DE102010026012A1

DE102010026012A1 - LED-Lichtsignal

Info

Publication number: DE102010026012A1
Application number: DE102010026012A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Berg Eike; Dipl.-Ing. Eckl Rolf; Dipl.-Ing. Pöpplow Norbert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US8933814B2; EP2589264B1; EP2589264A1; RU2013103704A; CN102960061A; RU2578199C2; WO2012000762A1; CA2803968A1; HRP20180603T1; US20130099933A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED-Lichtsignal, insbesondere LED-Eisenbahnlichtsignal, mit einem Signalgeber (1) zur Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte, wobei die LEDs als Mehrfarb-LEDs, insbesondere RGB-LEDs (10) – Rot (11)/Gelb (12)/Blau (13)-LEDs –, ausgebildet sind. Um die Möglichkeiten zur Farbmischung und damit zur Realisierung einer großen Anzahl von Farbvarianten für sicherheitsrelevante Signaltechnik nutzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Signalgeber (1) mindestens einen optischen Sensor (15, 15.1, 15.2) zur signaltechnisch sicheren Überwachung des Farbortes und der Lichtstärke aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Lichtsignal, insbesondere LED-Eisenbahnlichtsignal, mit einem Signalgeber zur Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte, wobei die LEDs als Mehrfarb-LEDs, insbesondere RGB-LEDs – Rot/Gelb/Blau-LEDs –, ausgebildet sind.
Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf Leuchtzeichen oder Lichtsignale 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 SIL0 – 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 einen 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. Eine Adaption auf Signalgeber ist jedoch problematisch, da wegen der sicherheitsrelevanten Bedeutung der Lichtsignale, insbesondere im Eisenbahnbetrieb, eine signaltechnisch sichere Überwachung sowohl der Lichtstärke als auch des Farbortes erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrfarbiges LED-Lichtsignal anzugeben, das hohen Sicherheitsanforderungen genügt, wobei auch Mischfarben signaltechnisch sicher realisierbar sein sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Signalgeber mindestens einen optischen Sensor zur signaltechnisch sicheren Überwachung des Farbortes und der Lichtstärke aufweist.
Erst durch die sichere Erfassung der optischen Parameter 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 Trennung der Ansteuerung zur Erzeugung des geforderten Farbortes und der sicheren optischen Überwachung des tatsächlich emittierten Lichts. Dadurch ergibt sich ein zweikanaliges sicheres System, wobei die Ansteuerung üblicherweise nicht sicherheitsrelevant erfolgen kann, 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.
Gemäß Anspruch 2 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 3 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 4 über einen Sensorverstärker und einen A/D-Wandler mit einer 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 2 als auch breitbandige Sensoren gemäß Anspruch 3 vorteilhaft verwenden.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung ein von Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, abhängiges Rückmeldesignal erzeugt und an ein Stellwerk weiterleitet, wobei stellwerkseitig ein Ansteuersignal zur Beaufschlagung des Signalgebers erzeugt wird und Mittel zum Vergleich des Rückmeldesignals mit dem Ansteuersignal vorgesehen 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 6 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 wesentliche Baugruppen eines erfindungsgemäßen LED-Lichtsignals,
2 eine erste Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung gemäß 1,
3 eine zweite Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung gemäß 1,
4 eine dritte Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung gemäß 1,
5 eine vierte Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung gemäß 1,
6 eine fünfte Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung gemäß 1 und
7 ein Berechnungsschema bezüglich des Soll-Sensorsignals für eine Überwachungseinrichtung gemäß 6.
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.
2 zeigt eine Ausführungsform der Überwachungseinrichtung 4 mit einem optischen Sensor 15.1, der farbspezifische, d. h. spektral schmalbandige, Einzelsensoren 19 für rot, 20 für gelb und 21 für blau beinhaltet. Die drei Ausgangssignale dieses Mehrfarbsensors 15.1 werden in einem dreikanaligen Sensorverstärker 16.1 derart abgeglichen, dass aus den Signalen des Mehrfarbsensors 15.1 ein direkter Rückschluss auf die jeweiligen Farbanteile der drei Kanäle möglich ist. Die Abgleichwerte folgen aus den Eigenschaften des Mehrfarbsensors 15.1 und sind vorzugsweise in einem Controller der Auswerteeinrichtung 17 gespeichert. Wenn die Auswerteeinrichtung 17 mit Umgebungssensoren 22, beispielsweise Temperatursensoren 18, beschaltet ist, kann das Abgleichsignal 23 zusätzlich das von Umgebungsbedingungen abhängige Verhalten des Mehrfarbsensors 15.1 berücksichtigen.
3 zeigt eine Variante der Überwachungseinrichtung 4 gemäß 2, bei der der Empfindlichkeitsabgleich nicht im Sensorverstärker 16.1, sondern in der Auswerteeinrichtung 17.1 stattfindet. Der Aufbau des Sensorverstärkers 16 kann dadurch vereinfacht werden, während durch höhere Dynamik der Eingangswerte der Auswerteeinrichtung 17.1 jedoch die Anforderungen an dessen vorgeschalteten A/D-Wandler steigen.
4 veranschaulicht eine weitere Variante für eine Überwachungseinrichtung 4 gemäß 1. Zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß 2 erfolgt hier eine Verknüpfung des Messsignals mit dem von der Ansteuereinrichtung 7 abgezweigten Soll-Signal 8 Dadurch ist in der Auswerteeinrichtung 17 eine Berechnung des zu erwartenden Signals des optischen Mehrfarbsensors 15.1 möglich. Die Faktoren für die Berechnung ergeben sich aus den spektralen Empfindlichkeiten des Mehrfarbsensors 15.1, d. h. aus sensorspezifischen Eigenschaften und dem aus dem Soll-Signal 8 abgeleiteten Schaltzustand des Signalgebers 1. Auf diese Weise kann die Umrechnung des Sensorsignals in eine Farbinformation entfallen.
Diese Überwachungsvariante mit Soll/Ist-Vergleich ist in 4 für eine Sensorverstärker/Auswerteeinrichtung-Baugruppe 16.1/17 nach 2 und in 5 für eine Sensorverstärker/Auswerteeinrichtung-Baugruppe 16/17.1 nach 3 dargestellt.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform der Überwachungseinrichtung 4 ist anstelle des Mehrfarbsensors 15.1 ein Breitspektrumsensor 15.2 vorgesehen. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal, welches einem einkanaligen Sensorverstärker 16.2 zugeführt ist. Wie bei den Ausführungsformen der 4 und 5 berechnet die Auswerteeinrichtung 17 aus dem Soll-Signal 8 und der spektralen Empfindlichkeit des Breitspektrumsensors 15.2 ein erwartetes Sensorsignal. Dieses erwartete Signal wird mit dem erfassten Signal des Breitspektrumsensors 15.2 verglichen. Eine Abweichung zwischen Soll- und Ist-Signal wird in einem Voter 24 bewertet und der Rückmeldung 5 an das Stellwerk 2 zugeführt.
7 zeigt das Prinzip für die Berechnung des Soll-Signals 8 für den Breitspektrumsensor 15.2. Die Ansteuereinrichtung 7 erzeugt für die Farben rot rt, gelb ge und blau bl PWM-Signale mit unterschiedlich langen Hell- und Dunkelphasen innerhalb einer konstanten Periodendauer t. Die Periodendauer t liegt dabei unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Durch zeitlich hoch aufgelöste Abtastung des gemessenen Sensorsignals in Kombination mit synchroner Erfassung des Soll-Signals 8 ist eine ausgefallene oder geschwächte Farbe bzw. LED erkennbar. Bei dem Beispiel gemäß 7 müssen sich bei der Überwachung ebenfalls die dargestellten Mischfarben für rot rt, gelb ge und blau bl als Summation der jeweiligen Hellphasen der einzelnen Farben innerhalb der Periodendauer t ergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Cenelec-Norm EN50129 [0005]

Claims

LED-Lichtsignal, insbesondere LED-Eisenbahnlichtsignal, mit einem Signalgeber (1) zur Erzeugung verschiedenfarbiger Lichtpunkte, wobei die LEDs als Mehrfarb-LEDs, insbesondere RGB-LEDs (10) – Rot (11)/Gelb (12)/Blau (13)-LEDs –, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (1) mindestens einen optischen Sensor (15, 15.1, 15.2) zur signaltechnisch sicheren Überwachung des Farbortes und der Lichtstärke aufweist.
LED-Lichtsignal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15.1) mehrere farbspezifische Einzelsensoren (19, 20, 21) aufweist.
LED-Lichtsignal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Breitspektrumsensor (15.2) ausgebildet ist.
LED-Lichtsignal nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15, 15.1, 15.2) über einen Sensorverstärker (16, 16.1, 16.2) und einen A/D-Wandler mit einer digitalen Auswerteeinrichtung (17, 17.1) zur Ermittlung des Ist-Farbortes und der Ist-Lichtstärke verbunden ist.
LED-Lichtsignal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17, 17.1) ein von Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, abhängiges Rückmeldesignal (5) erzeugt und an ein Stellwerk (2) weiterleitet, wobei stellwerkseitig ein Ansteuersignal (3) zur Beaufschlagung des Signalgebers (1) erzeugt wird und Mittel zum Vergleich des Rückmeldesignals (5) mit dem Ansteuersignal (3) vorgesehen sind.
LED-Lichtsignal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17, 17.1) Mittel zum Vergleich des Ist-Farbortes und/oder der Ist-Lichtstärke mit einem Soll-Farbort und/oder einer Soll-Lichtstärke aufweist, wobei Abweichungen, die einen Schwellwert überschreiten, eine eigensichere Reaktion auslösen.