DE10201908C1

DE10201908C1 - Verkehrssignalleuchte mit Leuchtdioden

Info

Publication number: DE10201908C1
Application number: DE10201908A
Authority: DE
Inventors: Fabian Zink
Original assignee: STUEHRENBERG GmbH
Current assignee: STUEHRENBERG GmbH
Priority date: 2002-01-19
Filing date: 2002-01-19
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verkehrssignalleuchte, die eine Schaltplatine in einem Leuchtengehäuse enthält, das von einer strukturierten Streuscheibe abgeschlossen ist, wobei auf der Schaltplatine streuscheibenseitig Leuchtdioden verteilt angeordnet sind, und andererseits der Schaltplatine mindestens ein lichtempfindlicher Sensor angeordnet ist, der Licht der Leuchtdioden durch Durchbrüche in der Schaltplatine empfängt und dessen Sensorsignal einer Bewertungsschaltung zugeführt ist, die jeweils bei einer Bestromung der Leuchtdioden deren Helligkeit auf Überschreiten eines vorgegebenen Mindestmaßes überprüft und bei dessen Unterschreitung eine Störmeldung abgibt, wobei die Durchbrüche jeweils unter einer der Leuchtdioden so angeordnet und nur so groß sind, daß der Kristall der Leuchtdiode den entsprechenden Durchbruch gegen frontseitig einfallendes Sonnenlicht abschattet, und daß die Leuchtdiode ein Diodengehäuse aufweist, das platinenseitig und seitlich diffus durchscheinend und frontseitig durchsichtig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verkehrssignalleuchte, die eine Schaltplatine in einem Leuchtengehäuse enthält, das von einer strukturierten Streuscheibe abgeschlossen ist, wobei auf der Schaltplatine streuscheibenseitig Leuchtdioden verteilt angeordnet sind und andererseits der Schaltplatine mindestens ein lichtempfindlicher Sensor angeordnet ist, der Licht der Leuchtdioden durch Durchbrüche in der Schaltplatine empfängt und dessen Sensorsignal(e) einer Bewertungsschaltung zugeführt ist/sind, die jeweils bei einer Bestromung der Leuchtdioden deren Helligkeit auf Überschreiten eines vorgegebenen Mindestmaßes überprüft und bei dessen Unterschreitung eine Störmeldung abgibt.

Eine derartige Anordnung zur optischen Überprüfung der Helligkeit der Leuchtdiodenanordnung ist aus der WO 99/40459 bekannt. Bei dieser befinden sich die Durchbrüche in Form von Bohrungen oder dgl. verteilt zwischen den Leuchtdioden. Diese Anordnung bringt die Problematik mit sich, daß das von den Leuchtdioden bei Bestromung kommende Licht erst zur Streuscheibe hin abgestrahlt und dann nur zu einem geringen Anteil, je nach dem jeweiligen Reflexions- und Verschmutzungsgrad der Scheibe, reflektiert wird und dann nur teilweise die Durchbrüche passiert und zum Sensor gelangt. Zum anderen tritt auf die Streuscheibe auftreffendes Sonnenlicht fast ungeschwächt in die Leuchte ein und fällt auf die Leiterplatine und z. T. durch die Durchbrüche derselben, wodurch u. U. je nach dem Auftreffwinkel des Sonnenlichts ein wesentlich höherer Lichtstrom auf den Sensor trifft als durch die Leuchtdioden. Beide störenden Effekte führen einzeln und insbesondere kumuliert zu ganz erheblichen Fehlmessungen, die Abweichungen des Ergebnisses der Auswertung zur einen oder anderen Richtung mit sich bringen und den ganzen Zweck der Meß- und Bewertungsvorrichtung in Frage stellen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wesentliche Verbesserung der Meß- und Bewertungsqualität auch bei intensiver Sonneneinstrahlung und unabhängig vom Streuscheibenzustand zu erbringen.

Die Lösung besteht darin, daß die Durchbrüche jeweils unter einer der Leuchtdioden so angeordnet und nur so groß sind, daß der Kristall der Leuchtdiode den entsprechenden Durchbruch überdeckt, und daß die Leuchtdiode ein Diodengehäuse platinenseitig und seitlich aufweist, das diffus durchscheinend ist und frontseitig eine Linse trägt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das weiß aussehende, lichtstreuende Diodengehäuse dient als ein Lichtleiter für randseitig seitlich aus dem LED-Kristall austretendes Nebenlicht und von den Grenzflächen der Linse reflektierendes Licht, das rückseitig durch das Diodengehäuse durch die Platinenbohrung in den hinteren Leuchtenraum gelangt, wo der mindestens eine Sensor angeordnet ist.

Einfallendes Sonnenlicht ist durch die Streuscheibe auf die Kristallvorderseite fokussiert und wird dort abgefangen und gegen den rückseitig liegenden Platinendurchbruch abgeschattet.

Die Platine ist vorzugsweise u. a. durch die Leiterbahnen, die der Diodenbestromung dienen, lichtundurchlässig.

Die Erfassung des durch die Durchbrüche hindurchtretende Leuchtdiodenlicht durch nur wenige oder einen Sensor wird durch reflektierende, insbesondere weiße, Oberflächen des rückwärts der Leiterplatine gelegenen Raumes begünstigt. Auch die Platine ist vorzugsweise auf der Rückseite geweißt.

Das Leuchtdiodengehäuse ist frontseitig durch eine klare Fokussierlinse oder Scheibe abgeschlossen. Das seitliche und rückseitige Diodengehäuseteil erweitert sich vom zentral eingesetzten Kristall aus divergierend zur Linse hin, wobei der Winkel der Gehäuseerweiterung etwa dem physikalisch bedingten Abstrahlwinkel des Kristalls entspricht. Überwiegend wird das abgestrahlte Licht der Linse zugeführt und von dieser durch die Streuscheibe hindurch als Nutzlicht abgegeben. Nur ein kleiner, aber stets definierter Anteil des Diodenlichts findet den Weg durch das Diodengehäuse und die Bohrung der Platine zum Sensor. Demgegenüber ist das maximal auf Umwegen zum Sensor gelangende Sonnenlicht unerheblich. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Lichtsensor in den nichtlinearen Sättigungsbereich kommt, wenn helles Sonnenlicht auf die Streuscheibe trifft. Da die Leuchtdioden mit Wechselspannungs-Halbwellen betrieben werden, erzeugt das Leuchtdiodenlicht am Lichtsensor ein wechselndes Signal mit der Halbwellenfrequenz. Falls ein Gleichspannungsbetrieb der Leuchtdioden erfolgt, ändert sich die Sensorbeleuchtung jeweils beim Ein- und Ausschalten eine Signalphase sprunghaft. Die Höhe des Wechsellicht-Signalanteils oder des Sprungsignalanteils wird jeweils ausgewertet und mit ein oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten verglichen, und jeweils bei einer Schwellwertunterschreitung eines der höheren Schwellwerte und bei Unterschreitung des untersten Schwellwertes wird durch Abschalten eine Störungsvormeldung bzw. eine Störmeldung ausgegeben.

Eine Veränderung der Helligkeit der Vielzahl der Leuchtdioden einer Signalleuchte tritt durch Alterung der Leuchtdioden, durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur, durch Änderung der Versorgungsspannung und durch Ausfall von einzelnen Leuchtdioden oder von einer in Serie geschalteten Leuchtdiodengruppe auf.

Die Leuchtdiodenspannung oder der Strom wird gewöhnlich jeweils auf ein Maximum stabilisiert, so daß die Überwachung im wesentlichen die Alterungsgrenzen und eine unzulässige Zahl von Ausfällen erfaßt. Da diese Vorgänge sich über Jahre hinziehen bzw. relativ selten eintreten, erbringt eine Störungsvormeldung die Möglichkeit eines Ersatzes der Schaltplatine mit den Leuchtdioden im Rahmen einer allgemeinen Inspektion, ehe eine solche Störung auftritt, die eine Abschaltung der Signalanlage verursacht und deshalb eine Sonderwartung veranlaßt.

Unabhängig davon wird vorzugsweise auch der quasi konstante Sensorsignalanteil durch einen Tiefpaß abgeleitet, der der eingestrahlten Umgebungsbeleuchtung entspricht. Mit diesem wird vorteilhaft die Bestromung der Leuchtdioden höher gesteuert, damit eine bessere Sichtbarkeit der Signalleuchte unter ungünstigen Lichtverhältnissen erreicht wird, ansonsten aber kein unnötiger Strom verbraucht wird, der auch die Alterung beschleunigen würde.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Verkehrssignalleuchte,

Fig. 2 zeigt ein Detail vergrößert zum Leuchtdiodeneinbau,

Fig. 3 zeigt schematisch eine Lichtsensorsignal- Auswerteschaltung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Verkehrssignalleuchte, die ein Gehäuse 10 hat, das mit einer Streuscheibe 11 frontseitig geschlossen ist, hinter der beabstandet eine Schaltplatine 12 angeordnet ist, die frontseitig LED-Leuchtdioden 20 trägt, die auf der Schaltplatine verdrahtet mit einer Spannungsversorgung, insbesondere mittels Stromquellenschaltungen mit Strombegrenzung der Halbwellen verbunden sind.

Die Leuchtdioden 20 bestehen aus einem Leuchtdioden- Kristallplättchen 26, das parallel zur Schaltplatine 12 in einem Leuchtdiodengehäuse 22 etwa mittig angeordnet ist, das vom Kristall aus trichterförmig erweitert ist und vor dieser konischen Ausnehmung 23 eine klare Linse 21 oder eine Scheibe 21A - gestrichelt eingezeichnet - abschließend trägt. Das Dioden gehäuse 22 besteht seitlich und in seiner Rückwand 24 aus durchscheinendem, lichtstreuenden Material, das Leuchtdiodenlicht zur Diodengehäuse-Rückwand 24 leitet, das dort austritt.

Die Schaltplatine 12 weist jeweils unter den Leuchtdioden- Kristallen 26 einen Durchbruch 17, insbesondere eine Bohrung, auf, deren Durchbruchweite W kleiner als die Kristallabmessungen A sind, so daß der Kristall 26 jeweils das darunter befindliche Loch 17 voll überdeckt.

Diodenlicht, das über das Diodengehäuse 22 zu dessen Dioden gehäuserückwand 24 gelangt und dort austritt, durchläuft die Bohrung 17 und trifft ein- oder mehrfach gestreut auf mindestens einen Lichtsensor 30, der rückseitig der Schaltplatine 12 angeordnet ist.

Die Wände des Raumes, der von der Schaltplatine 12 und der Leuchtenrückwand 14 umschlossen ist, ist vorteilhaft mit einer lichtstreuenden Schicht 12B, 14B, insbesondere weißer oder silbriger Farbe, beschichtet, und die Bohrung 17 ist vorzugsweise randseitig mit einer metallischen Beschichtung nach Art einer Durchkontaktierung 18 versehen, die den Lichtfluß unterstützt. Das Licht der zahlreichen Leuchtdioden mischt sich so in dem weißen rückseitigen Raum, daß wenige Photosensoren 30 oder auch nur einer ausreichen, ein Sensorsignal SS zu erzeugen, das von sämtlichen Leuchtdioden jeweils einen angemessenen Signalanteil enthält. Durch die Abschattung einfallenden Sonnenlichts gelangt nur so wenig zum Sensor, daß dieser stets im linearen Sensitivbereich arbeitet.

Fig. 2 zeigt den Bereich mit einer Leuchtdiode 20 vergrößert und axial geschnitten. Das Licht, das zentral im Leuchtdiodenkristall 26 abgestrahlt wird, breitet sich gewöhnlich in einem Winkel von ca. 60° aus und wird von der Linse 21 weitgehend parallelisiert und fällt so auf die Streuscheibe 11, die mit einer optisch wirksamen, z. B. prismatischen und zylindrischen, Struktur versehen ist, die eine vorgeschriebene asymmetrische Lichtverteilung austrittsseitig herbeiführt.

Einfallendes paralleles Sonnenlicht wird durch die Streuscheiben struktur jeweils in Bündel zerlegt und ggf. von den Linsen 21 auf die Leuchtdiodenkristalle 26 fokussiert. Dieser Kristall 26 ist jeweils lichtundurchlässig und schattet aufgrund seiner größeren Abmessung A die darunter liegende Bohrung 17 der Weite W ab.

Strichpunktiert ist ein Weg der Leuchtdiodenstrahlung angedeutet, die an der inneren Linsenoberfläche reflektiert und vom Dioden gehäuse 22 zu dessen Rückwand 24 geleitet wird und von dort durch die Bohrung 17 und entlang deren reflektierenden Auskleidung 18 auf die weiße Streuoberfläche 14B fällt. Deren Streulicht verbreitet sich zwischen den gegenüberliegenden weißen Streuoberflächen 14B, 12B, bis es in den Lichtsensor 30 gelangt. Das Diodengehäuse 22 ist hinter der Linse 21 frontseitig vom Kristall 26 aus mit einem größeren Winkel, als dessen Lichtabstrahlwinkel, konisch geöffnet.

Fig. 3 zeigt eine Auswerteschaltung 31 des Sensorsignals SS, das in einer Filterschaltung 32 differenziert und/oder bandgefiltert wird, wodurch ggf. ein Dauerbelichtungs-Signalanteil, das z. B. von Sonnenstreulicht herrührt, unterdrückt wird oder abgezweigt zu Steuerzwecken als Umgebungshelligkeitssignal UHS bereitgestellt und das Nutzlichtsignal NS abgetrennt wird.

Dieses Signal NS der Leuchtdiodenhelligkeit wird mindestens einem ersten Vergleicher V1 zugeführt, dem am anderen Eingang ein erster Schwellwert SW1 zugeführt ist.

Außerdem wird von der Stromversorgung NT der Leuchtdioden 20 ein Taktsignal TS jeweils zum Zeitpunkt des Maximums der Halbwellen- Ansteuerspannung gewonnen, mit dem das negierte Ausgangssignal des Vergleichers V1 getaktet auf eine erste Halteschaltung 33 gegeben wird, so daß jeweils bei einer Unterschreitung des ersten Schwellwertes SW1 durch das Nutzlichtsignal NS die erste Halteschaltung 33 gesetzt wird, die ein Vorwarnsignal VW, z. B. als ein Kurzzeitsignal an ein erstes Relais R1 in der Bestromungsschaltung IQ der Leuchtdioden 20 abgibt, das auf der Seite der Wechselspannungsversorgung meßbar ist.

Analog ist ein zweiter Vergleicher V2 mit dem Nutzlichtsignal NS und einem zweiten relativ tieferen Schwellwert SW 2 gespeist, dessen invertiertes Ausgangssignal mit dem Taktsignal TS in einen Störmeldungsspeicher 34 übernommen wird. Die Störmeldung SM wird z. B. über ein zweites Relais R2 zur Abschaltung der Dioden 20 genutzt. In geeigneter Weise, z. B. wie gezeigt durch zeitweilige oder dauerhafte Unterbrechung der Stromversorgungsschaltung NT, werden die Störzustände WV, SM nach außen an die nicht gezeigte Steuerzentrale gemeldet. Die Halteschaltungen 33, 34 werden bei einer Wartung bzw. Reparatur mit einem Schalter RS zurückgesetzt.

Der Umgebungs-Helligkeitssignalteil UHS wird vorteilhaft in einer Bestromungssteuerschaltung BS zur Anhebung des maximalen Leuchtdiodenstromes genutzt, der jeweils aus Maximum-Stromquellen IQ den in Ketten geschalteten Leuchtdioden 20 zugeführt wird.

Bezugszeichenliste

10

Leuchtengehäuse

11

Streuscheibe

12

Schaltplatine

12

B weiße Schaltplatinenbeschichtung

14

Gehäuserückwand

14

B weiße Schaltplatinenbeschichtung

17

Durchbrüche, Bohrungen

18

Durchkontaktierung

20

Leuchtdioden

21

Linse

21

A Deckscheibe

22

Leuchtdiodengehäuse

23

konische Ausnehmung

24

Diodengehäuse-Rückwand

26

Leuchtdioden-Kristall

30

Lichtsensor

31

Bewertungsschaltung

32

Filter

33

Verwarnungsspeicher

34

Störmeldungsspeicher
A Kristallabmessung
BS Bestromungsschaltung
IQ Dioden-Stromquelle
NS Nutzlichtsignal
NS Nutzlichtsignal
NT Nezteil
R1 Relais
R2 Relais
RS Rücksetzer
SM Störmeldung
SS Sensorsignal
SW1

1

. Schwellwert
SW2

2

. Schwellwert
TS Taktsignal
UHS Umgebungs-Helligkeitssignal
V1

1

. Vergleicher
V2

2

. Vergleicher
VW Vorwarnsignal
W Durchbruchweite

Claims

1. Verkehrssignalleuchte, die eine Schaltplatine (12) in einem Leuchtengehäuse (10) enthält, das von einer strukturierten Streuscheibe (11) abgeschlossen ist, wobei auf der Schaltplatine (12) streuscheibenseitig Leuchtdioden (20) verteilt angeordnet sind und andererseits der Schaltplatine (12) mindestens ein lichtempfindlicher Sensor (30) angeordnet ist, der Licht der Leuchtdioden (20) durch Durchbrüche (17) in der Schaltplatine (12) empfängt und dessen Sensorsignal (SS) einer Bewertungsschaltung (31) zugeführt ist, die jeweils bei einer Bestromung der Leuchtdioden (20) deren Helligkeit auf Überschreiten eines vorgegebenen Mindestmaßes (SW2) überprüft und bei dessen Unterschreitung eine Störmeldung (SM) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (17) jeweils unter einer der Leuchtdioden (20) so angeordnet und nur so groß sind, daß der Kristall (26) der Leuchtdiode (20) den entsprechenden Durchbruch (17) gegen frontseitig einfallendes Sonnenlicht abschattet, und daß die Leuchtdiode (20) ein Diodengehäuse (22) aufweist, das platinenseitig und seitlich diffus durchscheinend und frontseitig durchsichtig ist.

2. Verkehrssignalleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltplatine (12) das Leuchtengehäuse (10) außerhalb der Durchbrüche (17) lichtdicht zu einer Gehäuserückwand (14) abschließt und diese und/oder die Schaltplatine (12) zur Gehäuserückwand (14) hin lichtstreuend, insbesondere weiß, beschichtet ist/sind.

3. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (17) Bohrungen sind, die eine reflektierende Lochwandauskleidung (18) aufweisen.

4. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Diodengehäuse (22) frontseitig des Kristalls (26) bis zu einer frontseitigen Deckscheibe (21A) oder Linse (21) konisch mit einem Winkel größer als 60° erweitert ist.

5. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sensoren (30) rückseitig der Schaltplatine (12) so angeordnet sind, daß das Licht sämtlicher Leuchtdioden (20) je einen etwa proportionalen Anteil am gesamten Sensorsignal (SS) erbringen.

6. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal (SS) über einen Hochpaß (32) als ein Nutzlichtsignal (NS) der Bewertungsschaltung (31) zugeführt ist und ggf. über einen Tiefpaß ein Gleichstrom signalanteil (UHS) abgetrennt ist.

7. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung (31) mindestens einen Vergleicher (V1, V2) enthält, dem eingangsseitig das Nutzlichtsignal (NS) zugeführt ist und ein erster tieferer und ggf. zweiter höherer Schwellwert (SW1, SW2) zugeführt ist und jeweils das Ausgangssignal des Vergleichers (V1, V2) zum Zeitpunkt eines jeweiligen Strommaximums der Leuchtdiodenbestromung dann in eine Halteschaltung (33, 34) übernommen wird, wenn das Nutzlichtsignal (NS) den betreffenden Schwellwert (SW1, SW2) unterschreitet.

8. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Halteschaltung (33), der das Unterschreiten mindestens eines höheren Schwellwertes (SW1) jeweils als eine Vorwarnung (VW) an eine Steuerzentrale der Verkehrssignalleuchte signalisiert wird.

9. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Halteschaltung (34), der das Unterschreiten des unteren Schwellwertes (SW2) als eine Störmeldung (SM) an eine Steuerzentrale signalisiert wird.

10. Verkehrssignalleuchte nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierung der Vorwarnung (VW) durch eine zeitweilige Unterbrechung der Versorgung der Leuchtdioden (20) erfolgt und die Signalisierung der Störmeldung (SM) durch eine dauernde Unterbrechung der Versorgung der Leuchtdioden (20) erfolgt.

11. Verkehrssignalleuchte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (17) je einen Bohrungsdurchmesser (W) aufweisen, der kleiner als die jeweilige Abmessung (A) der konzentrisch dazu angeordneten Leuchtdiode (20) ist.

12. Verkehrssignalleuchte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abtrennung des Nutzsignals (NS) vom Sensorssignal (SS) der verbleibende sonnenlichteinstrahlungs abhängige Gleichstromsignalanteil (UHS) einer Bestromungs steuerschaltung (BS) zugeführt ist, die gemäß einer Sonnenlicht einstrahlung die Bestromung der Leuchtdioden (20) anhebt und dieser proportional die Schwellwerte (SW1, SW2) anhebt.