WO2012076313A1 - Vorrichtung und verfahren zur realisierung eines glühlampenersatzes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur realisierung eines glühlampenersatzes Download PDF

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WO2012076313A1
WO2012076313A1 PCT/EP2011/070352 EP2011070352W WO2012076313A1 WO 2012076313 A1 WO2012076313 A1 WO 2012076313A1 EP 2011070352 W EP2011070352 W EP 2011070352W WO 2012076313 A1 WO2012076313 A1 WO 2012076313A1
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power
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bulb
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Rolf Schmid
Martin Hediger
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Siemens Schweiz AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1881—Wiring diagrams for power supply, control or testing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2207/00—Features of light signals
    • B61L2207/02—Features of light signals using light-emitting diodes [LEDs]

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for realizing a replacement of a
  • Incandescent lamp through a more energy-saving light source for a traffic signal in rail-bound traffic, which is included in an interlocking safety monitoring.
  • LED bulbs often have a greater number of individual LEDs arranged in an array that are collectively lit to indicate a signal term.
  • the failure of a single LED or a small number of individual LEDs can hardly fall due to the large number of points of light weight, which is why in addition to the incandescent lamps increased life of the LED and the system error rate is significantly lower.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a device for the realization of a replacement of a light bulb by a more energy-saving bulbs for a light signal in rail-bound traffic, which is included in an interlocking safety monitoring.
  • This is a replacement of filament lamps by LED bulbs or similar bulbs in a simple and cost-saving manner without a Stelltechnik pasen
  • Hardware conversion can be done.
  • This object is achieved by a device for realizing a replacement of a
  • Filament lamp by a more energy-saving light source for a light signal in rail-bound traffic which is involved in an interlocking safety monitoring solved.
  • This device comprises the following components: a) a number of light sources, in particular LED lights, with a power supply interface, the number of light sources for achieving a light intensity analogous to the light bulb requiring less electrical power than the light bulb to be replaced;
  • cl comprises a control logic which knows a signal concept and / or time of day dependent characteristic of the bulb to be replaced and the power output to the
  • c2) comprises a voltmeter corresponding to the at
  • the interface-side interface measures voltage applied to the control logic
  • c3) comprises a power sensor, which is controlled by the control logic in dependence on the measured voltage so that the at the interworking interface
  • the voltage measurement helps to reduce the power consumption of the entire device with the connected LED bulbs of the power consumption of the conventional
  • the required speed of the power adjustment is recordable particularly well if the power sensor includes a power driver in PWM mode.
  • the power sensor the still available, not consumed by the LED bulbs energy supply an energy storage.
  • the power pickup in response to the Stelltechnik worne turning on the light bulb can destroy a typical of a cold filament in the incandescent lamp Inrush current.
  • the procedure may be implemented by allowing the power sensor to drain the inrush current by means of a temporarily parallel resistor corresponding to the resistance of the incandescent lamp when the filament is cold, the resistance value then preferably decreasing with time (in a relatively short time).
  • Filament corresponds, drain, and replaced in a second subsequent section, the parallel resistor through a PMW function to simulate the load characteristic of the bulb.
  • a resistor of suitable size can be switched as a load, which is subsequently connected by means of the PMW function
  • a preferred embodiment of the invention therefore provides the power sensor for a flashing operation of the lamp with a resistance to
  • Figure 1 shows a schematic representation of today's connection of a 40 V incandescent lamp from conventional relay interlockings, such as Do67 and Do69 interlockings of Siemens Switzerland AG;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of today's connection of the 40 V incandescent lamp with pre-signals with series-connected incandescent lamps from conventional relay interlockings
  • FIG. 3 is a schematic representation of a series connection of an interface module for controlling an LED light source from conventional relay interlockings
  • Figure 4 shows a schematic representation of the principle of
  • FIG. 5 is a schematic illustration of the measuring principle and the measuring interval for the input voltage measurement at the input of the interface module
  • FIG. 7 is a schematic representation of a PWM control of the load
  • Figure 8 is a schematic representation of an inrush solution with analog technology
  • Figure 10 shows a schematic representation of the power distribution between electronics, LED and power killers; 11 shows a schematic representation of a basic circuit of the interface module with the functionality of a
  • Figure 12 is a schematic representation of the structure and the distribution of functions in the interface module
  • Figure 13 is a schematic representation of the dynamic Behavior of the 40V reference lamp with cold filament
  • Figure 14 is a schematic representation of the lamp current during the first and repeated turning on of the 4 OV reference lamp at a 36 VDC source.
  • Figure 15 is a schematic representation of the lamp resistance at the first and repeated turning on of the 40V reference lamp at a 36 VDC source.
  • the basic functionality of an LED signal generator is the optical signaling for the railway driver. Here are the requirements from the
  • the interface module IM has at least three components
  • Figure 1 shows a schematic representation of today's connection of a 40 V filament lamp 2 off
  • FIG. 2 shows this current connection of the 40 V filament lamp 2 in the presence of pre-signals with series-connected filament lamps from conventional relay interlockings 2.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a series connection of a
  • the interface module IM is located here advantageously directly on the LED bulb 12 and is interposed in a track cable 14 from the interlocking 4 to the LED bulb 12.
  • the required replica of the U-I curve of the previously used 40V filament lamp 2 is a must, because before the characteristic can be reproduced by the interface module IM, the voltage as a real RMS value (such as filament lamp) can be detected.
  • the challenges for the characteristic simulation are:
  • a resistive load (variable) must be added by means of a functional link in the interface module IM
  • FIG. 5 A possible implementation variant for FIG. 5 for the start-up of the LED illuminant 12 would be a 9 ohm resistor as a load parallel to the start-up behavior in the first 5 ms switch and then by a PWM function the load
  • the replica of the dynamic characteristic is an important necessary component of the substitution of LED electronics in the relay interlocks 4. It is particularly significant that the inrush current (starting current increase of the cold lamp) for proper functioning (tightening the serial in Lamp current operated relay with a switching of the contacts) (train protection relay ZU or ZK relay) is required.
  • FIGS. 13 to 15 show the dominant parameters by way of example for a 40V filament lamp 2 used in the Swiss Federal Railways.
  • FIG. 7 shows a solution in accordance with FIG digital circuit technology, in which the load is controlled in PWM function to set the desired characteristic.
  • Symmetrization (the series cascading of interface modules as shown in Figure 9) has been implemented in the following aspects:
  • FIG. 10 shows the parts to be reached
  • Characteristic cold thread with an initial resistance of about 10 ohms according to Figure 13 guarantees that Domino signal boxes from Siemens Sau AG ensure that all relay coils connected in series are correctly connected.
  • the power balancer can be simplified as a control element.
  • FIG. 11 shows the functional principle.
  • the voltage of the interface module IM can be represented as a current source with fixed parallel resistors and a variable resistor 16 (power balance with PWM).
  • Power balance detected and converted to a corresponding resistor 20 in heat or used as an example for the charge of secondary cells is determined mainly by the speed of the required change. To keep vibration tendencies in the lighting system as small as possible, the power consumer with PWM and a change interval of about 10 to 50 ms
  • the flashing signal lamp is a special case in the Swiss Federal Railways. This kind of
  • the power measurement of the interface module IM is highly dependent on the accuracy of the input voltage measurement. When the input voltage is measured with sufficient accuracy the interface module IM switches the
  • the failure behavior of the interface module IM reproduces the behavior of the incandescent lamp as well and reliably as possible.
  • the switch-on behavior also reliably bridges the failure simulation.
  • the inertia is achieved with good repeatability.
  • Failure behavior can be simulated on the one hand by a reactivatable fuse or by a targeted load shedding.
  • the heat dissipation is not easy to implement according to the experience of many years of hardware Pro ekten and is usually underestimated. To achieve a sufficiently good convection, as large an area as possible
  • a viable solution is the use of the existing metal housing of the signal lamp to distribute the heat.
  • the housing of the signal lamp should convert the eddy currents into heat.
  • Signal circuits show that an overvoltage of 20% can be reliably detected and controlled in a defined period of time.
  • Interface Module IM means this is a sturdy
  • the following section shows how the input voltage can be determined from a rectified sine signal with a maximum of 35% harmonic component (up to the 20th harmonic).
  • the each variant was tested by means of a Mathlabskripts, and the measurement accuracy determined, the following sub-chapters are the following Variabein used:
  • a peak value is determined for each half-wave. This is a very simple method of voltage measurement.
  • the implementation is a
  • Harmonic brings a certain damping.
  • the filter can be implemented digitally.
  • a comparator (8 x 8 bits), a little logic and a register in which the instantaneous peak value is stored are necessary.
  • a very simple algorithm for detecting the input voltage is the calculation of the sum of the individual voltage measurements and their averaging over a half-wave. To differences between the positive and negative
  • the measurement accuracy with this method is approx. ⁇ 5% and is about twice as accurate as the previous one.
  • the evaluation of two half-waves are required for this accuracy (ie 20 ms at 50 Hz).
  • Input voltage when calculating the RMS value is the root of all the readings of a half wave
  • the calculation of the effective value could be taken over from a DSP. With a 35% harmonic content, the measurement accuracy with this process is about -1% to + 3%. If digital
  • Low pass filter should be used, it is advantageous to process a non-rectified signal. A rectified signal loses through a good low-pass filter, the zero crossings and can then no longer be meaningfully evaluated.
  • FIG. 12 shows the architecture for the interface module IM without
  • the interface module IM includes on the
  • Control logic 24 itself has a service
  • Automatic shut-off 26 primarily deals with the case of the defective LED light-emitting means 12 and also ensures that the LED light bulbs 12 do not glow (fade). Of the
  • the function block "TRMS voltage measurement” 30 has a fundamental role for the interface module IM, because only with a high quality of the measurement of the input voltage can the function of the filament lamp replacement be guaranteed in the first place Especially the time-critical process of the Inbrush stream replica.
  • the functional block "operating state monitoring” 34 ensures the monitoring of the operation of the interface module IM and the LED lighting device 12 it controls.
  • the function block "energy balancer” 36 has the task in a series connection of interface modules IM to
  • “Current interface” 38 decides, depending on the LED illuminant 12 used, which current is delivered to the LED illuminant 12.
  • Luminous flux monitoring 40 detects whether the LED bulb 12 is actually lit and also in
  • the lamp characteristic is simulated by means of resistors at the input. One of the resistors is switched on during the turn-on time of the FPGA to the regular one
  • the resistor turns on, the resistor is disconnected from the mains.
  • This resistance can be controlled, for example, by the function group "inrush current automatic".
  • the security consideration depends on the architecture of the interface module.
  • the safety objectives for SIL 4 according to EN 50129 can only be achieved due to the functionality and the system limits by means of two independent elements / channels or with a special test procedure. In order to ensure the error disclosure of the light output, it is a good solution to detect this suburb directly at the LED bulbs 12 and two channels to the
  • the LED lamp 12 may not light up due to external influences, influencing voltages, etc. without activation by the signal box 4.
  • a minimum glow limit in the range of those of the substituted filament lamp (the glow limit) must also in case of failure
  • the LED bulbs 12 must have the same light intensity within a certain tolerance. If during daytime operation a single point of light of a term, the must be represented by more than one light point, incorrectly works in the night mode, this can be perceived as too high signal concept (eg F2 Fl or F5 * Fl *) and would represent a serious error signal.
  • the safety-related reaction therefore ideally consists in the complete interruption of the current path, as is the case with a filament lamp in the case of filament defect.
  • the incandescent lamp is considered to be a strictly resistive resistor with short-term overload resistance and a small time constant with respect to light emission. The brief flash of LED bulbs in the dark state would be intolerable especially at night and is therefore eliminated with the maintenance of the minimum glow limit.
  • FIG. 13 shows the lamp characteristic with a cold filament.
  • an ohmic cold resistance of approx. 9 ohms.
  • the lamp resistance at day voltage (38V) increases to 68 to 70 ohms.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Realisierung eines Ersatzes einer Glühlampe (2) durch ein energiesparenderes Leuchtmittel (12) für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist, umfassend: a) eine Anzahl von Leuchtmitteln (12), insbesondere LED-Leuchten, mit einer Leistungsversorgungsschnittstelle, wobei die Anzahl von Leuchtmitteln zur Erzielung einer der Glühlampe analogen Leuchtstärke weniger elektrische Leistung benötigt als die zu ersetzende Glühlampe (2); b) eine stellwerkseitige Schnittstelle (8) zum Bezug von elektrischer Leistung seitens des Stellwerks (4); c) ein Interface-Modul (IM), das zwischen die stellwerkseitige Schnittstelle (8) und die Spannungsversorgungsschnittstelle (10) geschaltet ist, wobei das Interface-Modul (IM), c1) eine Steuerlogik (24) umfasst, welche eine signalbegriffs- und/oder tageszeitabhängige Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) kennt und die Leistungsabgabe an die Leistungsversorgungsschnittstelle (10) in Abhängigkeit von dem gewählten Signalbegriff und/oder der Tageszeit steuert; c2) einen Spannungsmesser (30) umfasst, der die an der stellwerkseitigen Schnittstelle (8) anliegende Spannung misst und an die Steuerlogik (24) übermittelt; c3) einen Leistungsaufnehmer (20) umfasst, der von der Steuerlogik (24) in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung so gesteuert wird, dass die an der stellwerkseitigen Schnittstelle (8) aufgenommene Leistung die Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) nachbildet. Auf diese Weise gelingt es mit der Vorrichtung ein LED-Leuchtmittel als Ersatz für eine Glühfadenlampe so in das Lichtsignal einzufügen, dass im Stellwerk davon keinerlei Notiz genommen wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Realisierung eines Glühlampenersatzes
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Realisierung eines Ersatzes einer
Glühlampe durch ein energiesparenderes Leuchtmittel für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist.
[0002] Nach wie vor kommt Lichtsignalen für die Steuerung von Verkehrsflüssen, insbesondere zur Steuerung des schienengebundenen Verkehrs, eine überragende Bedeutung zu, auch wenn beispielsweise in der Eisenbahntechnik mittlerweile Normen bestehen, die eine Zugbeeinflussung ausschliesslich aufgrund von per Funk in den Führerstand einer Lokomotive oder eines Steuerwagens übertragenen Informationen vorsehen (ETCS Level 2 und höher) .
[0003] Derartige Lichtsignale sind derzeit noch zu einem weit überwiegenden Teil mit herkömmlichen Glühlampen
ausgestattet. Die begrenzte Lebensdauer derartiger Leucht¬ mittel stellt jedoch ein sehr grosses Risiko für die Sicher¬ heit des Verkehrs dar, weil nicht-leuchtende Signalpunkte den eigentlich anzuzeigenden Signalbegriff gefährlich verfälschen können. Aus diesem Grund stehen für die stellwerkseitige Überwachung der Funktion der Glühlampen vor allen Dingen solche Massnahmen bereit, die aus dem üblicherweise von einer Glühlampe aufgenommenen Lampenstrom auf die ordnungsgemässe Funktion derselben schliessen lassen. Naturgemäss besteht bei dieser Überwachungsart jedoch ein erhebliches Potential für Fehlfolgerungen, weil es beispielsweise aufgrund parasitärer Leckströme aufgrund der zum Teil sehr langen Kabelstrecken zu Stromflüssen kommt, die mit dem Leuchten der eigentlichen Signallampe überhaupt nichts zu tun haben.
[0004] Ebenso kann eine erhebliche (Personen-) Gefährdung typischerweise auch durch den Vorgang des Lampenwechsels resultieren, weil hier oft bei Dunkelheit, schlechten
Witterungsbedingungen und mitunter auch unter erheblichem Zeitdruck gearbeitet werden muss. Besonders in gebirgigen Gebieten sind zudem die Zugänge zu den Lichtsignalen
teilweise recht exponiert, beispielsweise auf Viadukten oder vor und nach Tunneln. Aufgrund der zunehmenden
Automatisierung der Leit- und Stellwerktechnik sind
heutzutage auch viele Stationen nicht mehr besetzt, was im Falle einer Störung dazu führt, dass die Anfahrtswege zur Behebung des Defekts länger werden und dadurch sowohl die Steuerungsdauer resp. die Verspätungsminuten zunehmen als auch die Kosten für die Beseitigung der Störung ansteigen.
[0005] In US 2004/0070519 AI «Compact light emitting diode retrofit lamp and method for traffic signal lights» ist eine Signalleuchte offenbart, bei der Glühlampen durch LED- Leuchtmittel ersetzbar sind. Dabei werden zu optischen
Anpassung Fresnel Linsen eingesetzt. Die LED-Leuchtmittel beinhalten dabei bereits eine eigene Energieversorgung.
[0006] Aufgrund der deutlich längeren Lebensdauer von LED- Leuchtmitteln und aufgrund der Tatsache, dass die
Glühfadenleuchtlampen mittel- bis langfristig ganz vom Markt verschwinden werden, wird daher zunehmend bei einer
Ausrüstung/Nachrüstung von neuen bzw. bestehenden
Signalanlagen dazu übergegangen, LED-Leuchtmittel
einzusetzen. Diese LED-Leuchtmittel verfügen oft über eine grössere Anzahl von in einem Array angeordneten Einzel-LEDs, die zur Anzeige eines Signalbegriffs kollektiv zum Leuchten gebracht werden. Der Ausfall einer Einzel-LED oder einer geringen Anzahl von Einzel-LEDs kann aufgrund der grossen Anzahl von Lichtpunkte kaum ins Gewicht fallen, weshalb neben der gegenüber Glühlampen erhöhten Lebensdauer der LED auch die Systemfehlerrate deutlich geringer ist.
[0007] Problematisch ist jedoch hinsichtlich einer
Nachrüstung von bestehenden Signalen, dass die neuen LED- Leuchtmittel mit den Glühlampen nicht kompatibel sind und daher in der Regel hohe Kosten für die Erstellung neuer Signale anfallen und der bestehende Signalaufbau zumindest teilweise zu verschrotten ist. Ebenso ist zu berücksichtigen, dass die Anschaltung aus dem Stellwerk, und dabei sind zum grössten Teil noch Relaisstellwerke betroffen, einen
Austausch von Glühfadenlampe gegen LED-Lampe aufgrund der sehr unterschiedlichen Kennlinien von Glühfadenlampe und LED- Lampe nicht problemfrei toleriert. Gerade die
Relaisstellwerke sind dabei vergleichsweise genau auf die Charakteristik der bisher eingesetzten Glühfadenlampen abgestimmt, um Sicherheitaussagen der Güte SIL4 treffen zu können. Eingriffe in die stellwerkseitige Regelungshardware sind dabei aber sehr aufwendig und kostspielig, sodass diese Randbedingung quasi zum K . o . -Kriterium für den Austausch von Glühfadenlampen gegen LED-Lampen werden kann.
[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Realisierung eines Ersatzes einer Glühlampe durch ein energiesparenderes Leuchtmittel für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr anzugeben, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist. Dabei soll ein Ersatz von Glühfadenlampen durch LED- Leuchtmittel oder ähnliche Leuchtmittel in einfacher und kostensparender Weise ohne einen stellwerkseitigen
Hardwareumbau erfolgen können.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung zur Realisierung eines Ersatzes einer
Glühfadenlampe durch ein energiesparenderes Leuchtmittel für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist, gelöst. Diese Vorrichtung umfasst die folgenden Komponenten: a) eine Anzahl von Leuchtmitteln, insbesondere LED-Leuchten, mit einer Leistungsversorgungsschnittstelle, wobei die Anzahl von Leuchtmitteln zur Erzielung einer der Glühlampe analogen Leuchtstärke weniger elektrische Leistung benötigt als die zu ersetzende Glühlampe;
b) eine stellwerkseitige Schnittstelle zum Bezug von
elektrischer Leistung aus dem Stellwerk;
c) ein Interface-Modul, das zwischen die stellwerkseitige Schnittstelle und die Spannungsversorgungsschnittstelle geschaltet ist, wobei das Interface-Modul
cl) eine Steuerlogik umfasst, welche eine signalbegriffs- und/oder tageszeitabhängige Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe kennt und die Leistungsabgabe an die
Leistungsversorgungsschnittstelle in Abhängigkeit von dem gewählten Signalbegriff und/oder der Tageszeit steuert;
c2) einen Spannungsmesser umfasst, der die an der
stellwerkseitigen Schnittstelle anliegende Spannung misst und an die Steuerlogik übermittelt;
c3) einen Leistungsaufnehmer umfasst, der von der Steuerlogik in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung so gesteuert wird, dass die an der stellwerkseitigen Schnittstelle
aufgenommene Leistung die Kennlinie der zu ersetzenden
Glühlampe nachbildet.
[0010] Auf diese Weise gelingt es mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäss Anspruch 8 ein LED-Leuchtmittel als Ersatz für eine Glühfadenlampe so in das Lichtsignal
einzufügen, dass im Stellwerk davon keinerlei Notiz genommen wird. Die Spannungsmessung hilft dabei, die Leistungsaufnahme der gesamte Vorrichtung mit den angeschalteten LED- Leuchtmittels der Leistungsaufnahme der herkömmlichen
Glühfadenlampe anzugleichen. Da die Steuerlogik genaue
Kenntnis der verschiedenen situationsbezogenen Kennlinien der zu ersetzenden Glühfadenlampe hat, ist es möglich, die
Kennlinie an der stellwerkseitigen Schnittstelle mit
ausreichend kleinen Zeitkonstanten nachvollziehen zu können, um eine vermeintliche Fehlerreaktion im Stellwerk, im
Besonderen in einem auf Stromstärken sehr sensitiven
Relaisstellwerk, sicher ausschliessen zu können.
[0011] Das Erfordernis der Echtzeitanpassung der
Leistungsaufnahme an die vorbestimmte Kennlinie kann
besonders gut erfüllt werden, wenn der Spannungsmesser im TRMS-Modus arbeitet. Dann genügen bereits die über ein halbe Periode der Spannungsversorgung gemittelten Quadratsummen der Spannungsversorgung (Eingangsspannung) um die Leistungsbilanz entsprechend der vorgesehenen Kennlinie einzustellen.
[0012] Die geforderte Schnelligkeit der Leistungsanpassung ist bespielsweise genau dann besonders gut realisierbar, wenn der Leistungsaufnehmer einen Leistungstreiber in PWM-Modus umfasst. Selbstverständlich kann der Leistungsaufnehmer die noch zur Verfügung stehende, nicht von dem LED-Leuchtmittel verbrauchte Energie auch einem Energiespeicher zuführen.
Sobald aber elektrische Energie vernichtet werden muss, geschieht dies mit einem im PWM-Modus angesteuerten
Lastwiderstand in besonders echtzeitnaher Weise.
[0013] Ganz besondere Anforderungen muss die Vorrichtung erfüllen, wenn die Charakteristik des kalten Glühfadens nachgebildet werden muss. Bei einem kalten Glühfaden liegt der elektrische Widerstand zunächst deutlich tiefer als im folgenden Betrieb. Bei einer 40 Volt Glühfadenlampe liegt diese Wert im Beginn der Einschaltung bei rund 9 Ohm und steigt dann in einem Intervall von etwa 70 ms auf einen Wert im Bereich von etwa 68 Ohm an. Aus diesem Grunde ist
besonders vorteilhaft, wenn der Leistungsaufnehmer in Antwort auf das stellwerkseitige Einschalten des Leuchtmittels einen für einen kalten Glühfaden in der Glühlampe typischen Inrush- Strom vernichtet kann. Ein hierzu bevorzugt geeignete
Vorgehensweise kann beispielsweise realisiert sein, indem der Leistungsaufnehmer den Inrush-Strom mittels eines temporär parallel geschalteten Widerstands, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, wobei der Widerstandswert dann vorzugsweise mit der Zeit (in relativ kurzfristiger Zeit) zumimmt . [0014] Eine hierzu alternative Vorgehensweise kann es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorsehen, dass der Leistungsaufnehmer den Inrush-Strom in einem ersten zeitlichen Abschnitt nach dem stellwerkseitigen Bereitstellen der elektrischen Leistung zum Einschalten des Leuchtmittels mittels eines temporär parallel geschalteten Widerstand, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem
Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, und in einem zweiten nachfolgenden Abschnitt den parallel geschalteten Widerstand durch eine PMW-Funktion zur Nachbildung der Lastkennlinie der Glühlampe ersetzt. Auf diese Weise kann beispielsweise in den ersten Millisekunden nach dem Einschalten des Leuchtmittels ein Widerstand geeigneter Grösse als Last geschaltet werden, der im Anschluss daran durch ein mit der PMW-Funktion
nachgebildete Last ersetzt wird. [0015] Besondere Anforderungen an die möglichst
realitätstreue Nachbildung der Last der Glühfadenlampe ergibt sich, wenn der Netzwerkbetreiber den Signalbegriff eines blinkenden Signals verwendet. Hier besteht das Problem, dass die Kennlinie für die Glühfadenlampe beim erstmaligen
Einschalten von den Kennlinien während des Blinkbetriebs abweicht, weil der Glühfaden während des Blinkbetriebs jeweils beim Einschalten nicht mehr die Charakteristika des kalten Glühfadens erfüllt. Ein bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht es deshalb, den Leistungsaufnehmer für einen Blinkbetrieb des Leuchtmittels mit einem Widerstand zur
Nachbildung der Einschaltlast, insbesondere in den ersten Millisekunden, zu beschälten, der an den Zustand des warmen Glühfadens infolge des Blinkbetrieb angepasst ist.
[0016] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wrden nachfolgend anhand der Zeichnung
beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung die heutige Anschaltung einer 40 V Glühlampe aus herkömmlichen Relaisstellwerken, beispielsweise Do67 und Do69-Stellwerke der Siemens Schweiz AG;
Figur 2 in schematischer Darstellung die heutige Anschaltung der 40 V Glühlampe bei Vorsignalen mit in Serie geschalteten Glühlampen aus herkömmlichen Relaisstellwerken; Figur 3 in schematischer Darstellung eine Serienschaltung eines Interface-Moduls für die Ansteuerung eines LED- Leuchtmittels aus herkömmlichen Relaisstellwerken; Figur 4 in schematischer Darstellung das Prinzip der
Messkette mit Rückführung, nach welchem das Interface-Modul arbeitet ;
Figur 5 in schematicher Darstellung das Messprinzip und das Messintervall für die Eingangsspannungsmessung am Eingang des Interface-Moduls ;
Figur 6 in schematischer Darstellung die
Anschaltcharakteristik und die Kennlinienregelung der
Lastansteuerung;
Figur 7 in schematischer Darstellung eine PWM-Ansteuerung der Last ; Figur 8 in schematischer Darstellung eine Inrush-Lösung mit Analogtechnik;
Figur 9 in schematischer Darstellung eine Serienschaltung von Interface-Modulen bei in Serie geschalteten LED- Leuchtmitteln;
Figur 10 in schematischer Darstellung die Leistungsaufteilung zwischen Elektronik, LED und Leistungsvernichter ; Figur 11 in schematischer Darstellung eine Prinzipschaltung des Interface-Moduls mit der Funktionalität eines
Leistungsbilanzierers ;
Figur 12 in schematischer Darstellung den Aufbau und die Aufteilung der Funktionen im Interface-Modul
Figur 13 in schematischer Darstellung das dynamische Verhalten der 40V Referenzlampe bei kaltem Glühfaden;
Figur 14 in schematischer Darstellung den Lampenstrom beim ersten und wiederholten Einschalten der 4 OV-Referenzlampe bei einer 36 VDC-Quelle; und
Figur 15 in schematischer Darstellung den Lampenwiderstand beim ersten und wiederholten Einschalten der 40V- Referenzlampe bei einer 36 VDC-Quelle. [0017] Die Grundfunktionalität eines LED-Signalgebers ist die optische Signalisierung für den Eisenbahn- Fahrzeugführer. Dabei sind die Anforderungen aus der
Zulassung richtig zu interpretieren und die gültigen
anwendbaren Normen und allenfalls Vorgaben des Betreibers für Lichtstärke, Abstrahlcharakteristik, Farbort des emittierten Lichtes und weiterer Parameter und Eigenschaften zu erfüllen.
[0018] Um die Kompatibilität zu einer Glühfadenlampe herzustellen, müssen die elektrischen und teilweise beim eigentlichen Leuchtmittel auch die mechanischen Parameter übereinstimmen. Für die Realisierung eines Interface Moduls IM von einer 40V/20W Glühfadenlampe auf aktuell eine 12V/10W LED ist es entscheidend, die Funktionsweise zum Abgleich der Lampenströme wie auch den Spannungsverlauf u=f (t) der
Glühfadenlampe zu kennen. Dabei spielen die Toleranzen von der Seite eines (Relais- ) Stellwerks wie auch der
Umwelteinflüsse eine wichtige Rolle.
[0019] Das Interface-Modul IM hat mindestens drei
Schnittstellen zum Gesamtsystem Stellwerk - Signal:
- Elektrische Schnittstelle 8 zum Stellwerk (40V AC
Schnittstelle oder AC gleichgerichtet)
- Elektrische Schnittstelle 10 zum LED-Lichtpunkt (12V/10W Schnittstelle )
- Mechanische Schnittstelle (Montage Ort, Montageart etc.)
- Diagnose bzw. Pro ektierungsschnittstelle. [0020] Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die heutige Anschaltung einer 40 V Glühfadenlampe 2 aus
herkömmlichen Relaisstellwerken 4, beispielsweise Do67 und Do69-Stellwerke der Siemens Schweiz AG. Die Figur 2 zeigt diese heutige Anschaltung der 40 V Glühfadenlampe 2 bei Vorsignalen mit in Serie geschalteten Glühfadenlampen aus herkömmlichen Relaisstellwerken 2. Figur 3 zeigt nun in schematischer Darstellung eine Serienschaltung eines
erfindungswesentlichen Interface-Moduls IM für die
Ansteuerung eines LED-Leuchtmittels 12 aus herkömmlichen Relaisstellwerken 4. Das Interface-Modul IM befindet sich dabei in vorteilhafter Weise direkt am LED-Leuchtmittel 12 und ist in ein Streckenkabel 14 vom Stellwerk 4 zum LED- Leuchtmittel 12 zwischengeschaltet. [0021] Die erforderliche Nachbildung der U-I Kennlinie der bisher eingesetzten 40V Glühfadenlampe 2 stellt dabei ein Must dar, denn bevor die Kennlinie durch das Interface-Modul IM nachgebildet werden kann, muss die Spannung als realer Effektivwert (wie Glühfadenlampe) erfasst werden können. Die Herausforderungen für die Kennliniennachbildung sind:
- Spannungs- und Leistungsmessung für alle möglichen
Kurvenformen
- in Abhängigkeit der Spannungsmessung muss durch eine funktionale Verknüpfung im Interface-Modul IM eine ohmsche Last (variabel) dazugeschaltet werden
[0022] Der Ablauf der Lastzuschaltung (Laststeuerung) ist in Figur 4 dargestellt. Die Rückführung birgt dabei die Gefahr in sich, dass eine zu grosse Laständerung im
Zusammenhang mit der Regelzeit eine Schwingneigung erzeugen kann. Ein geeigneter Algorithmus der Approximation reduziert die Schwingneigung und lässt eine Realisation zu. Eine mögliche Umsetzung hierfür ist in Figur 5 dargestellt. Eine mögliche Realisierungsvariante zu Figur 5 für den Anlauf des LED-Leuchtmittels 12 wäre beim Aufstartverhalten in den ersten 5 ms einen 9 Ohm Widerstand als Last parallel zu schalten und danach durch eine PWM-Funktion die Last
nachzubilden .
[ 0023 ] Die Nachbildung der dynamischen Kennlinie ist ein wichtiger notwendiger Bestandteil der Substitution von LED- Elektronik in den Relaisstellwerken 4. Dabei ist es besonders bedeutsam, dass der Inrush-Strom (AnlaufStromüberhöhung der kalten Lampe) für das einwandfreie Funktionieren (Anziehen der seriell im Leuchtmittelstrompfad betriebenen Relais mit einem Schalten der Kontakte) (Zugsicherungsrelais ZU bzw. ZK Relais) erforderlich ist.
[ 0024 ] Die Nachbildung der sogenannten „dynamischen
Kennlinie" stellt eine durchaus anspruchsvolle Aufgabe dar, weil diese aufgrund der sicherheitsbedingt kurzen
Reaktionszeiten der stellwerkseitigen Überwachung relativ genau zu überwachen ist. Die Figuren 13 bis 15 zeigen dabei die dominanten Parameter beispielhaft für eine bei den schweizerischen Bundesbahnen eingesetzten 40V Glühfadenlampe 2.
[ 0025 ] Bei der Verwendung von analoger Schaltungstechnik stellt sich die Aufgabe, dass beim erstmaligen Einschalten ein Lastwiderstand von ca. 9 Ohm (um einen Inrush Strom zu erreichen) innerhalb von 70ms kontinuierlich auf > 50 Ohm geändert werden muss. Ein mögliche Lösung ist der Figur 8 zu entnehmen . [ 0026 ] Wird die LED-Elektronik aber beispielsweise im
Sekundentakt ein- und ausgeschaltet (Blinkbetrieb) , so ändert sich der Lastwiderstand von 68 Ohm auf ca. 20 Ohm (siehe Figur 15) . Dabei steht während einigen wenigen Millisekunden an der 9 Ohm-Last beinahe keine Logikspannung zur Verfügung; sie wird vielmehr für die FPGA resp. CPU Spannungsversorgung gebraucht. In der Realisierungsvariante mit analoger
Schaltungstechnik wird eine genügend gute Genauigkeit bei Verwendung von Bauteilen geringer Toleranz für C und die FET's erreicht. Figur 7 zeigt entsprechend eine Lösung in digitaler Schaltungstechnik, bei der die Last in PWM-Funktion zum Einstellen der gewünschten Kennlinie angesteuert wird.
[0027] Die Symmetrisierung (die Serie- Kaskadierung von Interface Modulen wie in Figur 9 gezeigt) ist unter den folgenden Aspekten umgesetzt worden:
- Genauigkeitsanforderung für Tag bzw. Nachtspannungsbereich von < ± 5 %
- Stabiles Verhalten bei kurzzeitigen Änderungen
- Schutz vor Überlast
- Im Fehlerfall wird der Leistungsbilanzierer gezielt
abgeschaltet .
[0028] Die Figur 10 zeigt die zu erreichende
Leistungsbilanz (Leistungsbilanzierers ) des Interface Moduls IM, so dass eine Serienschaltung (siehe Figur 9) von mehreren Interface Modulen möglich ist. Die zu erreichende Genauigkeit ist aufgrund der Serienspannung kleiner als ± 3-5 %. Bei der erstmaligen Einschaltung des Interface Moduls IM wird ein identisch grosser Strom einer Glühlampe erzeugt (siehe
Kennlinie kalter Faden mit einem Anfangswiderstand von ca. 10 Ohm gemäss Figur 13) . Dies garantiert beispeilsweise bei den Domino-Stellwerken der Siemens Schweiz AG, dass alle in Serie geschalten Relaisspulen korrekt anziehen.
[0029] Der im Interface-Modul IM eingesetzte
Leistungsbilanzierer kann als Regelelement vereinfacht dargestellt werden. Die Figur 11 zeigt das Funktionsprinzip. Die Spannung des Interface Moduls IM kann als Stromquelle mit fixen Parallelwiderständen und einem variablen Widerstand 16 (Leistungsbilanzierer mit PWM) dargestellt werden. Die
Verlustleistung der fixen Verbraucher (Elektronik d.h. FPGA oder CPU, Leistungsaufnahme der LED, etc) werden durch
Widerstände nachgebildet. Der Leistungsbilanzierer variiert im Ersatzschaltbild die Verlustleistung durch eine
Widerstandsänderung . [0030] P(I) = konst = I2 * R = I2 *
+ +
Pverlust R _ Elektronik R _ LED
[0031] Die vorstehend aufgeführte Formel gibt den
Leistungsverbrauch/Leistungsbilanz wieder. Um die
Leistungsaufnahme für den verwendeten LED-Bautyp
konfigurieren zu können, wird eine Service bzw.
Pro ektierungsschnittstelle 18 vorgesehen, wie in Figur 12 gezeigt. Diese Schnittstelle ermöglicht es, LED' s mit der zum Bautyp passenden Stromquelle (Bsp. 1000mA, 500mA, 350mA etc.) zu betreiben. Die Figur 12 zeigt eine mögliche Realisierung dazu. Werden hocheffiziente LED' s angesteuert, wird die entstehende grössere nicht benötigte Leitung vom
Leistungsbilanzierer erkannt und an einem entsprechenden Widerstand 20 in Wärme umgesetzt oder aber beispielhaft für die Ladung von Sekundärzellen verwendet. [0032] Die Realisation des Leistungsverbrauchers wird hauptsächlich von der Geschwindigkeit der benötigten Änderung bestimmt. Um Schwingneigungen im Leuchtmittelsystem so klein wie möglich zu halten, ist der Leistungsverbraucher mit PWM und einem Änderungsintervall von etwa 10 bis 50 ms
realisiert.
[0033] Die blinkende Signallampe ist ein Spezialfall bei den schweizerischen Bundesbahnen. Diese Art von
Signalisierung ermöglicht es, beim Ausfall eines Fadens den Bahnbetrieb mit Performanceeinbusse aufrecht zu erhalten. Beim sog. Fusi-Blinken wird die Signallampe (Nothaltlampe) mit 1Hz und dem Taktverhältnis von 1:1 vom Relaisstellwerk angesteuert. Für die Nachbildung dieses Blinkens an den
Domino-Stellwerken wird die dynamische Kennlinie der
Glühfadenfadenlampe gemäss den Figuren 14 und 15
berücksichtigt.
[0034] Die Leistungsmessung des Interface Moduls IM ist stark abhängig von der Genauigkeit der Eingangs- Spannungs- Messung. Wenn die Eingangsspannung genügend genau gemessen werden kann, so schaltet das Interface Modul IM die
Lastregelung mittels PWM oder ähnlicher Verfahren
funktionssicher hinzu.
[0035] Das Ausfallverhalten des Interface Moduls IM bildet das Verhalten der Glühlampe so gut und zuverlässig wie möglich nach. Das Einschaltverhalten überbrückt dabei auch die Ausfallnachbildung zuverlässig. Die Trägheit wird mit einer guten Wiederholgenauigkeit erreicht. Das
Ausfallverhalten kann einerseits durch eine reaktivierbare Sicherung oder durch einen gezielten Lastabwurf nachgebildet werden .
[0036] Die Wärmeabfuhr ist gemäss der Erfahrungen aus langjährigen Hardware-Pro ekten nicht einfach zu realisieren und wird meist unterschätzt. Um eine genügend gute Konvektion zu erreichen, wird eine so grosse Fläche wie möglich
verwendet. Eine gangbare Lösung ist die Verwendung des bestehenden Metall-Gehäuses der Signallampe zur Verteilung der Wärme.
[0037] Folgende Ideen könnten auch zur Anwendung kommen:
- Widerstand an Gehäuse der Signallampe
- Abgeschaut von der Induktionskochplatte würde ein Prinzip von Wirbelströmen eine sehr gute Wärmeableitung ermöglichen. Dazu sollte das Gehäuse der Signallampe die Wirbelströme in Wärme umwandeln.
[0038] Bei der Serieschaltung von zwei oder drei Lampen entsteht bei einem Kurzschluss an der/den intakten
Lichtquellen eine erhebliche Überspannung, die es in den Leuchtmitteln zu beherrschen gilt. Die Abklärungen der
Signalschaltungen zeigen, dass eine Überspannung von 20% zuverlässig erkannt und in einem definierten Zeitraum darauf regiert werden kann.
[0039] Ausgehend von dem Grundprinzip der Glühbirne, dass elektrische Energie in Licht und Wärme umgewandelt wird, werden zuerst die physikalischen Rahmenbedingungen und Eigenschaften genau dargestellt. Aufgrund der Tatsache, dass die Signalform von der Lampenspeisung bis 30% harmonische Anteile beinhalten kann, wird auch die Erfassung der Spannung dies berücksichtigen. Abgeleitet auf die Umsetzung des
Interface Moduls IM bedeutet dies, dass ein robustes
Messprinzip angewendet werden muss.
[0040] Aufgrund dieser Erfahrungen kommen somit folgende Prinzipien nicht zur Anwendung:
- Nulldurchgangsdetektion
- Effektivbewertung mit Gleichrichter
- Mittelwertbildung über Perioden (einzelne oder mehrere)
[0041] Abgeleitet vom Prinzip der Glühbirne, empfiehlt es sich die „zeitliche Integration" über eine bzw. zwei
Perioden. Für die Realisation können folgende Prinzipen angewendet werden:
- Integration von Zeitwerten (Diskrete Integration von
Werten)
- Bildung von (T)RMS Werten
- Analoge Integration mit Operationsverstärker
[0042] Die Auswahl des Prinzips wird gemäss der folgenden Tabelle durchgeführt.
Figure imgf000016_0001
Nachfolgend wird aufgezeigt, wie aus einem gleichgerichteten Sinussignal mit maximal 35% harmonischem Anteil (bis zur 20. Oberwelle) die Eingangsspannung ermittelt werden kann. Die einzelnen Varianten wurden jeweils mittels eines Mathlabskripts geprüft, und die Messgenauigkeit bestimmt, den nächsten Unterkapiteln werden die folgenden Variabein verwendet :
- Ui : Spannungswert
- S: Anzahl Samples pro Halbwelle
[0043] Bei der Peak Detection wird für jede Halbwelle ein Peakwert ermittelt. Dies ist eine sehr einfache Methode der Spannungsmessung. Für die Implementation ist ein
Tiefpassfilter notwendig, das bereits ab der ersten
Harmonischen eine gewisse Dämpfung bringt. Das Filter kann digital implementiert werden. Zusätzlich sind ein Komparator (8 x 8 Bit), ein wenig Logik und ein Register, in dem der momentane Peakwert gespeichert wird, notwendig. Die
Genauigkeit der Spannungsmessung erreicht hier bei einem 35% igen harmonischen Anteil ca. ±10%, was annähernd robust ist.
[0044] Ein sehr einfacher Algorithmus zur Detektion der Eingangsspannung ist die Berechnung der Summe der einzelnen Spannungsmesswerte und deren Mittelung über eine Halbwelle. Um Unterschiede zwischen der positiven und negativen
Halbwelle auszugleichen, sollte dieser Wert über mindestens zwei Halbwellen wie folgt gemittelt werden:
1 s
mean=—*V[/■
S ^i=l '
[0045] Diese Berechnung lässt sich beispielsweise auf einem FPGA sehr einfach implementieren. Es ist lediglich ein Addierer (ca. 16 x 8 Bit, abhängig von S) und etwas Logik notwendig. Die Division lässt sich durch geschickte Wahl von S (S e {2n}) mittels einer Bit- Shiftoperation erledigen. Ein analoges Tiefpassfilter vor dem Gleichrichter ist
empfehlenswert, damit hochfrequente Signalanteile nicht mitgemessen werden. Bei einem 35%-igen harmonischen Anteil liegt die Messgenauigkeit mit diesem Verfahren bei ca. ±5% und ist damit etwa doppelt so genau wie das Vorangehende. Allerdings werden für diese Genauigkeit die Auswertung von zwei Halbwellen benötigt (also 20 ms bei 50 Hz) .
[0046] Etwas aufwendiger wird die Ermittelung der
Eingangsspannung bei der Berechnung des RMS Wertes. Hier wird die Wurzel der über alle Messwerte einer Halbwelle
gemittelten Quadratesumme der Eingangsspannung berechnet. Auch dieses Ergebnis sollte mindestens über beide Halbwellen eines Sinus gemittelt werden.
Figure imgf000018_0001
[0047] Für die Berechnung der Quadratesumme wird ein
Multiplizierer (ca. 8 x 8 Bit) und ein Addierer (ca. 22 x 16 Bit, abhängig von S) benötigt. Zudem muss am Ende die Wurzel aus der Summe gezogen werden. Die Wurzelfunktion lässt sich relativ platzsparend in VHDL implementieren. Somit kann auch diese Berechnungsmethode auf einem FPGA implementiert werden. Auch hier sollte ein analoges Tiefpassfilter zur Filterung hochfrequenter Signalanteile vorgesehen werden. Um die
Integrationsdichte auf dem Board erhöhen zu können (also ein kleines FPGA zu wählen) könnte allenfalls die Berechnung des Effektivwerts von einem DSP übernommen werden. Bei einem 35%- igen harmonischen Anteil liegt die Messgenauigkeit mit diesem Verfahren bei guten ca. -1% bis +3%. Sofern digitale
Tiefpassfilter eingesetzt werden sollen, ist es von Vorteil ein nicht gleichgerichtetes Signal zu verarbeiten. Ein gleichgerichtetes Signal verliert nämlich durch ein gutes Tiefpassfilter die Nulldurchgänge und kann dann nicht mehr sinnvoll ausgewertet werden.
[0048] Die Figur 12 gezeigte Realisierungsvariante zeigt die Architektur für das Interface-Modul IM ohne
Sicherheitsmechanismen. Die Sicherheitsmechanismen zur
Erreichung der Zulassung nach EN 50129 werden getrennt später beschrieben. Dort werden dann zudem die verschiedenen
Architekturen zur Erreichen der notwendigen Fehleroffenbarung beschrieben. Das Interface-Modul IM umfasst auf der
stellwerkseitigen Schnittstelle einen EMV-Schutz 22 und verfügt dann über eine Reihe von durch eine Steuerlogik 24 gesteuerte und überwachte Funktionsblöcke auf. Die
Steuerlogik 24 selbst verfügt über eine Service- und
Konfigurationsschnittstelle 18. Ein Funktionsblock
Abschaltautomatik 26 behandelt vorrangig den Fall des defekten LED-Leuchtmittels 12 und stellt auch sicher, dass die LED-Leuchtmittel 12 nicht (nach- ) glimmen . Der
Funktionsblock „Innere Spannungsaufbereitung" 28 gilt der Bereitstellung der im Interface-Modul IM erforderlichen
Spannungen, insbesondere der Bereitstellung einer
hinreichenden Spannung für die Steuerlogik 24 im Fall der
Nachbildung des Inbrush-Einschaltstroms . Der Funktionsblock „TRMS-Spannungsmessung" 30 besitzt eine tragende Rolle für das Interface-Modul IM, da nur mit einer hohen Qualität der Messung der Eingangsspannung letztendlich die Funktion des Glühfadenlampen-Ersatzes überhaupt erst gewährleistet werden kann. Der Funktionsblock „Einschaltstromautomatik" 32 regelt im Besonderen den zeitkritischen Vorgang der Inbrush-Strom- Nachbildung. Der Funktionsblock „Betriebszustandüberwachung" 34 stellt die Überwachung des Betriebes des Interface-Moduls IM und der von ihm angesteuerten LED-Leuchtmittel 12 sicher. Der Funktionsblock „Energie-Balancer" 36 hat die Aufgabe bei einer Reihenschaltung von Interface-Modulen IM zur
Ansteuerung meherer LED-Leuchtmittel 12 die pro Modul aufgenommene Energie zu bilanzieren und unter den Interface- Modulen IM anzugleichen. Der Funktionsblock
„Stromschnittstelle" 38 entscheidet in Abhängigkeit vom eingesetzten LED-Leuchtmittel 12, welcher Strom an das LED- Leuchtmittel 12 abgegeben wird. Der Funktionsblock
„Lichtstromüberwachung" 40 detektiert, ob das LED- Leuchtmittel 12 auch tatsächlich leuchtet und auch im
richtigen Modus leuchtet (z.B. bei der Nachtabsenkung der Lichtleistung) . Der Funktionsblock „Energievernichter" 20ist hier ausserhalb des Interface-Moduls IM platziert, um
darzustellen, dass die überschüssige Energie wohl in der Regel ausserhalb des Interface-Moduls IM in Wärme umgesetzt werden muss oder aber beispielsweise einem externen oder natürlich auch einem internen Energiespeicher zugeführt wird.
[0049] Die Lampenkennlinie wird mittels Widerständen am Eingang nachgebildet. Einer der Widerstände ist während der Einschaltzeit des FPGA zugeschaltet, um den regulären
Strombezug zu simulieren. Sobald das FPGA die LEDs
einschaltet, wird der Widerstand vom Netz getrennt. Dieser Widerstand kann beispielsweise von der Funktionsgruppe „Einschaltstromautomatik" gesteuert werden.
[0050] Die Sicherheitsbetrachtung ist abhängig von der Architektur des Interface Moduls. Die Sicherheitsziele für SIL 4 nach EN 50129 können aufgrund der Funktionalität und der Systemgrenzen nur durch zwei unabhängige Elemente/Kanäle oder mit einem speziellen Prüfverfahren erreicht werden. Um die Fehleroffenbarung der Lichtleistung zu gewähren, ist es eine gute Lösung, diese vorort direkt bei den LED- Leuchtmitteln 12 zu erfassen und zweikanalig an die
Steuerlogik 24 des Interface-Moduls IM weiterzugeben.
Hinsichtlich der Betriebssicherheit und der Realisierbarkeit dieses Interface-Moduls IM steht über allem, dass dem
Stellwerk 4 über den Strombezug auf der Grundlage der
Glühlampenkriterien zurückgemeldet wird, ob das
eingeschaltete LED-Leuchtmittel 12 auch tatsächlich leuchtet.
[0051] Anders herum darf das LED-Leuchtmittel 12 nicht aufgrund von Fremdeinflüssen, Beeinflussungsspannungen etc. ohne Ansteuerung vom Stellwerk 4 aufleuchten. Dazu muss eine minimale Glimmgrenze im Bereich derjenigen der substituierten Glühfadenlampe (die Glimmgrenze) auch im Fehlerfall
eingehalten werden. An demselben Signal (derselben
Funktionsgruppe) müssen die LED-Leuchtmittel 12 innerhalb einer gewissen Toleranz gleiche Lichtstärke aufweisen. Falls bei Tagbetrieb ein einzelner Lichtpunkt eines Begriffes, der durch mehr als einen Lichtpunkt dargestellt werden muss, fälschlicherweise im Nachtbetrieb arbeitet, kann dies als zu hoher Signalbegriff wahrgenommen werden (z.B. F2 Fl oder F5* Fl*) und würde einen signaltechnisch schweren Fehler darstellen.
[0052] Nach den anzulegenden sicherheitstechnischen
Bedingungen könnte die Ansteuerung der LED einkanalig
erfolgen, wenn mit einer Lichtüberwachung als unabhängige Betrachtungseinheit mit Abschaltfähigkeit gearbeitet wird. Dabei muss mindestens eine absolute untere Schwelle überwacht werden. Damit könnte jedoch ein falscher Betriebsmodus Tag / Nacht nicht sicher erkannt werden. Daher soll die
Überwachungsschwelle für die Lichtstärkemessung abhängig sein von der Eingangsspannung. Dazu muss die Bewertung der
Eingangsspannung auf Tag / Nacht-Betrieb sowohl im Ansteuer- Kanal wie auch im Überwachungskanal erfolgen. Bei
kontinuierlicher Anpassung der Signallichtstärke proportional zur Eingangsspannung könnte im Überwachungskanal ggfs. eine einfachere Bewertung der Eingangsspannung ohne True-RMS- Berechnung zur Anwendung kommen.
[0053] Alternativ ist eine 2-kanalige Architektur
(composite fail-safety) möglich. Um Toleranzen auszugleichen, ist ein Austausch der TRSM-Resultate zwischen den Kanälen vorzusehen. Jeder Kanal bewertet die Abweichung zum
Nachbarkanal, falls sie im tolerierbaren Bereich liegt, arbeiten beide Kanäle mit einem gemeinsamen Wert weiter.
Falls das LED-Leuchtmittel 12 nicht genügend Lichtstrom abgibt, müsste im Stellwerk 4 das überwachte Stromfenster verlassen werden. Jedoch wird vom Relaisstellwerk 4 nicht der Strombezug jedes einzelnen Lichtpunktes überwacht, sondern je nach Fahrbegriff der Strombezug von Serienschaltungen
mehrerer Lichtpunkte, bzw. Lichtpunkte und Ersatzwiderstand. Dadurch ist es schwierig, mit einer Veränderung des
Strombezuges den Ausfall des Lichtpunktes zuverlässig zu offenbaren. Die sicherheitsgerichtete Reaktion besteht daher idealerweise im vollständigen Unterbruch des Strompfades - wie dies auch bei einer Glühfadenlampe bei Wendeldefekt der Fall ist.
[0054] Dabei stellt sich die Frage, ob die Abschaltung durch das Interface-Modul IM reversibel sein muss, damit nach Tausch eines LED-Leuchtmittels 12 das Interface-Modul IM wieder in Betrieb genommen werden kann. Eine reversible
Abschaltung mit „Reset-Knopf" ist jedoch schwierig zu
realisieren, da im Idealfall der Strompfad vollständig unterbrochen wird und damit auch das Interface-Modul 12 von der Speisung getrennt ist. Zusätzlich ist der Lichtpunkt bei Tausch des LED-Leuchtmittels in der Regel vom Stellwerk her nicht angeschaltet (ausser Grundstellungslampen) . Zudem ist bei einer reversiblen Lösung die Beibehaltung des sicheren Zustandes gemäss EN 50129 nachzuweisen, auch im Fehlerfall. Hierzu könnte beispielsweise ein Teil der im Überschuss zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung nicht über den Energievernichter 20 abgebaut werden, sondern in einer
Batterie gespeichert werden, sodass dem Interface-Modul IM immer ein für das erneute Hochfahren ausreichende elektrische Leistung zur Verfügung stehen würde.
[0055] Für die Lichtstärkeanpassung Tag/Nacht gibt es die Varianten der kontinuierlichen Anpassung der Lichtstärke abhängig von der anliegenden Spannung, oder der aktiven
Umschaltung zwischen Betriebszuständen Tag und Nacht.
Bisherige Lösungen mit kontinuierlicher Anpassung haben meist den Nachteil, dass die Absenkung der Lichtstärke in der Nacht zu gering ist. Eine aktive Umschaltung hat den Vorteil, dass grössere Lichtstärkeunterschiede, z.B. durch Ansteuerung einer unterschiedlichen Anzahl von LED- Leuchtmitteln/Leuchtpunkten innerhalb eines Signalpunkts, erreicht werden. Ebenfalls könnte eine aktive Umschaltung mit Vorgabe des Betriebsmodus für die Definition einer
generischen Leuchtmittelschnittstelle vorteilhaft sein.
Moderne LED lassen noch analog eine Dimmung auf Basis
Nennstrom von 4:1 zu., ist mehr erforderlich, ist PWM Betrieb erforderlich . [0056] Bisher nicht betrachtet ist die Einhaltung einer minimalen Glimmgrenze. Es ist zu vermeiden, dass bei Ausfall des „Energie-Vernichters" 20 die LED bereits mit einem sehr geringen Eingangsstrom am Interface-Modul IM zum Leuchten kommen kann. Idealerweise kann ein unverlierbarer
Zusammenhang zwischen Ansteuerung der LED und minimaler Stromaufnahme realisiert werden. Andernfalls müsste die Überwachungsfunktion zusätzlich zum Lichtstrom auch eine minimale Leistungsaufnahme überwachen. Ein weiterer zu beachtender Punkt ist, dass die Glühlampe als ein streng ohmscher Widerstand mit kurzzeitiger Überlastfestigkeit und einer kleinen Zeitkonstante bezüglich Lichtemission zu betrachten ist. Das kurzzeitige Aufblitzen von LED- Leuchtmitteln im dunklen Zustand wäre insbesondere in der Nacht nicht tolerabel und ist damit mit der Einhaltung der minimalen Glimmgrenze eliminierbar.
[0057] Figur 13 zeigt die Lampencharakteristik bei kaltem Glühfaden. Beim Einschalten ist ein Ohmscher Kaltwiderstand von ca. 9 Ohm vorhanden. Innerhalb von 70 ms erhöht sich der Lampenwiderstand bei Tagspannung (38V) auf 68 bis 70 Ohm.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Realisierung eines Ersatzes einer
Glühlampe (2) durch ein energiesparenderes Leuchtmittel (12) für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist, umfassend :
a) eine Anzahl von Leuchtmitteln (12), insbesondere LED- Leuchten, mit einer Leistungsversorgungsschnittstelle, wobei die Anzahl von Leuchtmitteln zur Erzielung einer der
Glühlampe analogen Leuchtstärke weniger elektrische Leistung benötigt als die zu ersetzende Glühlampe (2);
b) eine stellwerkseitige Schnittstelle (8) zum Bezug von elektrischer Leistung seitens des Stellwerks (4);
c) ein Interface-Modul (IM), das zwischen die
stellwerkseitige Schnittstelle (8) und die
Spannungsversorgungsschnittstelle (10) geschaltet ist, wobei das Interface-Modul (IM)
cl) eine Steuerlogik (24) umfasst, welche eine
signalbegriffs- und/oder tageszeitabhängige Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) kennt und die Leistungsabgabe an die Leistungsversorgungsschnittstelle (10) in Abhängigkeit von dem gewählten Signalbegriff und/oder der Tageszeit steuert ;
c2) einen Spannungsmesser (30) umfasst, der die an der stellwerkseitigen Schnittstelle (8) anliegende Spannung misst und an die Steuerlogik (24) übermittelt;
c3) einen Leistungsaufnehmer (20) umfasst, der von der
Steuerlogik (24) in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung so gesteuert wird, dass die an der stellwerkseitigen
Schnittstelle (8) aufgenommene Leistung die Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) nachbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsmesser (30) im TRMS-Modus arbeitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) einen Leistungstreiber (21) in PWM-Modus umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) in Antwort auf das
stellwerkseitige Einschalten des Leuchtmittels (12) einen für einen kalten Glühfaden in der Glühlampe (2) typischen Inrush- Strom vernichtet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) den Inrush-Strom mittels eines temporär parallel geschalteten Widerstand, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, wobei der Widerstandswert vorzugsweise mit der Zeit zumimmt .
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) den Inrush-Strom in einem ersten zeitlichen Abschnitt nach dem stellwerkseitigen Bereitstellen der elektrischen Leistung zum Einschalten des Leuchtmittels (12) mittels eines temporär parallel geschalteten
Widerstands, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, und in einem zweiten nachfolgenden Abschnitt den parallel geschalteten Widerstand durch eine PMW-Funktion zur Nachbildung der Lastkennlinie der Glühlampe ersetzt.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) für einen Blinkbetrieb des
Leuchtmittels (12) mit einem Widerstand beschaltet ist, der an den Zustand des warmen Glühfadens infolge des Blinkbetrieb angepasst ist.
8. Verfahren zur Realisierung eines Ersatzes einer Glühlampe (2) durch ein energiesparenderes Leuchtmittel (12) für ein Lichtsignal im schienengebundenen Verkehr, das in eine stellwerkseitige Sicherheitsüberwachung einbezogen ist, umfassend:
a) Bereitstellen einer Anzahl von Leuchtmitteln (12), insbesondere LED-Leuchten, mit einer
Leistungsversorgungsschnittstelle, wobei die Anzahl von
Leuchtmitteln zur Erzielung einer der Glühlampe analogen Leuchtstärke weniger elektrische Leistung benötigt als die zu ersetzende Glühlampe (2);
b) Einrichten einer stellwerkseitige Schnittstelle (8) zum Bezug von elektrischer Leistung seitens des Stellwerks (4); c) Bereitstellen eines Interface-Modul (IM), das zwischen die stellwerkseitige Schnittstelle (8) und die
Spannungsversorgungsschnittstelle (10) geschaltet ist, wobei das Interface-Modul (IM)
cl) eine Steuerlogik (24) umfasst, welche eine
signalbegriffs- und/oder tageszeitabhängige Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) kennt und die Leistungsabgabe an die Leistungsversorgungsschnittstelle (10) in Abhängigkeit von dem gewählten Signalbegriff und/oder der Tageszeit steuert ;
c2) einen Spannungsmesser (30) umfasst, der die an der stellwerkseitigen Schnittstelle (8) anliegende Spannung misst und an die Steuerlogik (24) übermittelt;
c3) einen Leistungsaufnehmer (20) umfasst, der von der
Steuerlogik (24) in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung so gesteuert wird, dass die an der stellwerkseitigen
Schnittstelle (8) aufgenommene Leistung die Kennlinie der zu ersetzenden Glühlampe (2) nachbildet.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsmesser (30) im TRMS-Modus arbeitet.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) einen Leistungstreiber (21) in PWM-Modus umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) in Antwort auf das
stellwerkseitige Einschalten des Leuchtmittels (12) einen für einen kalten Glühfaden in der Glühlampe (2) typischen Inrush- Strom vernichtet.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) den Inrush-Strom mittels eines temporär parallel geschalteten Widerstand, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, wobei der Widerstandswert vorzugsweise mit der Zeit zumimmt .
13. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) den Inrush-Strom in einem ersten zeitlichen Abschnitt nach dem stellwerkseitigen Bereitstellen der elektrischen Leistung zum Einschalten des Leuchtmittels (12) mittels eines temporär parallel geschalteten
Widerstands, der dem Widerstand der Glühlampe bei kaltem Glühfaden entspricht, abfliessen lässt, und in einem zweiten nachfolgenden Abschnitt den parallel geschalteten Widerstand durch eine PMW-Funktion zur Nachbildung der Lastkennlinie der Glühlampe ersetzt.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungsaufnehmer (20) für einen Blinkbetrieb des
Leuchtmittels (12) mit einem Widerstand beschaltet ist, der an den Zustand des warmen Glühfadens infolge des Blinkbetrieb angepasst ist.
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