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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verkehrssignalanlage, insbesondere auf eine Lichtsignalanlage mit Signalgebern und einer Steuereinrichtung zum Steuern von Leuchten in den Signalgebern.
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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.
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Hierbei werden beispielsweise die sich an einem Knotenpunkt eines Straßennetzes kreuzenden moglicherweise konkurrierenden Verkehrsströme durch eine Vielzahl von Signalgebern gesteuert. Dabei konnen die Signalgeber an ein Steuergerat angeschlossen sein, das ein darin gespeichertes Steuerprogramm ausfuhrt.
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Als Leuchtmittel in einem Signalgeber kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Es konnen beispielsweise (nachstehend als LED bezeichnete) Lumineszenzdioden verwendet werden. Diese bieten den Vorteil, dass sie beispielsweise gegenuber Gluhlampen eine sehr lange Lebensdauer aufweisen und eine geringe Einbaugroße aufweisen, so dass die Große des Gesamtsystems nicht wesentlich durch die Größe des gewählten Leuchtmittels beeinflusst wird.
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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.
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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.
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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 konnen.
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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 konnen auch mehrere Kombinationen von LED-Ketten und Stromregelungen parallel in einer LED-Leuchte betrieben werden.
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Schaltungen zur Ansteuerung von mehreren LED-Leuchten, die getrennt ein- und ausgeschaltet werden können, arbeiten derzeit so, dass sie eine Versorgungsspannung bereitstellen, die uber elektromechanische Schaltelemente wie z. B. Relais oder aber elektronische Schalter wie Triac- oder Mosfet-Schalter diese Spannung auf Ausgange schalten, an denen dann eine oder mehrere der LED-Leuchten angeschlossen sind. Diese mussen 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.
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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.
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Jedes hintereinander geschaltete Netzteil verschlechtert uber seinen Wirkungsgrad den Gesamt-Wirkungsgrad der Schaltung und trägt damit zur Energieverschwendung bei.
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Weiterhin verursacht jedes Netzteil mit seinen Bauteilen eine Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder anders gesagt eine Verringerung der Zuverlässigkeit, und verursacht Kosten und Platzbedarf.
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Jedes getaktete Netzteil erzeugt elektromagnetische Storungen und trägt so zum so genannten „Elektrosmog” bei. Für das konkrete System bedeutet das gegebenenfalls einen erhohten Bauteil- und damit Kostenaufwand für die Ausfilterung dieser Storsignale.
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Alle nicht getakteten Netzteile tragen durch einen schlechteren Wirkungsgrad zu einem höheren Energieverbrauch bei.
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In Lichtsignalanlagen ist eine sichere Überwachung der Lichtsignale bezüglich des Leuchtzustandes erforderlich. So muss der Ausfall eines Rotsignals sicher erkannt werden. Da dies ublicherweise 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.
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Ferner zeigen die Druckschriften
US 2006/0152175 A1 ,
EP 0 955 619 A1 und
US 2007/0108843 A1 Steuerungsanordnungen zum Schalten von Leuchten, die Ober eine gemeinsame Energiequelle gespeist werden. Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 198 41 490 A1 eine Schutzeinrichtung, die als Stromsensor realisiert ist. Insbesondere zeigt jede dieser Druckschriften einen Signalgeber für eine Lichtsignalanlage, mit einer Mehrzahl von Leuchten, die jeweils aus einem oder mehreren Leuchtelementen bestehen, die in Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Mehrzahl von Leuchten. Die Steuereinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen und ein Steuerelement zum Betätigen der Schaltelemente, wobei jede Leuchte einem Schaltelement parallelgeschaltet ist, ein Versorgungsstrom über die in Reihe geschalteten Schaltelemente geführt wird, und ein einer zu steuernden Leuchte parallel geschaltetes Schaltelement betätigt wird.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verkehrssignalanlage eine Mehrzahl von Signalgebern bestehend aus einer 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, eine Stromquelle zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms zur Speisung der Leuchten, wobei der Strom aus einer Eingangsspannung erzeugt wird, und eine Steuereinrichtung mit einer Mehrzahl von Schaltelementen und einem Steuerelement zum Betätigen der Schaltelemente, wobei jede Leuchte einem Schaltelement parallel zu Schalten ist, ein Versorgungsstrom über die in Reihe geschalteten Schaltelemente geführt wird und ein einer zu steuernden Leuchte parallel geschaltetes Schaltelement betätigt wird, und wobei das Steuerelement ein Steuersignal zum Steuern des Versorgungsstroms ausgibt und den Versorgungsstrom abschaltet, wenn alle Schaltelemente geschlossen sind, wobei die Steuereinrichtung weiterhin eine Überwachungseinrichtung aufweist, mit einem Stromsensor, der in Reihe zu den in Reihe geschalteten Schaltelementen angeordnet ist, wobei ein Ausgangssignal des Stromsensors an das Steuerelement ausgegeben wird, und einer Mehrzahl von Spannungssensoren, wobei jeweils einer der Mehrzahl von Spannungssensoren an jeweils einer der Mehrzahl von Leuchten bereitgestellt ist, um die Spannung an der jeweiligen Leuchte über die Differenz zweier Spannungsmessungen zu erfassen, wobei die Überwachungseinrichtung basierend auf den durch die Spannungssensoren erfassten Spannungen einen Betrieb der zu steuernden Leuchten überwacht und den Versorgungsstrom basierend auf einem Vergleich der Überwachung mit einem vorbestimmten Ablauf anpasst.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung konnen einer oder mehrere der Vorteile erreicht werden:
- – Ersparnis bei den Herstellkosten durch Reduzierung der Netzteilanzahl: da die benotigten LED's in den Leuchten immer weniger und kostengunstiger werden, hat der Preis der Netzteilschaltungen einem immer größeren Anteil n den Kosten des Gesamtsystems.
- – Erhohung der Zuverlassigkeit: 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 Zuverlassigkeit der Systeme erhöht.
- – Die LED-Leuchten konnen 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 entfallt.
- – 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.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher beschrieben.
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1 zeigt ein Schaltbild gemaß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Das in 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel beschrankt sich beispielhaft auf n = 3 Ausgange.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine Steuereinrichtung gemäß dem gegenwartigen Ausfuhrungsbeispiel 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.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Steuerelement U1 über eine Spannungsquelle Q2 gespeist. Weiterhin sind parallel zu den Schaltern S1 ... S3 Leuchten (in dem gegenwartigen Ausfuhrungsbeispiel 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.
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Das Steuerelement D1 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, uber die Daten, wie etwa ein Ablaufprogramm fur die Leuchten, zu senden und zu empfangen.
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Eine Stromquelle Q1 erzeugt aus einer Eingangsspannung, bevorzugt der Netzspannung einen Strom (Versorgungsstrom) zur Speisung von LED-Leuchten L1 ... Ln.
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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 fur 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 konnen.
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Optional konnen 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.
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Parallel zu jeder LED-Leuchte geschaltete Schaltelemente bzw. Schalter S1 ... Sn konnen 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 konnen elektromechanische Schalter oder aber vorzugsweise elektronische Halbleiterschalter in Form von Mosfet- oder Bipolar-Transistoren sein.
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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 konnen.
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Sofern die Ansteuerschaltung auch zur Uberwachung der Schalterfunktion genutzt werden soll, ist jedem Ausgang fur eine LED-Leuchte ein Spannungssensor V1 ... Vn zugeordnet, uber den die Spannung am zugehorigen Ausgang ermittelt werden kann. Beispielhaft können Spannungsteiler mit einem A/D-Wandler diese Aufgabe erfullen. Der AD-Wandler ist vorteilhafterweise Bestandteil der Kontroll-Logik U1.
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Sofern die Ansteuerschaltung auch zur Uberwachung 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.
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Für die Ablaufsteuerung der Ausgangsansteuerung wird ein Steuerelement, in dem gegenwärtigen Ausfuhrungsbeispiel die Kontroll-Logik U1 eingesetzt. Diese hat die Aufgabe, die Schalter S1 ... Sn anzusteuern. Optional kann sie zur Uberwachung die Signale von V1 ... Vn und C1 auswerten.
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Optional kann sie uber 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 Verfugung 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 Lichtstarke vorzunehmen.
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Alternativ kann die Stromregelung mit diesem Signal auch ausgeschaltet werden. Dies kann z. B. die Stromregelung im fehlerhaften und mit der Strommessung detektierten Leerlauf schutzen.
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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.
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Die Kontroll-Logik kann je nach Eingangsspannung aus einem eigenen Netzteil Q2 versorgt werden.
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Optional kann die Kontroll-Logik U1 uber ein Kommunikationsinterface II 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.
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Im Eingangsteil können optional, je nach Art der Eingangsspannug, ein Gleichrichter G11 und verschiedene Filter F1 und F2 eingebracht sein, um externe Störungen aus der Ansteuerschaltung und die Schaltstörungen von der Zuleitung fernzuhalten.
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Eine weitere Option ist die Integration von Opto-Sensoren in die LSD-Leuchten L1 ... Ln and Kopplung dieser mit der Kontroll-Logik U1. Dadurch kann auch optisch die Funktion der Leuchten überwacht werden.
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Dabei werden die LED-Leuchten direkt über einen geregelten Strom anzusteuern. Ermoglicht 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 mussen Leuchten mit unterschiedlichem Strom getrennt voneinander eingeschaltet werden, und über die Moglichkeit des Eingriffs in die Stromregelung für jede Leuchte der passende Strom eingestellt werden.
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Diese Schaltung erubrigt 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 fur jede LED-Leuchte und mindestens 1 fur die Ansteuerschaltung notwendig. Fur 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 Halfte der Netzteile notig, bei 5 LED-Leuchten nur ein Drittel.
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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 eingeschrankt erlaubt.
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Diese Art der Ansteuerschaltung ist besonders geeignet fur den Einsatz in dezentralen Steuerungssystemen, bei denen die zu schaltenden Leuchten entfernt von einer zentralen Steuerungseinrichtung sitzen.
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Durch eine Kommunikationseinrichtung, wie etwa dem Kommunikationsinterface I1 kann ein Datenaustausch mit der zentralen, weit entfernten Steuerungseinrichtung durchgefuhrt werden.
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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.
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Gemaß dem gegenwartigen Ausfuhrungsbeispiel 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 konnen. Uber die Kommunikationseinrichtung I1 konnen beliebige der Mehrzahl von Signalgebern beispielsweise mit einer zentralen Steuerungseinrichtung miteinander kommunizieren, um so einem vorbestimmten Ablauf von Leuchtsequenzen in der Verkehrssignalanlage zu folgen.
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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.
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Die Applikation ist auch nicht auf das Schalten von LED-Leuchten begrenzt. Es konnen genau so gut alle anderen Leuchten oder Verbraucher geschaltet werden, deren Arbeitspunkt durch den Strom bestimmt werden kann. Es konnen also z. B. auch Gluhlampen geschaltet werden.
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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 Betatigen der Schaltelemente auf, wobei jede Leuchte einem Schaltelement parallel zu Schalten ist, wobei ein Versorgungsstrom uber die in Reihe geschalteten Schaltelemente geführt wird, und wobei ein einer zu steuernden Leuchte parallel geschaltetes Schaltelement betätigt wird.
