WO2003096753A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben eines leuchtzeichens - Google Patents

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    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
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    • B61L5/1881—Wiring diagrams for power supply, control or testing
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a luminous sign according to the preamble of claim 1.
  • Luminous signs based on light-emitting diodes instead of incandescent lamps are increasingly being used in many areas, particularly in signaling technology.
  • Light emitting diodes are comparatively inexpensive, durable and bright.
  • a special feature is the signaling in ambient conditions with inconsistent lighting conditions.
  • the light output for night operation must be reduced compared to day operation.
  • the brightness between day and night is controlled by the signal box via the supply voltage or the supply current. Since the light output of an incandescent lamp depends exponentially on the supply voltage or supply current, a small change in the supply current or supply voltage leads to a large change in the light output.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • the light-emitting diode By connecting the light-emitting diode to a Graetz sliding bridge, the light-emitting diode can be energized from both directions. As a result, both half-waves are effective in the case of AC voltage, so that ultimately the entire feed current is used and the luminous intensity proportional to the feed current increases accordingly. Furthermore, the feed current has a direct influence on the life of the LED. The smaller the feed current, the longer the lifespan. If the light intensity is not to be increased compared to the known circuit arrangement, the service life of the light-emitting diode is thus increased.
  • Half-waves of the supply voltage consist in the expansion of the frequency range of the supply voltage.
  • a flickering can be seen at supply voltage frequencies below 40 Hz. This flickering only occurs when both half-waves are used at much lower frequencies.
  • the light-emitting diode series resistor and the voltage divider resistor which are present at the same pole of the supply voltage, are preferably resistors with a defined selection behavior, i.e. that certain defects, for example complete short circuits, are so unlikely that they practically do not occur.
  • the resistors are also designed in such a way that errors, for example short-circuiting of the light-emitting diode or the control, have only a minor effect on the total current consumption of the circuit arrangement. For example, if the control were short-circuited for an LED signal with 60 LEDs, the total current would only increase by approx. 5%.
  • the switch consists of two transistors connected in parallel, to each of which diodes are connected in series for specifying opposite current directions.
  • the two transistors are switched through alternately, with one transistor being activated by the positive half-wave and the other transistor by the negative half-wave of the supply voltage.
  • transistors in complementary technology, NPN technology and PNP technology can be used. be applied.
  • the diodes are used to specify the current direction in which the transistors are energized.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for operating a light sign
  • Figure 2 shows a control circuit according to Figure 1 and
  • Figure 3 shows another embodiment of a control circuit.
  • Figure 1 illustrates the general structure of an LED signal with n drivers T, each driver T controls at least one LED L. At least one controller is connected in parallel to the LEDs L.
  • the LED control is connected with both poles A and B directly to the supply voltage U AB .
  • a pole W1 of a Graetz rectifier bridge is also connected to the pole A, the other pole W2 of which is connected to the second pole of the supply voltage uffl via a resistor R1.
  • the Graetz rectifier bridge essentially consists of four diodes D, whose current direction is oriented in such a way that the LED L always flows through from the anode to the cathode during a positive and negative half-wave of an AC voltage.
  • the control essentially consists of a switch arrangement S (FIG.
  • This switch arrangement S (FIG. 3) is designed as a transistor switch in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • Two transistors Ta and Tb are with diodes Da and Db for current direction specification switched, with the base of the two transistors
  • Ta and Tb is connected to the voltage divider R3 / R4. With the help of the transistors Ta and Tb, the resistor R2 can be connected in parallel to the LED L as a function of the supply voltage U AB .
  • the switch Ta is active when there is a positive voltage at pole A and a negative voltage at pole B.
  • the transistor Tb is blocked in this case.
  • the transistor Tb is active when there is a positive voltage at pole B and a negative voltage at pole A. In this case the transistor Ta is blocked.
  • the transistor Ta is an npn transistor, while the transistor Tb is a pnp transistor.
  • the resistors R3 and R4 of the voltage divider R3 / R4 are dimensioned such that the base of the transistor Ta is positive than the emitter of Ta when the half-wave is positive, ie pole A is positive and pole B is negative. As a result, the transistor Ta is conductive. The other transistor Tb is blocked in this state. Resistor R2 is connected in parallel to LED L. For the other half-wave, ie pole A is negative and pole B is positive, the transistor Tb switches through in an analog manner and also switches the resistor in parallel to LED L for this half-wave.
  • the resistors R3 and R4 are preferably substantially higher-ohmic than Rl and R2, so that the current which arises is primarily determined by the sum of Rl and R2.
  • the LED L remains dark.
  • the arrangement behaves lowly due to the current flow. This state simulates the cold state of a conventional light bulb.
  • An incandescent lamp also behaves with low resistance in this state and does not light up.
  • the current increases through the resistors R1 and R2 and thus also the voltage drop across R2.
  • the voltage drop across R2 reaches the forward voltage of the LED L plus the forward voltage of the Graetz bridge, the LED L begins to light up.
  • Current division occurs in this state. Part of the current flows through the resistor R2, another part via the LED L. Due to the current division, the luminosity of the LED L is lower than in the event that the entire current would flow through the LED L. This state corresponds to the night reduction for a signal with a conventional light bulb.
  • the base of transistor Ta becomes more negative than the emitter.
  • the base of the other transistor Tb becomes more positive than the emitter.
  • the emitters of the transistors Ta and Tb are connected to the cathode of the LED L via the Graetz rectifier bridge and the resulting voltage is fixed by a fixed amount, namely the forward voltage Uf (L) the LED L plus the forward voltages Uf (D) of the dividing diodes D is more negative than the pole A.
  • the voltage at the base of Ta or Tb is derived directly from the supply voltage U AB . From a tension of
  • the transistor Ta or Tb blocks and the entire current flows via the LED L.
  • the LED current is determined exclusively by Rl and the LED L lights up with its full brightness. This state corresponds to daytime operation for a signal with a conventional light bulb.
  • the resistors R1 and R4 have a defined failure behavior, which means that the effects of errors in the components R3, R2, the switch S, the diodes D and the LED L can be limited.
  • the light output can be increased compared to the known circuit arrangement, the properties of the high availability and the change in the . Brightness depending on the control, the suppression of interference signals and the defined failure behavior are retained.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which, even with fundamentally different types ter execution make use of the features of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens, insbesondere eines LED-Signals, mit mindestens einer Leuchtdiode (L), zu der ein Widerstand (R1) in Reihe und eine Steuerung parallel geschaltet sind. Um die Helligkeit der Leuchtdiode (L) bei Wechselspannungsspeisung zu erhöhen, ist vorgesehen, dass die Leuchtdiode (L) in einer Graetzgleichrichterbrücke eingebunden ist und die Steuerung eine Reihenschaltung mit einem Widerstand (R2) und einem Schalter (S) aufweist, zu der ein Spannungsteiler (R3/R4), der den Schalter (S) beaufschlagt, parallel geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leuchtzeichen auf der Basis von Leuchtdioden anstelle von Glühlampen werden in vielen Bereichen, insbesondere in der Signaltechnik zunehmend angewendet. Leuchtdioden sind vergleichsweise preiswert, langlebig und lichtstark. Eine Besonderheit ist die Signalisierung bei Umgebungsbedingungen mit nicht konstanten Lichtverhältnissen. Hier ist schaltungstechnisch eine Absenkung der Lichtleistung für den Nachtbetrieb gegenüber dem Tagbetrieb zu realisieren. Bei Lichtsignalen auf Glühlampenbasis, beispielsweise in der Eisenbahntechnik, wird die Helligkeit zwischen Tag und Nacht über die Speisespannung bzw. den Speisestrom vom Stellwerk gesteuert. Da die Lichtleistung einer Glühlampe exponentiell von der Speise- Spannung bzw. dem Speisestrom abhängt, führt eine kleine Änderung des Speisestromes bzw. der Speisespannung zu einer großen Änderung der Lichtleistung. Um bei Leuchtdioden einen ähnlich günstigen Kennlinienverlauf zu erreichen, wurde gemäß der DE 198 46 753 AI vorgeschlagen, zu jeder Leuchtdiode eine Ansteuerschaltung parallel zu schalten. Ein derartiges Lichtsignal besitzt die Eigenschaften einer hohen Verfügbarkeit bei Abhängigkeit der Helligkeit von der Ansteuerung sowie Störsignalunterdrückung und definiertes Ausfallverhalten. Aus der DE 198 46 753 AI sind spezielle Anordnungen für Wechsel- Spannung und für Gleichspannung bekannt. Bei der Wechselspannungsvariante werden die LEDs nur mit einer Halbwelle betrieben. Dadurch wird ein Teil der möglichen Lichtausbeute verschenkt . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die die LEDs mit dem maximal möglichen Speise- ström treibt . Darüber hinaus sollte die Schaltungsanordnung sowohl für Wechselspannungs- als auch für Gleichspannungsbetrieb geeignet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Durch die Beschaltung der Leuchtdiode mit einer Graetzgleitrichterbrücke kann die Leuchtdiode von beiden Richtungen aus bestromt werden. Dadurch werden bei Wechselspannung beide Halbwellen wirksam, so dass letztlich der gesamte Speisestrom ausgenutzt wird und die speisestromproportionale Lichtstärke entsprechend zunimmt. Weiterhin hat der Speisestrom direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Leuchtdiode. Je kleiner der Speisestrom ist, desto größer ist die Lebensdauer. Soll die Lichtstärke gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung nicht vergrößert werden, erhöht sich somit die Lebensdauer der Leuchtdiode. Die vorteilhaften Eigenschaften der bekannten Schaltungsanordnung, nämlich insbesondere hohe Verfügbarkeit, Änderung der Helligkeit in Abhängigkeit von der Ansteuerung, Unterdrückung von Störsignalen und definiertes Ausgangsverhalten, bleiben dabei erhalten. Die Anzahl der erforderlichen Bauelemente ist nicht notwendig größer. Anstelle einer Schutzdiode parallel zur LED ist erfindungsgemäß eine Graetzgleichrich- terbrücke vorgesehen.
Die Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise sowohl für
Gleichspannungs- als auch für WechselSpannungsbetrieb geeignet . Ein weiterer Vorteil des Wechselspannungsbetriebes mit beiden
Halbwellen der Speisespannung besteht in der Ausweitung des Frequenzbereiches der Speisespannung. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist bei Speisespannungsfrequenzen unter- halb 40 Hz ein Flackern zu erkennen. Dieses Flackern tritt bei der Nutzung beider Halbwellen erst bei wesentlich kleineren Frequenzen auf.
Der Leuchtdiodenvorschaltwiderstand und der Spannungsteiler- widerstand, welche an dem gleichen Pol der Speisespannung anliegen, sind vorzugsweise Widerstände mit definiertem Auswahlverhalten, d.h. dass bestimmte Defekte, beispielsweise vollständige Kurzschlüsse so unwahrscheinlich sind, dass sie praktisch nicht auftreten. Die Widerstände sind weiterhin derart ausgelegt, dass Fehler, beispielsweise Kurzschluss der Leuchtdiode oder der Steuerung sich nur geringfügig auf die GesamtStromaufnahme der Schaltungsanordnung auswirken. Zum Beispiel würde sich bei einem Kurzschluss der Steuerung bei einem LED-Signal mit 60 Leuchtdioden der Gesamtstrom nur um ca. 5% erhöhen.
Für den Schalter, der einen seriellen Widerstand in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an den Spannungsteiler zuschaltet, können verschiedene Schaltertechnologien eingesetzt wer- den. Gemäß Anspruch 2 besteht der Schalter aus zwei parallel geschalteten Transistoren, zu denen jeweils Dioden zur Vorgabe entgegengesetzter Stromrichtungen in Reihe geschaltet sind. Die beiden Transistoren werden dabei abwechselnd durchgeschaltet, wobei der eine Transistor von der positiven Halb- welle und der andere Transistor von der negativen Halbwelle der Speisespannung aktiviert werden. Dazu können Transistoren in komplementärer Technik, npn-Technik und pnp-Technik ver- wendet werden. Die Dioden dienen zur Vorgabe der Stromrichtung, in der die Transistoren bestromt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellun- gen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens ,
Figur 2 eine Ansteuerschaltung gemäß Figur 1 und
Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Ansteuerschaltung.
Figur 1 veranschaulicht den allgemeinen Aufbau eines LED- Signals mit n Treibern T, wobei jeder Treiber T mindestens eine LED L steuert. Zu den LEDs L ist jeweils mindestens eine Steuerung parallel geschaltet. Die LED-Steuerung ist mit beiden Polen A und B direkt mit der Speisespannung UAB verbun- den. An den Pol A ist außerdem ein Pol Wl einer Graetzgleich- richterbrücke angeschlossen, deren anderer Pol W2 über einen Widerstand Rl mit dem zweiten Pol der Speisespannung üffl verbunden ist. Die Graetzgleichrichterbrücke besteht im Wesentlichen aus vier Dioden D, deren Stromrichtung derart orien- tiert ist, dass die LED L bei positiver und negativer Halbwelle einer Wechselspannung immer von der Anode zur Kathode durchflössen wird. Die Steuerung besteht im Wesentlichen aus einer Schalteranordnung S (Figur 3) , zu der ein Widerstand R2 in Reihe geschaltet ist und die von einem Spannungsteiler R3/R4 beaufschlagt wird. Diese Schalteranordnung S (Figur 3) ist bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform als Transistorschalter ausgebildet. Zwei Transistoren Ta und Tb sind mit Dioden Da und Db zur Stromrichtungsvorgabe geschaltet, wobei jeweils die Basis der beiden Transistoren
Ta und Tb mit dem Spannungsteiler R3/R4 verbunden ist. Mit Hilfe der Transistoren Ta und Tb kann der Widerstand R2 parallel zur LED L in Abhängigkeit von der Speisespannung UAB geschaltet werden. Dabei ist der Schalter Ta aktiv, wenn am Pol A eine positive und am Pol B eine negative Spannung anliegt. Der Transistor Tb ist in diesem Fall gesperrt. Umgekehrt ist der Transistor Tb aktiv, wenn am Pol B eine positive und am Pol A eine negative Spannung anliegt . In diesem Fall ist der Transistor Ta gesperrt. Bei dem Transistor Ta handelt es sich um einen npn-Transistor, während der Transistor Tb ein pnp-Transistor ist.
Nachfolgend wird das Schaltverhalten für den Fall der Wech- seispannungsSpeisung im Einzelnen beschrieben. Bei Gleichspannungsspeisung vereinfacht sich die Funktion derart, dass nur noch eine Stromrichtung betrachtet werden muss, wobei die Polarität keine Rolle spielt.
Zustand 1 (Kaltzustand) :
An den Polen A und B liegt eine WechselSpannung, deren Amplitude kleiner als die Spannung ist, bei der das LED-Signal zu leuchten beginnen soll . Die Widerstände R3 und R4 des Spannungsteilers R3/R4 sind derart dimensioniert, dass die Basis des Transistors Ta bei positiver Halbwelle, d. h. Pol A ist positiv und Pol B ist negativ, positiver als der Emitter von Ta ist. Dadurch ist der Transistor Ta leitend. Der andere Transistor Tb ist in diesem Zustand gesperrt. Der Widerstand R2 wird parallel zur LED L geschaltet. Bei der anderen Halb- welle, d.h. Pol A ist negativ und Pol B ist positiv, steuert der Transistor Tb analog durch und schaltet auch für diese Halbwelle den Widerstand parallel zur LED L. Vorzugsweise sind die Widerstände R3 und R4 wesentlich hoch- ohmiger als Rl und R2 , so dass der sich einstellende Strom vorrangig durch die Summe von Rl und R2 bestimmt wird. Über R2 und die Diode Da bzw. Db fällt eine Spannung ab, die in diesem Zustand immer kleiner als die Flussspannung Uf (L) der Leuchtdiode plus die Flussspannung der Graetzbrücke 2*Uf (D) ist. Die LED L bleibt dunkel. Die Anordnung verhält sich aufgrund des Stromflusses niederohnmig. Dieser Zustand bildet den Kaltzustand einer herkömmlichen Glühlampe nach. Auch eine Glühlampe verhält sich in diesem Zustand niederohmig und leuchtet nicht.
Zustand 2 (Nachtzustand) :
Mit steigender Spannung erhöht sich der Strom durch die Wi- derstände Rl und R2 und somit auch der Spannungsabfall über R2. Erreicht der Spannungsabfall über R2 die Flussspannung der LED L plus die FlussSpannung der Graetzbrücke, so beginnt die LED L zu leuchten. In diesem Zustand tritt eine Stromteilung auf. Ein Teil des Stromes fließt über den Widerstand R2 , ein anderer Teil über die LED L. Aufgrund der Stromteilung ist die Leuchtstärke der LED L kleiner als für den Fall, dass der gesamte Strom durch die LED L fließen würde. Dieser Zustand entspricht der Nachtabsenkung bei einem Signal mit herkömmlicher Glühlampe.
Zustand 3 (Tagzustand) :
Steigt die Spannung an den Polen A und B weiter an, so wird die Basis des Transistors Ta negativer als der Emitter. Bei dem anderen Transistor Tb wird die Basis dagegen positiver als der Emitter. Das ist der Fall, da die Emitter der Transistoren Ta und Tb über die Graetzgleichrichterbrücke mit der Kathode der LED L verbunden sind und die resultierende Spannung um eine feste Größe, nämlich die Flussspannung Uf (L) der LED L zuzüglich der FlussSpannungen Uf (D) der jeweils teilenden Dioden D negativer als der Pol A ist. Die Spannung an der Basis von Ta bzw. Tb wird dagegen direkt von der Speisespannung UAB abgeleite . Ab einer Spannung von
R3 + R4 , . x R3 + R4
UAB * URS x ^XX^≡- = (Uf(L) + 2 * Uf(D) ) *
R3 R3
sperrt der Transistor Ta bzw. Tb und der gesamte Strom fließt über die LED L. Der LED-Strom wird ausschließlich durch Rl bestimmt und die LED L leuchtet mit ihrer vollen Helligkeit. Dieser Zustand entspricht dem Tagbetrieb bei einem Signal mit herkömmlicher Glühlampe.
Diese drei Zustände zeigen, dass sich die Kennlinie der Schaltungsanordnung der Kennlinie einer herkömmlichen Glühlampe annähert .
Die Widerstände Rl und R4 besitzen ein definiertes Ausfall- verhalten, wodurch sich Fehler der Bauelemente R3 , R2 , des Schalters S, der Dioden D und der LED L in ihren Auswirkungen begrenzen lassen.
Mit der beanspruchten Schaltungsanordnung kann die Lichtleis- tung gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung erhöht wer- den, wobei die Eigenschaften der hohen Verfügbarkeit, der Änderung der. Helligkeit in Abhängigkeit von der Ansteuerung, der Unterdrückung von Störsignalen sowie des definierten Ausfallverhaltens erhalten bleiben.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearte- ter Ausführung von den Merkmalen von der Erfindung Gebrauch machen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Leuchtzeichens, insbesondere eines LED-Signals, mit mindestens einer Leuchtdiode (L) , zu der ein Widerstand (Rl) in Reihe und eine Steuerung parallel geschaltet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Leuchtdiode (L) in einer Graetzgleichrichterbrücke eingebunden ist und die Steuerung eine Reihenschaltung mit einem Widerstand (R2) und einem Schalter (S) aufweist, zu der ein Spannungsteiler (R3/R4) , der den Schalter S beaufschlagt, parallel geschaltet ist.
2. Schalt ungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Schalter (S) zwei parallel geschaltete Transistoren (Ta und Tb) aufweist, zu denen jeweils Dioden (Da und Db) zur Vorgabe entgegengesetzter Stromrichtungen in Reihe geschaltet sind.
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