DE102006056147A1

DE102006056147A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE102006056147A1
Application number: DE102006056147A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Roth; Rudolf Schierjott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) beschrieben, welche mittels einer Treiberschaltung (50, 60, 80) betrieben wird. Dabei wird bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41, 71) die Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit einer signifikant geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung (50, 60, 80) weiterbetrieben, und es wird diese Änderung der Leistungsaufnahme zur Erkennung eines Ausfalls eines Halbleiterbauelements (41, 71) detektiert. Weiterhin werden eine Lichtemissionseinrichtung (40, 70) und eine entsprechende Treiberschaltung (50, 60, 80), eine Signalgebereinheit (30) mit diesen Komponenten sowie eine Lichtsignalanlage (1) mit einer Anzahl solcher Signalgebereinheiten (30) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen und einer Treiberschaltung zum Betrieb der Lichtemissionseinrichtung, insbesondere in Signalgebereinheiten zur Verkehrsregelung, sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer solchen Signalgebereinheit. Außerdem betrifft die Erfindung eine Treiberschaltung zum Betrieb einer Lichtemissionseinrichtung mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Lichtemissionseinrichtung, eine Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, eine Signalgebereinheit mit einer solchen Lichtemissionseinrichtung und eine Lichtsignalanlage mit einer Anzahl solcher Signalgebereinheiten.
Insbesondere in Lichtsignalanlagen zur Verkehrssteuerung ist es zwingend notwendig, die dort verwendeten Signalgeber bzw. die Lichtemissionseinrichtungen, die in den Signalgebern das Licht aussenden, zu überwachen. Als Beispiele seien hier Lichtzeichen an Bahnübergängen, Bodenleitsysteme für Flugzeuge oder Verkehrsampeln im Straßenverkehr genannt. Dies gilt insbesondere für Sperrsignalgeber, wie z.B. die roten Signalgeber im Straßenverkehr, da ein ungewollter Ausfall eines Sperrsignals der gleichzeitigen Freigabe kollidierender Verkehrsflüsse gleichkommen kann. Daher gibt es relativ strenge Vorschriften und Normen, die die hierfür verwendeten Lichtsignaleinheiten erfüllen müssen. In den letzten Jahren werden anstelle von früher üblichen Glühlampen Lichtemissionseinrichtungen verwendet, die aus mehreren LEDs bestehen. Diese haben den Vorteil, dass sie in der Regel weniger Wartung als Glühlampen benötigen. Dennoch müssen auch hier selbstverständlich die Sicherheitsstandards erfüllt sein. Daher werden auch LED-Signalgeber permanent überwacht. Im Falle eines Fehlers, der zu einem Abfall der Lichtleistung unter eine bestimmte, durch einen europäischen Standard vorgegebene Schwelle führt, müssen – zumindest bei Stopp-Signalen – alle Signaleinheiten der betreffenden Kreuzung ausgeschaltet werden und/oder es muss ein gelbes Blinklicht aktiviert werden. Dann muss – üblicherweise innerhalb von 12 oder 24 Stunden nach dem Auftritt des Fehlers – ein Servicetechniker zu der betreffenden Kreuzung fahren und die defekte Signalgebereinheit ersetzen. Da eine solche schnelle Reaktion auch an Sonntagen und Feiertagen erforderlich ist, sind die Servicekosten hierfür sehr hoch. Das Hauptproblem ist dabei, dass das System nur die fatalen Fehler detektiert, die zu einem nicht akzeptablen Abfall der Lichtleistung führen. In heute üblichen Signalgebereinheiten, die jeweils mit Lichtemissionseinrichtungen mit 6 oder 12 LEDs ausgestattet sind, führt der Ausfall einer oder zweier einzelner LEDs nicht zu einer Benachrichtigung der Operationszentrale.
In den meisten Fällen werden bei Ausfall einer LED innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung die anderen LEDs dieser Lichtemissionseinrichtung mit einem höheren Strom beaufschlagt, so dass deren Lichtleistung ansteigt. Somit wäre es selbst mit reiner optischer Messung der Lichtleistung nicht möglich, den Ausfall einer einzelnen LED zu detektieren. Eine solche optische Überwachungsfunktion wäre zudem mit zusätzlichen Kosten verbunden.
Selbst bei einer Verwendung von nur zwei parallelen LEDs, welche in Zukunft geplant ist, würde der Ausfall einer LED mit dem herkömmlichen Überwachungssystem für die Signalgeber noch nicht zu einer Benachrichtigung der für die betreffende Signalanlage zuständigen Operationszentrale führen. Aus diesem Grunde hat die Zentrale keine Informationen über den Zustand der einzelnen Signalgeber bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Signalgeber vollständig ausfallen, d.h. nicht mehr die für den Standard erforderliche Lichtleistung bringen.
Andererseits wäre es sehr wünschenswert, wenn der Operationszentrale der Ausfall einzelner LEDs angezeigt würde. In diesem Fall könnten nämlich in einer turnusmäßigen Wartung alle Signalgebereinheiten einer Lichtsignalanlage ausgetauscht oder repariert werden, in der sich defekte LEDs befinden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Anlage dann unvorgesehen ausfällt, sinkt somit erheblich. Dies erhöht nicht nur die Verkehrssicherheit, sondern senkt auch die Kosten, da sich die Anzahl der Notfalleinsätze reduziert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren sowie entsprechende Einrichtungen zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen innerhalb von Lichtemissionseinrichtungen der eingangs genannten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Verfahrensansprüche 1 und 10 bzw. der Vorrichtungsansprüche 12, 20, 21, 23 und 25 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren wird dafür gesorgt, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente die Lichtemissionseinrichtung mit einer signifikant geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung Weiterbetrieben wird. Diese Änderung der Leistungsaufnahme wird dann z.B. von einer Lichtsignal-Steuereinheit zur Erkennung eines Ausfalls eines Halbleiterbauelements detektiert.
Bei den lichtemittierenden Halbleiterbauelementen handelt es sich in der Regel um LEDs. Grundsätzlich könnten aber auch andere lichtemittierende Halbleiterbauelemente wie beispielsweise Laserdioden eingesetzt werden. Da aber heutzutage in der Verkehrsregelung übliche Signalgeber mit LEDs ausgestattet sind, wird – ohne die Erfindung darauf zu beschränken – im Folgenden der Begriff „LED" auch als Synonym zu dem Begriff „lichtemittierendes Halbleiterbauelement" verwendet.
Unter einem Ausfall eines solchen lichtemittierenden Halbleiterbauelements bzw. LED ist dabei jede erhebliche Funktionseinschränkung wie beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung zu verstehen, die zu einem Komplettausfall dieser LED bzw. zu einer kurzfristigen völlig oder stark beeinträchtigten Funktionsfähigkeit führt. Da in der Regel mittels der Treiberschaltung ein von der Lichtemissionseinrichtung aufgenommener Strom geregelt wird, kann vorzugsweise mit Hilfe diese Regelung der Ausfall eines einzelnen lichtemittierenden Halbleiterbauelements leicht detektiert werden.
Bei der Änderung der Leistungsaufnahme der Treiberschaltung kann es sich beispielsweise in Abhängigkeit von der Art des Ausfalls um eine Reduzierung oder Erhöhung der Leistungsaufnahme handeln. Wesentlich ist dabei, dass die Lichtemissionseinrichtung mit der geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung tatsächlich weiter betrieben wird. Das heißt, eine signifikante Änderung der Leistungsaufnahme ist keine komplette Abschaltung der Treiberschaltung, weil dies ja einem Totalausfall der gesamten Lichtemissionseinrichtung bzw. der Signalgebereinheit gleichkommt. Der Begriff „signifikant" ist hierbei also insoweit zu verstehen, dass die Leistungsänderung z.B. durch eine entsprechende Stromänderung an einer Lichtsignal-Steuereinheit detektierbar ist, welche auch in größerer Entfernung von der eigentlichen Signalgebereinheit sitzen kann. In der Regel führt nämlich bereits der Ausfall des Halbleiterbauelements selber zu einer sehr geringen Leistungsänderung von beispielsweise unter 5%. Diese Leistungsänderungen sind aber im Rahmen der üblichen Toleranzen nicht sicher detektierbar. Daher sollte die Treiberschaltung bevorzugt so arbeiten, dass die Leistungsaufnahme sich bei Ausfall einer LED vorzugsweise um mindestens 20%, besonders mindestens 30%, ändert.
Um dieses Verfahren durchzuführen, wird eine erfindungsgemäße Treiberschaltung benötigt, welche so ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente die Lichtemissionseinrichtung mit einer signifikant geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung Weiterbetrieben wird. Eine Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen innerhalb einer entsprechenden Lichtemissionseinrichtung muss neben einer solchen Treiberschaltung auch eine Funktionsüberwachungseinheit aufweisen, um Änderungen der von der Treiberschaltung aufgenommenen elektrischen Leistung zu detektieren.
Wie bereits oben erläutert, soll die Erfindung besonders bevorzugt im Rahmen von Verkehrssteuerungen eingesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Signalgebereinheit, welche beispielsweise zur Verkehrssteuerung dient, muss dann erfindungsgemäß mit einer Lichtemissionseinrichtung und einer entsprechenden Treiberschaltung ausgebildet sein. Weiterhin muss eine erfindungsgemäße Lichtsignalanlage neben einer Anzahl von Signalgebereinheiten der vorbeschriebenen Art sowie einem Lichtsignal-Steuergerät, welches jeweils einen Signalgeberstrom an die Signalgebereinheiten abgibt, auch die benötigte Funktionsüberwachungseinheit zur Detektion von Änderungen des an die Signalgebereinheiten abgegebenen Signalgeberstroms aufweisen.
Mit dem beschriebenen Verfahren bzw. Einrichtungen wird erreicht, dass auch an einer entfernten Steuerungszentrale auf einfache und kostengünstige Weise, ohne zusätzliche Verkabelungen und aufwändige weitere Detektoren, der Ausfall einer LED innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung einer Signalgebereinheit bereits erkannt und dem zuständigen Bedienpersonal signalisiert werden kann. Es können dann bei der nächsten passenden Gelegenheit, beispielsweise wenn sich ein Wartungstrupp ohnehin in der Nähe der betreffenden Lichtsignalanlage befindet, der betroffene Signalgeber bzw. die Lichtemissionseinrichtungen ausgetauscht oder repariert werden.
Die abhängigen Ansprüche sowie die weitere Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Zur Realisierung der Treiberschaltung bzw. der Überwachungseinrichtung gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Gemäß einer ersten Variante kann innerhalb der Treiberschaltung, z.B. mit Hilfe einer Stromregelung, die Funktion der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente überwacht werden. Hierzu benötigt die Treiberschaltung eine entsprechende Überwachungseinheit. Es kann dann beispielsweise mittels einer mit der Überwachungseinheit gekoppelten geeigneten Schalteinheit dafür gesorgt werden, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente der Stromverbrauch innerhalb der Treiberschaltung erhöht wird. Bei dieser Variante findet also eine aktive Funktionsüberwachung und Umschaltung des Stromverbrauchs statt, welche durch den erhöhten Stromverbrauch dann zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung insgesamt führt, was wiederum an der z.B. im Lichtsignalsteuergerät befindlichen, externen Funktionsüberwachungseinheit registriert werden kann.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass bei einem Ausfall der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente von der Treiberschaltung bzw. der Schalteinheit ein zusätzlicher Stromverbraucher, beispielsweise ein Lastwiderstand, aktiviert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente eine zusätzliche Stromquelle aktiviert wird, welche beispielsweise den zusätzlichen Verbraucher mit Strom versorgt. Ebenso kann aber auch der zusätzliche Verbraucher von der Stromversorgungsquelle für die Lichtemissionseinrichtung mit versorgt werden.
Bei einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Treiberschaltung eine Stromregelungsschaltung auf, mit der ein von der Lichtemissionseinrichtung aufgenommener Strom auf einen im Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird. Dabei sind die lichtemittierenden Halbleiterbauelemente derart in einer Schaltungsanordnung geschaltet, dass sich bei einem Ausfall eines Halbleiterbauelements innerhalb der Lichtemissionseinrichtung ein Spannungsabfall über der gesamten Schaltungsanordnung mit den lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, d.h. einschließlich der Halbleiterbauelemente, so ändert, dass sich die von Treiberschaltung aufgenommene elektrische Leistung ohne spezielle Schaltvorgänge zwangsläufig entsprechend signifikant ändert.
Eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung kann dabei so aussehen, dass den einzelnen lichtemittierenden Halbleiterbauelementen jeweils in einer Reihenschaltung Widerstände vorgeschaltet sind oder entsprechende Widerstände in einer Reihenschaltung nachgeschaltet sind. Ebenso ist es natürlich auch möglich, entsprechende Widerstände sowohl in Reihe vor- als auch nachzuschalten.
Dabei kann die Schaltungsanordnung, mit der die lichtemittierenden Halbleiterbauelemente beschaltet sind, beispielsweise die jeweils vorgeschalteten und/oder nachgeschalteten Widerstände, auch in einem gemeinsamen Modul mit den lichtemittierenden Halbleiterelementen integriert sein. In diesem Fall weist also die Lichtemissionseinrichtung selbst eine entsprechende Schaltungsanordnung auf, in der die einzelnen lichtemittierenden Halbleiterbauelemente so beschaltet sind, dass sich bei einem Ausfall eines Halbleiterbauelements der Spannungsabfall über der gesamten Lichtemissionseinrichtung, d.h. über der gesamten Schaltungsanordnung einschließlich der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente, entsprechend signifikant ändert. Die Treiberschaltung an sich braucht dann nur noch eine geeignete Stromregelungsschaltung aufzuweisen.
Die Regelung des von der Lichtemissionseinrichtung aufgenommenen Stroms kann so erfolgen, dass beispielsweise mit einer geeigneten Stromdeterminierungseinheit ein Kennwert bestimmt wird, der den Strom repräsentiert, dass weiterhin mit einer geeigneten Referenzwerteinheit ein Referenzwert für den Kennwert zur Verfügung gestellt wird und dass dann mit einer Regeleinrichtung die Regelung des Stroms so erfolgt, dass sich der Kennwert dem Referenzwert annähert und/oder den Referenzwert im Wesentlichen erreicht.
Die Stromdeterminierungseinheit kann hierzu einen Widerstand aufweisen, der in einfacher Weise in einer Serienschaltung mit der Lichtemissionseinrichtung verbunden ist. In diesem Fall ist der Kennwert einfach die am Widerstand abfallende Spannung. Die Referenzwerteinheit kann beispielsweise eine Spannungsquelle aufweisen, die eine dem Referenzwert entsprechende Spannung liefert.
Ein Ausfall eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements kann dann erkannt werden, wenn die von der Treiberschaltung aufgenommene elektrische Leistung einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet oder einen vorgegebenen oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Zur Ermittlung der von der Treiberschaltung aufgenommenen elektrischen Leistung wird vorzugsweise der von einem Steuergerät an die Treiberschaltung abgegebene Strom mit Hilfe einer geeigneten Funktionsüberwachungseinheit überwacht.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Signalgebereinheit,
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Lichtsignalanlage,
3 eine schematische Darstellung der Treiberschaltung und der Lichtemissionseinrichtung einer erfindungsgemäßen Signalgebereinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Darstellung der Treiberschaltung und der Lichtemissionseinrichtung einer erfindungsgemäßen Signalgebereinheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Darstellung der Treiberschaltung und der Lichtemissionseinrichtung einer erfindungsgemäßen Signalgebereinheit nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt im Stil einer Explosionszeichnung den Aufbau eines Signalgebers 20. Ein Signalgebergehäuse 21 nimmt eine Signalgebereinheit 30 auf, im Folgenden auch Signalgebereinsatz 30 genannt. Der Signalgeber 20 ist hier in einer einfachen Variante mit nur einem erfindungsgemäßen Signalgebereinsatz 30 dargestellt. Dieser Signalgebereinsatz 30 umfasst einen kompletten Reflektor 24 mit einem auf der Hinterseite des Reflektors angeordneten LED-Array 40, 70. Ebenfalls kann in diesem Reflektor auch bereits eine Treiberschaltung 50, 60, 80 angeordnet sein. Auf der nach außen gewandten Seite des Signalgebereinsatzes 30 sind eine Fresnellinse 22 und eine oft in einer bestimmten Farbe eingefärbte Frontlinse 23 angebracht.
Ein solcher Signalgeber 20 weist oft innerhalb eines Gehäuses mehrere Signalgebereinsätze 30 auf. Beispielsweise wird ein Signalgeber in Form einer üblichen „Ampel" mit drei Signalgebereinheiten für die Farben Rot, Gelb, Grün bestückt.
2 zeigt eine entsprechende Lichtsignalanlage 1, welche zwei Lichtsignalgeber 20 mit jeweils drei erfindungsgemäßen Signalgebereinheiten 30 umfasst. Die Signalgebereinheiten 30 sind über Verbindungsleitungen 13, beispielsweise Erdkabel im Bereich einer Straßenkreuzung, mit einem Lichtsignalsteuergerät 10 verbunden. Von diesem Lichtsignalsteuergerät 10 aus, welches mehrere Schalt- und Überwachungsteile für die einzelnen Signalgebereinheiten 30 aufweist, wird die komplette Signalanlage 1, welche in der Regel aus mehreren Signalgebern 20 besteht, in einem Kreuzungsbereich gesteuert. Dieses Lichtsignalsteuergerät 10 ist üblicherweise mit einer Zentraleinheit 2 verbunden.
Wie in 2 dargestellt, können jeweils mehrere Signalgebereinheiten 30, welche in unterschiedlichen Signalgebern 20 sitzen, parallel über eine gemeinsame Verbindungsleitung 13 durch das Lichtsignalsteuergerät 10 mit einem Signalgeberstrom I_S1, I_S2, I_S3 versorgt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass alle Signalgebereinheiten 30 mit identischer Signalfarbe und gleicher Fahrtrichtung oder genau entgegengesetzten, sich nicht störenden Fahrtrichtungen von einer einzigen Verbindungsleitung mit einem Signalgeberstrom I_S1, I_S2, I_S3 versorgt werden.
Das Lichtsignalsteuergerät 10 weist mehrere Funktionsüberwachungseinheiten 11 auf, welche die an die Signalgebereinheiten 30 abgegebenen Signalgeberströme I_S1, I_S2, I_S3 überwachen. Derartige Funktionsüberwachungseinheiten 11 werden auch bereits bei der Überwachung von klassischen Signalgebereinheiten mit Glühfadenlampen eingesetzt. Im vorliegenden erfindungsgemäßen Fall werden diese Funktionsüberwachungseinheiten 11 eingesetzt, um eine signifikante Änderung, beispielsweise um 30%, der Leistungsaufnahme der Treiberschaltung 50, 60, 80 der zugehörigen Signalgebereinheit 30 zu detektieren, welche – wie noch nachfolgend detailliert erläutert wird – erfindungsgemäß auftritt, wenn eine LED innerhalb der Lichtemissionseinrichtung 40, 70 ausfällt. Dabei können wie dargestellt auch die parallel von dem Lichtsignalsteuergerät 10 angesteuerten Signalgebereinheiten 30 jeweils gemeinsam durch eine Funktionsüberwachungseinheit 11 überwacht werden.
Die Funktionsüberwachungseinheiten 11 können dann dafür sorgen, dass bei einer Detektion einer signifikanten Änderung der Leistungsaufnahme einer Treiberschaltung 50, 60, 80 einer Signalgebereinheit von einer entsprechenden Schnittstelle 12 aus ein Störungssignal S an die Zentraleinheit 2 übermittelt wird, wobei dieses Störungssignal S auch Informationen enthalten kann, in welcher Signalgebereinheit 30 eine LED ausgefallen ist.
Selbstverständlich umfasst das Lichtsignalsteuergerät 10 noch eine Reihe weiterer wesentlicher Komponenten, die zur Steuerung einer kompletten Lichtsignalanlage benötigt werden. Diese sind dem Fachmann aber bekannt und hier der Einfachheit halber nicht weiter dargestellt und werden auch nicht weiter erläutert. Der Aufbau von Funktionsüberwachungseinheiten ist ebenfalls dem Fachmann hinreichend bekannt. Eine Beschreibung eines möglichen Aufbaus findet sich beispielsweise in der DE-OS 27 37 853 .
In den 3 bis 5 sind verschiedene Varianten für einen Aufbau von Treiberschaltungen 50, 60, 80 und Lichtemissionseinrichtungen 40, 70, im Folgenden auch kurz LED-Arrays 40, 70 genannt, für erfindungsgemäße Signalgebereinheiten 21 dargestellt.
Bei der Variante gemäß 3 wird ein herkömmliches LED-Array 40 eingesetzt. Dargestellt sind hier nur zwei Leuchtdioden 41, die parallel von einer Stromquelle 51 der Treiberschaltung 50 betrieben werden. Selbstverständlich können auch eine größere Anzahl, beispielsweise drei bis zwölf LEDs 41, parallel betrieben werden. Diese Stromquelle 51 wird mit Hilfe einer lokalen Überwachungseinheit 52 überwacht, welche detektiert, ob die LEDs 41 und die Stromquelle 51 noch in der richtigen Weise arbeiten. Sobald beide LEDs 41 ausfallen bzw. die Lichtleistung unter die durch entsprechende Normen vorgegebene Schwelle absinkt und eine sichere Signalisierung nicht mehr gewährleistet ist, sendet die lokale Überwachungseinheit 52 ein Signal an eine Abschalteinheit 53 (oft auch als „End of life circuit" bezeichnet). Diese sorgt dann für eine komplette Abschaltung der Signalgebereinheit in der bisher üblichen Weise, so dass nach den bisher schon bekannten Verfahren dieser Totalausfall innerhalb des Lichtsignalsteuergeräts 10 detektiert und an die Zentraleinheit 2 signalisiert wird.
Zusätzlich weist diese Variante einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung 50 aber einen weiteren Stromverbraucher 54, beispielsweise einen oder mehrere Lastwiderstände, und eine zusätzliche Stromquelle 56 auf, durch welche der Stromverbraucher 54 mit Strom beaufschlagt wird. Diese Zusatzstromquelle 56 wird durch eine Schalteinheit 55 zugeschaltet, wenn die Überwachungseinheit 52 feststellt, dass zwar das LED-Array 40 insgesamt noch ausreichend Licht liefert, also kein Totalausfall vorliegt, dass jedoch bereits eine oder mehrere der LEDs 41 ausgefallen sind und daher ein baldiger Austausch oder eine Reparatur des LED-Arrays 40 bzw. der Signalgebereinheit sinnvoll ist. Durch die Zuschaltung der zusätzlichen Stromquelle 56 und den Stromverbraucher 54 wird insgesamt die aufgenommene Leistung der Treiberschaltung 50 signifikant, beispielsweise um 30%, erhöht. Dies wird mit der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Funktionsüberwachungseinheit 11 im Lichtsignalsteuergerät 10 der Signalanlage 1 detektiert, so dass ein entsprechendes Fehlersignal S an die Zentraleinheit 2 übermittelt werden kann.
4 zeigt eine zu 3 etwas abgewandelte Variante, wobei das LED-Array 40 in gleicher Weise aufgebaut ist wie das LED-Array 40 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3. Auch hier wird die Stromquelle 61, welche das LED-Array 40 mit Strom versorgt, von einer lokalen Überwachungseinheit 62 überwacht, welche bei einem Totalausfall des LED-Arrays eine Abschalteinheit 63 informiert, die für eine Komplettabschaltung des Signalgebers sorgt. Im Falle eines Ausfalls einer oder mehrerer LEDs 41, welcher noch nicht zu einem Totalausfall des LED-Arrays 40 führt, wird jedoch von der lokalen Überwachungseinheit 62 eine Schalteinheit 65 betätigt, welche einen weiteren Stromverbraucher 64 zuschaltet, der direkt von der Stromquelle 61 mit Strom beaufschlagt wird, die auch das LED-Array 40 mit Strom versorgt. Auch hier wird also der Stromverbrauch innerhalb der Treiberschaltung 60 signifikant erhöht, wenn eine oder mehrere LEDs 41 ausfallen, und die damit verbundene geänderte Leistungsaufnahme der Treiberschaltung 60 wird innerhalb des Lichtsignalsteuergeräts 10 von den Funktionsüberwachungseinheiten 11 detektiert, so dass ein entsprechendes Fehlersignal S an die zentrale Steuereinheit 2 abgegeben werden kann.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt. Hierbei ist kein aktives Eingreifen eines Überwachungselements in der Treiberschaltung 80 und Zuschalten von zusätzlichen Stromverbrauchern notwendig. Stattdessen ist inhärent durch den Schaltungsaufbau dafür gesorgt, dass bei einem Ausfall einer einzelnen LED 71 sich die Leistungsaufnahme der Treiberschaltung 80 signifikant ändert.
Die Treiberschaltung 80 weist hierzu eine Stromregelungsschaltung auf, welche aus einer Regeleinrichtung mit einem Stromregler 81 und einem Komparator 82, einem Messwiderstand 83 sowie einer Referenzspannungsquelle 84 aufgebaut ist. Die LEDs 71 des LED-Arrays 70 sind hier in einer Schaltungsanordnung 73 parallelgeschaltet, wobei jeder LED 71 ein Vorwiderstand 72 vorgeschaltet ist. Gezeigt sind in 5 nur zwei LED-Stränge. Wie aber durch die gestrichelte dritte LED angedeutet ist, ist das LED-Array 70 beliebig erweiterbar.
Die Schaltungsanordnung 73, d.h. die einzelnen Vorwiderstände 72, ist hier in das LED-Array 70 integriert. Das gesamte LED-Array 70 ist mitsamt der Schaltungsanordnung 73 über zwei Treiberanschlüsse 74, 75 (Hin- und Rückleiter) mit der Treiberschaltung verbunden. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, diese Vorwiderstände in die Treiberschaltung 80 zu integrieren. Es müssten dann entsprechend mehrere Treiberanschlüsse 74 zum LED-Array führen. Ebenso können im Übrigen die Widerstände auch den LEDs 71 nachgeschaltet sein oder es können sich entsprechende Widerstände vor und hinter den LEDs 71 befinden.
Die Funktionsweise dieses Aufbaus ist wie folgt:
Über den Messwiderstand 83 wird eine Spannung U_IL abgegriffen, welche ein Maß für den durch den Messwiderstand 83 lau fenden Strom I_L ist. Dies ist der Flussstrom I_L des LED-Arrays 70. Dieser Spannungswert U_IL wird mit einem Referenzspannungswert U_R, welcher von der Referenzspannungsquelle 84 zur Verfügung gestellt wird, in einem Komparator 82 der Regeleinrichtung 85 verglichen und es wird versucht, den durch die Referenzspannungsquelle vorgegebenen Spannungswert U_R einzustellen. Der Ausgangswert des Komparators 82 wird an den Stromregler 81 gegeben. Insgesamt wird so dafür gesorgt, dass das LED-Array 70 unabhängig von der Anzahl der funktionsfähigen Leuchtdioden 71 immer mit dem gleichen Strom betrieben wird.
Sind alle LEDs 71 des LED-Arrays 70 intakt, verteilt sich der vom Treiberausgang 73 gelieferte konstante Flussstrom I_L gleichmäßig auf alle LED-Stränge. Das heißt, bei n LEDs erhält jeder LED-Strang 1/n des Flussstroms I_L.
Wird eine LED 71 unterbrochen, so fließt der fest eingestellte Flussstrom I_L durch n-1 LED-Stränge. Damit steigt der Strom in den verbleibenden Strängen von I_L/n auf I_L/(n – 1) an. Entsprechend erhöht sich dann automatisch der Spannungsabfall an den Vorwiderständen 72 der intakten Stränge. Damit steigt auch die Spannung U_L am gesamten LED-Array 70 inklusive der Vorwiderstände 72, d.h. an der kompletten Schaltungsanordnung 73 einschließlich der LEDs 71, an. Da jedoch der geregelte Flussstrom I_L konstant bleibt, erhöht sich dadurch die von der Treiberschaltung 80 abgegebene Leistung und folglich auch die von der Treiberschaltung 80 aufgenommene Leistung. Diese Leistungsänderung kann wegen der damit verbundenen Änderung des von der Treiberschaltung 80 aufgenommenen Signalgeberstroms I_S wiederum mit der in 2 dargestellten Funktionsüberwachungseinheit 11 detektiert werden.
Tritt dagegen in einer der LEDs 71 ein Kurzschluss auf, so steigt im defekten LED-Strang aufgrund des fehlenden Spannungsabfalls am LED-Emitter die Stromhöhe an und die Ströme in den intakten LED-Strängen sinken ab. Dies führt insgesamt zu einem Absinken der Spannung U_L an der kompletten Schal tungsanordnung 73 im LED-Array 71, was wiederum zu einer Reduzierung der von der Treiberschaltung 80 abgegebenen Leistung führt. Dementsprechend sinkt auch die Leistungsaufnahme der Treiberschaltung 80, was wiederum von der Funktionsüberwachungseinheit 11 im Lichtsignalsteuergerät 10 detektiert werden kann.
Eine wesentliche Idee hierbei ist also, durch die Zuschaltung der Vorwiderstände 72 für die LEDs 71 die Sensibilität der Spannungsänderung hinsichtlich einer Stromänderung so zu erhöhen, dass eine signifikante Änderung der aufgenommenen Leistung des Treibers 80 automatisch auftritt. Durch diese Schaltungsanordnung kann dafür gesorgt werden, dass anstelle einer bei einem herkömmlichen LED-Array beim Ausfall einer LED verursachten Leistungsänderung von unter 5% jetzt eine Leistungsänderung von über 30% erreicht wird, welche von üblichen Funktionsüberwachungseinheiten 11 in den Lichtsignalsteuergeräten 10 ohne weiteres detektiert werden kann.
Der Vorteil dieses Aufbaus gegenüber den Schaltungen in den 3 und 4 besteht darin, dass hier nur sehr wenige zusätzliche Bauelemente benötigt werden und insbesondere auf schaltende Teile verzichtet werden kann, die aufgrund ihrer Fehleranfälligkeit auch wieder überwacht werden müssten. Die Ausführungsform gemäß 5 ist daher eine besonders sichere und kostengünstige Variante.
Es wird an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass auch bei der Ausführungsform gemäß 5 der Treiber noch eine Vielzahl weiterer Komponenten umfassen kann. Insbesondere können auch hier eine zusätzliche Überwachungseinheit und eine Abschalteinheit vorgesehen sein, um die Signalgebereinheit vollständig auszuschalten, wenn es zu einem Komplettausfall des LED-Arrays kommt, d.h. wenn das Lichtsignal unter die spezifizierte Schwelle abfällt.
Abschließend wird auch noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den anhand der Figuren konkret dargestellten Aus führungsbeispielen und detailliert beschriebenen Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, die vom Fachmann im Rahmen der Ansprüche modifiziert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.

Claims

Verfahren zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71), welche mittels einer Treiberschaltung (50, 60, 80) betrieben wird, bei dem bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41, 71) die Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit einer signifikant geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung (50, 60, 80) Weiterbetrieben wird, und bei dem diese Änderung der Leistungsaufnahme zur Erkennung eines Ausfalls eines Halbleiterbauelements (41, 71) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Treiberschaltung (50, 60) die Funktion der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) überwacht und bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) der Stromverbrauch innerhalb der Treiberschaltung (50, 60) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) von der Treiberschaltung (50, 60) ein zusätzlicher Stromverbraucher (54, 64) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) von der Treiberschaltung (50) eine zusätzliche Stromquelle (56) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Treiberschaltung (80) ein von der Lichtemissionseinrichtung (70) aufgenommener Strom (I_L) auf einen im Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird, wobei die lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (71) derart in einer Schaltungsanordnung (73) beschaltet sind, dass sich bei einem Ausfall eines Halbleiterbauelements (71) innerhalb der Lichtemissionseinrichtung (70) ein Spannungsabfall über der Schaltungsanordnung (73) mit den lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (71) so ändert, dass sich die von der Treiberschaltung (80) aufgenommene elektrische Leistung ändert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (71) der Lichtemissionseinrichtung (70) jeweils Widerstände (72) in Reihe vorgeschaltet und/oder Widerstände in Reihe nachgeschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des von der Lichtemissionseinrichtung (70) aufgenommenen Strom (I_L) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Bestimmung eines Kennwerts (U_IL), der den Strom (I_L) repräsentiert, – Zur-Verfügung-Stellung eines Referenzwerts (U_R) für den Kennwert (U_IL), – Regelung des Stroms (I_L) derart, dass sich der Kennwert (U_IL) dem Referenzwert (U_R) annähert und/oder den Referenzwert (U_R) im Wesentlichen erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausfall eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (41, 71) erkannt wird, falls die von der Treiberschaltung (50, 60, 80) aufgenommene elektrischen Leistung einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet oder einen vorgegebenen oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der von der Treiberschaltung (50, 60, 80) aufgenommenen elektrischen Leistung der von einem Steuergerät (10) an die Treiberschaltung (50, 60, 80) abgegebene Strom (I_S, I_S1, I_S2, I_S3) überwacht wird.
Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Signalgebereinheit (30), insbesondere zur Verkehrssteuerung, mit einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) und einer Treiberschaltung (50, 60, 80), dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41, 71) innerhalb der Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 überwacht wird.
Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Lichtsignalanlage (1) mit einer Anzahl von Signalgebereinheiten (30), insbesondere zur Verkehrssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgebereinheiten (30) durch ein Verfahren nach Anspruch 10 überwacht werden.
Treiberschaltung (50, 60, 80) zum Betrieb einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71), wobei die Treiberschaltung (50, 60, 80) so ausgebildet ist, dass bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41, 71) innerhalb der Lichtemissionseinrichtung (40, 70) die Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit einer signifikant geänderten Leistungsaufnahme der Treiberschaltung (50, 60, 80) Weiterbetrieben wird.
Treiberschaltung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit (52, 62), um die Funktion der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) zu überwachen, und eine mit der Überwachungseinheit (52, 62) gekoppelte Schalteinheit (55, 65), um bei einem Ausfall eines der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (41) den Stromverbrauch innerhalb der Treiberschaltung (50, 60) zu erhöhen oder zu reduzieren.
Treiberschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (55, 65) einen Stromverbraucher (54, 64) und/oder eine Stromquelle (56) aktiviert oder deaktiviert.
Treiberschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (80) eine Stromregelungsschaltung aufweist, um den von der Lichtemissionseinrichtung (70) aufgenommenen Strom (I_L) auf einen im Wesentlichen konstanten Wert zu regeln, und dass die lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (71) derart in einer Schaltungsanordnung (73) beschaltet sind, dass sich bei einem Ausfall eines Halbleiterbauelements (71) innerhalb der Lichtemissionseinrichtung (70) ein Spannungsabfall über der Schaltungsanordnung (73) mit den lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (71) so ändert, dass sich die von der Treiberschaltung (80) aufgenommene elektrische Leistung signifikant ändert.
Treiberschaltung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den einzelnen lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (71) jeweils in Reihe vorgeschaltete Widerstände (72) und/oder jeweils in Reihe nachgeschaltete Widerstände.
Treiberschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelungsschaltung – eine Stromdeterminierungseinheit (83) zur Bestimmung eines zweiten Kennwerts (U_IL), der den von der Lichtemissionseinrichtung aufgenommenen Strom (I_L) repräsentiert, – eine Referenzwerteinheit (84), welche einen Referenzwert (U_R) bereitstellt, – eine Regeleinrichtung (85), welche den Strom (I_L) derart regelt, dass sich der Kennwerts (U_IL) dem Referenzwert (U_R) annähert und/oder den Referenzwert (P_R) im Wesentlichen erreicht, aufweist.
Treiberschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdeterminierungseinheit (83) einen Widerstand (83) aufweist, der in einer Serienschaltung mit der Lichtemissionseinrichtung (70) verbunden ist, und der Kenn wert (U_IL) die am Widerstand (83) abfallende Spannung (U_IL) ist.
Treiberschaltung nach Anspruche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerteinheit (84) eine Spannungsquelle (84) mit einer Spannung (U_R) aufweist und der Referenzwert (U_R) im Wesentlichen die Spannung (U_R) ist.
Lichtemissionseinrichtung (70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (71), gekennzeichnet durch eine integrierte Schaltungsanordnung (73), in der die einzelnen lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (70) so beschaltet sind, dass sich bei einem Ausfall eines Halbleiterbauelements (71) ein Spannungsabfall über der gesamten Schaltungsanordnung (73) einschließlich der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente (70) signifikant ändert.
Überwachungseinrichtung zur Funktionsüberwachung von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) innerhalb einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71), mit einer Treiberschaltung (50, 60, 80) nach einem der Ansprüche 12 bis 19 zum Betrieb der Lichtemissionseinrichtung (40, 70) und mit einer Funktionsüberwachungseinheit (11), um Änderung der von der Treiberschaltung (50, 60, 80) aufgenommen elektrischen Leistung zu detektieren.
Überwachungseinrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Lichtemissionseinrichtung (70) nach Anspruch 20.
Signalgebereinheit (30), insbesondere zur Verkehrssteuerung, mit einer Lichtemissionseinrichtung (40, 70) mit mindestens zwei parallel geschalteten lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (41, 71) und mit einer Treiberschaltung (50, 60, 80) nach einem der Ansprüche 12 bis 19.
Signalgebereinheit nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Lichtemissionseinrichtung (70) nach Anspruch 20.
Lichtsignalanlage (80), insbesondere zur Verkehrssteuerung, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Signalgebereinheiten (30) nach Anspruch 23 oder 24, ein Lichtsignalsteuergerät (10), welches jeweils einen Signalgeber-Strom (I_S) an die Signalgebereinheiten (30) abgibt, und eine Funktionsüberwachungseinheit (11) zur Detektion von Änderungen des an die Signalgebereinheiten (30) abgegebenen Signalgeber-Stroms (I_S, I_S1, I_S2, I_S3).