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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel-Signalelement, und insbesondere ein
Leuchtmittel-Signalelement,
bei dem Lumineszenzdioden als Leuchtmittel verwendet werden, sowie
ein das Leuchtmittel-Signalelement
umfassendes Lichtsignalsystem.
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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 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,
Ausfallsicherheit und Eindeutigkeit des anzuzeigenden Signals.
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Als
Leuchtmittel kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Es
können
beispielsweise (nachstehend als LED 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 gewählten Leuchtmittels
beeinflusst wird.
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Bisher
sind verschiedene Systeme entwickelt worden, von denen zwei nachstehend
unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben
sind.
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In 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
sind. Vor jeder LED 20 ist 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 Leuchtfläche bereit.
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Mit
Hilfe der Sekundäroptik
wird ein möglichst
großer
Anteil des von dem Leuchtmittel emittierten Lichts in Nutzlicht
umgewandelt. Die Primäroptik
dient dazu, das 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 Streuscheiben verwendet
werden.
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Weiterhin
ist eine Anpassung der Signalsysteme an die von äußeren Lichtquellen (insbesondere von
Sonnenlicht) stammende Phantomlichtproblematik möglich. Zu diesem Zweck ist
auch die Verwendung von Lamellen- oder Wabeneinsätzen möglich. Derartige Lamellen-
oder Wabeneinsätze
werden meist zwischen der Primär-
und der Sekundäroptik eingesetzt.
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In 7 ist
ein weiteres bekanntes Signalsystem gezeigt, bei dem wenige, lichtstarke
LED 20 verwendet werden, die zu einer im Verhältnis zur Leuchtfläche kleineren
Einheit 24 auf einer Trägerplatte
zusammengefasst sind. Die LED-Einheit 24 ist mit einer
Sekundäroptik 25 versehen,
die eine einzige Linse 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.
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Zur
Ansteuerung der Leuchtmittel durch herkömmliche Steuerungsvorrichtungen
existieren verschieden 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 oder mehrerer LED 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.
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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.
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Eine
weitere Möglichkeit
stellt eine passive Abschaltung des Signalsystems dar. Hierbei ist
die Schaltungsanordnung der LED und der vorgeschalteten Elektronik
so ausgelegt; dass bei Ausfall einer Anzahl von LED über ein
tolerierbares Maß hinaus kein
Strom mehr fließen
kann.
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Dies
wird beispielsweise erreicht, indem alle LED mit einer Stromquelle
in Reihe geschaltet sind. Nach dem Ausfall einer beliebigen LED
fließt
dann kein Strom mehr in dem Signalsystem.
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Demgegenüber ist
in dem Fall, dass die Verfügbarkeit
des Signalsystems erhöht
werden soll und der Ausfall mehrerer LED toleriert werden kann,
eine Parallelschaltung der LED in mehrere Zweige möglich. Die
Ansteuerung der Zweige einer derartigen LED-Parallelschaltung erfolgt
auf zwei unterschiedliche Arten. Eine Möglichkeit ist, dass jeder 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 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 Leuchtdichte auch von dem verwendeten optischen System abhängig.
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Auch
bei Systemen, die die letztgenannte Schaltungsart verwenden, ist
sicherzustellen, dass nach dem Ausfall einer bestimmten Anzahl von
LED das Gesamtsystem (aktiv oder passiv) abgeschaltet wird, auch
wenn LED weiterhin verfügbar
sind. Dies wird entweder durch einen vorstehend genannten Mikrocontroller
oder durch geeignete Dimensionierung der verwendeten Elemente gewährleistet.
Wenn beispielsweise die LED 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 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 hochohmig wird. In der Praxis arbeiten
die LED für
eine bestimmte Zeit auch mit höheren
Strömen
als dem spezifizierten Maximalwert.
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Bekannt
sind auch Systeme, die zur Erhöhung
der 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 LED in anderen Parallelschaltungen möglich, ohne
die Verfügbarkeit
vorzeitig einzuschränken.
Hierbei sind jedoch nach Flussspannung selektierte LED vorauszusetzen,
damit zu Beginn eine gleichmäßige Stromverteilung
innerhalb der Parallelschaltung gewährleistet ist. Weiterhin sind
Beeinträchtigungen
der optischen Ausgangsleistung bezüglich der Leuchtdichteverteilung
zu berücksichtigen.
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Wenn
bei einem Signalsystem mehrere LED-Reihenschaltungen parallel geschaltet
eingesetzt werden, sind die LED einer Reihenschaltung möglichst
weit über
die Leuchtfläche
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.
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Bei
den vorstehend unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschriebenen
Signalsystemen gemäß dem Stand
der Technik können
verschiedene Schwierigkeiten auftreten.
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In
dem System nach 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.
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In
dem System gemäß 7 sind
demgegenüber
alle Leuchtmittel (LED) 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.
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Ferner
können
durch die Anordnung von vielen LED auf einen kleinen Raum lokal
zu Temperaturerhöhungen
im Bereich der LED kommen, was einen negativen Einfluss auf die
Lebensdauer der LED hat.
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In
der
JP 62249012A ist
eine Anzeigevorrichtung mit lichtemittierender Oberfläche offenbart,
die die Erzeugung einer ungleichmäßigen Leuchtdichte verhindern
soll. Wenn eine LED eingeschaltet wird, wird ein Lichtstrahl durch
einen Reflektor reflektiert und geht in ein Lichtstreuungselement
hinein. Der Lichtstrahl wird mittels eines Teils mit konkavem Fischaugenobjektiv
gleichmäßig zerstreut,
wobei am Ende Lichtstrahlen mit gleichförmiger Stärke entstehen, so dass eine
gleichmäßige Helligkeit
erzeugt wird.
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In
der
DE 196 21 148
A1 sind Leuchtelemente offenbart. Diese Leuchtelemente
werden unter anderem im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise
für Scheinwerfer,
Rücklichter,
Bremslichter oder auch für
die Fahrgastzellen- und Armaturenbeleuchtung oder auch allgemein
als Warnleuchten, Hinweisleuchten oder zur Raumbeleuchtung eingesetzt.
Das Leuchtelement beinhaltet eine Lichtquelle und eine Abbildungsoptik,
wobei die Abbildungsoptik aus flexiblem, kaltverformbarem Material
besteht. Dadurch kann das Leuchtelement an beliebiger Stelle des
Kraftfahrzeugs angebracht werden und passt sich der Geometrie jeder
Leuchtenaufnehmung an. Das Leuchtelement kann beispielsweise aus
zwei miteinander verbundenen Folien bestehen, wobei die eine Folie
als flexible Abbildungsoptik mit einem Prismensystem ausgeführt ist
und die andere Folie eine Anordnung von Leuchtdioden enthält.
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In
der
DE 199 10 142
A1 ist eine Schaltung zum Betreiben eines LED-Schriftzeichens
beschrieben. Bei einem LED-Lichtzeichen
sind jeweils eine oder mehrere Leuchtdioden über einen elektronischen Schalter
auf eine Gleichstromversorgungsquelle aufschaltbar. Mehrere dieser
elektronischen Schalter zum An- und Abschalten zugehöriger Leuchtdioden
sind mit ihren Steuereingängen
untereinander verbunden. Dadurch gleichen sich die Steuerströme der elektronischen
Schalter im störungsfreien
Zustand der Leuchtdioden aneinander an. Für den Fall, dass einzelne Leuchtdioden
störungsbedingt einen
Kurzschluss bilden, regelt der zugehörige Schalter den über die
noch verbliebenen Leuchtdioden fließenden Strom herunter; im Falle
des Hochohmigwerdens sorgt er dafür, dass die Steuerspannung
für die Transistoren
der von der Störung
nicht direkt betroffenen Leuchtdiodenstränge aufrechterhalten wird. Durch
das gegenseitige Festhalten der Steuerspannungen wird ein selbsttätig ablaufender
Regelprozess in Gang gesetzt, der zu einer weitgehend homogenen
Ausleuchtung des Lichtzeichens bei annähernd konstanter Stromaufnahme
führt.
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In
der
DE 199 02 473
A1 ist eine Anzeigeeinrichtung offenbart. Bei einer mittels
einer Leuchtstofflampe beleuchtbaren Anzeigeeinrichtung tritt das Licht
durch eine Apertur der Leuchtstofflampe in ein optisches Element.
Von dort gelangt das Licht in eine Flüssigkristallanzeige. Die dort
erzeugte Bilddarstellung kann mittels einer Abbildungsoptik beispielsweise
in eine nicht dargestellte Frontscheibe eines Kraftfahrzeuges eingespiegelt
werden. Durch die Nutzung des aus der Apertur austretenden Lichtes
lassen sich größere Beleuchtungsstärken erreichen.
Daher kann die Anzeigeeinrichtung auch zur Darstellung von farbigen
Abbildungen mittels einer als Farb-LCD ausgeführten Flüssigkristallanzeige verwendet
werden.
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In
der
DE 44 22 233 A1 ist
eine Kennzeichenanordnung bzw. ein Nummernschild mit beleuchteten
Zeichen beschrieben. Das Nummernschild umfasst eine Frontplatte
mit ausgestanzten Zeichenausschnitten, in die gespritzte bzw. gegossene
transparente oder durchscheinende Kunststoff-Zeichenelemente eingepasst und eingeklebt sind.
Auf der Rückseite
der Frontplatte sind in Positionen, die den Elementen der zu beleuchtenden
Zeichen entsprechen, Leuchtdiodenanordnungen angeordnet, die von
einem an der Rückseite
der Frontplatte montierten Deckel aufgenommen werden und die an
gedruckten Schaltungen angebracht sind. Letztere können an
einem Halterungselement des Deckels montiert werden und umfassen
jeweils einen gedruckten Leiter, der elektrisch über die Leuchtdiodenanordnungen
mit einem Spannungsanschluss und einem Erdungsanschluss verbindbar
ist. Der Raum zwischen Deckel und Frontplatte ist mit einem transparenten
Kunstharz gefüllt.
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In
der
DE 38 03 951 A1 ist
eine Reflektor-Leuchte mit mehreren flächig verteilt angeordneten
Leuchtdioden beschrieben, die jeweils im Zentrum einer Reflexionsfläche angeordnet
sind. Für jede
Leuchtdiode ist ein Gehäuse
vorgesehen, dessen Vorderseite die zugehörige Reflexionsfläche bildet,
wobei die Gehäuse
zu einem aus einer oder mehreren Reihen bestehenden Block zusammengesetzt
in einem Rahmen angeordnet sind, der benachbart zu den Reflexionsflächen eine
umlaufende hochgezogene Reflexionsfläche bildet, durch die seitlich aus
den Leuchtdioden austretendes, von den Reflexionsflächen reflektiertes
Licht im wesentlichen lotrecht abgestrahlt wird.
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In
der
DE 36 34 996 A1 ist
eine Lichtführungsscheibe
zum Gebrauch in optischen Anzeigevorrichtungen beschrieben. Die
Lichtführungsscheibe
umfasst eine Rasterblende mit einer beliebigen Anordnung von Wandungen,
die parallel zueinander und so lichtundurchlässig sind, dass sie einfallendes Licht
absorbieren, transparente Schichten zum Durchlass des einfallenden
Lichtes und reflektierende Schichten zur Reflexion des einfallenden
Lichtes. Die transparenten Schichten und die lichtreflektierenden
Schichten sind wechselseitig zwischen den Wandungen der Rasterblende
angeordnet. Schräg
einfallendes Licht von der Lichtquelle trifft auf die Seitenflächen der
Wandungen, während
im Wesentlichen paralleles Licht von der Lichtquelle durch die transparenten
Schichten in Richtung auf den Betrachter trifft. Von außen einfallendes
Licht wird an der Vorderfläche
der lichtreflektierenden Schichten so reflektiert, dass die Lichtführungsscheibe
hell ist und deutlich hervortritt.
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In
der
DE 195 39 881
A1 ist eine Einrichtung zur Anzeige von alpha-numerischen
und Bildzeichen beschrieben. Hierbei wird die Hinterleuchtung durch Leuchtdioden
vorgenommen, die entsprechend dem anzuzeigenden Zeichen konturgenau
auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die mit Leuchtdioden bestückte Leiterplatte
kann wahlweise in ein Gehäuse eingesetzt
und mit einer lichtdurchlässigen
Abdeckung abgedeckt werden.
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In
der
EP 0 860 805 A1 ist
ein optischer Signalgeber mit einer Vielfach-Lichtquelle beschrieben. Der
optische Signalgeber enthält
eine aus mehreren Leuchtelementen, zumeist LED, zusammengesetzte Lichtquelle,
die über
einen Stecker mit einer Spannungsversorgung auswechselbar verbunden
ist, deren Licht über
einen gemeinsamen Kondensor möglichst
gleichförmig
gebündelt
und mittels einer Streulinse, welche vorzugsweise aus einer Vielzahl
von gleichartigen Einzelstreulinsen besteht, in den vorgeschriebenen
Ausstrahlungsbereich gestrahlt wird.
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In
der
DE 200 19 735
U1 ist eine LED-Signaleinrichtung für Straßenverkehrssignale beschrieben. Eine
optische Signalgebereinrichtung umfasste eine Vielzahl von LED Halbleiterkörpern, die
auf einer Grundplatte angeordnet sind, und einen Kondensor, der
in einem festgelegten Abstand von der den LED-Halbleiterkörpern auf
einer optischen Achse angeordnet ist, um das von den LED- Halbleiterkörpern abgestrahlte
Licht ins Unendliche zu projizieren. Die Halbleiterkörper sind
direkt auf der Grundplatte aufgebracht, wobei eine bestimmte vorgegebene
Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung einzig durch
die Anordnung der LED-Halbleiterkörper auf der Grundplatte erzielt
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Leuchtmittel-Signalelement
und ein mit zumindest einem derartigen Leuchtmittel-Signalelement
ausstattbares Lichtsignalsystem zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen 1,
6 und 15 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Mittels
des genannten Leuchtmittel-Signalelements und des genannten 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 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 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 Symbolverwechselung früher abgeschaltet werden 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.
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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 LED den Energieanteil
der ausgefallenen LED übernehmen.
Durch die typische Charakteristik der Strom/Lichthelligkeit- Kennlinie der LED
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 erzeugen.
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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.
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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.
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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
LED als eine nahezu punktförmige Lichtquelle
erscheinen. Hierdurch wird ein nahezu gleiches Bild von jeder LED
auf der Betrachterebene hinterlassen.
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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 Sonnenlicht zu begrenzen.
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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 LED ausfallen können,
ohne dass es zwangsläufig
zu einer Abschaltung des Lichtsignalsystems kommen muss.
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Durch
einen modularen Aufbau des Lichtsignalsystems ist ein vereinfachter
Austausch von Modulen, beispielsweise von Leuchtmittel-Signalelementen
(Grundträger
mit LED), 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.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Darstellung einer Signalvorrichtung,
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2 eine
Darstellung eines Signalsystems unter Verwendung einer Vielzahl
von Signalvorrichtungen gemäß 1,
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3 eine
Draufsicht eines Signalsystems gemäß 2,
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4 ein
vorteilhaftes Schaltdiagramm für die
Signalvorrichtung gemäß 1,
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5 ein
vorteilhaftes Schaltdiagramm für das
Signalsystem gemäß 2,
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6 eine
Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik und
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7 eine
Darstellung eines Signalsystems gemäß dem Stand der Technik.
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In 1 ist
Ausführungsbeispiel
einer Leuchtmittel-Signalvorrichtung 1 gezeigt.
Diese umfasst ein Leuchtmittelelement sowie ein optisches Element.
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Gemäß 1 bezeichnet
Bezugszeichen 2 eine Grundträgerplatte. Auf der Grundträgerplatte 2 sind
als Leuchtmittel verwendete LED 3 in einer Ebene befindlich
angebracht. In dem gezeigten Beispiel sind drei LED in enger räumlicher
Anordnung angebracht, beispielsweise an den Eckpunkten eines gleichseitigen
Dreiecks. Die Anzahl der LED kann variiert werden. Ferner ist es
möglich,
die LED in anderer Form, beispielsweise in konzentrischen Kreisen um
einen Mittelpunkt herum oder einer Reihe, anzuordnen. Die Anordnungsform
der LED wird vorteilhafterweise so gewählt, dass ein möglichst
kleiner Durchmesser der Grundfläche
der Anordnung erreicht wird.
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Des
Weiteren weist die Grundträgerplatte 2 beispielsweise
(nicht gezeigte) aufgedruckte Leitungen, die als Verbindung der
LED 3 nach außen
sowie miteinander dienen, sowie andere elektrische Elemente auf,
beispielsweise Widerstände.
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Gegenüber der
Leuchtfläche
der LED 3 ist ein optisches Element 4 (beispielsweise
eine Sammellinse) angebracht, die nachstehend als Sekundäroptik bezeichnet
wird. Diese Sekundäroptik
ist in einem bestimmten Abstand a zu den LED angebracht, worauf
nachstehend näher
eingegangen wird.
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Werden
die LED 3 mit Energie versorgt, wird Licht einer bestimmten
Wellenlänge
emittiert. Das Licht wird zu der Sekundäroptik 4 geführt, wo
es in einen nahezu parallelen Lichtstrom umgewandelt wird. Durch
die Anordnung und Auslegung der LED 3 ist es möglich, einen
möglichst
großen
Anteil des emittierten Lichts in nutzbares Licht umzuwandeln. Dies
wird beispielsweise dadurch erreicht, dass sich die LED bei dem
Brennpunkt der Linse 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.
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Die
Anordnung der LED 3 auf der Grundträgerplatte 2 ist derart
ausgelegt, dass die maximale Länge
d (von den Mittelpunkten der LED gemessen) der von der LED-Anordnung
abgedeckten Fläche kleiner
ist als die optische Entfernung a der LED 3 zu 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.
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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 α 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 α angenähert werden. Somit ergibt sich
für d/a < 0,1, was für die Auslegung
der Größenverhältnisse
in der Lichtsignalvorrichtung 1 zu berücksichtigen ist.
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Der
Ausfall einer LED 3 ist für den Betrachter unmerklich,
sofern sichergestellt ist, dass die verbleibenden LED den Lichtverlust
in ihrer Lichtleistung ausgleichen können. Dies wird beispielsweise
durch eine Parallelschaltung der LED 3 erreicht, wie es
in 4 gezeigt ist. In 4 ist die
Leuchtsignalvorrichtung 1 mit mehreren parallel geschalteten
LED 3 gezeigt. In Reihe zu dieser LED-Parallelschaltung
ist eine Stromquelle 10 geschaltet, die einen Strom I zur Energieversorgung
der LED 3 liefert. Die Stromquelle kann 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.
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Bei
diesem Schaltungstyp ist ein Ausfall einer LED 3 durch
die verbleibenden LED 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.
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Die
Anzahl der parallelgeschalteten LED 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 LED parallel betrieben werden, desto mehr LED werden zur Erzielung
des erforderlichen Lichtstroms benötigt. Dagegen wird bei einer
Verringerung der Anzahl der parallel betriebenen LED die Redundanz
der Anordnung verringert. Außerdem
ist die Ausdehnung der LED-Anordnung ein weiterer Punkt bei der
Auswahl der Anzahl der parallelgeschalteten LED. Eine große Ausdehnung
d hat einen großen
Abstand a zur Sekundäroptik
zur Folge. Hierbei sind vorgegebene Größenwerte für die Vorrichtung zu beachten.
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Daher
werden in dem Fall, dass eine zu große Anzahl von LED 3 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.
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Nachstehend
ist unter Bezugnahme auf 2 ein Lichtsignalsystem 5 gezeigt,
bei dem mehrere Lichtsignalvorrichtungen 1 gemäß 1 verwendet
werden.
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In 2 bezeichnet
Bezugszeichen 1 eine der Leuchtmittel-Signalvorrichtung
mit der Grundträgerplatte 2,
den LED 3 und der Sekundäroptik 4. Bezugszeichen 5 bezeichnet
das gesamte Lichtsignalsystem. Bezugszeichen 6 bezeichnet
ein Gehäuse, in
bzw. an dem die einzelnen Komponenten des Lichtsignalsystems 5 befestigt
sind. Das Gehäuse besteht
beispielsweise aus im Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoff
und weist an geeigneten Positionen (nicht gezeigte) Unterstützungs-
und Befestigungselemente auf, die zur Montage der Elemente verwendet
werden. Das Lichtsignalsystems 5 kann einen Gesamtgrundträger (mehrere
LED-Anordnungen auf einer gemeinsamen Platte) oder alternativ dazu
einen modularen Aufbau aufweisen. Bei einem modularen Aufbau sind
die Unterstützungs-
und Befestigungselemente derart ausgelegt, dass ein einfacher Austausch
bestimmter Komponenten möglich ist.
Dies ermöglicht
beispielsweise, dass die Leuchtmittel-Elemente (LED 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 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.
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Bezugszeichen 7 bezeichnet
eine (nachstehend als Primäroptik)
bezeichnete optische Zusatzeinrichtung. 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.
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Bezugszeichen 8 bezeichnet
eine (optionale) weitere optische Zusatzeinrichtung, 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.
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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 LED 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
ankommende 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.
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In 5 ist
die Schaltungsanordnung des Lichtsignalsystems 5 gezeigt.
Die LED 3 der jeweiligen Lichtsignalvorrichtungen 1 sind,
wie vorstehend beschrieben, zueinander parallel geschaltet. Die
jeweiligen LED-Parallelschaltungen sind zueinander in Reihe geschaltet.
Weiterhin ist zu dieser Reihenschaltung eine Stromquelle 10 geschaltet,
die einen Strom I zur Energieversorgung der LED 3 liefert. Durch
diese 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. Bis zu
diesem Zeitpunkt ist die Leuchtdichte homogen.
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Ein
Beispiel für
die Anwendung der vorstehend beschriebenen Erfindung ist nachstehend
unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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Für die Auslegung
eines Lichtsignalsystems, beispielsweise für eine Ampelanlage, sind etwa
60 LED, beispielsweise des Typs OSRAM Power-TOPLED erforderlich,
um den erforderlichen Lichtstrom bereitzustellen. Bei einer einzelnen
Lichtsignalvorrichtung 1 gemäß 1 hätte dies
zur Folge, dass die 61 LED eine Fläche von etwa 1500 mm2 einnehmen, was einer maximalen Seitenlänge d > 43 mm entspricht.
Da jedoch d/a < 0,1
gelten soll, ergibt sich 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 2 ausgewichen.
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In 3 ist
eine Draufsicht eines Lichtsignalsystems 5 gemäß 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 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 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 sind
3 entsprechend angeordnete LED 3 angebracht. Dies ergibt
eine Gesamtanzahl von 57 LED, welche zum Erreichen der erforderlichen Lichtstroms
als ausreichend angesehen werden.
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Wie
es in 3 gezeigt ist, werden die 12 äußeren Linsen 4 durch
die kreisförmige
Außenbahn der
Primäroptik 7 beschnitten.
Obwohl in 3 lediglich kreisförmige Sekundäroptik-Linsen
dargestellt sind, ist es ebenso möglich, dass die Linsen der
Sekundäroptik
in die sich ergebenden Eckbereiche ausdehnen, so dass eine Ausleuchtung
der gesamten Primäroptikscheibe 7 erfolgt.
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Durch
die geringe Anzahl der LED 3 hinter jedem optischen Element
(Sekundäroptik)
auf einer Grundträgerplatte
und der damit verbundenen geringen Länge d kann ein relativ kleiner
Abstand a gewählt
werden, was das Lichtsignalsystem insgesamt kompakt macht. Ferner
ermöglicht
die großflächige Verteilung
der LED 3 sowie deren geringe Konzentration bei einer Stelle
eine verbesserte Wärmeabfuhr, wodurch
eine Erhöhung
der Lebensdauer der einzelnen LED erreicht wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt. So ist auch ein Signalsystem möglich, bei dem lediglich eine
Lichtsignalvorrichtung 1 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
Mehrfachsystem zusammengestellt werden, wobei eine gemeinsame oder
jeweils getrennte Energiequellen 10 vorgesehen sein können.
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Weiterhin
können
neben den vorstehend genannten LED auch andere Leuchtmittel wie
Glühlampen
oder dergleichen 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 Mindeststrom gewährleisten
können.
Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine passive
Ansteuerung der Leuchtmittel vorgesehen ist, ist auch die Verwendung
einer aktiven Ansteuerung mittels eines Mikrocontrollers oder dergleichen möglich.
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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
(beispielsweise 90°).
Das emittierte Licht wird dann 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.
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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.
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Wie
es vorstehend beschrieben ist, wird eine Lichtsignalvorrichtung 1 bereitgestellt,
bei der ein Abstand a von Leuchtmitteln 3 zu einem optischen
Element 4 derart gewählt
wird, dass eine 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.