-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Lichtsignalanlage, insbesondere
auf eine Lichtsignalanlage mit Signalgebern und einer Steuereinrichtung
zum Steuern von Leuchten in den Signalgebern.
-
Lichtsignalanlagen
werden eingesetzt, um beispielsweise Informationen, eine Warnung
oder dergleichen durch ein Leuchtsignal oder verschiedene kombinierte
Leuchtsignale mittels Signalgeber 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.
-
Hierbei
werden beispielsweise die sich an einem Knotenpunkt eines Straßennetzes
kreuzenden möglicherweise
konkurrierenden Verkehrsströme durch
eine Vielzahl von Signalgebern gesteuert. Dabei können die
Signalgeber an ein Steuergerät
angeschlossen sein, das ein darin gespeichertes Steuerprogramm ausführt.
-
Als
Leuchtmittel in einem Signalgeber 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.
-
Die
Entwicklung der LED hat in den letzten 10 Jahren einen deutlichen
Anstieg bei den erzielbaren Lichtleistungen pro Bauteil und bei
der Effizienz erfahren. Dadurch dringen LED seit einigen Jahren zunehmend
in alle Bereiche der Beleuchtungstechnik vor, sei es in der allgemeinen
Beleuchtungstechnik, in der Werbetechnik, Automobilscheinwerfern
oder Signal von Lichtsignalanlagen in Straßen- und Bahnverkehrstechnik.
Eine LED als Bauteil erfordert eine Ansteuerung mittels eines geregelten
Stromes. Bisher sind folgende Lösungen
zum Ansteuern von LED's
bekannt.
-
Einzelne
LED's oder eine
Reihenschaltung von LED's
werden durch eine Stromregelung angesteuert. Dabei kann der Strom entweder über einen Widerstand
aus einer Spannungsquelle, eine Stromquelle mit Linearregelung oder
eine getaktete Stromquelle erzeugt werden. Diese LED oder Reihenschaltungen
von LED's werden
immer gemeinsam ein- oder
ausgeschaltet.
-
Solche
Einzel-LED's oder
Reihenschaltungen können
mit der Stromregelung und weiteren Bauteilen zu Komponenten zusammengefasst
werden, die eigenständig
als LED-Leuchte oder -Signalgeber an einer Spannungsquelle betrieben
werden können.
-
Falls
eine höhere
Anzahl von LED's
erforderlich ist, oder besondere Anforderungen an die Lebensdauer
gestellt werden, die eine Redundanz der LED's erfordern, dann können auch mehrere Kombinationen
von LED-Ketten und Stromregelungen parallel in einer LED-Leuchte
betrieben werden.
-
Schaltungen
zur Ansteuerung von mehreren LED-Leuchten, die getrennt ein- und
ausgeschaltet werden können,
arbeiten derzeit so, dass sie eine Versorgungsspannung bereitstellen,
die über
elektromechanische Schaltelemente wie z. B. Relais oder aber elektronische
Schalter wie Triac- oder
Mosfet-Schalter diese Spannung auf Ausgänge schalten, an denen dann
eine oder mehrere der LED-Leuchten angeschlossen sind. Diese müssen aufgrund
der Spannungsansteuerung ihre eigenen Stromregelungen beinhalten.
Die bereitgestellte Versorgungsspannung kann entweder direkt der
Netzspannung entnommen sein, oder selbst eine transformierte oder geregelte
Spannung sein, die also ein zusätzliches Netzteil
erforderlich macht. Derartige Ansteuerschaltungen kommen z. B. in
Straßenverkehrs-Lichtsignalanlagen
als so genannte Schalterkarten zur Ansteuerung der Lichtsignale
zum Einsatz.
-
Der
bisherige Stand der Technik erfordert also in allen LED-Leuchten
eigene, gegebenenfalls mehrere Stromregelungen (= Netzteile) und
dazu gegebenenfalls noch ein weiteres Netzteil in der Ansteuereinrichtung
für die
Erzeugung der Zwischenspannung und eines für die Versorgung der Ansteuerschaltung.
Das hat folgende Nachteile.
-
Jedes
hintereinander geschaltete Netzteil verschlechtert über seinen
Wirkungsgrad den Gesamt-Wirkungsgrad der Schaltung und trägt damit zur
Energieverschwendung bei.
-
Weiterhin
verursacht jedes Netzteil mit seinen Bauteilen eine Erhöhung der
Ausfallwahrscheinlichkeit oder anders gesagt eine Verringerung der
Zuverlässigkeit,
und verursacht Kosten und Platzbedarf.
-
Jedes
getaktete Netzteil erzeugt elektromagnetische Störungen und trägt so zum
so genannten „Elektrosmog" bei. Für das konkrete
System bedeutet das gegebenenfalls einen erhöhten Bauteil- und damit Kostenaufwand
für die
Ausfilterung dieser Störsignale.
-
Alle
nicht getakteten Netzteile tragen durch einen schlechteren Wirkungsgrad
zu einem höheren Energieverbrauch
bei.
-
In
Lichtsignalanlagen ist eine sichere Überwachung der Lichtsignale
bezüglich
des Leuchtzustandes erforderlich. So muss der Ausfall eines Rotsignals
sicher erkannt werden. Da dies üblicherweise am
Stromfluss durch die Lichtquelle detektiert wird, muss jede zwischengeschaltete
Elektronik, also auch die Stromregelung, besonderen Anforderungen
genügen.
Das erfordert komplexe Sicherheitsbetrachtungen und gegebenenfalls
den Einsatz besonderer, teurer Bauteile, um den Nachweis der Sicherheit
führen
zu können.
-
Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung
zum Steuern von Leuchten in Signalgebern einer Lichtsignalanlage
zu schaffen, die die vorstehenden Nachteile des Standes der Technik
bewältigt.
Daher stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Steuereinrichtung
zum Steuern einer Mehrzahl von Leuchten, einen verbesserten Signalgeber
und eine verbesserte Lichtsignalanlage bereit.
-
Diese
Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen
gelöst.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuereinrichtung zum
Steuern einer Mehrzahl von Leuchten bereitgestellt, mit einer Mehrzahl
von Schaltelementen und einem Steuerelement zum Betätigen der
Schaltelemente, wobei jede Leuchte einem Schaltelement parallel
zu Schalten ist, wobei ein Versorgungsstrom über die in Reihe geschalteten
Schaltelemente geführt
wird, und wobei ein einer zu steuernden Leuchte parallel geschaltetes
Schaltelement betätigt
wird.
-
Die
Steuereinrichtung kann einen Stromsensor umfassen, der in Reihe
zu den in Reihe geschalteten Schaltelementen angeordnet ist, wobei
ein Ausgangssignal des Stromsensors an das Steuerelement ausgegeben
wird.
-
Ebenso
kann die Steuereinrichtung eine Mehrzahl von Spannungssensoren umfassen,
wobei jeweils einer der Mehrzahl von Spannungssensoren an jeweils
einer der Mehrzahl von Leuchten bereitgestellt ist, um die Spannung
an der jeweiligen Leuchte zu erfassen.
-
Weiterhin
kann das Steuerelement eine Überwachungseinrichtung
umfassen, um basierend auf den durch die Spannungssensoren erfassten Spannungen
einen Betrieb der zu steuernden Leuchten zu überwachen Für den Einsatz in sicherheitsrelevanten
Anwendungen wie z. B. Straßenverkehrs-Lichtsignalanlagen
muss sichergestellt werden, dass der Ausfall eines Rotsignals oder
das ungewollte Einschalten eines Gelb- oder Grünsignals sicher erkannt werden.
Dies ist erfindungsgemäß einfach über die
Spannungssensoren und den Stromsensor möglich, ohne dass zwischen Sensor und
Leuchte Netzteile liegen, die eigene Fehler einbringen können, und
damit eine sichere Messung oder zumindest die Fehlerbetrachtung
im Rahmen eines Sicherheitsnachweises erschweren. Gegebenenfalls
mussten bisher als Resultat einer Sicherheitsbetrachtung eines Netzteils
auch zusätzliche oder
besonders teure Bauteile eingesetzt werden, um Fehler ausschließen zu können.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Signalgeber
für eine
Lichtsignalanlage bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Leuchten,
die jeweils aus einem oder mehreren Leuchtelementen bestehen, die
in Reihe, in einer oder mehreren Parallelschaltung/-en oder einer
oder mehreren kombinierten Serien-/Parallelschaltung/-en angeordnet
sind, und eine Steuereinrichtung umfasst.
-
Gemäß noch einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtsignalanlage
bereitgestellt, die eine Mehrzahl von Signalgebern umfasst, wobei
die Signalgeber über
Kommunikationseinrichtungen miteinander kommunizieren.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen
abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
-
Durch
die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
können
einer oder mehrere der Vorteile erreicht werden:
- – Ersparnis
bei den Herstellkosten durch Reduzierung der Netzteilanzahl: da
die benötigten
LED's in den Leuchten
immer weniger und kostengünstiger
werden, hat der Preis der Netzteilschaltungen einem immer größeren Anteil
n den Kosten des Gesamtsystems.
- – Erhöhung der
Zuverlässigkeit:
weil die Netzteile einen großen
Anteil an der Elektronik des Gesamtsystems haben, wird durch die
Reduzierung der Anzahl der Netzteile die MTBF („mean time between failure") deutlich angehoben
und damit die Zuverlässigkeit
der Systeme erhöht.
- – Die
LED-Leuchten können
kompakter aufgebaut werden, da in der Leuchte kein Platz für ein Netzteil
vorgehalten werden muss.
- – Die
Lebensdauer der LED erhöht
sich, da die zusätzliche
Verlustleistung des Netzteils in der Leuchte entfällt.
- – Der
Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert sich gegenüber den
in Reihe geschalteten Netzteilen bisheriger Systeme. Dies hat Energie- und
damit Kostenreduzierung zur Folge und ist ein Beitrag zum Umweltschutz.
- – Durch
die geringere Netzteil- und damit Bauteileanzahl werden Ressourcen
geschohnt und damit ein weiterer Beitrag für die Umwelt geleistet.
-
Nachstehend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
beschrieben.
-
1 zeigt
ein Schaltbild gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
-
Das
in 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel beschränkt sich
beispielhaft auf n = 3 Ausgänge.
-
Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst eine Steuereinrichtung
gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel
eine Steuerelement, das durch eine Kontroll-Logik U1 ausgebildet
ist. Weiterhin umfasst die Steuereinrichtung mehrere Schaltelemente,
die durch die Schalter S1 .. S3 ausgebildet sind. Die Schalter werden
durch entsprechende Befehle des Steuerelements U1 betätigt.
-
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
das Steuerelement U1 über
eine Spannungsquelle Q2 gespeist. Weiterhin sind parallel zu den Schaltern
S1 .. S3 Leuchten (in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel
LED-Leuchten) L1 .. L3 angeschlossen. Mehrere Spannungssensoren
V1 .. V3 erfassen einen Spannungsabfall über die Leuchten L1 .. L3.
In Reihe zu den Schaltern ist ein Stromsensor C1 angeordnet, der
den fließenden
Strom erfasst, und diesbezügliche
Informationen an das Steuerelement U1 ausgeben kann.
-
Das
Steuerelement U1 umfasst weiterhin einen Ausgang CUR, um eine die
Leuchten speisende Stromquelle Q1, die aus einer Netzteilschaltung
bestehen kann, zu steuern. Ebenso ist an dem Steuerelement U1 eine
Kommunikationseinrichtung I1 angeschlossen, über die Daten, wie etwa ein
Ablaufprogramm für
die Leuchten, zu senden und zu empfangen.
-
Eine
Stromquelle Q1 erzeugt aus einer Eingangsspannung, bevorzugt der
Netzspannung einen Strom (Versorgungsstrom) zur Speisung von LED-Leuchten
L1 .. Ln.
-
Die
anzusteuernden LED-Leuchten L1 .. Ln sind alle in Reihe angeordnet,
und können
daher alle gleichzeitig mit dem Strom aus der Netzteilschaltung angesteuert
werden. Die LED-Leuchten für
ein solches System bestehen nur aus einer oder mehreren LED's, die alle in Reihe,
oder in mehreren Parallelschaltungen oder in Arrayverschaltung (kombinierte Serien-/Parallelschaltung)
angeordnet sein können.
-
Optional
können
die parallelen Zweige noch (nicht gezeigte) Widerstände mit
geringem Wert beinhalten, um die üblichen Probleme einer Parallelschaltung
von LED's aufgrund
der Streuung der Flussspannungen der LED's zu mindern. Optional können noch
Schutzeinrichtungen zum ESD-Schutz der LED's enthalten sein, da aktuelle Hochleistungs-LED's besonders empfindlich
sind. Ebenso kann eine Diode mit hoher Sperrspannung als Schutz gegen
Verpolung der Anschlüsse
in Reihe geschaltet werden.
-
Parallel
zu jeder LED-Leuchte geschaltete Schaltelemente bzw. Schalter S1
.. Sn können
die einzelnen LED-Leuchten einschalten, indem die Schalter öffnen, und
ausschalten, indem die Schalter schließen und damit die parallel
geschalteten LED-Leuchten kurzschließen. Diese Schalter können elektromechanische
Schalter oder aber vorzugsweise elektronische Halbleiterschalter
in Form von Mosfet- oder Bipolar-Transistoren sein.
-
Die
Ansteuerschaltung entspricht einer Steuereinrichtung, die neben
den Schaltelementen zusätzlich
eine Überwachungseinrichtung
zum Überwachen
beispielsweise eines Betriebes der Leuchten beinhaltet, die an die
Steuereinrichtung angeschlossen werden können.
-
Sofern
die Ansteuerschaltung auch zur Überwachung
der Schalterfunktion genutzt werden soll, ist jedem Ausgang für eine LED-Leuchte
ein Spannungssensor V1 .. Vn zugeordnet, über den die Spannung am zugehörigen Ausgang
ermittelt werden kann. Beispielhaft können Spannungsteiler mit einem
A/D-Wandler diese Aufgabe erfüllen.
Der AD-Wandler ist vorteilhafterweise Bestandteil der Kontroll-Logik
U1.
-
Sofern
die Ansteuerschaltung auch zur Überwachung
des Stromfluss durch die Leuchten genutzt werden soll, kann ein
Stromsensor C1 in Reihe zu den Schaltern S1 .. Sn und LED-Leuchten L1 .. Ln angeordnet
werden. Beispielhaft kann ein einfacher Messwiderstand mit einem
A/D-Wandler (s. o.) diese Aufgabe erfüllen.
-
Für die Ablaufsteuerung
der Ausgangsansteuerung wird ein Steuerelement, in dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel
die Kontroll-Logik U1 eingesetzt. Diese hat die Aufgabe, die Schalter
S1 .. Sn anzusteuern. Optional kann sie zur Überwachung die Signale von
V1 .. Vn und C1 auswerten.
-
Optional
kann sie über
das Signal CUR in die Stromregelung eingreifen. Über diesen Eingriff kann der
Strom der Stromquelle Q1 geregelt werden, um z. B. den LED-Leuchten
L1 .. L3 unterschiedliche Ströme
zur Verfügung
zu stellen (unter der Voraussetzung, dass immer nur ein Signal eingeschaltet
ist). Alternativ kann der Strom jeder LED-Leuchte variiert werden, um eine Anpassung
der Lichtstärke
vorzunehmen.
-
Alternativ
kann die Stromregelung mit diesem Signal auch ausgeschaltet werden.
Dies kann z. B. die Stromregelung im fehlerhaften und mit der Strommessung
detektierten Leerlauf schützen.
-
Eine
weitere Möglichkeit
ist es auch durch Ansteuerung mit einem pulsweitenmodulierten Signal
eine Dimmung zu erreichen. Vorteilhaft wird die Kontroll-Logik,
die das Steuerelement darstellt, durch einen Mikrocontroller ausgebildet.
-
Die
Kontroll-Logik kann je nach Eingangsspannung aus einem eigenen Netzteil
Q2 versorgt werden.
-
Optional
kann die Kontroll-Logik U1 über
ein Kommunikationsinterface I1 mit anderen Teilen eines Sytems kommunizieren,
um z. B. mehrere Ansteuereinrichtungen miteinander koordiniert zu
betreiben, oder aus den Sensorinformationen abgeleitete Daten an
andere Komponenten eines Systems weiterzuleiten.
-
Im
Eingangsteil können
optional, je nach Art der Eingangsspannug, ein Gleichrichter Gl1
und verschiedene Filter F1 und F2 eingebracht sein, um externe Störungen aus
der Ansteuerschaltung und die Schaltstörungen von der Zuleitung fernzuhalten.
-
Eine
weitere Option ist die Integration von Opto-Sensoren in die LED-Leuchten
L1 .. Ln and Kopplung dieser mit der Kontroll-Logik U1. Dadurch kann
auch optisch die Funktion der Leuchten überwacht werden.
-
Dabei
werden die LED-Leuchten direkt über einen
geregelten Strom anzusteuern. Ermöglicht wird das vorteilhaft
durch die Reihenschaltung der LED-Leuchten und die Anordnung von
Schaltern parallel zu jeder Leuchte („Kurzschließen” der Leuchte). Idealerweise
haben alle Leuchten den gleichen Nennstrom. Im anderen Fall müssen Leuchten
mit unterschiedlichem Strom getrennt voneinander eingeschaltet werden,
und über
die Möglichkeit
des Eingriffs in die Stromregelung für jede Leuchte der passende
Strom eingestellt werden.
-
Diese
Schaltung erübrigt
die Notwendigkeit eines individuellen Netzteils für jede LED-Leuchte. Dadurch
kann die Anzahl der Netzteile in der Kombination einer Ansteuerschaltung
und von n LED-Leuchten auf max. 2 reduziert werden. In der bisherigen
Technik ist mindestens 1 für
jede LED-Leuchte und mindestens 1 für die Ansteuerschaltung notwendig.
Für die
Ansteuerschaltung wird in beiden Fällen der Einsatz eines Netzteiles
angenommen. Bereits ab mehr als 2 anzusteuernden LED-Leuchten ist
die Schaltung gemäß Erfindung
im Vorteil. Bei 3 Leuchten ist nur die Hälfte der Netzteile nötig, bei
5 LED-Leuchten nur ein Drittel.
-
Die
Helligkeit der LED's
kann durch die Kontroll-Logik durch Anpassung des kontinuierlichen Stromes
oder durch Ansteuerung mit einem pulsweitenmodulierten Strom geregelt
werden. In bisherigen Steuerungen standen dem zwischengeschalteten Netzteile
entgegen oder haben eine Dimmung nur eingeschränkt erlaubt.
-
Diese
Art der Ansteuerschaltung ist besonders geeignet für den Einsatz
in dezentralen Steuerungssystemen, bei denen die zu schaltenden Leuchten
entfernt von einer zentralen Steuerungseinrichtung sitzen.
-
Durch
eine Kommunikationseinrichtung, wie etwa dem Kommunikationsinterface
I1 kann ein Datenaustausch mit der zentralen, weit entfernten Steuerungseinrichtung
durchgeführt
werden.
-
Die
eigentliche Ansteuerschaltung kann dabei in kurzer Entfernung zu
den Leuchten platziert sein, und steuert diese mit geregeltem Strom
an, was auch noch Helligkeitsschwankungen durch Spannungsabfall
auf den Leitungen zu den Leuchten kompensiert.
-
Gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel
wird die Ansteuerschaltung in einem Signalgeber einer Verkehrssignalanlage
eingesetzt. Die Verkehrssignalanlage kann aus einer Mehrzahl von Lichtsignalen
bestehen, die wiederum jeweils aus einer Mehrzahl von Signalgebern
bestehen können. Über die
Kommunikationseinrichtung I1 können
beliebige der Mehrzahl von Signalgebern beispielsweise mit einer
zentralen Steuerungseinrichtung miteinander kommunizieren, um so
einem vorbestimmten Ablauf von Leuchtsequenzen in der Verkehrssignalanlage
zu folgen.
-
Das
Einsatzgebiet dieser Ansteuerschaltung ist nicht nur auf den Einsatz
in sicherheitsrelevanten Applikationen begrenzt. Sie kann überall da
eingesetzt werden, wo mehrere Leuchten vorteilhaft mit geregeltem
Strom versorgt werden sollen und getrennt geschaltet werden müssen.
-
Die
Applikation ist auch nicht auf das Schalten von LED-Leuchten begrenzt.
Es können
genau so gut alle anderen Leuchten oder Verbraucher geschaltet werden,
deren Arbeitspunkt durch den Strom bestimmt werden kann. Es können also
z. B. auch Glühlampen
geschaltet werden.
-
In
einer Lichtsignalanlage mit Signalgebern und einer Steuereinrichtung
zum Steuern einer Mehrzahl von sich darin befindlichen Leuchten
weist die Steuereinrichtung eine Mehrzahl von Schaltelementen und
ein Steuerelement zum Betätigen
der Schaltelemente auf, wobei jede Leuchte einem Schaltelement parallel
zu Schalten ist, wobei ein Versorgungsstrom über die in Reihe geschalteten
Schaltelemente geführt
wird, und wobei ein einer zu steuernden Leuchte parallel geschaltetes
Schaltelement betätigt wird.