DE10140331A1 - Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung und Verfahren zur Funktionsüberwachung eines solchen Zeichens - Google Patents

Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung und Verfahren zur Funktionsüberwachung eines solchen Zeichens

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Abstract

Ein Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs mit Lichtquellen zum Erzeugen des Zeichens und einer Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung der Lichtquelle, bei dem die Lichtquellen als Leuchtdioden (LED) und die Überwachungseinrichtung zum begrenzten Bestromen der Leuchtdioden (LED) ausgebildet ist, kann bei vertretbarem technischem Aufwand auf seine Funktionsfähigkeit sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand überwacht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines solchen Zeichens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
  • Im allgemeinen werden zur Unterstützung einer reibungslosen Verkehrsabwicklung Zeichen unterschiedlichster Art und Wichtigkeit zur Steuerung des Verkehrs eingesetzt. Dies gilt für die Schiff-Fahrt, für Flugzeuge, beispielsweise auf Flughäfen, sowie für den gesamten Schienenverkehr, insbesondere jedoch für den Straßenverkehr. Aufgrund des ständig steigenden Verkehrsaufkommens werden immer mehr Verkehrs- und Lichtzeichen zum Regeln des innerstädtischen Verkehrs bzw. zum Leiten des Fernverkehrs eingesetzt. Ein zunehmender Teil dieser Zeichen wird durch Lichtquellen erzeugt. Typische Beispiele hierfür sind die Wechsellichtzeichen der Lichtsignalanlagen an Fahrbahn-Kreuzungen oder die Wechselverkehrszeichen auf sogenannten Autobahn-Querschnitten. Bei den genannten Lichtzeichen dienen heute vorwiegend Glühlampen als Lichtquellen. Glühlampen können durch Kurzschluss oder Unterbrechung ausfallen, wodurch ein durch sie zu erzeugendes Zeichen verstümmelt, mit unzureichender Lichtstärke oder überhaupt nicht angezeigt wird. Damit ein nicht ordnungsgemäß dargestelltes Lichtzeichen die Verkehrsteilnehmer nicht irreführt, muss es zur Vermeidung eines Unfallrisikos sofort abgeschaltet werden. Um die Verfügbarkeit eines sicherheitsrelevanten Zeichens, etwa eine rote Ampel, eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder eine Warnanzeige, auch im abgeschalteten Zustand überprüfen zu können, muss die Überwachung ständig, also auch dann wirksam sein, wenn das entsprechende Zeichen nicht aktiv ist, also gerade nicht leuchtet.
  • Eine Funktionsüberwachung der ein Zeichen erzeugenden Glühlampen kann über den Stromdurchgang durch deren Glühfäden erfolgen. Die Trägheit eines Glühfadens erlaubt, dass durch kurzzeitige Bestromung des Glühfadens für beispielsweise 1 ms die Funktionsfähigkeit der Glühlampe getestet werden kann, ohne dass Licht austritt. Als Referenz für einen solchen Kaltlampentest zur automatischen Überprüfung einer Autolichtanlage sei der Artikel "On-board multiplexing system checks car's lights automatically" aus Electronics international, Seiten 68 und 70, genannt. Über einen Mikroprozessor werden dort Befehle zum Aktivieren der Lampen gegeben, die Signale der Lampen und Sensoren überwacht und der Fahrer über eine Fehlfunktion durch eine Anzeige auf dem Armaturenbrett informiert. Ein Leistungstransistor verbindet die Lichtanlage mit der Autobatterie. Parallel dazu ist ein hochohmiger Spannungsteiler geschaltet, dessen Mittenpotential als Kriterium beim Überprüfen eines Lampenzustandes dient. Im Betrieb überprüft der Mikroprozessor den Wert des Mittenpotentials des Spannungsteilers alle 10 ms. Bei eingeschaltetem Licht beträgt das Potential 12 V, wenn es aus ist, 0 V. Bei einem Kurzschluss im Lampenschaltkreis beträgt es allerdings in beiden Fällen 0 V. Um eine positive Anzeige für alle möglichen Fehler und Lichtbetriebsarten zu erhalten, muss der Test erweitert werden, um den AUS-Modus bei eingeschaltetem Licht und den EIN-Modus bei ausgeschalteten Licht mit einzuschließen. Eine eingeschaltete Lampe wird vom System einmal pro Sekunde für ca. 100 ms ausgeschaltet; wenn sie aus ist, schaltet das System periodisch alle 40 s für 100 ms ein. Der Test beginnt mit dem Anlassen des Motors und endet 100 s nach dem Abstellen. Dieser verlängerte Betrieb stellt sicher, dass Lampenausfälle auch während der Abkühlperiode des Glühfadens detektiert werden.
  • Nun wird die Glühlampe zunehmend durch die Leuchtdiode, im nachfolgenden auch durch LED abgekürzt, verdrängt, die als wartungsarme und hochverfügbare Lichtquelle für optische Zeichen viele Vorteile für den wirtschaftlichen Betrieb von Lichtsignalanlagen bietet. Problematisch ist, dass mit LED erzeugbare Zeichen bisher nur im eingeschalteten Zustand überwacht werden konnten. Damit konnte die LED-Technik für sicherheitsrelevante Zeichen, die auch im abgeschalteten Zustand auf Funktionsfähigkeit überwacht werden müssen, nicht verwendet werden. Aufgrund der quasi-trägheitslosen Umwandlung von Strom in Licht bei LED-Lichtquellen war eine zum sogenannten Kaltlampentest analoge Funktionsprüfung nicht möglich, ohne störende und damit nicht akzeptable Lichtblitze zu erzeugen. Bei völliger Dunkelheit machen sich bei einem LED- Betrieb mit Nennstrom weitgehend unabhängig von der Wiederholrate bereits Impulse ab einer Länge von etwa 0,3 µs sowie Dauerströme ab ca. 5 µA störend bemerkbar. Zeichen mit einer Funktionsüberwachung, welche ausreichend kurze bzw. schwache Stromimpulse erzeugen und sicher überwachen können, ließen sich bisher mit vertretbarem Aufwand nicht realisieren.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lichtzeichen sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Zeichens der eingangs genannten Art bereitzustellen, so dass bei vertretbarem technischen Aufwand die Funktionsfähigkeit des Zeichens sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand überwacht werden kann.
  • Eine Teilaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lichtzeichen der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Durch eine Begrenzung des sich nach dem Einschalten der Lichtquelle aufbauenden Stromes durch die Leuchtdioden nach Zeitdauer oder Stärke kann die unmittelbar eintretende Lichtaussendung der LED derart eingeschränkt werden, dass sie vom Betrachter auch bei Dunkelheit nicht mehr wahrnehmbar ist. Dadurch werden die Verkehrsteilnehmer störende Lichtblitze vermieden. Als Kriterium für die Funktionsfähigkeit wird der Stromanstieg durch die Leuchtdioden verwendet.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Überwachungseinrichtung des Lichtzeichens Schaltmittel zum Abschalten der eingeschalteten Bestromung bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Stromstärke. Die Begrenzung des durch die Leuchtdioden fließenden elektrischen Stromes wird hier durch Vorgabe eines maximalen Schwellenwertes erreicht, bei dem die sich aufbauende LED-Stromstärke abgeschaltet wird. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung dieser Stromregelung können in vorteilhafter Weise Teile der bestehenden Stromüberwachungseinrichtung aus der Glühlampentechnik verwendet und somit der Schaltungsaufwand minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Schaltmittel als digitale Logikschaltung mit einem Speicherelement ausgebildet. Die Realisierung der LED-Strombegrenzung kann so beispielsweise durch Verwendung eines D-Flip-Flops als Speicherelement sowie mittels weiterer Standard-Bauelemente der Halbleiterschaltungstechnik erfolgen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Überwachungseinrichtung ferner zum Messen der an den bestromten Leuchtdioden abfallenden Spannung ausgebildet. Durch diese getrennte Zusatzüberwachung der Spannung kann eine ausgefallene Leuchtdiode trotz LED-Stromflusses, etwa bei einem Kurzschluss, festgestellt werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Funktionsprüfung eines erfindungsgemäßen Lichtzeichens.
  • In weiteren vorteilhaften Ausbildungen sind die Lichtquellen als eine Kette von in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder als ein Cluster von miteinander verbundenen Leuchtdioden angeordnet. Mit Vorteil findet dies Anwendung bei der Gestaltung von Lichtzeichen mit linienförmigen Symbolen oder flächigen Gebilden.
  • Vorzugsweise sind erfindungsgemäße Lichtzeichen mit Funktionsüberwachung bei Verkehrszeichen, insbesondere bei solchen mit wechselnder Darstellungsmöglichkeit unterschiedlicher Zeichen, oder bei Lichtsignalanlagen, also der allgemein bekannten Verkehrsampel, einsetzbar.
  • Die andere Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 9 genannten Merkmalen. In dem die Bestromung der Leuchtdioden zunächst eingeschaltet wird, ein die Stromstärke durch die Leuchtdioden repräsentierendes Stromüberwachungssignal generiert wird, und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für das Stromüberwachungssignal die Bestromung wieder ausgeschaltet wird, werden die als Leuchtdioden ausgebildeten Lichtquellen des Lichtzeichens bei der Funktionsüberwachung derart begrenzt bestromt, dass lediglich eine vom Betrachter nicht mehr wahrnehmbare Lichtaussendung erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausführung des erfindungemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein die an den bestromten Leuchtdioden abfallende Spannung repräsentierendes Spannungsüberwachungssignal generiert. Das Spannungsüberwachungssignal wird als Zusatzkriterium bei der Beurteilung der Funktionsfähigkeit einer Leuchtdiode herangezogen, um bei einer positiven LED- Bestromung einen Kurzschluss ausschließen zu können.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestromung in einem inaktiven Zustand oder periodisch in einer inaktiven Phase der Leuchtdiode. Damit kann die Funktionsüberwachung sowohl durchgeführt werden, wenn das Lichtzeichen - auch für einen längeren Zeitraum von mehreren Monaten - nicht im Betrieb ist, als auch während des Betriebes, in dem die reguläre LED-Bestromung periodisch für eine kurze Phase ausgeschaltet wird, in welcher dann die noch kürzere Testbestromung stattfindet.
  • Ein Ausführungsbeispiel sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in deren
  • Fig. 1 eine Schaltung zur Stromregelung in einem erfindungsgemäßen Lichtzeichen, in
  • Fig. 2 die Zeitabschnitte eines LED-Ansteuersignals und in
  • Fig. 3 die Logikschaltung als Schaltmittel der Überwachungseinrichtung
    schematisch dargestellt sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Lichtzeichen, etwa ein Wechselverkehrszeichen für die wechselweise Darstellung unterschiedlicher Verkehrszeichen, wird beispielsweise in einer als Schilderbrücke über Fahrbahnen ausgebildeten Außenanlage erzeugt. Die Außenanlage weist einen Netzanschluss zur Spannungsversorgung der LED-Ketten auf, wofür ein handelsübliches Industrie- Schaltnetzteil für 48 V Gleichspannung bei einer Eingangsleistung von 100 W verwendet wird. Sie ist über einen CAN-BUS mit einer Streckenstation verbunden, die ein Modem sowie ein Steuer- und ein Mastermodul umfasst. Über eine gemeinsame Ansteuerbaugruppe sind beispielsweise 32 LED-Ketten, aufgeteilt in je vier Achtergruppen, ansteuerbar. Die Ansteuerbaugruppe enthält einen Digitalteil und einen Analogteil. Der Digitalteil weist Module für die Initialisierung, die Baugruppenerkennung, die Schreib-Lese-Logik, ein Testregister, die Freigabelogik für den Normal- und den Testbetrieb, die LED- Stromeinstellung sowie die Strom- und Spannungsüberwachung auf, während die 32 LED-Stromregler den Analogteil bilden. Bis zu 8 solcher Ansteuerbaugruppen können an eine gemeinsame Steuereinheit angeschlossen werden. Die Steuerung erfolgt über ein Prozessor-Modul, das ein gespeichertes Programm zur Ansteuerung und Überwachung der LED-Ketten ausführt.
  • In einem Wechselverkehrszeichen für den Einsatz auf Bundesautobahnen besteht eine Leuchtdioden-Kette z. B. aus 11 bis 19 in Reihe geschalteter Leuchtdioden LED. Jede LED-Kette wird gemäß Fig. 1 von einem als Stromquelle geschalteten Transistor Q3 angesteuert. Als Führungsgröße für die Stromstärke dient die Ausgangsspannung eines Digital-Analog-Wandlers DAC, welche über einen Transistor Q4 an die Basis des Transistors Q3 gelegt wird. Liegt am LED-Einschaltsignal LE ein positives Ansteuersignal an, stellt sich nach einer schaltungsbedingten Verzögerungszeit von ca. 1 µs im Transistor Q3 ein Kollektorstrom ein, der näherungsweise dem Quotienten aus der Spannung des Wandlers DAC und dem Widerstand R5 entspricht. Dieser Konstantstrom fließt abzüglich eines geringen durch die Widerstände R2 und R3 fließenden Querstromes als Arbeitsstrom durch die LED-Kette. Der Kettenstrom ruft seinerseits einen Spannungsabfall in einem der LED-Kette vorgeschalteten Widerstand R1 hervor, der bei Erreichen der Kollektor-Emitter- Schwelle eines Transistors Q1 diesen durchsteuert und das Stromüberwachungssignal IO generiert. Über Widerstände R2 und R3 wird außerdem ein Transistor Q2 angesteuert, wenn der Spannungsabfall über der LED-Kette einen durch das Spannungsteilerverhältnis R2 zu R3 eingestellten Wert erreicht, und so über den Transistor Q2 ein Spannungsüberwachungssignal UO generiert wird. Zur Signalwandlung auf TTL-Pegel dienen dabei Widerstände R6 und R7 bzw. R8 und R9. Die Überwachungssignale IO und UO werden in der Ansteuerbaugruppe gespeichert und an die Steuereinheit zurückgemeldet und dort verarbeitet. Die Stromüberwachung erfolgt für alle Ketten mit einer einheitlichen, fixen Schwelle: Der Stromsensorausgang zeigt "AUS", wenn der Kettenstrom geringer als 4 mA und er zeigt "EIN", wenn er größer als 7 mA ist. Ebenso erfolgt die Spannungsüberwachung aller LED-Ketten mit einer einheitlichen, fixen Schwelle. Im Testbetrieb werden zyklisch alle LED-Ketten geprüft und Stromfehler innerhalb von 10 s gefunden. Im Normal- und Testbetrieb führt zum Ausfall einer LED-Kette, wenn der Vorgabe-Sollwert für die Spannung "EIN" und gleichzeitig der gemessene Ist-Sensorwert für die Stromstärke "AUS" zeigt. Ein Stromfehler führt nur dann zum Abschalten, wenn ein aktuell benötigtes Zeichen nicht mehr erkennbar dargestellt werden kann. Ein Zeichen gilt als nicht mehr darstellbar, wenn die Zahl der fehlerhaften LED-Ketten das versorgte Limit überschreitet.
  • Das LED-Ansteuersignal bei aktiver Lichtquelle ist gemäß Fig. 2 periodisch aufgebaut mit einer Periodendauer TPeriode von beispielsweise 10,0 ms. Eine Periode beginnt mit dem Startpunkt t0 und ist unterteilt in eine Leuchtzeit TLeucht, also der maximalen LED-Bestromungszeit von z. B. 9,0 ms, und eine Testzeit TPause von z. B. 1,0 ms. Die Leuchtzeit TLeucht setzt sich zusammen aus der tatsächlichen Bestromungszeit TStrom, die zum Dimmen abhängig von der Umgebungshelligkeit etwa das 0,1- bis 1,0-fache der Leuchtzeit TLeucht beträgt. Während der Testzeit TPause erfolgt der maximal 0,3 µs lange Testpuls TTest zur Funktionsüberwachung der LED-Kette. Dabei ist durch die Impulslänge gewährleistet, dass die LED-Bestromung keine einen Verkehrsteilnehmer störende Lichtaussendung zur Folge hat. Der Testpuls TTest kann natürlich nicht nur in einer periodischen Unterbrechung der Leuchtzeit TLeucht erfolgen, sondern auch in einem länger andauernden inaktiven Zustand der Lichtquelle, damit die Verfügbarkeit des Lichtzeichens für eine sicherheitsrelevante Anwendung jederzeit überprüfbar ist.
  • Die zum Zwecke einer Vermeidung von sichtbaren Lichtblitzen erforderliche maximale LED-Bestromungszeit wird durch Ergänzung der Stromreglerschaltung - wie in Fig. 1 beschrieben - mit einer Logikschaltung gemäß Fig. 3 erreicht. Das LED-Einschaltsignal LE wird über den Ausgang OR_out eines ODER- Gatters OR, z. B. vom Typ 74HC32, gesteuert. Bei regulärer LED-Bestromung ist der Eingang OR_in1 gleich 1 und damit der Ausgang OR_out ebenfalls 1. Im Testbetrieb ist der LED-Input OR_in1 gleich 0 und der Test-Input gleich 1. Dieser liegt am einen Eingang XOR_in2 eines EXODER-Gatters XOR, z. B. vom Typ 74HC86, an. Am anderen Eingang XOR_in1 liegt zunächst der Zustand 0 an, so dass der Ausgang XOR_out aufgrund der verschiedenen Eingangszustände den Wert 1 annimmt. Der Ausgang XOR_out ist mit dem zweiten Eingang OR_in2 des ODER-Gatters OR verbunden, der damit ebenfalls den Wert 1 annimmt. Folglich ist OR_out gleich 1, wodurch die LED-Testbestromung einschaltet. Der Eingang XOR_in1 ist mit dem Ausgang FF_Q_out eines taktzustandgesteuerten D-Flip-Flops FF, z. B. vom Typ 74HC74, verbunden, an dessen D-Eingang FF_Reset das Signal des Test-Inputs anliegt, also der Wert 1. Das Flip-Flop FF reagiert erst auf den Ausgangszustand, wenn am C-Eingang FF_Clock die Taktvariable den Wert 1 annimmt. Dies ist dann der Fall, wenn die Stromüberwachung IO den Wert 1 liefert, also die LED-Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat. Nun wird der Q-Ausgang FF_Q_out des Flip-Flops FF den Wert 1 annehmen, entsprechend Q den Wert 0. Zum einen wechselt dadurch der Eingangszustand bei XOR_in1 von 0 auf 1, was zu einem Ausgangszustand XOR_out von 0 führt; dies schaltet über das OR-Gatter die LED-Bestromung ab. Zum anderen wird über FF_Q_out gleich 1 signalisiert, dass die LED-Kette in Ordnung ist.

Claims (11)

1. Lichtzeichen zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, mit Lichtquellen zum Erzeugen des Zeichens und einer Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung der Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen als Leuchtdioden (LED) und die Überwachungseinrichtung zum begrenzten Bestromen der Leuchtdioden (LED) ausgebildet ist.
2. Lichtzeichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung Schaltmittel zum Abschalten der eingeschalteten Bestromung bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Stromstärke umfasst.
3. Lichtzeichen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel als digitale Logikschaltung mit einem Speicherelement (FF) ausgebildet sind.
4. Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung ferner zum Messen der an den bestromten Leuchtdioden (LED) abfallenden Spannung ausgebildet ist.
5. Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen als eine Kette von in Reihe geschalteten Leuchtdioden (LED) angeordnet sind.
6. Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen als ein Cluster von mit einander verbundenen Leuchtdioden (LED) angeordnet sind.
7. Verkehrszeichen, insbesondere zur wechselnden Darstellung unterschiedlicher Zeichen, mit einem Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
6. Lichtsignalanlage, insbesondere Verkehrsampel, mit einem Lichtzeichen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
9. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Lichtzeichens zur Verkehrssteuerung, insbesondere des Straßenverkehrs, mit als Leuchtdioden ausgebildeten Lichtquellen zum Erzeugen des Zeichens, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Leuchtdioden eingeschaltet wird, dass ein die Stromstärke durch die Leuchtdioden repräsentierendes Stromüberwachungssignal generiert wird, und dass bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes für das Stromüberwachungssignal die Bestromung ausgeschaltet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein die an den bestromten Leuchtdioden abfallende Spannung repräsentierendes Spannungsüberwachungssignal generiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung in einem inaktiven Zustand oder periodisch in einer inaktiven Phase der Leuchtdioden erfolgt.
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