EP2163455B1 - Lichtsignal - Google Patents

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EP2163455B1
EP2163455B1 EP09168648.5A EP09168648A EP2163455B1 EP 2163455 B1 EP2163455 B1 EP 2163455B1 EP 09168648 A EP09168648 A EP 09168648A EP 2163455 B1 EP2163455 B1 EP 2163455B1
Authority
EP
European Patent Office
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light
optical system
light source
light signal
filament
Prior art date
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Application number
EP09168648.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2163455A3 (de
EP2163455B8 (de
EP2163455A2 (de
Inventor
Eike Berg
Stefan Burgass
Rolf Eckl
Uwe Frost
Sergey Kudaev
Norbert PÖPPLOW
Peter Dr. Schreiber
Michael Zabel
Dirk Zimmermann
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 Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2163455A2 publication Critical patent/EP2163455A2/de
Publication of EP2163455A3 publication Critical patent/EP2163455A3/de
Publication of EP2163455B1 publication Critical patent/EP2163455B1/de
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Publication of EP2163455B8 publication Critical patent/EP2163455B8/de
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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
    • 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 a light source and an optical system for displaying signal terms in rail-bound traffic routes.
  • the main source of light used is a filament arrangement of an incandescent lamp, 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.
  • the conventional filament light signal shown consists essentially of an incandescent lamp 1 with coiled filament 2 and an optical system 3.
  • a near-scattering mirror 4 is provided, which can be provided according to the intended use.
  • the coiled filament 2 when viewed from the side has a rotationally symmetrical luminous flux distribution, which is indicated by arrows. 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 relevant for the signal effect is that which strikes the optical system 3 and, if present, the near-scattering mirror 4 - indicated by puncturing.
  • 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.
  • the optical system is usually made of color wheel 5, lens system 6 and diffuser 7 with integrated Fresnel 8 for Nahstreuauskopplung.
  • a windscreen or a cover glass may be provided.
  • the mechanical optical socket is equipped with a sun visor or barge 9, whereby a reduction of the so-called phantom light effect can be achieved.
  • the optical system 3 is optimally matched to the characteristic properties of the special filament 2 of the incandescent lamp 1 used in each case, wherein the filament 2 is at focal distance F of the optical system 3. Due to the focal position of the filament 2 this is imaged by the optical system 3 to infinity. Since the radiating surfaces of the preferably coiled filament 2 adjoin one another in the sub-millimeter range, the filament 2 appears in the far-vision region of the light signal as a homogeneously illuminated surface. For better light mixing, a diffuser disk is often additionally provided.
  • the complexity of the optical system 3 results primarily from the fact that as different mounting and observation points, curve radii of the rail and detection distances must be realized.
  • the Achsanderches according to a) is set via the electrical power of the light signal.
  • To select the signal color according to b) are correspondingly colored glass filter inserts.
  • the uniformly bright illumination of the light exit surface according to c) is achieved by the rotationally symmetrical radiation of the filament with respect to its longitudinal axis, whereby the lens system is acted upon in the entire Appertur Scheme approximately with the same luminous flux.
  • additional lenses or diffuser discs can be used for light scattering.
  • the homogeneous illumination of the light spot in the distance vision area according to d) is achieved by imaging the filament by means of the collecting optical system. In this case, the approximately uniform intensity distribution over the filament surface, ie the uniform luminance of the filament, exploited.
  • the swept horizontal emission profile according to e) results from the oblong geometry of the incandescent filament whose aspect ratio of length to height is approximately 10: 1.
  • the near-field illumination according to f) takes place via near-surface scattering mirror or by special decoupling elements, in particular groove structures or Fresnel structures, for example in the windshield, such that a part of the axis light is refracted or scattered and is thus coupled out continuously over a certain solid angle range.
  • Sufficient phantom light protection according to g) is achieved by reducing the reflection in sunlight, in particular, gray filter lenses are used to attenuate the intensity and on the housing side mounted sun visors or barges for shading.
  • incandescent lamps as a light source is especially their relatively short life, which also individually very different and hardly predictable. This can lead to failures that cause significant disruptions to the rail operation.
  • Another disadvantage of the classical filament arrangement is that only a maximum of 5% of the energy used is converted into light, while the rest of the energy used as heat fizzles. Even halogen lamps work according to the filament principle, but are a bit more efficient.
  • LEDs - light emitting diodes On a completely different principle are based light emitting semiconductor chips, such as LEDs - 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 the LEDs, especially in the direction of high-current LEDs - HLED, there is an increasing need to replace filament arrangements 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. The known LED-based semiconductor chips have a completely different emission characteristic, so that as a rule the complete optical system has to be replaced by an LED-specific optical system, such as in the US Pat EP 1 457 945 A1 and the US 6,249,375 B1 described.
  • EP 1 429 395 A2 is an LED light source, especially for vehicles, which is compatible with an existing incandescent connection.
  • the invention has for its object to provide a light signal based on a light-emitting semiconductor chip assembly that meets all optical requirements of the above criteria a) to g) and is designed as a central optics.
  • the object is achieved in that the light source is designed as a semiconductor light source with elongated emission characteristics, wherein an attached light guide element with an opaque housing has a frosted light exit surface, which is arranged in the focal point of the optical system, wherein Lichtauskoppelsch are provided for Nah Kunststoffsdar too and wherein the semiconductor light source included whose drive and sensor peripherals are formed on a carrier board as a COB (chip and board) component.
  • the claimed light signal can be used instead of conventional incandescent lamp signals without sacrificing optical quality.
  • the criteria a) to g) are fulfilled by simple means, as described in more detail below.
  • the spatial extent of the filament is simulated by a semiconductor light source, i. H. a semiconductor chip device is used with elongated radiation characteristics. In this case, at least one semiconductor chip is used as the light source. About the type and number of semiconductor chips, the radiated intensity according to a) and the signal term, d. H. the color can be adjusted according to b). In this case, there is the advantageous possibility to integrate different types of semiconductor chips in a module and to jointly control them in terms of circuitry.
  • the light source can thus be designed in a simple manner by means of a single module redundant and / or multi-point signaling.
  • an optical fiber element made of optical material, for. B. a glass cuboid, arranged as a front optics.
  • the light guide element is used for coupling and transporting light of the semiconductor chips to a common central light exit surface and transforms the geometry of the semiconductor light source into a helical simulation, whereby the criteria a), c), d) and e) can be realized.
  • the material properties of the light guide element determine the Abstrahlappertur and the spatial luminous flux distribution of the module. Matting the light exit surface influences the homogeneity of the radiation.
  • the light transport within the light guide element via total reflection on the optically thinner jacket material.
  • the radiation properties according to c), d) and e) are determined.
  • the housing also acts as a protection against contact for the semiconductor chips and the light guide element and fixes the light guide element in an optimal position to the semiconductor chips, which ultimately the light transport is guaranteed by total reflection.
  • the opaque housing also contributes to improved phantom light protection, since possible reflections of the externally incident light focused in the focal point of the optical system according to claim g) are prevented.
  • light extraction means as in the conventional incandescent optics can be used.
  • the semiconductor light source including its drive and sensor peripherals is formed on a carrier board as a COP (Chipand Board) component.
  • COP Chipand Board
  • the components for additional functionalities such as voltage protection, temperature measurement and optical monitoring can be accommodated on the carrier board by means of the COB technology.
  • the carrier board is connected to a heat sink.
  • a heat sink This results in a reduction of the operating temperature and consequently an increase in the optical output power according to a) and ultimately an extension of the Chip lifespan.
  • metallic heat sinks for. B. on copper or aluminum, used, whereby, however, an additional heat transfer from the semiconductor chip on the carrier board on the heat sink material is taken into account.
  • the carrier board itself is designed as a heat sink according to claim 3.
  • a ceramic heat sink may be used, for example based on aluminum oxide or aluminum nitrite, which is also suitable as a carrier material for the COB assembly. An inhibited heat transfer from the carrier board to the heat sink is thus eliminated, so that an improved dissipation of the heat loss equivalent heat quantity can be achieved by the semiconductor chip.
  • the optical system has at least one filter disk with different gray filter stages for long-range display and short-range display.
  • Railway light signals are usually protected mainly by barges against sunlight from above.
  • this phantom protection measure obstructs the conceptual upward signaling in the near vision area.
  • separately effective phantom protection measures in the form of gray filter stages can now also be used for the near and far vision area. Since the light signal areas responsible for local and remote recognition provide different contributions to the reflex behavior, they can also be correspondingly attenuated differently.
  • FIG. 2 is shown in two different views, a compact module 10 with a semiconductor light source 11 and a superior optical fiber element 12 is used.
  • the light emission surface 13 of the light guide element 12, which is frosted for the purpose of equalization of illumination, is located at focal distance F from a converging lens 14.
  • a corrugated or roughened half disc 16 serves to deflect a partial light flow into a near vision region 15.
  • a cover plate 17 with gray filtering ensures further homogenization of the light emission both in the far vision area 18 as well as in the near vision area 15 and for a hermetic seal of the optical signal optics against dust and other environmental influences.
  • the cover plate 17 is tightly connected to a housing which has a barge 19 for phantom light protection.
  • FIG. 3 shows as a detail of in FIG. 2 illustrated light signal, an embodiment of a semiconductor light source 11.1 with attached light guide element 12.1. It can be seen that four semiconductor chips 20 couple light into the cuboid light guide element 12. 1, the light guide element 12. 1 being composed of two separate housing shells.
  • FIG. 4 Another embodiment for a semiconductor light source 11.2 shows FIG. 4 , Here, five semiconductor chips 20 are provided, which cooperate with a trapezoidal light guide element 12.2.
  • the light guide element 12.2 acts as a holder at the same time.
  • An HLED module 10.1 in COB design shows FIG. 5 ,
  • a metal core circuit board 21 is provided on which the semiconductor chips 20, the light guide element 12 and further electronic components 22 are arranged by means of COB technology.
  • the underside of the metal core board 21 is connected to a heat sink 23 with a metallic heat sink.
  • FIG. 6 illustrated module implementation 10.2 An improved heat dissipation results in the in FIG. 6 illustrated module implementation 10.2.
  • the semiconductor chips 20, the light guide element 12 and the electronic components 22 are arranged directly by means of COB on a ceramic body 24, wherein the comb-shaped ceramic body 24 is used directly for heat dissipation.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal mit einer Lichtquelle und einem optischen System zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen.
  • Bei bekannten Lichtsignalen wird als Lichtquelle 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.
  • Das in Figur 1 dargestellte herkömmliche Glühfadenlichtsignal besteht im Wesentlichen aus einer Glühlampe 1 mit gewendeltem Glühfaden 2 und einem optischen System 3. Zusätzlich ist ein Nahstreuspiegel 4 vorgesehen, 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. 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 - angedeutet durch Punktierung. 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. Das optische System besteht in der Regel aus Farbscheibe 5, Linsensystem 6 und Streuscheibe 7 mit integriertem Fresneleinsatz 8 zur Nahstreuauskopplung. Zusätzlich kann noch eine Frontscheibe oder ein Abschlussglas vorgesehen sein. Die mechanische Optikfassung ist dabei mit einer Sonnenblende oder Schute 9 ausgestattet, wodurch eine Verringerung des sogenannten Phantomlichteffektes erzielbar ist. Das optische System 3 ist optimal auf die charakteristischen Eigenschaften des speziellen Glühfadens 2 der jeweils verwendeten Glühlampe 1 abgestimmt, wobei sich der Glühfaden 2 in Brennweitenabstand F des optischen Systems 3 befindet. Durch die Brennpunktposition des Glühfadens 2 wird dieser von dem optischen System 3 ins Unendliche abgebildet. Da die Abstrahlflächen des vorzugsweise gewendelten Glühfadens 2 im Sub-Millimeterbereich aneinandergrenzen, erscheint der Glühfaden 2 im Fernsichtbereich des Lichtsignals als homogen ausgeleuchtete Fläche. Zur besseren Lichtmischung ist häufig zusätzlich eine Diffusorscheibe vorgesehen. Die Komplexität des optischen Systems 3 ergibt sich vor allem daraus, dass möglichst unterschiedliche Anbringungs- und Beobachtungspunkte, Kurvenradien des Schienenweges und Erkennungsweiten realisiert werden müssen.
  • Insgesamt ist dieses bekannte Lichtsignal auf Glühlampenbasis optimiert hinsichtlich folgender Parameter:
    1. a) Achslichtstärke,
    2. b) Farbe,
    3. c) Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche
    4. d) Gleichmäßigkeit des Leuchtfleckes im Fernsichtbereich
    5. e) Breite des horizontalen Abstrahlprofils,
    6. f) Lichtauskopplung zur gerichteten Nahsichterkennbarkeit und
    7. g) Phantomlichtschutz.
  • Die Achslichtstärke gemäß a) wird dabei über die elektrische Leistung des Lichtsignals eingestellt. Zur Wahl der Signalfarbe gemäß b) dienen entsprechend farbige Glasfiltereinsätze. Die gleichmäßig helle Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche gemäß c) wird durch die rotationssymmetrische Abstrahlung der Glühwendel bezüglich ihrer Längsachse erreicht, wodurch das Linsensystem im gesamten Apperturbereich näherungsweise mit dem gleichen Lichtstrom beaufschlagt wird. Außerdem können zusätzlich Streuscheiben oder Diffuserscheiben zur Lichtstreuung verwendet werden. Die homogene Ausleuchtung des Leuchtfleckes im Fernsichtbereich gemäß d) wird durch die Abbildung der Glühwendel mittels des sammelnden optischen Systems erreicht. Dabei wird die annähernd gleichmäßige Intensitätsverteilung über die Glühwendelfläche, d. h. die gleichmäßige Leuchtdichte der Glühwendel, ausgenutzt. Das in die Breite gezogene horizontale Abstrahlprofil gemäß e) ergibt sich aus der länglichen Geometrie der Glühwendel, deren Seitenverhältnis von Länge zu Höhe etwa 10:1 beträgt. Die Nahbereichsausleuchtung gemäß f) erfolgt über Nahstreuspiegel oder durch spezielle Auskoppelelemente, insbesondere Rillenstrukturen oder Fresnelstrukturen, beispielsweise in der Frontscheibe, derart, dass ein Teil des Achslichtes gebrochen bzw. gestreut wird und somit kontinuierlich über einen bestimmten Raumwinkelbereich ausgekoppelt wird. Ausreichender Phantomlichtschutz gemäß g) wird durch Verringerung der Reflexion bei Sonnenlichteinfall erzielt, wobei insbesondere Graufiltergläser zur Intensitätsdämpfung und gehäuseseitig montierte Sonnenblenden bzw. Schuten zur Abschattung eingesetzt werden.
  • Nachteilig bei der Verwendung von Glühlampen als Lichtquelle ist vor allem deren relativ geringe Lebensdauer, welche außerdem individuell 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 lichtemittierende Halbleiterchips, beispielsweise 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, insbesondere in Richtung Hochstrom-LEDs - HLED, 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. Die bekannten Halbleiterchips auf LED-Basis besitzen eine gänzlich andere Abstrahlcharakteristik, so dass 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 der Glühlampensignale weiter verwenden zu können, wurde gemäß der EP 1 538 059 B1 vorgeschlagen, zwischen einer LED-Anordnung und dem vorhandenen optischen System ein weiteres optisches System anzuordnen, dessen Brennpunkt mit dem lichteintrittsseitigen 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 Lichtsignalgestaltung 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 Glühwendel ermöglicht. Daraus resultieren Lichtverluste und letztlich eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Lichtsignals.
  • Aus der EP 1 429 395 A2 ist eine LED-Lichtquelle, insbesondere für Fahrzeuge, bekannt, die kompatibel zu einem vorhandenen Glühlampen-Anschluss ist.
  • Aus der EP 1 538 059 A1 ist ein LED Leuchtmittel zum Ersatz einer Glühlampe mit Glühfaden bei unverändertem optischen System bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtsignal auf der Basis einer lichtemittierenden Halbleiterchipanordnung anzugeben, das allen optischen Anforderungen der oben genannten Kriterien a) bis g) erfüllt und als Zentraloptik ausgelegt ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichtquelle als Halbleiterlichtquelle mit länglicher Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist, wobei ein aufgesetztes Lichtleiterelement mit opaktem Gehäuse eine mattierte Lichtaustrittsfläche aufweist, die im Brennpunkt des optischen Systems angeordnet ist, wobei Lichtauskoppelmittel zur Nahbereichsdarstellung vorgesehen sind und wobei die Halbleiterlichtquelle inklusive deren Ansteuer- und Sensorikperipherie auf einer Trägerplatine als COB (Chipö und Board)-Bauteil ausgebildet ist. Das beanspruchte Lichtsignal kann anstelle herkömmlicher Glühlampensignale eingesetzt werden ohne Einbußen an optischer Qualität in Kauf nehmen zu müssen. Die Kriterien a) bis g) werden mit einfachen Mitteln erfüllt, wie nachfolgend näher beschrieben.
  • Um ein vergleichbares räumliches Abstrahlverhalten und eine vergleichbare Intensitätsverteilung wie mit der Glühlampenoptik zu erreichen, d. h. um die Kriterien c), d) und e) zu realisieren, wird die räumliche Ausdehnung der Glühwendel nachgebildet, indem eine Halbleiterlichtquelle, d. h. eine Halbleiterchipanordnung, mit länglicher Abstrahlcharakteristik verwendet wird. Dabei wird mindestens ein Halbleiterchip als Lichtquelle eingesetzt. Über Art und Anzahl der Halbleiterchips können die abgestrahlte Intensität gemäß a) und der Signalbegriff, d. h. die Farbe gemäß b) eingestellt werden. Dabei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, verschiedene Typen von Halbleiterchips in ein Modul zu integrieren und schaltungstechnisch gemeinsam anzusteuern. Die Lichtquelle kann somit auf einfache Weise mittels eines einzigen Moduls redundant und/oder zur Mehrbegriffssignalisierung ausgelegt werden.
  • Vor die Halbleiterlichtquelle wird ein Lichtleiterelement aus optischem Material, z. B. ein Glasquader, als Vorsatzoptik angeordnet. Das Lichtleiterelement dient der Einkopplung und dem Transport von Licht der Halbleiterchips zu einer gemeinsamen zentralen Lichtaustrittsfläche und transformiert die Geometrie der Halbleiterlichtquelle zu einer Wendelnachbildung, wodurch die Kriterien a), c), d) und e) realisierbar sind. Die Materialeigenschaften des Lichtleiterelementes bestimmen die Abstrahlappertur und die räumliche Lichtstromverteilung des Moduls. Durch Mattierung der Lichtaustrittsfläche wird die Homogenität der Abstrahlung beeinflusst. Der Lichttransport innerhalb des Lichtleiterelementes erfolgt über Totalreflexion am optisch dünneren Mantelmaterial.
  • Durch funktionale Gehäusegestaltung werden die Abstrahleigenschaften gemäß c), d) und e) mitbestimmt. Durch geschlossene und optisch opake Gehäuseschalen wird unerwünschtes, von der Lichtquelle ausgehendes Streulicht minimiert. Das Gehäuse wirkt ferner als Berührungsschutz für die Halbleiterchips sowie das Lichtleiterelement und fixiert das Lichtleiterelement in optimaler Position zu den Halbleiterchips, wodurch letztlich der Lichttransport durch Totalreflexion gewährleistet wird. Das opake Gehäuse trägt außerdem zu einem verbesserten Phantomlichtschutz bei, da mögliche Reflexionen des von außen einfallenden und im Brennpunkt des optischen Systems fokussierten Lichts gemäß der Forderung g) verhindert werden. Für die Lichtauskopplung zur gerichteten Naherkennbarkeit gemäß f) können Lichtauskoppelmittel wie bei der herkömmlichen Glühlampenoptik verwendet werden.
  • Die Halbleiterlichtquelle inklusive deren Ansteuer- und Sensorikperipherie ist auf einer Trägerplatine als COP (Chipand Board)-Bauteil ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine besonders kleine Bauform, wobei nur geringe Wärmeübergangswiderstände und damit geringe Verlustleistung auftreten. Die der Verlustleistung entsprechende Wärme kann wegen der integrierten Bauweise direkt über die Platinenfläche verteilt werden und im Falle einer Metallkernleiterplatte als Trägerplatine noch effektiver vom Halbleiterchip abgeführt werden. Außerdem lassen sich mittels der COB-Technologie auch die Bauteile für Zusatzfunktionalitäten wie beispielsweise Spannungsschutz, Temperaturmessung und optische Überwachung auf der Trägerplatine unterbringen.
  • Nach Anspruch 2 ist die Trägerplatine mit einem Kühlkörper verbunden. Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Betriebstemperatur und infolgedessen eine Erhöhung der optischen Ausgangsleistung gemäß a) sowie letztlich eine Verlängerung der Chip-Lebensdauer. Üblicherweise werden für derartige Zwecke metallische Kühlkörper, z. B. auf Kupfer- oder Aluminiumbasis, eingesetzt, wodurch jedoch ein zusätzlicher Wärmeübergang vom Halbleiterchip über die Trägerplatine auf das Kühlkörpermaterial zu berücksichtigen ist.
  • Deshalb ist die Trägerplatine nach Anspruch 3 selbst als Kühlkörper ausgebildet. Dabei kann ein Keramikkühlkörper verwendet werden, beispielsweise auf Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitritbasis, der auch als Trägermaterial für die COB-Bestückung geeignet ist. Ein gehemmter Wärmeübergang von der Trägerplatine auf den Kühlkörper entfällt somit, so dass sich eine verbesserte Ableitung der verlustleistungsäquivalenten Wärmemenge vom Halbleiterchip erreichen lässt.
  • Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass das optische System mindestens eine Filterscheibe mit unterschiedlichen Graufilterstufen zur Fernbereichsdarstellung und zur Nahbereichsdarstellung aufweist. Eisenbahnlichtsignale werden in der Regel hauptsächlich durch Schuten gegenüber Sonnenlichteinfall von oben geschützt. Insbesondere bei niedrigen Lichtsignalen behindert diese Phantomschutzmaßnahme jedoch die Begriffssignalisierung nach oben in den Nahsichtbereich. Zur Minimierung des Reflexverhaltens gemäß Kriterium g) können nun zusätzlich für den Nah- und Fernsichtbereich getrennt wirksame Phantomschutzmaßnahmen in Form von Graufilterstufen eingesetzt werden. Da die für Nah- und Fernerkennbarkeit verantwortlichen Lichtsignalbereiche unterschiedliche Beiträge zum Reflexverhalten liefern, können diese auch entsprechend unterschiedlich gedämpft werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Lichtsignal bekannter Bauart mit Glühlampenlichtquelle,
    Figur 2
    eine Seitenansicht und eine Frontansicht eines Lichtsignals mit Halbleiterlichtquelle,
    Figur 3
    zwei Ansichten einer Halbleiterlichtquelle mit Lichtleiterelement in einer ersten Ausführungsform,
    Figur 4
    zwei Ansichten eines Halbleiterlichtquelle mit Lichtleiterelement in einer zweiten Ausführungs-form,
    Figur 5
    ein Modul aus Halbleiterlichtquelle und Lichtleiterelement in einer ersten Ausführungsform und
    Figur 6
    ein Modul aus Halbleiterlichtquelle und Lichtleiterelement in einer zweiten Ausführungsform.
  • Im Unterschied zu dem in Figur 1 veranschaulichten und oben beschriebenen Glühlampenlichtsignal wird bei dem erfindungsgemäßen Lichtsignal, das in Figur 2 in zwei verschiedenen Ansichten dargestellt ist, ein kompaktes Modul 10 mit einer Halbleiterlichtquelle 11 und einem vorgesetzten Lichtleiterelement 12 verwendet. Die zwecks Vergleichmäßigung der Ausleuchtung mattierte Lichtaustrittsfläche 13 des Lichtleiterelementes 12 befindet sich in Brennweitenabstand F von einer Sammellinse 14. Zur Umlenkung eines Teillichtstromes in einen Nahsichtbereich 15 dient eine geriffelte oder aufgerauhte Halbscheibe 16. Eine Abschlussscheibe 17 mit Graufilterung sorgt für eine weitere Vergleichmäßigung der Lichtabstrahlung sowohl in den Fernsichtbereich 18 als auch in den Nahsichtbereich 15 und für eine hermetische Abdichtung der Lichtsignaloptik gegenüber Staub- und anderen Umwelteinflüssen. Dazu ist die Abschlussscheibe 17 dicht mit einem Gehäuse verbunden, welches eine Schute 19 zum Phantomlichtschutz aufweist.
  • Figur 3 zeigt als Detail des in Figur 2 dargestellten Lichtsignals eine Ausführungsform für eine Halbleiterlichtquelle 11.1 mit aufgesetztem Lichtleiterelement 12.1. Es ist ersichtlich, dass vier Halbleiterchips 20 Licht in das quaderförmige Lichtleiterelement 12.1 einkoppeln, wobei das Lichtleiterelement 12.1 aus zwei separaten Gehäuseschalen zusammengesetzt ist.
  • Eine andere Ausführungsform für eine Halbleiterlichtquelle 11.2 zeigt Figur 4. Hier sind fünf Halbleiterchips 20 vorgesehen, die mit einem trapezförmigen Lichtleiterelement 12.2 zusammenwirken. Das Lichtleiterelement 12.2 fungiert dabei gleichzeitig als Halterung.
  • Ein HLED-Modul 10.1 in COB-Bauweise zeigt Figur 5. Dabei ist eine Metallkernleiterplatte 21 vorgesehen, auf der mittels COB-Technik die Halbleiterchips 20, das Lichtleiterelement 12 sowie weitere elektronische Bauteile 22 angeordnet sind. Zur Wärmeabführung aufgrund der Verlustleistung der Halbleiterchips 20 ist die Unterseite der Metallkernleiterplatte 21 mit einem metallischen Kühlkörper 23 wärmeleitend verbunden.
  • Eine verbesserte Wärmeableitung ergibt sich bei der in Figur 6 veranschaulichten Modulausführung 10.2. Hier sind die Halbleiterchips 20, das Lichtleiterelement 12 sowie die elektronischen Bauteile 22 direkt mittels COB auf einen Keramikkörper 24 angeordnet, wobei der kammförmig strukturierte Keramikkörper 24 unmittelbar zur Wärmeableitung dient.

Claims (4)

  1. Lichtsignal mit einer Lichtquelle und einem optischen System (3) zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lichtquelle als Halbleiterlichtquelle (11, 11.1, 11.2) mit länglicher Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist, wobei ein aufgesetztes Lichtleiterelement (12, 12.1, 12.2) mit opakem Gehäuse eine mattierte Lichtaustrittsfläche (13) aufweist, die im Brennpunkt des optischen Systems (3) angeordnet ist, wobei Lichtauskoppelmittel zur Nahbereichsdarstellung vorgesehen sind und wobei die Halbleiterlichtquelle (11, 11.1, 11.2) inklusive deren Ansteuer- und Sensorikperipherie auf einer Trägerplatine als COB (Chip on Board)-Bauteil ausgebildet ist.
  2. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Trägerplatine mit einem Kühlkörper (23) verbunden ist.
  3. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Trägerplatine als Kühlkörper ausgebildet ist.
  4. Lichtsignal nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das optische System (3) mindestens eine Filterscheibe mit unterschiedlichen Graufilterstufen zur Fernbereichsdarstellung und zur Nahbereichsdarstellung aufweist.
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