CN100553387C - 利用功率型led的光电效应特性控制功率型led的发光强度 - Google Patents

利用功率型led的光电效应特性控制功率型led的发光强度 Download PDF

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Abstract

一种用于操作信号灯(1)，特别是铁路信号灯的方法，其中信号灯(1)包含至少一个发光二极管(＝LED)(2)作为其光源，且其中信号灯(1)的发光强度适合于环境的亮度，其特征在于在第一时间间隔期间至少一个LED(2)操作为信号灯(1)的光源，且在第二时间间隔期间，至少一个LED(2)操作为光电二极管，第一和第二时间间隔随时间交替，特别地周期性地交替，在第二时间间隔期间LED(2)的输出电压用于控制在第一时间间隔期间至少一个LED(2)的工作电流。本发明的方法不需要分离的传感器，因此允许相应的简单和廉价的信号灯配置的使用。

Description

利用功率型LED的光电效应特性控制功率型LED的发光强度
技术领域
本发明涉及用于操作信号灯，特别是铁路信号灯的方法，其中信号灯包含至少一个发光二极管(＝LED)作为其光源，并且其中信号灯的发光强度适合于环境的亮度。
背景技术
在US2005/0151665A1中描述了这样的方法和相关的信号灯配置。
铁路信号灯例如用于向火车操作者指示铁路轨道的开放状况。现有的铁路信号灯是使用功率型发光二极管(＝LED)作为其光源。功率型LED已经证明比传统的电灯泡更加可靠和有经济效益。
在白天期间，铁路信号灯的光必须足够亮，使火车操作者在抵达信号灯之前很好地识别信号灯的状态。在夜晚期间，然而，信号灯的发光强度必须足够低以便火车操作者不目眩。这意味着铁路信号灯的发光强度应该适合于环境的亮度。
US2005/0151665A1描述了用于LED交通信号应用的信号控制设备仪器。使用传感器来判定环境中的光负载，并使用该传感器的信号来调节LED的电流。
分离的传感器使得信号灯的配置，以及特别是电路，相当的复杂和昂贵。
发明内容
因此本发明的目的是提供用于不使用分离的传感器而实现的调节基于LED的信号灯的发光强度的方法，从而使得相应的信号灯配置更简单和更便宜。
这个目标，依照本发明，通过在开始处描述的方法实现，其特征在于至少一个LED在第一时间间隔期间操作为信号灯的光源，和在第二时间间隔期间，至少一个LED操作为光电二极管，第一和第二时间间隔随时间交替，特别地周期性地交替，且在第二时间间隔期间LED的输出电压用于控制在第一时间间隔期间至少一个LED的工作电流。
所述至少一个LED，典型地一些串联连接的提供有例如镜和透镜的光设备的功率型LED，可以用作光电二极管(或光探测器)。当信号灯按照计划发光时(也就是信号灯作为整体开启时)，第一和第二时间间隔交替。第一时间间隔典型地比第二时间间隔长得多，且第二时间间隔典型地相当的短，如与第一时间间隔相比，为若干分之一秒。在第一时间间隔期间，至少一个LED发光，而在第二时间间隔期间，根本没有光由LED发出。特别地，在第二时间间隔期间，至少一个LED应该从任何电源或存储容量等断开。在那些第二时间间隔期间，环境的光线(例如日光)照射在至少一个LED上，且产生与环境的亮度概略地成比例的电压。这个电压用于调节在第一时间间隔期间LED的工作电流(和发光强度)。通过这种手段，为了确定环境的亮度，不需要使用分离的、专用的传感器或光电二极管。
本发明的方法的优选变化形式的特征在于在第二时间间隔期间LED的低输出电压，也就是黑暗环境，用于建立在第一时间间隔期间至少一个LED的低工作电流，也就是信号灯的低发光强度，也在于在第二时间间隔期间LED的高输出电压，也就是明亮环境，用于建立在第一时间间隔期间至少一个LED的高工作电流，也就是信号灯的高发光强度。这个变化形式增加了信号灯在白天期间的对比，且避免火车操作者在夜间目眩。
在本发明方法的有利的变化形式中，这样选择第一和第二时间间隔的分配，以便对于人类观察者，信号灯看似不变地工作，特别地，其中第一时间间隔至少1.0秒长，且第二时间间隔最大0.001秒长。这种变化方式避免火车操作者被闪烁的信号灯搞混乱，且第二时间间隔不能被误认为是信号灯不应该发光的时间段。
同样包含在本发明范围内的是信号灯配置，特别是铁路信号灯配置，具有包含至少一个发光二极管作为其光源的信号灯，且具有用于操作该信号灯的电路，其特征在于
该电路包含
用于向至少一个LED提供工作电流的电源装置，
用于抽取该至少一个LED的LED电压的抽取装置，
用于将LED电压与参考电压相比较的比较装置，
其中比较装置连接到电源装置用于控制电源装置，
和用于将电路从第一状态切换到第二状态和相反过程的切换装置，
其中在第一状态中，电源装置连接到至少一个LED，且比较装置从至少一个LED断开，特别地，其中抽取装置从比较装置断开，
和其中在第二状态中，电源装置从至少一个LED断开，且比较装置连接到至少一个LED，特别地，其中抽取装置连接到比较装置。
本发明的信号灯配置不具有分离的传感器，因此使其设计简单和有经济效益。特别地，没有分离的传感器需要维护。此外，为了优化信号灯的对比，在适合的场合，自动地准确地测量环境的亮度。当然本发明的信号灯配置可以(以及意图)用上述发明的方法来操作。第一时间间隔对应于电路的第一状态，和第二时间间隔对应于第二状态。
在本发明的信号灯配置的优选实施方式中，抽取装置包含测量电阻和抽取测量电阻的电压的运算放大器。由LED在第二时间间隔期间产生的电流造成测量电阻上的电压。这个电压由运算放大器放大，以简化进一步的处理，特别地在比较装置中的比较。
在另一个优选的实施方式中，比较装置的输入连接到用于在切换装置的切换周期期间平滑LED电压的电容器。当使用抽取装置中的运算放大器时，放大的LED电压被平滑。用存储容量，可以应用比较装置处的采样保持过程。因此，在比较装置的输入处的电压随着时间是相当的恒定(特别地，在包括第一和第二时间间隔在内的整个切换装置的切换周期上)，在任何第二时间间隔期间具有快速的更新。平滑使LED的工作电流(因此其发光强度)在第一时间间隔期间保持基本地恒定。
一个优选的实施方式的特征在于比较装置包含运算放大器，特别地，和放大器，连接到电压控制的电流源的电压输入。运算放大器可以将(放大的)LED电压中甚至很小的改变转换为适合在电压控制的电流源(＝VCCS)中使用的中间信号。VCCS限制在第一时间间隔期间LED电流。VCCS，特别地，与电源装置的推挽控制器协作，具有相当小的功率消耗。
进一步优选的本发明的信号灯配置的实施方式的特征在于电源装置连接到DC电压源，和电源装置包含控制输入和电压输出，其中控制输入处的电压控制电压输出处的电压，特别地，其中电源装置包含具有电压变换器的推挽控制器。由比较装置提供控制输入处的电压。LED的电源提供经由电源装置的电压输出来完成。推挽控制器和电压变换器非常适于设置到信号灯的电压，特别地，比由DC电压源(电池电压)提供的更高的电压。一旦控制输入处的电压低于临界值，电压输出处的电压就增加，因而一旦控制输入处的电压已经到达临界值，电压输出处的电压在最高水平上保持恒定。
在优选的实施方式中，切换装置包含脉冲发生器和多个开关，其中脉冲发生器控制开关的位置。用这个实施方式，可以实现电路状态的快速改变，特别地通过同时地切换所有的开关。
一种特别优选的本发明的信号灯配置的实施方式，其中信号灯包含多个串联连接的LED。LED典型地是用于铁路或其他交通应用的提供足够发光强度的功率型LED。当串联地连接LED时，能够使用更高的电压，且使用相同的电子装置可以产生更强的发光强度。
能够从描述和附图中获取进一步的优势。依照本发明，上文和下文提及的特征能够单独地或以任何方式结合而共同地使用。所提及的实施方式不可理解为详尽的列举，而是具有用于本发明描述的示例性特性。
附图说明
本发明在图中所示。该仅有的图给出了用于与本发明的方法一起使用的本发明的信号灯配置的示意电路图。
具体实施方式
本发明的信号灯的配置包含信号灯1，其包含12个串联连接的功率型LED 2。LED 2经由电源装置3供电。这个电源装置3经由主开关5连接到提供12V电池电压的DC电压源4。凭借主开关5，信号灯1能够被打开和关闭。
电源装置3包含控制输入6和电压输出7，其中电压输出7经由二极管8和第一开关9连接到信号灯1。在所示的实施方式中，电源装置3包括具有电压变换器11的推挽(push-pullup)控制器10。电压输出7也经由扼流线圈12连接到DC电压源4。
电源装置3的控制输入6连接到比较装置13。在所示的实施方式中，比较装置13包含电压控制的电流源(VCCS)14以及和放大器15，且控制输入6连接到VCCS14的电流输出16。信号灯1也经由开关17连接到电流输出16。
VCCS14决定和限制在第一时间间隔期间通过信号灯1的电流。在所示的实施方式中，在白天条件下和在第一时间间隔期间(当开关9和17关闭且LED 2发光时)，大约200mA的电流流过信号灯1。在PA位置，接近开关9，呈现出大约35V的电压，而在PB位置，接近开关17，呈现大约2V的电压。由VCCS14设定的电流值决定了在第一时间间隔期间LED 2的发光强度。
在PA位置的电压由电源装置3的推挽控制器10和电压变换器11设定。当在PB位置处的电压(与控制输入6处的电压相同)低于临界值时，此处2V，在电压输出7处的电压(几乎与PA位置处的电压相同)升高。当PB处的电压为2V时，电压输出7处的电压保持在恒定值，此处35V，其适合于LED 2的类型和数量。当PB处的电压大于2V时，电压输出7处的电压降低。换句话说，电源装置3增加PA位置处的电压直到LED 2放过所需要的电流。以这种方式，获得了用于信号灯1的合适的电压。
PB位置处的电压依赖于在VCCS14处设置的电流值。当所需要的电流流过信号灯1且，相等地，流过VCCS14的电流输出16时，获得临界值(此处2V)。VCCS14的电流值由VCCS14的电压输入18处呈现的电压设置。所以为了调节LED 2的发光强度，必须改变电压输入18处的电压。
电压输入18处的电压由和放大器15提供，该放大器将呈现在参考输入19处的参考电压和电容器20的存储的电压(呈现在PC位置处)相加。作为本发明的中心思想，PC位置处的电压由LED 2的环境中的亮度决定。
这通过在第二时间间隔期间操作LED 2作为光电二极管而实现。在那些第二时间间隔期间，开关9、17打开，从而LED 2不得到任何电池电源，所以不再发光。取而代之，LED的环境的射入光线引起LED上的电压和通过与LED串联连接的测量电阻21的微弱电流。测量电阻21具有10M欧姆的典型值。它是抽取装置22的一部分，该抽取装置进一步包含并联连接到测量电阻21的运算放大器23。运算放大器23在第二时间间隔期间产生呈现在测量电阻21处的LED电压的放大的LED电压。这个放大的LED电压在第二时间间隔期间经由关闭的开关24加载到电容器20上，也就是电容器20处的电压在第二时间间隔期间被更新。电容器20的容量足够大，所以PC位置处的电压在两次更新之间仅有可忽略地下降。
测量电阻21处的电压在第二时间间隔期间是LED 2的环境中亮度的函数。因此，电容器20处和PC位置处的电压也是所述亮度的函数。
该电路能够由切换装置25在第一状态，在第一时间间隔期间实现，和第二状态，在第二时间间隔期间实现，之间切换。切换装置25包含开关9、17和24，和脉冲发生器26。脉冲发生器26控制开关9、17、24的位置。
对于第一状态，当LED 2发光时，开关9、17关闭，从而将信号灯1连接到电源装置3以对LED 2供电，且开关24打开。因此开关24将电源装置3、LED 2和抽取装置22从电容器20和比较装置13断开。
对于第二状态，当LED熄灭且作为光探测器操作时，开关9、17打开，以将信号灯1从电池电源断开，且开关24关闭，以向电容器20和比较装置13提供放大的LED电压。
当环境明亮时，LED在第二时间间隔期间在测量电阻21处提供高电压，且在PC位置处在全部时间(第一和第二时间间隔，因为电容器20在切换装置25的切换周期上平滑电压)得到高电压。因此在VCCS14的电压输入18处也提供高电压，造成在第一时间间隔期间高电流通过LED 2。因此LED 2产生更多的光，以及尽管环境明亮，信号灯也很容易看见。
当环境黑暗时，LED 2在第二时间间隔期间在测量电阻21处仅提供小的或不提供电压。结果，PC位置处和电压输入18处的电压在全部时间都是低的，且在VCCS14处设定用于在第一时间间隔期间的LED 2的低的电流。LED仅产生少量的光，信号灯不会使观察者(如火车操作者或汽车驾驶者)目眩。
注意切换装置的切换周期典型地是秒的量级的(例如1秒的第一时间间隔，和1毫秒的第二时间间隔，全部的1.001秒的切换周期)，然而环境亮度的重要改变，如白天和夜晚之间或由于天气改变，是典型地若干分钟的量级的。这样选择电容器20的容量以便其电压(在PC位置)在切换周期中是稳定的，但随着所预期的环境亮度的改变可以变化。
通过改变参考输入19处的参考电压，能够调节信号灯1的基本亮度。在所示的实施方式中，参考电压和PC位置处的电压在和放大器15中相加。因此参考电压确定了LED 2的最小发光强度，也就是在完全黑暗的环境中它们的发光强度。最大和最小发光强度之间的比率由抽取装置22的运算放大器23的放大因子确定。在铁路应用中的典型的白天/夜晚调节，本发明的信号灯配置适于提供0.1或更低的信号灯最小到最大发光强度的比率。
本发明的信号灯配置允许建立宽范围的发光强度。该电路可以容易地适合于不同类型的LED。PC位置处的电压(“亮度信号”)可以用于在第二时间间隔期间(也就是作为光探测器使用期间)通过减少的电压产生来探测LED的失效。第一和第二时间间隔的比率(“脉冲中断比率”)可以在宽的范围内选择。注意本发明的信号灯配置和相对应的方法不限于铁路应用，而是可以用于其他应用，如交通信号灯。

Claims (10)

1.一种用于操作信号灯(1)的方法，其中该信号灯(1)包含至少一个发光二极管LED(2)作为其光源，
且其中该信号灯(1)的发光强度适合于环境的亮度，当环境明亮时，信号灯的发光强度高，当环境黑暗时，信号灯的发光强度低，
其特征在于
在第一时间间隔期间至少一个LED(2)操作为信号灯(1)的光源，
且在第二时间间隔期间，至少一个LED(2)操作为光电二极管，
第一和第二时间间隔随时间交替，
且在第二时间间隔期间LED(2)的输出电压用于控制在第一时间间隔期间至少一个LED(2)的工作电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在第二时间间隔期间由于黑暗的环境导致的LED(2)的低输出电压，用于建立在第一时间间隔期间至少一个LED(2)的低工作电流，从而使信号灯发光强度低，
且在第二时间间隔期间由于明亮的环境导致的LED(2)的高输出电压，用于建立在第一时间间隔期间至少一个LED(2)的高工作电流，从而使信号灯发光强度高。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于这样选择第一和第二时间间隔的分布以便对于人类观察者而言，信号灯(1)看似不变地操作，其中第一时间间隔至少1.0秒长，且第二时间间隔最大0.001秒长。
4.一种信号灯配置，
具有包含至少一个发光二极管LED(2)作为其光源的信号灯(1)，
且具有用于操作该信号灯(1)的电路，
其特征在于
该电路包含：
用于向至少一个LED(2)提供工作电流的电源装置(3)，
用于抽取该至少一个LED(2)的LED电压的抽取装置(22)，
用于将LED电压与参考电压相比较的比较装置(13)，
其中该比较装置(13)连接到电源装置(3)用于控制该电源装置(3)，
和用于将电路从第一状态切换到第二状态和相反过程的切换装置(25)，
其中在第一状态中，电源装置(3)连接到至少一个LED(2)，且比较装置(13)从至少一个LED(2)断开，
和其中在第二状态中，电源装置(3)从至少一个LED(2)断开，且比较装置(13)连接到至少一个LED(2)，
其中在第一状态中，至少一个LED操作为信号灯的光源，在第二状态中，至少一个LED操作为光电二极管，并且在第二状态中至少一个LED的输出电压用于控制在第一状态中至少一个LED的工作电流。
5.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于抽取装置(22)包含测量电阻(21)和抽取测量电阻(21)的电压的运算放大器(23)。
6.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于比较装置(13)的输入连接到用于在切换装置(25)的切换周期期间平滑LED电压的电容器(20)。
7.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于该比较装置(13)包含连接到电压控制的电流源(14)的电压输入(18)的运算放大器(15)。
8.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于电源装置(3)连接到DC电压源(4)，且电源装置(3)包含控制输入(6)和电压输出(7)，其中在控制输入(6)处的电压控制在电压输出(7)处的电压。
9.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于切换装置(25)包含脉冲发生器(26)和多个开关(9，17，24)，其中脉冲发生器(26)控制开关(9，17，24)的位置。
10.根据权利要求4所述的信号灯配置，其特征在于信号灯(1)包含多个串联连接的LED(2)。
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