EP1091167A2 - Signalgeber mit LED-Reihen - Google Patents

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Publication number
EP1091167A2
EP1091167A2 EP00890305A EP00890305A EP1091167A2 EP 1091167 A2 EP1091167 A2 EP 1091167A2 EP 00890305 A EP00890305 A EP 00890305A EP 00890305 A EP00890305 A EP 00890305A EP 1091167 A2 EP1091167 A2 EP 1091167A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
led
optics according
condenser
signal generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00890305A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1091167A3 (de
Inventor
Franz Ing. Silhengst
Alexander Dipl.-Ing. Otto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Original Assignee
Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH filed Critical Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Publication of EP1091167A2 publication Critical patent/EP1091167A2/de
Publication of EP1091167A3 publication Critical patent/EP1091167A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/09—Arrangements for giving variable traffic instructions
    • G08G1/095—Traffic lights
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2111/00—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00
    • F21W2111/02—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00 for roads, paths or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • a high light intensity requires an LED arrangement that is as accurate as possible Light adaptation to the distribution regulations allowed to the existing Make optimal use of the amount of light. Because practically all LEDs do not emit light with the prescribed light distribution must either disproportionately more LED to be used throughout Distribution area to get enough light, or additional optics provided become.
  • the size of the phantom light is increased in Europe by the ratio of useful light Phantom light qualified and divided into classes, according to a German standard the phantom light must not exceed absolutely fixed values. In both cases, the sum of light from signal and phantom light must be the prescribed Comply with light colors for signal lights.
  • the specifications regarding the light color of the sum of light can be by Coloring the lens are met, which also the phantom light in to a much higher degree than the useful light is reduced. Further measures to lower the phantom light, as they are known, set one almost homogeneous, parallel beam path within the optics ahead, as he does hitherto through a parabolic reflector with a light source that is as punctiform as possible was generated, in which slats or light grid are used, or they focus the useful light on small openings, which are in a defined grid a black matt cover are attached, which the incident sunlight mostly absorbed. There are also other options for conventional signals with a single point light source, which here are not relevant.
  • Another assessment criterion is the overall depth. The lower the more There are design options for the signal generator itself, but also all the more more additional components such as detectors and controls can be found in the accommodate existing housings.
  • a generally widespread version has one in the front of the Signal chamber inserted flat matt black disc, which mostly as Printed circuit board and is provided with a voltage supply. She is with a sufficient number of individual light-emitting diodes in the appropriate light color, evenly distributed over the entire area, equipped and is by one superior, transparent cover plate protected against weather, which often also contains optical elements to improve light distribution. Furthermore are also known simpler versions, where LEDs are directly sealed in one advantageously black carrier plate are used and their connections in a suitable circuit board behind is soldered or freely wired.
  • a disadvantage of these simple embodiments is the need for lack need to use a particularly large number of LEDs in order to ensure precise lighting control
  • the recognizability of each individual LED especially with failures, as well as high phantom light, which by The LED is illuminated directly by the sun. It can by known means can not be eliminated because there is no parallel beam. But the depth is very small.
  • Patent application A 1623/97 also has a lens plate, on which a condenser is attached in front of each LED. At a greater distance in front of it is a conventional spreading disc. Between lens plate and Diffuser, the light is guided essentially in parallel, so that known Phantom light inserts can be used. The failure of some LEDs is caused by slight defocusing and a large distance between the lens plate and Cover screen veiled. The disadvantage is that the defocusing accordingly generates higher light losses in the phantom light inserts. For an effective Veiling, however, would require such a large distance that the use in would not fit an existing signal generator. Therefore in practice that is visual appearance is impaired, especially with partial assembly. The depth is kept as deep as possible.
  • This type of construction results in particular from the unfocused, blurred image the LED arrangement a homogeneous light distribution and excellent uniform appearance of the light signal, even if one or several LEDs.
  • this version can not meet too high brightness requirements because the light due to the size of the luminous surface and the blurred image shows a very large divergence despite the condenser lens.
  • the phantom light is also very high, because for the same reasons a lot of sunlight also shines on the LED arrangement falls.
  • the known ones phantom light-lowering devices cannot be used.
  • the housing as a heat sink. Since it is because of better heat dissipation as well as being colored black due to the reduction in phantom light, Solar radiation is heated accordingly, which increases the light output of the LED sinks. After all, the overall depth is relatively high.
  • Patent application A 488/99 shows one possibility Use of a lamella insert without a parallel beam.
  • the LEDs there are narrow limits for the arrangement of the LEDs, especially one low height. With such an arrangement, it is admittedly sufficiently low Phantom light achievable, but it is currently not possible to get higher light values because there are not enough LEDs lined up in the available space can be.
  • Another disadvantage is the limitations of the Front lens design regarding the position and the achievable light distribution. therefore there is also the risk of a slightly striped appearance. The Construction depth is greater than in the previous version because additional slats are to be accommodated.
  • there is also an inclined design of the optics which shows the phantom light generating reflections of the steps between the Avoids front lens elements.
  • the object of the invention is to provide an LED signal insert with a small overall depth develop, which also through the installation of phantom light-lowering agents can meet the highest phantom light classes and as little useful light as possible loses its light distribution as closely as possible to the distribution regulations is customizable and thus reaches the highest brightness level, as well as with a uniform visual appearance, even if some LED fails is not significantly affected.
  • each condenser preferably at least two LEDs in one at a distance of the focal length horizontal row are arranged, the light rays of which are captured by the condenser, largely parallel in accordance with the optical laws in vertical section appear directed and with a divergent light beam in the horizontal direction Generate main beam directions corresponding to the LED array.
  • sensor types with condenser optics have basically been in two groups divisible.
  • a group there is a condenser in front of each individual LED, which collects the light and can form a parallel light alignment, thus using conventional means a sufficiently low phantom light is achieved.
  • the achievable brightness is extremely large because of the parallelism of all light rays any other light distribution can also be achieved exactly.
  • one is disadvantageous certain recognizability of individual LEDs, especially in the case of partial assembly and LED failures, the appearance leaves a lot to be desired.
  • the LED is connected in such a way that in the event of a short circuit or Interruption by a single damaged LED in the affected LED in different rows and as far apart as possible, so that only one LED can fail at a time in each row.
  • Another requirement for a good appearance is that the condensers seamlessly adjoin and the same brightness as possible in all zones exhibit. This can be done within certain limits and in coordination with the existing light distribution of the LED by constructive measures optical laws such as a curved structure of the condenser, different wall thicknesses and widths of the individual Fresnel rings as well additional optical structures on the entrance or exit surface, which the horizontal Divergence of the main beam directions equalize or change.
  • optical laws such as a curved structure of the condenser, different wall thicknesses and widths of the individual Fresnel rings as well additional optical structures on the entrance or exit surface, which the horizontal Divergence of the main beam directions equalize or change.
  • dark gussets between the Condensers by trimming the edge area or moving individual ones Condenser positions can be avoided. These edge losses are at a higher one
  • the number of condensers is relatively smaller because there is a smaller proportion of the condensers is affected.
  • a signal transmitter can thus be produced that both a great brightness through a precisely adjusted light distribution as well Possibility to lower the phantom light and even after the failure of some LED still offers an acceptable appearance.
  • FIG. 1 a shows an embodiment of the invention in a sectional plan, 1b in a sectional elevation and Fig.1 c in side view, Fig. 2 a Version in vertical section.
  • a circuit board (1) On a circuit board (1) are LEDs (2) in the form of horizontal rows (3) in one Hexagonal grid arranged. This is a transparent condenser plate (4) which are completely identical condensers (5) in Fresnel construction are arranged at the distance of the focal lengths (F). The centers of the Condensers (5) are aligned with the center of the LED rows (3). The The diameter of the condensers (5) is selected so that the light beams (6) of the LED (2) are captured as completely as possible by the condensers (5).
  • the Focal distance (F) are the light beams (6) in the vertical section of the front view Aligned in parallel, in the horizontal direction (floor plan), the divergence results (D).
  • the condenser plate (4) In front of the condenser plate (4) there is a lamella grid with horizontal ones Slats (7). They are attached and dimensioned in such a way that they illuminate the useful light in a known manner to let through largely unhindered, but from diagonally above absorb incident sunlight on its black matt top.
  • the look is closed at the front by a diffuser (8), which is smooth on the outside and an arrangement of scattering elements (8a) on the inside to achieve this the prescribed light distribution.
  • the circuit board (1) seals on your Circumference (1a) with a housing edge (9a).
  • the side view shows that the Condensers (5) are cut off at the edge, so that the gusset (11) between neighboring condensers (5), which are inevitably somewhat darker, no longer attract attention.
  • the circuit board (1) has a heat-distributing and stabilizing support, for example an aluminum sheet, the back of which is exposed. There can be Improving heat dissipation and increasing light output Surface coating, a heat sink or a Peltier element attached become.
  • the printed circuit board (1) is connected to the housing (9) in any way, that it can be easily replaced in the event of a fault.
  • the housing (9) has a black matt surface on the inside, which absorbs incoming sunlight.
  • the case back covers with the openings (10) from the circuit board (1) completely, which shiny and reflective surfaces such as bare conductor tracks, solder pads, other components etc. can also have their heating by Prevents solar radiation, which improves light output and durability become.
  • each LED (2a, 2b, 2c) forms a row (3) through the condensers (5) a main beam direction (12a, 12b, 12c), whereby the entire divergence (D) is determined, there are only insignificant scattered light rays in between. On Therefore, uniform appearance is required from all observation directions also a minimum horizontal scatter of the windscreen (8), which shows the angular value (S) between adjacent main beam directions.
  • An LED failure for example (2a), causes the affected condenser (5) viewed from the corresponding main beam direction (12a), remains dark while it appears undiminished bright from the other directions of observation.
  • This Appearance can be countered by adding a substantial amount of light with a large number of lens elements (8a) evenly distributed over the front screen (8) at least by twice the angle of two neighboring main beam directions (2xS) is scattered, then the front screen (8) also shines at the relevant point Light from the adjacent LED (2b) off.
  • the described design has further design options, which are already described in patent application A 488/99 (Swarco-Futurit) and on the one hand increase the useful light, on the other hand lower the phantom light.
  • the lens group (13) is shown, which is immediately in front of each LED row (3) sits and the light radiation (6) of the LED (2) exactly on the associated condenser (5) votes.
  • Fig. 2 shows this inclination of the axis, which is usually by light
  • the LED rows (3) are moved upwards from the condenser center. This also causes the parallel light beams to tilt downwards.
  • the slats (7) have been realigned to the light path.
  • the scattered rays of light (14) show the usual range of light distribution.
  • the decentralized arrangement of the LED (2) on the circuit board (1) not only brings Space savings in the wiring, safety distances or heat dissipation, Above all, it also enables a flat design.
  • the condensers can have different sizes and focal lengths have, the number of LEDs per row can vary as well as some Condensers can also be one to realize different bright signaling devices or to incorporate an improvement in the brightness of the LED. Also one Mixing with other components such as sensors, power supply, Monitoring modules etc. can be carried out on the circuit board. It can too multiple circuit boards may be provided.

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Abstract

Es wird ein Signalgeber in LED-Technik vorgestellt, welcher durch Kombination zweier bereits bekannter Bauweisen besondere Vorteile bezüglich Helligkeit, Lichtverteilung und visuellem Erscheinungsbild bietet. Auf einer Leiterplatte (1) sind LED (2) in Form von kurzen horizontalen Reihen (3) in einem Hexagonalraster angeordnet. Diesen ist eine transparente Kondensorplatte (4), auf welcher untereinander gleiche Kondensoren (5) in Fresnelbauweise lückenlos aneinandergrenzen, im Abstand der Brennweiten (F) vorzugsweise zentrisch vorgesetzt. Hierdurch werden die Lichtbündel (6) im Vertikalschniit des Aufrisses parallel ausgerichtet, in horizontaler Richtung ergibt sich eine Divergenz (D). Ein vorgelagertes Lamellengitter lässt das Nutzlicht in bekannter Weise weitgehend unbehindert durch und absorbiert auf seiner schwarzmatten Oberseite von schräg oben einfallendes Sonnenlicht. Die Optik wird vorne von einer Streuscheibe (8) mit bekannter Anordnung von Streuelementen (8a) zur Erzielung der vorgeschriebenen Lichtverteilung abgeschlossen. Hinten positioniert ein Gehäuse (9) Kondensorplatte (4) und Leiterplatte (1) zueinander. Es weist Durchbrüche (10) auf, durch welche die LED (2) ihr Licht senden. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Seit es gelungen ist, Leuchtdioden (LED) mit in der Signaltechnik vorgeschriebenen Lichtfarben herzustellen, wird versucht, damit Signalgeber wie Verkehrsampeln oder Eisenbahnsignale herzustellen. Mittlerweile haben sich einige Bauformen durchgesetzt, welche jedoch oft gravierende Nachteile aufweisen, insbesonders ist es bislang nicht möglich gewesen, die europäischen Normen für Signalgeber in anspruchsvollen Ausführungen bezüglich Helligkeit, Lichtverteilung und Phantomlicht (das ist die Vortäuschung eines eingeschalteten Signallichts durch einfallendes Sonnenlicht) zu erfüllen. Darüber hinaus lässt das Erscheinungsbild des leuchtenden Signals in vielen Bauformen im Vergleich zu den bisherigen Glühlampen-Signalen zu wünschen übrig. Ursache dieser Mängel ist einerseits die Notwendigkeit, das Signalbild aus vielen einzelnen LED aufzubauen, andererseits der Preis der LED, der eine möglichst sparsame und effektive Verwendung nahelegt, drittens die Annahme, dass für LED-Signale die bestehenden Normen nicht vollinhaltlich anzuwenden oder neue Normen festzulegen seien. Insbesonders herrscht jedoch bezüglich des Phantomlichts eine allgemeine Unkenntnis der Sachverhalte sowohl bei Kunden, als auch vielen Herstellern, welche oft Kleinbetriebe ohne entsprechende optische Fachkenntnisse sind, aber auch, weil die Phantomlichteigenschaften nur bei einem niedrigem Sonnenstand und frontaler Beleuchtungsrichtung erkennbar werden.
Eine hohe Lichtstärke erfordert eine LED-Anordnung, welche eine möglichst genaue Lichtanpassung an die Verteilungsvorschriften erlaubt, um die vorhandene Lichtmenge optimal auszunützen. Weil die Lichtabstrahlung praktisch aller LED nicht mit der vorgeschriebenen Lichtverteilung übereinstimmt, müssen entweder unverhältnismäßig mehr LED verwendet werden, um im gesamten Verteilungsbereich ausreichend Licht zu bekommen, oder Zusatzoptiken vorgesehen werden.
Für ein gutes Erscheinungsbild ist eine homogen leuchtende Fläche anstelle einer aus einzelnen Lichtpunkten oder Lichtstreifen zusammengesetzten Scheibe erforderlich, sowie ein optischer Aufbau, der bei Ausfall einer einzelnen oder einer Reihe von LED je nach der elektrischen Beschaltung weder auffällige noch mißverständliche Dunkelzonen im Lichtbild oder in der Lichtverteilung entstehen lässt.
Die Größe des Phantomlichtes wird in Europa durch das Verhältnis von Nutzlicht zu Phantomlicht qualifiziert und in Klassen eingeteilt, nach einer deutschen Norm darf das Phantomlicht absolut festgelegte Werte nicht überschreiten. In beiden Fällen muß jedoch das Summenlicht aus Signal- und Phantomlicht die vorgeschriebenen Lichtfarben für Signallichter einhalten.
Die Vorgaben betreffend der Lichtfarbe des Summenlichtes können durch ein Einfärben der Abschlußscheibe erfüllt werden, wodurch auch das Phantomlicht in einem sehr viel höheren Maß als das Nutzlicht reduziert wird. Weitere Maßnahmen zur Absenkung des Phantomlichtes, wie sie bisher bekannt sind, setzen einen nahezu homogenen, parallelen Strahlengang innerhalb der Optik voraus, wie er auch bisher durch einen Parabolreflektor mit einer möglichst punktförmigen Lichtquelle erzeugt wurde, in welchen Lamellen oder Lichtraster eingesetzt sind, oder sie fokussieren das Nutzlicht auf kleine Öffnungen, welche in einem definierten Raster in einer schwarzmatten Blende angebracht sind, welche das einfallende Sonnenlicht größtenteils absorbiert. Darüber hinaus existieren weitere Möglichkeiten für herkömmliche Signale mit einer einzelnen punktförmigen Lichtquelle, welche hier nicht von Relevanz sind.
Ein weiteres Beurteilungskriterium ist die Gesamtbautiefe. Je geringer, umso mehr Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich für den Signalgeber selbst, aber auch umso mehr zusätzliche Bauelemente wie Detektoren und Steuerungen lassen sich in den bestehenden Gehäusen unterbringen.
Versuchsmessungen haben ergeben, daß zur Erzielung bester Phantomlichtklassen das Sonnenlicht spätestens hinter der Frontscheibe möglichst vollständig abgefangen werden muß, sodaß weder die LED, deren Trägerplatte noch eine zwischengeschaltete Optik von der Sonne beschienen werden können. Diese phantomlichtsenkende Maßnahme darf dabei das Nutzlicht möglichst wenig beeinträchtigen. Bisher bekannte Mittel wie Lamellen- oder Wabeneinsätze arbeiten auf diese Weise, weshalb bisher die Vorschriften auch problemlos erfüllt werden konnten.
Anhand dieser Ausführungen werden nun bekannte Lösungen bewertet.
Eine allgemein schon länger verbreitete Ausführung besitzt eine in die Front der Signalkammer eingesetzte ebene mattschwarze Scheibe, welche zumeist als Leiterplatte ausgeführt und mit einer Spannungsversorgung versehen ist. Sie ist mit einer ausreichenden Zahl einzelner Leuchtdioden in der passenden Lichtfarbe, gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt, bestückt und wird von einer vorgesetzten, transparenten Abdeckscheibe gegen Witterung geschützt, welche oft auch optische Elemente zur Verbesserung der Lichtverteilung enthält. Weiters sind auch einfachere Ausführungen bekannt, wo Leuchtdioden direkt dicht in eine vorteilhafterweise schwarze Trägerplatte eingesetzt werden und deren Anschlüsse in eine passende, dahinterliegende Leiterplatte eingelötet oder frei verdrahtet sind.
Nachteilig bei diesen einfachen Ausführungsformen ist die Notwendigkeit, mangels einer präzisen Lichtführung besonders viele LED verwenden zu müssen, um die Verteilungsvorschriften zu erfüllen, die Erkennbarkeit jeder einzelnen LED insbesonders bei Ausfällen, sowie auch hohes Phantomlicht, welches durch unmittelbares Beleuchten der LED durch die Sonne entsteht. Es kann durch bekannte Mittel nicht beseitigt werden, weil kein paralleles Strahlenbündel vorliegt. Dafür ist die Bautiefe sehr gering.
Weiters sind höherwertige Konstruktionen bekannt, welche auf die Gesamtproblematik genauer eingehen.
Die Patentanmeldung US 5,636,057 (Dick et al.) beschreibt eine Ausführung, bei welcher vor den Leuchtdioden eine Linsenplatte angeordnet ist, die auf der den Leuchtdioden zugewandten Seite für jede Leuchtdiode einen Kondensor zur Lichtsammlung und auf der anderen Seite Streulinsen aufweist, welche das Licht wunschgemäß verteilen. Aus Reinigungsgründen muß dieser Linsenscheibe noch eine glatte Abschlußscheibe vorangesetzt werden. Diese Ausführung kommt wegen der effektiven Lichtführung mit relativ wenigen LED aus. Jedoch ist neben den Nachteilen der Erkennbarkeit der einzelnen Leuchtdioden auch hier keine parallele Lichtstrecke für phantomlichtbegrenzendeMittel vorhanden. Schließlich hat auch der den Leuchtdioden zugewandte Kondensor in der Praxis keinen besonders guten Lichtwirkungsgrad. Die Bautiefe ist jedoch ebenfalls gering.
Die Patentanmeldung A 1623/97 (Swarco-Futurit) besitzt ebenfalls eine Linsenplatte, auf der vor jeder LED ein Kondensor angebracht ist. In einem größeren Abstand davor befindet sich eine herkömmliche Streuscheibe. Zwischen Linsenplatte und Streuscheibe wird das Licht im wesentlichen parallel geführt, sodaß bekannte Phantomlichteinsätze eingesetzt werden können. Der Ausfall einiger LED wird durch leichte Defokussierung sowie einen großen Abstand zwischen Linsenplatte und Abschlußscheibe verschleiert. Nachteilig ist, daß die Defokussierung entsprechend höhere Lichtverluste in den Phantomlichteinsätzen erzeugt. Für eine wirkungsvolle Verschleierung wäre jedoch ein so großer Abstand erforderlich, daß der Einsatz in keinen vorhandenen Signalgeber hineinpassen würde. Daher ist in der Praxis das visuelle Erscheinungsbild vor allem bei Teilbestückung beeinträchtigt. Die Bautiefe ist so tief wie möglich gehalten.
Ein verbessertes Erscheinungsbild bieten Neuentwicklungen mit Hochleistungs-LED.
Das internationale Patent unter PCT, WO 98/16777, beschreibt eine Anordnung von wenigen, besonders lichtstarken LED. Sie sitzen in einer bestimmten, kompakten Anordnung auf einer auswechselbaren Platte innerhalb der Brennweite einer vorgesetzten Kondensorlinse in Fresnell-Bauart, welche das Licht bündelt. Eine vorgesetzte Abschlußscheibe verteilt das Licht in der gewünschten Weise.
Diese Bauweise ergibt insbesonders durch die unfokussierte, unscharfe Abbildung der LED-Anordnung eine homogene Lichtverteilung und ein hervorragend gleichmäßiges Erscheinungsbild des Lichtsignales, selbst bei Ausfall einer oder mehrerer LED. Sie besitzt jedoch auch wesentliche Nachteile. Es hat sich gezeigt, daß diese Ausführung nicht allzu hohe Helligkeitsanforderungen erfüllen kann, weil das Licht durch die Größe der leuchtenden Fläche sowie die unscharfe Abbildung trotz Kondensorlinse eine sehr große Divergenz aufweist. Das Phantomlicht ist außerdem sehr hoch, weil durch dieselben Gründe viel Sonnenlicht auch auf die LED-Anordnung fällt. Mangels einer parallelen Lichtstrecke sind die bekannten phantomlichtsenkenden Einrichtungen nicht verwendbar. Weiters wird in der Praxis das Gehäuse als Kühlkörper verwendet. Da es wegen der besseren Wärmeableitung sowie wegen der Phantomlichtreduzierung schwarz gefärbt ist, wird es bei Sonneneinstrahlung entsprechend aufgeheizt, wodurch die Lichtleistung der LED sinkt. Schließlich ist die Bautiefe relativ hoch.
Die Patentanmeldung A 488/99 (Swarco-Futurit) zeigt eine Möglichkeit zur Verwendung eines Lamelleneinsatzes ohne paralleles Strahlenbündel. Hierbei ergeben sich jedoch für die Anordnung der LED enge Grenzen, insbesonders eine geringe Höhe. Mit einer solchen Anordnung ist zwar ein ausreichend niedriges Phantomlicht erzielbar, aber es ist derzeit nicht möglich, höhere Lichtwerte zu erfüllen, da auf dem zur Verfügung stehenden Platz zuwenig LED aneinandergereiht werden können. Ein weiterer Nachteil besteht in den Einschränkungen der Frontlinsengestaltung bezüglich der Position und der erzielbaren Lichtverteilung. daher besteht auch die Gefahr eines leicht streifenförmigen Erscheinungsbildes. Die Bautiefe ist größer als bei der vorigen Ausführung, weil zusätzlich Lamellen unterzubringen sind. Allerdings wird hier auch eine geneigte Gestaltung der Optik vorgestellt, welche die phantomlichterzeugenden Reflexe der Stufen zwischen den Frontlinsenelementen vermeidet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen LED-Signaleinsatz mit geringer Bautiefe zu entwickeln, der durch den Einbau von phantomlichtsenkenden Mitteln auch die höchsten Phantomlichtklassen erfüllen kann und dabei möglichst wenig Nutzlicht verliert, dessen Lichtverteilung möglichst genau den Verteilungsvorschriften anpassbar ist und damit die höchste Helligkeitsstufe erreicht, sowie mit einem gleichförmigen visuellen Erscheinungsbild, das auch beim den Ausfall einiger LED nicht wesentlich beeinträchtigt ist.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß in einer Signalgeberoptik, bestehend aus einer LED-Anordnung, einer davor angebrachten Scheibe mit mehreren Kondensoren, einem unmittelbar davor angebrachten Lamellengitter, einer Abschlußscheibe und einem topfartigen Gehäuse, hinter jedem Kondensor vorzugsweise zentral im Abstand der Brennweite zumindest zwei LED in einer horizontalen Reihe angeordnet sind, deren Lichtstrahlen vom Kondensor erfasst, entsprechend den optischen Gesetzen im Vertikalschnitt weitestgehend parallel gerichtet erscheinen und in horizontaler Richtung ein divergentes Lichtbündel mit Hauptstrahlrichtungen, welche der LED-Reihenanordnung entsprechen, erzeugen.
Signalgeberausführungen mit Kondensoroptik sind bisher prinzipiell in zwei Gruppen einteilbar. Beim einer Gruppe sitzt vor jeder einzelnen LED ein Kondensor, welcher das Licht sammelt und eine parallele Lichtausrichtung bilden kann, wodurch mit herkömmlichen Mitteln ein ausreichend geringes Phantomlicht erzielt wird. Die erzielbare Helligkeit ist wegen der Parallelität aller Lichtstrahlen extrem groß, damit ist auch jede andere Lichtverteilung exakt erzielbar. Nachteilig ist jedoch eine gewisse Erkennbarkeit einzelner LED insbesonders bei Teilbestückung und LED-Ausfällen, wobei das Erscheinungsbild sehr zu wünschen übrig lässt.
Bei der anderen Gruppe sind alle LED kompakt hinter einem gemeinsamen, großen Kondensor angeordnet, wodurch ein hervorragend gleichmäßiges Erscheinungsbild auch bei LED-Ausfällen erzielt werden kann, es besteht jedoch keine Möglichkeit, das Phantomlicht zu reduzieren, ausgenommen mit einer besonders linearen LED-Anordnung. Doch die derzeit erzielbare Helligkeit neuester LED erfordert unabhängig von der Anordnung eine so große Fläche bzw. eine derart lange Reihenanordnung, daß die hierdurch verursachte Divergenz eine genaue, effektive Lichtanpassung an die Verteilungsvorschriften nicht erfüllen kann. Ein Großteil des Lichts strahlt zwangsläufig in Bereiche mit geringen Helligkeitsanforderungen aus und fehlt dann im Zentrum.
Im Bemühen um Abhilfe versprechen die LED-Hersteller in Zukunft immer hellere LED, doch der Markt benötigt sofort akzeptable Lösungen.
Überraschender Weise wurde bei Simulationsberechnungen entdeckt, dass durch Kombination beider vorherrschenden Systeme eine Summeneigenschaft erzielbar ist, welche alle Anforderungen bezüglich Helligkeit, Erscheinungsbild und Phantomlichtarmut bereits jetzt gleichzeitig erfüllen kann, indem nämlich eine Anordnung von mehreren Kondensoren vorgesehen wird, die das Licht von dahinter angeordneten, kürzeren einzeiligen LED-Reihen im Vertikalschnitt parallel richten und eine entsprechende Divergenz in horizontaler Richtung erzeugen. Da innerhalb der zur Verfügung stehenden Fläche die Anzahl der möglichen Kondensoren dem Quadrat der Durchmesserverhältnisse von Kondensorenplatte und Einzelkondensor entspricht, die Divergenz der Lichtabstrahlung einer einzeiligen LED-Reihe aber nur linear mit dem Durchmesser bzw. der Brennweite des vorgesetzten Kondensors zusammenhängt, ist eine Optimierung möglich.
Zuerst wird eine so große horizontale Strahlendivergenz bestimmt, welche in einer Simulationsrechnung eine genaue Nachbildung der gewünschten Lichtverteilung gerade noch zulässt. Hieraus ergibt sich zu einer beliebig angenommenen LED-Anzahl pro Reihe eine zugehörige Kondensorgröße bzw. Brennweite. Es ist nun einsichtig, daß beispielsweise bei einer Halbierung der Reihenlänge bzw. LED-Anzahl pro Reihe und einer Halbierung des Kondensordurchmessers bzw. der Brennweite die Strahlendivergenz gleich bleibt, die mögliche Anzahl der Kondensoren vervierfacht sich jedoch, daher ist in Summe viermal die halbe, also insgesamt die doppelte LED-Anzahl möglich. Damit wird aber auch die Helligkeit des Signales bei unveränderter optimaler Anpassung an die Verteilungsvorschriften verdoppelt. So kann durch Variation der Länge der LED-Reihen und Kondensorenanzahl eine Optik mit maßgeschneiderten Eigenschaften innerhalb der Systemgrenzen (mindestens 2 Kondensoren, mindestens 2 LED pro Kondensor) aufgebaut werden.
Weil eine Reihe aus mindesens zwei LED bestehen muss, ist bei Ausfall einer LED noch immer zumindest die halbe Helligkeit beim betroffenen Kondensor vorhanden. Es ist Aufgabe der Streuelemente in der Frontscheibe, dieses Lichtloch durch Verwendung der Lichtstrahlen der benachbarten LED und durch divergente Lichtstrahlen der benachbarten Kondensoren weitgehend unkenntlich zu machen. Im Gegensatz zur bekannten Ausführung PCT, WO 98/16777 mit unfokussierter Anordnung erfolgt hier diese Lichtstreuung erst in der Frontscheibe, weshalb die Funktion der Lamellen nicht beeinträchtigt ist.
Die Verschaltung der LED erfolgt dermaßen, dass bei Kurzschluss oder Unterbrechung durch eine einzelne schadhafte LED die mitbetroffenen LED in unterschiedlichen Reihen und möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind, sodaß in jeder Reihe nur maximal eine LED gleichzeitig ausfallen kann.
Weitere Voraussetzung für ein gutes Erscheinungsbild ist, dass die Kondensoren lückenlos aneinandergrenzen und eine möglichst gleiche Helligkeit in allen Zonen aufweisen. Das kann innerhalb gewisser Grenzen und in Abstimmung mit der vorhandenen Lichtverteilung der LED durch konstruktive Maßnahmen nach optischen Gesetzen wie beispielsweise ein gekrümmter Aufbau des Kondensors, unterschiedliche Wandstärken und Breiten der einzelnen Fresnelringe sowie zusätzliche optische Strukturen an Ein- oder Austrittsfläche, welche die horizontale Divergenz der Hauptstrahlrichtungen vergleichmäßigen oder verändern, geschehen. Insbesonders können am Rand der Kondensorplatte dunkle Zwickel zwischen den Kondensoren durch Beschnitt des Randbereichs oder Verschieben einzelner Kondensorpositionen vermieden werden. Diese Randverluste sind bei einer höheren Kondensoranzahl im Verhältnis kleiner, da ein geringerer Anteil der Kondensoren davon betroffen ist.
In der geschilderten Weise lässt sich somit ein Signalgeber herstellen, der sowohl eine große Helligkeit durch eine genau angepasste Lichtverteilung als auch die Möglichkeit zur Phantomlichtabsenkung besitzt und der selbst nach Ausfall einiger LED noch immer ein akzeptables Erscheinungsbild bietet.
Fig. 1 a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung im geschnittenen Grundriss, Fig. 1b im geschnittenen Aufriss und Fig.1 c in Seitenansicht, Fig. 2 eine Ausführungsvariante im Vertikalschnitt.
Auf einer Leiterplatte (1) sind LED (2) in Form von horizontalen Reihen (3) in einem Hexagonalraster angeordnet. Diesen ist eine transparente Kondensorplatte (4), auf welcher lückenlos untereinander gleiche Kondensoren (5) in Fresnelbauweise angeordnet sind, im Abstand der Brennweiten (F) vorgesetzt.. Die Zentren der Kondensoren (5) sind bezüglich der Mitte der LED-Reihen (3) ausgerichtet. Der Durchmesser der Kondensoren (5) ist so gewählt, dass die Lichtbündel (6) der LED (2) möglichst vollständig von den Kondensoren (5) erfasst werden. Durch den Brennweitenabstand (F) werden die Lichtbündel (6) im vertikalschniit des Aufrisses parallel ausgerichtet, in horizontaler Richtung (Grundriss) ergibt sich die Divergenz (D). Vor der Kondensorplatte (4) befindet sich ein Lamellengitter mit horizontalen Lamellen (7). Sie sind so angebracht und dimensioniert, dass sie das Nutzlicht in bekannter Weise weitgehend unbehindert durchlassen, jedoch von schräg oben einfallendes Sonnenlicht auf ihrer schwarzmatten Oberseite absorbieren. Die Optik wird vorne von einer Streuscheibe (8) abgeschlossen, welche aussen glatt ist und innen in bekannter Weise eine Anordnung von Streuelementen (8a) zur Erzielung der vorgeschriebenen Lichtverteilung aufweist. Hinten positioniert ein Gehäuse (9) Kondensorplatte (4) und Leiterplatte (1) zueinander. Es weist Durchbrüche (10) auf, durch welche die LED (2) ihr Licht senden. Die Leiterplatte (1) dichtet an Ihrem Umfang (1a) mit einem Gehäuserand (9a) ab. Der Seitenriss zeigt, dass die Kondensoren (5) am Rand abgeschnitten sind, sodass die Zwickel (11) zwischen benachbarten Kondensoren (5), welche zwangsläufig etwas dunkler sind, nicht mehr störend auffallen.
Die Leiterplatte (1) besitzt einen wärmeverteilenden und stabilisierenden Träger, beispielsweise ein Aluminiumblech, dessen Rückseite frei liegt. Dort kann zur Verbesserung der Wärmeabfuhr und Steigerung der Lichtausbeute eine Oberflächenbeschichtung, ein Kühlkörper oder ein Peltier-Element angebracht werden.
Die Leiterplatte (1) ist so auf eine beliebige Weise mit dem Gehäuse (9) verbunden, dass sie im Störungsfall leicht ausgewechselt werden kann.
Wird der Signalgeber ohne Lamellen (7) verwendet, können Sonnenstrahlen eindringen. Deshalb besitzt das Gehäuse (9) innen eine schwarzmatte Oberfläche, welche einfallendes Sonnenlicht absorbiert. Insbesonders deckt der Gehäuseboden mit den Durchbrüchen (10) die Leiterplatte (1) vollständig ab, welche glänzende und spiegelnde Oberflächen wie blanke Leiterbahnen, Lötpads, weitere Bauteile etc. aufweisen kann, ausserdem wird hierdurch deren Aufheizung durch Sonnenstrahlung verhindert, wodurch Lichtausstoß und Lebensdauer verbessert werden.
Wie Fig. 1a zeigt, bildet jede LED (2a, 2b, 2c) einer Reihe (3) durch die Kondensoren (5) eine Hauptstrahlrichtung (12a, 12b, 12c), wodurch die gesamte Divergenz (D) bestimmt wird, dazwischen befinden sich nur unbedeutende Streulichtstrahlen. Ein aus allen Beobachtungsrichtungen gleichmäßiges Erscheinungsbild erfordert daher auch eine horizontale Mindeststreuung der Frontscheibe (8), welche den Winkelwert (S) zwischen benachbarten Hauptstrahlrichtungen beträgt.
Ein LED-Ausfall, beispielsweise (2a), bewirkt, dass der betroffene Kondensor (5), aus der entsprechenden Hauptstrahlrichtung (12a) betrachtet, dunkel bleibt, während er aus den anderen Beobachtungsrichtungen unvermindert hell erscheint. Dieser Erscheinung kann begegnet werden, indem ein wesentlicher Lichtanteil mit einer gleichmäßig über die Frontscheibe (8) verteilten Vielzahl von Linsenelementen (8a) zumindest um den doppelten Winkel zweier benachbarter Hauptstrahlrichtungen (2xS) gestreut wird, dann strahlt die Frontscheibe (8) an der betreffenden Stelle auch Licht der benachbarten LED (2b) ab.
In der Praxis sind für einen Großteil der Streuelemente (8a) wesentlich größere Streuwinkel erforderlich, was das visuelle Erscheinungsbild generell verbessert. In der eingangs durchzuführenden Lichtsimulation zur Bestimmung der maximal zulässigen Divergenz (D) können die Streuwinkel aller Linsenelemente (8a) bezüglich dieser beiden Mindestwinkel (S) und (2xS) überprüft und bedarfsweise geändert werden.
Die geschilderte Ausführung weist weitere Gestaltungsmöglichkeiten auf, welche bereits in der Patentanmeldung A 488/99 (Swarco-Futurit) ausgeführt sind und einerseits das Nutzlicht erhöhen, andererseits das Phantomlicht absenken. Dargestellt ist die Linsengruppe (13), welche unmittelbar vor jeder LED-Reihe (3) sitzt und die Lichtabstrahlung (6) der LED (2) genau auf den zugehörigen Kondensor (5) abstimmt.
Weiters gehören hierzu die auf der Kondensorplatte (4) den LED (2) zugewandten Sammellinsen, welche einen Lamelleneinsatz ohne Lichtverluste erlaubt, sowie insbesonders der Aufbau mit geneigter optischer Achse, welcher eine Frontlinsengestaltung ohne Stufen zwischen den Streuelementen (8a) und damit geringere Phantomlichtreflexe ermöglicht.
Fig. 2 zeigt diese Neigung der Achse, welche in der Regel durch leichtes Verschieben der LED-Reihen (3) aus dem Kondensorzentrum nach oben erfolgt. Hierdurch neigen sich auch die parallelen Lichtstrahlen nach unten. Die Lamellen (7) sind an den Lichtverlauf neu ausgerichtet worden. Die gestreuten Lichtstrahlen (14) zeigen den üblichen Bereich der Lichtverteilung.
Die dezentrale Anordnung der LED (2) auf der Leiterplatte (1) bringt nicht nur Platzvorteile in der Verschaltung, bei Sicherheitsabständen oder der Wärmeabfuhr, sie ermöglicht vor allem auch eine flache Bauweise.
Selbstverständlich sind auch andere Gestaltungsmöglichkeiten gegeben. Insbesonders können die Kondensoren unterschiedliche Größen und Brennweiten aufweisen, die LED-Zahl pro Reihe kann unterschiedlich sowie bei manchen Kondensoren auch eins sein, um unterschiedlich helle Signalgeber zu verwirklichen oder um eine Verbesserung der Helligkeit der LED einfließen zu lassen. Auch eine Mischung mit anderen Bauteilen wie Sensoren, Spannungsversorgung, Überwachungsbausteinen etc. kann auf der Leiterplatte erfolgen. Es können auch mehrere Leiterplatten vorgesehen sein.

Claims (17)

  1. Signalgeberoptik, bestehend aus einer LED-Anordnung, einer in einem Abstand davor angebrachten, aus transparentem Material bestehenden Platte (4), welche eine Mehrzahl von zumeist in Fresnell-Bauweise ausgeführten Kondensoren (5) mit Brennweiten (F) aufweist, einem unmittelbar davor angebrachten Lamellengitter (7) und einer transparenten, außen vorzugsweise glatten Frontscheibe (8), sowie einem topfartigen Gehäuse (9), dadurch gekennzeichnet, dass hinter jedem Kondensor (5) vorzugsweise zentral im Abstand der Brennweite (F) zumindest zwei LED (2) in einer horizontalen Reihe (3) angeordnet sind, deren Lichtstrahlen (6) von diesem erfasst, entsprechend den optischen Gesetzen im Vertikalschnitt möglichst parallel gerichtet werden und in horizontaler Richtung ein divergentes Lichtbündel mit Hauptstrahlrichtungen (12a, 12b, 12c), welche der LED-Reihenanordnung (2a, 2b, 2c) entsprechen, erzeugen.
  2. Signalgeberoptik nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Reihen (3) innerhalb des Durchmesserbereichs des zugehörigen Kondensors (5) enden.
  3. Signalgeberoptik nach Anspruch 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensoren (5) vorzugsweise in einem hexagonalen, rechteckigen oder quadratischen Raster oder insbesonders im Randbereich (11) der Kondensorplatte (4) auch beschnitten oder unregelmäßig angeordnet sind und lückenlos aneinandergrenzen (Fig. 1c).
  4. Signalgeberoptik nach Anspruch 1), 2) oder 3), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kondensor (5) durch Wölbung, Wandstärke, Anzahl und Breite der Fresnelringe so mit der Lichtabstrahlcharakteristik der LED (2) abgestimmt ist, dass seine Lichtaustrittsfläche von der Mitte bis zum Rand aus den Hauptstrahlrichtungen (12a, 12b, 12c) möglichst gleich hell erscheint.
  5. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, dass alle Kondensoren (5) in einer Ebene angeordnet sind und die gleiche Brennweite (F) aufweisen.
  6. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, dass sich alle LED (2) auf einer ebenen, gemeinsamen Leiterplatte (1) befinden.
  7. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 6), dadurch gekennzeichnet, daß jeder LED-Reihe (3) eine aus transparentem Material vorzugsweise einstückig hergestellte Linsengruppe (13) gleicher Baugröße unmittelbar vorgesetzt ist, welche die Lichtabstrahlung jeder LED (2a, 2b, 2c) möglichst vollständig erfasst und genau auf den zugehörigen Kondensor (5) ausrichtet.
  8. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 7), dadurch gekennzeichnet, dass die LED (2) so verschaltet und/oder angeordnet sind, dass alle durch eine schadhafte LED mitbetroffenen LED sich jeweils in unterschiedlichen Reihen (3) befinden.
  9. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 8), dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden zwischen Leiterplatte (1) und Kondensorplatte (4) angeordnet ist, an den Stellen der LED-Reihen (3) passende Durchbrüche (10) aufweist und mattschwarz ist und/oder eine lichtabsorbierende Oberflächengestaltung aufweist.
  10. Signalgeberoptik nach Anspruch 9), dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (10) im Gehäuseboden durch die Leiterplatte (1) abgedichtet werden.
  11. Signalgeberoptik nach Ansprüchen 9) oder 10), dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) positionsgenau und auswechselbar auf dem Gehäuse (9) gehalten wird.
  12. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 11), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) in SMD-Technik ausgeführt ist.
  13. Signalgeberoptik nach Anspruch 12), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) ein Verbundwerkstoff mit einem guten Wärmeleiter ist.
  14. Signalgeberoptik nach Ansprüchen 12) oder 13), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite der Leiterplatte (1) ein Kühlkörper oder ein Peltier-Element aufgesetzt ist oder die Wärmeabfuhr durch eine geeignete Oberflächengestaltung verbessert wird.
  15. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 14), dadurch gekennzeichnet, dass sich die verteilungsbestimmenden Streuelemente (8a) auf der innenseite der Frontscheibe (8) befinden.
  16. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 15), dadurch gekennzeichnet, dass die Streuelemente (8a) der Frontscheibe (8) in horizontaler Richtung zumindest eine solche Lichtstreuung aufweisen, die dem Winkel (S) zweier benachbarter Hauptstrahlrichtungen (12) entspricht und ein wesentlicher, gleichmäßig verteilter Anteil der Streuelemente (8a) wenigstens die doppelte Lichtstreuung aufweist.
  17. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 16), dadurch gekennzeichnet, daß das Lamellengitter (7) nur bei Bedarf vorhanden und nachträglich einsetzbar ist.
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