EP1417864B1 - Lichtzeichen zur verkehrssteuerung und verfahren zur funktionsüberwachung eines solchen zeichens - Google Patents

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EP1417864B1
EP1417864B1 EP02760115A EP02760115A EP1417864B1 EP 1417864 B1 EP1417864 B1 EP 1417864B1 EP 02760115 A EP02760115 A EP 02760115A EP 02760115 A EP02760115 A EP 02760115A EP 1417864 B1 EP1417864 B1 EP 1417864B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
led
emitting diodes
current
monitoring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02760115A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1417864A1 (de
Inventor
Bernhard Hering
Rudolf Schierjott
Gerhard Treffer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP1417864B1 publication Critical patent/EP1417864B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/006—Electronic inspection or testing of displays and display drivers, e.g. of LED or LCD displays
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/50—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits
    • H05B45/58—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED] responsive to malfunctions or undesirable behaviour of LEDs; responsive to LED life; Protective circuits involving end of life detection of LEDs
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/20—Responsive to malfunctions or to light source life; for protection

Definitions

  • the invention relates to a traffic light for traffic control, in particular road traffic, according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring the operation of such a sign according to the preamble of claim. 8
  • Incandescent lamps may fail due to short-circuiting or interruption, causing a character to be generated by them to be mutilated, insufficiently lit, or not displayed at all. In order to avoid misleading the traffic participants, an incorrectly displayed light signal must be switched off immediately to avoid an accident risk. In order to be able to check the availability of a safety-relevant sign, such as a red traffic light, a speed limit or a warning display, even when it is switched off, the monitoring must be active, even when the corresponding sign is not active, ie not lit.
  • a safety-relevant sign such as a red traffic light, a speed limit or a warning display
  • a high-impedance voltage divider is connected whose center potential serves as a criterion when checking a lamp state.
  • the microprocessor checks the value of the center potential of the voltage divider every 10 ms. When the light is on, the potential is 12V when it is off, 0V. However, in the event of a short circuit in the lamp circuit, it is 0V in both cases.
  • the test must be extended. to include the OFF mode with the light on and the ON mode with the light off.
  • a switched on lamp is switched off by the system once per second for approx. 100 ms; if it is off, the system will periodically turn on every 40 s for 100 ms. The test starts when the engine is started and ends 100 seconds after stopping. This prolonged operation ensures that lamp failures are also detected during the cooling period of the filament.
  • the incandescent lamp is increasingly replaced by the LED, hereinafter abbreviated by LED, displaced as a low-maintenance and high-availability light source for optical characters many advantages for the economic operation of Traffic lights offers.
  • the problem is that LED-generated characters could previously only be monitored in the switched-on state.
  • the LED technology for safety-relevant characters which must be monitored for functionality even when switched off, could not be used. Due to the quasi-inertia-free conversion of electricity into light in LED light sources, a functional test analogous to the so-called cold lamp test was not possible without producing disturbing and thus unacceptable light flashes.
  • European Patent Application EP 0 434 859 A1 discloses an arrangement for monitoring the operation of an incandescent lamp. With no visible effect of the incandescent lamp, the continuity of the circuit is checked with low energy when switched off. In order to distinguish in such a review a short circuit or shunt generated continuity of the circuit from the continuity of the circuit with working light bulb and exclude positive test results despite defective light bulb, the ratio of the resistance of the device in the off state of the light bulb to the resistance of the device determined in the on state of the incandescent lamp and compared with the valid for each to be monitored incandescent lamp ratio of the cold-hot resistance.
  • the patent application FR 2 724 749 A1 relates to a lamp with LEDs of a signal generator for road traffic with means for its function monitoring.
  • a controller between the light emitting diodes and the control unit allows the conventional Use of presence or absence of power to monitor the operation of the lamp.
  • a current mirror allows the passage of a current proportional to that at the terminals of the group of light-emitting diodes forming the lamp during the intervals in which the light-emitting diodes are nonconductive. This ensures the continuity of supply of the lamp while the LEDs are nonconductive at the zero crossing of the AC supply.
  • the current may be interrupted by a switch which is controlled by a circuit monitoring the current through the light emitting diodes. When the current drops to a level indicative of a failure of a certain number of light emitting diodes, the switch is opened or it may be actuated in response to an operating controller.
  • US Pat. No. 6,147,617 discloses an apparatus and a method for fault detection of outdoor displays. Such displays are constructed of light-emitting elements such as colored light emitting diodes and small phosphor display tubes in matrix form to output character-based information, still images, dynamic images and so on.
  • the display includes an error detection circuit comprising a unit pixel having a plurality of light emitting diodes, a pixel driver, a voltage divider detector, and an operational amplifier. In the off state, a leakage current is converted by the light emitting diodes into a voltage, which is applied to the voltage divider. The output of the voltage divider is compared by an operational amplifier with a reference value. If the output of the voltage divider is smaller, a failure of the unit pixels is detected.
  • the invention is therefore based on the object to provide a light signal and a method for monitoring the function of a character of the type mentioned, so that at reasonable technical effort, the functionality of the Sign can be monitored both in the on and in the off state.
  • a subtask is achieved by a light signal of the type mentioned above with the features mentioned in the characterizing part of patent claim 1.
  • the light emission of the LED that enters immediately can be restricted in such a way that it is no longer perceptible to the viewer even in the dark.
  • the road users disturbing light flashes are avoided.
  • As a criterion for the functionality of the current increase is used by the LEDs.
  • the monitoring device of the light signal comprises switching means for switching off the switched on current upon reaching a predetermined threshold value for the current intensity.
  • the limitation of the current flowing through the LEDs electric current is achieved here by specifying a maximum threshold value at which the building up LED current is turned off.
  • the switching means are designed as a digital logic circuit with a memory element.
  • the realization of the LED current limitation can be done for example by using a D flip-flop as a memory element and by means of other standard components of semiconductor circuit technology.
  • the monitoring device is further designed to measure the voltage drop across the energized light-emitting diodes. Through this separate additional monitoring of the voltage, a failed LED can be detected despite LED current flow, such as a short circuit. This increases the reliability of the functional test of a light signal according to the invention.
  • the light sources are arranged as a chain of light-emitting diodes connected in series or as a cluster of light-emitting diodes connected to one another. This is advantageously used in the design of light signals with linear symbols or planar structures.
  • inventive light signals with function monitoring in traffic signs especially in such with changing display option different characters, or in traffic lights, so the well-known traffic lights, used.
  • the other sub-task is solved by a method of the type mentioned above with the features mentioned in the characterizing part of claim 8.
  • the current supply of the light-emitting diodes is first turned on, the current monitoring signal representing the current through the LEDs is generated, and the energization is switched off again when a predetermined threshold value for the current monitoring signal
  • the designed as light emitting diodes light source of the light signal are so limited energized in the function monitoring in that only a light emission which is no longer perceptible by the viewer takes place.
  • a voltage monitoring signal representing the voltage dropping across the energized light-emitting diodes is additionally generated.
  • the voltage monitoring signal is used as an additional criterion in the assessment of the functionality of a light-emitting diode in order to exclude a short circuit in the case of a positive LED energization.
  • the energization takes place in an inactive state or periodically in an inactive phase of the light emitting diode.
  • the function monitoring can be performed both when the light is - even for a longer period of several months - not in operation, as well as during operation, in which the regular LED lighting is turned off periodically for a short phase, in which then the even shorter test current takes place.
  • An inventive light signal such as a variable message sign for the alternate display of different traffic signs is generated, for example, in a trained as a sign bridge on roadways outdoor facility.
  • the outdoor unit has a power supply for powering the LED strings, using a standard 48 V DC industrial switching power supply with 100 W input power. It is connected via a CAN bus to a route station, which includes a modem as well as a control and a master module. For example, 32 LED chains, divided into four groups of eight each, can be controlled via a common control module.
  • the control module contains a digital part and an analog part.
  • the digital part has modules for initialization, module detection, read / write logic, a test register, normal and test mode enable logic, LED current setting, and current and voltage monitoring, while the 32 LED current regulators provide Form analog part. Up to 8 such control modules can be connected to a common control unit. Control is provided by a processor module that executes a stored program for driving and monitoring the LED strings.
  • a light-emitting diode chain for example, 11 to 19 series connected LEDs LED.
  • Each LED chain is driven according to FIG. 1 by a transistor Q3 connected as a current source.
  • As a command variable for the current is the output voltage of a digital-to-analog converter DAC, which is applied via a transistor Q4 to the base of the transistor Q3. If a positive drive signal is present at the LED turn-on signal LE, after a circuit-related delay time of approximately 1 ⁇ s in the transistor Q3, a collector current which approximately corresponds to the quotient of the voltage of the converter DAC and the resistor R5 is established.
  • This constant current flows minus a small current flowing through the resistors R2 and R3 cross-flow as a working current through the LED chain.
  • the chain current causes a voltage drop in a resistor R1 upstream of the LED chain which, when the collector-emitter threshold of a transistor Q1 is reached, triggers it and generates the current monitoring signal IO.
  • Resistors R2 and R3 also drive a transistor Q2 when the voltage drop across the LED string reaches a value set by voltage dividing ratio R2 to R3, thus generating a voltage monitoring signal UO through transistor Q2.
  • For signal conversion to TTL level serve resistors R6 and R7 or R8 and R9.
  • the monitoring signals IO and UO are stored in the control module and reported back to the control unit and processed there.
  • the current monitoring is done for all chains with a uniform, fixed threshold: The current sensor output shows "OFF” if the chain current is less than 4 mA and it shows “ON” if it is greater than 7 mA.
  • the voltage monitoring of all LED chains with a uniform, fixed threshold In test mode, all LED strings are checked cyclically and current errors are found within 10 s. In normal and test mode, an LED string will fail if the default set point for the voltage is "ON" and the actual measured sensor current value is "OFF” at the same time. A current error will only switch off if a currently required character is no longer recognizable can. A character is no longer representable if the number of defective LED strings exceeds the supplied limit.
  • the LED drive signal with active light source is constructed periodically according to FIG 2 with a period T period of, for example, 10.0 ms.
  • a period begins at the starting point t 0 and is subdivided into a lighting time T light , that is to say the maximum LED energizing time of, for example, 9.0 ms, and a test time T pause of, for example, 1.0 ms.
  • the lighting time T light is composed of the actual energizing time T current , which is about 0.1 to 1.0 times the lighting time T light for dimming depending on the ambient brightness.
  • the test time T break the maximum 0.3 ⁇ s long test pulse T test for monitoring the function of the LED chain takes place.
  • test pulse T test can not only take place in a periodic interruption of the lighting time T light , but also in a longer-lasting inactive state of the light source, so that the availability of the light signal for a safety-relevant application can be checked at any time.
  • the maximum LED lighting time required for the purpose of avoiding visible flashes of light is achieved by supplementing the current regulator circuit - as described in FIG. 1 - with a logic circuit according to FIG.
  • the LED switch-on signal LE is controlled via the output OR_out of an OR gate OR, eg of the type 74HC32.
  • OR OR gate
  • the input OR_in1 is 1 and thus the output OR_out is also 1.
  • test mode the LED input OR_in1 is equal to 0 and the test input is equal to 1. This is located at one input XOR_in2 of an EXOR gate XOR, eg Type 74HC86, on.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines solchen Zeichens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.
  • Im allgemeinen werden zur Unterstützung einer reibungslosen Verkehrsabwicklung Zeichen unterschiedlichster Art und Wichtigkeit zur Steuerung des Verkehrs eingesetzt. Dies gilt für die Schiff-Fahrt, für Flugzeuge, beispielsweise auf Flughäfen, sowie für den gesamten Schienenverkehr, insbesondere jedoch für den Straßenverkehr. Aufgrund des ständig steigenden Verkehrsaufkommens werden immer mehr Verkehrs- und Lichtzeichen zum Regeln des innerstädtischen Verkehrs bzw. zum Leiten des Fernverkehrs eingesetzt. Ein zunehmender Teil dieser Zeichen wird durch Lichtquellen erzeugt. Typische Beispiele hierfür sind die Wechsellichtzeichen der Lichtsignalanlagen an Fahrbahn-Kreuzungen oder die Wechselverkehrszeichen auf sogenannten Autobahn-Querschnitten. Bei den genannten Lichtzeichen dienen heute vorwiegend Glühlampen als Lichtquellen. Glühlampen können durch Kurzschluss oder Unterbrechung ausfallen, wodurch ein durch sie zu erzeugendes Zeichen verstümmelt, mit unzureichender Lichtstärke oder überhaupt nicht angezeigt wird. Damit ein nicht ordnungsgemäß dargestelltes Lichtzeichen die Verkehrsteilnehmer nicht irreführt, muss es zur Vermeidung eines Unfallrisikos sofort abgeschaltet werden. Um die Verfügbarkeit eines sicherheitsrelevanten Zeichens, etwa eine rote Ampel, eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder eine Warnanzeige, auch im abgeschalteten Zustand überprüfen zu können, muss die Überwachung ständig, also auch dann wirksam sein, wenn das entsprechende Zeichen nicht aktiv ist, also gerade nicht leuchtet.
  • Eine Funktionsüberwachung der ein Zeichen erzeugenden Glühlampen kann über den Stromdurchgang durch deren Glühfäden erfolgen. Die Trägheit eines Glühfadens erlaubt, dass durch kurzzeitige Bestromung des Glühfadens für beispielsweise 1 ms die Funktionsfähigkeit der Glühlampe getestet werden kann, ohne dass Licht austritt. Als Referenz für einen solchen Kaltlampentest zur automatischen Überprüfung einer Autolichtanlage sei der Artikel "On-board multiplexing system checks car's lights automatically" aus Electronics international, Seiten 68 und 70, genannt. Über einen Mikroprozessor werden dort Befehle zum Aktivieren der Lampen gegeben, die Signale der Lampen und Sensoren überwacht und der Fahrer über eine Fehlfunktion durch eine Anzeige auf dem Armaturenbrett informiert. Ein Leistungstransistor verbindet die Lichtanlage mit der Autobatterie. Parallel dazu ist ein hochohmiger Spannungsteiler geschaltet, dessen Mittenpotential als Kriterium beim Überprüfen eines Lampenzustandes dient. Im Betrieb überprüft der Mikroprozessor den Wert des Mittenpotentials des Spannungsteilers alle 10 ms. Bei eingeschaltetem Licht beträgt das Potential 12 V, wenn es aus ist, 0 V. Bei einem Kurzschluss im Lampenschaltkreis beträgt es allerdings in beiden Fällen 0 V. Um eine positive Anzeige für alle möglichen Fehler und Lichtbetriebsarten zu erhalten, muss der Test erweitert werden, um den AUS-Modus bei eingeschaltetem Licht und den EIN-Modus bei ausgeschalteten Licht mit einzuschließen. Eine eingeschaltete Lampe wird vom System einmal pro Sekunde für ca. 100 ms ausgeschaltet; wenn sie aus ist, schaltet das System periodisch alle 40 s für 100 ms ein. Der Test beginnt mit dem Anlassen des Motors und endet 100 s nach dem Abstellen. Dieser verlängerte Betrieb stellt sicher, dass Lampenausfälle auch während der Abkühlperiode des Glühfadens detektiert werden.
  • Nun wird die Glühlampe zunehmend durch die Leuchtdiode, im nachfolgenden auch durch LED abgekürzt, verdrängt, die als wartungsarme und hochverfügbare Lichtquelle für optische Zeichen viele Vorteile für den wirtschaftlichen Betrieb von Lichtsignalanlagen bietet. Problematisch ist, dass mit LED erzeugbare Zeichen bisher nur im eingeschalteten Zustand überwacht werden konnten. Damit konnte die LED-Technik für sicherheitsrelevante Zeichen, die auch im abgeschalteten Zustand auf Funktionsfähigkeit überwacht werden müssen, nicht verwendet werden. Aufgrund der quasi-trägheitslosen Umwandlung von Strom in Licht bei LED-Lichtquellen war eine zum sogenannten Kaltlampentest analoge Funktionsprüfung nicht möglich, ohne störende und damit nicht akzeptable Lichtblitze zu erzeugen. Bei völliger Dunkelheit machen sich bei einem LED-Betrieb mit Nennstrom weitgehend unabhängig von der Wiederholrate bereits Impulse ab einer Länge von etwa 0,3 µs sowie Dauerströme ab ca. 5 µA störend bemerkbar. Zeichen mit einer Funktionsüberwachung, welche ausreichend kurze bzw. schwache Stromimpulse erzeugen und sicher überwachen können, ließen sich bisher mit vertretbarem Aufwand nicht realisieren.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 0 434 859 A1 offenbart eine Anordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit einer Glühlampe. Ohne sichtbare Wirkung der Glühlampe wird in ausgeschaltetem Zustand mit niedriger Energie die Durchgängigkeit des Stromkreises überprüft. Um bei einer derartigen Überprüfung eine durch Kurz- oder Nebenschluss erzeugte Durchgängigkeit des Stromkreises von der Durchgängigkeit des Stromkreises bei funktionierender Glühlampe unterscheiden zu können und positive Prüfergebnisse trotz defekter Glühlampe auszuschließen, wird das Verhältnis des Widerstandes der Anordnung im ausgeschalteten Zustand der Glühlampe zum Widerstand der Anordnung im eingeschalteten Zustand der Glühlampe ermittelt und mit dem für die jeweils zu überwachende Glühlampe gültigen Verhältnis des Kalt-Warm-Widerstandes verglichen.
  • Die Patentanmeldung FR 2 724 749 A1 betrifft eine Lampe mit Leuchtdioden eines Signalgebers für den Straßenverkehr mit Mitteln zu dessen Funktionsüberwachung. Ein Kontroller zwischen den Leuchtdioden und der Steuereinheit erlaubt die konventionelle Verwendung der An- oder Abwesenheit von Strom, um den Betrieb der Lampe zu überwachen. Ein Stromspiegel erlaubt den Durchgang eines Stroms, der proportional zu der an den Anschlüssen der die Lampe bildenden Gruppe von Leuchtdioden ist, während der Intervalle, in welchen die Leuchtdioden nicht-leitend sind. Dies gewährleistet die Versorgungskontinuität der Lampe, während die Leuchtdioden beim Nulldurchgang der Wechselstromversorgung nicht-leitend sind. Der Strom kann von einem Schalter unterbrochen werden, der von einem den Strom durch die Leuchtdioden überwachenden Schaltkreis gesteuert wird. Wenn der Strom auf ein Niveau abfällt, der auf einen Ausfall einer bestimmten Anzahl von Leuchtdioden schließen lässt, wird der Schalter geöffnet oder er kann in Abhängigkeit eines Betriebs-Controllers betätigt werden.
  • Aus der Patentschrift US 6,147,617 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fehlerdetektion von im Freien aufgestellten Anzeigen bekannt. Solche Anzeigen sind aus lichtemittierenden Elementen aufgebaut, beispielsweise aus farbigen Leuchtdioden und kleinen Phosphoranzeigeröhrchen in Matrixform, um Zeichen-basierte Informationen, Standbilder, dynamische Bilder usw. auszugeben. Die Anzeige weist einen Schaltkreis zur Fehlerdetektion auf, der ein Einheitspixel mit einer Vielzahl an Leuchtdioden, einen Pixeltreiber, einen Detektor mit Spannungsteiler und einen Operationsverstärker umfasst. Im ausgeschalteten Zustand wird ein Kriechstrom durch die Leuchtdioden in eine Spannung umgewandelt, mit dem der Spannungsteiler beaufschlagt wird. Der Ausgang des Spannungsteilers wird durch einen Operationsverstärker mit einem Referenzwert verglichen. Ist der Ausgang des Spannungsteilers kleiner, so ist ein Ausfall der Einheitspixel detektiert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lichtzeichen sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Zeichens der eingangs genannten Art bereitzustellen, so dass bei vertretbarem technischen Aufwand die Funktionsfähigkeit des Zeichens sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand überwacht werden kann.
  • Eine Teilaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lichtzeichen der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Durch eine Begrenzung des sich nach dem Einschalten der Lichtquelle aufbauenden Stromes durch die Leuchtdioden nach Zeitdauer oder Stärke kann die unmittelbar eintretende Lichtaussendung der LED derart eingeschränkt werden, dass sie vom Betrachter auch bei Dunkelheit nicht mehr wahrnehmbar ist. Dadurch werden die Verkehrsteilnehmer störende Lichtblitze vermieden. Als Kriterium für die Funktionsfähigkeit wird der Stromanstieg durch die Leuchtdioden verwendet.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Überwachungseinrichtung des Lichtzeichens Schaltmittel zum Abschalten der eingeschalteten Bestromung bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Stromstärke. Die Begrenzung des durch die Leuchtdioden fließenden elektrischen Stromes wird hier durch Vorgabe eines maximalen Schwellenwertes erreicht, bei dem die sich aufbauende LED-Stromstärke abgeschaltet wird. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung dieser Stromregelung können in vorteilhafter Weise Teile der bestehenden Stromüberwachungseinrichtung aus der Glühlampentechnik verwendet und somit der Schaltungsaufwand minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Schaltmittel als digitale Logikschaltung mit einem Speicherelement ausgebildet. Die Realisierung der LED-Strombegrenzung kann so beispielsweise durch Verwendung eines D-Flip-Flops als Speicherelement sowie mittels weiterer Standard-Bauelemente der Halbleiterschaltungstechnik erfolgen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungseinrichtung ferner zum Messen der an den bestromten Leuchtdioden abfallenden Spannung ausgebildet. Durch diese getrennte Zusatzüberwachung der Spannung kann eine ausgefallene Leuchtdiode trotz LED-Stromflusses, etwa bei einem Kurzschluss, festgestellt werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Funktionsprüfung eines erfindungsgemäßen Lichtzeichens.
  • In weiteren vorteilhaften Ausbildungen sind die Lichtquellen als eine Kette von in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder als ein Cluster von miteinander verbundenen Leuchtdioden angeordnet. Mit Vorteil findet dies Anwendung bei der Gestaltung von Lichtzeichen mit linienförmigen Symbolen oder flächigen Gebilden.
  • Vorzugsweise sind erfindungsgemäße Lichtzeichen mit Funktionsüberwachung bei Verkehrszeichen, insbesondere bei solchen mit wechselnder Darstellungsmöglichkeit unterschiedlicher Zeichen, oder bei Lichtsignalanlagen, also der allgemein bekannten Verkehrsampel, einsetzbar.
  • Die andere Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 8 genannten Merkmalen. In dem die Bestromung der Leuchtdioden zunächst eingeschaltet wird, ein die Stromstärke durch die Leuchtdioden repräsentierendes Stromüberwachungssignal generiert wird, und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für das Stromüberwachungssignal die Bestromung wieder ausgeschaltet wird, werden die als Leuchtdioden ausgebildeten Lichtquellen des Lichtzeichens bei der Funktionsüberwachung derart begrenzt bestromt, dass lediglich eine vom Betrachter nicht mehr wahrnehmbare Lichtaussendung erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausführung des erfindungemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein die an den bestromten Leuchtdioden abfallende Spannung repräsentierendes Spannungsüberwachungssignal generiert. Das Spannungsüberwachungssignal wird als Zusatzkriterium bei der Beurteilung der Funktionsfähigkeit einer Leuchtdiode herangezogen, um bei einer positiven LED-Bestromung einen Kurzschluss ausschließen zu können.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestromung in einem inaktiven Zustand oder periodisch in einer inaktiven Phase der Leuchtdiode. Damit kann die Funktionsüberwachung sowohl durchgeführt werden, wenn das Lichtzeichen - auch für einen längeren Zeitraum von mehreren Monaten - nicht im Betrieb ist, als auch während des Betriebes, in dem die reguläre LED-Bestromung periodisch für eine kurze Phase ausgeschaltet wird, in welcher dann die noch kürzere Testbestromung stattfindet.
  • Ein Ausführungsbeispiel sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in deren
    • FIG 1
    eine Schaltung zur Stromregelung in einem erfindungsgemäßen Lichtzeichen, in
    FIG 2
    die Zeitabschnitte eines LED-Ansteuersignals und in
    FIG 3
    die Logikschaltung als Schaltmittel der Überwachungseinrichtung

    schematisch dargestellt sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Lichtzeichen, etwa ein Wechselverkehrszeichen für die wechselweise Darstellung unterschiedlicher Verkehrszeichen, wird beispielsweise in einer als Schilderbrücke über Fahrbahnen ausgebildeten Außenanlage erzeugt. Die Außenanlage weist einen Netzanschluss zur Spannungsversorgung der LED-Ketten auf, wofür ein handelsübliches Industrie-Schaltnetzteil für 48 V Gleichspannung bei einer Eingangsleistung von 100 W verwendet wird. Sie ist über einen CAN-BUS mit einer Streckenstation verbunden, die ein Modem sowie ein Steuer- und ein Mastermodul umfasst. Über eine gemeinsame Ansteuerbaugruppe sind beispielsweise 32 LED-Ketten, aufgeteilt in je vier Achtergruppen, ansteuerbar. Die Ansteuerbaugruppe enthält einen Digitalteil und einen Analogteil. Der Digitalteil weist Module für die Initialisierung, die Baugruppenerkennung, die Schreib-Lese-Logik, ein Testregister, die Freigabelogik für den Normal- und den Testbetrieb, die LED-Stromeinstellung sowie die Strom- und Spannungsüberwachung auf, während die 32 LED-Stromregler den Analogteil bilden. Bis zu 8 solcher Ansteuerbaugruppen können an eine gemeinsame Steuereinheit angeschlossen werden. Die Steuerung erfolgt über ein Prozessor-Modul, das ein gespeichertes Programm zur Ansteuerung und Überwachung der LED-Ketten ausführt.
  • In einem Wechselverkehrszeichen für den Einsatz auf Bundesautobahnen besteht eine Leuchtdioden-Kette z.B. aus 11 bis 19 in Reihe geschalteter Leuchtdioden LED. Jede LED-Kette wird gemäß FIG 1 von einem als Stromquelle geschalteten Transistor Q3 angesteuert. Als Führungsgröße für die Stromstärke dient die Ausgangsspannung eines Digital-Analog-Wandlers DAC, welche über einen Transistor Q4 an die Basis des Transistors Q3 gelegt wird. Liegt am LED-Einschaltsignal LE ein positives Ansteuersignal an, stellt sich nach einer schaltungsbedingten Verzögerungszeit von ca. 1 µs im Transistor Q3 ein Kollektorstrom ein, der näherungsweise dem Quotienten aus der Spannung des Wandlers DAC und dem Widerstand R5 entspricht. Dieser Konstantstrom fließt abzüglich eines geringen durch die Widerstände R2 und R3 fließenden Querstromes als Arbeitsstrom durch die LED-Kette. Der Kettenstrom ruft seinerseits einen Spannungsabfall in einem der LED-Kette vorgeschalteten Widerstand R1 hervor, der bei Erreichen der Kollektor-Emitter-Schwelle eines Transistors Q1 diesen durchsteuert und das Stromüberwachungssignal IO generiert. Über Widerstände R2 und R3 wird außerdem ein Transistor Q2 angesteuert, wenn der Spannungsabfall über der LED-Kette einen durch das Spannungsteilerverhältnis R2 zu R3 eingestellten Wert erreicht, und so über den Transistor Q2 ein Spannungsüberwachungssignal UO generiert wird. Zur Signalwandlung auf TTL-Pegel dienen dabei Widerstände R6 und R7 bzw. R8 und R9. Die Überwachungssignale IO und UO werden in der Ansteuerbaugruppe gespeichert und an die Steuereinheit zurückgemeldet und dort verarbeitet. Die Stromüberwachung erfolgt für alle Ketten mit einer einheitlichen, fixen Schwelle: Der Stromsensorausgang zeigt "AUS", wenn der Kettenstrom geringer als 4 mA und er zeigt "EIN", wenn er größer als 7 mA ist. Ebenso erfolgt die Spannungsüberwachung aller LED-Ketten mit einer einheitlichen, fixen Schwelle. Im Testbetrieb werden zyklisch alle LED-Ketten geprüft und Stromfehler innerhalb von 10 s gefunden. Im Normal- und Testbetrieb führt zum Ausfall einer LED-Kette, wenn der Vorgabe-Sollwert für die Spannung "EIN" und gleichzeitig der gemessene Ist-Sensorwert für die Stromstärke "AUS" zeigt. Ein Stromfehler führt nur dann zum Abschalten, wenn ein aktuell benötigtes Zeichen nicht mehr erkennbar dargestellt werden kann. Ein Zeichen gilt als nicht mehr darstellbar, wenn die Zahl der fehlerhaften LED-Ketten das versorgte Limit überschreitet.
  • Das LED-Ansteuersignal bei aktiver Lichtquelle ist gemäß FIG 2 periodisch aufgebaut mit einer Periodendauer TPeriode von beispielsweise 10,0 ms. Eine Periode beginnt mit dem Startpunkt t0 und ist unterteilt in eine Leuchtzeit TLeucht, also der maximalen LED-Bestromungszeit von z.B. 9,0 ms, und eine Testzeit TPause von z.B. 1,0 ms. Die Leuchtzeit TLeucht setzt sich zusammen aus der tatsächlichen Bestromungszeit TStrom, die zum Dimmen abhängig von der Umgebungshelligkeit etwa das 0,1- bis 1,0-fache der Leuchtzeit TLeucht beträgt. Während der Testzeit TPause erfolgt der maximal 0,3 µs lange Testpuls TTest zur Funktionsüberwachung der LED-Kette. Dabei ist durch die Impulslänge gewährleistet, dass die LED-Bestromung keine einen Verkehrsteilnehmer störende Lichtaussendung zur Folge hat. Der Testpuls TTest kann natürlich nicht nur in einer periodischen Unterbrechung der Leuchtzeit TLeucht erfolgen, sondern auch in einem länger andauernden inaktiven Zustand der Lichtquelle, damit die Verfügbarkeit des Lichtzeichens für eine sicherheitsrelevante Anwendung jederzeit überprüfbar ist.
  • Die zum Zwecke einer Vermeidung von sichtbaren Lichtblitzen erforderliche maximale LED-Bestromungszeit wird durch Ergänzung der Stromreglerschaltung - wie in FIG 1 beschrieben - mit einer Logikschaltung gemäß FIG 3 erreicht. Das LED-Einschaltsignal LE wird über den Ausgang OR_out eines ODER-Gatters OR, z.B. vom Typ 74HC32, gesteuert. Bei regulärer LED-Bestromung ist der Eingang OR_in1 gleich 1 und damit der Ausgang OR_out ebenfalls 1. Im Testbetrieb ist der LED-Input OR_in1 gleich 0 und der Test-Input gleich 1. Dieser liegt am einen Eingang XOR_in2 eines EXODER-Gatters XOR, z.B. vom Typ 74HC86, an. Am anderen Eingang XOR_in1 liegt zunächst der Zustand 0 an, so dass der Ausgang XOR_out aufgrund der verschiedenen Eingangszustände den Wert 1 annimmt. Der Ausgang XOR_out ist mit dem zweiten Eingang OR_in2 des ODER-Gatters OR verbunden, der damit ebenfalls den Wert 1 annimmt. Folglich ist OR_out gleich 1, wodurch die LED-Testbestromung einschaltet. Der Eingang XOR_in1 ist mit dem Ausgang FF_Q_out eines taktzustandgesteuerten D-Flip-Flops FF, z.B. vom Typ 74HC74, verbunden, an dessen D-Eingang FF_Reset das Signal des Test-Inputs anliegt, also der Wert 1. Das Flip-Flop FF reagiert erst auf den Ausgangszustand, wenn am C-Eingang FF_Clock die Taktvariable den Wert 1 annimmt. Dies ist dann der Fall, wenn die Stromüberwachung IO den Wert 1 liefert, also die LED-Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat. Nun wird der Q-Ausgang FF_Q_out des Flip-Flops FF den Wert 1 annehmen, entsprechend Q den Wert 0. Zum einen wechselt dadurch der Eingangszustand bei XOR_in1 von 0 auf 1, was zu einem Ausgangszustand XOR_out von 0 führt; dies schaltet über das OR-Gatter die LED-Bestromung ab. Zum anderen wird über FF_Q_out gleich 1 signalisiert, dass die LED-Kette in Ordnung ist.

Claims (10)

  1. Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, mit Lichtquellen zum Erzeugen des Zeichens und einer Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung der Lichtquellen, wobei die Lichtquellen als Leuchtdioden (LED) und die Überwachungseinrichtung zum begrenzten Bestromen der Leuchtdioden (LED) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung Schaltmittel zum Abschalten der eingeschalteten Bestromung bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Stromstärke umfasst, wobei die Bestromungszeit derart begrenzt ist, dass die Lichtaussendung der Leuchtdioden (LED) von einem Betrachter nicht wahrnehmbar ist.
  2. Lichtzeichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel als digitale Logikschaltung mit einem Speicherelement (FF) ausgebildet sind.
  3. Lichtzeichen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung ferner zum Messen der an den bestromten Leuchtdioden (LED) abfallenden Spannung ausgebildet ist.
  4. Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen als eine Kette von in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LED) angeordnet sind.
  5. Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen als ein Cluster von mit einander verbundenen Leuchtdioden (LED) angeordnet sind.
  6. Verkehrszeichen, insbesondere zur wechselnden Darstellung unterschiedlicher Zeichen, mit einem Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Lichtsignalanlage, insbesondere Verkehrsampel, mit einem Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  8. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Lichtzeichens zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, mit als Leuchtdioden (LED) ausgebildeten Lichtquellen zum Erzeugen des Zeichens, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Leuchtdioden (LED) eingeschaltet wird, dass ein die Stromstärke durch die Leuchtdioden (LED) repräsentierendes Stromüberwachungssignal generiert wird, und dass bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für das Stromüberwachungssignal die Bestromung ausgeschaltet wird, wobei die Bestromungszeit derart begrenzt ist, dass die Lichtaussendung der Leuchtdioden (LED) von einem Betrachter nicht wahrnehmbar ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein die an den bestromten Leuchtdioden abfallende Spannung repräsentierendes Spannungsüberwachungssignal generiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung in einem inaktiven Zustand oder periodisch in einer inaktiven Phase der Leuchtdioden erfolgt.
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