EP2113439A2 - Lichtsignal - Google Patents

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EP2113439A2
EP2113439A2 EP20090158003 EP09158003A EP2113439A2 EP 2113439 A2 EP2113439 A2 EP 2113439A2 EP 20090158003 EP20090158003 EP 20090158003 EP 09158003 A EP09158003 A EP 09158003A EP 2113439 A2 EP2113439 A2 EP 2113439A2
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EP
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filament
led
light
arrangement
light signal
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EP20090158003
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Eike Berg
Uwe Frost
Ulrich Kreplin
Jörg Liebscher
Jan Oertel
Norbert PÖPPLOW
Michael Zabel
Dirk Zimmermann
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Siemens AG
Original Assignee
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
    • B61L5/1854—Mounting and focussing of the light source in a lamp, fixing means
    • 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]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2111/00—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00
    • F21W2111/02—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00 for roads, paths or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a light signal with a designed for a filament assembly optical system for emitting the light in at least one solid angle, in particular for the presentation of signal terms in rail-bound traffic routes.
  • a filament arrangement of an incandescent lamp is predominantly used as the illuminant, the light of which is directed by means of an optical system into a defined solid angle for distant vision and frequently additionally a second defined solid angle for near vision.
  • Light signals for railway safety systems usually form a complex system, consisting of incandescent lamp, color wheel, lens system, cover glass and possibly an additional lens. This system is optimally matched to the characteristic properties of the special filament arrangement of the incandescent lamp used.
  • the complexity of the optical system is also due to the fact that as different attachment and observation points, curve radii of the rail and detection distances must be realized.
  • a disadvantage of the use of filament arrangements as light sources is especially their relatively short life, which also very different and hardly predictable.
  • LEDs are based on a completely different principle - light-emitting diodes. LEDs generate light by electrical excitation of a semiconductor. Up to 40% of the energy used is converted into light. LEDs are also small, rugged, and durable, with a lifespan of up to 100,000 operating hours. Due to continuous development of LED technology, LEDs have become available that also meet the stringent requirements of railway light signals with regard to luminous flux height and color consistency. Due to the continuous development of LEDs, there is an increasing need to replace filament arrays with LED arrays. The problem here is especially the optical adjustment, since the existing optical system is tuned to the specific radiation characteristics of the filament arrangement. LEDs have a completely different radiation characteristic, so that usually the complete optical system must be replaced by a LED-specific optical system, such as in the EP 1 457 945 A1 and the US Pat. No. 6,249,375 B1 described.
  • EP 1 538 059 B1 proposed to arrange between the LED array and the existing optical system another optical system whose focal point with the light entry side focal point of the existing optical system coincides.
  • an optical adaptation of a modern LED arrangement results on the proven optical system for filament arrangements.
  • a disadvantage of this light signal design is in addition to the need to intervene quasi an additional optical system, the resulting increase in the design, in particular the length of the entire light signal and thus the light signal housing.
  • it is not expected that the focus focusing of the LED light enables an accurate image of the filament arrangement. This results in light losses and ultimately a deterioration of the optical properties of the light signal.
  • the invention is therefore based on the object to provide a light signal of the generic type, which allows the further use of the existing optical system and also the essential components of the light signal housing without loss of optical quality.
  • the object is achieved in that the filament arrangement is replaced by an LED arrangement with filament-specific characteristics, in particular with regard to geometric dimensions, luminous flux level and luminous flux distribution.
  • the invention is based on the finding that the filament geometry and its luminous flux characteristics can be reproduced by one or more LEDs of the latest generation. Suitable for this purpose are, for example, small, rod-shaped LEDs of the CL-L100 series from Citizen Electronics Co Ltd. With these elongated light surfaces there is the possibility to produce filament shapes, what with the widespread round radiating surfaces of older LED generations could not be realized with the required form faithfulness.
  • the high-quality optical system of proven design ensures optimum illumination of the relevant spatial angle for the visibility of the signal concept, in particular by the operating personnel of the rail-bound means of transport.
  • the LED array has at least one LED and an optical element and that means for emitting a portion of the total light is provided in the direction of designed for the filament arrangement Nahstreuadors.
  • the one or more LEDs are combined with the optical element such that a luminous flux results, which is comparable to the luminous flux of the filament arrangement, wherein additionally an existing near-scattering mirror is illuminated by means of the special device.
  • the basic system to be adopted can already be designed for the long-range and short-range representation of signal terms, for example, by a special optics at the bottom of the optical system for light scattering down, that is in the bottom direction.
  • the reusability of the optical system in suitability of the same for the far-range and the near-range representation of signal terms, for example by Nahstreuador or special optics, is particularly advantageous because of its high quality.
  • the optical element according to claim 3 may be provided with a reflecting surface, through which a part of the total light is deflected in the direction of the near-scattering mirror.
  • At least one LED of the LED arrangement especially for the illumination of the near-scattering mirror according to claim 5.
  • the LED arrangement can also be formed without an additional optical element and according to claim 4, only comprise a plurality of LEDs, which simulate quasi directly the filament.
  • each multi-filament incandescent lamp can be simulated by the replica of each individual filament by appropriately shaped or arranged LEDs.
  • FIG. 1 illustrated conventional filament light signal consists essentially of an incandescent lamp 1 with coiled Filament 2 and a greatly simplified indicated optical system 3.
  • a near-scattering mirror 4 is shown, which may be provided according to the intended use. It can be seen that the coiled filament 2 when viewed from the side has a rotationally symmetrical luminous flux distribution, which is indicated by arrows.
  • the near-scattering mirror 4 collects part of the luminous flux emitted to the rear and reflects it again in the direction of the optical system 3, which radiates this luminous flux into the near area, thereby improving the near-vision visibility of the light signal.
  • a filament light signal in top view FIG. 2 wherein here no near-scattering mirror 4 is provided.
  • the effect of the spatial extent of the filament 2 can be seen. Every smallest surface segment of the filament 2 emits luminous flux. The individual luminous fluxes are superimposed and impinge on the optical system 3.
  • the luminous flux of the filament 2 which is relevant for the signal effect is that which strikes the optical system 3 and, if present, the near-scattering mirror 4.
  • FIG. 3 shows a first variant of an LED light signal with near-scattering mirror 4.
  • at least one LED 5 is provided, which is combined with an optical element 6 such that a luminous flux results, which corresponds to the relevant luminous flux of the incandescent lamp 1 Figures 1 and 2 as similar as possible.
  • the optical element 6 may be, for example, an optical lens or else a combination of at least one lens and light-conducting components.
  • the optical element 6 may be additionally equipped with reflective surfaces 7, which a part of the total light to the rear in Diverge towards the near-surface mirror 4. It is also possible to illuminate the near-scattering mirror 4 by separate LEDs, which are arranged on the rear of the optical element 6 instead of the reflecting surface 7.
  • a plurality of LEDs 5 are spatially combined in such a way that the geometric dimensions of the filament 2 of Figures 1 and 2 be simulated as far as possible.
  • Each individual LED 5 produces its own luminous flux in this arrangement.
  • the superposition of the individual light streams then leads to a total luminous flux, which comes close to the required for the optimal effect of the optical system 3 luminous flux.
  • a luminous flux in the direction of a near-scattering mirror 4 can also be realized here by at least one rear-emitting LED.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal mit einem für eine Glühfadenanordnung konzipierten optischen System (3) zur Abstrahlung des Lichts in mindestens einen Raumwinkel, insbesondere zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen. Um LEDs (5) unter Beibehaltung des optischen Systems (3) verwenden zu können, ist vorgesehen, dass die Glühfadenanordnung durch eine LED-Anordnung mit glühfadenspezifischen Charakteristika, insbesondere hinsichtlich geometrischer Abmessungen, Lichtstromhöhe und Lichtstromverteilung, ersetzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal mit einem für eine Glühfadenanordnung konzipierten optischen System zur Abstrahlung des Lichts in mindestens einen Raumwinkel, insbesondere zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen.
  • Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf Leuchtzeichen oder Lichtsignale zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, ohne dass der beanspruchte erfinderische Gegenstand auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
  • Bei bekannten Lichtsignalen wird als Leuchtmittel überwiegend eine Glühfadenanordnung einer Glühlampe verwendet, deren Licht mittels eines optischen Systems in einen definierten Raumwinkel für Fernsicht und häufig zusätzlich einen zweiten definierten Raumwinkel für Nahsicht gerichtet wird. Lichtsignale für eisenbahnsicherungstechnische Anlagen bilden in der Regel ein komplexes System, bestehend aus Glühlampe, Farbscheibe, Linsensystem, Abschlussglas und eventuell einer zusätzlichen Streuscheibe. Dieses System ist dabei optimal auf die charakteristischen Eigenschaften der speziellen Glühfadenanordnung der jeweils verwendeten Glühlampe abgestimmt. Die Komplexität des optischen Systems ist auch darin begründet, dass möglichst unterschiedliche Anbringungs- und Beobachtungspunkte, Kurvenradien des Schienenweges und Erkennungsweiten realisiert werden müssen. Nachteilig bei der Verwendung von Glühfadenanordnungen als Leuchtmittel ist vor allem deren relativ geringe Lebensdauer, welche außerdem sehr unterschiedlich und kaum vorhersagbar ist. Dadurch kann es zu Ausfällen kommen, die erhebliche Störungen im Bahnbetriebsablauf verursachen. Nachteilig bei der klassischen Glühfadenanordnung ist weiterhin, dass nur maximal 5 % der eingesetzten Energie in Licht umgewandelt werden, während der restliche Energieeinsatz als Wärme verpufft. Auch Halogenlampen funktionieren nach dem Glühfadenprinzip, sind aber etwas effizienter.
  • Auf einem gänzlich anderen Prinzip beruhen LEDs - lichtemittierende Dioden. LEDs erzeugen Licht durch elektrische Anregung eines Halbleiters. Dabei werden bis zu 40 % des Energieeinsatzes in Licht umgewandelt. LEDs sind außerdem klein, robust und langlebig, wobei eine Lebensdauer von bis zu 100.000 Betriebsstunden erreichbar ist. Durch ständige Weiterentwicklung der LED-Technik sind LEDs verfügbar geworden, die auch den hohen Anforderungen der Eisenbahn-Lichtsignale hinsichtlich Lichtstromhöhe und Farbkonstanz genügen. Infolge der ständigen Weiterentwicklung der LEDs ergibt sich zunehmend die Notwendigkeit, Glühfadenanordnungen durch LED-Anordnungen zu ersetzen. Problematisch dabei ist vor allem die optische Anpassung, da das vorhandene optische System auf die spezielle Abstrahlcharakteristik der Glühfadenanordnung abgestimmt ist. LEDs besitzen eine gänzlich andere Abstrahlcharakteristik, sodass in der Regel das komplette optische System durch ein LED-spezifisches optisches System ersetzt werden muss, wie beispielsweise in der EP 1 457 945 A1 und der US 6 249 375 B1 beschrieben.
  • Um das hochkomplexe optische System weiterverwenden zu können, wurde gemäß EP 1 538 059 B1 vorgeschlagen, zwischen der LED-Anordnung und dem vorhandenen optischen System ein weiteres optisches System anzuordnen, dessen Brennpunkt mit dem lichteintrittseitigen Brennpunkt des vorhandenen optischen Systems übereinstimmt. Auf diese Weise ergibt sich eine optische Anpassung einer modernen LED-Anordnung auf das bewährte optische System für Glühfadenanordnungen. Nachteilig bei dieser Lichtsignal-Gestaltung ist neben der Notwendigkeit, ein zusätzliches optisches System quasi zwischenzuschalten, die sich dadurch ergebende Vergrößerung der Bauform, insbesondere der Länge, des gesamten Lichtsignals und damit des Lichtsignal-Gehäuses. Darüber hinaus ist nicht zu erwarten, dass die Brennpunktfokussierung des LED-Lichts eine exakte Abbildung der Glühfadenanordnung ermöglicht. Daraus resultieren Lichtverluste und letztlich eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Lichtsignals.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lichtsignal der gattungsgemäßen Art anzugeben, das ohne Einbuße an optischer Qualität die Weiterverwendung des vorhandenen optischen Systems und auch der wesentlichen Baugruppen des Lichtsignal-Gehäuses ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Glühfadenanordnung durch eine LED-Anordnung mit glühfadenspezifischen Charakteristika, insbesondere hinsichtlich geometrischer Abmessungen, Lichtstromhöhe und Lichtstromverteilung, ersetzt ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Glühfadengeometrie und deren Lichtstromcharakteristika durch eine oder mehrere LEDs der neuesten Generation nachbilden lassen. Geeignet dazu sind beispielsweise kleine, stabförmige LEDs der Serie CL-L100 der Citizen Electronics Co Ltd. Mit diesen länglichen Leuchtflächen ergibt sich die Möglichkeit, Glühfadenformen herzustellen, was mit den weitverbreiteten runden Abstrahlflächen älterer LED-Generationen nicht mit der erforderlichen Formtreue realisierbar war.
  • Das qualitativ hochwertige optische System bewährter Bauart sorgt für die optimale Ausleuchtung des für die Sichtbarkeit des Signalbegriffes, insbesondere durch das Bedienungspersonal der schienengebundenen Verkehrsmittel, maßgeblichen Raumwinkels.
  • Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die LED-Anordnung mindestens eine LED und ein Optikelement aufweist und dass eine Einrichtung zur Abstrahlung eines Teils des Gesamtlichts in Richtung eines für die Glühfadenanordnung konzipierten Nahstreuspiegels vorgesehen ist. Die eine oder auch mehrere LEDs werden dabei mit dem Optikelement derart kombiniert, dass sich ein Lichtstrom ergibt, welcher vergleichbar dem Lichtstrom der Glühfadenanordnung ist, wobei zusätzlich ein vorhandener Nahstreuspiegel mittels der speziellen Einrichtung ausgeleuchtet wird. Aber auch ohne Nahstreuspiegel kann das zu übernehmende Grundsystem bereits für die Fernbereichs- und die Nahbereichsdarstellung von Signalbegriffen konzipiert sein, beispielsweise durch eine Spezialoptik am unteren Rand des optischen Systems zur Lichtstreuung nach unten, das heißt in Bodenrichtung. Die Weiterverwendbarkeit des optischen Systems bei Eignung desselben für die Fernbereichs- und die Nahbereichsdarstellung von Signalbegriffen, beispielsweise mittels Nahstreuspiegel oder Spezialoptik, ist wegen dessen Hochwertigkeit besonders vorteilhaft.
  • Bei der Nahstreuspiegelvariante kann das Optikelement gemäß Anspruch 3 mit einer reflektierenden Fläche ausgestattet sein, durch welche ein Teil des Gesamtlichts in Richtung Nahstreuspiegel abgelenkt wird.
  • Denkbar ist auch die Verwendung mindestens einer LED der LED-Anordnung speziell für die Ausleuchtung des Nahstreuspiegels gemäß Anspruch 5.
  • Dabei kann die LED-Anordnung auch ohne zusätzliches Optikelement ausgebildet sein und nach Anspruch 4 lediglich mehrere LEDs umfassen, die quasi direkt den Glühfaden nachbilden.
  • Bei einer bevorzugten Ausbildung des Lichtsignals gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass eine Glühfadenanordnung mit Haupt- und Nebenfaden durch eine LED-Anordnung mit mindestens einer LED, die glühfadenspezifische Charakteristika des Hauptfadens nachbildet, und mindestens einer LED, die glühfadenspezifische Charakteristika des Nebenfadens nachbildet, ersetzt ist. Prinzipiell kann jede mehrfadige Glühlampe durch die Nachbildung jedes einzelnen Glühfadens durch entsprechend geformte oder angeordnete LEDs nachgebildet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Glühfaden-Lichtsignal in Seitenansicht,
    Figur 2
    ein Glühfaden-Lichtsignal in Draufsicht,
    Figur 3
    ein LED-Lichtsignal in einer ersten Ausführung und
    Figur 4
    ein LED-Lichtsignal in einer zweiten Ausführung.
  • Das in Figur 1 dargestellte herkömmliche Glühfaden-Lichtsignal besteht im Wesentlichen aus einer Glühlampe 1 mit gewendeltem Glühfaden 2 und einem stark vereinfacht angedeuteten optischen System 3. Zusätzlich ist ein Nahstreuspiegel 4 dargestellt, welcher entsprechend dem Verwendungszweck vorgesehen sein kann. Es ist ersichtlich, dass der gewendelte Glühfaden 2 bei Ansicht von der Seite eine rotationssymmetrische Lichtstromverteilung, die durch Pfeile angedeutet ist, besitzt. Der Nahstreuspiegel 4 sammelt einen Teil des nach hinten abgestrahlten Lichtstromes und reflektiert diesen wieder in Richtung optisches System 3, welches diesen Lichtstrom in den Nahbereich abstrahlt, wodurch die Nahsichterkennbarkeit des Lichtsignals verbessert wird.
  • Ein Glühfaden-Lichtsignal in der Ansicht von oben zeigt Figur 2, wobei hier kein Nahstreuspiegel 4 vorgesehen ist. Bei dieser Draufsicht ist die Wirkung der räumlichen Ausdehnung des Glühfadens 2 zu erkennen. Jedes kleinste Oberflächensegment des Glühfadens 2 emittiert Lichtstrom. Die einzelnen Lichtströme überlagern sich und treffen auf das optische System 3. Der für die Signalwirkung relevante Lichtstrom des Glühfadens 2 ist der, der auf das optische System 3 und - wenn vorhanden - auf den Nahstreuspiegel 4 trifft.
  • Figur 3 zeigt eine erste Variante eines LED-Lichtsignals mit Nahstreuspiegel 4. Dabei ist mindestens eine LED 5 vorgesehen, welche mit einem Optikelement 6 derart kombiniert ist, dass sich ein Lichtstrom ergibt, welcher dem relevanten Lichtstrom der Glühlampe 1 gemäß Figuren 1 und 2 möglichst ähnlich ist. Das Optikelement 6 kann z. b. eine optische Linse oder auch eine Kombination aus mindestens einer Linse und lichtleitenden Komponenten sein. Für die Nachbildung des Lichtstromes in Richtung Nahstreuspiegel 4 kann das Optikelement 6 zusätzlich mit reflektierenden Flächen 7 ausgestattet sein, welche einen Teil des Gesamtlichtes nach hinten in Richtung Nahstreuspiegel 4 ablenken. Es ist auch möglich, den Nahstreuspiegel 4 durch separate LED's auszuleuchten, welche anstelle der reflektierenden Fläche 7 rückwärtig an dem Optikelement 6 angeordnet sind.
  • Bei der in Figur 4 veranschaulichten Ausführungsform werden mehrere LEDs 5 derart räumlich kombiniert, dass die geometrischen Abmessungen des Glühfadens 2 der Figuren 1 und 2 soweit wie möglich nachgebildet werden. Jede einzelne LED 5 produziert bei dieser Anordnung einen eigenen Lichtstrom. Die Überlagerung der Einzellichtströme führt dann zu einem Summenlichtstrom, welcher dem für die optimale Wirkung des optischen Systems 3 erforderlichen Lichtstrom nahekommt. Gegebenenfalls kann ein Lichtstrom in Richtung eines Nahstreuspiegels 4 auch hier durch mindestens eine rückwärtig strahlende LED realisiert werden.

Claims (6)

  1. Lichtsignal mit einem für eine Glühfadenanordnung konzipierten optischen System (3) zur Abstrahlung des Lichts in mindestens einen Raumwinkel, insbesondere zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Glühfadenanordnung durch eine LED-Anordnung mit glühfadenspezifischen Charakteristika, insbesondere hinsichtlich geometrischer Abmessungen, Lichtstromhöhe und Lichtstromverteilung, ersetzt ist.
  2. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Anordnung mindestens eine LED (5) und ein Optikelement (6) aufweist und dass eine Einrichtung zur Abstrahlung eines Teils des Gesamtlichts in Richtung eines für die Glühfadenanordnung konzipierten Nahstreuspiegels (4) vorgesehen ist.
  3. Lichtsignal nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als reflektierende Fläche (7) des Optikelementes (6) ausgebildet ist.
  4. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Anordnung mehrere LEDs (5) aufweist und dass eine Einrichtung zur Abstrahlung eines Teils des Gesamtlichts in Richtung eines für die Glühfadenanordnung konzipierten Nahstreuspiegels (4) vorgesehen ist.
  5. Lichtsignal nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens eine LED (5) der LED-Anordnung aufweist.
  6. Lichtsignal nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Glühfadenanordnung mit Haupt- und Nebenfaden durch eine LED-Anordnung mit mindestens einer LED (5), die glühfadenspezifische Charakteristika des Hauptfadens nachbildet, und mindestens einer LED (5), die glühfadenspezifische Charakteristika des Nebenfadens nachbildet, ersetzt ist.
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