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Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal mit einer LED-Lichtquelle und einer Lichtaustrittsöffnung.
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Lichtsignale sind in verschiedenen Industriebereichen und insbesondere zur Verkehrssteuerung auf Schienen-, Land- und Wasserwegen weit verbreitet.
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Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf Lichtsignale zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, ohne dass der beanspruchte Gegenstand auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
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Prinzipiell dienen Lichtsignale als Signalgeber oder Symbolanzeiger, die durch Farb- und/oder Formgebung einer Leuchtfläche, das heißt durch die Abstrahlcharakteristik, bestimmte Informationen vermitteln. Dabei handelt es sich häufig um sicherheitsrelevante Informationen, die keinesfalls optisch verfälscht oder durch Fremdlicht überblendet sein dürfen. Das unerwünschte Aufleuchten beziehungsweise Verfälschen eines Lichtpunktes durch Einfall von Umgebungslicht, zum Beispiel Sonnenlicht oder Scheinwerferlicht, wird als Phantomeffekt bezeichnet. Durch den Phantomeffekt kann es in Extremfällen zu einer falschen Anzeige infolge eines unzeitigen Aufleuchtens eines Lichtpunktes oder einer Farbverschiebung kommen. Besonders störend tritt dieser Effekt bei der Verwendung von LED-Lichtquellen auf, da LEDs durch auftreffendes Licht zum Leuchten angeregt werden können beziehungsweise bei LED-Lichtquellen häufig rückwärtige Reflektoren eingesetzt werden. Neben den bekannten Phantomerzeugern, die bei der Projektierung vorhersehbar sind, zum Beispiel tief stehende Sonne für Signale in Ost-West-Orientierung, treten auch sporadisch oder unvorhergesehen Quellen für Phantome, zum Beispiel Fahrzeug- oder Bauscheinwerfer, Reflexion an Oberflächen, zum Beispiel an verglasten Fronten oder Schneedecken, auf. Damit kann auch ein Signal, das aufgrund des Standortes phantomsicher sein sollte, phantomanfällig sein.
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Generell wird versucht, dem Phantomeffekt durch Blenden, Schuten, Vermeidung von Ost-West-Orientierung oder durch Wiederholung von kritischen Signalen zu minimieren.
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Sonneneinstrahlung, insbesondere in Verbindung mit ständiger Bestromung der LED-Lichtquelle, kann auch zu thermischer Überlastung der LED und anderer Elemente des Lichtsignals führen. Insbesondere Lichtsensoren, die häufig zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der LED-Lichtquelle eingesetzt werden, können bei sehr hoher Lichteinstrahlung leicht übersteuert werden, wodurch deren Messgenauigkeit und Lebensdauer herabgesetzt werden.
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Problematisch bei LED-Lichtquellen ist darüber hinaus die übliche Taktung, um im Nachtbetrieb die Lichtstärke gegenüber dem Tagbetrieb zu verringern, da ein Mindestwert von zum Beispiel 5 % aufgrund begrenzter Schaltgeschwindigkeit der Ansteuerung nicht unterschritten werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Lichtsignal anzugeben, bei dem eine Beeinträchtigung der Sicherheit infolge des Phantomeffektes weitgehend vermeidbar ist. Dabei ist anzustreben, die thermische Belastung der LED-Lichtquelle und die Übersteuerung von Lichtsensoren zu verringern. Eine weitere Aufgabe besteht darin, unterschiedliche Lichtstärkeanforderungen in Abhängigkeit vom Umgebungslicht, insbesondere bei Tag- und Nachtbetrieb, in einem erweiterten Einstellbereich realisieren zu können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in der Lichtaustrittsöffnung eine elektronisch steuerbare Verschlussblende angeordnet ist. Derartige Verschlussblenden, die im Bereich von Millisekunden die Lichtaustrittsöffnung schließen und öffnen können, sind für die 3D-Film- und Fernsehtechnik entwickelt worden. Durch das hohe Tastverhältnis können derartige elektronisch steuerbare Verschlussblenden in der Lichtaustrittsöffnung ohne sichtbares Lichtflackern einen Großteil des Phantomlichtes ausblenden, so dass Überblendung oder Verfälschung des zu visualisierenden Signalbegriffs weitgehend vermieden wird. Neben dem dadurch resultierenden Sicherheitsgewinn ergibt sich auch eine Verringerung der thermischen Belastung der LED-Lichtquelle und gegebenenfalls von Lichtsensoren. Kühlkörper für die Wärmeabführung sind weitgehend entbehrlich. Außerdem ermöglicht die Verschlussblende eine genauere Einstellbarkeit der umgebungslichtabhängigen Soll-Lichtstärke in einem sehr weiten Einstellbereich.
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Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die LED-Lichtquelle und die Verschlussblende synchron gepulst betreibbar sind. Dabei wird ein möglichst kleines Tastverhältnis, zum Beispiel 10 %, eingestellt. Die LED-Lichtquelle ist nur während der Öffnung der Verschlussblende bestromt und leuchtet auch nur während dieser Öffnungszeit. Einfallendes Licht kann folglich auch nur während der kurzen Öffnungszeiten der Verschlussblende reflektiert werden und zu thermischer Belastung führen. Bei einem Tastverhältnis von 10 % werden sowohl der Phantomeffekt als auch die thermische Energie durch Sonneneinstrahlung auf 10 % reduziert. Die von der LED-Lichtquelle abgestrahlte sichtbare Lichtstärke verändert sich prinzipiell nicht, wenn die LED-Lichtquelle während der Öffnung der Verschlussblende mit zehnfacher Lichtstärke betrieben wird. Dadurch bleiben die mittlere Lichtstärke und die Stromaufnahme der LED-Lichtquelle konstant.
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Die LED-Lichtquelle und die Verschlussblende können gemäß Anspruch 3 aber auch zeitversetzt zueinander gepulst betrieben werden. Durch diese zeitversetzte Ansteuerung kann das Tastverhältnis noch weiter reduziert werden. Zum Beispiel kann kurz nach der Einschaltung der LED-Lichtquelle die Verschlussblende geschlossen werden, wodurch der Lichtstrom unterbrochen wird. Auf diese Weise kann die Nachtlichtstärke weiter herabgesetzt werden. Die Ansteuerung kann trotzdem langsamer, das heißt mit größeren Taktzeiten erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist die in Anspruch 4 gekennzeichnete Ausführungsform, bei der die LED-Lichtquelle bei geschlossenem Zustand der Verschlussblende separat und damit unabhängig von der Verschlussblende ansteuerbar ist. Auf diese Weise kann die LED-Funktion überwacht werden, ohne dass Sonnenlicht oder anderes Fremdlicht mitgemessen wird. Dazu genügt eine gelegentliche, kurzzeitige Bestromung der LED-Lichtquelle. Diese Überwachungsbestromung ist insbesondere bei synchronem Betrieb der LED-Lichtquelle und der Verschlussblende gemäß Anspruch 2 vorteilhaft. Bei zeitversetztem Betrieb gemäß Anspruch 3 kann die LED-Überwachung auch in der Überlappungszeit erfolgen, das heißt, wenn die LED-Lichtquelle leuchtet und die Verschlussblende bereits oder noch geschlossen ist.
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Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die Verschlussblende bei abgeschalteter LED-Lichtquelle geschlossen wird oder bleibt. Auf diese Weise werden unnötige Phantomgefahr und unnötige thermische Belastung des Lichtsignals vermieden.
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Vorzugsweise ist die Verschlussblende gemäß Anspruch 6 in einer Schräglage zur optischen Achse der LED-Lichtquelle angeordnet. Diese Schräglage kann beispielsweise 45° betragen, wodurch sichergestellt ist, dass an der Oberfläche der Verschlussblende, insbesondere bei deren geschlossenem Zustand, reflektiertes Licht nicht einen Signalbegriff simulieren kann und stattdessen in einen optischen Sumpf abgelenkt wird.
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Gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, dass mindestens ein Lichtsensor innerhalb und/oder außerhalb des Lichtsignals angeordnet ist. Mit dieser Lichtsensorik kann neben der Ist-Lichtstärke der LED-Lichtquelle auch die ordnungsgemäße Funktion der Verschlussblende überwacht werden.
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Gemäß Anspruch 8 ist ein Mikroprozessor zur Ansteuerung und/oder Überwachung der Verschlussblende und/oder der LED-Lichtquelle und/oder mindestens eines Lichtsensors vorgesehen. Vorzugsweise wird der Mikroprozessor sowohl zur Ansteuerung als auch zur Überwachung der Verschlussblende, der LED-Lichtquelle sowie mindestens eines Außensensors und mindestens eines Innensensors verwendet, wobei folgende Betriebsarten wählbar sind.
- 1. Ansteuerung der Verschlussblende,
- 2. synchrone Ansteuerung der LED-Lichtquelle und der Verschlussblende,
- 3. zeitversetzte Ansteuerung der LED-Lichtquelle und der Verschlussblende.
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Bei den Betriebsarten 2. und 3. ist die LED-Lichtquelle darüber hinaus bei geschlossenem Zustand der Verschlussblende mittels des Mikroprozessors ansteuerbar, um die Ist-Lichtstärke ohne Fremdlichteinfall messen zu können. Darüber hinaus ist der Mikroprozessor in der Lage, die LED-Lichtquelle bedarfsweise komplett abzuschalten und gleichzeitig die Verschlussblende zu schließen. Die Ausgangssignale der Lichtsensoren werden von dem Mikroprozessor ausgewertet und an eine zentrale Überwachungsinstanz, beispielsweise ein Stellwerk, von dem auch die Betriebsarten sowie die unterschiedlichen Tastverhältnisse für unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen, vorgegeben werden, weitergeleitet.
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Weitere Fortschritte bei der Technik von Hochleistungs-LEDs und weitere Reduzierung der Schaltzeiten elektronisch steuerbarer Verschlussblenden ermöglichen eine noch weitere Reduzierung des Tastverhältnisses. Dabei wird eine Verminderung der Dämpfung beziehungsweise eine Erhöhung des Transmissionsfaktors der elektronisch steuerbaren Verschlussblende auch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führen.
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Prinzipiell sind die Vorteile durch den Einsatz der Verschlussblende bei LED-Lichtquellen, die mit einer oder mehreren LEDs bestückt sind und mit oder ohne optischem Konzentrator, das heißt Lichtbündelung mittels Linsenoptik, ausgestattet sind, erreichbar, wenn auch in unterschiedlicher Ausprägung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 wesentliche Komponenten eines Lichtsignals und
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2 eine Überwachungseinrichtung.
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1 veranschaulicht schematisch das Zusammenwirken der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Lichtsignals. Das Licht einer LED-Lichtquelle 1 wird mittels einer Linsenoptik 2 in Richtung einer Lichtaustrittsöffnung 3 gelenkt. In der Lichtaustrittsöffnung 3 ist in einem Winkel zur optischen Achse 4 des Systems LED-Lichtquelle/Linsenoptik 1/2 eine elektronisch steuerbare Verschlussblende 5 angeordnet.
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Die Schräglage der Verschlussblende 5 bewirkt, dass Sonnenlicht oder sonstiges Fremdlicht bei geschlossener Verschlussblende 5 in einen optischen Sumpf 6 abgelenkt wird. Die LED-Lichtquelle 1, die Verschlussblende 5 und ein Lichtsensor 7 werden von einem Mikroprozessor 8 angesteuert und überwacht.
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Der Mikroprozessor 8 steuert die LED-Lichtquelle 1 und die Verschlussblende 5 synchron oder zeitversetzt zueinander derart an, dass ein bestimmtes Tastverhältnis resultiert und nur bei gleichzeitiger LED-Bestromung und geöffneter Verschlussblende 5 Licht zur Lichtaustrittsöffnung 3 emittiert wird.
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Nur während dieser sehr kurzen Zeiträume kann auch Fremdlicht in das Lichtsignal eindringen und Blendeffekte sowie thermische Aufheizung hervorrufen. Während der Dunkelzeiten dazwischen können diese störenden Effekte nicht auftreten. Hochleistungs-LEDs können durch entsprechend erhöhte Lichtstärke während ihrer Bestromungsphase die Dunkelphasen wieder ausgleichen, so dass die Gesamthelligkeit des Lichtsignals im Wesentlichen der eines herkömmlichen Lichtsignals ohne Verschlussblende 5 entspricht, wobei auch die Stromaufnahme ungefähr konstant bleibt. Dabei kann der Mikroprozessor 8 das Tastverhältnis der Verschlussblende 5 und der LED-Lichtquelle 1 in Abhängigkeit vom Umgebungslicht sehr feinfühlig und bis zu sehr hohen Tastverhältnissen, das heißt sehr dunklem Signallicht steuern. Das Umgebungslicht kann dabei mit mindestens einem nicht dargestellten externen Lichtsensor gemessen werden oder als Mittelwert eines Tag-Nacht-Rhythmusses vorgegeben werden. Die Verschlussblende 5 bietet außerdem den Vorteil, bei geschlossenem Zustand eine sehr genaue Messung des LED-Lichtes mittels des internen Lichtsensors 7 zu ermöglichen. Dazu wird die LED-Lichtquelle 1 während der eigentlichen Dunkelphase von dem Mikroprozessore 8 kurzzeitig eingeschaltet. Da kein Sonnenlicht stört, dessen Lichtstärke durchaus eintausend Mal höher sein kann als die Lichtstärke der LED-Lichtquelle 1, werden die Lichtsensormessungen ganz erheblich genauer oder unter Umständen überhaupt erst möglich.
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2 zeigt das Grundprinzip für eine Funktionsüberwachung der Verschlussblende 5. Dazu ist eine Prüf-LED 9 vorgesehen, deren Licht nur bei geschlossener Verschlussblende 5 von dieser reflektiert wird, wobei das reflektierte Licht von einem Lichtsensor 7.1 gemessen wird. Das Ausgangssignal des Lichtsensors 7.1 wird dem Mikroprozessor 8 zugeführt, welcher anhand des aktuellen Tastverhältnisses einen Soll-Lichtverlauf des von dem Lichtsensor 7.1 gemessenen Prüflichtes ermittelt und diesen mit dem Ist-Lichtverlauf vergleicht. Fehler in der Tastung oder ein Funktionsausfall der Verschlussblende 5 können auf diese Weise leicht erkannt werden.
