DE102004046336A1

DE102004046336A1 - Schaltung und Verfahren zur Ansteurung einer Vielzahl von Leuchtelementen, insbesondere von Leuchtdioden eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung

Info

Publication number: DE102004046336A1
Application number: DE102004046336A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Röhl; Harald Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtelementen (1), insbesondere von Leuchtdioden (D), eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung, die zur Erzeugung des Leuchteffekts von einem elektrischen Strom durchflossen werden, der in einer Konstantstromsenke (2, 3) mündet. Um den Schaltungsaufwand zum Betreiben eines Lichtsignals gering zu halten und dabei eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass die Leuchtelemente (1) Gruppen (G) zugeordnet sind, wobei jeweils ein Leuchtelement (1) oder mehrere in Reihe geschaltete Leuchtelemente (1) eine Gruppe (G) bilden, dass die Gruppen (G) nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle (V1, V2, V3) verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe (G) angesteuert ist, dass alle Gruppen über eine gemeinsame Konstantstromsenke (2 bzw. 3) betrieben werden und dass nach Ausfall einer Konstantstromsenke (2 oder 3) selbsttätig eine dazu vorgesehene Reserve-Konstantstromsenke (5) zugeschaltet wird.

Description

Schaltung und Verfahren zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtelementen, insbesondere von Leuchtdioden eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtelementen, insbesondere von Leuchtdioden eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.

Signale von sicherungstechnischen Einrichtungen, insbesondere solche, welche im Eisenbahnverkehr zum Einsatz kommen, sind bekannt. Die Signale weisen eine Vielzahl von Leuchtelementen auf, die meist als Leuchtdioden ausgebildet sind, welche bei geringer Erwärmung im stromdurchflossenen Zustand ein entsprechendes Lichtsignal abgeben. Dazu wird an die Leuchtdioden eine Spannung angelegt und der Diodenstrom mittels einer Stromsenke konstant gehalten. Aufgrund langer Zuleitungen steht für die Signale nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung, weshalb man unter anderem für eine gleichmäßige Belastung der Spannungsquelle sorgt.

Um bei Ausfall einzelner Leuchtdioden oder ganzer Leuchtdiodenketten (Clustern) zu gewährleisten, dass die nicht ausgefallenen weiter betrieben werden können, werden diese entweder über einen Vorwiderstand oder mittels einer Konstantstromsenke betrieben.

Nachteilig ist dabei, dass jede Leuchtdiode oder Leuchtdiodenkette mit einer eigenen Treiberschaltung betrieben werden muss.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Schaltungsaufwand zum Betreiben eines Lichtsignals gering zu halten und dabei eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten.

Die Lösung ist bezogen auf die Schaltung und das Verfahren durch die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale gegeben. Die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Lösung sieht bezogen auf die Schaltung und das Verfahren vor, dass die Leuchtelemente Gruppen zugeordnet sind, wobei jeweils ein Leuchtelement oder mehrere in Reihe geschaltete Leuchtelemente eine Gruppe bilden, dass die Gruppen nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe angesteuert ist, dass alle Gruppen über eine gemeinsame Konstantstromsenke betrieben werden und dass nach Ausfall einer Konstantstromsenke selbsttätig eine dazu vorgesehene Reserve-Konstantstromsenke zugeschaltet wird. Die Lösung gilt also für den Einsatz von einzelnen Leuchtelementen als auch von Leuchtelementketten. Die Grundidee der Lösung ist es, mehrere Leuchtelemente in Reihe zu schalten und diese aus einer gemeinsamen Konstantstromsenke zu speisen. Beim Niederohmigwerden von fehlerhaften Leuchtelementen ist dann weiterhin ein ungestörter Betrieb für die übrigen Leuchtelemente möglich, da die Konstantstromsenke unverändert einen konstanten Strom zieht. Die zeitmultiplexe Ansteuerung ermöglicht es, jede der Leuchtelementketten exakt mit einem konstanten Strom zu beaufschlagen, die Reserve-Konstantstromsenke erhöht die Verfügbarkeit.

Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass mehrere parallele Reserve-Konstantstromsenken vorgesehen sind und nach Ausfall einer Konstantstromsenke selbsttätig eine der Reserve-Konstantstromsenken zugeschaltet wird.

Das Tastverhältnis und der Farbort steuern die Farbe der Leuchtelement, insbesondere wenn es sich dabei um Leuchtdioden handelt. Deshalb sollte das Tastverhältnis nicht zu klein werden, was dadurch erreicht wird, dass jeweils eine vorgegebene Anzahl von Gruppen eine Multiplexgruppe bildet, dass die zu einer Multiplexgruppe gehörenden Gruppen nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe einer Multiplexgruppe angesteuert ist, dass alle Gruppen einer Multiplexgruppe mit einer gemeinsamen dieser Multiplexgruppe zugeordneten Konstantstromsenke verbunden sind und dass nach Ausfall der zugehörigen Konstantstromsenke selbsttätig eine Reserve-Konstantstromsenke zugeschaltet wird.

Mit Vorteil sind die Gruppen bzw. die Multiplexgruppen an eine einzige auf diese Weise gleichmäßig belastete Spannungsquelle oder zeitlich nacheinander an mehrere Spannungsquellen angeschlossen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben. Es zeigen
1 eine Schaltung zur Ansteuerung von Leuchtelementen und
2 eine Schaltung gemäß 1 mit einer Ersatzspannungsversorgung.
1 zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung von Leuchtelementen 1 in Form von auch als LEDs bezeichneten Leuchtdioden D (das sind die in der 1 mit Pfeilen versehenen Dioden D). Die Leuchtdioden D sind Elemente eines nicht gezeigten Lichtsignals einer sicherungstechnischen Einrichtung. Dies bedeutet, dass wenig elektrische Leistung zur Verfügung steht, weshalb eine gleichmäßige Belastung der Energiequelle bei Erzielung eines gleichmäßigen Leuchtbilds angestrebt wird. Die Leuchtdioden D strahlen Licht ab, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Wie 1 zeigt, sind jeweils zwei Leuchtdioden in Reihe geschaltet. Jedes in Reihe geschaltete Leuchtdiodenpaar bildet dabei eine Gruppe G (oder Leuchtdiodenkette). In 1 bilden die Leuchtdioden D11 und D12; D7 und D8; D3 und D4 usw. eine solche Gruppe G. Jede Gruppe G kann selbstverständlich auch aus mehr als zwei in Reihe geschalteten Leuchtdioden D bestehen; es ist aber auch möglich, dass nur eine einzelne Leuchtdiode D zu einer Gruppe G gehört. Insgesamt sind in 1 sechs Gruppen G1 (Leuchtdiode D11 und D12), G2 (Leuchtdioden D7 und D8), G3 (Leuchtdioden D3 und D4), G4 (Leuchtdioden D19 und D20), G5 (Leuchtdioden D16 und D17) und G6 (Leuchtdioden D6 und D10) gezeigt. Die Gruppen G1–G6 werden über eine Konstantstromsenke 2, 3 betrieben, wobei zur Konstantstromsenke 2 die Mosfets M3, M4 und zur Konstantstromsenke 3 die Mosfets M5, M6 gehören. Dabei ist die Konstantstromsenke 2 für die Gruppen G1, G2, G3 und die Konstantstromsenke 3 für die Gruppen G4, G5, G6 jeweils gemeinsame Konstantstromsenke dieser Gruppen. Die jeweils über eine gemeinsame Konstantstromsenke 2 oder 3 betriebenen Gruppen G1, G2, G3 bzw. G4, G5, G5 bilden weiter jeweils eine Multiplexgruppe MG. So bilden die Gruppen G1, G2, G3 die Multiplexgruppe MG1 und die Gruppen G4, G5, G6 die Multiplexgruppe MG2. Wie 1 andeutet, könnten analog zu MG1, MG2 weitere Multiplexgruppen MG mit jeweils eigener Konstantstromsenke angeschlossen sein.
Weiter zeigt 1 über eine Ansteuerlogik 4 (Ansteuerelektronik mit z. B. einem Mikroprozessor) geschaltete Spannungsquellen V1, V2, V3, die zeitlich nacheinander für eine vorgegebene Zeitspanne eine vorgegebene Spannung erzeugen. Dieses Verfahren ist auch als Multiplexbetrieb bekannt. Dabei werden die vorgegebenen Zeitspannen gleich groß gewählt; die Zeit wird quasi gedrittelt, so dass die Spannungsquellen V1, V2, V3, die man sich auch als eine Gesamtspannungsquelle denken kann oder die aus einer Gesamtspannungsquelle gebildet sind, relativ gleichmäßig belastet werden. Die drei Gruppen G der Matrixgruppen MG werden also zeitlich nacheinander im Zusammenwirken mit den Konstantstromsenken 2, 3,... betrieben. Es ist also für die vorgegebene Zeitspanne (1/3 der Zeit) jeweils eine Gruppe G der zugehörigen Multiplexgruppe MG mit einer Spannungsquelle verbunden; dabei wird jeweils nur eine einzige Gruppe G der Multiplexgruppen MG angesteuert. Eine mit der Anzahl der geschalteten Spannungsquellen V1, V2, V3 identische Anzahl von Leuchtdiodengruppen G wird dabei von einer gemeinsamen Konstantstromquelle betrieben werden.
Gemäß 1 ist noch eine weitere nicht im Betrieb befindliche Konstantstromsenke 5 vorhanden, zu der der Mosfet M2 gehört, weshalb das Bezugszeichen 5 auf M2 zeigt. Diese Reserve-Konstantstromsenke 5 wird von der Ansteuerlogik 4 aktiviert, wenn eine der Konstantstromsenken 2,3 ausfällt. Die Ansteuerlogik 4 schaltet dann z. B. über eine Steuerlogik A2 und den Mosfet M3 (der Konstantstromsenke 2) die Konstantstromsenke 2 ab. Die Abschaltung der Reservekonstantstromsenke 5 erfolgt über das Zuschalten des Mosfets M1.
Die Signalisierung eines Fehlers an die Ansteuerlogik 4 erfolgt über Fehlermeldungsleitungen, welche aus Übersichtsgründen in 1 nicht eingezeichnet sind. Diese Leitungen gehen z. B. vom Shunt R1, R2, R3 und von den invertierten Ausgängen Q der Logiken A1, A2, A3 an die Ansteuerlogik 4. Je nach Höhe der Sicherheitsanforderungen kann die Ansteuerlogik 4 ein- oder mehrkanalig aufgebaut sein und Ausgänge enthalten, die eine Ansteuerung von z. B. der Logik A2 und des Mosfets M3 vornehmen können.
2 enthält zusätzlich zu 1 eine weitere Spannungsquelle V, nämlich eine Reserve-Spannungsquelle V4. Bei Ausfall einer der drei Spannungsquellen V1, V2, V3 stellt dies die Ansteuerlogik 4 fest und schaltet dann die Spannungsquelle V4 über das entsprechende Schaltelemente S1, S2, S3 auf eine der Sammelleitungen L1, L2, L3, wobei die Schaltelemente S1, S2, S3 von der Ansteuerlogik 4 betätigt werden. Auch hier sind aus Übersichtsgründen die Leitungen der Ansteuerlogik 4 zu den Sammelleitungen L1, L2, L3 und zu den Schaltelementen S1, S2, S3 nicht eingezeichnet. Bei der Schaltung gemäß 1 und 2 können also mehrere Leuchtdiodenketten (Gruppen G) gemeinsam aus jeweils einer Konstantstromsenke 2, 3 gespeist werden. Wahlweise ist auch der Betrieb aus einer Spannungsquelle mit nachgeschalteten elektronischen Schaltern möglich. Um jede Leuchtdiodenkette (Gruppe G) exakt mit einem konstanten Strom zu beaufschlagen, werden diese zeitmultiplex angesteuert. Hierbei ist es möglich, getrennte schaltbare Spannungsquellen V einzusetzen, was zu einer generellen Erhöhung der Verfügbarkeit führt. Die Einstellung des Tastverhältnisses kann durch direkte Taktung der Konstantstromsenken 2, 3, 5 oder durch Taktung der Spannungen V (bzw. elektronischen Schalter) erfolgen. In den beiden letztgenannten Fällen ergeben sich im Allgemeinen Erspar nisse, da weniger schnelle Schaltelemente benötigt werden. Beim Ausfall einer Konstantstromsenke 2 oder 3 wird durch die Ansteuerlogik 4 die zugehörige Sicherungsschaltung aktiviert, wodurch die Konstantstromsenke 2 bzw. 3 deaktiviert wird. Dadurch würden die zugehörigen durch Diodenketten (Gruppen G) verlöschen. Zur Aufrechterhaltung des Betriebs wird in diesem Fall durch die Ansteuerlogik 4 mittels eines Schaltelementes (Mosfet M1, M7) eine Reserve-Konstantstromsenke eingeschaltet, welche anstelle der ausgefallenen Konstantstromsenke 2 oder 3 arbeitet. Bei Ausfall einer der geschalteten Spannungen V (bzw. der elektronischen Schalter) erfolgt der weitere Betrieb der Leuchtdioden D durch Aktivierung einer Reserve-Spannungsquelle V4 oder eines nicht weiter gezeigten als Reserve bestimmten elektronischen Schalters. Die Aktivierung erfolgt durch die Ansteuerungslogik 4, die auch dafür sorgt, dass Zeitpunkt und Einschaltdauer dem ausgefallenen Element entsprechen. Somit lässt sich mit der beschriebenen Schaltung ein ungestörter Betrieb bei Ausfall einer der Ansteuerelemente sicherstellen. Bei höherer Anzahl von Reserveelementen kann eine entsprechend den zu erreichenden Sicherheitszielen definierte Anzahl von Ausfällen gut beherrscht werden.

1: Leuchtelemente
D11,D12,D7,D8,D3,D4: Leuchtdioden
G1–G6: Gruppen
MG,MG1,MG2: Multiplexgruppe
2,3,5: Konstantstromsenke
M1–M6: Mosfets
4: Ansteuerlogik
V1,V2,V3: Spannungsquellen
R1,R2,R3: Shunt
Q: invertierte Ausgänge
A1,A2,A3: Logik
V4: Reserve-Spannungsquelle
S1,S2,S3: Schaltelement
L1,L2,L3: Sammelleitung

Claims

Schaltung zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtelementen (1), insbesondere von Leuchtdioden (D) eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung, die zur Erzeugung des Leuchteffekts von einem elektrischen Strom durchflossen werden, der von einer Konstantstromquelle konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (1) Gruppen (G) zugeordnet sind, wobei jeweils ein Leuchtelement (1) oder mehrere in Reihe geschaltete Leuchtelemente (1) eine Gruppe (G) bilden, dass die Gruppen (G) nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle (V1, V2, V3) verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe (G) angesteuert ist, dass alle Gruppen über eine gemeinsame Konstantstromquelle (2 bzw. 3) betrieben werden und dass nach Ausfall einer Konstantstromquelle (2 oder 3) selbsttätig eine dazu vorgesehene Reserve-Konstantstromquelle (5) zugeschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallele Reserve-Konstantstromquellen (5) vorgesehen sind und nach Ausfall einer Konstantstromquelle (2 oder 3) selbsttätig eine der Reserve-Konstantstromquellen (5) zugeschaltet wird.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine vorgegebene Anzahl von Gruppen (G) eine Multiplexgruppe (MG) bildet, dass die zu einer Multiplexgruppe (MG) gehörenden Gruppen (G) nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle (V1, V2, V3) verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe (G) einer Multiplexgruppe (MG) angesteuert ist, dass alle Gruppen (G) einer Multiplexgruppe (MG) mit einer gemeinsamen dieser Multiplexgruppe (MG) zugeordneten Konstantstromquelle (2, 3) verbunden sind und dass nach Ausfall der zugehörigen Konstantstromquelle (2 oder 3) selbsttätig eine Reserve-Konstantstromquelle (5) zugeschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (G) bzw. die Multiplexgruppen (MG) an eine einzige auf diese Weise gleichmäßig belastete Spannungsquelle (V1, V2, V3) oder zeitlich nacheinander an mehrere Spannungsquellen (V1, V2, V3) angeschlossen sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer der Spannungsquellen (V1, V2, V3) oder der elektronischen Schalter (S1–S3)) der weitere Betrieb der Leuchtdioden (D) durch Aktivierung einer Reserve-Spannungsquelle (V4) bzw. eines als Reserve bestimmten elektronischen Schalters erfolgt.
Verfahren zur Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtelementen (1), insbesondere von Leuchtdioden (D) eines Signals einer sicherungstechnischen Einrichtung, die zur Erzeugung des Leuchteffekts von einem elektrischen Strom durchflossen werden, der von einer Konstantstromquelle (2, 3) konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (1) Gruppen (G) zugeordnet sind, wobei jeweils ein Leuchtelement (1) oder mehrere in Reihe geschaltete Leuchtelemente (1) eine Gruppe (G) bilden, dass die Gruppen (G) nach Art eines Multiplexbetriebs zeitlich nacheinander jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne so mit einer Spannungsquelle (V1, V2, V3) verbunden werden, dass jeweils nur eine einzige Gruppe (G) angesteuert ist, dass alle Gruppen (G) über eine gemeinsame Konstantstromquelle (2 bzw. 3) betrieben werden und dass nach Ausfall einer Konstantstromquelle (2 oder 3) selbsttätig eine dazu vorgesehene Reserve-Konstantstromquelle (5) zugeschaltet wird.