DE102005023295A1

DE102005023295A1 - Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung eines Lichtsignals

Info

Publication number: DE102005023295A1
Application number: DE102005023295A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Temming
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-16
Also published as: US20060256552A1; EP1722608A2; EP1722608A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung eines Lichtsignals, insbesondere eines LED-Signals, mit einem Stellteil (St) zur Bereitstellung einer Prozessspannung (UP) und einem Signalgeber (Sign) zur Vorgabe von Stromfenstern (Strom_Tag, Strom_Nacht) für Tagbetrieb und Nachtbetrieb. Um eine weitgehende Unabhängigkeit der Schaltung von variablen Parametern, insbesondere der Leistungsaufnahme der Leuchtelemente, zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Signalgeber (Sign) einen Regler (REG) aufweist, der über Helligkeitssensoren (SL) zur Messung der Helligkeit des Lichtsignals mit einer Überwachungslogik (LÜ) verbunden ist, die einen Tag- bzw. Nacht-Sollwert des Stromfensters (Strom_Tag, Strom_Nacht) für den Regler (REG) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung eines Lichtsignals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Lichtsignale, insbesondere im Straßen- und Schienenverkehr, müssen im Tagbetrieb eine größere Helligkeit als im Nachtbetrieb aufweisen. Bei Lichtsignalen in der Eisenbahntechnik wird die Helligkeit über Stromfenster, die vom Signalgeber vorgegeben werden, gesteuert. 1 zeigt diese Stromfenster Strom_Tag und Strom_Nacht in einem Helligkeit/Strom-Diagramm. Um die gewünschte Helligkeit Hell_Nacht bzw. Hell_Tag zu erreichen, müssen Arbeitspunkte AP_Nacht bzw. AP_Tag eingestellt werden, die innerhalb bestimmter Strombereiche I_N_u und I_N_o bzw. I_T_u und I_T_o liegen. Problematisch ist die Beibehaltung der Arbeitspunkte AP_Nacht und AP_Tag bei Bauteileabkündigungen bezüglich der Ansteuer- und Überwachungsschaltung oder bei dem Ersatz von Leuchtelementen, insbesondere LED's, durch modernere mit besserer Lichtausbeute. In solchen Fällen ist in der Regel eine Umentwicklung der Elektronik erforderlich. Die Arbeitspunkte AP_Nacht und AP_Tag müssen neu eingestellt werden. Verbesserte Lichtausbeute führt dazu, dass eine Reduzierung des Stromes möglich wird. Eine Stromreduzierung zur Anpassung des Arbeitspunktes für den Nachtbetrieb AP_Nacht führt jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit dazu, dass der Arbeitspunkt für den Tagbetrieb AP_Tag oberhalb des Sollwertes liegt. Der Anpassungsaufwand für die Umentwicklung der Ansteuer- und Überwachungsschaltung sowie die erforderliche Sicherheitsnachweisführung können erhebliche Kosten verursachen. Der Trend zeigt, dass die Lichtausbeute der Leuchtdioden kontinuierlich steigt. Dadurch wird der zu übertragende erforderliche Strom immer geringer. Die Stromfenster müssen immer genauer überwacht werden, wodurch sich die Störanfälligkeit der Schaltung erhöht und die Verfügbarkeit des Lichtsignals negativ beeinflusst wird. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Helligkeit der Leuchtdioden im Laufe der Zeit abnimmt, so dass die Gefahr besteht, dass die gewünschten Arbeitspunkte bezüglich der Helligkeit trotz konstanter Stromfenster verlassen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine Konstanthaltung der Signalhelligkeit für den Tag- und den Nachtbetrieb weitgehend auch bei Bauteileabkündigungen und den Austausch von Leuchtelementen, insbesondere LED's, auf einfache Weise ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Regelung der Helligkeit ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit von der Leistung des Signalgebers und von der Lichtleistung der verwendeten Leuchtelemente. Infolgedessen ist eine Konfigurierung bzw. Projektierung des Stellteils für die Anpassung an die Leistung des Signalgebers nicht mehr erforderlich. Der Sicherheitsnachweis gilt für einen großen Leistungsbereich des Signalgebers. Außerdem entfällt die zeitliche Begrenzung der erlaubten Einsatzdauer der Leuchtelemente, da altersbedingte Helligkeitsabnahme quasi ausgeregelt wird.

Für die Signalansteuerung ist üblicherweise ein Signalkasten erforderlich. Im Signalkasten erfolgt die Umsetzung der hohen Signalspannung auf eine Niederspannung für den Signalgeber mittels Signaltrafos, um die Verlustleistung, die im Signalkabel durch den Leitungswiderstand entsteht, zu minimieren. Der Signaltrafo hat mehrere Anzapfungen. Dadurch können die Spannungsverluste des Signalkabels durch Konfigurierung kompensiert werden. Diese entfernungsabhängige Einstellung ist durch die Regelung der Helligkeit nicht mehr erforderlich, so dass ein Signalkasten in der heutigen Form entbehrlich ist. Die vorhandenen Signalkabel können unabhängig von deren Länge weiter verwendet werden.

Die Führungsgröße für die Helligkeitsregelung wird über Helligkeitssensoren, die die Ist-Helligkeit der Leuchtelemente messen, gebildet. Mittels der Überwachungslogik wird zur Einregelung der Soll-Helligkeit ein Tag- bzw. Nacht-Sollwert des Reglerstromes erzeugt.

Gemäß Anspruch 2 wird der Umschaltzeitpunkt zwischen Tag- und Nachtbetrieb durch das Stellteil vorgegeben. Das kann beispielsweise mittels unterschiedlicher Wellenform der durch das Stellteil bereitgestellten Prozessspannung erfolgen.

Alternativ kann gemäß Anspruch 3 eine dezentrale Tag-Nacht-Umschaltung vorgesehen sein. Ein Sensor zur Messung der Umgebungshelligkeit des Lichtsignals dient dabei zur Vorgabe des Umschaltzeitpunktes. Die Helligkeit des Lichtsignals passt sich optimal an den Standort des Signals an, wobei der Aufwand für die zusätzliche Bereitstellung einer Nachtspannung entfällt. Der Signalgeber kann derart konfiguriert oder ausgeführt werden, dass er in Abhängigkeit von der Helligkeit der Signalumgebung die Lichtstärke des Signals optimal regelt.

Bei einer in Anspruch 4 gekennzeichneten vorteilhaften Ausführungsform ist der Regler nicht signaltechnisch sicher ausgebildet – im Gegensatz zu der Überwachungslogik und den Helligkeitssensoren zur Messung der Signalhelligkeit und ggf. den Sensoren zur Messung der Umgebungshelligkeit. Die Überwa chung der Helligkeit erfolgt somit sicherheitsrelevant, z. B. durch eine Mehrfachausführung der Überwachungslogik sowie der angeschlossenen Helligkeitssensoren. Für nicht sicherheitsrelevante Signalanschaltungen können aber auch die Überwachungslogik und die zugehörigen Helligkeitssensoren in einfacher Ausführung eingesetzt werden. Die Funktionalität bleibt voll erhalten. Auch eine abgestufte Sicherheit, wobei die Überwachungslogik samt Sensoren nur zweifach eingesetzt wird, ist denkbar.

Gemäß Anspruch 5 ist der Regler mit einem AC/DC-Wandler beschaltet, der die schwankende Prozessspannung in eine niedrigere konstante Gleichspannung umwandelt. Das Regelprinzip basiert dabei darauf, dass die Einstellung von Strom und Spannung für die Leuchtelemente über diese Wandlung derart erfolgt, dass die Ist-Helligkeit der Soll-Helligkeit des Lichtsignals entspricht. Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Pulsweitenmodulation zwischengeschaltet werden. Ein Signaltrafo zur Umsetzung der hohen Signalspannung auf eine Niederspannung für den Signalgeber ist durch die Verwendung des kompakteren und leichteren AC/DC-Wandlers entbehrlich.

Gemäß Anspruch 6 ist eine Logik für die Tag-Nacht-Umschaltung vorgesehen, die den Sollwert und eine Referenzspannung für die Überwachung des Arbeitspunktes für den Tag- bzw. Nachtbetrieb erzeugt, wobei die Referenzspannung und das dem Helligkeits-Ist-Wert des Lichtsignals entsprechende Ausgangssignal der Helligkeitssensoren mittels eines Komparators verglichen werden, dessen Ausgangssignal mit einem dem Bestromungszustand der Überwachungslogik zugeordneten High- bzw. Low-Level eines Signals mittels eines UND-Gatters verknüpft wird, wobei für den Fall, dass die Signalhelligkeit nicht dem vorgegebenen Arbeitspunkt entspricht, ein Schalter durchschaltet und dem Stellteil den Fehlerzustand signalisiert. Die Tag/Nacht- Umschaltung ist bevorzugt für zentrale Tag/Nacht-Umschaltung gemäß Anspruch 2 und/oder dezentrale Tag/Nacht-Umschaltung gemäß Anspruch 3 ausgebildet.

Da in der Überwachungslogik die Information vorliegt, ob ein Signalgeber ordnungsgemäß eingeschaltet ist, wird diese Information gemäß Anspruch 7 als Ausgang für den Anschluss einer Zugbeeinflussungseinrichtung zur Verfügung gestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Helligkeits-Strom-Diagramm und
2 das Grundprinzip einer Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung eines Lichtsignals.
Das oben erläuterte Diagramm veranschaulicht die Lage der Arbeitspunkte AP_Nacht und AP_Tag, die mit der Schaltung nach 2 eingestellt und überwacht werden. Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus einem Stellteil St und einem Signalgeber Sign, wobei der Signalgeber Sign sowohl die Optik als auch die Elektronik im Signal umfassen soll. Als Leuchtelemente sind Leuchtdioden LED vorgesehen. Die LED's sind in einen Regelkreis REG zur Regelung ihrer Helligkeit eingebunden. Diese Regelung wird nicht signaltechnisch sicher ausgeführt, wogegen die Überwachung der Helligkeit signaltechnisch sicher durch eine mehrfache Überwachungslogik LÜ mit angeschlossenen ebenfalls mehrfachen Helligkeitssensoren SL, die die Ist-Helligkeit Hist der LED's messen, erfolgt. Die Einstellung von Strom und Spannung für die LED's kann durch folgende Regelungen erfolgen:

– Ein AC/DC-Wandler AC_DC wandelt eine hohe schwankende Prozessspannung UP, die von dem Stellteil St geliefert wird, in eine niedrige konstante Gleichspannung, wobei die Helligkeit zum Beispiel auf Basis einer Pulsweitenmodulation verlustarm geregelt wird.
– Der AC/DC-Wandler AC_DC wandelt die hohe schwankend Prozessspannung UP in eine niedrige Gleichspannung derart um, dass die Sollhelligkeit Hsoll dem Ist-Wert Hist entspricht.

Die Überwachungslogik LÜ erzeugt mit dem Spannungswandler DCW aus dem Spannungsabfall an einem Widerstand RS eine konstante Spannung U_Hi, beispielsweise 5 V. Aus dieser Spannung U_Hi wird ein Signal E erzeugt, das nach dem Einschalten der Prozessspannung UP durch das Stellteil St in einer Verzögerungszeit tv von Low L auf High H geht. Eine Logik für die Tag/Nacht-Umschaltung T/N-Logik erzeugt eine Referenzspannung Ref_T/N für einen nachgeschalteten Komparator C, dessen zweiter Eingang von dem Ist-Helligkeitssignal Hist der Helligkeitssensoren SL beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal CA des Komparatos C wird mittels eines UND-Gatters LA mit dem Signal E derart verknüpft, dass im Fehlerfall, d. h. die Helligkeit ist nicht im Arbeitspunkt AP_Nacht bzw. AP_Tag, ein Schalter S durchschaltet und dem Stellteil St über einen Widerstand RF einen hohen Strom und damit einen Fehlerzustand signalisiert. Das Stellteil St kann daraufhin eine entsprechende Ausfallbearbeitung einleiten.
Die Logik für die Tag/Nacht-Umschaltung TN-Logik bildet neben dem Referenzwert Ref_T/N für die Überwachung des Arbeitspunktes AP_Nacht bzw. AP_Tag auch den Sollwert Hsoll für die Helligkeitsregelung HR. Dabei sind zwei Betriebsarten möglich, nämlich eine dezentrale Tag/Nacht-Umschaltung oder eine zentrale Tag/Nacht-Umschaltung. Bei der dezentralen Tag/Nacht-Umschaltung messen Sensoren SH die Helligkeit der Umgebung. Daraus bildet die Logik für die Tag/Nacht-Umschaltung TN- Logik den Sollwert Hsoll für die Helligkeitsregelung HR und den Referenzwert Ref_T/N für die Überwachung des Arbeitspunktes AP_Nacht bzw. AP_Tag. Die Signalhelligkeit passt sich optimal an den Standort des Signals an. Bei der zentralen Tag/Nacht-Umschaltung wird die Information, ob der Signalgeber Sign im Arbeitspunkt AP_Tag oder AP_Nacht arbeiten soll, vom Stellteil St an den Signalgeber Sign übermittelt. Dazu sendet das Stellteil St eine lückenlose Wechselspannung UP, wenn der Arbeitspunkt AP_Tag einzustellen ist und eine Wechselspannung, bei der jede n-te Vollwelle fehlt, wenn der Arbeitspunkt AP_Nacht einzustellen ist.
Der Signalgeber Sign kann vom Stellteil St beispielsweise im Leistungsbereich von 5 W bis 50 W angesteuert werden, ohne dass Projektierungsdaten des Stellteils St geändert werden müssen. Bei einer Prozessspannung UP von 200 V AC ergibt sich auf der Primärseite ein Strombereich von 25 mA bis 250 mA. Wird die Regelung REG so realisiert, dass primärseitig immer ein Strom > 40 mA fließt und wird der Widerstand RF so bemessen, dass im Fehlerfall ein Strom > 1 A fließt, so lässt sich aufgrund der großen Stromabstände eine störunempfindliche Signalanschaltung realisieren. Misst das Stellteil St einen Strom < 40 mA, so ist der Signalgeber Sign ausgeschaltet, während bei einem Strombereich von 40 mA bis 250 mA eine ordnungsgemäße Bestromung des Signalgebers Sign vorliegt und bei einem Strom > 1 A ein Fehler aufgetreten ist. Bei einem Leitungswiderstand RL von 140 Ohm ergibt sich eine Verlustleistung im Kabel von 0,23 W bei 40 mA und 8,75 W bei 250 mA.
Ein Ausgang Ein_OK des Signalgebers Sign kann für den Anschluss einer Zugbeeinflussungseinrichtung genutzt werden, da der Überwachungslogik LÜ die Information über den Bestromungszustand vorliegt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich andersartiger Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims

Schaltung zur Ansteuerung und Überwachung eines Lichtsignals, insbesondere eines LED-Signals, mit einem Stellteil (St) zur Bereitstellung einer Prozessspannung (UP) und einem Signalgeber (Sign) zur Vorgabe von Stromfenstern (Strom_Tag, Strom_Nacht) für Tagbetrieb und Nachtbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (Sign) einen Regler (REG) aufweist, der über Helligkeitssensoren (SL) zur Messung der Helligkeit des Lichtsignals mit einer Überwachungslogik (LÜ) verbunden ist, die einen Tag- bzw. Nacht-Sollwert des Stromfensters (Strom_Tag, Strom_Nacht) für den Regler (REG) erzeugt.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellteil (St) Mittel zur Vorgabe des Umschaltzeitpunktes zwischen Tag- und Nachtbetrieb aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (SH) zur Messung der Umgebungshelligkeit des Lichtsignals zur Vorgabe des Umschaltzeitpunktes zwischen Tag- und Nachtbetrieb vorgesehen ist.
Schaltung nach einem vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass der Regler (REG) nicht signaltechnisch sicher und die Überwachungslogik (LÜ) sowie die Helligkeitssensoren (SL) zur Messung der Signalhelligkeit und ggf. die Sensoren (SH) zur Messung der Umgebungshelligkeit signaltechnisch sicher ausgebildet sind.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (REG) einen AC/DC-Wandler (AC_DC) zur Wandlung der schwankenden Prozessspannung (UP) in eine niedrigere Gleichspannung derart aufweist, dass die Ist-Helligkeit (Hist), ggf. unter Zwischenschaltung einer Pulsweitenmodulation, der Soll-Helligkeit (Hsoll) des Lichtsignals entspricht.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungslogik (LÜ) eine Logik für die Tag/Nacht-Umschaltung (T/N-Logik) aufweist, die den Sollwert und eine Referenzspannung (Ref_T/N) für die Überwachung des Stromfensters (Strom_Tag, Strom_Nacht) für den Tag- bzw. Nachtbetrieb erzeugt, wobei die Referenzspannung (Ref_T/N) und das dem Helligkeits-Ist-Wert (Hist) des Lichtsignals entsprechende Ausgangssignal der Helligkeitssensoren (SL) mittels eines Komparators (C) vergleichen werden, dessen Ausgangssignal (CA) mit einem dem Bestromungszustand der Überwachungslogik (LÜ) zugeordneten High (H)- bzw. Low (L)- Level eines Signals (E) mittels eines UND-Gatters (LA) verknüpft wird, wobei für den Fall, dass die Signalhelligkeit nicht dem vorgegebenen Stromfenster (Strom_Tag, Strom_Nacht) entspricht, ein Schalter (S) durchschaltet und dem Stellteil (St) einen Fehlerzustand signalisiert.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungslogik (LÜ) ein dem Bestromungszustand des Signalgebers (Sign) entsprechendes Signal (Ein_OK) erzeugt, das eine Zugbeeinflussungseinrichtung beaufschlagt.