DE19802895A1 - Schaltung zum Betreiben eines LED-Leuchtzeichens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Schaltung ist aus der WO 95/12512 bekannt. Dort wird über ein Lichtsignal für die Verkehrssteuerung berich­ tet, bei dem anstelle der üblicherweise für die Beleuchtung verwendeten Signallampen Leuchtdioden zur Anwendung kommen. Jeweils mehrere Leuchtdioden sind zu einem Funktionsblock in Reihe geschaltet, der die Speisung und Überwachung der be­ treffenden Leuchtdioden übernimmt. Jedes Lichtsignal weist eine Mehrzahl solcher Funktionsblöcke auf, die von einer Steuerstelle aus einzeln oder gemeinsam an- und abschaltbar sind. Die Überwachung des Betriebszustandes der Leuchtdioden innerhalb der einzelnen Funktionsblöcke geschieht in an sich bekannter Weise durch Bewerten des über die Leuchtdioden fließenden Speisestromes. Bei angeschaltetem Lichtsignal und intakten Leuchtdioden fließt über den bewertenden Stromindi­ kator ein bestimmter Speisestrom, der zu einer Betriebszu­ standsmeldung EIN an die Steuerstelle führt. Bei unterbroche­ nem Speisekreis für die Leuchtdioden, sei es störungsbedingt oder nicht, detektiert der Stromindikator das Fehlen eines ausreichend hohen Speisestromes und gibt eine Zustandsmeldung AUS an die Steuerstelle weiter.

Die Betriebszustandsmeldungen vermitteln der Steuerstelle nur dann ein den Tatsachen entsprechendes Zustandsbild, wenn die angenommenen Zusammenhänge zwischen Speisestrom und von den Leuchtdioden emittierter Strahlung der Wirklichkeit entspre­ chen. Zwar liegt der Lastwiderstand der in einem Funktions­ block zusammengefaßten Leuchtdioden in ihrem Sperrzustand um Größenordnungen über dem Lastwiderstand, der sich einstellt, wenn die Leuchtdioden im Bereich der Flußspannung betrieben werden (die LED's befinden sich dann im leitfähigen Zustand), so daß an sich eine eindeutige Strombewertung des Leuchtdi­ oden-Betriebszustandes möglich ist; im Übergangsbereich zwi­ schen leitfähigem und gesperrtem Zustand der Leuchtdioden gibt es jedoch einen Bereich, bei dem die Leuchtdioden be­ reits leuchten, aber noch einen verhältnismäßig hohen Lastwi­ derstand besitzen; dementsprechend ziehen die Leuchtdioden auch nur einen sehr geringen Strom, was von dem überwachenden Stromindikator als AUS-Zustand bewertet wird. Wenn damit zu rechnen ist, daß die Leuchtdioden in diesem Übergangsbereich betrieben werden können, ist die Strombewertung allein also kein geeignetes Mittel zur Funktionsüberwachung der Leuchtdi­ oden. Durch Vorgabe einer geeigneten Speisespannung läßt sich zwar sicherstellen, daß den Leuchtdioden der einzelnen Funk­ tionsblöcke von der Steuerstelle her entweder keine oder eine für den Leuchtbetrieb ausreichend hohe Speisespannung zuge­ führt wird; nicht ausschließen läßt sich aber das induktive wie auch das kapazitive Einkoppeln von Energie auf die oft sehr langen Zuleitungen von einer Steuerstelle zu einem Lichtsignal. Solche auf die Zuleitungen zu den Lichtsignalen eingekoppelten Spannungen können die Leuchtdioden im ungün­ stigen Fall zum Leuchten bringen, ohne daß dies von der Steu­ erstelle aus veranlaßt ist und durch eine Strombewertung zu­ verlässig erkannt wird. Damit ist ein für die Steuerstelle nicht erkennbares Fehlverhalten von mit Leuchtdioden betrie­ benen Lichtsignalen nicht zuverlässig auszuschließen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so wei­ terzubilden, daß eine zuverlässige Zustandsüberwachung der Leuchtdioden eines Leuchtzeichens durch Strombewertung mög­ lich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Danach wer­ den die Leuchtdioden in abgeschaltetem Zustand kurzgeschlos­ sen, so daß etwaige in die Zuleitungen zum Leuchtzeichen ein­ gekoppelte Spannungen nicht zum Aufleuchten der Leuchtdioden führen können. Erst beim Fließen eines ausreichend hohen Speisestromes, von dem anzunehmen ist, daß er aus der Steuer­ stelle stammt, wird der Kurzschluß der Leuchtdioden aufgeho­ ben, so daß die Leuchtdioden Licht emittieren können; durch die Bewertung des Speisestromes wird die Steuerstelle vom Leuchten der Leuchtdioden unterrichtet.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So soll nach der Lehre des Anspruches 2 eine verlustarme Wechselstromspeisung der Leuchtzeichen über weite Entfernun­ gen möglich sein, wobei erst am Leuchtzeichen selbst eine Um­ setzung von Wechselspannung in Gleichspannung erfolgt. In be­ sonders vorteilhafter Weise sollen dabei die Funktionsblöcke so geschaltet werden, daß die eine Hälfte bei positiver und die andere Hälfte bei negativer Halbwelle arbeitet; dadurch verringert sich das aufgrund der Wechselspannungsspeisung entstehende Flackern der Leuchtdioden.

Gemäß Anspruch 3 soll der elektronische Schalter als selbst­ leitender Feldeffekt-Transistor ausgebildet sein, der von ei­ nem stromabhängigen Spannungsabfall am Vorwiderstand der Leuchtdioden steuerbar ist. Ein solcher Feldeffekt-Transistor realisiert in vorteilhafter Weise nahezu verlustfrei die nach der Lehre des Anspruches 1 vorgesehene Schaltfunktion eines elektronischen Schalters.

Die nach der Lehre des Anspruches 4 vorgesehene Bemessungsre­ gel macht es möglich, die Spannung, bei welcher die Leucht­ dioden der einzelnen Funktionsblöcke zu leuchten beginnen, unabhängig von der Versorgungsspannung frei zu wählen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 das Prinzip eines LED-Signals mit Störspannungsunter­ drückung für Gleichspannungsspeisung, in

Fig. 2 einen Schaltungsausschnitt, an dem sich die Bemes­ sungsregel des Anspruches 4 ableiten läßt und in

Fig. 3 ein LED-Signal für Wechselspannungsspeisung.

Fig. 1 zeigt schematisch und in ausschnittsweiser Darstel­ lung die Leuchtdioden LD zum Betreiben eines Leuchtzeichens. Bei diesem Leuchtzeichen handelt es sich vorzugsweise um ein Lichtsignal zur Verkehrssteuerung. Dabei sind die Leuchtdi­ oden über die Sichtfläche des Lichtsignales verteilt angeord­ net und dazu eingerichtet, in angeschaltetem Zustand einen bestimmten Signalbegriff, insbesondere einen Halt- oder einen Fahrtsignalbegriff, oder ein sonstiges Verkehrszeichen anzu­ zeigen. Hierzu leuchten die Leuchtdioden entweder in der Far­ be des jeweils darzustellenden Signalbegriffes oder aber sie beleuchten ein Farbfilter zur Signaldarstellung. Die Leucht­ dioden sind wie im dargestellten Ausführungsbeispiel einzeln oder zu mehreren in Reihe geschaltet Bestandteil von Funkti­ onsblöcken FB1-FBn, die vorzugsweise identisch ausgeführt sind. Dabei ist es auch möglich, mehrere solcher Reihenschal­ tungen von Leuchtdioden einander parallel zu schalten, um so größere Teilflächen des Leuchtzeichens auszuleuchten. In be­ kannter Weise sind die Leuchtdioden LD mit Vorwiderständen R in Reihe geschaltet, die den in angeschaltetem Zustand über die Leuchtdioden fließenden Speisestrom auf einen vorgegebe­ nen Wert begrenzen. Die Speisung der Leuchtdioden erfolgt über Zuleitungen L1, L2 aus einer Gleichspannungsquelle U =.

Diese Gleichspannungsquelle kann beispielsweise durch eine Gleichrichteranordnung dargestellt sein, die aus einer von einer fernen Steuerstelle dem Lichtsignal zugeführten Wech­ selspannung betrieben wird. Nicht dargestellte Überwachungs­ einrichtungen überwachen den über die Leuchtdiode bzw. die Leuchtdioden der einzelnen Funktionsblöcke fließenden Speise­ strom und übermitteln entsprechende Betriebszustandsmeldungen oder eine daraus abgeleitete Summenmeldung an die Steuerstel­ le. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, kann dabei der Fall eintreten, daß durch in die Zuleitungen zum Lichtsignal eingekoppelte Störspannungen die Leuchtdioden mindestens vorübergehend aufleuchten ohne daß ein entspre­ chend hoher Speisestrom fließt, der für die Steuerstelle das Leuchten der Leuchtdioden erkennbar macht. Die Erfindung stellt sicher, daß ein solches störspannungsbedingtes Auf­ leuchten von Leuchtdioden zukünftig unterbleibt. Zu diesem Zweck ist den Leuchtdioden LD die niederohmige Schaltstrecke eines elektronischen Schalters T parallel geschaltet; dieser elektronische Schalter schließt die ihm zugeordnete Leuchtdi­ ode bei betriebsmäßig abgeschaltetem Lichtsignal kurz und verhindert damit zuverlässig deren Aufleuchten beim Vorhan­ densein von Störspannungen. Bei Verwendung mehrerer in Reihe geschalteter Leuchtdioden kann entweder eine entsprechende Anzahl von elektronischen Schaltern zum Kurzschließen der einzelnen Leuchtdioden vorhanden sein oder aber es gibt eine oder mehrerer solcher Schalter, die in Summe alle in Reihe geschalteten Leuchtdioden kurzschließen. Sind die Zuleitungen zum Lichtsignal fremdspannungsbeeinflußt, so treiben diese Fremdspannungen in ihrer Amplitude begrenzte Störströme über die elektronischen Schalter und die mit ihnen in Reihe lie­ genden Vorwiderstände der Leuchtdioden. Annahmegemäß soll da­ bei die Potentialdifferenz an den Vorwiderständen so gering sein, daß die Schaltstrecken der elektronischen Schalter wei­ terhin leitend sind. Erst beim Aufschalten der Versorgungs­ spannung auf die Zuleitungen zum Lichtsignal steigt die Span­ nung an den mit den kurzgeschlossenen Leuchtdioden in Reihe liegenden Vorwiderständen auf einen Wert an, der ausreicht, die zugehörigen elektronischen Schalter in den Sperrzustand zu steuern. Dabei wird der Kurzschluß für die Leuchtdioden aufgehoben und die Leuchtdioden leuchten auf.

Die elektronischen Schalter zum bedarfsweisen Kurzschließen der Leuchtdioden können prinzipiell in jeder beliebigen Tech­ nik ausgeführt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von selbstleitenden Feldeffekt-Transistoren erwie­ sen, deren Drain-Source-Strecken D-5 den Leuchtdioden paral­ lel geschaltet sind. Das Gate G der Feldeffekt-Transistoren ist an dem entfernten Ende des katodenseitig an die Leuchtdi­ ode angrenzenden Widerstandes angeschlossen.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine spezielle Ausgestaltung ei­ nes Funktionsblockes mit einer Leuchtdiode LD und einem Feld­ effekt-Transistor T zum bedarfsweisen Kurzschließen dieser Leuchtdiode. Das Gate G des Feldeffekt-Transistors ist an den Abgriff eines aus den Widerständen R1 und R2 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen. Über diesen Spannungsteiler kann die Spannung eingestellt werden, bei der die Leuchtdiode LD zu leuchten beginnt. Für die Steuerung des Feldeffekt- Transistors steht dann nur ein Bruchteil der an den Wider­ ständen R1 und R2 abfallenden Spannung zur Verfügung. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das Aufleuchten einer Leuchtdiode oder einer aus mehreren Leuchtdioden bestehenden Reihenschaltung von Leuchtdioden unabhängig ist von der Ver­ sorgungsspannung; die Anpassung der Steuerspannung an die Versorgungsspannung geschieht durch Vorgabe eines entspre­ chenden Spannungsteilerabgriffes.

Bezeichnet man die über den selbstleitenden Feldeffekt- Transistor und die Widerstände R1 und R2 anliegende Versor­ gungsgleichspannung mit U_LG, die Flußspannung der Leuchtdiode bzw. der in Reihe geschalteten Leuchtdioden mit U_F und die Gate-Source-Schwellspannung des Transistors mit U_S, so folgt hieraus die Beziehung

Der jeweilige Spannungsteilerabgriff ist die einzige Variable der Gleichung und bestimmt die Zündspannung der Leuchtdiode bzw. Leuchtdio­ den.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der den Funktionsblöcken FB1* bis FBn* von der Steuerstelle her eine Wechselspannung U zugeführt wird. Die Funktionsblöcke beinhalten Gleichrichterdioden D1 bis Dn zum Gleichrichten der Betriebswechselspannung. Die einzelnen Leuchtdioden sind über die Gleichrichter so an die beiden Zu­ leitungen L1, L2 angeschlossen, daß im Leuchtzeichen benach­ barte Leuchtdioden unterschiedlicher Funktionsblöcke während unterschiedlicher Halbwellen der Versorgungsspannung leuch­ ten. So leuchten z. B. die Leuchtdioden LD1 und LD(n-1) wäh­ rend der einen Halbwelle der Versorgungswechselspannung auf, wobei die Leuchtdioden LD2 und LDn dunkel bleiben, während in der folgenden Halbwelle die beiden letztgenannten Leuchtdi­ oden aufleuchten und die Leuchtdioden LD1 und LDn-1 verlö­ schen. Durch diese Art der Schaltung verringert sich das an­ sonsten bei Wechselspannungsansteuerung entstehende Flackern der Leuchtzeichen erheblich.

Auch bei dieser Konstellation der Funktionsblöcke können wie­ derum eine Vielzahl von Leuchtdioden in Reihe geschaltet und dieser Reihenschaltung gegebenenfalls noch eine oder mehrere weitere Reihenschaltungen von Leuchtdioden parallel geschal­ tet sein. Es ist dafür zu sorgen, daß bei einem betriebsmäßig abgeschalteten Lichtsignal sämtliche Leuchtdioden der zugehö­ rigen Funktionsblöcke über die zugehörigen elektronischen Schalter kurzgeschlossen sind, so daß ein störbedingtes Auf­ leuchten in Folge eingekoppelter Störspannungen zuverlässig vermieden wird.

Claims (8)

1. Schaltung zum Betreiben eines Leuchtzeichens, insbesondere des Leuchtzeichens eines Lichtsignals, dessen Leuchtkörper durch eine Mehrzahl von Leuchtdioden dargestellt ist, wobei die Leuchtdioden einzeln oder zu mehreren in Reihe geschaltet Funktionsblöcke bilden, die über zugeordnete Vorwiderstände von einer Steuerstelle aus jeweils gemeinsam an- und ab­ schaltbar sind und deren Betriebszustand durch Strombewertung feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Leuchtdioden (LD) eines jeden Funktionsblockes (FB1 bis FBn) die niederohmige Schaltstrecke (D-5) mindestens ei­ nes elektronischen Schalters (T) parallelgeschaltet ist, des­ sen Steuerelektrode (G) an einer am Vorwiderstand (R) oder an einem Abgriff des Vorwiderstandes (R1, R2) für die Leuchtdi­ oden des betreffenden Funktionsblockes abgreifbaren Spannung (U=) liegt und den elektronischen Schalter in den hochohmi­ gen Schaltzustand steuert, sobald der Spannungsabfall am Vor­ widerstand bzw. dem Abgriff des Vorwiderstandes einen gegebe­ nen Wert übersteigt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden (LD1, LD2) des Leuchtzeichens und mit ihnen die elektronischen Schalter (T) über Einweg-Gleich­ richter (D1, D2) an einer von der Steuerstelle aus schaltba­ ren oder einstellbaren Wechselspannung (U≈) liegen, wobei die den Leuchtdioden räumlich benachbarter Funktionsblöcke (FB1*, FB2*) zugeordneten Gleichrichter (D1, D2) sowie die zugehöri­ gen Leuchtdioden in unterschiedlicher Polung an die die Wech­ selspannung führenden Zuleitungen (L1, L2) zum Leuchtzeichen angeschlossen sind.

3. Schaltung nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T) als selbstleitender Feld­ effekt-Transistor ausgebildet ist mit einer Drain-Source- Strecke (D-S), die der mindestens einen Leuchtdiode (LD) des zugehörigen Funktionsbockes (FB1) parallelgeschaltet ist und mit einem Gate (G), das mit dem Abgriff (R1, R2) oder dem ent­ fernten Ende eines katodenseitig an die mindestens eine Leuchtdiode des Funktionsblockes angeschlossenen Vorwider­ standes (R) verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U_LG), bei der die mindestens eine Leuchtdi­ ode (LD) eines Funktionsblockes zu leuchten beginnt, über ei­ nen Spannungsteilerabgriff am Vorwiderstand (R1 + R2) der Leuchtdiodenanordnung nach Maßgabe der folgenden Beziehung einstellbar ist
mit U_LG = Spannung, bei der die mindestens eine Leuchtdiode zu leuchten beginnt,

U_F = Summe der Flußspannungen der jeweils in Reihe geschalteten Leuchtdioden,

U_S= Source-Gate-Schwellspannung des Feldeffekt­ transistors

R1 = katodenseitiger Teil des Spannungsteilers

R2 = anderer Teil des Spannungsteilers.