DE102014119623A1

DE102014119623A1 - LED-Lichtmodul, Signalleuchte mit einem solchen Lichtmodul sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Lichtmoduls

Info

Publication number: DE102014119623A1
Application number: DE102014119623.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wenzler; Jan Depke
Original assignee: Pintsch Bamag Antriebs und Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Pintsch GmbH
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23
Also published as: EP3038433A3; RS63645B1; LT3038433T; EP3038433A2; HUE060173T2; ES2928388T3; PL3038433T3; DK3038433T3; HRP20221261T1; EP3038433B1; PT3038433T

Abstract

LED-Lichtmodul, insbesondere für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs, umfassend wenigstens einen Strang von in Reihe geschalteten LEDs (18) und Mittel (26) zur Überwachung des im Betrieb des Strangs durch den Strang fließenden Stroms und/oder der an dem Strang abfallenden Spannung sowie Mittel (14) zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters der LEDs (18) und Ausgabe eines Signals an eine übergeordnete Auswerteeinheit (16), wobei diese Mittel (14) zu einer oder mehreren LEDs (18) des Strangs parallel geschaltet sind und im Betrieb des Lichtmoduls über die Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein LED-Lichtmodul, eine Signalleuchte mit einem solchen Lichtmodul, insbesondere für den Schienen-, Wasser-, Luft- oder Straßenverkehr sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Lichtmoduls.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lichtemittierende Dioden (LEDs) finden aufgrund ihrer Eigenschaften wie niedrigem Stromverbrauch und hoher Lebensdauer immer häufiger Anwendung als Ersatz von klassischen Leuchtmitteln, und zwar auch in sicherheitsrelevanten Leuchten wie z.B. Verkehrssignalen, Begrenzungsleuchten und Fahrzeugleuchten, worunter hier Leuchten für alle Arten von Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen verstanden werden.
Bei vielen Leuchten ist eine automatisierte Überwachung des korrekten Funktionierens gewünscht oder sogar vorgeschrieben. Während bei klassischen Leuchtmitteln die Überwachung des korrekten Funktionierens meist einfach realisiert werden kann ist (in der Regel genügt es, zu überwachen, ob Strom durch das Leuchtmittel fließt oder nicht; wenn trotz angelegter Spannung kein Strom durch das Leuchtmittel fließt, kann davon ausgegangen werden, dass das Leuchtmittel defekt ist und getauscht werden muss), ist die Funktionsüberwachung bei LEDs aus verschiedenen Gründen nicht trivial. So kann es z.B. dazu kommen, dass eine LED nicht leuchtet, obwohl Strom durch sie fließt.
Der Totalausfall einer LED kann durch eine kombinierte Strom-Spannungs-Überwachung detektiert werden. Diese Überwachungsart erlaubt es jedoch nicht, eine z.B. durch Alterung der LEDs bedingte Veränderung des Lichtstromes (Degradation) zu erkennen.
Es ist bekannt, LED-Lichtmodule, d.h. Anordnungen mit üblicherweise mehreren LEDs und weiteren Elementen wie Vorschalteinheiten zum Betrieb der LEDs, mit einem Betriebszeitzähler zu versehen, der die tatsächliche Betriebsdauer der LEDs erfasst. Wird eine bestimmte Betriebsdauer erreicht, werden die LEDs ersetzt, unabhängig davon, ob das von ihnen abgegebene Licht noch zur Erfüllung der ggf. vorgeschriebenen Anforderungen ausreicht oder nicht. Dieses Vorgehen führt dazu, dass regelmäßig LEDs getauscht werden, die noch korrekt funktionieren.
Es hat sich gezeigt, dass die Alterung von LEDs nicht nur von ihrer reinen Betriebsdauer, sondern auch anderen Faktoren, insbesondere dem Betriebsstrom und der Betriebstemperatur abhängt.
Eine naheliegende Lösung des Problems der Erfassung einer alterungsbedingten Minderung der Lichtleistung ist die direkte Überwachung des im Betrieb einer LED abgegebenen Lichts mittels entsprechender Sensoren. Dazu schlägt die DE 197 54 222 eine Überwachungseinheit einer LED vor, bei der das von einer LED abgestrahlte Licht mittels eines Fotosensors gemessen wird. Unterschreitet die Helligkeit des Lichts einen bestimmten Grenzwert, wird ein Warnsignal erzeugt, dass einem Betreiber der LED anzeigt, dass die LED ersetzt werden sollte.
Die aus der DE 197 54 222 bekannte Art der Überwachung ist gerade bei sog. Streckensignalen für den Schienenverkehr mit unter Umständen sehr hohem Materialaufwand verbunden, denn die Überwachungseinheit wird mit einer eigenen Betriebsspannung versorgt, wobei die entsprechenden Kabel nicht selten über einige hundert, manchmal sogar tausend und mehr Meter von einer entsprechenden Anschlussstelle zu der Überwachungseinheit geführt werden müssen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Lichtmodul mit einer Überwachungseinheit und eine damit ausgestattete Signalleuchte anzugeben, bei der die Überwachungseinheit mit minimalem Materialaufwand und mithin besonders kostengünstig betriebsbereit gemacht werden kann.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines LED-Lichtmoduls anzugeben, das in kostensparender Weise bei gleichzeitiger Sicherstellung einer hohen Betriebssicherheit ausgeführt werden kann.
Die Aufgaben werden gelöst von einem LED-Lichtmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Signalleuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 12 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Die Erfindung hat den großen Vorteil, dass auf eine separate Stromversorgung der Überwachungseinheit verzichtet werden kann. Wird das Lichtmodul wie heutzutage üblich mit Pulsweitenmodulation des zugeführten Stroms betrieben, erlaubt es die Erfindung, den abgegebenen Lichtstrom zu überwachen und dabei auf ein aufwendiges Herausrechnen von Streulichtanteilen, die von üblichen Überwachungseinheiten miterfasst werden, zu verzichten. Diese und weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden, rein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung, die aus zwei Zeichnungsfiguren besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt stark schematisiert ein Blockdiagramm zum grundsätzlichen Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung.
2 zeigt stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der 1 ist stark schematisiert die Grundidee der Erfindung dargestellt, wonach einem Strang 10 von in Reihe geschalteten LEDs eines entsprechenden LED-Lichtmoduls, insbesondere eines Lichtmoduls für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs, in an sich bekannter Weise über eine Leitung 12 ein Strom mit einer bestimmten Spannung zugeführt und dann ein Teil des zugeführten Stroms über eine zu zumindest einigen der LEDs des Strangs parallele Schaltung zum Betrieb einer Überwachungseinheit 14 genutzt wird. Die Überwachungseinheit 14 kann bestimmte Betriebsparameter des Lichtmoduls, wie z.B. den im Betrieb durch den Strang fließenden Strom, die am Strang abfallende Spannung, die Temperatur in der Umgebung des Strangs und den von dem Strang erzeugten Lichtstrom erfassen und für diese Betriebsparameter charakteristische Werte an eine übergeordnete Auswerteeinheit 16 ausgeben.
Die Überwachungseinheit 14 wird komplett über die Stromversorgung des LED-Strangs gespeist, so dass vorteilhaft auf eine separate Stromversorgung verzichtet und damit insbesondere dann, wenn das Lichtmodul in Signalleuchten für den Schienenverkehr eingesetzt wird, teilweise ganz erhebliche Kabelmengen gespart werden können. Auch die übergeordnete Auswerteeinheit 16, die bei einer bevorzugten Ausführungsform Teil des Lichtmoduls ist, kann vorteilhaft über die Stromversorgung des LED-Strangs versorgt werden. Die dafür notwendigen modernen Komponenten, wie z.B. Temperatur- oder Fotosensor sowie Mikrocontroller, besitzen eine so geringe Stromaufnahme, dass es keine merklichen Auswirkungen auf den Lichtstrom des LED-Strangs hat, wenn über die genannte Parallelschaltung ein Teil des Stroms zur Versorgung der Einheiten 14 und 16 abgezweigt wird.
Typischerweise weist ein LED-Strang 10 der hier in Frage stehenden Art z.B. acht in Reihe geschaltete LEDs mit einer Stromaufnahme von 350 mA auf, während ein Fotosensor als Mittel zur Erfassung eines weiteren Betriebsparameters und ein entsprechender Mikrocontroller zur Auswertung des Signals des Fotosensors eine Stromaufnahme im Bereich von etwa 1 bis 2 mA haben. Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Schaltung insbesondere dann hervorragend funktioniert, wenn die Stromaufnahme der Einheiten 14 und 16 mehr als 20-mal kleiner ist als die Stromaufnahme des LED-Strangs, vorzugsweise etwa 50- bis 100-mal kleiner.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei hier zwei Betriebsparameter, davon einer redundant, erfasst und zur Überwachung und Steuerung des LED-Strangs in der erfindungsgemäßen Weise verwendet werden. Die den Einheiten der 1 entsprechenden Einheiten wurden mit den auch in 1 verwendeten Bezugszeichen versehen.
Das dargestellte Lichtmodul bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Einheit, die insbesondere in einer Signalleuchte verbaut und über eine Leitung 12 extern mit Strom versorgt werden kann. Der LED-Strang wird von einer Anzahl von in Reihe geschalteten LEDs 18, von denen hier nur einige gezeigt sind, gebildet, wobei die Zuführspannung und der Strom von einer Vorschalteinheit 20 gesteuert werden. Die Vorschalteinheit 20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso wie die Auswerteeinheit 16 Teil des Lichtmoduls, kann aber, ebenso wie die Auswerteeinheit 16, auch außerhalb des eigentlichen Lichtmoduls angeordnet werden. Auswerteeinheit 16 und Vorschalteinheit können Teil einer einzigen Steuereinheit sein.
Wie durch die Leitung 22 angedeutet, wird einer Überwachungseinheit 14 an einer ersten Stelle über eine zur Reihenschaltung der LEDs 18 parallele Schaltung Strom zugeführt, wobei die verschiedenen in der Figur symbolisch dargestellten Rechtecksignale andeuten sollen, dass der Strom pulsweitenmoduliert ist. Die Vorteile pulsweitenmodulierten Betriebs von LEDs, wie insbesondere eine stabile Einstellung des Farbortes, sind dem Fachmann bekannt, so dass darauf hier nicht weiter eingegangen werden muss.
Wie durch das entsprechende Schaltbild angedeutet, umfasst die Überwachungseinheit 14 bei diesem Ausführungsbeispiel einen Fotosensor 24, der in dem Lichtmodul angeordnet ist und einen zu dem Lichtstrom, der im Betrieb der LEDs erzeugt wird, proportionalen Wert erfasst. Bei Lichtmodulen der hier in Frage stehenden Art sind die LEDs typischerweise rotationssymmetrisch angeordnet, und das Lichtmodul ist mit einer Vorsatz- oder Streuscheibe versehen, wodurch ein Teil des abgegebenen Lichts zurückreflektiert wird, was dann von dem Fotosensor 24 erfasst werden kann.
Die Überwachungseinheit 14 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel ferner zwei Spannungsmesser 26, die zusammen mit entsprechenden Shunt-Widerständen 28 und Leitungen 30 eine indirekte Strommessung des im Betrieb durch den LED-Strang fließenden Stroms ermöglichen.
Nicht dargestellt, aber bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, ist ein Spannungsmesser, der die gesamte an dem LED-Strang abfallende Spannung misst, was insbesondere bei Lichtmodulen zum Einsatz in Signalleuchten für den Schienenverkehr nicht nur vorteilhaft, sondern sogar vorgeschrieben sein kann. Die Vorteile einer kombinierten Strom-Spannungsüberwachung bei der Überwachung von LED-Strängen sind bekannt und zum Beispiel in der EP 1 992 524 A2 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingebunden wird, offenbart.
Die von den Spannungsmessern 26 für den Ist-Strom, also den tatsächlich durch den LED-Strang fließenden Strom, repräsentativen Werte und ein zu dem im Betrieb der LEDs abgegebenen Lichtstrom proportionaler, vom Fotosensor 24 gemessener Wert werden der Auswerteeinheit 16 zugeführt, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen Mikrocontroller 32 und eine Regelung 34 umfasst, die zur Ausgabe eines Steuerwertes an die Vorschalteinheit 20 ausgebildet ist. Man beachte, dass die Auswerteeinheit 16 nicht, wie bei vormals bekannten Lichtmodulen, über eine eigene Stromversorgung verfügt, sondern vorteilhaft ebenso wie die Überwachungseinheit 14 von dem den LEDs 18 zugeführten Strom gespeist wird. Erfasst nun der Fotosensor, dass zum Beispiel aufgrund einer Degradation der LEDs 18 der im Betrieb abgegebene Lichtstrom nachlässt, kann die Auswerteeinheit 16 ein entsprechendes Steuersignal erzeugen, mittels welchem die Vorschalteinheit 20 veranlasst wird, den den LEDs zugeführten Strom so zu erhöhen, dass sich der gewünschte Lichtstrom ergibt. Mit der oben genannten Randbedingung, dass die Stromaufnahme von Überwachungseinheit 14 und Auswerteeinheit 16 deutlich kleiner ist als die Stromaufnahme der LEDs, kann die Reduzierung der Helligkeit der LEDs aufgrund der Stromabzweigung vernachlässigt werden, zumal eine solche ohnehin vom Fotosensor 24 erfasst und zu einer Nachregelung des Stroms führte. Die Auswerteeinheit 16 ist dazu ausgebildet, den dem LED-Strang zugeführten Strom in Abhängigkeit von dem sog. "weiteren Betriebsparameter", hier also dem Lichtstrom, direkt oder indirekt zu steuern, also entweder als Teil einer komplexeren Steuerschaltung direkt Einfluss auf den Strom zu nehmen oder aber mit einer gesonderten Einheit, hier der Vorschalteinheit 20 zu kommunizieren und dieser Informationen zu übermitteln, die Basis für eine Steuerung des Stroms sind, und so den Strom indirekt zu steuern.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ist-Stromerfassung zweikanalig, mithin redundant ausgebildet, so dass Fehlmessungen praktisch ausgeschlossen sind, weil der Mikrocontroller 32 so ausgebildet sein kann, dass er bei Abweichungen zwischen den beiden für den Ist-Strom repräsentativen Signalen eine entsprechende Fehlermeldung erzeugen kann, die dann in an sich bekannter Weise an eine übergeordnete Stelle, zum Beispiel eine Wartungszentrale, übermittelt werden kann.
Außer der bereits genannten Sicherstellung eines stabilen Farbortes hat der bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehene pulsweitenmodulierte Betrieb zwei wesentliche weitere Vorteile. So erübrigt sich in denjenigen Fällen, in denen die Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters einen Fotosensor wie in 2 umfassen, ein aufwändiges Herausrechnen des Streulichtanteils, da der Sensor durch die erfindungsgemäße Versorgung über den LED-Strom nur dann im Betrieb ist, wenn auch die LEDs eingeschaltet sind, wobei dann Streulichtanteile vernachlässigt werden können. Licht, das auf den Sensor fällt, wenn die LEDs zwischen zwei Strompulsen ausgeschaltet sind, wird vom Sensor nicht in die übliche Aufsummierung einbezogen, so dass in vorteilhafter Weise kostengünstige Standard-Fotosensoren, die zur Ausgabe eines Messwertes Licht über einen bestimmten Zeitraum aufsummieren, verwendet werden können.
Ein weiterer Vorteil des pulsweitenmodulierten Betriebes ist, dass die Auswerteeinheit 16 prüfen kann, ob der Fotosensor 24 oder die Spannungsmesser 26 Signale währen der Zeit zwischen zwei Strompulsen liefern, woraus dann auf eine Fehlfunktion des Fotosensors und/oder der Spannungsmesser geschlossen und in an sich bekannter Weise eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt werden kann. Damit verfügt die Auswerteeinheit 16 quasi über eine Funktion zum Testen der Mittel zur Erfassung des wenigstens einen weiteren Betriebsparameters. Es wird also geprüft, ob die von dem Strommesser und/oder dem Fotosensor ausgegebenen Signale einen Verlauf zeigen, der dem Verlauf des pulsweitenmodulierten Stroms entspricht.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich insbesondere auf die Art und die Anzahl der Mittel zur Erfassung von Betriebsparametern der LEDs beziehen. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Temperatur in der Umgebung der LEDs des Strangs zu erfassen, wobei dann mit diesem Wert über die Auswerteeinheit zum Beispiel ein Lüfter angeschaltet werden kann. Auch ein solcher Lüfter kann vorteilhaft über den Betriebsstrom der LEDs mit Strom versorgt werden, da bei typischen Anwendungsfällen der Lüfter nur eine geringe Leistung haben muss.
Die Erfindung erlaubt in besonders einfacher und kostengünstiger Weise erstmals die Realisierung einer besonders sicheren Überwachung des korrekten Funktionierens eines LED-Lichtmoduls, da drei verschiedene Überwachungsmethoden – Überwachung der am LED-Strang abfallenden Spannung, Überwachung des durch den Strang fließenden Stroms und Erfassung eines zum abgegebenen Lichtstrom proportionalen Wertes – kombiniert werden können, ohne dass es dafür eine aufwändigen gesonderten Stromversorgung bedarf.
Bezugszeichenliste

10: LED-Strang
12: Leitung
14: Überwachungseinheit
16: Auswerteeinheit
18: LEDs
20: Vorschalteinheit
22: Leitung
24: Fotosensor
26: Spannungsmesser
28: Shunt-Widerstände
30: Leitungen
32: Mikrocontroller
34: Regelung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19754222 [0007, 0008]
EP 1992524 A2 [0023]

Claims

LED-Lichtmodul, insbesondere für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs, umfassend – wenigstens einen Strang von in Reihe geschalteten LEDs und – Mittel zur Überwachung des im Betrieb des Strangs durch den Strang fließenden Stroms und/oder der an dem Strang abfallenden Spannung, dadurch gekennzeichnet, – dass Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters der LEDs und Ausgabe eines Signals an eine übergeordnete Auswerteeinheit vorgesehen sind, – wobei diese Mittel zu einer oder mehreren LEDs des Strangs parallel geschaltet sind und im Betrieb des Lichtmoduls über die Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt werden.
LED-Lichtmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters einen Sensor zur Erfassung der Temperatur in der Umgebung der LEDs umfassen.
LED-Lichtmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters einen Sensor zur Erfassung eines zu dem Betrieb des Lichtmoduls abgegebenen Lichtstrom proportionalen Wertes umfassen.
LED-Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, den dem LED-Strang zugeführten Strom in Abhängigkeit von dem weiteren Betriebsparameter direkt oder indirekt zu steuern.
LED-Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit Teil des Lichtmoduls ist und im Betrieb des Lichtmoduls ebenfalls über die Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt wird.
LED-Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit über eine Funktion zum Testen der Mittel zur Erfassung des wenigstens einen weiteren Betriebsparameters verfügt.
Verfahren zum Betreiben eines LED-Lichtmoduls, insbesondere für Signalleuchten des Straßen- und Schienenverkehrs, wobei das Lichtmodul über einen Strang von in Reihe geschalteten LEDs verfügt und der im Betrieb durch den Strang fließende Strom und/oder die an dem Strang abfallende Spannung überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, – dass wenigstens ein weiterer Betriebsparameter des Lichtmoduls erfasst und ein für den Betriebsparameter charakteristischer Wert an eine übergeordnete Auswerteeinheit ausgegeben wird und – dass zur Erfassung des wenigstens einen weiteren Betriebsparameters vorgesehene Mittel über eine Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Betriebsparameter die Temperatur in der Umgebung der LEDs und/oder ein zu dem im Betrieb des Lichtmoduls abgegebenen Lichtstrom proportionaler Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Strang im Betrieb zugeführte Strom in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Betriebsparameter gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Auswerteeinheit im Betrieb des Lichtmoduls ebenfalls über die Stromversorgung der LEDs mit Strom versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strang pulsweitenmodulierter Strom zugeführt wird und die Ausgabe der zur Erfassung des wenigstens einen weiteren Betriebsparameters vorgesehenen Mittel daraufhin geprüft wird, ob sie einen entsprechenden pulsweitenmodulierten Verlauf zeigt.
Signalleuchte, insbesondere für den Straßen- und Schienenverkehr, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein LED-Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.