AT500116A1

AT500116A1 - Leuchtmittel-signalelement, lichtsignalvorrichtung und lichtsignalsystem

Info

Publication number: AT500116A1
Application number: AT0127202A
Authority: AT
Original assignee: Huber Signalbau Muenchen
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2005-10-15
Also published as: HU0202566D0; HUP0202566A2; PL355705A1; CZ20022624A3; DE10142582B4; HUP0202566A3; DE10142582A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel-5 Signalelement, und insbesondere ein Leuchtmittel-

Signalelement, bei dem Lumineszenzdioden als Leuchtmittel verwendet werden, sowie eine das Leuchtmittel-Signalelement umfassende Lichtsignalvorrichtung sowie ein die Lichtsignalvorrichtung umfassendes Lichtsignalsystem. 10

In vielen Bereichen werden Signalsysteme verwendet, die beispielsweise Informationen, eine Warnung oder dergleichen durch ein Leuchtsignal anzeigen. Ein typisches Beispiel hierfür ist eine Ampelanlage. Der 15 Einsatzbereich für derartige Signalsysteme ist oftmals sicherheitsrelevant (Verkehrsregelung usw.). Daher sind für den Betrieb und die Funktionsparameter derartiger Systeme Vorschriften erlassen, die bei der Konstruktion zu beachten sind, beispielsweise minimale Lichtstärke, 20 Ausfallsicherheit und Eindeutigkeit des anzuzeigenden Signals.

Als Leuchtmittel kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Es können beispielsweise (nachstehend als LED 25 bezeichnete) Lumineszenzdioden verwendet werden. Diese bieten den Vorteil, dass sie beispielsweise gegenüber Glühlampen eine sehr lange Lebensdauer aufweisen und eine geringe Einbaugröße aufweisen, so dass die Größe des Gesamtsystems nicht wesentlich durch die Größe des 30 gewählten Leuchtmittels beeinflusst wird.

Bisher sind verschiedene Systeme entwickelt worden, von denen zwei nachstehend unter Bezugnahme auf Figuren 6 und 7 beschrieben sind. 35 2

In Fig. 6 ist ein System gezeigt, bei dem eine Vielzahl von LED^20 gleichmäßig über annähernd die gesamte Leuchtfläche einer Signalvorrichtung auf einer Trägerplatte 21 verteilt ist. Vor jeder LED 20 ist 5 jeweils eine als Sekundäroptik 23 dienende Linse, beispielsweise eine Sammellinse, angebracht. Ferner ist das System mit einer als Primäroptik 22 dienenden Einrichtung versehen, wie beispielsweise Streuscheiben oder Linsenanordnungen. Die Primäroptik stellt die äußere 10 Leuchtfläche bereit.

Mit Hilfe der Sekundäroptik wird ein möglichst großer Anteil des von dem Leuchtmittel emittierten Lichts in Nutzlicht umgewandelt. Die Primäroptik dient dazu, das 15 von dem Leuchtmittel emittierte und von der Sekundäroptik weitergeführte Licht in geeigneter Weise zu verteilen, beispielsweise um die geforderten Werte nach DIN 67527 oder EN 12368 zu erreichen. Hierzu können auch beispielsweise transparente oder eingefärbte 20 Streuscheiben verwendet werden.

Weiterhin ist eine Anpassung der Signalsysteme an die von äußeren Lichtquellen (insbesondere von Sonnenlicht) stammende Phantomlichtproblematik möglich. Zu diesem 25 Zweck ist auch die Verwendung von Lamellen- oder Wabeneinsätzen möglich. Derartige Lamellen- oder Wabeneinsätze werden meist zwischen der Primär- und der Sekundäroptik eingesetzt. 30 In Fig. 7 ist ein weiteres bekanntes Signalsystem gezeigt, bei dem wenige, lichtstarke LEDs verwendet werden, die zu einer im Verhältnis zur Leuchtfläche kleineren Einheit 24 auf einer Trägerplatte zusammengefasst sind. Die LED-Einheit 24 ist mit einer 35 Sekundäroptik 25 versehen, die eine einzige Linse • · · * · » • · • « · · ··· • · · I · · ·· ···· I ·· · · - 3 - umfasst. Zum Erreichen der vorstehend genannten Wirkung kann hierbei ebenfalls eine Sammellinse oder, zur besseren Einpassung der Linse in das Gesamtkonzept, beispielsweise eine Fresnel-Linse verwendet werden. Weiterhin ist eine Primäroptik 22 vorgesehen.

Zur Ansteuerung der Leuchtmittel durch herkömmliche Steuerungsvorrichtungen existieren verschiedene Lösungen Die Ansteuerung unterliegt in den meisten Fällen bestimmten Voraussetzungen bezüglich der Ausfallsicherheit oder der Signaleindeutigkeit. So kann ein zu einer Metallfadenlampe kompatibles Ausfallverhalten gefordert sein (beispielsweise bei Lichtsignalanlagen nach DIN VDE 0832). Das heißt, wenn die Lichtstärke des Signals durch Ausfall einer LED oder mehrerer LEDs einen bestimmten vorbestimmten Wert unterschreitet oder die Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte nicht mehr gewährleistet ist, wird das gesamte LED-Signalsystem hochohmig geschaltet (unterbrochen). Dadurch wird sichergestellt, ähnlich dem Durchbrennen des Glühfadens, dass kein für die Steuerungsvorrichtung erkennbarer Strom mehr durch das Signalsystem fließt.

Zum Erreichen des hochohmigen Zustands kann beispielsweise eine aktive Überwachung verwendet werden, die bei Fehlern hochohmig schaltet. Dazu wird die Funktion der LED durch einen Mikrocontroller oder eine andere Vergleichselektronik geprüft (beispielsweise mittels einer Stromessung des LED-Stroms oder durch optische Sensoren). Im Fehlerfall wird dann ein Sicherungselement (beispielsweise ein Halbleiterschalter oder Relais) abgeschaltet bzw. hochohmig geschaltet. Dies setzt jedoch eine Zusatzelektronik in dem Signalsystem voraus, die zusätzliche Kosten verursacht und selbst eine Fehlerquelle darstellt. • · · • » · · • « · · • · · · · · · - 4 -

Eine weitere Möglichkeit stellt eine passive Abschaltung des Signalsystems dar. Hierbei ist die Schaltungsanordnung der LEDs und der vorgeschalteten 5 Elektronik so ausgelegt, dass bei Ausfall einer Anzahl von LEDs ,über ein tolerierbares Maß hinaus kein Strom mehr fließen kann.

Dies wird beispielsweise erreicht, indem alle LEDs mit 10 einer Stromquelle in Reihe geschaltet sind. Nach dem

Ausfall einer beliebigen LED fließt dann kein Strom mehr in dem Signalsystem.

Demgegenüber ist in dem Fall, dass die Verfügbarkeit des 15 Signalsystems erhöht werden soll und der Ausfall mehrerer LEDs toleriert werden kann, eine Parallelschaltung der LEDs in mehrere Zweige möglich. Die Ansteuerung der Zweige einer derartigen LED-Parallelschaltung erfolgt auf zwei unterschiedliche Arten. Eine Möglichkeit ist, dass jeder 20 Zweig seine eigene Ansteuerung/Energiequelle aufweist.

Bei Ausfall eines Zweiges nimmt die Helligkeit des Signalsystems ab. Eine andere vorteilhaftere Möglichkeit ist, dass alle Zweige der LED-Parallelschaltung eine gemeinsame Ansteuerung aufweisen, beispielsweise eine 25 Konstantstromquelle, so dass den anderen Zweigen der

Strom des ausgefallenen Zweigs zugeführt wird. Dies führt aufgrund der Kennlinie von Lumineszenzdioden zu einer annähernd konstanten emittierten Lichtmenge. Allerdings ist die Lichtverteilung und/oder die Gleichmäßigkeit der 30 Leuchtdichte auch von dem verwendeten optischen System abhängig.

Auch bei Systemen, die die letztgenannte Schaltungsart verwenden, ist sicherzustellen, dass nach dem Ausfall 35 einer bestimmten Anzahl von LEDs das Gesamtsystem (aktiv • · • · ··· • · • · • · Μ - 5 - oder passiv) abgeschaltet wird, auch wenn LEDs weiterhin verfügbar sind. Dies wird entweder durch einen vorstehend genannten Mikrocontroller oder durch geeignete Dimensionierung der verwendeten Elemente gewährleistet. 5 Wenn beispielsweise die LEDs in drei Zweige mit einer gemeinsamen Stromquelle aufgeteilt sind und der Gesamtstrom auf den 1,5-fachen Wert des maximal zulässigen Strom einer LED eingestellt ist, stellt sich zu Beginn etwa der halbe zulässige Strom je LED ein, nach 10 dem Ausfall eines Zweiges fließt jeweils der 0,75-fache zulässige Strom und mit dem Ausfall einer weiteren LED überschreitet der Strom der letzten LED ihren zulässigen . Maximalstrom. Dies hat zur Folge, dass diese (letzte) LED theoretisch zerstört wird, wodurch das Signalsystem 15 hochohmig wird. In der Praxis arbeiten die LEDs für eine bestimmte Zeit auch mit höheren Strömen als dem spezifizierten Maximalwert.

Bekannt sind auch Systeme, die zur Erhöhung der 20 Verfügbarkeit mit einer Diodenmatrix arbeiten, bei der mehrere LED-Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind. Der Stromfluss wird erst unterbrochen, wenn eine der Parallelschaltungen vollständig ausgefallen/abgeschaltet ist. Bis dahin ist auch ein Ausfall von LEDs in anderen 25 Parallelschaltungen möglich, ohne die Verfügbarkeit vorzeitig einzuschränken. Hierbei sind jedoch nach Flussspannung selektierte LEDs^vorauszusetzen, damit zu Beginn eine gleichmäßige Stromverteilung innerhalb der Parallelschaltung gewährleistet ist. Weiterhin sind 30 Beeinträchtigungen der optischen Ausgangsleistung bezüglich der Leuchtdichteverteilung zu berücksichtigen.

Wenn bei einem Signalsystem mehrere LED-Reihenschaltungen parallel geschaltet eingesetzt werden, sind die LEDs einer 35 Reihenschaltung möglichst weit über die Leuchtfläche • · · · · • · « · ··· • · · · · ·· ···· · ·· - 6 - verteilt, damit der Ausfall einer LED-Reihe bzw. LED-Kette nicht zu einer unzulässigen Darstellung eines Symbols führen kann. Ein derartiges System führt bei Ausfall einer LED-Kette jedoch immer zu wahrnehmbaren Veränderungen der Leuchtdichte.

Bei den vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 beschriebenen Signalsystemen gemäß dem Stand der Technik können verschiedene Schwierigkeiten auftreten.

In dem System nach Fig. 6 ist eine große Anzahl an Einzelkomponenten mit jeweils eigener Sekundäroptik eingesetzt. Bei diesen Systemen hat der Ausfall einer LED in jedem Fall immer merkliche Veränderungen der Leuchtdichte zur Folge.

In dem System gemäß Fig. 7 sind demgegenüber alle Leuchtmittel (LEDs) hinter einer Linse angeordnet. Dabei ist jedoch eine annähernd parallele Lichtführung innerhalb des optischen Systems nur eingeschränkt möglich. Dadurch ist die Lichtverteilung mit größeren Streuverlusten und Einschränkungen in der Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte beaufschlagt, insbesondere bei der Betrachtung aus seitlicher Richtung. Eine Reduzierung des Phantomeffekts ist deutlich erschwert.

Ferner können durch die Anordnung von vielen LEDs auf einen kleinen Raum lokal zu Temperaturerhöhungen im Bereich der LEDs kommen, was einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der LEDs hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Leuchtmittel-Signalelement, eine verbesserte Lichtsignalvorrichtung und ein mit zumindest einer 7 derartigen Lichtsignalvorrichtung ausstattbares Lichtsignalsystem zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 5 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Leuchtmittel-Signalelement vorgesehen mit einem Grundträger und zwei oder mehr elektrischen 10 Leuchtmitteln, die auf dem Grundträger in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Leuchtmittel auf dem Grundträger derart angeordnet sind, dass die eingenommene Fläche eine maximale Seitenlänge aufweist, und das Leuchtmittel-Signalelement in einem vorbestimmten Abstand 15 hinter einem optischen Element angeordnet wird, wobei die maximale Seitelänge kleiner als der vorbestimmte Abstand ist.

Weiters sieht die 20 Erfindung eine Lichtsignalvorrichtung vor mit einem vorstehend genannten Leuchtmittel-Signalelement und einem optischen Element, wobei das optische Element in einem Abstand von dem Leuchtmittel-Signalelement angebracht ist, der größer als die maximale 25 Seitenlänge der Leuchtmittel ist.

Des weiteren schafft die Erfindung ein Lichtsignalsystem mit einer Lichtsignalvorrichtung oder mehreren Lichtsignalvorrichtungen wie vorstehend genannt, 30 wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr

Lichtsignalvorrichtungen verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen derart in dem Lichtsignalsystem angeordnet sind, dass eine gleichförmige Lichtstrahlstrecke von den jeweiligen Leuchtmitteln zu • · « ·

I* «M« * -βάθη jeweiligen optischen Elementen vorhanden ist und die optischen Elemente in einer Ebene angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind 5 in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Mittels des vorstehend beschriebenen Leuchtmittel-Signalelement, der vorstehend beschriebenen Lichtsignalvorrichtung und des vorstehend beschriebenen 10 Lichtsignalsystems ist es möglich, die Redundanz von Lichtsignalen zu erhöhen und damit eine höhere Verfügbarkeit bzw. Lebensdauer zu erreichen. Das optische Erscheinungsbild des Lichtsignals verändert sich in Bezug auf seine optischen und elektrischen Eigenschaften bis 15 zum Lebensdauerende nicht wesentlich, da der Ausfall eines Leuchtmittels für den Betrachter unmerklich ist, da weder Lichtstärke noch Lichtverteilung oder Leuchtdichte merklich verändert werden. Dieser Effekt wird um so besser, je punktförmiger die Lichtquelle bzw. je geringer 20 die Divergenz der einzelnen Lichtquellen ist. Daher ist ein Betrieb bis zum Ausfall des letzten Leuchtmittels einer Parallelschaltung möglich, während in bisherigen Systemen aufgrund der nachlassenden Leuchtdichte bzw. der Gefahr der Symbol Verwechslung früher abgeschaltet werden 25 muss. Auch bei mehreren in Reihe angeordneten

Leuchtmittel-Parallelschaltungen fällt das System erst aus, wenn bei einer der Parallelschaltungen alle Leuchtmittel ausgefallen (bzw. unterbrochen) sind. 30 Als Leuchtmittel werden beispielsweise Lumineszenzdioden (LED) verwendet. Diese können mit einer geeigneten elektrischen Energiequelle in Reihe verschaltet werden, dass bei Ausfall einer LED die verbleibenden LEDs,den Energieanteil der ausgefallenen LED übernehmen. Durch die 35 typische Charakteristik der Strom/Lichthelligkeit- • · · .· • · · ! • · · * ·· ···· · • · · · ; . · · · · * • · · · · *· ·· ·· - 9 -

Kennlinie der LEDs kann so der Ausfall der einen LED in der emittierten Lichtstärke kompensiert werden. Ferner ist im Fehlerfall eine passive Abschaltung möglich, die den Anforderungen zur Überwachung durch eine Steuervorrichtung für Lichtsignalanlagen genügt. Diese Art der Beschaltung erspart jegliche mit zusätzlichen Kosten und Fehlerquellen verbundene Elektronik zur aktiven Abschaltung, ohne Nachteile in der Sicherheit der Abschaltung zu verursachen.

Wird die Stromquelle so ausgelegt, dass der Strom proportional zur Eingangsspannung geregelt wird, dann kann die Helligkeit des Lichtsignal durch Veränderung der Spannungshöhe angepasst werden, ohne dass ein Verlust an Sicherheit damit verbunden ist, sofern die Überwachung durch die Steuerungsvorrichtung auf den zur Mindestlichtstärke zugehörigen Strom als Grenzwert eingestellt ist.

Durch eine Sekundäroptik, beispielsweise eine Sammellinse, die in einem vorbestimmten Abstand-vor den Leuchtmitteln angeordnet ist, kann ein nahezu paralleler Lichtstrom erzeugt werden. Hierdurch kann eine gewünschte Verteilung des Lichts mit gutem Wirkungsgrad realisiert werden. Zusätzlich ist die Einbringung von phantomlichtreduzierenden Maßnahmen wie Lamellen- oder Wabeneinsätzen möglich.

Durch Einstellung des Abstands der Sekundäroptik zu den Leuchtmitteln auf einen zehnfachen oder größeren Wert der maximalen Seitenfläche der von den Leuchtmittel beanspruchten Fläche wird erreicht, dass die LEDs als eine nahezu punktförmige Lichtquelle erscheinen. Hierdurch wird ein nahezu gleiches Bild von jeder LED auf der Betrachterebene hinterlassen. - 10 - - 10 - • · · • Μ # • · · • · Μ * · · • · · · • · · · ·· ···· »

Ein Lichtsignalsystem kann vorteilhafterweise zusätzlich eine Primäroptik (Streuscheibe) umfassen, die das Licht sehr gezielt in einer gewünschten Verteilung abstrahlt, um den Wirkungsgrad zu verbessern bzw. den Phantomlichteffekt des Sonnerilicht zu begrenzen.

Erfordert die Anzahl der benötigten Leuchtmittel die Anordnung mehrerer Lichtsignalvorrichtungen (Leuchtmittel und damit verbundene Sekundäroptiken), dann werden diese vorteilhafterweise gleichmäßig über die Leuchtfläche verteilt, um eine homogene Leuchtdichte zu erhalten. Die Leuchtelemente der einzelnen Lichtsignalvorrichtungen werden parallel und seriell verschaltet, so dass einzelne LEDsausfallen können, ohne dass es zwangsläufig zu einer Abschaltung des Lichtsignalsystems kommen muss.

Durch einen modularen Aufbau des Lichtsignalsystems ist ein vereinfachter Austausch von Modulen, beispielsweise von Leuchtmittel-Signalelementen (Grundträger mit LEDs) möglich. Dies ist beispielsweise von Vorteil, um das Lichtsignalsystem universeller einsetzen zu können. So kann beispielsweise eine Kombination der Leuchtmittel-Signalelemente in einem Lichtsignalsystem verändert werden, um eine andere Symboldarstellung anzuzeigen. Ebenso ist alternativ dazu ein Austausch fehlerhafter Module möglich, was die Wartung vereinfacht und so Kosten reduziert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer Signalvorrichtung, - 11 - ·· ·· ,t

Fig. 2 eine Darstellung eines Signalsystems unter Verwendung einer Vielzahl von Signalvorrichtungen gemäß Fig. 1, 5 Fig. 3 eine Draufsicht eines Signalsystems gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein vorteilhaftes Schaltbild für die

Signalvorrichtung gemäß Fig. 1, 10 Fig. 5 ein vorteilhaftes Schaltbild für das

Signalsystem gemäß Fig. 2,

Fig. 6 eine Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik und 15

Fig. 7 eine Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist Ausführungsbeispiel einer Leuchtmittel-20 Signalvorrichtung 1 gezeigt. Diese umfasst ein Leuchtmittelelement sowie ein optisches Element..

Gemäß Fig. 1 sind auf einer

Grundträgerplatte 2 als 25 Leuchtmittel verwendete LEDs 3 in einer Ebene befindlich angebracht. In dem gezeigten Beispiel sind drei LEDs 3 in enger räumlicher Anordnung angebracht, beispielsweise an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. Die Anzahl der LEDs 3 Kann variiert werden. Ferner ist es möglich, die 30 LEDs 3 in anderer Form, beispielsweise in konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt herum oder in einer Reihe, anzuordnen. Die Anordnungsform der LEDs 3 wird vorteilhafterweise so gewählt, dass ein möglichst kleiner Durchmesser der Grundfläche der Anordnung erreicht wird. 35 12

Des Weiteren weist die Grundträgerplatte 2 beispielsweise (nicht gezeigte) aufgedruckte Leitungen, die als Verbindung der LEDs 3 nach außen sowie miteinander dienen, sowie andere elektrische Elemente auf, beispielsweise 5 Widerstände.

Gegenüber der Leuchtfläche der LEDs 3 ist ein optisches Element 4 (beispielsweise eine Sammellinse) angebracht, das nachstehend als Sekundäroptik bezeichnet wird. Diese 10 Sekundäroptik 4 ist in einem bestimmten Abstand a von den LEDs 3 angebracht, worauf nachstehend näher eingegangen wird.

Werden die LEDs3 mit Energie versorgt, wird Licht einer 15 bestimmten Wellenlänge emittiert. Das Licht wird zu der Sekundäroptik 4 geführt, wo es in einen nahezu parallelen Lichtström umgewandelt wird. Durch die Anordnung und Auslegung der LEDs3 ist es möglich, einen möglichst großen Anteil des emittierten Lichts in nutzbares Licht 20 umzuwandeln. Dies _wird beispielsweise dadurch dass sich die LEDs 3 im Bereich des Brennpunkts der linse, d.h. Sekundäroptik 4,befinden,d.h. a « f, wobei f die Brennweite der Linse ist, so dass das Licht nach Brechung durch die Linse in einem parallelen Strahlenbündel verläuft. 25

Die Anordnung der LEDs 3 auf der Grundträgerplatte 2 ist derart ausgelegt, dass die maximale Länge d (von den Mittelpunkten der LEDs gemessen) der von der LED-Anordnung abgedeckten Fläche kleiner ist als die optische 30 Entfernung a der LEDs 3 von der Sekundäroptik 4. Unter der Annahme, dass die LED-Anordnung eine nahezu punktförmige Lichtquelle hinter der gemeinsamen Sammellinse darstellt, muss a » d gelten. Hierdurch wird erreicht, dass jede LED 3 ein nahezu gleiches Bild auf der Betrachterebene hinterlässt. 35 - 13 - • · ♦ · ··· · · # • · · · · ·· · · · ·

Idealerweise wird durch die Sekundäroptik 4 ein nahezu paralleler Strahlengang nach Durchgang durch die Linse erzeugt. Unter praktischen Gesichtspunkten ist eine möglichst geringe Divergenz des Strahlenbündels nach Durchgang durch die Sekundäroptik 4 anzustreben. Ein Winkel <x von etwa 10° ist hierbei ein beispielhafter Wert. Hierdurch wird erreicht, dass ein Ausfall einer LED 3 keinen wesentlichen Einfluss auf die Lichtverteilung nach der Sekundäroptik 4 hat. Unter der Annahme, dass ein nahezu paralleler Strahlengang erzeugt wird und dass a » d ist, kann das Verhältnis von maximaler Länge d zu optischer Entfernung a als d/a = tan cc angenähert werden. Somit ergibt sich für d/a < 0,1, was für die Auslegung der Größenverhältnisse in der Lichtsignalvorrichtung 1 zu berücksichtigen ist.

Der Ausfall einer LED 3 ist für den Betrachter unmerklich, sofern sichergestellt ist, dass die verbleibenden LEDs 3 den Lichtverlust in ihrer Lichtleistung ausgleichen können. Dies wird beispielsweise durch eine Parallelschaltung der LEDs 3 erreicht, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In Fig. 4 ist die Leuchtsignalvorrichtung 1 mit mehreren parallel geschalteten LEDs 3 gezeigt. In Reihe zu dieser LED-Parallelschaltung ist eine Stromquelle 10 geschaltet, die einen Strom I zur Energieversorgung der LEDs3 liefert. Die Stromquelle 10 so ausgelegt sein, dass der Strom proportional zur Eingangsspannung geregelt wird. Die Helligkeit kann dann auch durch Veränderung der Spannungshöhe angepasst werden, ohne dass ein Verlust an Sicherheit damit verbunden ist. Die zugehörige Steuerungsvorrichtung muss lediglich auf ein Unterschreiten des zur Mindestlichtstärke zugehörigen Primärstromes reagieren. - 14 - - 14 - • · • · • · • t • · • · · * * ♦ · • * · ·

Bei diesem Schaltungstyp ist ein Ausfall einer LED 3 durch die verbleibenden LEDs bezüglich der Lichtleistung im Wesentlichen kompensierbar (Erhöhung der Redundanz). Durch geeignete Dimensionierung kann zusätzlich im Vorfeld eine Abschaltbedingung definiert werden. Das optische Erscheinungsbild des Lichtsignals ändert sich in Bezug auf seine optischen und elektrischen Eigenschaften bis zum Lebensdauerende (d.h. bis zum Unterbrechen der letzten LED) nicht wesentlich, da weder Lichtstärke noch Lichtverteilung oder Leuchtdichte sich merklich ändern.

Die Anzahl der parallelgeschalteten LEDs 3 wird in der Praxis als Kompromiss zwischen Verfügbarkeit und Kosten der Vorrichtung ausgewählt. Damit ein Betrieb bis zur letzten LED möglich ist, soll der Gesamtstrom der Schaltung den zulässigen Strom einer LED nicht wesentlich überschreiten. Das heißt, je mehr LEDs,parallel betrieben werden, desto mehr LEDs werden zur Erzielung des erforderlichen Lichtstroms benötigt. Dagegen wird bei einer Verringerung der Anzahl der parallel betriebenen LEDsdie Redundanz der Anordnung verringert. Außerdem ist die Ausdehnung der LED-Anordnung ein weiterer Punkt bei der Auswahl der Anzahl der parallelgeschalteten LEDs. Eine große Ausdehnung d hat einen großen Abstand a zur Sekundäroptik zur Folge. Hierbei sind vorgegebene Größenwerte für die Vorrichtung zu beachten.

Daher werden in dem Fall, dass eine zu große Anzahl von LEDs3 auf einer Grundträgerplatte 2 unterzubringen wäre, mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 nebeneinander angeordnet, so dass wieder eine vollflächige Abdeckung der Leuchtfläche mit einer sehr gleichmäßigen Leuchtdichte gewährleistet ist. - 15 - • · · · • · ···« · • · · • Μ » • · · • · · · • ·

Nachstehend ist unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein Lichtsignalsystem 5 gezeigt, bei dem mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 gemäß Fig. 1 verwendet werden.

In Fig. 2 bind mehrere

Leuchtmittel-Signalvorrichtungen 1 mit Grundträgerplatte 2, LEDs 3 und Sekundäroptik 4 in einem gesamten Lichtsignalsystem 5 zusammengefasst, das ein Gehäuse 6 aufweist, in bzw. an dem die einzelnen Komponenten des Lichtsignalsystems _5 befestiqt sind. Das Gehäuse 6 besteht beispielsweise aus Kunststoff und wird im Spritzgussverfahren hergestellt, und es weist an geeigneten Positionen (nicht gezeigte) ünterstützungs- und Befestigungselemente auf, die zur Montage der Elemente verwendet werden. Das Lichtsignalsystem 5 kann einen Gesamtgrundträger (mehrere LED-Anordnungen auf einer gemeinsamen Platte 2) oder alternativ dazu einen modularen Aufbau aufweisen. Bei einem modularen Aufbau sind die ünterstützungs- und Befestigungselemente derart ausgelegt, dass ein einfacher Austausch bestimmter Komponenten möglich ist. Dies ermöglicht beispielsweise, dass die Leuchtmittel-Elemente (LEDs 3 und Grundträger 2) auf einfache Weise unterschiedlich angeordnet werden können, um unterschiedliche Symboldarstellungen zu erreichen. Dabei ist auch die geometrische Form der einzelnen Grundträger 2 zu beachten. Vorzugsweise ist eine lückenlose Anordnung bzw. Aneinanderreihen der Grundträger 2 anzustreben. Dies kann beispielsweise mit einer hexagonalen Grundform erreicht werden. Ebenso kann ein beschädigtes Leuchtmittel-Element einfach ersetzt werden. Dabei wird vorteilhafterweise ein Stecksystem für die Befestigung der Komponenten in dem Gehäuse 6 verwendet, aber auch andere Befestigungsarten (Klemmen, Löten usw.) sind möglich. .-16- ♦ · · · * · · · • · «··· · • · · · • · # · · · • · · · · • · Μ 9 9

Weiters ist eine (nachstehend als

Primäroptik) bezeichnete optische Zusatzeinrichtung 7 vorgesehen. Diese kann an der Vorderseite des Gehäuses 6 angebracht werden. Als Primäroptik 7 werden beispielsweise verschiedenartige Streuscheiben bzw. Linsensysteme zur Anpassung der Lichtverteilung an vorbestimmte Werte verwendet. Des Weiteren kann die Primäroptik 7 mit transparenten oder eingefärbten Streuscheiben ausgebildet werden.

Weiters zeigt Fig.2 eine (optionale) weitere optische Zusstzeinrichtung 8, die beispielsweise Lamellen oder Wabeneinsätzen umfasst. Hiermit werden Umweltbeeinflussungen des Lichtsignalsystems 5 unterdrückt, wie beispielsweise die durch Sonnenlicht hervorgerufene Phantomlichtproblematik. Diese können auch mittels der vorstehend genannten Primäroptik 7 weiter abgeschwächt werden.

Die Lichtsignalvorrichtungen 1 sind nebeneinander angeordnet, wobei die zugehörigen Sekundäroptiken 4 eine Ebene bilden. In dem hier gezeigten Lichtsignalsystem 5 sind ebenso die Grundträgerplatten 2 und folglich auch die LEDs 3 jeweils in einer Ebene angeordnet. Die Sekundäroptiken 4 und Grundträgerplatten 2 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform jeweils als eine Gesamteinheit (eine Sekundäroptikeinheit und eine Gesamtgrundträgerplatte) ausgebildet. Es sind auch weitere Anordnungsformen möglich, solange gewährleistet ist, dass das bei der Sekundäroptik' 4 anbommende Licht im Wesentlichen gleichförmig ist und die Lichtquelle punktförmig ist (a » d) . Ferner sind die jeweiligen LED-Anordnungen 3 und Sekundäroptiken 4 gleichmäßig über die Leuchtfläche des Lichtsignalsystems 5 verteilt, damit eine möglichst homogene Leuchtdichte erhalten wird. - 17 - * · ···· • ··« • · · • · · · · · · * · • ·

In Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung des Lichtsignalsystems 5 gezeigt. DieLEDs 3 der jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen 1 sind, wie vorstehend 5 beschrieben, zueinander parallel geschaltet. Die jeweiligen LED-Parallelschaltungen sind miteinander in Reihe geschaltet. Weiterhin ist in dieser Reihenschaltung eine Stromquelle 10 geschaltet, die einen Strom I zur Energieversorgung der LEDs3 liefert. Durch diese 10 Verschaltung wird eine gleichmäßige Leistungsverteilung auf alle Parallelschaltungen erzielt. Durch die passive Abschaltung ist weiterhin eine Überwachung des Gesamtsystems möglich. Das Signalsystem fällt erst aus, wenn eine Parallelschaltung vollständig ausgefallen ist. 15 Bis zu diesem Zeitpunkt ist die Leuchtdichte homogen.

Ein Beispiel für die Anwendung der vorstehend beschriebenen Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. 20 Für die Auslegung eines Lichtsignalsystems, beispielsweise für eine Ampelanlage, sind etwa 60 LEDs, beispielsweise des Typs OSRAM Power-TOPLED ® ( erforderlich, um den erforderlichen Lichtstrom 25 bereitzustellen. Bei einer einzelnen

Lichtsignalvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 hätte dies zur Folge, dass die 61 LEDseine Fläche von etwa 1500 mm2 einnehmen, was einer maximalen Seitenlänge d > 43 mm entspricht. Da jedoch d/a <0,1 gelten soll, ergibt sich 30 bei einer derartigen Auslegung eine optische Entfernung a von etwa 430 mm, was in herkömmlichen Ampelanlagen nicht realisierbar ist. Daher wird auf ein Lichtsignalsystem gemäß Fig. 2 ausgewichen. - 18 - ♦ ι

In Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Lichtsignalsystems 5 gemäß Fig. 2 für den Anwendungsfall Ampelanlage veranschaulicht. Ein üblicher Nenndurchmesser eines Gesamtlinsenplatte einer Ampelanlage (d.h. eines sichtbaren Felds einer Ampel) ist beispielsweise 210 mm oder 300 mm. Anders ausgedrückt, der Nenndurchmesser der Primäroptik 7 gemäß den Figuren 2 und 3 wird beispielsweise auf 210 mm eingestellt. Bei einem praktischen Maß von etwa 50 mm für den Abstand a und somit etwa 5 mm für die Länge d können 19 Teillinsenanordnungen mit jeweils drei hinter den Linsen angeordneten LED ausgebildet werden. Jede Teillinse hat dann einen Durchmesser von etwa 50 mm. Die Anordnung der Teillinsen 4 der Sekundäroptik erfolgt auf die in Fig. 3 gezeigte Weise, nämlich mit einer Linse/Sekundäroptik 4 im Mittelpunkt eines durch die Primäroptik 7 gebildeten Kreises und 6 bzw. 12 darum konzentrisch angeordneten weiteren Sekundäroptiken 4. Hinter jeder Sekundäroptik 4 drei entsprechend angeordnete LEDs 3 angebracht. Dies ergibt eine Gesamtanzahl von 57 LEDs, welche zum Erreichen der erforderlichen Lichtstroms als ausreichend angesehen werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, werden die zwölf äußeren Linsen 4 durch die kreisförmige Außenbahn der Primäroptik 7 beschnitten. Obwohl in Fig. 3 lediglich kreisförmige Sekundäroptik-linsen 4 dargestellt sind, ist es ebenso möglich, die Linsen der Sekundäroptik 4 in die sich ergebenden Eckbereiche auszudehnen, so dass eine Ausleuchtung der gesamten Primäroptikscheibe 7 erfolgt.

Durch die geringe Anzahl der LEDs 3 hinter jedem optischen Element (Sekundäroptik)4 auf einer Grundträgerplatte 2 und der damit verbundenen geringen Länge d kann ein relativ kleiner Abstand a gewählt werden, was das 19

Lichtsignalsystem insgesamt kompakt macht. Ferner ermöglicht die großflächige Verteilung der LEDs 3 sowie deren geringe Konzentration bei einer Stelle eine verbesserte Wärmeabfuhr, wodurch eine Erhöhung der 5 Lebensdauer der einzelnen LEDs erreicht wird.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. So ist auch ein Signalsystem möglich, bei dem lediglich eine Lichtsignalvorrichtung 1 10 verwendet wird und mit den genannten zusätzlichen Einrichtungen wie Primäroptik 7, Lamellen- oder Wabeneinsätzen 8 und dergleichen in einem Gehäuse 6 kombiniert wird. Mehrere derartige Einzelsysteme können dann wiederum als ein Mehrfachsvstem zusammengestellt 15 werden, wobei eine gemeinsame Energiequelle 10 oder jeweils getrennte Energiequellen 10 vorgesehen sein können.

Weiterhin können neben den vorstehend genannten andere Leuchtmittel wie Glühlampen oder dergleichen 20 verwendet werden. Als verwendete Energiequelle kommen neben der Konstantstromquelle auch andere elektrische Energiequellen (beispielsweise eine Kombination aus Batterie und Solarzelle) in Frage, die den erforderlichen Mindestström gewährleisten können. Obwohl in den 25 vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine passive Ansteuerung der Leuchtmittel vorgesehen ist, ist auch die Verwendung einer aktiven Ansteuerung mittels eines Mikrocontrollers oder dergleichen möglich. 30 Ferner ist die gegenüberliegende Anordnung von Sekundäroptik 4 und Grundträger 2 bei der Lichtsignalvorrichtung 1 nicht zwingend. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der der Grundträger 2 einen Winkel zu der Grundfläche der Sekundäroptik 4 beschreibt 35 (beispielsweise 90°). Das emittierte Licht wird dann - 20 - • · · · • · · « • · ♦ · • · ···· · mittels eines entsprechend angeordneten Spiegels oder Prismas zu der Sekundäroptik reflektiert. Dies erleichtert beispielsweise den Einbau der Signalvorrichtung in bestimmten Fällen in Bezug auf bestehende Platzverhältnisse.

Des Weiteren kann das vorstehend genannte Verhältnis d/a bei der Auslegung einer Lichtsignalvorrichtung bzw. eines Lichtsignalsystems gemäß subjektiven Anforderungen an die Erkennbarkeit bzw. Nicht-Erkennbarkeit eines LED-Ausfalls angepasst werden. Auch Anpassungen des Verhältnisses d/a an verwendete Linsen in der Sekundäroptik sind möglich.

Wie vorstehend beschrieben ist, wird eine Lichtsignalvorrichtung 1 vorgesehen, bei der der

Abstand a von Leuchtmitteln 3 zu einem optischen Element 4 derart gewählt wird, dass die maximale Seitenlänge d einer durch die Leuchtmittel 3 eingenommenen Fläche deutlich kleiner als der Abstand a ist. Mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 können zu einem Lichtsignalsystem 5 zusammengefasst werden. Durch eine geeignete elektrische Verschaltung wird erreicht, dass eine hohe Ausfallsicherheit gegeben ist.

Claims

- 21 - - 21 - • · • · * · · · • · · ♦ • · · · · · · • · · ·· ·· ·· PATENTANSPRÜCHE 1. Leuchtmittel-Signalelement mit 20 einem Grundträger (2) und zwei oder mehr elektrischen Leuchtmitteln (3), die auf dem Grundträger (1) in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Leuchtmittel (3) auf dem Grundträger {1} derart angeordnet sind, dass die eingenommene Fläche eine 25 maximale Seitenlänge (d) aufweist, und das Leuchtmittel-Signalelement in einem vorbestimmten Abstand (a) hinter einem optischen Element (4) angeordnet wird, wobei die maximale Seitelänge (d) kleiner als der vorbestimmte Abstand (a) ist. 30
2. Leuchtmittel-Signalelement nach Anspruch 1, wobei die Leuchtmittel (3) Lumineszenzdioden sind.
3. Leuchtmittel-Signalelement nach Anspruch 1 oder 2, 35 wobei die zwei oder mehr elektrischen Leuchtmittel (3) parallel geschaltet sind.
4. Leuchtmittel-Signalelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen 40 Leuchtmittel (3) mit einer elektrischen Energiequelle - 22 - • · ♦ · • · · · * « • · · · « ♦ · · · ·« (10) verbunden sind, die derart ausgelegt ist, dass der Ausgangsstrom proportional zu einer Eingangsspannung geregelt wird, damit eine Helligkeitsanpassung bei Ausfalleines der Leuchtmittel (3) bei den verbleibenden Leuchtmitteln (3) ausgeführt werden kann.
5. Lichtsignalvorrichtung (1) mit einem Leuchtmittel-Signalelement (2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem optischen Element (4), wobei das optische Element (4) in einem Abstand (a) von dem Leuchtmittel-Signalelement (2, 3) angebracht ist^ der größer als die maximale Seitenlange (d) der Leuchtmittel (3) ist.
6. Lichtsignalvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei das optische Element (4) eine Linse ist, die von den Leuchtmitteln (3) auf der einen Seite des optischen Elements (4) emittierte Lichtstrahlen in einen im Wesentlichen parallelen Lichtstrom auf der anderen Seite umwandelt.
7. Lichtsignalvorrichtung (1) nach Ansprucn 5 oder 6, wobei der Abstand (a) im Wesentlichen das Zehnfache oder mehr der Seitenlange (d) beträgt. V.
8. Lichtsignalsystem (5) mit einer Lichtsignalvorrichtung (1) oder mehreren Lichtsignalvorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) derart in dem Lichtsignalsystem (5) angeordnet sind, dass eine gleichförmige Lichtstrahlstrecke von den jeweiligen Leuchtmitteln (3) zu den jeweiligen optischen Elementen - 23 - ♦ ♦ · · ·«« * · · • ♦ · · · *· ·· ·· (4) vorhanden ist und die optischen Elemente (4) in einer Ebene angeordnet sind.
9. LichtSignalsystem (5) nach Anspruch 8, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) gleichmäßig in einer Ebene des Lichtsignalsystems (5) angeordnet sind, so dass eine homogene Leuchtdichte auf der Außenseite der optischen Elemente (4) erreicht wird.
10. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei in dem Fall, dass zwei oder mehr LichtSignalvorrichtungen (1) verwendet werden, die elektrischen Leuchtmittel (3) der jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen (1) parallel in Gruppen geschaltet sind und die parallelen Gruppen zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei zu der Reihenschaltung der Gruppen die elektrische Energiequelle (10) in Reihe geschaltet ist.
11. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Lichtsignalsystem (5) ein Gehäuse (6) umfasst, in dem die eine Lichtsignalvorrichtung (1) oder die zwei oder mehr Lichtsignalvorrichtungen (1) untergebracht sind.
12. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Lichtsignalsystem (5) eine erste optische Zusatzeinrichtung (7) umfasst, zu der die von der Außenseite des optischen Elements (4) kommenden Lichtstrahlen geführt werden, und die in der Lage ist, die von dem optischen Element (4) kommenden Lichtstrahlen in einer vorbestimmten Verteilung von dem Lichtsignalsystem (5) abzustrahlen. - 24 - - 24 - ·· ··«· « • · • · · ·
13. Lichtsignalsystem (5) nach den Ansprüchen 11 und 12, wobei die erste optische Zusatzeinrichtung (7) eine an dem Gehäuse (6) befestigte Streuscheibe ist.
14. Lichtsignalsystem (5) nach Anspruch 12, wobei das Lichtsignalsystem (5) eine zwischen dem optischen Element (4) und der ersten optischen Zusatzeinrichtung (7) eingebrachte zweite optische Zusatzeinrichtung (8) umfasst, die optische ümgebungsstörungen auf das 10 Lichtsignalsystem (5) unterdrückt.
15. Lichtsignalsystem (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Leuchtmittel-Signalelemente (2, 3) für unterschiedliche Symboldarstellungen durch das 15 Lichtsignalsystem (5) angeordnet sind.
16. Lichtsignalsystem (5) nach Anspruch 15, wobei die Anordnung der Leuchtmittel-Signalelemente (2, 3) für unterschiedliche Symboldarstellungen in dem 20 Lichtsignalsystem (5) verändert wird.