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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine funkgesteuerte Signalleuchte mit einer Punktlampe und
einer fotovoltaischen Zelle zur Speisung der inneren Schaltungen.
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AUSGANGSSITUATION
DER ERFINDUNG
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Die bekannten Signalleuchten sind
mit einer Punktlampe ausgerüstet,
um Gebiete zu kennzeichnen, in denen Arbeiten an öffentlichen
Bauten bzw. Einrichtungen stattfinden. Hierbei geht es hauptsächlich um Straßenarbeiten,
bei denen zum Beispiel zeitweilige Umleitungen zu kennzeichnen sind.
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Im Allgemeinen erhalten diese Leuchten
Strom aus einem elektrischen Generator und sind untereinander durch
Stromkabel verbunden. Ein gravierender Nachteil dieses Systems besteht
darin, dass eine externe Energiequelle benötigt wird, um die Leuchtengruppe
zu speisen. Die erwähnten
elektrischen Generatoren sind für
gewöhnlich
sehr groß und
somit nur unter Schwierigkeiten von Ort zu Ort zu bewegen. Andererseits führt ein
an einer beliebigen Stelle auftretender vorsätzlicher oder unabsichtlicher
Kabelbruch zum Stromausfall in einer oder allen Leuchten der Gruppe.
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Bei einem anderen bekannten System
weisen alle Signalleuchten eingebaute Batterien auf. Diese Konstruktion
vermeidet zwar die Gefahr von Kabelbrüchen, führt aber zu hohen Kosten, da
die Batterien regelmäßig auszutauschen
sind. Außerdem
muss jede Leuchte einzeln und manuell ein- und ausgeschaltet werden,
wodurch viel Zeit verloren geht und nur schwer zu kontrollieren
ist, ob die einzelnen Leuchten gerade ein- oder ausgeschaltet sind.
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Im internationalen Patent WO-9313984-A
von William Lane wird ein Beleuchtungssystem für Start- und Landebahnen auf
Flughäfen
beschrieben, das Flugzeuge beim Landevorgang unterstützt. Dieses
Beleuchtungssystem umfasst eine Punktlampe, eine Batterie, Solarzellen
und eine Antenne, die den Empfang eines Signals erfasst und die
Punktlampe einschaltet. Außerdem
verfügt
die Vorrichtung über
einen lichtempfindlichen Schalter. Dieser gewährleistet, dass die Punktlampe
tagsüber
nicht eingeschaltet ist.
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Im internationalen Patent WO-9205612-A
von Italsolar S.p.A. wird ebenfalls ein Beleuchtungssystem für Flughäfen beschrieben.
Dieses System umfasst ein oder mehrere fotovoltaische(s) Modul(e),
eine Batterie, einen Laderegler, ein Stromversorgungs- und Steuermodul,
eine oder mehrere Punktlampen und eine Einheit zur Schaltung und
Fernschaltung. Das Stromversorgungs- und Steuermodul verfügt über einen
Mikroprozessor, der die internen elektrischen Funktionen und einen
Transmitter steuert.
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Im spanischen Patent 9400035 von
Jose Jorba Gonzalez wird ein Signalkegel beschrieben. Dieser umfasst
eine Punktlampe, die in ein hohles Gehäuse eingebaut ist, in dem sich
auch eine Batterie und eine Schaltvorrichtung befinden. Der Kegel
umfasst auch Solarzellen und eine Vorrichtung zum Empfang elektromagnetischer
Strahlung. Die Schaltvorrichtung schaltet die Punktlampe ein, wenn
die Empfangsvorrichtung elektromagnetische Strahlung empfängt, die
durch einen Transmitter ausgesendet wird, der sich in einiger Entfernung
befindet.
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Alle erwähnten Patente weisen eine Reihe
von gravierenden Nachteilen auf, die weiter unten beschrieben werden.
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Alle erwähnten Systeme haben eine Nennaufnahme,
was zu einer, wenn auch sehr geringen, Entladung der Batterie führt. Diese
Entladung erfolgt auch dann, wenn die Systeme nicht in Betrieb sind,
und reduziert somit deren Gesamtbetriebsdauer im autonomen Betrieb.
Andererseits ist aufgrund der Konfiguration der Solarzellen die
Energiebilanz der oben erwähnten
Systeme hinsichtlich der für
die Systeme erforderlichen Energiekennlinien äußerst mangelhaft.
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Schließlich sind diese Systeme nicht
sehr anpassungsfähig,
so dass sie nur für
ganz bestimmte Anwendungen ausgelegt sind und keinen vielseitigen
Einsatz erlauben, zum Beispiel in Zäunen oder bei der Spurtrennung
auf Straßen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit der erfindungsgemäßen Signalleuchte
werden die erwähnten
Nachteile überwunden
sowie weiter unten beschriebene Vorteile erzielt.
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In der Signalleuchte umfasst der
Steuerkreis der Leuchtanzeige einen Zeitschalter und eine logische Schaltung
zur Polarisierung des Zeitschalters und der Leuchtanzeige. Die Signalleuchte
ist gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung zum Abschalten des
Energiespeichers bei Stapelung der Leuchten, wobei die Signalleuchte
weiterhin einen Stab aufweist, dessen eines Ende mit der Schaltvorrichtung
(23) in Kontakt steht, während das andere Ende frei
bleibt und durch die bei Stapelung darunter liegende Signalleuchte
aktiviert wird.
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Auf diese Art und Weise entsteht
eine stapelbare, automatisch abschaltbare und äußerst vielseitige Signalleuchte
ohne jegliche Nennaufnahme.
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Vorzugsweise besteht die fotovoltaische
Zelle aus 16 gleichen Zellelementen, die in Serie geschaltet sind
und eine Mindestgesamtfläche
von 100 cm2, vorzugsweise 120 cm2, bilden.
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In dieser Konfiguration entsteht
ein Stromversorgungssystem mit einer positiven Energiebilanz, das den
autonomen und funktionsgerechten Betrieb der Leuchte mehr als ausreichend
gewährleistet.
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Erfindungsgemäß besteht die RF-Transmitter-Codier-Schaltung
aus einer Antenne, einem Transmitter, einem Codierer, zahlreichen
Mikroschaltern und einem Widerstandsblock.
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Die Transmitter-Codier-Schaltung
generiert ein 9-Bit-Raster, das per Funk übertragen wird und die Daten
enthält,
die für
die Steuerung des Betriebs der Leuchte durch die Schaltung erforderlich
sind.
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Vorzugsweise besteht die Receiver-Decoder-Schaltung
aus einer Antenne, einem Receiver, einem Decoder, zahlreichen Schaltern
und einem Widerstandsblock.
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In dieser Konfiguration wird das
per Funk übertragene
9-Bit-Raster durch die Transmitter-Codier-Schaltung generiert und
so decodiert, dass es durch den Steuerkreis interpretierbar ist.
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Vorteilhafterweise besteht die Leuchtanzeige
wenigstens aus einer LED-Diode
mit hoher Leuchtstärke.
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Je nach Anwendungsbereich der Leuchte
sind Anzahl und Platzierung der vorhandenen LED-Dioden zu variieren.
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Außerdem besteht die Signalleuchte
aus einem Träger,
in dessen Inneren der Energiespeicher angeschlossen ist.
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Die Konfiguration dieses Trägers kann
sehr unterschiedlich sein. Daraus ergibt sich die oben erwähnte Vielseitigkeit
der Signalleuchte. Somit ist es möglich, die Leuchte in unterschiedlichen
Situationen einzusetzen, zum Beispiel auf dem Boden, an Zäunen oder
in den Mittelstreifen zwischen den einander entgegengerichteten
Fahrspuren einer Straße.
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Erfindungsgemäß schließt die Signalleuchte ein Radargerät im Inneren
des Trägers
ein.
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Beim Einsatz der Leuchte auf Straßen ist
die Geschwindigkeit der Fahrzeuge mit Hilfe des Radargeräts kontrollierbar.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, dass
der Energiespeicher aus einer Bleibatterie besteht.
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Es ist auch wichtig, darauf hinzuweisen,
dass die von der Transmitter-Codier-Schaltung gesendeten Signale in einem
Frequenzbereich von 25 bis 1.000 MHz liegen und dass diese Schaltung
eine Sendeleistung von weniger als 10 mW hat.
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Somit sind Ausrüstungen mit geringer Sendeleistung
verwendbar, wobei es einige Einschränkungen hinsichtlich des reduzierten
Einsatzes gibt. In diesem Frequenzbereich ist die Leuchte also einsetzbar,
ohne dass vorher eine Lizenz beantragt werden muss.
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Die Signalleuchte hat einen Stab,
dessen eines Ende mit der Schaltvorrichtung in Kontakt steht, während das
andere Ende frei bleibt.
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Bei Stapelung der Signalleuchten
wird der Stab durch die Abdeckung der unmittelbar darunter liegenden
Leuchte aktiviert. Der Stab aktiviert dann indirekt den Schalter,
der die Energiezufuhr an die Schaltungen der Leuchte unterbricht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um das bisher Beschriebene noch verständlicher
zu machen, sind einige Zeichnungen beigefügt. Diese veranschaulichen
schematisch und lediglich in Form eines die Erfindung nicht einschränkenden
Beispiels einen praktischen Fall der Ausführung der Erfindung.
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In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Darstellung einer erfindungsgemäßen Signalleuchte
in aufgelösten
Einzelteilen;
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2 ein
Blockschaltbild der Signalleuchte in 1;
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3 ein
elektronischer Schaltplan für
die Steuerung der Leuchtanzeigen der Signalleuchte in 1 und der Receiver-Decoder-Schaltung
der Leuchte; und
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4 ein
elektronischer Schaltplan der Transmitter-Codier-Schaltung der erfindungsgemäßen Leuchte.
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BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Wie in 1 zu
sehen ist, besteht die erfindungsgemäße Signalleuchte (1)
aus folgenden Teilen: eine Abdeckung (2) zum Schutz des
Inneren der Leuchte, eine fotovoltaische Zelle (3), eine
Leiterplatte (4) mit allen Schaltungen der Leuchte (1)
(siehe 3), eine Membran
(5), eine Hülle
(6), eine Batterie (7) für die Lieferung von Strom an
die Leuchte (1) und ein Träger (8) der Leuchte
(1).
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In 1 ist
der Träger
(8) der Leuchte (1) ein Kegel mit abgeschnittenem
Oberteil. In dieser Ausführungsform
ist die Leuchte (1) für
die Signalgebung in allen denkbaren Situationen, zum Beispiel auf
einer Straße,
verwendbar. Es ist auch möglich,
die Leuchte (1) zusammen mit anderen Arten von Trägern einzusetzen, zum
Beispiel typischerweise an solchen Trennzäunen, die in Städten zu
finden sind, an Schutzzäunen
auf Straßen
oder in den Mittelstreifen zwischen den einander entgegengerichteten
Fahrspuren einer Straße.
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Aufgrund ihrer ausgeprägten Vielseitigkeit
ist die erfindungsgemäße Leuchte
(1) an jedem Ort und zur Signalisierung in allen denkbaren
Situationen einsetzbar.
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2 zeigt
das Blockschaltbild der Leuchte (1). Es ist deutlich erkennbar,
dass die Schaltungen aus einer fotovoltaischen Zelle (3),
einer Schutzdiode (10), der Batterie (7) zur Speicherung
der durch die fotovoltaische Zelle (3) erzeugten Energie,
einer elektronischen Steuer- und Receiver-Decoder-Schaltung (4)
und zahlreichen Leuchtanzeigen (13) bestehen.
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Die fotovoltaische Zelle (3)
ist in 16 gleiche, in Serie geschaltete Elemente mit einer Gesamtoberfläche von
ungefähr
120 cm2 unterteilt, um unter Standardbeleuchtungsbedingungen
ein Leerlaufpotenzial von 9,2 V und einen Kurzschlussstrom von 200
mA zu erreichen. In dieser Konfiguration konnten bei Versuchen Bestrahlungsstärkenwerte
nahe 800 W/m2 mit einer Zellausgangsspannung
von bis zu 9 Volt und einer Stromstärke von bis zu ca. 200 mA (unter
guten Bestrahlungsstärkenbedingungen)
erreicht werden. Aus all diesen Daten ergibt sich eine positive
Energiebilanz und die mehr als ausreichende Gewährleistung des Betriebs der
Leuchte.
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Die Schutzdiode (10) ist
eine Schottky-Diode mit einer Spannung Vf =
0,32 V.
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Die Batterie (7) ist eine
Bleibatterie mit 6 V und 5 Ah. Es ist auch möglich, eine Batterie mit 6
V und 4 Ah zu verwenden, doch würde
sich dann die autonome Betriebsdauer der Leuchte (1) reduzieren.
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Die Leuchtanzeigen (13)
bestehen aus einer Gruppe von 6 LED-Dioden mit hoher Leuchtstärke. Die Farbe
des durch die LED-Diode ausgestrahlten Lichts kann variieren, doch
die Farben Rot (635 nm), Orange (618 nm), Bernstein (588 nm), Grünlich-Gelb
(570 nm) und Grün
(560 nm) treten hervor. Diese LED-Dioden erreichen bei einem Strompegel
von 20 mA eine Helligkeit von 10 bis 25 cd.
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3 zeigt
einen elektronischen Steuerkreis (14) mit den Leuchtanzeigen
(13). Dieser besteht aus einem Zeitschalter CMOS 555 (15)
mit stabiler Konfiguration und einer Arbeitsfrequenz von 1 Hz mit
einer Periode von 91,5%. Dadurch leuchten die LED-Dioden (13)
periodisch jede Sekunde auf. Dabei befindet sich der Ausgangswert
des Zeitschalters (15) in einem niedrigen Bereich und die
Dauer des Aufblinkens beträgt
ca. 80 ms. Der Steuerkreis (14) besteht auch aus einem
Block (16), der die logische Funktion der Polarisierung
des Zeitschalters (15) und der LED-Dioden (13) ausführt. Der
Block (16) basiert auf einem 74HC00, wo nur zwei der vier
NAND-Ports (17) benutzt werden. Die Eingangsvariablen des
Blocks (16) sind das Aufleuchtsignal (18), das
Signal für
den Dämmerlicht-Modus
(19) und das Signal, das die Abwesenheit von Umgebungslicht anzeigt
(20).
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Die Signale (18) und (19)
kommen per Funk von einer Transmitter-Codier-Schaltung (22), während das
Signal (20) direkt die Ausgangsspannung der fotovoltaischen
Zelle (3) ist. Der Pegel dieses Signals (20) ist
hoch (Wert 1), wenn die Zelle (3) beleuchtet ist, und niedrig
(Wert 0), wenn die Zelle (3) nicht beleuchtet ist. Die
folgende Tabelle zeigt den Status der LED-Dioden (beleuchtet oder
ausgeschaltet), die Bestandteile der Leuchtanzeigen (13)
sind. Gegenübergestellt
sind die Werte der logischen Eingangsvariablen des Blocks (16):
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Der elektronische Steuerkreis (14)
besteht auch aus einem ultraminiaturisierten Schalter (23),
zum Beispiel ein SPTD-Miniaturschalter, der durch einen Hebel aktiviert
wird. Dieser Schalter (23) schaltet die Energieversorgung
an die Leuchten (1) ab, wenn diese gestapelt werden. Der
Schalter aktiviert sich selbst mit Hilfe eines (nicht gezeigten)
Stabes. Dieser Stab steht einerseits in Kontakt mit dem Schalter
(23), während
er andererseits frei ist und durch die Abdeckung (2) der
Leuchte (1), die sich unter ihm befindet, aktiviert wird.
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Der Spannungseingang (24)
entspricht dem Pluspol der Batterie (7), während die
restlichen Bauteile Teil der Konfiguration des Zeitschalters (15)
sind und für
dessen ordnungsgemäßes Funktionieren
notwendig sind. Somit muss keine Analyse durchgeführt werden.
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3 zeigt
die Receiver-Decoder-Steuer-Schaltung (21), die das durch
die elektronische Transmitter-Codier-Schaltung (22) übertragene
Signal empfängt
und decodiert. Diese Schaltung besteht aus einer Antenne (25),
einem Receiver-Kreis (26), einem Decoder (27),
zahlreichen Miniaturschaltern (28) und einem Widerstandsblock
(29).
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Die Antenne (25) basiert
auf einer ⎕/4-Monopolantenne. Bei ihrer Auswahl müssen ihre
Größe, der
Bereich der funkgesteuerten Aktivierung und die Einfachheit der
Konstruktion berücksichtigt
werden.
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Der Receiver (26) ist ein
RX1005 von RFM, also ein ASH-Receiver, der ein breites Intervall
von Impulsmodulationen erlaubt. Er weist einen sehr geringen Verbrauch
auf, ist ohne jegliche Lizenz einsetzbar und zeichnet sich durch
eine große
Vielseitigkeit beim Codieren bzw. Decodieren der Informationen aus.
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Der Decoder (27) ist ein
Motorola MC45027, ein integrierter CMOS-Schaltkreis mit geringem Verbrauch,
der die Informationen interpretieren kann, die durch die elektronische
Transmitter-Codier-Schaltung (22) übertragen werden. Diese Informationen
bestehen aus einem 9-Bit-Raster, wovon die ersten fünf Bits Adressbits
sind, was 243 unterschiedliche Adressen mit trinärer Codierung und 32 Adressen
mit binärer
Codierung ermöglicht.
Die restlichen vier Bits sind Datenbits, von denen zwei verwendet
werden – das
eine für das
Signal (18) und das andere für das Signal (19).
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Die Miniaturschalter (28)
werden dazu verwendet, den fünf
Bits die Adresse zuzuweisen (ein Miniaturschalter – ein Bit),
während
der Widerstandsblock (29) in Bezug auf jeden Decoder-Adresseingang
(27) die Wahl zwischen einem hohen und einem niedrigen
Pegel ermöglicht.
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4 zeigt
die elektronische Transmitter-Codier-Schaltung (22). Diese
Schaltung codiert die Signale und überträgt sie per Funk an die Leuchte
(1). Die Schaltung besteht aus einer Antenne (30),
einem miniaturisierten Transmitter (31) und einem Codierer
(32).
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Die Antenne (30) basiert
auf einer ⎕/4-Monopolantenne. Bei ihrer Auswahl müssen ihre
Größe, der
Bereich der funkgesteuerten Aktivierung und die Einfachheit der
Konstruktion berücksichtigt
werden.
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Der verwendete miniaturisierte Transmitter
(31) ist auf die Übertragungsfrequenz
von 433,92 MHz eingestellt. Dafür
wird in Europa keine Lizenz benötigt,
da der Transmitter den gültigen
Bestimmungen hinsichtlich des von ihm verwendeten Frequenzbandes
entspricht. Der Transmitter generiert aus den Rastern, die er vom oben
erwähnten
Codierer (32) erhält,
eine Ein-Aus-Tastungs-Modulation (OOK).
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Der Codierer (32) generiert
die 9-Bit-Raster, die der Transmitter (31) für die Modulation
verwendet. Die ersten fünf
Bits sind Adressbits und entsprechen dem Wert, der den ersten fünf Eingangsstiften
des Codierers (32) zugewiesen ist, während die restlichen vier Bits
Datenbits sind. Von diesen vier Bits werden nur zwei für die Signale
(18) und (19) benötigt. Die restlichen Bauteile,
die in der Figur dargestellt sind, dienen der Erzeugung einer Bitperiode
von 14 ms, die eine Übertragungsgeschwindigkeit
von 72 bps ermöglicht.
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Die Adressen, die aus den ersten
fünf Bits
der Raster gebildet werden, werden mit Hilfe der Baugruppe zugewiesen,
die aus den Miniaturschaltern (33) und dem Widerstandsblock
(34) besteht. Der Widerstandsblock ermöglicht in Bezug auf jeden Codierer-Adresseingang
(32) die Wahl zwischen einem hohen und einem niedrigen
Pegel. Dieses binäre
Codierverfahren erlaubt also die Unterscheidung zwischen insgesamt
32 unterschiedlichen Adressen.
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Die erfindungsgemäße Leuchte (1) funktioniert
wie folgt:
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Nach der Platzierung der Leuchten
(1) am gewünschten
Ort werden sie bei Bedarf eingeschaltet. Zu diesem Zweck muss die
fotovoltaische Zelle (3) Energie erzeugen, die in der Batterie
(7) gespeichert wird. In der elektronischen Transmitter-Codier-Schaltung
(22) generiert der Codierer (32) das 9-Bit-Raster,
wovon die ersten fünf
Bits Adressbits sind, bestimmt durch die Miniaturschalter (33)
und den Widerstandsblock (43). Die restlichen vier Bits
sind Datenbits. Das Raster wird durch den Transmitter (31) über eine
Antenne (30) per Funk auf einer Übertragungsfrequenz von 433,92
MHz übertragen.
Die elektronische Receiver-Decoder-Schaltung (21) empfängt das
Raster über
eine Antenne (25). Dieses Raster gelangt zum Receiver (26)
und anschließend zum
Decoder (27), der die in der elektronischen Transmitter-Codier-Schaltung
(22) im Raster codierten Informationen interpretiert. Zu
diesem Zweck ist es notwendig, dass die Miniaturschalter (28)
und der Widerstandsblock (29) die fünf Adressbits repräsentieren,
die mit den fünf
Adressbits des Rasters übereinstimmen,
das durch die Transmitter-Codier-Schaltung (22) generiert
wird.
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Anschließend generiert der Decoder
die Signale (18) und (19), die zum elektronischen
Steuerkreis (14) der Leuchte (1) gelangen. Die
Signale (18) und (19) werden zusammen mit dem
Signal (20), das direkt die Ausgangsspannung der fotovoltaischen
Zelle (3) ist und die Anwesenheit bzw. Abwesenheit von
Licht repräsentiert,
vom Block (16) empfangen, der den Zeitschalter (15)
und die LED-Dioden (13) polarisiert, wobei die Leuchte
(1) entsprechend dem empfangenen Signal ein- oder ausgeschaltet
wird. Wenn die Dioden (13) erleuchtet werden, ist die Leuchte
(1) so konfiguriert, dass sie jede Sekunde aufleuchtet.
Dabei beträgt
die Dauer des Aufblinkens 80 ms.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die Leuchte (1) im Inneren ihres Trägers (8)
auch ein Radargerät,
um die Geschwindigkeit der sich auf der Straße bewegenden Fahrzeuge zu
Kontrollzwecken zu registrieren. Bei einer Geschwindigkeitsübertretung
fotografiert das Radargerät
das betreffende Fahrzeug automatisch, um dem Fahrzeugführer sein
Vergehen nachweisen zu können.
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In der Beschreibung ist auf eine
spezifische Ausführungsform
der Erfindung Bezug genommen worden. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich,
dass die Signalleuchte in vielerlei Hinsicht variier- und modifizierbar
ist und alle erwähnten
Einzelheiten durch andere, technisch äquivalente austauschbar sind,
ohne vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
