DE19910142A1 - Schaltung zum Betreiben eines LED-Lichtzeichens - Google Patents

Abstract

Bei einem LED-Lichtzeichen sind jeweils eine oder mehrere Leuchtdioden (D1 bis D3) über einen elektronischen Schalter (T) auf eine Gleichstromversorgungsquelle aufschaltbar. Mehrere dieser elektronischen Schalter zum An- und Abschalten zugehöriger Leuchtdioden sind mit ihren Steuereingängen untereinander verbunden. Dadurch gleichen sich die Steuerströme der elektronischen Schalter im störungsfreien Zustand der Leuchtdioden aneinander an. Für den Fall, daß einzelne Leuchtdioden störungsbedingt einen Kurzschluß bilden, regelt der zugehörige Schalter den über die noch verbliebenen Leuchtdioden fließenden Strom herunter; im Falle des Hochohmigwerdens sorgt er dafür, daß die Steuerspannung für die Transistoren der von der Störung nicht direkt betroffenen Leuchtdiodenstränge aufrechterhalten wird. Durch das gegenseitige Festhalten der Steuerspannungen wird ein selbsttätig ablaufender Regelprozeß in Gang gesetzt, der zu einer weitgehend homogenen Ausleuchtung des Lichtzeichens bei annähernd konstanter Stromaufnahme führt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1. Eine solche Schaltung ist aus der WO 95/12512 bekannt.

In der Eisenbahnsignaltechnik werden zunehmend Lichtsignale verwendet, die anstelle herkömmlicher Signallampen eine Viel­ zahl von über die Sichtfläche des Lichtsignals verteilt ange­ ordneten Leuchtdioden aufweisen. Diese Leuchtdioden sind so ausgebildet, daß sie in angeschaltetem Zustand Strahlung in der Wellenlänge des darzustellenden Signalbegriffes abgeben; sie benötigen deshalb keine die Lichtmenge vermindernden Farbfilter wie sie bei Lichtsignalen mit herkömmlichen Si­ gnallampen benötigt werden. Mit Leuchtdioden bestückte Licht­ signale sind darüber hinaus auch weitgehend phantomfrei. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Verwendung von Leucht­ dioden bei Lichtsignalen ist, daß ihre Lebensdauer die her­ kömmlicher Signallampen um ein Vielfaches übersteigt, d. h. LED-Lichtzeichen sind weitgehend wartungsfrei. Diese Eigen­ schaften zusammen mit dem Umstand, daß die Leuchtdioden eines LED-Lichtzeichens insgesamt deutlich weniger Energie benöti­ gen als Lichtsignale mit Signallampen, machen die Anwendung von LED-Lichtzeichen insbesondere dort interessant, wo Licht­ signale auf freier Strecke stehen und wo nur wenig Energie zu ihrer Speisung zur Verfügung steht.

Trotz der erreichbaren hohen Lebensdauer kann es natürlich vorkommen, daß einzelne Leuchtdioden mit der Zeit ausfallen, wobei sie entweder hochohmig oder niederohmig werden. Solche Veränderungen sollen nach Möglichkeit ohne Einfluß auf das jeweils darzustellende Signalbild sein, das heißt, ein nicht auszuschließender Defekt ist auf diejenige Leuchtdiode oder diejenigen Leuchtdioden zu beschränken, die von der Störung direkt betroffen sind. Insbesondere soll vermieden werden, daß es beim Kurzschluß einer Leuchtdiode in einem Leucht­ diodenstrang mit mehreren in Reihe geschalteten Leuchtdioden zu einem deutlichen Stromanstieg in dem betreffenden Leucht­ diodenstrang kommt, was zu einer unerwünscht höheren Stromentnahme aus der Versorgungsquelle führen würde oder daß der Kurzschluß einer oder mehrerer Leuchtdioden eines Leucht­ diodenstranges dazu führt, daß die Leuchtdioden der übrigen Leuchtdiodenstränge ebenfalls kurzgeschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 so auszugestalten, daß zum einen ein hoher Wirkungsgrad der für die Beleuchtung der Sichtflä­ che eines Lichtzeichens verwendeten Leuchtdioden erreichbar wird, d. h. mit wenig Energie eine maximale Leuchtdichte er­ reicht wird, und zum anderen, daß sich auch bei einem Leucht­ diodenfehler die Stromaufnahme der Leuchtdioden des Lichtzei­ chens, wenn überhaupt, dann nur marginal verändert, so daß auch im Störfall die Versorgungsquelle nicht über Gebühr be­ lastet wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1. Durch das selbständige Einstellen eines ge­ meinsamen Bezugspunktes für die Steuereingänge vorzugsweise aller elektronischen Steller wird erreicht, daß sich die ein­ zelnen Leuchtdiodenstränge untereinander auf gleiches Strom­ niveau regeln, unabhängig davon, ob einzelne Leuchtdioden ausgefallen sind oder nicht. Die Stromerhöhung, die sich beim Kurzschluß einzelner Leuchtdioden in einem von den übrigen Strängen isolierten Strang einstellen würde, wird erfindungs­ gemäß von auf dem Bezugspunkt gehaltenen elektronischen Reg­ lern ausgeglichen. Damit bleiben die Strangströme auch im Störungsfall nahezu konstant, und die Dioden der gemeinsamen gesteuerten Leuchtdiodenstränge leuchten mit gleicher Hellig­ keit weiter.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 den Aufbau eines Leuchtdiodenstranges und in

Fig. 2 den Aufbau eines segmentierten LED-Lichtzeichens aus einer Vielzahl von Leuchtdiodensträngen gemäß Fig. 1.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten einzelnen Leuchtdiodenstrang S gibt es drei Leuchtdioden D1 bis D3, die miteinander in Reihe geschaltet an einer Versorgungsgleichspannung liegen. Der über die Dioden fließende Speisestrom wird dabei von ei­ nem Transistor T eingestellt, der im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als npn-Transistor ausgebildet ist. Der Kollek­ tor dieses Transistors ist über die in Reihe geschalteten Leuchtdioden mit dem Pluspol und der Emitter über einen nie­ derohmigen Emitterwiderstand RE mit dem Minuspol der Versor­ gungsgleichspannung verbunden. Die Basis des Transistors T ist über einen hochohmigen Basiswiderstand RB mit dem Pluspol der Versorgungsgleichspannung verbunden. Bei anliegender Ver­ sorgungsgleichspannung ist der Transistor T niederohmig und über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors fließt ein Strom, der die Leuchtdioden D1 bis D3 zum Aufleuchten bringt. Über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors und über den niederohmigen Emitterwiderstand entsteht ein nur sehr ge­ ringer Spannungsabfall. Bei der Energiebetrachtung kann die­ ser gegenüber dem Spannungsabfall an den Leuchtdioden ver­ nachlässigt werden, d.g., nahezu die gesamte Versorgungsspan­ nung fällt an den Leuchtdioden ab und der Energieaufwand für die Stromregelung fällt dabei nicht ins Gewicht. Die Höhe des über die Leuchtdioden fließenden Stromes ist im wesentlichen abhängig von der anliegenden Versorgungsgleichspannung und den Leuchtdiodenkennlinien.

Fällt bei dem in Fig. 1 dargestellten Diodenstrang eine Leuchtdiode durch Kurzschluß aus, so steigt der Strangstrom entsprechend an und baut am Emitterwiderstand RE einen ent­ sprechend höheren Spannungsabfall auf. Dadurch verringert sich die Basisspannung des Transistors in Richtung auf posi­ tivere Werte und der Transistor, der annahmegemäß zuvor be­ reits voll durchgesteuert war, bleibt durchgesteuert; die noch funktionsfähigen Leuchtdioden des Stranges leuchten hel­ ler als zuvor. Wird dagegen eine der Leuchtdioden des darge­ stellten Leuchtdiodenstranges hochohmig (Ri = ∞), so verrin­ gert sich der Strangstrom bis auf den Wert null. Dabei ver­ ringert sich auch der am Emitterwiderstand RE entstehende Spannungsabfall entsprechend, und das an der Basis des Tran­ sistors T anliegende Steuerpotential wird negativer. Der Transistor bleibt zwar niederohmig; die noch funktionsfähigen Leuchtdioden leuchten aber nicht mehr, weil die Versorgungs­ spannung nahezu vollständig an der defekten Leuchtdiode ab­ fällt.

Während das Verlöschen der mit einer defekten hochohmigen Leuchtdiode in Reihe geschalteten Leuchtdioden eines Leucht­ diodenstranges hingenommen werden muß, läßt sich die Stromer­ höhung in einem Leuchtdiodenstrang als Folge einer defekten niederohmigen Leuchtdiode ausregeln. Hierzu kann im Prinzip jede beliebige Stromregelschaltung verwendet werde.

Im nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Wir­ kungsweise der in der erfindungsgemäßen Schaltung enthaltenen Stromregelung näher erläutert.

In Fig. 2 werden für die Beleuchtung eines vorzugsweise ein­ farbigen Verkehrslichtzeichens insgesamt 60 Leuchtdioden ver­ wendet, die auf vier Segmente der Bildfläche verteilt ange­ ordnet sind und in angeschaltetem Zustand alle in der glei­ chen Farbe leuchten sollen. Jeweils drei Leuchtdioden bilden einen Leuchtdiodenstrang, je fünf Leuchtdiodenstränge eine Leuchtdiodenanordnung zur Beleuchtung eines Lichtzeichen- Segmentes. Die Steuerelemente der Dioden sind im Betriebsfall sehr niederohmig, vgl. Beschreibung zur Fig. 1; ihr Energie­ verbrauch gegenüber dem der Dioden ist vernachlässigbar. Der über die Leuchtdioden fließende Strom und damit die Hellig­ keit der angeschalteten Leuchtdioden wird dabei im wesentli­ chen durch die Schaltungsanordnung und die Kennlinien der Dioden bestimmt.

Die Basen der einzelnen Transistoren zum individuellen Spei­ sen der einzelnen Diodenstränge sind erfindungsgemäß unter­ einander und mit einem gemeinsamen Basiswiderstand verbunden. Dies hat zur Folge, daß die Transistorbasen auf einem gemein­ samen Potential liegen, das mittelbar über die in den einzel­ nen Leuchtdiodensträngen fließenden Strangströme (konkret über die dabei fließenden Basisströme) auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Der Basiswiderstand RB ist für die Schal­ tung so dimensioniert, daß im Betriebsfall sein Strom etwa dem eines Leuchtdiodenstranges entspricht. Die Regeltransi­ storen sind für solch einen im Fehlerfall fließenden hohen Basisstrom ausgelegt. Im normalen Betriebsfall fließt der Re­ gelstrom gleichmäßig verteilt über alle Basen der Regeltran­ sistoren. Wird eine Diode in einem Strang niederohmig, ver­ ringert sich der Basisstrom in diesem Strang so, daß nur noch ein Strom in Höhe der zugehörigen Stromverstärkung fließt. Der Transistor regelt den fehlenden Spannungsabfall aus. Wird eine Diode hochohmig, so fließt durch die Basis des Transi­ stors für diesen Strang der höchstmögliche Strom und über die Basen der Transistoren in den noch funktionsfähigen Strängen fließen nur noch Ströme in Höhe der zugehörigen Stromverstär­ kung. Die Leuchtdioden in den von der Störung nicht direkt betroffenen Strängen leuchten dann geringfügig weniger hell als zuvor. Dies ist für einen Beobachter aber kaum wahrnehm­ bar. Erst wenn eine Diode in einem weiteren Strang hochohmig wird, bricht die Steuerspannung so zusammen, daß eine deutli­ che Verringerung der Helligkeit in den noch funktionsfähigen Strängen zu bemerken ist. Der Grund für dieses Funktionsver­ halten liegt daran, daß aus Gründen des Wirkungsgrades der Basiswiderstand RB relativ hochohmig im Bereich einiger kfl dimensioniert ist und damit die insgesamt fließenden Ba­ sisströme auf einen Wert in der Größenordnung des in einem Strang fließenden Stromes begrenzt. Würde man ihn niederohmi­ ger ausführen, so würde er den Transistoren der Leuchtdio­ denstränge in der von der Störung betroffenen Leuchtdiodenan­ ordnung ausreichend hohe Basisströme zur Verfügung stellen, um über die Basis-Emitterstrecken der Regeltransistoren und die Emitterwiderstände der defekten Stränge den gleichen Spannungsabfall aufzubauen wie an den durch die Störung nicht betroffenen Strängen. Eine Folge eines solchen niederohmige­ ren Basiswiderstandes wäre aber ein erhöhter Stromverbrauch für die Stromregelung, der mindestens dann nicht hinzunehmen ist, wenn das LED-Lichtsignal nicht aus einem Netz, sondern aus einer von einem Solargenerator gespeisten Pufferbatterie versorgt wird.

Um zu verhindern, daß die verwendeten elektronischen Steuer­ schalter durch Überspannungen Schaden nehmen können, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Steuer­ eingänge der Steuerschalter jeder Leuchtdiodenanordnung über mindestens eine die Spannung an den Steuereingängen begren­ zende Zenerdiode Z und mindestens einen Lastwiderstand RL mit der Versorgungsgleichspannungsquelle verbunden sind. Steigt die gemeinsame Basisspannung der Leuchtdioden über den durch die Zenerdiode vorgegebenen Schwellwert an, so begrenzt diese und hält die Spannung auf der ihr eingeprägten Zenerspannung stabil.

Anstelle von npn-Transistoren nach dem vorliegenden Beispiel können auch pnp-Transistoren oder andere elektronische Steu­ erschalter verwendet sein; selbstverständlich muß dann eine Anpassung der Schaltung an diese Bauelemente erfolgen. Auch eine andere Art der Spannungsbegrenzung ist denkbar.

Theoretische Überlegungen und praktische Versuche mit der er­ findungsgemäßen Schaltung haben ergeben, daß nahezu 90% der eingespeisten Energie in den Leuchtdioden umgesetzt wird und daß die übrigen Schaltmittel der Schaltung lediglich die restlichen 10% der Leistung für sich beanspruchen. Dadurch, daß die Stromaufnahme der Leuchtdiodenstränge beim Ausfall einzelner Leuchtdioden nahezu konstant gehalten wird, kommt es zu keiner unzulässigen Strombelastung der Versorgungsquel­ le. Durch das Zusammenfassen jeweils mehrerer Leuchtdioden­ stränge einer Leuchtdiodenanordnung und das Vorhalten einer bestimmten Mindestanzahl von Leuchtdiodenanordnungen wird er­ reicht, daß auch beim Totalausfall einer Leuchtdiodenanord­ nung noch eine akzeptable Restbeleuchtung des Lichtsignales gegeben ist. Die konstante niedrige Stromaufnahme sowohl in ordnungsgerechtem Zustand der Leuchtdioden als auch im Stö­ rungsfall prädestiniert die erfindungsgemäße Schaltung für die Speisung von LED-Signalen aus einer batteriegepufferten Solaranlage.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist nicht nur verwendbar bei Lichtsignalen mit einfarbigen Lichtzeichen-Sichtflächen, son­ dern kann mit Vorteil auch bei Lichtsignalen verwendet sein, bei denen zum Erzeugen unterschiedlicher Signalbegriffe Leuchtdiodenanordnungen mit entsprechend über die Sichtfläche verteilt angeordneten Leuchtdioden zum Emittieren entspre­ chender farbiger Strahlungen vorgesehen sind. Mit solchen Lichtsignalen lassen sich zum Beispiel Verkehrszeichen wie "Einfahrt verboten" oder "Vorfahrt achten" darstellen. Gege­ benenfalls können die Leuchtdioden auch zur Darstellung wech­ selnder Zeichen bedarfsweise gemeinsam oder getrennt an- oder abschaltbar sein. Bei solchen Lichtsignalen spielen die glei­ chen Überlegungen eine Rolle wie bei dem vorstehend näher er­ läuterten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß im Störungsfall bei Totalausfall einer Leuchtdiodenanordnung möglicherweise kein eindeutiges Signalbild mehr darstellbar ist. Durch eine günstige Verteilung der Dioden einer Leucht­ diodenanordnung über die Sichtfläche eines Lichtzeichens kann dieser Nachteil aber reduziert werden.

Der im vorstehenden näher erläuterte Effekt der Ausregelung etwaiger sich bei einem Bauteiledefekt einstellender unter­ schiedlicher Strangströme auf einen gemeinsamen Mittelwert ist auch außerhalb der betrachteten Leuchtdiodenfehlfunktio­ nen bei ordnungsgerechtem Betriebszustand aller Leuchtdioden zu beobachten. Durch Bauteiletoleranzen variieren die Fluß­ spannungen der Leuchtdioden von Stück zu Stück, so daß sich in jedem (isoliert betrachteten) Leuchtdiodenstrang in Gren­ zen unterschiedliche Strangströme einstellen würden. Durch das Zusammenführen der Steuereingänge aller Steuerschalter einer Leuchtdiodenanordnung auf ein gemeinsames Steuerpoten­ tial werden die marginalen Stromunterschiede in den einzelnen Leuchtdiodensträngen gegenseitig angeglichen und damit selbsttätig ausgeregelt.

Für das Eintreten des vorstehend erläuterten Regeleffektes ist das Festhalten der Steuerspannugen auf einem gemeinsamen Potential erforderlich. Der angestrebte Regeleffekt tritt be­ reits auf bei drei in einer Leuchtdiodenanordnung zusammen­ wirkenden Leuchtdiodensträngen, ist aber um so ausgeprägter, je mehr Leuchtdiodenstränge zusammenwirken

Claims (9)

1. Schaltung zum Betreiben eines Lichtzeichens, insbesondere eines Verkehrslichtzeichens, aus einer Gleichspannungs-Ver­ sorgungsquelle mit mehreren über die Sichtfläche des Licht­ zeichens verteilt angeordneten Leuchtdioden, die jeweils al­ lein oder zu mehreren in Reihe geschaltet (D1 bis D3) einen von mehreren Leuchtdiodensträngen (S) bilden, wobei jeder Leuchtdiodenstrang über die Schaltstrecke eines zugehörigen elektronischen Schalters (T) an einer Versorgungsgleichspan­ nung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge der elektronischen Schalter mehrerer Leuchtdiodenstränge untereinander und über mindestens einen gemeinsamen Widerstand (RB) so mit der Versorgungsgleichspan­ nungsquelle verbunden sind, daß sie bei anliegender Versor­ gungsgleichspannung in einen niederohmigen Schaltzustand ge­ langen, in dem sie das Fließen etwa gleichgroßer Ströme über die Leuchtdioden der mehreren Leuchtdiodenstränge bewirken.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Widerstand (RB) so gewählt ist, daß der in angeschaltetem Zustand der Leuchtdioden des Lichtzeichens über ihn fließende Strom in der Größenordnung des in einem Leuchtdiodenstrang fließenden Stromes liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter als Transistoren (T) ausge­ führt sind und daß die Basen der mit den Leuchtdioden der einzelnen Leuchtdiodenanordnungen über ihre Kollektor- Emitterstrecken in Reihe geschalteten Transistoren auf einem gemeinsamen Bezugspunkt liegen.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden eines Leuchtdiodenstranges im Kollektor­ zweig eines npn-Transistors angeordnet sind, dessen Emitter direkt oder über einen niederohmigen Widerstand (RE) am Mi­ nuspol der Versorgungsgleichspannung liegt.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Bezugspunkt, auf dem die Steuereingänge der elektronischen Schalter (T) der gemeinsam betriebenen Leuchtdiodenstränge liegen, über mindestens eine die Spannung des Bezugspunktes begrenzende Zenerdiode (Z) und mindestens einen Lastwiderstand (RL) mit der Versorgungsgleichspannungs­ quelle verbunden ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens drei Leuchtdiodenstränge eine gemein­ sam an- und abschaltbare Leuchtdiodenanordnung (A) bilden.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Lichtzeichen mindestens vier Leuchtdiodenanordnun­ gen aufweist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungs-Versorgungsquelle für die Leucht­ dioden und die übrigen Komponenten der Schaltung mindestens eine aus mindestens einem Solargenerator gespeiste Pufferbat­ terie vorgesehen ist.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen unterschiedlicher Signalbegriffe Leucht­ diodenanordnungen mit entsprechend über die Sichtfläche eines Lichtsignals verteilt angeordneten Leuchtdioden zum Emittie­ ren entsprechend farbiger Strahlungen vorgesehen sind und daß die Leuchtdiodenanordnungen bedarfsweise getrennt oder ge­ meinsam an- oder abschaltbar sind.