Beschreibung
LED-Signaleinrichtung für Straßenverkehrssignale
Die Erfindung betrifft eine optische Signalgebereinrichtung, insbesondere für VerkehrsSignalanlagen, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 beziehungsweise 2.
In der konventionellen Signalisierungstechnik für den Stra- ßen- 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 verwendeten Glühlampe stets mit einem Totalausfall der gesamten Signaleinrichtung verbunden ist. Deshalb müssen die beispielsweise bei Warnsignaleinrichtungen verwendeten Glühlampen vorsorglich in regelmäßigen Zeitabständen gewechselt wer- den. Diese Zeitabstände sind weit kürzer als die durchschnittliche Lebensdauer der Lampe, so daß mit den Auswechslungen 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 Signalgeber 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 kostengünstige Herstellung eines Signalgebereinsatzes erschweren.
In der EP 0 860 805 ist eine Signalgeberoptik beschrieben, bei welcher eine Vielzahl von Leuchtelementen im Inneren einer Signalkammer angeordnet sind und somit einen im wesentlichen 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 An-
Ordnung 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 unkomplizierten Maßnahmen eine geforderte Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung liefert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Signaleinrichtung 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 be- schreibt die vorliegende Erfindung eine optische Signalgebereinrichtung, 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, vorgege- bene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung ein-
zig durch die Anordnung der Leuchtelemente auf der Grundplatte 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 Leucht- elemente 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, ins- besondere auf dessen den Leuchtelementen zugewandten Oberfläche optische Strukturen für eine gezielte Defokussierung, insbesondere Kugellinsen angeordnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform beschreibt die Erfindung eine optische Signalgebereinrichtung 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 Leuchtelementen abgestrahlte Licht ins Unend- liehe zu projizieren, wobei eine bestimmte, vorgegebene Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung durch die Anordnung der Leuchtelemente auf der Grundplatte und/oder durch die optischen Eigenschaften einer gegebenenfalls vorhandenen Streulinse nach gewählten Vorgaben erzielt wird, und wobei der Kondensor nach außen gewölbt ist.
Eine derartige optische Signalgebereinrichtung weist eine erheblich effizientere Lichtsammeicharakteristik auf. Auch hier besteht der Kondensor vorzugsweise aus einer Fresnellinse . Da Fresnellinsen für derartige Anwendungszwecke besonders vor- teilhaft aus Kunststoff im Spritzgußverfahren herstellbar sind, können auch erfindungsgemäß gekrümmte Fresnellinsen relativ problemlos hergestellt 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 Erfindung vorzugsweise eine Platine, insbesondere eine Metallkernplatine, die zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr zusätzlich auf einen geeigneten Kühlkörper aufgebracht sein kann.
Alternativ können als Leuchtelemente auch LED-Halbleiterkörper verwendet werden, die direkt auf die Grundplatte aufgebracht sind. Hierunter ist zu verstehen, daß die LED-Halbleiterkörper als solche auf der Grundplatte befestigt sind und nicht wie sonst üblich in Gehäuse eingebaut und diese Gehäuse auf die Grundplatte montiert sind. Für die direkte Aufbringung der LED-Halbleiterkörper wird vorzugsweise eine Chip-On- Board-Technologie eingesetzt. Zur Befestingung können die LED-Halbleiterkörper auf die Grundplatte aufgelötet oder mit- tels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs aufgeklebt werden.
In einer vorzugsweise für Straßenverkehrsampeln verwendeten Ausführungsform sendet die optische Signalgebereinrichtung kein Licht in Richtung schräg nach oben, so daß auch umgekehrt 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.
Bei einer vorteilhaften Weiterbilderung der Erfindung sind die Leuchtelemente elektrisch parallel oder in Serie geschalten. Eine Parallelschaltung weist dabei den Vorteil auf, daß auch bei Ausfall einzelner Leuchtelemente die Signalgebereinrichtung funktionsfähig bleibt.
Bei einer Serienschaltung kann die Signalgeberschaltung mit höheren Betriebsspannungen bei reduziertem Betriebsstrom versorgt werden. Mit Vorteil können die hierfür nötigen Spannungen und Ströme leichter aus den üblichen Versorgungsnetzen bereit gestellt werden.
Um beide Vorteile zu kombinieren, ist eine Gruppierung der Leuchtelemente in eine Mehrzahl von Parallelschaltungen, die wiederum in Serie geschalten sind, besonders bevorzugt. Al- ternativ können die Leuchtelemente zu einer Mehrzahl von Serienschaltungen zusammengefaßt werden, die wiederum parallel- geschalten sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er- findung anhand der beiliegenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalge- bereinrichtung,
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung,
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Platine enthaltend eine
Leiterbahnstruktur für die Aufnahme von Leuchtelementen und
Figur 5 zwei elektrische Schaltungsvarianten der Leuchtele- mente einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung .
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine optische 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 Abstrahlcharakteristik oder Leuchtdichteverteilung der optischen Signalgebereinrichtung. Die Grundplatte 1 kann auf einen zusätzlichen metallischen Kühlkörper aufgebracht sein, um die Wärmeableitung von den LEDs zusätzlich zu verbessern, so daß diese mit höherem Strom betrieben werden können und somit die Lichtausbeute ge- steigert werden kann. Die Grundplatte 1 kann in einer Steckvorrichtung mit einer schlitzförmigen Öffnung aufgenommen werden, welche gleichzeitig als Spannungsversorgung 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 opti- sehe 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 Figuren 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 Signalgebereinrichtung 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 zu- sätzlichen 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-fähi- gen 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 Abstrahlcharakteristik einer Signalgebereinrichtung erzielt. Durch die großflächigen 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 Ausfalles einzelner LEDs gewährleistet . Dieser Aspekt ist vor allem für den Einsatz in Bereichen des Schienenverkehrs
(Bahnübergänge) von Bedeutung, da hier besonders hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit der Signale gestellt werden.
Die Abstrahlcharakteristik der optischen Signalgebereinrichtung 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 angeordneter Leuchtele ente 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 proji- zieren. Die Grundplatte 1 mit den Leuchtelementen 2 ist im wesentlichen in der Brennebene der Fresnellinse angeordnet. Um die Lichtsammeicharakteristik 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 relativ einfach mit einer gewünschten Krümmung herstellen. Durch die Verwendung einer derartigen Fresnellinse kann somit die Lichtausbeute einer erfindungsgemäßen optischen Signalgebereinrichtung gesteigert werden.
Die beiden Aspekte der vorliegenden Erfindung können auch miteinander kombiniert werden. Ein - wie in Figur 3 beschrieben - gewölbter Kondensor 3 kann demgemäß auch bei einer wie in den Figuren 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsform einer optischen Signalgebereinrichtung zum Einsatz kommen.
In Figur 5 sind zwei vorteilhafte Schaltungsvarianten einer erfindungsgemäßen Signalgebereinrichtung dargestellt. In Figur 5a sind 100 LEDs in 20, jeweils 5 LEDs enthaltende Serienschaltungen zusammengefaßt. Diese 20 Serienschaltungen werden in Parallelschaltung betrieben.
Bei der in Figur 5b gezeigten Schaltung sind von 100 LEDs jeweils 10 LEDs parallel geschalten. Jeweils fünf dieser Parallelschaltungen sind in zwei Serienschaltungen zusammengefaßt, die wiederum parallel angesteuert werden.