-
Die
Erfindung betrifft einen Signalgeber für ein LSD-Lichtsignal
mit einem Schaltungsteil zur Anpassung einer Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie
des LED-Lichtsignals an eine Kennlinie eines Glühlampen-Lichtsignals,
wobei eine Last in Abhängigkeit von der Betriebsspannung
ansteuerbar ist.
-
Lichtsignale
oder Leuchtzeichen auf der Basis von LEDs-lichtemittierende Dioden – anstelle
von Glühlampen werden in vielen Bereichen, insbesondere
in der Signaltechnik zunehmend angewendet. LEDs sind vergleichsweise
preiswert, langlebig und lichtstark. Schwierig ist der Einsatz von
LEDs jedoch dort, wo ohne Änderungen einer vorhandenen Überwachungseinrichtung
die Glühlampen durch LEDs ersetzt werden sollen. Besonders
gilt dieses für Lichtsignalschaltungen der Eisenbahn, bei
welchen die ordnungsgemäße Funktion in der Regel
durch eine signaltechnisch sichere Strommessung mittels eines stellwerkseitigen
Stellteiles überwacht wird. Um diese Überwachungseinrichtung
ohne Änderung weiter verwenden zu können, muss
die Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie des LED-Lichtsignals
annähernd an die des Glühlampen-Lichtsignals angepasst
werden. Um Schnittstellenkompatibilität zu erreichen, ist
daher der zusätzliche Schaltungsteil in dem Signalgeber
erforderlich. Dieser Schaltungsteil ermöglicht die Kennlinienanpassung, indem
die Differenz zwischen der Stromaufnahme der leuchtenden LEDs und
der ersetzten Glühlampe durch eine entsprechende elektrische
Leistungsaufnahme ausgeglichen wird.
-
Eine
weitere Besonderheit bei Eisenbahn-Lichtsignalen ist die Signalisierung
außerhalb von Tunneln oder Umgebungsbedingun gen mit annähernd
konstanten Lichtverhältnissen. Hier ist schaltungstechnisch
eine Absenkung der Lichtleistung, d. h. der Betriebsspannung, für
den Nachtbetrieb gegenüber dem Tagbetrieb zu realisieren.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer möglichst genauen
Kennlinienanpassung nicht nur punktuell, sondern über weite
Bereiche der Betriebsspannung.
-
Aus
der
EP 1 232 654 A1 ist
eine adaptive Kennlinienanpassung für LED-Signalgeber bekannt, bei
der gemäß
1 aus der
Betriebsspannung eine Steuerspannung abgeleitet wird. Bei dieser
für Wechselspannungsbetrieb konzipierten Schaltung ist
eine Gleichrichterbrücke GR parallel mit einer Steuerschaltung
1 für
eine Last
2, bestehend aus Transistoren T1, T2 sowie Lastwiderständen
RL1, RL2 und Stromrichtungsdioden D1 und D2, verbunden. Die Steuerschaltung
1 erzeugt
aus der Betriebsspannung eine Steuerspannung, welche den mittleren Stromfluss
durch die Transistoren T1 und T2 einstellt. Die auf diese Weise
erreichbare Kennlinienanpassung ist relativ ungenau. Der Laststrom,
der sich hauptsächlich durch die Transistoren T1 und T2
ergibt, ist bei sinusförmiger Betriebsspannung nicht sinusförmig,
wodurch der gewünschte rein ohmsche Charakter der zu simulierenden
Glühlampe nicht exakt nachgebildet werden kann. Erschwerend
kommt hinzu, dass der Wert des nicht sinusförmigen Laststromes
von dem Messverfahren in der glühlampenspezifischen Überwachungseinrichtung
des stellwerkseitigen Stellteiles abhängig ist. In der
Praxis werden durchaus unterschiedliche Strommessverfahren eingesetzt,
so dass erhebliche Mess- und Interpretationsunsicherheiten resultieren.
Infolgedessen ist die Auslegung und Verifizierung dieser bekannten
Schaltungsanordnung zur Kennlinienanpassung problematisch.
-
Denkbar
ist auch, anstelle der Transistorkombination gemäß 1 einen
pulsweitenmodulierten elektronischen Schalter 3 gemäß 2 zu verwenden.
Die Schaltung umfasst neben einer Spannungsversorgung 4 eine
Betriebsspannungsmessung 5, wobei aus der Betriebsspannung
mittels eines Algorithmus 6 eine Pulsweitenmodulation – PWM – erzeugt
wird, welche den elektronischen Schalter 3 zur Bestromung
eines Lastwiderstandes 7 ansteuert. Mit einer sinusförmigen
Variation des Puls/Pausenverhältnisses der PWM über
die Sinushalbwellen kann auch ein annähernd ohmscher Strom/Spannungsverlauf
simuliert werden. Nachteilig ist jedoch, dass durch die steilen
Schaltflanken der PWM hochfrequente Störungen auf der Versorgungsleitung
entstehen, welche Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen
Verträglichkeit – EMV – erzeugen, die
wiederum nur durch aufwändige Netzfilter 8 beherrschbar
sind. Die Gesamtschaltung ist infolgedessen hinsichtlich Auslegung
und Realisierung sehr komplex.
-
Bei
einer weiteren Abwandlung des aus der oben genannten
EP 1 233 654 B1 bekannten
und in
1 dargestellten Grundprinzips dient als elektronisch
steuerbare Last gemäß
3 die D-S-Strecke eines
Leistungs-MOSFETs
9. Der D-S-Widerstand, der die gewünschte
Verlustleistung
10 zur Kennlinienanpassung bewirken soll,
ist von der G-S-Spannung, aber auch von der D-S-Spannung abhängig. Dadurch
entsteht ein nichtlinearer, nicht rein ohmscher Zusammenhang, der
schaltungstechnisch aufwändig kompensiert werden muss.
Darüber hinaus ist der D-S-Widerstand auch stark von der
Temperatur und vom Exemplar des Leistungs-MOSFETs
9 abhängig.
Das erhöht wiederum die Komplexität einer MOSFET-Ansteuerschaltung
11,
um eine rein ohmsche Last vorzutäuschen. Über
eine Rückkopplung
12 muss der gewünschte
Strom überwacht werden, um die Gate-Spannung laufend nachführen
zu können. Letztlich erfordert die MOSFET-Variante für
den Einsatz zur Kennlinienanpassung, insbesondere bei Wechselspannung,
einen unpraktikabel großen schaltungstechnischen Aufwand.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen
und einen Signalgeber der gattungsgemäßen Art
anzugeben, der auf einfache Weise eine Kennlinienanpassung bedarfsgemäßer
Genauigkeit ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass als Last ein Widerstandsnetzwerk
mit elektronisch schaltbaren Widerständen vorgesehen ist.
Durch die Verwendung elektronisch schaltbarer Widerstände
wird im Gegensatz zu der bekannten Transistorvariante und deren
Abwandlungen mittels PWM oder MOSFET ein rein ohmscher Lastcharakter
erzeugt. Für Widerstände besteht ein streng linearer
Zusammenhang zwischen Strom und Spannung gemäß dem
ohmschen Gesetzt I = U/R. Signalverzerrungen im Nulldurchgang des
Laststromes oder Oberwellen treten nicht auf. Die Ansteuerung der
Widerstände mittels elektronischer Schalter ermöglicht durch
betriebsspannungsabhängiges Zu- oder Abschalten von Widerständen
auf einfache Weise eine Realisierung der gewünschten Last
zur Kennlinienanpassung.
-
Eine
kontinuierliche Einstellung des gewünschten Lastwiderstandes
ist bei Widerstandsnetzwerken zwar nicht möglich, aber
auch nicht unbedingt notwendig. Innerhalb akzeptabler Toleranzgrenzen
genügen wenige geschaltete Widerstände, so dass
letztlich eine aufwandsgünstige Realisierung möglich
ist. Vorteilhaft ist weiterhin das zu erwartende langzeitstabile
Verhalten auch bei erheblichen Temperaturschwankungen.
-
Gemäß Anspruch
2 ist vorgesehen, dass die elektronischen Schalter des Widerstandsnetzwerkes betriebsspannungsabhängig
mittels eines Mikrocontrollers ansteuerbar sind. Damit ist es leicht
möglich, je nach gemessener Betriebsspannung ein be stimmtes
Bitmuster für die Ansteuerung der elektronischen Schalter
zu erzeugen.
-
Das
Widerstandsnetzwerk kann gemäß Anspruch 3 zusätzlich
mit mindestens einem Öffner-Kontakt zur Nachbildung eines
Einschaltstromstoßes des Glühlampen-Lichtsignals
ausgestattet sein. Der Öffner-Kontakt ist vorzugsweise
im Grundzustand, d. h. bei dunklem Signal, geschlossen. Nach Zuschalten
der Betriebsspannung wird der Öffner-Kontakt nach einer
festgelegten Zeit geöffnet. Dadurch ergibt sich kurz nach
dem Zuschalten der Betriebsspannung kurzzeitig ein zusätzlicher
Stromstoß, der den Stromstoß nachbildet, welcher
bei dem Glühlampen-Lichtsignal aufgrund dessen geringeren Widerstandes
im Kaltzustand entsteht. Da der Einschaltstromstoß bei
dem Glühlampen-Lichtsignal von der Höhe der anliegenden
Spannung und aufgrund der Erwärmung des Glühfadens,
der zu einer Erhöhung des Widerstandes führt,
auch von der Zeit abhängig ist, kann die Genauigkeit der
Nachbildung durch die Verwendung mehrerer Öffner-Kontakte,
die entsprechend dieser Anfangsbedingungen angesteuert werden, verbessert
werden.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher
erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
bekannte Schaltungsanordnung zur Anpassung einer Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Kennlinie
eines LED-Lichtsignals,
-
2 eine
erste Abwandlung der Kennlinienanpassung gemäß 1 in
schematisierter Darstellung,
-
3 eine
zweite Abwandlung der Kennlinienanpassung gemäß 1 in
schematisierter Darstellung,
-
4 eine
erfindungsgemäße Kennlinienanpassung in der Darstellungsweise
der 2 und 3,
-
5 ein
Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Diagramm und
-
6 vier
Varianten eines Widerstandsnetzwerkes.
-
Die
oben erläuterte bekannte Kennlinienanpassung gemäß 1 und
deren in den 2 und 3 veranschaulichte
Abwandlungen weisen vor allem den Nachteil auf, dass ein rein ohmscher
Lastcharakter nicht oder nur mit ganz erheblichem schaltungstechnischen
Aufwand erreichbar ist.
-
4 zeigt
die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen
Kennlinienanpassung. Anstelle von Transistoren – 1 – oder
PWM 2 – oder MOSFET 3 – wird
ein Widerstandsnetzwerk mit Widerständen R1, R2, R3, die
von elektronischen Schaltern 13.1, 13.2, 13.3 ansteuerbar
sind, verwendet. Die gewünschte Last wird dabei durch betriebsspannungsabhängiges
Zu- oder Abschalten der Widerstände R1, R2, R3 realisiert.
Die schaltungstechnische Anordnung der Widerstände R1,
R2, R3, welche auch unterschiedliche Werte besitzen können,
ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen frei konfigurierbar.
Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter 13.1, 13.2, 13.3 dient
vorzugsweise ein Mikrocontroller 14 oder eine programmierbare
Logik.
-
5 veranschaulicht
ein Signalgeberstrom-Betriebsspannungs-Diagramm, in dem die nachzubildende
Kennlinie 15 einer Glühlampe, die Kennlinie 16 einer
LED-Anordnung und die Kennlinie 17 einer Anpassungsschaltung
nach dem Prinzip der 4 dargestellt sind. Es ist ersichtlich,
dass sich bereits bei lediglich fünf Widerstandsstufen
eine sehr gute Kennlinienanpassung ergibt. Die Stufigkeit der Kennlinie 17 lässt
sich durch die frei wählbare Anzahl der verwendeten Widerstände
R1 bis R7 gemäß 6 im Rahmen
der überwachungsspezifischen Toleranzen halten.
-
Die
LED-Kennlinie 16 ist in einen Nachtbereich < 8 V und einen Tagbereich > 8 V zweigeteilt. Insbesondere
im Nachtbereich besteht ein großer Unterschied zwischen
der Stromaufnahme der Glühlampe und der für das
Leuchten der LEDs nötigen Stromaufnahme. Durch die beanspruchte
Schaltung erzeugt der Signalgeber auch in diesem kritischen Bereich
ein für die externe Überwachung geeignetes Ausgangssignal,
das dem der Glühlampe sehr nahe kommt.
-
Die
Schaltung kann zusätzlich dafür genutzt werden,
den Kaltwiderstand der Signallampe nachzubilden. Dazu ist gemäß 6d ein Öffner-Kontakt 18 vorgesehen,
der bei ausgeschaltetem Signal geschlossen ist. Nach Zuschalten
der Betriebsspannung wird der Öffner-Kontakt 18 nach
einer festgelegten Zeit geöffnet. Der sich ergebende zusätzliche Stromfluss
kurz nach dem Einschalten bildet den zusätzlichen Stromfluss
nach, welcher bei einer Glühlampe aufgrund deren geringeren
Widerstandes im Kaltzustand entsteht. Da der Widerstand des Glühfadens
in Abhängigkeit von der Erwärmung zunimmt, ist
der Einschaltstromstoß der Glühlampe von der Höhe
der anliegenden Spannung und von der Zeit abhängig. Um
diesen Zusammenhang exakt nachzubilden, können auch mehrere
separat angesteuerte Öffner-Kontakte 18 verwendet
werden.
-
Die 6a, 6b und 6c zeigen Widerstandsnetzwerke verschiedener
Komplexität, welche mit der Kaltfadennachbildung gemäß 6d kombiniert werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1232654
A1 [0004]
- - EP 1233654 B1 [0006]