DE19929430B4

DE19929430B4 - Leuchtdioden-Schlußleuchte

Info

Publication number: DE19929430B4
Application number: DE19929430A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Ständer; Heinz Dipl.-Ing. Elsäßer (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-06-26
Filing date: 1999-06-26
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2019-06-27
Also published as: DE19929430A1

Abstract

Es wird eine Schlußleuchte, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einem Gehäuse, einem Leuchtmittel sowie einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe beschrieben, wobei die Leuchtmittel eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Leuchtdioden (2) aufweist. Sie sind im wesentlichen gleichmäßig auf einer Trägerplatine angeordnet; vorzugsweise in Form von Leuchtdiodengruppen (3) mit jeweils mehreren Leuchtdioden (2). Die Leuchte ist mit einer Einrichtualter sowie mit einem potentialfreien Kontakt zur externen Diagnose über einen Zug- oder Wagenrechner versehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schlußleuchte für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, mit einem Gehäuse, einem Leuchtmittel sowie einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe. Sie ist insbesondere für Lokomotiven und Reisezugwagen als sogenannte Zugschlußleuchte bestimmt. Der Einsatz dieser Art von Leuchten ist aber auch allgemein in der optisch gestützten Signaltechnik möglich.
Derzeit werden u. a. von den Bahnunternehmen zur Signalisierung an Zugenden zwei rote Zugschlußleuchten verwendet. Sie sind mit weißleuchtenden Spezialglühlampen bestückt und weisen eine transparente Glas- oder Plastikscheibe auf, welche das Licht in der festgelegten Wellenlänge, im vorliegenden Fall somit entsprechend der Farbe rot, austreten läßt. Die Anordnung der Zugschlußleuchten und ihre Ausführung, wie Wellenlänge und Austrittswinkel des Lichtes, Größe der Lichtaustrittsscheibe sowie die Lichtstärke sind durch die für den internationalen Eisenbahnverkehr verbindlichen Vorschriften UIC 532, UIC 534 und DIN 6163 Teil 4 definiert.
Die Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion beider Leuchten an einem Wagenende erfolgt nach ihrem Einschalten durch Öffnungen im Lampenreflektor und dem die Lampe umgebenden Schrank im Wageninneren oder direkt von außen. Dabei ist entsprechend der Platz im Schrank freizuhalten. Ein Austausch einer defekten Glühlampe erfolgt je nach Leuchtenkonstruktion vom inneren des Wagens oder von außen.
Die zu verwendenden Spezialglühlampen sind deutlich teurer als herkömmliche Glühlampen und haben nur eine Leuchtdauer von ca. 1000 Stunden. Dieser Wert dürfte jedoch durch Spannungs- und Temperaturschwankungen sowie die bahntypischen Rüttelbeanspruchungen oft nicht einmal erreicht werden. Folge ist ein häufiger, auf Dauer arbeitszeitaufwendiger und kostspieliger Wechsel der defekten Glühlampen. Außerdem stellt die verhältnismäßig kurze Lebensdauer ein gewisses Sicherheitsrisiko für den Bahnbetrieb bei Ausfall der Leuchten dar. Dies führt zu einem hohen Wartungsaufwand und Sicherheitsrisiken im Bahnbetrieb.
Die Versorgung der herkömmlichen Zugschlußleuchten erfolgt über die Bordspannung von 24 V bzw. 110 V (Nennspannung je nach Fahrzeugart), die durch eine im Fahrzeug befindliche Bleibatterie bereitgestellt wird. Die Ladung dieser Batterie erfolgt durch einen Achsgenerator bei Fahrzeugen alter Bauart bzw. durch ein von der Zugsammelschiene direkt oder über einen Trafo gespeistes Batterieladegerät. Diese Batteriespannung schwankt betriebsbedingt. Die UIC 550 schreibt vor, daß 24 V-Verbraucher in einem Spannungsbereich von 16,8 V bis 28,8 V einwandfrei funktionieren müssen. Die derzeit verwendeten Glühlampen haben Nennspannungen von 24 V bzw. 28 V bei einer Leistungsaufnahme von je 40 W. Damit die 24 V-Lampen nicht einer betriebsmäßigen Überspannung von ca. 20% bei Batterieladung von 28,8 V ausgesetzt sind, werden zusätzliche, teure Hochleistungswiderstände in Reihe zu jeder Glühlampe geschaltet. Damit werden neben dem ohnehin schlechten Wirkungsgrad einer Glühlampe noch je 8 W über die Vorwiderstände der Lampen nutzlos verbraucht.
Die Schrift DE 296 12 300 U1 betrifft allgemein Spitzenlichter und Schlusslichter von schienengebundenen Fahrzeugen mit Leuchtdioden, welche in Serien- und Parallelschaltung in Verbindung mit Widerständen zusammengeschaltet sind.
Aus der DE 93 18 296 U1 ist eine Schlusslichtkontrollanzeige für Schienenfahrzeuge bekannt, bei der eine Glühlampe als Zugschlussleuchte dient und der Lampenstrom mittels eines Stromsensors mit Schwellwertcharakteristik detektiert wird. Durch Erfassung der Spannungszustände vor und nach der Zugschlussleuchte können der Normalbetrieb, ein Kurzschluss und eine Unterbrechung der Zugschlussleuchte erkannt und signalisiert werden.
Die DE 197 34 750 betrifft eine Heckleuchte für Kraftfahrzeugen, wobei Brems-, Blink- und Schlusslicht mittels Leuchtdioden (LED-Matrix) gebildet sind. Der Betriebsstrom der Leuchtdioden wird über einen bestimmten Spannungsbereich zumindest annähernd konstant gehalten, wozu ein Versorgungsspannungsregler mit nachgeordnetem Konstantstromregler vorgesehen ist. Bei Ausfall einer Leuchtdiode wird der Strom durch die übrigen Leuchtdioden erhöht, um den Strom konstant zu halten and somit die Lichtstärke der LED-Matrix zu erhalten.
Schliesslich ist eine zentrale Überwachung der Funktionsfähigkeit der herkömmlichen Zugschlussleuchten nicht möglich bzw. nur mit zusätzlichen Geräten zu erreichen. Die Funktionsprüfung der Leuchten muss also, wie oben beschrieben, durch Augenscheinnahme erfolgen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schlussleuchteneinrichtung für Schienenfahrzeuge der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine zuverlässige Überwachung der Zugleuchte auf ihre Funktion zulässt.
Diese Aufgabe ist gemäss der Erfindung durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das interne Diagnoseteil mit dem Operationsverstärker kann so eingestellt werden, dass bei Unterschreitung einer Stromgrenze, die beispielsweise dem Ausfall von 40% der Leuchtdioden entspricht, die Meldung "Zugschlussleuchte in Ordnung" über den potentialfreien Kontakt an den zentralen Wagen- oder Zugrechner auf Null gesetzt wird, welches besagt, dass die betreffende Leuchte die durch die UIC festgelegte Mindestlichtstärke erreicht hat und bei nächster Gelegenheit repariert, bzw. ausgetauscht werden muss. Zu diesem Zeitpunkt sind aber noch 60% der LEDs in Betrieb, so dass die Leuchte noch immer die geforderte Lichtstärke von 15 cd abgibt.
Die erfindungsgemässe Leuchte beseitigt alle Nachteile einer herkömmlichen Leuchte mit Glühlampe durch die Verwendung einer Leuchtdiodenmatrix. Die Lichtstärke der erfindungsgemässen Leuchte beträgt 25 cd, solange die Eingangsspannung im Bereich zwischen 16,8 V und 32 V liegt. Damit wird die in der UIC 532, Punkt 3.1.5., geforderte Lichtstärke von 15 cd um mehr als 60% übertroffen. Der Betrieb der Leuchte gemäss der Erfindung ist bei Umgebungstemperaturen von –40 DEG C bis + 70 DEG C möglich. Die MTBF-Zeit (mittlere Lebensdauer) der erfindungsgemässen Leuchte beträgt 100.000 Stunden, was dem 100fachen Wert einer herkömmlichen Leuchte entspricht. Diese Tatsache erhöht die Sicherheit des Bahnbetriebes, verringert die Lifecycle-Kosten in ganz beträchtlicher Höhe und senkt zudem noch den Energieverbrauch in Bezug auf die Zugschlußleuchten um fast 90%. Diese Senkung der Leistungsaufnahme verdient besondere Beachtung für den Fall, daß das Fahrzeug nicht extern über die Zugsammelschiene mit Elektroenergie versorgt wird und somit alle eingeschalteten Verbraucher direkt von der Fahrzeug-Bleibatterie gespeist werden.
Die Betriebszeit der erfindungsgemäßen Zugschlußleuchten an einer Fahrzeugbatterie, die wegen fehlender Versorgungsspannung nicht durch das Batterieladegerät geladen wird, verlängert sich in Abhängigkeit vom Betrieb anderer Verbraucher unter Umständen entscheidend durch eine geringere Beanspruchung der Fahrzeugbatterie. Die geringe Leistungsaufnahme der LED-Leuchten, nämlich nur 11% gegenüber herkömmlichen Leuchten, wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer des kostspieligen Batteriesatzes aus, da die Wahrscheinlichkeit einer Tiefentladung der Batterie durch den Betrieb der Zugschlußleuchten deutlich sinkt.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß die Leuchtdioden im wesentlichen gleichmäßig verteilt auf einer Trägerplatine angeordnet sind. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Leuchtmittel vergleichsweise einfach handhabbar. Durch entsprechende Bemessung der Anzahl der Leuchtdioden auf der Trägerplatine kann die Leuchtdichte, also die Leuchtkraft der erfindungsgemäßen Schlußleuchte, den Vorschriften entsprechend angepaßt werden. Mit einer solchen bestückten Trägerplatine ist es auch möglich, herkömmliche Zugschlußleuchten mit Glühlampen ohne großen Aufwand im Sinne der Erfindung umzurüsten.
Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, jeweils mehrere Leuchtdioden auf der Trägerplatine zu einer Leuchtdiodengruppe mit einem Widerstand zur Strombegrenzung elektrisch in Reihe zusammenzuschalten.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind auf der Trägerplatine von etwa 160 mm Durchmesser die Leuchtdioden von etwa zwanzig Leuchtdiodengruppen im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Diese so erhaltene Leuchtdiodendichte erbringt in jedem Fall die nach den einschlägigen Vorschriften geforderte Lichtstärke der erfindungsgemäßen Leuchte. Grundsätzlich kann die Geometrie der Trägerplatine jeder gewünschten Gehäuseform angepaßt werden, z. B. rechteckig, wie beim Fahrzeug Bvmz185 der DB AG.
Werden erfindungsgemäß Leuchtdioden eingesetzt, die Licht einer Wellenlänge entsprechend DIN 6163, Teil 4, S. 3, (rot E) emittieren, so ist es möglich, anstelle von teuren Farbscheiben preiswerte Abdeckscheiben aus transparentem Kunststoff oder Silikatglas zum Schutze der erfindungsgemäßen Schlußleuchte vor Umwelteinflüssen zu verwenden.
Schließlich ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zur Funktionsprüfung und internen Diagnose der erfindungsgemäßen Leuchte mindestens eine Diagnoseleuchtdiode an einsehbarer Stelle vorgesehen ist, die über eine Diagnoseelektronik ansteuerbar ist. Als einsehbare Stelle kommt z. B. das Lampengehäuse in Betracht, so daß die Funktionstüchtigkeit der erfindungsgemäßen Leuchte auch vom Wageninneren aus überprüft werden kann. Dies läßt auch bei älteren Fahrzeugen ohne Fahrzeugdiagnose vom Inneren des Fahrzeugs aus eine sichere Aussage über den Betriebszustand der Zugschlußleuchte zu.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, der schematischen Zeichnung sowie den Patentansprüchen. Es zeigen:
1 eine Draufsicht einer mit Leuchtdioden bestückten Trägerplatine mit Leuchtdioden als Beispiel für eine runde Gehäuseform und
2 ein Prinzipschaltbild mit elektrischen Komponenten zum Betrieb und zur Versorgung der erfindungsgemäßen Leuchte.
Gemäß 1 ist eine Trägerplatine 1 für eine Schlußleuchte gezeigt, die in Anpassung an ein nicht dargestelltes Gehäuse, in das sie eingesetzt werden soll, kreisrund ausgebildet ist. Andere Formen der Trägerplatine 1 sind natürlich möglich. Auf der Platine sind Hochleistungsleuchtdioden 2 in geeigneter Weise eingelötet und mechanisch befestigt. Wie beim gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt, sind auf der Trägerplatine 1 einhundert Leuchtdioden mit einer Lichtstärke von je 250 mcd (Millicandela) auf einer Fläche mit einem Durchmesser von 160 mm gleichmäßig verteilt. Zur Strombegrenzung sind dabei jeweils mehrere, beim gezeigten Ausführungsbeispiel fünf LEDs über Leiterbahnen 12 in Reihe zu einer Leuchtdiodengruppe 3 zusammengeschaltet. Es liegen somit zwanzig unabhängige Leuchtdioden-Stormkreise innerhalb einer Leuchte vor. Damit wird eine Gesamtlichtstärke von 25 cd (Candela) erreicht. Die Wellenlänge des von den LEDs emittierten Lichtes entspricht DIN 6163, Teil 4, S. 3 (rot E). Auf diese Weise kann vor der Platine 1 mit den darauf befindlichen LEDs durch eine preiswerte, farblose Lichtaustrittsscheibe aus Kunststoff oder Silikatglas Verwendung finden.
In 2 ist eine Schaltung zum Betrieb der erfindungsgemäßen Schlußleuchte dargestellt. Die schematisch anhand von zwei Leuchtdiodengruppen 3 dargestellte Trägerplatine mit zwanzig Leuchtdiodengruppen 3 gemäß 1 wird über ein Schaltnetzteil 4 mit geregelter Ausgangsspannung versorgt. Die bekanntermaßen geringere Verlustleistung eines Schaltnetzteiles gegenüber herkömmlicher Spannungsversorgungen trägt nicht unwesentlich zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Leuchte bei. Bei dem verwendeten Schaltnetzteil 4 handelt es sich um einen DC/DC-Konverter mit folgenden Hauptmerkmalen: Es weist einen vergleichsweise großen Eingangsspannungsbereich von 16, 8 bis 32 V DC auf, hat eine geregelte Ausgangsspannung von ca. 12 V, unabhängig von der Höhe der Eingangsspannung, und hat eine geringe Verlustleistung von vorzugsweise kleiner als 5 W sowie Konvektionskühlung.
Jeder Leuchtdiodengruppe 3 ist zur Strombegrenzung ein Widerstand 5 nachgeschaltet.
Darüber hinaus weist jede Leuchtdiodengruppe 3 einen weiteren Widerstand 6 auf. Diese Widerstände 6 sind gemeinsam an einen Widerstand 7 und ein Operationsverstärker 8 angeschlossen. Letzterer Operationsverstärker 8 bildet zusammen mit dem Widerstand 7, der stellvertretend für die Beschattung des Operationsverstärkers 8 steht, sowie einen nachgeschalteten Schwellwertschalter 9 die interne Diagnose. Diese steuert eine am Leuchtengehäuse oder einer anderen einsehbaren Stelle angeordnete Diagnoseleuchtdiode 10. Der Schwellwertschalters 9 steuert schließlich einen potentialfreien Kontakt 10 für eine externe Diagnose der erfindungsgemäßen Schlußleuchte.
Die erfindungsgemäße Zugleuchte kann anhand der in 2 gezeigten Schaltung zuverlässig auf ihre Funktion überwacht werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn sie als Zugschlußleuchte eingesetzt wird. Das interne Diagnoseteil mit dem Operationsverstärker 8 kann so eingestellt werden, daß bei Unterschreitung einer Stromgrenze, die beispielsweise dem Ausfall von 40% der Leuchtdioden entspricht, die Meldung „Zugschlußleuchte in Ordnung" über den potentialfreien Kontakt 11 an den zentralen Wagen- oder Zugrechner auf Null gesetzt wird, welches besagt, daß die betreffende Leuchte die durch die UIC festgelegte Mindestlichtstärke erreicht hat und bei nächster Gelegenheit repariert, bzw. ausgetauscht werden muß. Zu diesem Zeitpunkt sind aber noch 60% der LEDs in Betrieb, so daß die Leuchte noch immer die geforderte Lichtstärke von 15 cd abgibt. Dies ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Leuchte.

Claims

Schlussleuchteneinrichtung für Schienenfahrzeuge mit einem eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Leuchtdioden (2) aufweisenden Leuchtmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltnetzteil (4) mit geregelter Ausgangsspannung zur Versorgung der Leuchtdioden (2) und ein den Strom durch die Leuchtdioden (2) erfassendes Diagnoseteil mit Operationsverstärker und nachgeschaltetem Schwellwertschalter (9) vorgesehen sind, wobei das Diagnoseteil über einen potentialfreien Kontakt (11) eine Meldung an eine Zug- oder Wagendiagnoseeinrichtung abgibt, sobald durch Ausfall eines vorgegebenen Prozentsatzes der Leuchtdioden (2) eine Stromgrenze unterschritten wird, bei der eine festgelegte Mindeslichtstärke erreicht wird.
Schlussleuchteneinrichtung nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Prozentsatz 40% entspricht.
Schlussleuchteneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zug- oder Wagendiagnoseeinrichtung ein zentraler Zugrechner ist.
Schlussleuchteneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schaltnetzteil einen Eingangsspannungsbereich von 16,8 bis 32 V DC aufweist.
Schlussleuchteneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Gehäuse und einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe zur Abdeckung einer Trägerplatine (1), auf der die Leuchtdioden (2) befestigt sind.
Schlussleuchteneinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Leuchtdioden (2) im wesentlichen gleichmäßig verteilt auf der Trägerplatine (1) angeordnet sind.
Schlussleuchteneinrichtung nach Anspruch 5, wobei bei runder Lichtaustrittsöffnung auf der Trägerplatine (1) von etwa 160 mm Durchmesser die Leuchtdioden (2) von etwa zwanzig Leuchtdiodengruppen (3) im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind.
Schlussleuchteneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils mehrere Leuchtdioden (2) zu einer Leuchtdiodengruppe (3) mit einem Widerstand (5) zur Strombegrenzung elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Schlussleuchteneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leuchtdioden Licht einer Wellenlänge entsprechend DIN 6163, Teil 4, S. 3 (rot E) emittieren und die Abdeckscheibe aus transparentem Kunststoff oder Silikatglas besteht.
Schlussleuchteneinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zur Funktionsprüfung und internen Diagnose mindestens eine Diagnoseleuchtdiode (10) an einsehbarer Stelle vorgesehen ist, die über eine interne Diagnoseelektronik ansteuerbar ist.