DE60208658T2

DE60208658T2 - Elektrisches gerät und dazugehöriges verfahren

Info

Publication number: DE60208658T2
Application number: DE60208658T
Authority: DE
Inventors: Keith Poole MANSTON; Paul Poole COX
Original assignee: Siemens PLC
Current assignee: Siemens PLC
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: GB2371689A; DE60208658D1; EP1368997A1; GB2371689B; WO2002074017A1; EP1368997B1; GB0205669D0; ATE315884T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Gerät zur Anwendung mit Leuchtmitteln, bei denen es sich nicht Glühlampen handelt, z. B. mit einer Leuchtdiode (LED), die in einer Verkehrssignalanlage oder dergleichen verwendet werden und eine Glühlampe ersetzen kann. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Verkehrssignalanlage, die das elektrische Gerät und mindestens ein Leuchtmittel, bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, sowie ein Überwachungsgerät beinhaltet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erfassung des Ausfalls eines Leuchtmittels, bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, in einer Verkehrssignalanlage. Gemäß US-Patentschrift 6.150.771 werden in Verkehrssignalanlagen herkömmlicherweise Glühlampen verwendet, um das Lichtsignal zu erzeugen, das der Verkehrslenkung dient. Eine Alternative zu Verkehrssignalen, die durch Glühlampen erzeugt werden, sind Verkehrssignale, die mit Leuchtdioden (LEDs) arbeiten. Angesichts der Kosten für den Austausch kompletter Lichtanlagen ist es wünschenswert, die derzeitigen Leuchtmittel in den Lampen auf LEDs aufzurüsten, statt die gesamte Lichtanlage auszutauschen. Das Ersetzen von Glühlampen durch LEDs impliziert jedoch mehrere technische Probleme. Insbesondere LED-Felder, die ältere Glühlampen ersetzen, müssen kompatibel mit der älteren Glühlampen-Lastschalttechnik und den damit zusammenhängenden Konfliktüberwachungsgeräten sein, wie dies in der US-Patentschrift 6.150.771 beschrieben wird. Das signifikanteste Problem laut US-Patentschrift 6.150.771 besteht darin, LED-Felder so zu betreiben, dass sie eine elektrische Last ergeben, die annähernd eine solche ohmsche Last ist, die eine reibungslose Übertragung der elektrischen Leistung von der Stromversorgungsleitung zur Verkehrssignallast erlauben würde. Zu den anderen Problemen, die von der US-Patentschrift 6.150.771 behandelt werden, zählt das Problem der Kompatibilität, die sich im Fall eines Ausfallzustands eines Verkehrssignals ergibt. Herkömmliche Überwachungsgeräte erfassen die Spannung über ein Signal und sind als solche nur zusammen mit einem Signal nutzbar, das von Glühlampen bereitgestellt wird, außer wenn spezifische Modifikationen an den Signalen durchgeführt werden, die von anderen Arten von Leuchtmitteln bereitgestellt werden. Um dieses Problem zu überwinden, beschreibt die US-Patentschrift 6.150.771 einen Schnittstellenschaltkreis, der einen OFC-Schaltkreis (Schaltkreis, der einen Zustand mit offenem Glühfaden erfasst) zur Meldung eines offenen Schaltkreiszustands an ein Konfliktüberwachungsgerät beinhaltet, wenn die Eingangsspannung hoch ist und der Rückmeldestrom um einen bestimmten Wert fällt. Wenn dies geschieht, beendet der OFC-Schaltkreis den Signalbetrieb und präsentiert dem Überwachungsgerät eine derartige Bedingung als Glühlampenausfall-Signal. Ein Ausfallschaltkreis wird aktiv, der die Abnahme des Ausgangsstroms auf Grund des LED-Signalausfalls erfasst. Wenn der Ausgangsstrom mehrere Sekunden lang um mindestens 50% fällt, schließt der Ausfallschaltkreis eine Sicherung kurz. Die durchgebrannte Sicherung meldet dem Überwachungsgerät dann ununterbrochen ein Ausfallsignal, das einer unendlichen Eingangsimpedanz entspricht.
Gemäß US-Patentschrift 6.150.771 wird die Kompatibilität mit einem Konfliktüberwachungsgerät durch bestimmte Schaltkreise erreicht, die ein Sinken des Stroms zur LED erfassen und die jedes Mal den Eingangsstrom ändern, um eine annähernd ohmsche Last zu erzielen. Dies impliziert eine Stromquelle, die einen Eingangsstrom liefert, der eine Hüllkurve aufweist, die im Wesentlichen identisch ist mit der Eingangsspannung, die ein sinuskurvenförmiges Profil hat.
Die US-Patentschrift 6.118.259 offenbart ein Gerät in Übereinstimmung mit der kennzeichnenden Klausel des Hauptpatentanspruchs für den Austausch von Glühlampen durch andere Lichtquellen als Glühlampen. Der von der Austauschlichtquelle gezogene Strom wird geregelt, um eine irrtümliche Erfassung eines Ausfalls zu verhindern.
Die Erfindung stellt ein Gerät und ein Verfahren bereit, wie sie in den selbstständigen Patentansprüchen genannt werden. Die bevorzugten Merkmale werden von den selbstständigen Patentansprüchen angegeben.
Nachstehend werden spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die ausschließlich beispielhaft sind, und zwar unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die Folgendes darstellen:
1 stellt ein schematisches Blockdiagramm eines Gerätes in Übereinstimmung mit der Erfindung dar, das an ein Leuchtmittel angeschlossen ist;
2 stellt einen typischen Glühlampenstrom und eine typische Glühlampenspannung dar;
3 stellt beispielhaft einen Strom sowie einen modifizierten Strom eines Leuchtmittels dar, bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt;
und 4 stellt ein weiteres Beispiel für ein Stromprofil und ein modifiziertes Stromprofil eines Leuchtmittels dar, bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt.
Zur Vereinfachung der Bezugnahme sind identische Merkmale in den Zeichnungen mit identischen Referenznummern versehen.
Wie in 1 dargestellt, ist ein Gerät zur Modifizierung eines elektrischen Stroms, das ein elektrisches Gerät 1 beinhaltet, an ein LED-Feld 2 angeschlossen, das als Leuchtmittel dient, das die normalerweise verwendeten Glühlampen in Signallampen oder Ampelanlagen ersetzt. Das elektrische Gerät 1 beinhaltet einen elektrischen Leistungsschalter 10, der an einen zweiten Stromsensor 6 angeschlossen ist, der wiederum an einen ersten Stromsensor 5 angeschlossen ist, der seinerseits an einen Strombegrenzer 7 angeschlossen ist, der wiederum an das LED-Feld 2 angeschlossen ist. Eine Stromsenke 8 ist zwischen einem Knotenpunkt zwischen Stromsensor 6 und Stromsensor 5 einerseits und dem Ende des LED-Feldes 2 andererseits angeschlossen. Das LED-Feld 2 beinhaltet einen Treiber, der nicht dargestellt ist.
Weiterhin beinhaltet das elektrische Gerät 1 ein Steuergerät 4, an das der elektrische Leistungsschalter 10, der erste Stromsensor 5, der zweite Stromsensor 6, der Strombegrenzer 7 und die Stromsenke 8 über eine Steuerleitung angeschlossen sind, die als gestrichelte Linie dargestellt ist. Ein Ausfallerfassungssensor 9, der einen Lichterfassungssensor 13 beinhaltet, ist so angeordnet, dass er das Licht 11 erfasst, das vom LED-Feld 2 emittiert wird. Der Lichterfassungssensor 13 ist an das Steuergerät 4 über eine Steuerleitung angeschlossen, die als gestrichelte Linie dargestellt ist. Das elektrische Gerät 1 ist an ein Überwachungsgerät 24 angeschlossen – in diesem Fall ein Verkehrskontrollsystem oder Lampenüberwachungsgerät einer Verkehrssignalanlage (nicht dargestellt).
Der erste Stromsensor 5 misst den Strom 3, der vom LED-Feld 2 und dessen Treiberschaltkreis gezogen wird. Die Stromwellenform ist als die in 3 und 4 mit 14 bezeichnete Umrisslinie dargestellt. Das Steuergerät 4 verwendet diesen gemessenen Strom 14, um die Stromsenke 8 zu justieren, um den vom Überwachungsgerät 24 und Strombegrenzer 7 gezogenen Gesamtstrom zu erhöhen, um den Strom 3 zu begrenzen, so dass die ursprüngliche Stromwellenform 14 (siehe 2 bis 4) zu einer modifizierten Stromwellenform 15 modifiziert wird. Wenn so der vom Sensor 5 erfasste Strom 14 einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet, wird die Stromsenke 8 so abgeändert, dass der gezogene Strom erhöht wird. Wenn der Strom, der durch das LED-Feld 2 fließt, auf den Schwellenwert zurückfällt, kehrt die Stromsenke 8 zu ihrem ursprünglichen Wert zurück, wenn der gezogene Strom sinkt. Der Betrieb ist beim negativen Teil des Zyklus identisch. Auf diese Weise wird der vom Überwachungsgerät 24 erfasste Gesamtstrom auf ein Niveau erhöht, das es ihm erlaubt, wirksam überwacht zu werden. In dieser Ausführungsform des elektrischen Gerätes 1 wird der ursprüngliche Strom 14 in dem notwendigen Maße modifiziert, damit das vorhandene Überwachungsgerät 24 den modifizierten Strom 15 überwachen und so die optimaleren Energieverbrauchseigenschaften der LEDs aufrecht erhalten kann.
Der zweite Stromsensor 6 liefert eine Rückmeldung des modifizierten Stroms 15 des LED-Systems 2, so dass das Steuergerät 4 die Stromsenke 8 und den Strombegrenzer 7 feiner justieren kann, um einen gewünschten modifizierten Strom 15 aufrecht zu erhalten. Die Anwendung dieser weiteren Komponente wird in 4 dargestellt, wo der vom LED-Feld und Treiber gezogene Strom 14 größer als der Mindestschwellenwert ist, der durch das Gerät 24 überwacht werden kann. Das Steuergerät 4 steuert den Strombegrenzer 7 so, dass er den vom LED-Feld 2 gezogenen Strom begrenzt, um das Plateau 16 des gezogenen Stroms 15 aufrecht zu erhalten.
Es ist klar, dass der zweite Stromsensor 6 in einer spezifischen Implementierung des elektrischen Gerätes 1 je nach Komplexität des Stroms 14 des LED-Systems und der Fähigkeit des Steuergerätes 4, den modifizierten Strom 15 ohne diese Rückmeldung zu konditionieren, vorhanden sein kann oder auch nicht.
Der Lichterfassungssensor 13 erfasst zwecks Beurteilung durch das Steuergerät 4 das Licht 11, das vom LED-Feld 2 emittiert wird. Sollte die Lichtemission des LED-Feldes unter einen definierten Schwellenwert fallen, so löscht das Steuergerät 4 das LED-Feld 2 komplett, indem es den elektrischen Leistungsschalter 10 betätigt (in diesem Fall eine Sicherung). Dies hat zur Folge, dass der Strom 3 auf Null geht, so dass das Überwachungsgerät 24 den Ausfall erfassen und geeignete Maßnahmen ergreifen kann. So ahmt das LED-Feld 2 das Verhalten einer Glühlampe nach, wenn eine solche Lampe durchbrennt und der Strom auf Null geht.
2 stellt ein typisches Glühlampenstromprofil 21 und -spannungsprofil 17 dar. Sowohl die Wellenform der Speisespannung als auch die des Lampenstroms ist wellenförmig mit dem gleichen Phasenwinkel. In diesem Fall fallen die Höchstwerte der während eines bestimmten Zeitraums gemessenen Speisespannung-Wellenform 18 und des Lampenstroms zusammen. Um diese Höchstwerte der Speisespannung 18 und des Lampenstroms (entweder positive oder negative Höchstwerte) herum werden mehrere Messpunkte 19, 20 vorgesehen, um die Spannung und den Strom zu erfassen. Wenn der Lampenstrom gemessen wird, wird gemeldet, ob ein Ausfall der Lampe vorliegt oder nicht. Wenn die Signallampe eingeschaltet sein sollte, fließt ein Stromwert, der annähernd dem Höchstwert entspricht und einen bestimmten Wert hat. Wenn kein Strom an den Messpunkten 20 gemessen wird, wird ein Lampenausfall gemeldet.
3 zeigt ein Beispiel für die Speisespannung-Wellenform 17 und die nicht modifizierte Stromwellenform 14 des LED-Feldes 2, die eine große Anzahl von Spitzen und Tälern hat, die eine im Allgemeinen sinuswellenartige Kurve überlagern. Diese ursprüngliche Stromwellenform 14 zeigt ein weitaus komplexeres Verhalten als die Sinuswellenform 21 einer Glühlampe gemäß 2. Das Überwachungsgerät 24 einer Verkehrssignalanlage ist für den Einsatz mit Glühlampen ausgelegt und erwartet daher eine relativ glatte Sinuswellenform, die eine wesentliche Amplitude hat, und so wird die Stromwellenform 14 durch Einsatz des elektrischen Gerätes in die modifizierte Stromwellenform 15 umgeändert. Diese modifizierte Stromwellenform 15 weist ein beinahe rechteckiges Muster mit einem plateauähnlichen Bereich 16 oberhalb eines bestimmten vorher festgelegten Stromschwellenwertes 12 auf. Der plateauähnliche Bereich 16 ist dort vorgesehen, wo die Strommesspunkte 20 des Überwachungsgerätes 24 angeordnet sind, d.h. um die Spitze der beaufschlagten Spannung herum. So weist der modifizierte Strom 15 einen maximalen Stromwert 22 auf, der oberhalb des vorher festgelegten Schwellenwertes 12 liegt. Das vom LED-Feld 2 verbrauchte und vom Steuergerät 4 gesteuerte Stromsignal 15 ist daher durch das bereits installierte Überwachungsgerät 24 erfassbar. Sobald ein Ausfall des LED-Feldes 2 erfasst wird, wird der Stromfluss durch das LED-Feld 2 unterbrochen und ein Ausfallsignal gleichen Typs wie jenes, das von einer Glühlampe generiert wird, an das Überwachungsgerät 24 übertragen.
4 stellt ein anderes Beispiel einer modifizierten Wellenform 15 dar, die einen plateauähnlichen Bereich 16 oberhalb eines vorher festgelegten Schwellenwertes 12 aufweist. In 3 hat die ursprüngliche Stromwellenform 14 einen Stromhöchstwert, der unterhalb des vorher beschriebenen Stromschwellenwertes 12 liegt. Die ursprüngliche Stromwellenform 14 in 4 hat einen Stromhöchstwert, der oberhalb des vorher beschriebenen Stromschwellenwertes 12, jedoch außerhalb des Bereichs liegt, in dem die Strommesspunkte 20 angeordnet sind.
Die Stromwellenform wird durch das Gerät modifiziert, um eine modifizierte Stromwellenform zu erhalten, die ein messbares Plateau 16 hat, das um die Spannungsspitze herum zentriert ist und daher innerhalb der Messpunkte liegt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird eine zusätzliche Steuerleitung 24 zwischen dem Steuergerät 4 und dem LED-Feld 2 bereitgestellt. Das Steuergerät 4 platziert ein Steuersignal auf diese Leitung in Reaktion auf die das LED-Feld 2 mit verschiedenen Lichtemissionspegeln angesteuert wird. Die Lichtintensität wird auf folgende Weise variiert. Wenn das Ampellicht „eingeschaltet" wird, erhöht das Steuergerät 4 allmählich die vom LED-Feld 2 erzeugte Lichtintensität. Ähnlich verhält es sich, wenn das Ampellicht „ausgeschaltet" wird: Dann reduziert das Steuergerät 4 allmählich die vom LED-Feld 2 erzeugte Lichtintensität.
Das allmähliche Verstärken und Verringern der Lichtintensität hat eine Reihe von vorteilhaften Effekten. Zunächst imitiert das Licht annähernder die Leistung einer Glühlampe, die eine Person wahrnimmt, die das Licht sieht. Zum anderen wird davon ausgegangen, dass eine allmähliche Änderung einen positiven Effekt im Hinblick auf sehr wichtige Sicherheitsaspekte haben kann. Im Fall eines Straßenverkehrsteilnehmers kann ein schnell wechselndes Licht beispielsweise eine irritierende Wirkung haben. Wenn sich ein Verkehrsteilnehmer einer Ampelanlage nähert, schaut er nicht nur auf die Ampelsignale, sondern auch auf den Rück- und den Seitenspiegel, die Bürgersteige und andere Straßenkreuzungen. Alle diese Handlungen finden in Sekundenbruchteilen auf instinktive Weise statt. Es ist also verständlich, dass ein Licht, das sofort umgeschaltet wird, als Wechsel wahrgenommen werden kann, der verpasst wurde, als die Aufmerksamkeit anderen Dingen galt. Dies kann zur Folge haben, dass der Fahrer so verschreckt wird, dass er die Bremse seines Fahrzeugs abrupter als angemessen betätigt. Durch diese Handlung kann er ins Schleudern kommen oder sogar einen Unfall verursachen. Ein weiteres Beispiel, wie ein Verkehrsteilnehmer verschreckt und dadurch zu einer unangemessenen Handlung verleitet werden kann, ist die Situation, in der er vor der Ampelanlage auf deren Umspringen wartet. Doch dieses Mal kann der Effekt darin bestehen, dass der Fahrer so aufgeregt ist, dass er schneller als angemessen auf das Gaspedal tritt.
Ein weiterer, subtilerer Effekt besteht darin, dass der Fahrer – wenn er schnell wechselnden Ampelsignalen ausgesetzt ist – gestresst oder verwirrt wird. Stress oder Verwirrung können eine unstete Fahrweise mit sich bringen, die ebenfalls Auswirkungen auf die Sicherheit haben kann.

Claims

Gerät (1) zur Modifizierung eines elektrischen Stroms (3), der durch mindestens ein Leuchtmittel (2), bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, gezogen wird, wobei dieses Gerät Folgendes beinhaltet: – ein Steuergerät (4), – einen ersten Stromsensor (5) zur Messung des elektrischen Stroms, der durch das Leuchtmittel (2) fließt, – ein Strombegrenzer (7) zur Begrenzung des elektrischen Stroms (3), der durch das Leuchtmittel (2) fließt, – eine Stromsenke (8) zur Erhöhung des elektrischen Stroms (3), der durch das Leuchtmittel (2) verbraucht wird, – ein Ausfallerfassungssensor (9), – ein elektrischer Leistungsschalter (10) zur Trennung des elektrischen Stroms (3), der vom Leuchtmittel (2) gezogen wird, wobei – der erste Stromsensor (5), besagter Strombegrenzer (7), die Stromsenke (8), der Ausfallerfassungssensor (9) und der elektrische Leistungsschalter (10) an das Steuergerät (4) angeschlossen sind, – das Steuergerät (4) die Stromsenke (8) und den Strombegrenzer (7) so ansteuert, dass sie die gemessene Stromwellenform (14) in eine modifizierte Stromwellenform (15) ändern, die einen Stromhöchstwert (22) hat, der oberhalb eines vorher festgelegten Schwellenwertes (12) liegt, – das Steuergerät (4) den Leistungsschalter (10) veranlasst, den Stromfluss zu trennen, wenn der Ausfallerfassungssensor (9) ein Sensorsignal liefert, das meldet, dass die Lichtemission des Leuchtmittels (2) unter einen vorher festgelegten Lichtschwellenwert fällt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) den Strombegrenzer (7) und die Stromsenke (8) so ansteuert, dass die Stromwellenform (14) dergestalt geändert wird, dass sie einen im Wesentlichen plateauähnlichen Bereich um den Stromhöchstwert (22) herum aufweist.
Gerät (1) nach Anspruch 1, bei dem der Ausfallerfassungssensor (9) einen Lichterfassungssensor (13) zur Erfassung des vom Leuchtmittel (2), bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, emittierten Lichtes beinhaltet.
Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Ausfallerfassungssensor (9) einen Ausfallschaltkreis beinhaltet, der ein Sinken des vom Leuchtmittel (2) verbrauchten Stroms (3) erfasst.
Gerät nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Lichtschwellenwert 80% des Wertes der Lichtemission im Normalbetrieb des Leuchtmittels (2) beträgt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leistungsschalter (10) ein austauschbares Element ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leistungsschalter (10) eine Sicherung ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Steuergerät (4) ein elektronischer Schaltkreis, einschließlich mindestens eines Mikroprozessors, ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen zweiten Stromsensor (6) zur Erfassung des modifizierten verbrauchten Stroms (15) des Leuchtmittels (2) beinhaltet, der an das Steuergerät (4) angeschlossen ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die modifizierte Stromwellenform (15) eine im Wesentlichen rechteckige oder im Wesentlichen trapezartige Form hat.
Verkehrssignalanlage, die ein Gerät beinhaltet, das einem der vorhergehenden Ansprüche entspricht, und weiterhin mindestens ein Leuchtmittel (2) beinhaltet, bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, sowie ein Überwachungsgerät, das an das elektrische Gerät (1) angeschlossen ist, um ein Lampenausfallsignal zu empfangen und zu verarbeiten.
Verkehrssignalanlage nach Anspruch 9, bei der das mindestens eine Leuchtmittel (2), bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, eine Leuchtdiode (LED) beinhaltet.
Verkehrssignalanlage nach Anspruch 11, bei der das mindestens eine Leuchtmittel (2) eine Reihe von LEDs in einer Größenordnung von 8 bis 350 LEDs beinhaltet.
Verkehrssignalanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der das mindestens eine Leuchtmittel (2), bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, an ein Treiberschaltkreis-Feld angeschlossen ist.
Verfahren zur Erfassung des Ausfalls eines Leuchtmittels (2), bei dem es sich nicht um eine Glühlampe handelt, in einer Verkehrssignalanlage, das folgende Schritte beinhaltet: – Messen des elektrischen Stroms (14), der durch das Leuchtmittel (2) fließt, – Ändern der gemessenen Stromwellenform (14) in eine modifizierte Wellenform (15), die einen Höchstwert hat, der oberhalb eines vorher festgelegten Stromschwellenwertes liegt, der durch ein Überwachungsgerät (24) erfasst werden kann, das sich im elektrischen Strompfad befindet, – Bereitstellen eines Ausfallsignals, wenn die Lichtemission des Leuchtmittels (2) unter einen vorher festgelegten Schwellenwert fällt, – bei Eintritt des Ausfallsignals Unterbrechen des elektrischen Stroms (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Stromwellenform (14) so modifiziert wird, dass sie einen im Wesentlichen plateauähnlichen Bereich (16) um einen Höchstwert (18) der Speisespannung-Wellenform (17) herum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das vom Leuchtmittel (2) emittierte Licht (11) erfasst und das Ausfallsignal bereitgestellt wird, wenn das emittierte Licht (11) unter einen vorher festgelegten Schwellenwert fällt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Strom (3), der durch das Leuchtmittel (2) fließt, erfasst wird und das Ausfallsignal bereitgestellt wird, wenn der Strom (3) unter den Wert fällt, der einem vorher festgelegten Schwellenwert des emittierten Lichts (11) entspricht.