DE10102352A1 - Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung, Leuchtdioden-Signallampe und Leuchtsignalanordnung, deren Verwendung und Verfahren zum Betrieb einer Leuchtdiodenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung (2). Bei dieser ist parallel zur Leuchtdiodenanordnung (2) mindestens eine Serienschaltung (3) aus einem Schaltelement (S) und einem Lastwiderstand (R¶L¶) geschaltet und das Schaltelement (S) ist an eine Auswerteeinrichtung (4) gekoppelt, die die Betriebsspannung (U¶B¶) der Leuchtdiodenanordnung (2) erfasst und das Schaltelement (S) in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspannung (U¶B¶) ansteuert. Über den Lastwiderstand (R¶L¶) fließt, gesteuert durch die Auswerteeinrichtung, ein Laststrom (I¶L¶). Die Summe aus Laststrom (I¶L¶) und Leuchtdiodenstrom (I¶LED¶) ergibt einen der Betriebsspannung (U¶B¶) zugeordneten Stromwert (I) auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungseinrichtungen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie (U-I-Kennlinie). Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Leuchtdiodenschaltungsanordnung und eine bevorzugte Verwendung der Leuchtdioden-Signallampe.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung und auf eine Leuchtdiodenanordnung, insbesondere eine Leuchtdiodenanord­ nung für eine Eisenbahnsignalanlage.

Lichtemittierende Dioden (im Weiteren kurz LED genannt) haben mittlerweile eine Helligkeit erreicht, die deren Einsatz in Verkehrssignalanlagen ermöglichen. Bekannt sind beispiels­ weise Straßenverkehrsampeln mit Signalgebern, die als licht­ emittierende Elemente Leuchtdioden aufweisen. Weiterhin sind auch bereits Eisenbahnleuchtsignalanlagen bekannt, bei denen als Lichtemitter Leuchtdioden eingesetzt sind. Hierbei han­ delt es sich aber ausschließlich um Anlagen zur kompletten Erstinstallation von Signalsystemen. Hierbei können die Be­ triebsbedingungen und die Peripherie zur Ansteuerung und Überwachung optimal auf die Anforderungen der LED-Technik eingestellt werden.

Diese optimalen Voraussetzungen sind in bestehenden Signalan­ lagen, die ursprünglich mit andersartigen Signallampen oder -lichtquellen, wie beispielsweise propanbetriebene Formsi­ gnale, ausgestattet sind, nicht gegeben. Die im Einsatz be­ findlichen elektrischen Schaltungen in Lichtsignalanlagen sind auf das elektrische Verhalten einer herkömmlichen Si­ gnallampe und nicht einer LED-Anordnung abgestimmt.

Der elektrische Widerstand dieser herkömmlichen Signallampen vergrößert sich mit zunehmender Betriebsspannung, im Gegen­ satz zu Leuchtdioden, die bei Betriebsspannungen kleiner als die Flußspannung einen sozusagen unendlich hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Dies ist im Diagramm der Fig. 1 ver­ deutlicht, in dem der elektrische Widerstand über der Be­ triebsspannung aufgetragen ist und der Verlauf des elektri­ schen Widerstandes einer herkömmlichen Signallampe (durchge­ zogene Kurve) dem einer LED-Anordnung (gepunktete Kurve) ge­ mäß Fig. 2 gegenübergestellt ist. Bei der LED-Anordnung ge­ mäß dem Schaltplan von Fig. 2 sind eine Mehrzahl von Einzel- LEDs 20 parallelgeschaltet und jede Einzel-LED besitzt einen Vorwiderstand 21.

Aus dem Diagramm der Fig. 1 ist der Unterschied im elektri­ schen Verhalten der LED-Anordnung zur Signallampe herkömmli­ cher Art deutlich sichtbar. Bei kleinen Betriebsspannungen besitzt die herkömmliche Signallampe einen kleinen elektri­ schen Widerstand, welcher sich bei größer werdender Betriebs­ spannung erhöht. Dagegen besitzt die LED-Anordnung bei klei­ nen Betriebsspannungen einen sehr großen elektrischen Wider­ stand, welcher sich mit größer werdender Betriebsspannung verkleinert.

Bei den bestehenden Signalanlagen sind in der Regel die peri­ pheren Bedingungen wie beispielsweise die Energieversorgungs­ parameter fest vorgegeben und zwar ausgelegt auf herkömmliche Arten von Signallampen. Zusätzliche Probleme ergeben sich, wenn die Speisebedingungen, das heißt die Bedingungen der Versorgung mit elektrischer Energie, auf die Einhaltung be­ stimmter Parameter überwacht werden und bei Nichteinhaltung der Bedingungen sicherheitsrelevante Reaktionen der Anlage erfolgen müssen.

Ein auf LEDs basierendes Eisanbahnleuchtsignal, das versucht, diese Problematik zu beseitigen, ist beispielsweise aus der WO 95/12512 bekannt. Bei diesem erfolgt eine Anpassung des elektrischen Widerstands des LED-Signals mit einer seriellen LED-Anordnung an den einer ursprünglich an Stelle der LED-An­ ordnung vorhandenen Signallampe mittels eines elektrischen Widerstandes, der nach einer vorausgehenden Überprüfung der LED-Anordnung im Ruhezustand (hier ist unter anderem ein Schalter im Parallelstrang des Lastwiderstandes offen) paral­ lel zur seriellen LED-Anordnung geschaltet wird, sofern die LED-Anordnung in Ordnung ist. Der parallelgeschaltete Lastwi­ derstand führt im Betrieb zu einem zusätzlichen Sromfluß, der dann zusammen mit dem Strom durch die serielle LED-Anordnung einen Gesamtstromfluß bewirkt, der den Stromverbrauch einer ursprünglich vorgesehenen Art von. Signallampe sozusagen simu­ liert. Im Stellwerk der Eisenbahnanlage wird auf diese Weise die ordnungsgemäße Funktion der Lampe angezeigt.

Bei dieser bekannten Anordnung tritt jedoch die Schwierigkeit auf, dass die Anpassung der LED-Anordnung an das elektrische Verhalten einer Signallampe, für die die Signalanlage ur­ sprünglich ausgelegt ist, nur in einem engen Speisespannungs­ bereich gewährleistet ist. Dies führt besonders bei Signalan­ lagen zu Nachteilen, bei denen eine Nachtspannungsabsenkung zur Verringerung der Lichtstärke in der Nacht vorgesehen ist, um Überstrahlungen und Blendungen zu verhindern.

Zuweiteren Problemen führt die Tatsache, dass sich das Si­ gnal im Grundzustand, das heißt bei nicht angesteuertem Si­ gnal und abgeschaltetem Parallelwiderstand, wesentlich hochohmiger als eine herkömmliche Signallampe verhält. Die Anfälligkeit gegenüber Störsignalen ist dadurch wesentlich höher und es kann unter Umständen zu gefährlichen Zuständen, wie Resonanzerscheinungen, die ein Blinken des Signals zur Unzeit bewirken können, oder auch zur erhöhten Empfindlich­ keit gegenüber elektrostatischen Ladungen führen.

Schließlich ist bei der bekannten Anordnung nachteilig, dass bei Ausfall einer einzigen Leuchtdiode in der seriellen An­ ordnung das gesamte Signal ausfällt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, mit Hilfe der Signallampen herkömmlicher Art durch LED-Anordnungen zu ersetzen und gleichzeitig die übrigen Bestandteile der zugrundeliegenden Signalanlage weitestgehend unverändert zu belassen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiter­ bildungen der Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Un­ teransprüche 2 bis 4. Eine Leuchtdioden-Signallampe mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruches 5. Eine besonders bevorzugte Leucht­ signalanordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 6 und eine besonders bevorzugte Verwendung der Schaltungsanordnung, der Leuchtdioden-Signallampe bzw. der Leuchtsignalanordnung ist Gegenstand des Patentanspruches 7. Ein Verfahren, nach dem die Schaltungsanordnung arbeitet, ist Gegenstand des Pa­ tentanspruches 8. Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfah­ rens ist Gegenstand des Patentanspruches 9.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist parallel zur Leuchtdiodenanordnung mindestens eine Serienschaltung aus einem Schaltelement und einem Lastwiderstand geschaltet. Das Schaltelement, das heißt dessen Strompfad, besitzt im einge­ schalteten Zustand einen variablen elektrischen Widerstand, dessen Widerstandswert durch ein Ansteuersignal geregelt wird. Das Schaltelelment ist hierfür an eine Auswerteeinrich­ tung gekoppelt, die die Betriebsspannung der Leuchtdiodenan­ ordnung erfasst. Die Auswerteeinrichtung steuert auf der Ba­ sis des erfassten Eingangssignals der Betriebsspannung das Schaltelement in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspan­ nung derart an, dass über den Lastwiderstand ein Laststrom fließt. Die Summe aus Laststrom und Leuchtdiodenstrom ergibt einen der Betriebsspannung zugeordneten Stromwert auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungseinrichtun­ gen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist das Schaltelement ein Transistor, dessen Strompfad mit dem Lastwiderstand in Reihe geschaltet ist und dessen Steuerpfad an einen Operationsverstärker gekoppelt ist. Im Betrieb sendet der Operationsver­ stärker ein Steuersignal an den Steueranschluß, dessen Art vom Betriebsspannungssignal am entsprechendem Eingang des Operationsverstärkers abhängt. Mit dem Steuersignal steuert der Operationsverstärker die Leitfähigkeit des Strompfades des Transistors foglich in Abhängigkeit von der Höhe der Be­ triebsspannung.

Besonders bevorzugt ist bei der zuletzt angegebenen Ausfüh­ rungform der Schaltungsanordnung eine Spannungsteilerschal­ tung parallel zur Leuchtdiodenanordnung geschaltet. Der Mit­ telabgriff der Schaltungsanordnung ist hierbei auf einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt und an einen invertierdenden Eingang des Operationsverstär­ kers ist eine Referenzspannungsquelle gekoppelt.

Diese speziellen Ausführungformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erlauben vorteilhafterweise einen Aus­ tausch herkömmlicher Signallampen durch Leuchtdiodenanordnun­ gen ohne allzu großem technischen Aufwand und ohne die Peri­ pherie zur Signallampe hinsichtlich ihrer elektrischen Ener­ gieversorgung und der Überwachungsmaßnahmen besonders anpas­ sen zu müssen.

Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders für Leucht­ signalanordnungen, die in der Nacht zur Verringerung der Lichtstärke des Signals mit einer kleinstmöglichen Betriebs­ spannung (Nachtspeisebedingungen) betrieben werden und die am Tag mit größtmöglicher Betriebsspannung betrieben werden. Das Schaltelement ist hierzu bei Nachtspeisebedingungen maximal durchlässig und bei Tagspeisebedingungen hochohmiger.

Besonders bevorzugt wird die Schaltungsanordnung, die Leucht­ diodenanordnung bzw. die Leuchtsignalanordnung in einer Ei­ senbahnleuchtsignalanlage verwendet, bei der eine herkömmli­ che Signallampe durch eine LED-Anordnung ersetzt werden soll.

Die parallel zur Schaltungsanordnung geschaltete Leucht­ diodenanordnung ist besonders bevorzugt eine Parallelschal­ tung aus einer Vielzahl von einzelnen LED-Bauelementen oder aus einer Vielzahl von LED-Reihenschaltungen aus mehreren LEDs.

Die Schaltungsanordnung ermöglicht eine signaltechnisch si­ chere Anpassung der elektrischen Kennlinie einer LED-Signal­ lampe an die Kennlinie einer herkömmlichen Signallampe. "Si­ gnaltechnisch sicher" bedeutet in diesem Fall, dass die An­ ordnung auch im Fehlerfall (Bauteilausfall etc.) in vorher bestimmbaren Grenzen reagiert.

Die Schaltungsanordnung verbraucht im fehlerfreien Zustand bei kleinster Betriebsspannung (zum Beispiel bei Nachtspeise­ bedingungen) den größten Strom. Bei größter Betriebsspannung (zum Beispiel bei Tagspeisebedingungen) ist dagegen der Stromverbrauch der Schaltungsanordnung reduziert.

Eine mit dieser Schaltungsanordnung ausgerüstete LED-Signal­ lampe (LED-Anordnung einschließlich Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung) ist in Eisenbahnleuchtsignalanlagen über einen weiten Spannungsbereich einsetzbar, wobei die elektri­ schen Kennwerte dieser LED-Signallampe im fehlerfreien Zu­ stand nahezu identisch den elektrischen Kennwerten einer her­ kömmlichen Signallampe sind. Im fehlerhaften Zustand lassen sich vorteilhafterweise Grenzbedingungen angeben, welche zum Nachweis der signaltechnisch sicheren Funtion benötigt wer­ den.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung, insbesondere gegenüber der in der WO 95/12512 beschrie­ benen Anordnung, besteht somit darin, daß die Höhe des Ge­ samtwiderstandes von Lastwiderstand und Schaltelement von der Höhe der Betriebsspannung abhängt und nicht nur einen einzi­ gen festen Wert aufweist. Das Verhältnis der Stromstärke durch die Leuchtdiodenanordnung zur Stromstärke durch den Parallelzweig mit dem Lastwiderstand variiert damit in Abhän­ gigkeit von der Höhe der Betriebsspannung. Bei der Anordnung gemäß der WO 95/12512 wird hingegen nach einem Überprüfungs­ schritt der LED-Anordnung im Ruhezustand bei geöffnetem Schalter und damit offenem Parallelstrang der Schalter ge­ schlossen, sofern die LED-Anordnung bei dem Überprüfungs­ schritt als in Ordnung befunden wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist hingegen bei niedrigen Betriebsspannungen, beispielsweise bei Nachtspeisebedingungen mit gegenüber Tagspeisebedingungen ab­ gesenkter Betriebsspannung, der Parallelstrang aus Lastwider­ stand und Schaltelement niederohmig und bei hohen Betriebs­ spannungen, wie sie beispielsweise bei Tagspeisebedingungen vorliegen, hochohmig.

Die Parallelschaltung aus einer Vielzahl von LED-Bauelementen oder LED-Bauelementreihen bringt den besonderen Vorteil mit sich, dass bei Ausfall eines einzigen LED-Bauelements nicht gleich das gesamte Signal ausfällt, sondern dass die übrigen fehlerfreien LED-Bauelemente eine Aufrechterhaltung der Funk­ tion des Signals ermöglichen. Ein Überwachungsaufwand, wie er bei der aus WO 95/12512 bekannten Anordnung erforderlich ist, kann vorliegend folglich entfallen.

Die Schaltungsanordnung erfüllt die prinzipielle Funktions­ weise gemäß der Erfindung, wonach zum Anpassen des Stromflus­ ses durch eine LED-Signallampe an eine durch externe Energie­ versorgungs- und Überwachungseinrichtungen vorgegebene Kenn­ linie mittels eines parallel zur LED-Anordnung geschalteten regelbaren Lastkreises ein von der Höhe der Betriebsspannung für die LED-Anordnung abhängiger Laststrom erzeugt wird. Die­ ser zusätzliche Laststrom, ergibt in Summe mit dem Leucht­ diodenstrom durch die LED-Anordnung einen der jeweils an der LED-Anordnung anliegenden Betriebsspannung zugeordneten Stromwert auf der vorgegebenen Kennlinie.

Weitere Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen und Ausfüh­ rungsformen ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Fig. 3 bis 7 erläuterten Ausführungsbeispiel.

Die Schaltungsanordnung, Leuchtdioden-Signallampe bzw. Leuchtsignalanordnung gemäß der Erfindung eignet sich ganz besonders bevorzugt für die Verwendung in einer Signalanlage, bei der die Leuchtdiodenanordnung von einer weit entfernt von dieser angeordneten Energieversorgungs- und Steuereinrich­ tung, die sich beispielsweise in einer Leitzentrale befindet, versorgt wird. Dies ist insbesondere der Fall in Leucht­ signalanlagen des Schienenverkehrs, Straßenverkehrsleucht­ signalanlagen und Leuchtsignalanlagen des Luftverkehrs.

Figurenbeschreibung

Es zeigen:

Fig. 1 (oben bereits näher erläutert), ein Diagramm, in dem die Widerstands-Spannungskennlinien einer herkömmli­ chen Signallampe und einer LED-Anordnung gemäß Fig. 2 schematisch dargestellt sind;

Fig. 2 (oben bereits näher erläutert), ein Schaltdiagramm einer LED-Anordnung zum Einsatz in einer Leucht­ signalanlage an Stelle einer herkömmliche Signal­ lampe;

Fig. 3 ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien einer herkömmlichen Si­ gnallampe und einer LED-Anordnung nach Fig. 2 sowie die Differenzkurve der beiden Kennlinien eingetragen sind;

Fig. 4 ein Schaltdiagramm des Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien des maximalen Stromes durch den Lastwiderstand und des maximalen Stromes durch die Sicherung der Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel und die Summe der beiden Ströme aufgetragen sind;

Fig. 6 ein Strom-Spannungsdiagramm, in dem schematisch die Strom-Spannungskennlinien einer herkömmlichen Si­ gnallampe, einer LED-Anordnung im fehlerfreien Zu­ stand und einer LED-Anordnung mit maximal anzuneh­ mendem Fehlerstrom der Schaltungsanordnung zur Kenn­ linienanpassung aufgetragen sind; und

Fig. 7 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispieles für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für Wech­ selspannungsbetrieb.

In dem Strom-Spannungs-Diagramm von Fig. 3 ist auf der Ordi­ nate der Lampenstrom I in beliebigen Einheiten und an der Ab­ szisse die Betriebsspannung U in beliebigen Einheiten aufge­ tragen. Die Kurven machen deutlich, wie sich die Strom-Span­ nungkennlinie einer herkömmlichen Signallampe (durchgezogene Linie) von der einer (herkömmlichen) LED-Anordnung nach Fig. 2 (gepunktete Linie), die keinen erfindungsgemäßen Schal­ tungsteil zur Kennlinienanpassung aufweist, unterscheidet. Zusätzlich ist die Differenzkurve (gestrichelte Linie) der beiden Kennlinien eingetragen, das heißt, der Stromanteil, welcher in Abhängigkeit von der Spannung fehlt, um bei der LED-Anordnung den gleichen elektrischen Strom zu erhalten wie bei der herkömmlichen Signallampe. Aus dem Diagramm ist deut­ lich zu erkennen, dass im Bereich einer reduzierten Betriebs­ spannung, wie sie beispielsweise in Eisenbahnsignalanlagen bei Nachtspeisebedingungen vorliegt, dieser Strom ein Maximum besitzt. Im ober Betriebsspannungsbereich, wie beispielsweise bei Tagspeisebedingungen in Eisenbahnsignalanlagen, geht die Differenz dagegen gegen Null.

Der Schaltplan von Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die parallel zu einer LED-Anordnung gemäß Fig. 2 geschaltet wird und die in Abhängigkeit von einer Betriebsspannung U_B der LED-Anordnung den in Fig. 3 gezeigten Differenzstrom (gestrichelte Linie) aufnimmt.

Die Schaltungsanordnung weist im Wesentlichen einen Operati­ onsverstärker OPV, eine Referenzspannungsquelle Uref, sowie eine Serienschaltung aus einem Transistor T und einem Lastwi­ derstand R_L auf, die parallel zur LED-Anordnung geschaltet ist.

Die Summe aus dem Strom durch die LED-Anordnung und dem Strom durch den Lastwiderstand RL ergibt im Wesentlichen den Strom durch die LED-Signallampe, den der übrige Teil der Leucht­ signalanlage als Lampenstrom "sieht".

Im Detail ist in der Schaltungsanordnung gemäß dem konkreten Ausführungsbeispiel parallel zur LED-Anordnung an die Be­ triebsspannungs(U_B)-Quelle eine Serienschaltung aus einem Lastwiderstand R_L und dem Strompfad E-C (Emitter-Collector) eines Transistors T geschaltet. Der Transistor T ist vorlie­ gend beispielsweise ein pnp-Bipolartransistor. Es kann aber grundsätzlich auch jeder andere Transistortyp eingesetzt wer­ den.

Parallel zur LED-Anordnung ist eine Spannungsteilereinrich­ tung, bestehend aus einer Serienschaltung aus einem ersten elektrischen Widerstand R1 und einem zweiten elektrischen Wi­ derstand R2, geschaltet, der eine Sicherung Si vorgeschaltet ist.

Der Mittelabgriff M der Spannungsteilerschaltung R1, R2 ist auf den nichtinvertierenden Eingang "+" eines Operationsver­ stärkers OPV gelegt. Parallel zur Spannungsteilereinrichtung R1, R2 ist eine Serienschaltung aus einem dritten elektrischen Widerstand R3, einem vierten elektrischen Widerstand R4 und einer Referenzspannungs(Uref)-Quelle geschaltet. Die Verbin­ dungsleitung zwischen dem dritten R3 und dem vierten elektri­ schen Widerstand R4 ist auf den invertierenden Eingang "-" des Operationsverstärkers OPV gelegt. Der invertierende Ein­ gang des Operationsverstärker OPV ist über einen fünften elektrischen Widerstand R5 mit dem Ausgang des Operationsver­ stärkers OPV verbunden, der wiederum mit dem Steuereingang B (Basis) des Transistors T verbunden ist.

Im Folgenden ist die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel erläutert.

Solange die durch den Spannungsteiler R1, R2 geteilte Be­ triebsspannung U_B, die am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV anliegt, kleiner als die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV ist, besitzt der Ausgang des Operationsverstärkers OPV Minuspoten­ tial und der Transistor T ist leitend. Dadurch ist der Last­ widerstand R_L parallel zur LED-Anordnung und damit auch zur Betriebsspannungs(U_B)-Quelle geschaltet. Dies führt zu einem zusätzlichen Stromfluß parallel zur LED-Anordnung, wodurch die übrige Signalanlage einen kleinen elektrischen Widerstand der LED-Signallampe, das heißt LED-Anordung einschließlich parallel dazu geschalteter Schaltungsanordnung zur Kennlini­ enanpassung, "sieht".

Vergrößert sich die Betriebsspannung U_B auf einen Wert, so dass die Spannung am nicht invertierenden Eingang "+" die Re­ ferenzspannung am invertierenden Eingang "-" des Operations­ verstärkers OPV erreicht und überschreitet, so regelt der Operationsverstärker OPV seinen Ausgang solange gegen + nach, bis die Spannungen am invertierenden Eingang "-" und am nichtinvertierenden Eingang "+" wieder übereinstimmen. Der Ausgang des Operationsverstärkers OPV schaltet dadurch in Ab­ hängigkeit von der Betriebsspannung von "-" nach "+" durch. Mit der gleichen Abhängigkeit geht der Transistor T vom voll leitenden in den gesperrten Zustand über, wodurch der Stromfluss durch den fünften elektrischen Widerstand R5 bis auf Null gesenkt wird. Die Referenzspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV wird bestimmt durch die Referenzspannungsquelle Uref und dem Spannungsteiler, beste­ hend aus den elektrischen Widerständen R₃, R₄ und R₅.

Der Anstieg der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OPV läßt sich mit Hilfe des dritten und fünften elektrischen Widerstandes einstellen. Die Betriebsspannung U_B, bei welcher der Strom durch den Lastwiderstand R_L verringert wird, wird mit dem Spannungsteiler R1, R2 eingestellt.

Vorzugsweise wird die Anordnung derart eingestellt, dass bei kleinster anzunehmender Betriebsspannung U_B (zum Beispiel bei Nachtspeisebindungen in einer Eisenbahnleuchtsignalanlage) an der Signallampe der Transistor T voll durchgesteuert, das heißt der Strompfad E-C maximal leitend ist und dass bei größter anzunehmender Betriebsspannung U_B (zum Beispiel bei Tagspeisebedingungen in einer Eisenbahnleuchtsignalanlage) der Transistor T voll gesperrt ist, das heißt der Strompfad E-C maximalen elektrischen Widerstand aufweist. Somit ergibt sich eine maximale Stromaufnahme der Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung zum Beispiel unter Nachspeisebedingungen und eine minimale Stromaufnahme unter Tagspeisebedingungen.

Insbesondere bei Eisenbahnleuchtsignalanlagen stellt sich das grundsätzliche Problem, dass Bauteilausfälle entweder sofort erkannt werden müssen oder deren Auswirkungen keine betriebs­ gefährdenden Zustände hervorrufen dürfen. Der Lastwiderstand R_L ist aus diesem Grund als Sicherheitsbauform ausgebildet, was bedeutet, dass im Fehlerfall nur mit einer definierten Widerstandsverringerung (zum Beispiel 10%) gerechnet werden muss. Eine Erhöhung des elektrischen Widerstands ist jedoch anzunehmen. Die Sicherung Si ist derart eingefügt, dass ein anzunehmender Kurzschluss des Operationsverstärkers OPV, des Transistors T, der Referenzspannungsquelle Uref und der fünf elektrischen Widerstände R1 bis R5 den dadurch entstehenden Fehlstrom begrenzt.

Mit diesen Maßnahmen ist an den Anschlüssen der Schaltungsan­ ordnung zur Kennlinienanpassung nach Fig. 4 nur mit folgen­ den Fehlerzuständen zu rechnen:

• - Verringerung des Stromflusses bis auf Null und
• - Erhöhung des Stromflusses bis zu einem maximal möglichen Strom.

Im Diagramm von Fig. 5 ist dies schematisch dargestellt. Der Strom entsprechend der strichpunktierten Linie 51 ergibt sich, wenn zum Beispiel die Collector-Emitter-Strecke C-E des Transistors T kurzgeschlossen ist, aber auch wenn der Ausgang des Operationsverstärkers OPV ständig auf Minuspotential liegt. Aufgrund dessen, dass sich der elektrische Lastwider­ stand R_L im Fehlerfall nicht wesentlich verkleinern kann, kann sich auch der Strom durch den Lastwiderstand R_L nicht über den in der strichpunktierten Linie 51 dargestellten Ver­ lauf erhöhen. Unabhängig davon, welcher Bauelementfehler in der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 angenommen wird.

Die gepunktete Linie 52 des Diagramms von Fig. 5 stellt den Stromverlauf dar, welcher von der Sicherung Si begrenzt wird. Vorzugsweise ist dieser Stromwert wesentlich kleiner als der Strom gemäß der strichpunktierten Linie 51. Dies ist durch die Auswahl geeigneter Bauelemente gewährleistet. Bei einer beispielhaften Konfiguration beträgt der Ansprechwert der Si­ cherung Si 30 mA, wobei bei Nachspannung durch den Lastwider­ stand R_L ein Strom von 500 mA und durch die LED ein Strom von 300 mA fließt.

Die durchgezogene Linie 53 des Diagramms von Fig. 5 zeigt den maximal anzunehmenden Gesamtstrom der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 im Fehlerfall und ist die Summe des Stromes durch den Lastwiderstand R_L (strichpunktierte Linie 51) und des Stromes durch die Sicherung Si (gepunktete Linie 52) In dem Diagramm von Fig. 6 (Strom-Spannungs-Diagramm) ist die Stromaufnahme einer LED-Signallampe, bestehend aus einer LED-Anordnung gemäß Fig. 2 und einer Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung nach Fig. 4 im fehlerfreien Zustand (ge­ punktete Linie), sowie bei maximal anzunehmendem Fehlerstrom der Schaltungsanordnung zur Kennlineinanpassung (durchgezo­ gene Linie) im Vergleich zur Stromaufnahme einer herkömmli­ chen Signallampe (strichpunktierte Linie) dargestellt.

Das Diagramm von Fig. 6 zeigt eine gute Übereinstimmung der Stromaufnahme eines LED-Signals, bestehend aus einer LED-An­ ordnung gemäß Fig. 2 und einer parallel dazu geschalteten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4, im fehlerfreien Zustand mit der Stromaufnahme einer herkömmlichen Signallampe. Unter­ halb des Nachtspannungswertes NS ist die Stromaufnahme der LED-Signallampe etwas kleiner als die Stromaufnahme einer herkömmlichen Signallampe. Es kommt aber schon bei kleinen Betriebsspannungen zu einem Stromfluss, wodurch die LED-Si­ gnallampe sich niederohmig verhält und dadurch unempfindlich gegenüber Störspannungen ist.

Bei fehlerhafter Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung (maximal möglicher anzunehmender Stromfluss) ist die Strom­ aufnahme der LED-Signallampe bis zum Nachtspannungswert NS fast identisch mit der Stromaufnahme bei fehlerfreier Schal­ tungsanordnung. Erst ab dem Nachspannungswert NS vergrößert sich die Spanne zwischen fehlerfreier und fehlerhafter Kenn­ linienanpassung.

Die im Diagramm von Fig. 6 dargestellte Kennlinie bei feh­ lerhafter Schaltungsanordnung stellt einen Maximalwert dar, welcher nicht überschritten wird, egal welcher Fehler bei der Schaltungsanordnung angenommen wird. Das Verhalten der LED- Signallampe ist somit bis zum Nachtspannungswert NS nahezu identisch dem Verhalten der herkömmlichen Signallampe. Ober­ halb des Nachtspannungswertes NS kann es im Fehlerfall der Schaltungsanordnung zu einem zusätzlichen Stromfluss kommen, welcher aber ebenfalls nach oben begrenzt ist.

Mit diesen Angaben kann das Verhalten der LED-Signallampe in der Lichtsignalschaltung im Fehlerfall untersucht und die si­ chere Funktion nachgewiesen werden.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 stellt nur eine mögli­ che Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar. An Stelle des Transistors T lassen sich natürlich jegliche Arten von elektronischen Schaltern verwenden. Auch die Ver­ wendung von mechanischen Schaltern, wie Relais, ist vorstell­ bar, wobei jedoch in Abhängigkeit von der jeweiligen Be­ triebsspannung elektrische Lastwiderstände R_L unterschiedli­ cher Größe zu schalten sind (bei kleiner Betriebsspannung ein kleinerer Lastwiderstand, bei großer Betriebsspannung ein größerer Lastwiderstand).

Einen weiteren Einsatzfall stellt der Wechselspannungsbetrieb dar. Hierzu eignet sich vorzugsweise eine Schaltungsanordnung gemäß dem Schaltplan von Fig. 7. In dieser ist eine Gleich­ richterbrücke GR1 und ein Siebglied für die Erzeugung einer internen Gleichspannung vor den Eingang der Auswerteeinrich­ tung 4 geschaltet. Die Sicherung Si ist vor der Gleichrich­ terbrücke GR1 angeordnet. So können Bauteildefekte an der Gleichrichterbrücke (Kurzschluss einer Diode) durch die Si­ cherung Si mit abgefangen werden. Parallel zur LED-Anordnung ist eine Parallelanordnung 3 aus einer ersten Serienschaltung aus Lastwiderstand RL1, Transistor T1 und Diode D1 und einer zweiten Serienschaltung aus Lastwiderstand RL2, Transistor T2 und Diode D2 angeschlossen. Die Durchlassrichtungen der bei­ den Serienschaltungen sind entgegengesetzt gerichtet. Die beiden Steueranschlüsse B1 und B2 der beiden Transistoren T1 und T2 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV verbunden, dessen Eingangsbeschaltung der der oben beschrie­ benen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 entspricht. Die Gleichrichterbrücke GR1 mit dem Siebglied ist zwischen Betriebsspannungsanschluss und Operationsverstärker OPV ge­ schaltet und versorgt den Spannungsteiler R1, R2 mit Gleich­ spannung.

Die Lastwiderstände RL1 und RL2 und die Transistoren T1 und T2 sind vor der Sicherung Si angeordnet. Für jede Halblwelle ist ein Transistor T1 bzw. T2 und ein Lastwiderstand RL1 bzw. RL2 verwendet. Die Dioden D1 und D2 verhindern, dass bei die­ ser Art von Schaltern ein Strom der jeweils anderen Halbwelle in den Collector der Transistoren T1 bzw. T2 hineinfliesst.

Bei der Verwendung von anderen Schaltern, zum Beispiel Re­ laiskontakten, ist eine Aufteilung für die einzelnen Halbwel­ len nicht zwingend erforderlich. Dies hängt einzig und allein von den verwendeten Schalterarten ab.

Neben den oben explizit beschriebenen sind auch Anordnungen einsetzbar, bei denen eine Vielzahl von Schaltern und Lastwi­ derständen parallel geschaltet sind. Dadurch kann die aufzu­ nehmende Verlustleistung auf eine Vielzahl von Lastwiderstän­ den und Schaltern verteilt werden. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn aus Gründen der wirtschaftlichen Herstellung oberflächenmontierbare Bauelemente mit kleiner Verlustleistung eingesetzt werden.

Ist eine LED-Anordnung mit einer anderen Verschaltung der einzelnen LEDs vorgesehen, so ergibt sich in der Regel auch ein anderer Verlauf des Differenzstromes der Kennlinie her­ kömmlicher Signallampen und der LED-Signallampe. An Stelle des Operationsverstärkers OPV, der Widerstände R1 bis R5 und der Referenzspannungsquelle Uref kann dann eine andere Art von Auswerteeinrichtung eingesetzt sein, die die Betriebs­ spannung U_B bewertet und einen Ausgang derart ansteuert, dass der Schalter T den Differenzstrom über den Lastwiderstand R_L ausgleicht. Frei programmierbare Anordnungen mit Mikroprozes­ sor ermöglichen zum Beispiel eine Anpassung an jede beliebige Kurvenform des Differenzstromes.

Zusätzlich zur Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung können Schaltungsteile für eine Temperaturkompensation vorge­ sehen sein. Auf diese Weise läßt sich eine temperaturabhängi­ gen Stromaufnahme der LED-Anordnung ausgleichen.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung (1) zur Kennlinienanpassung einer Leuchtdiodenanordnung (2), bei der parallel zur Leucht­ diodenanordnung (2) mindestens eine Serienschaltung (3) aus einem Lastwiderstand (R_L) und einem regelbaren Schalt­ element (T), dessen elektrischer Widerstand im einge­ schalteten Zustand über einen Steuereingang einstellbar ist, geschaltet ist und das Schaltelement (T) an eine Auswerteeinrichtung (4) gekoppelt ist, die die Betriebs­ spannung (U_B) der Leuchtdiodenanordnung (2) erfasst und das Schaltelement (T) in Abhängigkeit von der erfassten Betriebsspannung (U_B) derart ansteuert, dass über den Lastwiderstand (R_L) ein Laststrom (I_L) fließt, und die Summe aus Laststrom (I_L) und Leuchtdiodenstrom (I_LED) einen der Betriebsspannung (U_B) zugeordneten Stromwert (I) auf einer durch externe Elemente, insbesondere Überwachungs­ einrichtungen, vorgegebenen Strom-Spannungskennlinie (U- I-Kennlinie) ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der bei niedri­ gen Betriebsspannungen (U_B) der Parallelstrang aus Lastwi­ derstand (RL) und Schaltelement (T) niederohmig und bei hohen Betriebsspannungen (U_B) hochohmig ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schaltelement (S) ein Transistor (T) ist, dessen Strompfad mit dem Lastwiderstand (R_L) in Reihe geschaltet ist und dessen Steueranschluß an einen Operationsverstär­ ker (OPV) gekoppelt ist, der im Betrieb ein Signal an den Steueranschluß sendet, das die Leitfähigkeit des Strom­ pfades des Transistors (T) in Abhängigkeit von der Höhe der Betriebsspannung (U_B) steuert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der eine Span­ nungsteilerschaltung (R1, R2) parallel zur Leuchtdiodenan­ ordnung (2) geschaltet ist, deren Mittelabgriff auf einen nicht invertierenden Eingang (+) des Operationsverstär­ kers (OPV) gelegt ist, und bei der an einen invertierden­ den Eingang (-) des Operationsverstärkers (OPV) eine Re­ ferenzspannung gekoppelt ist.

5. Leuchtdioden-Signallampe mit einer Leuchtdiodenanordnung, die insbesondere eine Vielzahl von seriell verschalteten einzelnen Leuchtdioden oder Leuchtdiodenreihen aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der voran­ gehenden Patentansprüche.

6. Leuchtsignalanordnung mit einer Schaltungsanordnung bzw. einer Leuchtdioden-Singallampe nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, bei der bei Nachtspeisebedingungen zur Verringerung der Lichtstärke mit einer kleinstmöglichen Betriebsspannung (U_B) das Schaltelement (S) maximal durch­ lässig ist und bei Tagspeisebedingungen mit größtmögli­ cher Betriebsspannung (U_B) das Schaltelement (S) gesperrt ist.

7. Verwendung einer Schaltungsanordnung, einer Leuchtdioden- Signallampe bzw. einer Leuchtsignalanordnung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche in einer Signalanlage, bei der die Leuchtdiodenanordnung von einer weit entfernt von dieser angeordneten Energieversorgungs- und Steuerein­ richtung versorgt wird, insbesondere in einer Schienenver­ kehrsleuchtsignalanlage, Straßenverkehrsleuchtsignalanlage oder Leuchtsignalanlage des Luftverkehrs.

8. Verfahren zum Anpassen des Stromflusses durch eine Leucht­ dioden-Signallampe an eine durch externe Energieversor­ gungs- und Überwachungseinrichtungen vorgegebene Kennli­ nie, bei dem mittels eines parallel zur Leuchtdioden-An­ ordnung geschalteten regelbaren Lastkreises ein von der Höhe der Betriebsspannung (U_B) für die Leuchtdioden-Anord­ nung abhängiger Laststrom (I_L) erzeugt wird, so dass die Summe aus dem Laststrom (I_L) und einem Leuchtdiodenstrom (I_LED) durch die Leuchtdioden-Anordnung einen aus der Mehr­ zahl von möglichen Betriebsspannungen (U_B) jeweils gerade vorliegenden Betriebsspannung (U_B) zugeordneten Stromwert (I) auf der vorgegebenen Kennlinie ergibt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem bei niedrigen Betriebs­ spannungen (U_B) der parallel zur Leuchtdioden-Anordnung geschaltete regelbare Lastkreises niederohmig und bei ho­ hen Betriebsspannungen (U_B) hochohmig geschaltet wird.