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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Signalleuchte mit LED-Beleuchtung
(LED = lichtemittierende Diode), welche in Verkehrssignal- oder Anzeigeeinrichtungen
wie beispielsweise Verkehrsampeln oder -anzeigen zur Anwendung gelangt.
Die Signalleuchte arbeitet zusammen mit einer optischen Linse, um
das von einer LED oder Vielzahl von LEDs emittierte Licht effizient
unter vorbestimmten Winkeln auszusenden bzw. in bestimmten Richtungen
abzustrahlen.
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Herkömmliche
Verkehrssignalleuchten bzw. beleuchtete Straßenschilder mit herkömmlichen Glühlampen-Leuchten
haben Nachteile gegenüber Leuchten
mit LEDs. Leuchten mit Glühlampen
benötigen
eine wesentlich höhere
Leistung und haben in der Regel eine weit geringere Lebensdauer
als LEDs. In der Folge erfordern Leuchten mit Glühlampen häufiger Reparaturen- oder Austauscharbeiten.
Demgegenüber
bieten LEDs eine erhebliche Verringerung der Betriebs- und Wartungskosten
im Vergleich zu Leuchten mit Glühlampen.
Bislang bekannt sind Signalleuchten mit LEDs, bei denen eine Vielzahl
von LEDs gleichmäßig über annähernd die
gesamte Leuchtfläche
auf einer Trägerplatte
verteilt sind. Vor jeder LED ist jeweils eine als Sekundäroptik dienende
Sammellinse angebracht. Ferner besitzt ein solches System eine als
Primäroptik
dienende Einrichtung, beispielsweise Streuscheiben oder andere Linsenanordnungen.
Während
die Primäroptik
die äußere Lichtfläche bereitstellt,
soll mit Hilfe der Sekundäroptik
ein möglichst
großer
Anteil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes in Nutzlicht
umgewandelt werden. Bei einem anderen bekannten System werden einige
wenige, lichtstarke LED verwendet, die zu einer im Verhältnis zur
Leuchtfläche
kleineren Einheit auf einer Trägerplatte
zusammengefasst sind. Die LED-Einheit kann mit einer Sekundäroptik versehen
sein, beispielsweise eine Fresnellinse. Darüber hinaus ist meist noch eine
Primäroptik
vorgesehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte
Signalleuchte mit LED-Beleuchtung zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere
in Außenumgebungen
bei Verkehrsleucht- und Signaleinrichtungen angewendet werden kann,
und welche für
den gewünschten
Richtungsbereich möglichst
effizient das Licht der LEDs aussendet, und dabei möglichst
einfach und daher kostengünstig
herstellbar ist, und welche Signalleuchte hinsichtlich der Ausfallsicherheit
verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Signalleuchte nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Signalleuchte
hat einen Grundträger
und eine Anzahl von m = h + n elektrischen Leuchtmitteln, die zusammen
eine quasizentrale Lichtquelle bilden, wobei die Leuchtmittel auf dem
Grundträger
in einer Ebene mit einem geringen Abstand voneinander derart angeordnet
sind, dass die von den Leuchtmitteln eingenommene Fläche eine
maximale Seitenlänge
aufweist, und hat eine Linseneinrichtung, die in einem vorbestimmten
Abstand vor den Leuchtmitteln angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, dass ein erster Teil der Leuchtmittel mit einer
Anzahl von h zu einer ersten Gruppe, nämlich der Hauptgruppe geschaltet sind,
und ein zweiter, verbleibender Teil der Leuchtmittel mit einer Anzahl
von n zu einer zweiten Gruppe, nämlich
der Nebengruppe geschaltet sind, und die einzelnen Leuchtmittel
jeder Gruppe dergestalt räumlich
angeordnet sind, dass beide Gruppen unabhängig voneinander als quasizentrale
Lichtquelle arbeiten.
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Durch
die erfindungsgemäße Aufteilung
der Leuchtmittel in zwei Gruppen, die unabhängig voneinander als volltaugliche
Lichtquelle arbeiten, so dass bei Ausfall einer bestimmten Gruppe
die andere, verbleibende Gruppe als Ersatz und damit die erste Gruppe
redundant ersetzbar arbeiten kann, ist die Ausfallsicherheit der
erfindungsgemäßen Signalleuchte
gegenüber
der vorbekannten Leuchte praktisch um das Doppelte er höht. Eine
besonders günstige
konstruktive Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dann, wenn
die Gesamtanzahl m ungeradzahlig oder geradzahlig ist, und die betragsgemäße Differenz
h – n
= 1, 2 oder 3 ist. Hierbei ist von Vorteil insbesondere vorgesehen,
dass die Anzahl m der elektrischen Leuchtmittel m = fünf, sieben,
oder neun ist.
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Bei
einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Anzahl n der Leuchtmittel der Nebengruppe n = drei ist
und die drei Leuchtmittel der Nebengruppe auf einer Linie oder an
den drei Ecken eines gleichseitigen Dreieckes angeordnet sind.
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Bei
der besonders bevorzugten konstruktiven Ausbildung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass die Leuchtmittel der Hauptgruppe und
die Leuchtmittel der Nebengruppe derart angeordnet sind, dass sich
nur ein sehr geringer Unterschied zwischen der horizontalen Lichtverteilung
des von der Hauptgruppe allein abgestrahlten Lichtes zu der von der
Nebengruppe allein abgestrahlten Lichtes ergibt.
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Dem
Prinzip der Erfindung folgend ist ferner vorgesehen, dass die die
Leuchtmittel abstützende Platine
auf ihrer Kontaktierungsoberfläche
mehrere vorgefertigte Anschlussflecken („Pads") für
die Kontaktierung der Leuchtmittel aufweist. Hierbei können die
mehreren vorgefertigten Anschlussflecken dergestalt angeordnet sein,
dass eine vorbestimmte Anzahl und Anordnung in Abhängigkeit
der gewünschten
Strahlgesamtleistung und -charakteristik mit Leuchtmitteln bestückt ist.
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Dem
Prinzip der Erfindung folgend kann vorgesehen sein, dass der vorbestimmte
Abstand der Linseneinrichtung vor den Leuchtmitteln größer ist, insbesondere
wesentlich größer ist
als die maximale Seitenfläche
der von den Leuchtmitteln eingenommenen Fläche.
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Bei
allen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Leuchtmittel Luminiszenzdioden,
insbesondere Hochleistungsluminiszenzdioden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der zeichnerischen
Darstellung eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Schnittansicht der erfindungsgemäßen Signal
leuchte;
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2 eine
schematische Daraufsicht der Platine mit den darauf befindlichen
Leuchtmitteln nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 die
horizontale Lichtverteilung des Hauptfadens nach dem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 die
horizontale Lichtverteilung des Nebenfadens nach dem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
schematische Daraufsicht der Platine mit den darauf befindlichen
Leuchtmitteln nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 die
horizontale Lichtverteilung des Hauptfadens nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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7 die
horizontale Lichtverteilung des Nebenfadens nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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8 eine
schematische Daraufsicht der Platine mit den darauf befindlichen
Leuchtmitteln nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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9 die
horizontale Lichtverteilung des Hauptfadens nach dem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung; und
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10 die
horizontale Lichtverteilung des Nebenfadens nach dem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Im
folgenden wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, in welchen gleiche
Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile in den verschiedenen
Ansichten, insbesondere in den verschiedenen Figuren bezeichnen.
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Die
Figuren zeigen eine in einem Gehäuse 7 untergebrachte
Signalleuchte 1 mit einem auf einem Boden 4 des
Gehäuses 7 befestigten
Grundträger 2 und
mit einer Anzahl von m = h + n elektrischen Leuchtmitteln 3,
die zusammen eine quasizentrale Lichtquelle bilden, wobei die Leuchtmittel 3 auf
dem Grundträger 2 in
einer Ebene 5 mit einem geringen Abstand voneinander derart
angeordnet sind, dass die von den Leuchtmitteln 3 eingenommene
Fläche eine
maximale Seitenlänge
s aufweist. Die Leuchtmittel 3 sind allesamt Luminiszenzdioden,
insbesondere Hochleistungsluminiszenzdioden. Die Signalleuchte 1 weist
eine Linseneinrichtung 6 auf, die in einem vorbestimmten
Abstand b vor den mehreren Leuchtmitteln 3 angeordnet ist,
wobei der vorbestimmte Abstand b größer ist, insbesondere wesentlich
größer ist
als die maximale Seitenfläche
s. Die Signalleuchte 1 nach allen Ausführungsbeispielen ist allseitig
geschlossen und besitzt ein Gehäuse 7,
welches die Linseneinrichtung 6, den Grundträger 2,
sowie ein Seitenwandteil 8 umfasst. Das Gehäuse 7 kann
von mindestens einer Seite geöffnet
werden, was über
(nicht näher
dargestellte) Verschraubungen geschehen kann (eine Verklebung der
Gehäusebestandteile
ist somit nicht erforderlich). Das Seitenwandteil 8 besteht
aus einem lichtabsorbierenden, z. B. schwarz eingefärbtem Material.
Eine zur Ansteuerung und Leistungsversorgung der Leuchtmittel 3 dienende
elektrische Schaltung 9 ist auf einer weiteren Platine 10a angeordnet,
wobei die Platinen 10 bzw. 10a über eine
Zwischenlage aus einem geeigneten Wärmeleitmaterial mit einem (nicht
näher dargestellten)
Kühlelement
zur Abführung
der beim Betrieb der Signalleuchte 1 entstehenden Abwärme gekoppelt
sein kann. Das Kühlelement
kann hierbei durch einen mehrere Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper ausgebildet
sein, oder auch durch ein Wärmespeicherelement
oder anderes passives Kühlelement ausgebildet
sein. Darüber
hinaus sind auch andere, insbesondere aktive Kühlelemente denkbar, z. B. solche
mit Peltierelementen. Die Linseneinrichtung 6 ist von Vorteil
eine einstückig
gefertigte Kombinationslinse mit einer Vielzahl von Einzellinsen
mit jeweils unterschiedlichen Abstrahl- bzw. Beugungscharakteristiken.
Eine solche Kombinationslinse 6 vereinigt und kombiniert
die optischen Eigenschaften einer Sammellinse, einer Fresnellinse,
und einer Mehrfachblenden- oder Antireflexionsstruktur in einem einzigen
optischen Bauelement, und hat eine der Lichtquelle 3 zugewandte
Oberfläche 11 mit
einer Innenstruktur, und eine der Lichtquelle abgewandte, gewölbte, nicht
weiter strukturierte Oberfläche 12. Die
je nach gefordertem Abstrahlverhalten definierte Wölbung bzw.
Krümmung
der beispielsweise konkaven oder konvexen Oberflächenabschnitte formt das Licht
so, dass es möglichst
nahe an das gewünschte Abstrahlverhalten
angepasst werden kann. Dadurch wird zum einen wenig Licht verschwendet,
was einer hohen Effizienz entspricht. Auf diese Weise ist es ebenso
möglich,
bereits zahlenmäßig weniger Leuchtmittel
(LEDs) einzusetzen und auch „verschiedenfarbige" Leuchtmittel (LEDs)
zu mischen bzw. zu kombinieren, ohne dass wie bei den bisherigen
Einfach- oder Doppellinsensystemen die Leuchtmittel bzw. LEDs in
ihrer Anzahl und die Farbschwankungen auffallen. Weiterhin kann
die Geometrie der Linseninnenstruktur so geformt sein, dass möglichst
wenig Licht nach aussen in nicht gewünschte Richtungen abgestrahlt
(d. h. verschwendet) wird.
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Eine
Besonderheit der erfindungsgemäßen Signalleuchte
besteht darin, dass zum einen die Anzahl, die Position und der Abstand
der Leuchtmittel 3 auf der Platine 10 variabel
anordenbar ist, und zum anderen die Lage der Platine 10 auf
dem Grundträger 2 innerhalb
vorgegebener Positioniermöglichkeiten eingestellt
werden kann, damit das Abstrahlverhalten der Signalleuchte 1 optimiert
werden kann. Zu diesem Zweck besitzt die Platine 10 auf
ihrer Kontaktierungsoberfläche
mehrere vorgefertigte Anschlussflecken („Pads") 13 für die Kontaktierung der Leuchtmittel
bzw. LEDs 3. Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen
(vgl. 2, 5 und 8) sind
sieben solcher Pads 13 vorgesehen, die in vorbestimmter Anordnung
in Abhängigkeit
der gewünschten
Strahlgesamtleistung und -charakteristik mit den Leuchtmitteln 3 bestückt werden.
Ein erster Teil der Leuchtmittel 3 ist mit einer Anzahl
von h zu einer ersten Gruppe, nämlich
der Hauptgruppe HF („Hauptfaden") geschaltet, und
ein zweiter, verbleibender Teil der Leuchtmittel 3 ist
mit einer Anzahl von n zu einer zweiten Gruppe, nämlich der
Nebengruppe NF („Nebenfaden") geschaltet. Die
einzelnen Leuchtmittel 3 jeder Gruppe HF und NF sind dergestalt
räumlich
angeordnet, dass beide Gruppen unabhängig voneinander als quasizentrale
Lichtquelle arbeiten. Die Gesamtanzahl m ist bei allen Ausführungsbeispielen
ungeradzahlig, und die betragsmäße Differenz
ist h – n =
0 oder 1. Die Anzahl m der elektrischen Leuchtmittel 3 kann
darüber
hinaus insbesondere auch m = 5 oder m = 9 sein.
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Bei
dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist die Anzahl n der Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF
gleich drei, wobei die drei Leuchtmittel 3 der Nebengruppe
NF an den drei Ecken eines gleichseitigen Dreieckes angeordnet sind.
Die vier Leuchtmittel 3 der Hauptgruppe HF sind um die
Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF herum verteilt derart
angeordnet, dass sich insgesamt nur ein sehr geringer Unterschied
zwischen der horizontalen Lichtverteilung des von der Hauptgruppe
HF allein abgestrahlten Lichtes zu der von der Nebengruppe NF allein
abgestrahlten Lichtes ergibt. Sowohl das von der Hauptgruppe HF
alleine abgestrahlte Licht, als auch das von der Nebengruppe NF alleine
abgestrahlte Licht besitzt eine hohe axiale Lichtintensität und eine
innerhalb vorgegebener Grenzen vorbestimmte Winkelverteilung. In
den 3 und 4 ist die gemessene horizontale
Lichtverteilung aufgezeichnet, und zwar ist in der x-Achse der horizontale
Winkel in Grad(°),
und in der y-Achse die gemessene Lichtstärke in Candela (cd) aufgetragen. 3 zeigt
die horizontale Lichtverteilung der Hauptgruppe HF, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Hauptgruppe HF, während 4 die
horizontale Lichtverteilung der Nebengruppe NF zeigt, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF. Bei der 3 beträgt die maximale
Lichtstärke
285 cd und die Halbwertsbreite ist etwa 35°, während bei der 4 die
maximale Lichtstärke
303 cd beträgt
und die Halbwertsbreite etwa 26° ist.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
liefert die Hauptgruppe HF somit bereits zufriedenstellende Lichtwerte,
wobei bei der Nebengruppe NF die Winkelverteilung in drei Winkeln
verbesserungsfähig
ist.
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Bei
dem in 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist die Anzahl n der Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF
wiederum gleich drei, wobei die drei Leuchtmittel 3 der
Nebengruppe NF an den drei Ecken eines gleichseitigen Dreieckes angeordnet
sind, wobei gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
die gegenseite Lage von Hauptgruppe HF und Nebengruppe NF vertauscht
ist. In den 6 und 7 ist die
gemessene horizontale Lichtverteilung aufgezeichnet, und zwar ist
wiederum in der x-Achse der horizontale Winkel in Grad(°), und in
der y-Achse die gemessene Lichtstärke in Candela (cd) aufgetragen. 6 zeigt
die horizontale Lichtverteilung der Hauptgruppe HF, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Hauptgruppe HF, während 7 die
horizontale Lichtverteilung der Nebengruppe NF zeigt, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF. Bei der 6 beträgt die maximale
Lichtstärke
362 cd und die Halbwertsbreite ist etwa 37°, während bei der 7 die
maximale Lichtstärke
216 cd beträgt
und die Halbwertsbreite etwa 22° ist.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist sowohl im Hauptgruppenbetrieb HF, als auch im Nebengruppenbetrieb
NF sowohl im Hinblick auf die Winkelverteilung als auch im Hinblick
auf die axiale Lichtintensität
gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel ungünstiger.
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Bei
dem in 8 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist die Anzahl n der Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF
gleich drei, wobei die drei Leuchtmittel 3 der Nebengruppe
NF auf einer Linie angeordnet sind. Die vier Leuchtmittel 3 der
Hauptgruppe HF sind um die Leuchtmittel 3 der Nebengruppe
NF herum verteilt derart angeordnet, dass sich insgesamt nur ein
sehr geringer Unterschied zwischen der horizontalen Lichtverteilung
des von der Hauptgruppe HF allein abgestrahlten Lichtes zu der von
der Nebengruppe NF allein abgestrahlten Lichtes ergibt. Sowohl das
von der Hauptgruppe HF alleine abgestrahlte Licht, als auch das
von der Nebengruppe NF alleine abgestrahlte Licht besitzt eine hohe
axiale Lichtintensität
und eine innerhalb vorgegebener Grenzen vorbestimmte Winkelverteilung.
In den 9 und 10 ist die gemessene horizontale Lichtverteilung
aufgezeichnet, und zwar ist in der x-Achse der horizontale Winkel
in Grad(°),
und in der y-Achse die gemessene Lichtstärke in Candela (cd) aufgetragen. 9 zeigt
die horizontale Lichtverteilung der Hauptgruppe HF, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Hauptgruppe HF, während 10 die
horizontale Lichtverteilung der Nebengruppe NF zeigt, d. h. es strahlen
nur die Leuchtmittel 3 der Nebengruppe NF. Bei der 9 beträgt die maximale Lichtstärke 319
cd und die Halbwertsbreite ist etwa 36°, während bei der 10 die
maximale Lichtstärke
265 cd beträgt
und die Halbwertsbreite etwa 24° ist.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel
liefert die Hauptgruppe HF sehr gute Lichtwerte, d. h. Es gibt eine
hohe axiale Intensität
von 318 cd sowie eine einwandfreie Winkelverteilung. Gleichzeitig
ist die Nebengruppe NF mit einer Lichtintensität von 264 cd ausreichend hell
und die Winkelverteilung, bis auf einen einzigen knappen Winkelbereich,
vorbildlich erfüllt.
Als Manko bei diesem dritten Ausführungsbeispiel erscheint lediglich
die geringfügige
Asymmetrie in der Lichtverteilung, welche jedoch durch die Anordnung
der Leuchtmittel 3 unabdingbar ist. Insgesamt ist das dritte
Ausführungsbeispiel
am besten.