EP1535820B1 - Lichtsignal - Google Patents

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EP1535820B1
EP1535820B1 EP04090430A EP04090430A EP1535820B1 EP 1535820 B1 EP1535820 B1 EP 1535820B1 EP 04090430 A EP04090430 A EP 04090430A EP 04090430 A EP04090430 A EP 04090430A EP 1535820 B1 EP1535820 B1 EP 1535820B1
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EP
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led
light
optics
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light signal
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Wolfgang Ernst
Alexander Otto
Norbert PÖPPLOW
Harald Walter
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1845—Optical systems, lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2207/00—Features of light signals
    • B61L2207/02—Features of light signals using light-emitting diodes [LEDs]

Definitions

  • the invention relates to a light signal with LED modules according to the preamble of claim 1.
  • Illuminated or light signals based on LED (light-emitting diodes) instead of incandescent lamps are increasingly used in many areas, especially in railway signaling.
  • LEDs are comparatively inexpensive, durable and bright.
  • the following explanations essentially relate to the far-range and short-range representation of signal terms in rail-bound traffic routes, without the claimed inventive subject matter being restricted to this application.
  • Known LED light signals consist essentially of a grid-like arrangement of LED, which are each equipped with a reflector, wherein optionally additionally at least one light-bundling optical element and a front screen are provided.
  • the light distribution in particular with regard to the near and far areas, is often unsatisfactory.
  • the invention has for its object to provide a light signal of the generic type, which has an optimal radiation characteristics. It is desirable, for different attachment and observation points, curve radii of the rail and detection distances a single emission to realize in order to enable universal usability of the light signal.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the desired radiation characteristics for near and far range results from the assignment of multiple LED to a bundling optics, wherein at least one short-range LED cooperates with a light guide, which directs the LED light in the vicinity of the exit surface of the optics, where it is relatively disordered before everything exits sideways and down.
  • the light distribution in the near range can be influenced by the surface and edge design of the light guide.
  • a change in the distribution characteristic, which primarily affects the far field, is possible by changing the surface geometry of the light exit surface of the optics.
  • four LED are provided per LED module, which can be blacked by the arrangement of the lower region of the optic sun-absorbing.
  • four standard LEDs are used in SMD construction. The LEDs do not have to be operated at the upper limit of their power range, so that a longer service life is to be expected.
  • the SMD design can also be implemented in modern chip-on-board technology. In this way, several compatible technologies are available for different LED designs, thereby improving product availability.
  • the far-end area needs about the same amount of light as the near-end area. Therefore, four similar LED's can be used, namely two for the far range and two for the near range.
  • the four LEDs can be interconnected differently depending on the desired safety concepts with regard to the LED failures.
  • a suitable solution is, for example, a series connection of the four LEDs, but other interconnections are conceivable.
  • the incident on the exit surface of the optic sunlight is directed completely from a position of the sun of 10 ° and higher on the absorption surface of the optics.
  • the only disturbing factor is the slight surface reflection at the exit surface. It is particularly advantageous that no sunlight passes directly into the LED, so that the dreaded effect that the LEDs are excited by the sunlight to shine, does not occur. Only with even lower sun position and frontal irradiation can a small part of the sunlight penetrate to the LED. But even then, the active LED modules appear much brighter than the reflected sunlight.
  • the useful light of the LED goes through the optics virtually unhindered. As a result, the light efficiency is so good that even with a light output of 0.2 watts per LED module sufficient light distribution can be achieved.
  • the preferred SMD LED have no conventional reflectors, their reflectivity is lower than in the conventional LED, which have a specular reflector.
  • a black matt surface can be formed around the individual LED chip by means of Chop-On-Board technology.
  • the light signal is set up several meters above the ground with approximately horizontal radiation direction.
  • the optics When mounted on the ground with the direction of radiation still up, the optics would produce extreme phantom light, as the light output and solar radiation could collapse.
  • the existing optics can be mounted upside down. This again results in a phantomlichtarme arrangement.
  • direct orientation of the signal to the signal could be prevented by suitable orientation of the light signal during ground mounting and / or by shading.
  • the optics is housed in a housing, which is advantageously used sealingly in the vicinity of the light exit surface in a matrix plate and light entry side has snap elements, in which an LED-mounted board is almost snapped.
  • the four LEDs on the board can be energized via two connection wires, which are connected to other LED modules via a multiple plug with an associated power source.
  • the LED board can be glued into a small plastic housing, which forms a lens over each of the four LEDs, if the LED itself has no lens or optics. This is especially the case with SMD construction.
  • the lenses focus the light and increase the light efficiency.
  • a dowel may be provided, wherein the optical housing is crimped by pressing into the matrix plate plastically-elastic and this causes a good seal.
  • the LEDs are connected according to claim 4 with devices for air cooling. Temperature has the biggest impact on the life of an LED.
  • the power limit values are limited by the maximum permissible temperature of the internal LED components and the heat loss generated during operation. On the one hand, the internal heat flow between the LED components determines the maximum possible limit load of an LED; On the other hand, the heat must be able to be dissipated outside the LED. Good heat dissipation also lowers the temperature level inside the LED and increases the service life accordingly.
  • the life of the LED decreases rapidly due to overheating. But even if the values are very much undercut, the service life can be impaired because internal processes do not proceed as intended.
  • An optimum in terms of light output, utilization and service life is somewhat below the recommended nominal values in an operating state. Under such conditions - in contrast to the incandescent lamp - the relative luminous efficacy, ie. H. the brightness of each power unit used.
  • An essential component of a light signal is the circuit board 2 shown in FIG. 1 and equipped with four LEDs 1a, 1b, 1c and 1d.
  • the energization of the LEDs 1a, 1b, 1c and 1d takes place via two connection wires 3a and 3b.
  • the two upper LEDs 1a and 1b are connected on the light exit side to optical fibers 4a and 4b of an optical system 5 illustrated in FIG.
  • the two approximately centrally arranged on the board 2 LED 1c and 1d emit their light on the upper part of a lens body 6 of the optics 5.
  • the lower part of the lens body 6 is provided both light inlet side and shell side with an absorption surface 7 for sunlight.
  • Figure 3 shows the LED board 2 in the assembled state.
  • the optic 5 is housed in a housing 8, which is sealingly pressed close to the light exit surface of the optic 5 in a matrix plate 9 and has rear locking elements for inserting the LED board 2.
  • the LED 1a. 1b. 1c, 1d are equipped with front lenses 11 for pre-focusing the LED light and that the LED board 2 is connected to the heat dissipation with a rib-shaped heat sink 12.
  • the light of the upper LED 1a and 1b, which is radiated into the light guides 4a and 4b, is thereby scattered relatively wide, in particular downwards and to the side, so that an optimal recognizability of the signal term results in the near range.
  • Some short-range beams are labeled 13.
  • beams 14 which result essentially from the light of the LEDs 1c and 1d are produced by the lens body 6.
  • Incident sunlight 15 is directed above a sun's position of 10 ° above the horizon through the optics 5 completely on the absorption surface 7 that phantom light can not occur.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal mit LED-Modulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Leuchtzeichen oder Lichtsignale auf der Basis von LED (lichtimitierende Dioden) anstelle von Glühlampen werden in vielen Bereichen, insbesondere in der Bahnsignaltechnik, zunehmend angewendet. LED sind vergleichsweise preiswert, langlebig und lichtstark. Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf die Fernbereichs- und Nahbereichsdarstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, ohne dass der beanspruchte erfinderische Gegenstand auf diese Anwendung beschränkt sein soll. Bekannte LED-Lichtsignale bestehen im Wesentlichen aus einer rasterartigen Anordnung von LED, welche jeweils mit einem Reflektor ausgestattet sind, wobei gegebenenfalls zusätzlich mindestens ein lichtbündelndes Optikelement sowie eine Frontscheibe vorgesehen sind. Die Lichtverteilung, insbesondere im Hinblick auf den Nah- und Fernbereich, ist häufig unbefriedigend. Durch Sonnenlichtreflektionen an den Oberflächen der Optik und der LED kann bei tiefstehender Sonne der resultierende Phantomlichtanteil derart erheblich sein, dass die Erkennbarkeit des vorgesehenen Signalbegriffs erheblich beeinträchtig ist. Die Signalhelligkeit ist oft zu gering.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtsignal der gattungsgemäßen Art anzugeben, das eine optimale Abstrahlcharakteristik aufweist. Dabei ist anzustreben, für unterschiedliche Anbringungs- und Beobachtungspunkte, Kurvenradien des Schienenweges und Erkennungsweiten eine einzige Abstrahlcharakteristik zu realisieren, um universelle Einsetzbarkeit des Lichtsignals zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die gewünschte Abstrahlcharakteristik für Nah- und Fernbereich ergibt sich durch die Zuordnung mehrerer LED zu einer bündelnden Optik, wobei mindestens eine Nahbereichs-LED mit einem Lichtleiter zusammenwirkt, der das LED-Licht in die Nähe der Austrittsfläche der Optik leitet, wo es relativ ungeordnet vor allem seitlich und nach unten austritt. Dabei ist die Lichtverteilung im Nahbereich durch die Oberflächen- und Kantenausführung des Lichtleiters beeinflussbar. Eine Veränderung der Verteilungscharakteristik, die sich vorwiegend auf den Fernbereich auswirkt, ist durch die Veränderung der Flächengeometrie der Lichtaustrittfläche der Optik möglich.
  • Gemäß Anspruch 2 sind pro LED-Modul vier LED vorgesehen, wobei durch deren Anordnung der untere Bereich der Optik sonnenlichtabsorbierend geschwärzt sein kann. Vorzugsweise werden vier Standard-LED in SMD-Bauweise verwendet. Die LED müssen dabei nicht an der Obergrenze ihres Leistungsbereiches betrieben werden, so dass eine verlängerte Lebensdauer zu erwarten ist. Die SMD-Bauweise kann auch in moderner Chip-On-Board-Technik ausgeführt sein. Auf diese Weise stehen mehrere kompatible Technologien für unterschiedliche LED-Bauweisen zur Verfügung, wodurch die Produktverfügbarkeit verbessert wird.
  • Es wurde festgestellt, dass der Fernbereich etwa gleich viel Licht benötigt wie der Nahbereich. Deshalb können vier gleichartige LED, nämlich zwei für den Fernbereich und zwei für den Nahbereich, verwendet werden.
  • Die vier LED können in Abhängigkeit der angestrebten Sicherheitskonzepte bezüglich der LED-Ausfälle unterschiedlich verschaltet werden. Eine geeignete Lösung stellt beispielsweise eine Reihenschaltung der vier LED dar, aber auch andere Verschaltungen sind denkbar.
  • Das auf die Austrittsfläche der Optik einfallende Sonnenlicht wird ab einem Sonnenstand von 10° und höher komplett auf die Absorptionsfläche der Optik gelenkt. Als störend verbleibt nur der geringfügige Oberflächen-Reflex an der Austrittsfläche. Besonders vorteilhaft ist, dass kein Sonnenlicht direkt in die LED gelangt, so dass der gefürchtete Effekt, dass die LED durch das Sonnenlicht zum Leuchten angeregt werden, nicht auftritt. Erst bei noch niedrigerem Sonnenstand und frontaler Anstrahlung kann ein geringer Teil des Sonnenlichts zu den LED vordringen. Aber selbst dann erscheinen die aktiven LED-Module viel heller als das zurückgeworfene Sonnenlicht.
  • Das Nutzlicht der LED durchläuft die Optik quasi ungehindert. Dadurch ist der Lichtwirkungsgrad so gut, dass bereits bei einer Lichtleistung von 0.2 Watt pro LED-Modul eine ausreichende Lichtverteilung erzielbar ist.
  • Da die bevorzugten SMD-LED keine herkömmlichen Reflektoren besitzen, ist deren Reflexionsneigung geringer als bei den üblichen LED, welche einen spiegelnden Reflektor aufweisen. Um die Reflexionsneigung noch weiter einzuschränken, kann mittels Chop-On-Board-Technologie rund um den einzelnen LED-Chip eine schwarzmatte Oberfläche ausgebildet werden.
  • Normalerweise wird das Lichtsignal mehrere Meter oberhalb des Bodens mit annähernd horizontaler Abstrahlrichtung aufgestellt. Bei einer Bodenmontage mit Abstrahlrichtung noch oben würde die Optik extremes Phantomlicht produzieren, da die Lichtabstrahlung und die Sonneneinstrahlung zusammenfallen könnten. Für diese Einsatzfälle kann die vorhandene Optik auf dem Kopf stehend montiert werden. Dadurch ergibt sich wieder eine phantomlichtarme Anordnung. Zusätzlich könnte durch geeignete Orientierung des Lichtsignals bei Bodenmontage und/oder durch Abschattung ein direkter Sonneneinfall auf das Signal verhindert werden.
  • Nach Anspruch 3 ist die Optik in einem Gehäuse untergebracht, welches vorteilhafterweise in der Nähe der Lichtaustrittsfläche in einer Matrixplatte dichtend eingesetzt ist und lichteintrittsseitig Schnappelemente aufweist, in die eine LED-bestückte Platine quasi eingerastet wird. Die Bestromung der vier LED auf der Platine kann über zwei Anschlussdrähte erfolgen, die gemeinsam mit anderen LED-Modulen über einen Vielfachstecker mit einer zugehörigen Stromquelle verbunden sind.
  • Zusätzlich kann die LED-Platine in ein kleines KunststoffGehäuse eingeklebt sein, welches über jede der vier LED eine Linse ausgebildet, falls die LED selbst keine Linse bzw. Optik aufweist. Das ist insbesondere bei SMD-Bauweise der Fall. Die Linsen bündeln das Licht vor und erhöhen damit den Lichtwirkungsgrad.
  • Zur Befestigung der Optiken in der Matrixplatte kann eine Dübelung vorgesehen sein, wobei das Optikgehäuse durch Einpressen in die Matrixplatte plastisch-elastisch verquetscht wird und hierbei eine gute Abdichtung bewirkt.
  • Zur Wärmeabführung sind die LED gemäß Anspruch 4 mit Vorrichtungen zur Luftkühlung verbunden. Temperatur hat den größten Einfluss auf die Lebensdauer einer LED. Die Leistungsgrenzwerte sind durch die maximal zulässige Temperatur der internen LED-Bauteile und der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme limitiert. Hierbei bestimmt einerseits der innere Wärmestrom zwischen den LED-Bauteilen die maximal mögliche Grenzbelastung einer LED; andererseits muss die Wärme außerhalb der LED abgeleitet werden können. Eine gute Wärmeabfuhr senkt das Temperaturniveau auch im Inneren der LED und vergrößert entsprechend die Lebensdauer. Beim Überschreiten der festgelegten Betriebsparameter nimmt die Lebensdauer der LED durch Überhitzung rapide ab. Aber auch bei sehr starker Unterschreitung der Werte kann die Lebensdauer beeinträchtigt werden, da dann innere Prozesse noch nicht wie vorgesehen ablaufen. Ein Optimum bezüglich Lichtleistung, Ausnutzung und Lebensdauer liegt bei einem Betriebszustand etwas unterhalb der empfohlenen Nennwerte. Unter solchen Bedingungen verbessert sich - im Gegensatz zur Glühlampe - auch die relative Lichtausbeute, d. h. die Helligkeit je eingesetzter Leistungseinheit.
  • Um die Wärme optimal von den LED abzuleiten, ist eine erhebliche Anzahl von Durchkontaktierungen auf der Rückseite der LED-Platine vorgesehen. Diese Durchkontaktierungen werden auf Kupferflächen verteilt, an welche ein Aluminium-Kühlkörper angeklebt ist, der mittels Kühlrippen die Wärme an die Umgebungsluft abführt. Die Lebensdauer der Optik wird daher auch durch die Größe dieses Kühlkörpers bestimmt. Eine geringe Wärmemenge wird auch über die beiden Anschlussdrähte abgeführt und tritt in die umgebende Luft über. In weiterer Folge wird die Wärme an die Wand des Lichtsignalgehäuses und dann an die Umgebung abgeführt. Eine starke Erwärmung des Lichtsignalgehäuses durch Sonneneinstrahlung ist zu vermeiden. Dazu dienen Sonnenblenden oder aber geeignete Farbgebung. Denkbar ist aber auch eine aktive oder passive Belüftung des Lichtsignalgehäuses.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine LED-Platine,
    Figur 2
    eine Optik mit Absorptionsfläche,
    Figur 3
    ein Optikgehäuse mit Matrixplatte und LED-Platine,
    Figur 4
    eine vollbestückte Matrixplatte und
    Figur 5
    einen Querschnitt durch ein LED-Modul mit Strahlengängen.
  • Eine wesentliche Komponente eines Lichtsignals ist die in Figur 1 dargestellte, mit vier LED 1a, 1b, 1c und 1d bestückte Platine 2. Die Bestromung der LED 1a, 1b, 1c und 1d erfolgt über zwei Anschlussdrähte 3a und 3b. Die beiden oberen LED 1a und 1b sind lichtaustrittsseitig mit Lichtleitern 4a und 4b einer in Figur 2 veranschaulichten Optik 5 verbunden. Die beiden in etwa zentrisch auf der Platine 2 angeordneten LED 1c und 1d strahlen ihr Licht auf den oberen Teil eines Linsenkörpers 6 der Optik 5. Der untere Teil des Linsenkörpers 6 ist sowohl lichteintrittsseitig als auch mantelseitig mit einer Absorptionsfläche 7 für Sonnenlicht versehen. Figur 3 zeigt die LED-Platine 2 in montiertem Zustand. Die Optik 5 ist in einem Gehäuse 8 untergebracht, das nahe der Lichtaustrittsfläche der Optik 5 in eine Matrixplatte 9 abdichtend eingedrückt ist und rückwärtige Rastelemente zum Einsetzen der LED-Platine 2 aufweist. Eine mit derartigen LED-Modulen 10 voll bestückte Matrixplatte 9, die quasi die Abstrahlfläche des Lichtsignals bildet, zeigt Figur 4.
  • Aus der Querschnittsdarstellung des LED-Moduls 10 in Figur 5 ist ersichtlich, dass die LED 1a. 1b. 1c, 1d mit Frontlinsen 11 zur Vorbündelung des LED-Lichts ausgestattet sind und dass die LED-Platine 2 zur Wärmeabführung mit einem rippenförmigen Kühlkörper 12 verbunden ist. Das Licht der oberen LED 1a und 1b, das in die Lichtleiter 4a und 4b eingestrahlt wird, wird dadurch relativ breit insbesondere nach unten und zur Seite gestreut, so dass sich eine optimale Erkennbarkeit des Signalbegriffes im Nahbereich ergibt. Einige Nahbereichsstrahlen sind mit 13 gekennzeichnet. Für den Fernbereich ergeben sich durch den Linsenkörper 6 Strahlen 14, die im Wesentlichen von dem Licht der LED 1c und 1d herrühren. Einfallendes Sonnenlicht 15 wird oberhalb eines Sonnenstandes von 10° über dem Horizont durch die Optik 5 vollständig auf die Absorptionsfläche 7 gelenkt, dass Phantomlicht nicht auftreten kann.

Claims (4)

  1. Lichtsignal mit einer Mehrzahl im Wesentlichen gleichartiger LED-Module (10), insbesondere zur Fernbereichs- und Nahbereichsdarstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, wobei jedes LED-Modul (10) mindestens eine Nahbereichs-LED (1a, 1b) und mindestens eine Fernbereichs-LED (1c, 1d) sowie eine das LED-Licht bündelnde Optik (5) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Nahbereichs-LED (1a, 1b) lichtaustrittsseitig mit einem zumindest teilweise in die Optik (5) integrierten Lichtleiter (4a, 4b) verbunden ist.
  2. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jedes LED-Modul (10) zwei im Wesentlichen mittig zur Lichteintrittsfläche der Optik (5) angeordnete Fernbereichs-LED (1c, 1d) und zwei oberhalb derselben angeordnete Nahbereichs-LED (1a, 1b) aufweist, wobei die Optik (5) im unteren Bereich lichteintrittsseitig und mantelseitig eine Absorptionsfläche (7) für Sonnelicht aufweist.
  3. Lichtsignal nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Optikgehäuse (8) vorgesehen sind, welche in einer vorgelochten Matrixplatte (9) dichtend eingedrückt und gegebenenfalls zusätzlich eingedübelt sind und an die lichteintrittsseitig LED-bestückte Platinen (2) angeschnappt sind.
  4. Lichtsignal nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Platinen (2) zur Wärmeableitung Durchkontaktierungen aufweisen, welche über Kupferflächen mit rippenförmigen Kühlkörpern (12) verbunden sind.
EP04090430A 2003-11-25 2004-11-12 Lichtsignal Not-in-force EP1535820B1 (de)

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EP1535820A3 EP1535820A3 (de) 2006-06-07
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DK (1) DK1535820T3 (de)
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