DE19930584C1

DE19930584C1 - LED-Signaleinrichtung für Straßenverkehrssignale

Info

Publication number: DE19930584C1
Application number: DE19930584A
Authority: DE
Inventors: Simon Bluemel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2019-07-03

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine optische Signalgebereinrichtung, bei welcher eine bestimmte, vorgegebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung einzig durch die Anordnung einer Mehrzahl von Leuchtelementen (2) auf einer Grundplatte (1) erzielt wird. Dadurch werden keine komplizierten optischen Strukturen mehr benötigt, um die vorgegebene Lichtverteilung zu erzeugen. Außerdem beschreibt die Erfindung eine optische Signalgebereinrichtung, welche einen nach außen gewölbten Kondensor (3) verwendet, um die Lichtsammelcharakteristik zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Signalgebereinrichtung, insbesondere für Verkehrssignalanlagen, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.

In der konventionellen Signalisierungstechnik für den Straßen- oder Schienenverkehr wird üblicherweise eine starke Lichtquelle mit kleinen Abmessungen wie z. B. der Glühfaden einer Glühlampe, in den Brennpunkt eines optischen Kondensors gestellt und ins Unendliche projiziert. Aufgrund der hohen Leuchtdichte der Lichtquelle entsteht eine sehr große Licht stärke innerhalb eines relativ kleinen und normierten Abstrahlwinkelbereichs, so daß das Signal auch aus großer Entfernung noch gut zu erkennen ist.

Bekanntermaßen haben Glühlampen jedoch eine begrenzte Lebens dauer, wobei der Ausfall der für eine Signaleinrichtung ver wendeten Glühlampe stets mit einem Totalausfall der gesamten Signaleinrichtung verbunden ist. Deshalb müssen die beispielsweise bei Warnsignaleinrichtungen verwendeten Glüh lampen vorsorglich in regelmäßigen Zeitabständen gewechselt werden. Diese Zeitabstände sind weit kürzer als die durch schnittliche Lebensdauer der Lampe, so daß mit den Auswechs lungen ein erheblicher Material- und Zeitaufwand verbunden ist.

Auch bei anderen Leitsignaleinrichtungen bestehen ähnliche Probleme aufgrund der Verwendung herkömmlicher Glühlampen als Lichtquellen.

Aufgrund der hohen Ausfallempfindlichkeit konventioneller Glühlampen bietet es sich daher an, als Lichtquellen Halbleiter-Lichtemissionsdioden (LEDs) einzusetzen, da LEDs nicht nur eine erheblich höhere Lebensdauer, sondern auch einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektralbereich und - damit verbunden - eine geringere Wärmeabgabe und einen insgesamt geringeren Platzbedarf aufweisen. Um jedoch eine für eine Verkehrssignaleinrichtung oder eine vergleichbare Signaleinrichtung geeignete LED-Anordnung bereitzustellen, bedarf es ebenso wie bei der konventionellen Verkehrssignal- oder Bahnsignaleinrichtung einer Optik, die geeignet ist, das von den einzelnen LEDs abgestrahlte Licht derart zu bündeln, daß es auch in relativ großer Entfernung als eine ausgedehnte und hell leuchtende Lichtquelle wahrgenommen wird. An Signal geber im Straßenverkehr werden genaue und normierte optische Anforderungen hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Leucht dichteverteilung und Phantomlicht gestellt. Unter letzterem versteht man die Vortäuschung eines eingeschalteten Signal lichts durch einfallendes und von einem internen Reflektor reflektiertes Sonnenlicht.

Bekannte Aufbauten für Straßenverkehrssignale mit einer LED- Lichtquelle weisen entweder Rotationssymmetrie auf, wodurch ein bestimmter Anteil des abgestrahlten Lichts verschwendet wird und zudem Probleme mit Phantomlicht auftreten können, oder sie besitzen eine komplizierte Optik, die eine kosten günstige Herstellung eines Signalgebereinsatzes erschweren. In der EP 0 860 805 A1 ist eine Signalgeberoptik beschrieben, bei welcher eine Vielzahl von Leuchtelementen im Inneren einer Signalkammer angeordnet sind und somit einen im wesent lichen flachen Leuchtkörper anstelle der bisher üblichen Glühlampen bilden, der auch ohne Verwendung eines Reflektors ein direkt in Richtung auf eine Streulinse gerichtetes Licht abgibt. Die Lichtquelle ist aus mindestens drei einzelnen Leuchtelementen zusammengesetzt, welche zumindest einen Großteil ihres Lichts in das Linsensystem abstrahlen, wo es von einem gemeinsamen Kondensor erfaßt und gebündelt und von der Streulinse nach gewählten Vorgaben verteilt wird. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß für die Festlegung einer Abstrahlcharakteristik eine Streulinse mit optischen Eigenschaften verwendet werden muß. Die Herstellung einer derartigen Streuscheibe mit optischen Eigenschaften und deren Einbau in die zweistufige optische Struktur sind jedoch relativ kompliziert und demzufolge kostenintensiv.

Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Signaleinrichtung, insbesondere für Straßenverkehrs signale anzugeben, welche mit möglichst einfachen und unkom plizierten Maßnahmen eine geforderte Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung liefert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Signalein richtung anzugeben, die ohne die Verwendung einer Streu scheibe mit optischen Eigenschaften eine geforderte Abstrahl charakteristik oder Leuchtdichteverteilung erzielen kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Signaleinrichtung derart weiterzubilden, daß das durch die LEDs abgestrahlte Licht durch die optische Anordnung effizienter gesammelt werden kann.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Demgemäß beschreibt die vorliegende Erfindung eine optische Signal gebereinrichtung, mit einer Mehrzahl von Leuchtelementen, die auf einer Grundplatte angeordnet sind, und einem Kondensor, der in einem festgelegten Abstand von den Leuchtelementen auf einer optischen Achse angeordnet ist, um das von den Leucht elementen abgestrahlte Licht ins Unendliche zu projizieren.

Aufgrund dieser Anordnung ist jedem Leuchtelement eine Abstrahlrichtung zugeordnet, so daß die Leuchtdichte in einer bestimmten Abstrahlrichtung von der Leuchtdichteverteilung für andere Abstrahlrichtungen weitgehend entkoppelt ist. Mit Vorteil kann durch diese Anordnung eine bestimmte, vorge gebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung einzig durch die Anordnung der Leuchtelemente auf der Grund platte erreicht werden.

Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß die Erzielung einer bestimmten, geforderten Abstrahlcharakteristik oder Leucht dichteverteilung in einer optischen Signalgebereinrichtung durch einen erheblich vereinfachten optischen Aufbau erzielt werden kann. Es kann nämlich auf die im Stand der Technik zwingend erforderliche Streuscheibe für die Erzeugung der Lichtverteilung verzichtet werden. Als Kondensor kann eine Standard-Fresnellinse verwendet werden. Die Fresnellinse projiziert die Lichtquelle ins Unendliche. Damit jedoch nicht das Raster der Anordnung der Leuchtelemente ins Unendliche abgebildet wird, kann der Kondensor derart von der Ebene der Leuchtelemente beabstandet werden, daß die Leuchtelemente geringfügig außerhalb der Fokusebene des Kondensors liegen. Alternativ dazu kann auch die Fokusbedingung exakt erfüllt werden, jedoch auf dem Kondensor, insbesondere auf dessen den Leuchtelementen zugewandten Oberfläche optische Strukturen für eine gezielte Defokussierung, insbesondere Kugellinsen angeordnet werden.

Als Leuchtelemente werden vorzugsweise LEDs, insbesondere SMT-fähige LEDs, verwendet. Dabei wird vorzugsweise eine LED- Bauform verwendet, wie sie in dem Artikel "SIEMENS SMT-TOP- LED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeitschrift "SIEMENS Components" 29 (1991), Heft 4, S. 147, beschrieben und dort in Fig. 1A, B dargestellt ist. Dem entsprechend ist die Grundplatte nach der vorliegenden Erfin dung vorzugsweise eine Platine, insbesondere eine Metall kernplatine, die zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr zusätzlich auf einen geeigneten Kühlkörper aufgebracht sein kann.

In einer vorzugsweise für Straßenverkehrsampeln verwendeten Ausführungsform sendet die optische Signalgebereinrichtung kein Licht in Richtung schräg nach oben, so daß auch umge kehrt von schräg oben einfallendes Sonnenlicht nicht auf die Leuchtelemente auftreffen kann, so daß diese kein Phantom licht erzeugen können. Um auch bei allen anderen denkbaren Ausführungsformen das Auftreten von Phantomlichtreflexen zu vermeiden, kann die Grundplatte außerhalb der Leuchtelemente schwarz eingefärbt sein.

Weiterhin beschreibt die Erfindung eine optische Signal gebereinrichtung, mit einer Mehrzahl von Leuchtelementen, die auf einer Grundplatte angeordnet sind, und einem Kondensor, der in einem festgelegten Abstand von den Leuchtelementen auf einer optischen Achse angeordnet ist, um das von den Leucht elementen abgestrahlte Licht ins Unendliche zu projizieren, wobei eine bestimmte, vorgegebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung durch die Anordnung der Leuchtelemente auf der Grundplatte und/oder durch die optischen Eigenschaf ten einer gegebenenfalls vorhandenen Streulinse nach gewähl ten Vorgaben erzielt wird, und wobei der Kondensor nach außen gewölbt ist.

Eine derartige optische Signalgebereinrichtung weist eine erheblich effizientere Lichtsammelcharakteristik auf. Auch hier besteht der Kondensor vorzugsweise aus einer Fresnel linse. Da Fresnellinsen für derartige Anwendungszwecke beson ders vorteilhaft aus Kunststoff im Spritzgußverfahren her stellbar sind, können auch erfindungsgemäß gekrümmte Fres nellinsen relativ problemlos hergestellt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungs beispiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Platine enthaltend eine Leiterbahnstruktur für die Aufnahme von Leucht elementen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine opti sche Signalgebereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung perspektivisch dargestellt. Auf einer Grundplatte 1, vorzugsweise einer Platine wie einer Metallkernplatine oder dergleichen, ist eine Mehrzahl von Leuchtelementen 2 wie Lichtemissionsdioden (LEDs) in einer vorgegebenen Verteilung angeordnet. Diese Verteilung bestimmt die Abstrahlcharakte ristik oder Leuchtdichteverteilung der optischen Signalgeber einrichtung. Die Grundplatte 1 kann auf einen zusätzlichen metallischen Kühlkörper aufgebracht sein, um die Wärmeablei tung von den LEDs zusätzlich zu verbessern, so daß diese mit höherem Strom betrieben werden können und somit die Lichtaus beute gesteigert werden kann. Die Grundplatte 1 kann in einer Steckvorrichtung mit einer schlitzförmigen Öffnung aufgenommen werden, welche gleichzeitig als Spannungsversor gung für die LEDs dient.

Auf einer optischen Achse A ist in einem vorgegebenen Abstand von der Grundplatte 1 ein Kondensor 3, vorzugsweise eine Fresnellinse derart angeordnet, daß die optische Achse A durch ihren Mittelpunkt verläuft. Als Fresnellinse kann eine Standard-Fresnellinse verwendet werden, die üblicherweise aus Kunststoff im Spritzgußverfahren hergestellt wird und die Form einer Kreisscheibe mit einem Standard-Durchmesser von 200 mm aufweist. Der Kondensor 3 hat die Aufgabe, das von den LEDs abgestrahlte Licht ins Unendliche zu projizieren. In Strahlrichtung kann hinter dem Kondensor 3 noch zusätzlich eine Abschlußscheibe 4 verwendet werden. Als Abschlußscheibe 4 kann die in üblichen Straßenverkehrssignalen bereits im Einsatz befindliche Streuscheibe verwendet werden, die jedoch auf die Abstrahlcharakteristik keinen wesentlichen Einfluß mehr hat.

Vorteilhaft ist es, wenn lediglich die Leuchtdichteverteilung der LEDs ins Unendliche projiziert wird, nicht jedoch die Punktmatrix der LEDs, wenn also die optische Abbildung nicht exakt ausgeführt wird. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, daß die Grundplatte 1 nicht exakt in der Brennebene des Kondensors 3 angeordnet wird.

Eine andere Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Anordnung sitzt die Grundplatte 1 bzw. die LEDs 2 exakt in der Fokusebene des Kondensors 3, dieser weist jedoch auf seiner den LEDs 2 zugewandten Oberfläche zusätzlich kleine optische Strukturen auf, die zu einer gezielten Defokussierung führen. Bevorzugterweise werden die optischen Strukturen durch kleine, nicht den einzelnen LEDs zugeordneten Kugellinsen mit einer relativ zu dem Abstand der Grundplatte 1 zu dem Kondensor 3 kleinen Brennweite gebildet. Insbesondere hat sich gezeigt, daß bei einer standardmäßigen Verkehrssignalanlage aufgrund der darin gegebenen Abmessungen Kugellinsen mit einer Brennweite von 1/6 des Abstandes Grundplatte-Kondensor vorteilhaft eingesetzt werden können.

Durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnungen kann ohne komplizierte optische Strukturen erreicht werden, daß eine normgerechte Lichtstärke- und Leuchtdichteverteilung gegeben ist. Da sich der Abstrahlbereich fast ausschließlich auf den Raumbereich unterhalb der optischen Achse A be schränkt, sind von Phantomlichtquellen (Sonneneinstrahlung), die von oberhalb der optischen Achse A auf die Signalgeber einrichtung einstrahlen, keine störenden Reflexe zu erwarten, da die Strahlung einer Lichtquelle, die von oben auf die Signalgebereinrichtung einstrahlt, durch die Fresneloptik auf einen Punkt fokussiert wird, der außerhalb der LED-Anordnung auf der Grundplatte 1 liegt. Die Grundplatte 1 kann zur zusätzlichen Unterdrückung von Phantomlichtreflexen an den Stellen, an denen keine LEDs positioniert sind, auch noch schwarz eingefärbt sein.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Metallisie rungsstruktur auf einer Platine zum Aufbringen von SMT fähigen Power-TOPLEDs® dargestellt. Derartige LEDs weisen üblicherweise einen Anoden- und drei Kathodenanschlüsse auf, so daß für jede LED vier Anschlußpads notwendig sind. Bei jeder dargestellten Vierergruppe von Anschlußpads wird somit eine LED im SMT-Verfahren aufgelötet. Durch die resultierende Verteilung der LEDs wird eine normgerechte Abstrahlcharakte ristik einer Signalgebereinrichtung erzielt. Durch die groß flächigen Anschlußpads +/- wird die gesamte elektrische Schaltung in dem Steckverbinder elektrisch kontaktiert. Die Verwendung derart kleiner Standard-LED-Bauformen ermöglicht aufgrund der kleinen Baugröße den Einsatz vieler voneinander unabhängiger Einzel-LEDs, was bei geeigneter Bestromung die Funktionsfähigkeit des Signals trotz eines eventuellen Aus falles einzelner LEDs gewährleistet. Dieser Aspekt ist vor allem für den Einsatz in Bereichen des Schienenverkehrs (Bahnübergänge) von Bedeutung, da hier besonders hohe Anfor derungen an die Betriebssicherheit der Signale gestellt werden.

Die Abstrahlcharakteristik der optischen Signalgebereinrich tung der vorliegenden Erfindung ist über die Anordnung der Leuchtelemente exakter einstellbar als über komplizierte optische Strukturen. Es ist nur die Anordnung der LEDs auf der Grundplatte 1 und eine Standard-Fresneloptik notwendig. Die in Ampel- und Signalanlagen üblicherweise bereits eingebaute Abschlußstreuscheibe kann weiterverwendet werden, da sie keinen wesentlichen Beitrag zur Lichtverteilung mehr liefert.

In Fig. 3 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt, der von der Art und Weise der Erzielung der Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung unabhängig zu sehen ist. Eine in Fig. 3 gezeigte Signalgebereinrichtung weist eine Grundplatte 1 und eine Mehrzahl darauf angeordne ter Leuchtelemente 2 auf. In einem Abstand davon ist auf einer optischen Achse A ein Kondensor 3, vorzugsweise eine Fresnellinse, angeordnet, deren Aufgabe es ist, das von den Leuchtelementen 2 abgestrahlte Licht ins Unendliche zu projizieren. Die Grundplatte 1 mit den Leuchtelementen 2 ist im wesentlichen in der Brennebene der Fresnellinse angeord net. Um die Lichtsammelcharakteristik der Fresnellinse zu erhöhen, ist dieser nach außen gewölbt. Anders gesagt, ist die Fresnellinse derart geformt, daß vom Mittelpunkt bis zum Rand verlaufende Linien einen Bogen um die Grundplatte 1 beschreiben, also in Richtung auf die Grundplatte 1 gekrümmt sind.

Da als Fresnellinse eine kreisförmige Standard-Fresnelscheibe verwendet wird, die aus einem Kunststoff im Spritzgußverfah ren hergestellt wird, läßt sich eine derartige Scheibe relat iv einfach mit einer gewünschten Krümmung herstellen. Durch die Verwendung einer derartigen Fresnellinse kann somit die Lichtausbeute einer erfindungsgemäßen optischen Signalgeber einrichtung gesteigert werden.

Die beiden Aspekte der vorliegenden Erfindung können auch miteinander kombiniert werden. Ein - wie in Fig. 3 be schrieben - gewölbter Kondensor 3 kann demgemäß auch bei einer wie in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Ausfüh rungsform einer optischen Signalgebereinrichtung zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste

1

Grundplatte

2

Lichtemissionsdioden

3

Kondensor

3

A Kugellinsen

4

Abschlußscheibe
A Optische Achse

Claims

1. Optische Signalgebereinrichtung, mit

- einer Mehrzahl von Leuchtelementen (2), die auf einer Grundplatte (1) angeordnet sind, und
- einem Kondensor (3), der in einem festgelegten Abstand von den Leuchtelementen (2) auf einer optischen Achse (A) angeordnet ist, um das von den Leuchtelementen (2) abge strahlte Licht ins Unendliche zu projizieren,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine bestimmte vorgegebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung einzig durch die Anordnung der Leucht elemente (2) auf der Grundplatte (1) erzielt wird.

2. Optische Signalgebereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Leuchtelemente (2) geringfügig außerhalb der Fokusebene des Kondensors (3) liegen.

3. Optische Signalgebereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Leuchtelemente (2) in der Fokusebene des Kondensors (3) liegen, und
- auf dem Kondensor (3), insbesondere auf dessen, den Leuchtelementen (2) zugewandten Oberfläche optische Struk turen für eine gezielte Defokussierung angeordnet sind.

4. Optische Signalgebereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- die optischen Strukturen Kugellinsen (3A) sind, die
- auf der Oberfläche des Kondensors (3) derart angebracht sind, daß ihre gewölbte Fläche den Leuchtelementen (2) zugewandt ist, und
- eine relativ zu dem Abstand Grundplatte (1)-Kondensor (3) kleine Brennweite, insbesondere 1/6 davon aufweisen.

5. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorge nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kondensor (3) eine Fresnellinse ist.

6. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Leuchtelemente (2) LEDs, insbesondere SMT-fähige LEDs sind.

7. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (1) eine Platine, insbesondere eine Metallkernplatine, ist.

8. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (1) auf einem Kühlkörper aufgebracht ist.

9. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (1) außerhalb der Bereiche der Leucht elemente (2) schwarz eingefärbt ist.

10. Optische Signalgebereinrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kondensor (3) nach außen gewölbt ist.

11. Optische Signalgebereinrichtung, mit

- einer Mehrzahl von Leuchtelementen (2), die auf einer Grundplatte (1) angeordnet sind, und
- einem Kondensor (3), der in einem festgelegten Abstand von den Leuchtelementen (2) auf einer optischen Achse (A) angeordnet ist, um das von den Leuchtelementen (2) abge strahlte Licht ins Unendliche zu projizieren, wobei
- eine bestimmte vorgegebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung durch die Anordnung der Leuchtelemente (2) auf der Grundplatte (1) und/oder durch die optischen Eigenschaften einer gegebenenfalls vorhandenen Streulinse nach gewählten Vorgaben erzielt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kondensor (3) nach außen gewölbt ist.

12. Optische Signalgebereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kondensor (3) eine Fresnellinse ist.