLED® erforderlich, um den erforderlichen Lichtstrom bereitzustellen. Bei einer einzelnen Lichtsignalvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 hätte dies zur Folge, dass die 61 LED eine Fläche von etwa 1500 mm² einnehmen, was einer maximalen Seitenlänge d > 43 mm entspricht. Da jedoch d/a < 0,1 gelten soll, ergibt sich bei einer derartigen Auslegung eine optische Entfernung a von etwa 430 mm, was in herkömmlichen Ampelanlagen nicht realisierbar ist. Daher wird auf ein Lichtsignalsystem gemäß Fig. 2 ausgewichen.
• In Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Lichtsignalsystems 5 gemäß Fig. 2 für den Anwendungsfall Ampelanlage veranschaulicht. Ein üblicher Nenndurchmesser eines Gesamtlinsenplatte einer Ampelanlage (d. h. eines sichtbaren Felds einer Ampel) ist beispielsweise 210 mm oder 300 mm. Anders ausgedrückt, der Nenndurchmesser der Primäroptik 7 gemäß den Fig. 2 und 3 wird beispielsweise auf 210 mm eingestellt. Bei einem praktischen Maß von etwa 50 mm für den Abstand a und somit etwa 5 mm für die Länge d können 19 Teillinsenanordnungen mit jeweils drei hinter den Linsen angeordneten LED ausgebildet werden. Jede Teillinse hat dann einen Durchmesser von etwa 50 mm. Die Anordnung der Teillinsen 4 der Sekundäroptik erfolgt auf die in Fig. 3 gezeigte Weise, nämlich mit einer Linse/Sekundäroptik 4 im Mittelpunkt eines durch die Primäroptik 7 gebildeten Kreises und 6 bzw. 12 darum konzentrisch angeordneten weiteren Sekundäroptiken 4. Hinter jeder Sekundäroptik 4 sind 3 entsprechend angeordnete LED 3 angebracht. Dies ergibt eine Gesamtanzahl von 57 LED, welche zum Erreichen der erforderlichen Lichtstroms als ausreichend angesehen werden.
• Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, werden die 12 äußeren Linsen 4 durch die kreisförmige Außenbahn der Primäroptik 7 beschnitten. Obwohl in Fig. 3 lediglich kreisförmige Sekundäroptik-Linsen dargestellt sind, ist es ebenso möglich, dass die Linsen der Sekundäroptik in die sich ergebenden Eckbereiche ausdehnen, so dass eine Ausleuchtung der gesamten Primäroptikscheibe 7 erfolgt.
• Durch die geringe Anzahl der LED 3 hinter jedem optischen Element (Sekundäroptik) auf einer Grundträgerplatte und der damit verbundenen geringen Länge d kann ein relativ kleiner Abstand a gewählt werden, was das Lichtsignalsystem insgesamt kompakt macht. Ferner ermöglicht die großflächige Verteilung der LED 3 sowie deren geringe Konzentration bei einer Stelle eine verbesserte Wärmeabfuhr, wodurch eine Erhöhung der Lebensdauer der einzelnen LED erreicht wird.
• Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. So ist auch ein Signalsystem möglich, bei dem lediglich eine Lichtsignalvorrichtung 1 verwendet wird und mit den genannten zusätzlichen Einrichtungen wie Primäroptik 7, Lamellen- oder Wabeneinsätzen 8 und dergleichen in einem Gehäuse 6 kombiniert wird. Mehrere derartige Einzelsysteme können dann wiederum als ein Mehrfachsystem zusammengestellt werden, wobei eine gemeinsame oder jeweils getrennte Energiequellen 10 vorgesehen sein können.
• Weiterhin können neben den vorstehend genannten LED auch andere Leuchtmittel wie Glühlampen oder dergleichen verwendet werden. Als verwendete Energiequelle kommen neben der Konstantstromquelle auch andere elektrische Energiequellen (beispielsweise eine Kombination aus Batterie und Solarzelle) in Frage, die den erforderlichen Mindeststrom gewährleisten können. Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine passive Ansteuerung der Leuchtmittel vorgesehen ist, ist auch die Verwendung einer aktiven Ansteuerung mittels eines Mikrocontrollers oder dergleichen möglich.
• Ferner ist die gegenüberliegende Anordnung von Sekundäroptik 4 und Grundträger 2 bei der Lichtsignalvorrichtung 1 nicht zwingend. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der der Grundträger 2 einen Winkel zu der Grundfläche der Sekundäroptik 4 beschreibt (beispielsweise 90°). Das emittierte Licht wird dann mittels eines entsprechend angeordneten Spiegels oder Prismas zu der Sekundäroptik reflektiert. Dies erleichtert beispielsweise den Einbau der Signalvorrichtung in bestimmten Fällen in Bezug auf bestehende Platzverhältnisse.
• Des Weiteren kann das vorstehend genannte Verhältnis d/a bei der Auslegung einer Lichtsignalvorrichtung bzw. eines Lichtsignalsystems gemäß subjektiven Anforderungen an die Erkennbarkeit bzw. Nicht-Erkennbarkeit eines LED-Ausfalls angepasst werden. Auch Anpassungen des Verhältnisses d/a an verwendete Linsen in der Sekundäroptik sind möglich.
• Wie es vorstehend beschrieben ist, wird eine Lichtsignalvorrichtung 1 bereitgestellt, bei der ein Abstand a von Leuchtmitteln 3 zu einem optischen Element 4 derart gewählt wird, dass eine maximale Seitenlänge d einer durch die Leuchtmittel 3 eingenommenen Fläche deutlich kleiner als der Abstand a ist. Mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 können zu einem Lichtsignalsystem 5 zusammengefasst werden. Durch eine geeignete elektrische Verschaltung wird erreicht, dass eine hohe Ausfallsicherheit gegeben ist.

Claims (16)

1. Leuchtmittel-Signalelement mit
einem Grundträger (2) und
zwei oder mehr elektrischen Leuchtmitteln (3), die auf dem Grundträger (1) in einer Ebene angeordnet sind,
wobei die Leuchtmittel (3) auf dem Grundträger (1) derart angeordnet sind, dass die eingenommen Fläche eine maximale Seitenlänge (d) aufweist, und das Leuchtmittel- Signalelement in einem vorbestimmten Abstand (a) hinter einem optischen Element (4) angeordnet wird, wobei die maximale Seitelänge (d) kleiner als der vorbestimmte Abstand (a) ist.

2. Leuchtmittel-Signalelement nach Anspruch 1, wobei die Leuchtmittel (3) Lumineszenzdioden sind.

3. Leuchtmittel-Signalelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei oder mehr elektrischen Leuchtmittel (3) parallel geschaltet sind.

4. Leuchtmittel-Signalelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Leuchtmittel (3) mit einer elektrischen Energiequelle (10) verbunden sind, die derart ausgelegt ist, dass der Ausgangsstrom proportional zu einer Eingangsspannung geregelt wird, damit eine Helligkeitsanpassung bei Ausfall einer der Leuchtmittel (3) bei den verbleibenden Leuchtmitteln (3) ausgeführt werden kann.

5. Lichtsignalvorrichtung (1) mit
einem Leuchtmittel-Signalelement (2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und
dem optischen Element (4),
wobei das optische Element (4) in einem Abstand (a) von dem Leuchtmittel-Signalelement (2, 3) angebracht ist und der Abstand (a) größer als die maximale Seitenlänge (d) der Leuchtmittel (3) ist.

6. Lichtsignalvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei das optische Element (4) eine Linse ist, die von den Leuchtmitteln (3) auf der einen Seite des optischen Elements (4) emittierte Lichtstrahlen in einen im Wesentlichen parallelen Lichtstrom auf der anderen Seite umwandelt.

7. Lichtsignalvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Abstand (a) im Wesentlichen das zehnfache oder mehr der Seitenlänge (d) beträgt.

8. Lichtsignalsystem (5) mit einer Lichtsignalvorrichtung (1) oder mehreren Lichtsignalvorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) derart in dem Lichtsignalsystem (5) angeordnet sind, dass eine gleichförmige Lichtstrahlstrecke von den jeweiligen Leuchtmitteln (3) zu den jeweiligen optischen Elementen (4) vorhanden ist und die optischen Elemente (4) in einer Ebene angeordnet sind.

9. Lichtsignalsystem (5) nach Anspruch 8, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) gleichmäßig in einer Ebene des Lichtsignalsystems (5) angeordnet sind, so dass eine homogene Leuchtdichte auf der Außenseite der optischen Elemente (4) erreicht wird.

10. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die elektrischen Leuchtmittel (3) der jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) parallel in Gruppen geschaltet sind und die parallelen Gruppen zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei zu der Reihenschaltung der Gruppen die elektrische Energiequelle (10) in Reihe geschaltet ist.

11. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Lichtsignalsystem (5) ein Gehäuse (6) umfasst, in dem die eine Lichtsignalvorrichtung (1) oder die zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) untergebracht sind.

12. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Lichtsignalsystem (5) eine erste optische Zusatzeinrichtung (7) umfasst, zu der die von der Außenseite des optischen Elements (4) kommenden Lichtstrahlen geführt werden, und die in der Lage ist, die von dem optischen Element (4) kommenden Lichtstrahlen in einer vorbestimmten Verteilung von dem Lichtsignalsystem (5) abzustrahlen.

13. Lichtsignalsystem (5) nach den Ansprüchen 11 und 12, wobei die erste optische Zusatzeinrichtung (7) eine an dem Gehäuse (6) befestigte Streuscheibe ist.

14. Lichtsignalsystem (5) nach Anspruch 12, wobei das Lichtsignalsystem (5) eine zwischen dem optischen Element (4) und der ersten optischen Zusatzeinrichtung (7) eingebrachte zweite optische Zusatzeinrichtung (8) umfasst, die optische Umgebungsstörungen auf das Lichtsignalsystem (5) unterdrückt.

15. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Leuchtmittel-Signalelemente (2, 3) für unterschiedliche Symboldarstellungen durch das Lichtsignalsystem (5) angeordnet sind.

16. Lichtsignalsystem (5) nach Anspruch 15, wobei die Anordnung der Leuchtmittel-Signalelemente (2, 3) für unterschiedliche Symboldarstellungen in dem Lichtsignalsystem (5) verändert wird.