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Dokumentenidentifikation DE69813255T2 25.03.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001012023
Titel VERKEHRSLICHTSIGNAL MIT MEHREREN LEUCHTDIODEN
Anmelder Howells Railway Products Ltd., Wythenshawe, Manchester, GB
Erfinder HOWELLS, David Peter, Sale, Manchester M33 3PL, GB;
HOWELLS, Michael, Wythenshawe, Manchester M22 4ZQ, GB
Vertreter Ackmann, Menges & Demski Patentanwälte, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69813255
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.09.1998
EP-Aktenzeichen 989404454
WO-Anmeldetag 01.09.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/GB98/02620
WO-Veröffentlichungsnummer 0099011498
WO-Veröffentlichungsdatum 11.03.1999
EP-Offenlegungsdatum 28.06.2000
EP date of grant 09.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.03.2004
IPC-Hauptklasse B61L 5/18
IPC-Nebenklasse G08G 1/095   F21S 8/00   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist speziell mit Bezug auf Signalleuchten für den Eisenbahnverkehr gemacht worden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Signalleuchten für den Eisenbahnverkehr erfordern eine beträchtliche Lichtintensität und enthalten herkömmlicherweise Wolframglühfadenlampen, normalerweise (zumindest im Vereinigten Königreich) mit einer Reservevorrichtung gegen einen ersten Lampen- oder Lampenglühfadenausfall und sichtbare unterschiedliche Helligkeitslinien zum Anzeigen des normalen Betriebes und eines solchen Ausfalls, der zum Rückgriff auf die Reservelampe bzw. den Reserveglühfaden führt. Wartungserfordernisse und -kosten verbleiben mit Bezug auf die ersten Wolframlampen-/Glühfadenausfälle, und es ist ein Ziel der Erfindung, in dieser Hinsicht nach einer Verbesserung zu suchen.

Die deutsche Offenlegungsschrift 25 42 220 A hat die Verwendung von Laserlicht für Eisenbahnsignal- und andere Leuchten vorgeschlagen, ob als einen einzelnen Gaslaser mit einer Sammellinse oder als eine Vielzahl von Laserdioden mit einzelnen Sammellinsen.

Halbleiter-Leutdioden (LEDs) sind allgemein dafür anerkannt, dass sie von Haus aus sehr viel zuverlässiger sind als Wolframglühfadenlampen, wobei aber die verfügbare Lichtintensität um viele Größenordnungen geringer ist. Selbst die dramatischen Verbesserungen bei LEDs, die kommerziell verfügbare einzelne Vorrichtungen mit sich gebracht haben, welche einen Lichtausstoß von bis zu fünfzehn Candela oder so haben, beginnen nicht, mit Wolframglühfadenlampen im Hinblick auf den direkten praktischen Austausch für Eisenbahnsignalleuchten oder irgendwelche anderen Verwendungszwecke mit ähnlichen Anforderungen vergleichbar zu werden. Mit Bezug auf Eisenbahnsignalleuchten ist ein besonderes Ziel der Erfindung, eine Lösung zu finden, die die praktische Verwendung von LEDs gestattet.

Die ziemlich nahe liegende Maßnahme zum Kombinieren einer ausreichenden Anzahl von LEDs zum Produzieren einer nominell ausreichenden Lichtmenge hinter einem herkömmlichen Lampenglas einschließlich solchen des Fresnel-Typs ist in der Praxis nicht erfolgreich, ob vor einem Reflektor oder nicht. Der erleuchtete Zustand ist einfach nicht ausreichend sichtbar weit genug weg, zumindest unter Bedingungen starken Umgebungslichtes.

- Es wird deutlich werden, dass diese Situation auf die von Haus aus äußerst diffuse Natur der Lichtemission aus LEDs zurückzuführen sein dürfte und hier dadurch überwunden wird, dass eine erwünschte und effektive Bündelung vorgenommen wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird eine Signalleuchte für den Eisenbahnverkehr geschaffen, die eine Vielzahl von Leuchtdioden (LEDs) aufweist, welche mehr als ausreichend dafür sind, eine Gesamtlichtabstrahlung zu erzeugen, die für den beabsichtigten Gebrauch angemessen ist, wobei wenigstens ausreichend viele von diesen LEDs gemeinsam mit Strom versorgbar sind, um dafür ausreichend zu sein, wobei die Vielzahl von LEDs in einer flächigen Anordnung in Zuordnung zu ähnlich flächig verteilten Konzentriereinrichtungen für emittiertes Licht verteilt werden, und in Verbindung mit einer Vorrichtung für die Abgabe des gesamten Lichtausstoßes bewirkt, dass eine Lichtabgabe mit überwiegend im Wesentlichen paralleler Bündelung erfolgt, gekennzeichnet durch eine Gesamtausstoßlinse, die eine dem Rand benachbarte Unterlinse für seitliches Sehen des Leuchtenbetriebes aufweist.

Vorzugsweise ist die Anzahl der LEDs ausreichend, selbst nach dem Versagen von einigen LEDs, insgesamt eine Lichtabstrahlung zu erzeugen, die für den beabsichtigten Gebrauch ausreichend ist, die flächige Anordnung in Kombination mit einer Konzentriereinrichtung für ausgesandtes Licht stellt eine effektiv geometrisch verteilte Lichtquelle für abgestrahltes Licht dar, das eine im Wesentlichen parallele Bündelung hat, und die Einrichtung zum Liefern des abgegebenen Lichtes beinhaltet am Ausgang eine „Glas"-Einrichtung (die selbstverständlich aus transparentem Kunststoff bestehen könnte).

Wenigstens für Signalleuchten für den Eisenbahnverkehr ist vorgesehen, dass zehn oder sogar mehr als einhundert LEDs gleichzeitig mit Strom versorgt werden, beispielsweise wenigstens vierzig, typisch fünfzig bis achtzig oder mehr. Ein minimaler Überschuss an LEDs gegenüber der für den beabsichtigten Gebrauch nominell ausreichenden Anzahl kann gemäß der bekannten Leistungs- und Ausfallrate der betreffenden LEDs und der Soll-Wartungs-/Austauschintervalle vorhanden sein, beträgt aber zweckmäßig mehr, und bei Erfassung einer Zwischenzahl von Ausfällen, d. h. 2%, vielleicht 5%–10% oder mehr, sind Redundanz und Erfassung irgendwo wie unten erwünscht. Die Erfassung ist vorzugsweise von einer Anzeige begleitet.

Eine geeignete Geometrie für eine solche Anordnung von LEDs ist insgesamt konkav, d.h. folgt vorgeschriebener Krümmung oder vorgeschriebenen Krümmungen, d. h. parabolisch oder sich daran annähernd als benachbarte Unteranordnungskomponenten mit geringerer Krümmung oder geringeren Krümmungen oder im Wesentlichen plan. Eine entsprechende geeignete Anordnung der Lichtkonzentriereinrichtung kann allgemein der Geometrie der Anordnung von LEDs folgen, zum Beispiel in Form von mehreren Sammellinsenelementen, die geeigneten Unteranordnungen der Anordnung entsprechen könnten, und können dazu dienen, auf eine Position zu fokussieren, die eine brauchbare funktionale Ähnlichkeit mit einem ausreichenden Wolframlampenglühfaden und üblichem Ausgangs-„Glas" hat, zum Beispiel in oder nahe bei dem Brennpunkt für Fresnel-Linsen-Vorrichtungen.

Tatsächlich, folgend dem Vergleich mit einer Wolframglühfadenlampe, kann die Kombination der Anordnung von LEDs und der Lichtsammellinsenelemente nach der Art und Weise einer flächig verteilten Lichtquelle arbeiten, konzentriert durch Fokussieren, so dass das gesamte oder das meiste abgegebene Licht wie durch Vorwärtsabstrahlung direkt aus einer Wolframglühfadenlampe in dieser Position abgegeben wird, zum Beispiel effektiv ähnlich einer Wolframglühfadenlampe mit einem Reflektor, der auf den Lampenglühfaden fokussiert ist, statt wenigstens einen Teil von anderer Reflexion zu erzeugen, vielleicht einen parallelen Strahl, um Erhitzungsprobleme durch erneute Fokussierung auf die Wolframglühfadenlampe zu vermeiden. Wenn es erwünscht ist, wenigstens ein Stück weit in Richtung des Simulierens dieser Vorwärts- plus anderer reflektierter Lichtabstrahlung einer Anordnung aus Wolframglühfadenlampe und Reflektor zu gehen, geeignete Sammellinsenelemente kombiniert werden, etwa mit medialen oder inneren, dem Rand benachbarten Teilen, die im Wesentlichen positionsfokussiertes Licht erzeugen, und äußeren Teilen, die im Wesentlichen Parallelbündellicht erzeugen, oder umgekehrt.

Es ist jedoch technisch machbar, mit der Kombination der Anordnung aus LEDs und der Lichtkonzentriereinrichtung ein überwiegend paralleles Lichtbündel zu erzeugen, das vorzugsweise um weniger als etwa 2° oder 3° divergent ist, und die Linsenelemente könnten, nach außen gehend bei einer insgesamt konkaven Anordnung, fortschreitend unterschiedlich sein. Ein solches im Wesentlichen gänzlich paralleles Lichtbündel kann die Ausgangslinsenerfordernisse vereinfachen, wie es die zuerst diskutierte Positionsfokussierung für im Wesentlichen gänzlich nach vorn gerichtetes Licht aus dieser Position, zum Beispiel einen Punkt oder eine Linie, könnte. Eine Kombination aus teilweise positionsfokussiertem und teilweise anderweitig gebündeltem Licht könnte die Verwendung von existierenden Ausgangs-„Glas"-Systemen erleichtern, etwa zum Beispiel für Wolframglühfadenlampeneinheiten.

Es kann zwar erwartet werden, dass prima facie Vorteile bei der Beschaffung und Fabrikation erzielt werden, wenn im Wesentlichen identische Sammellinsenelemente und/oder Unteranordnungen von LEDs in insgesamt entsprechenden geometrischen Konfigurationen verwendet werden, zum Beispiel dargestellt durch geeignet konfigurierte einzelne Substrate, welche dieselben tragen, die Linsenelemente und ihr konfiguriertes transparentes Substrat könnten jedoch als eine integrale Einheit geformt weiden, die eine einfache Produktion erlauben würde, selbst für unterschiedliche und/oder kombinierte Linsenelementteile, das heißt mit nur einer gewissen Zunahme der anfänglichen Werkzeugkosten, vielleicht nicht eine große Zunahme durch Einsatz von computerunterstützter Konstruktion und computergesteuerten Werkzeugherstelltechniken. Tatsächlich könnten die Geometrien der LED-Anordnung- und Linsenelementsubstrate differieren, etwa um die Montage wenigstens der LEDs in Gruppen/Bäumen derselben zu unterstützen, und zwar in einem Rahmen, in welchem unterschiedliche Linsenelemente kompensierbar sind, was (für diesen oder einen anderen Zweck) brennpunktsveränderliche Merkmale beinhalten könnte (statt der oben. angegebenen bloßen bifokalen Merkmale).

Die Verbindung von LEDs in mehreren Gruppen/Bäumen derselben in geeigneter serieller/paralleler Relation für elektrischen Versorgungsstrom erleichtert die weitere Verbindung und die gegenseitige Verbindung, einschließlich mit jedem gewünschten Grad an Redundanz und alternativer Selektion für aktiven Betrieb, zum Beispiel automatisch bei Erfassung von einigen vorgeschriebenen oder mehr Ausfällen von LEDs oder Blöcken/Bäumen derselben.

Eine praktische Alternative beinhaltet einfach das Erfassen einer Spannungsund/oder einer Stromänderung, die aus dem Ausfall einer vorbestimmten LED oder von mehreren LEDs resultiert, und das Anzeigen dieses Ausfalls.

Andere äußerst praktische Ausführungsformen dieser Erfindung ergeben sich, indem von einer Simulation von Wolframglühfadenlampen abgegangen wird, grundsätzlich zu Gunsten des direkten Produzierens eines Lichtstrahls, der eine hohe Bündelung hat, welche parallel nahekommt, vorzugsweise überwiegend mit nur einigen wenigen Grad an Divergenz, wovon bis zu etwa 5° für Prototypen benutzt worden sind und vorgeschlagen werden ohne Beschränkung gegenüber anderen Divergenzen, die sich als praktisch erweisen.

Geeignete Geometrien für die Anordnung von LEDs und die Lichtkonzentriereinrichtung können viel weniger Krümmungen haben; tatsächlich im Wesentlichen plan hinsichtlich des Substrats (der Substrate) oder anderen Trägerflächenmaterials oder anderer Trägerflächenmaterialien für die LEDs und für mehrere Sammellinsenelemente oder als eine Gesamtkonfiguration einer geformten Vielfachlinsenelementeinrichtung. Eine im Wesentlichen koplanare Anordnung von im Wesentlichen identischen plankonvexen Sammellinsenelementen wird effektiv im Wesentlichen koplanare Brennpunkte haben, in welchen oder nahe welchen eine Fokalebene der Anordnung von LEDs positioniert werden kann. Bei einer Realisierung gibt es eine Entsprechung zwischen Untergruppen der LEDs und einzelnen Sammellinsenelementen, das heißt statt einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen LEDs und Sammellinsenelementen (die machbar ist, von der aber vermutet wird, dass sie weniger vorteilhaft ist als die erste Präferenz für zwei oder mehr LEDs pro Untergruppe).

In einer ersten Prototyprealisierung wurden Untergruppen von drei LEDs von einigen Millimetern im Durchmesser nahe beieinander in Befestigungslöchern mit Mittelpunkten auf einer Linie angeordnet, zentriert relativ zu einem plankonvexen Sammellinsenelement mit einem Durchmesser von etwa 20 Millimeter und einer Brennweite von etwa 100 Millimeter. Das Auftreten von Helligkeitsringen wurde bei Verwendung von solchen Untergruppen von LEDs und Sammellinsenelementen festgestellt, und die Gesamthelligkeit wurde ohne weiteres eingestellt durch selektives Verändern der Population von ausgewählten Untergruppen, in den speziell einer der drei möglichen In-line-LED-Orte nicht besetzt wurde. Diese Selektion könnte zwar mathematisch mit ausreichend detaillierter flächiger Helligkeitsanalyse berechenbar sein, die Selektion durch Versuche wird jedoch als praktisch angesehen.

Alternativen für die Untergruppenpopulationen und Anordnungen von LEDs beinhalten unterschiedlich abgewinkelte Linien und Zahlen von LED-Orten mit oder ohne eine zentrale LED, Orte für LEDs in Scheiteln oder Ecken von gedachten Dreiecken (nicht notwendigerweise gleichseitigen), Rechtecken (nicht notwendigerweise quadratischen) und Polygonen (nicht notwendigerweise regelmäßigen). Andere Alternativen beinhalten das Positionieren vor oder hinter echten Brennpunkten von einfachen Sammellinsen zumindest durch bis zu passenden Auffangzwischenräumen von Trennlinien mit Ausbreitung der LEDs für entsprechende Untergruppen von LEDs und Sammellinsenelementen oder sogar einer Variation von Krümmung oder peripherer Form der Sammellinsenelemente, um eine. kleine, aber ausgebreitete fokale Fläche statt eines einzelnen Fokalpunktes zu erzeugen.

In einer Anordnung von über 100 LEDs, zum Beispiel in linearen Untergruppen von drei, wie oben angegeben, mit Sammellinsenelementen mit kreisförmiger Basis in konzentrierter, versetzter Relation, wurde interessanterweise herausgefunden, dass die allgemeine Zerstreuung von abgestrahltem LED-Licht so war, dass ein Verlust an Licht aus einer LED in einer Untergruppe in viel weniger als einem Drittel Verlust an Lichtabstrahlung aus diesem entsprechenden Sammellinsenelement resultierte.

Eine besonders zweckmäßige Anordnung von Sammellinsenelementen ist insgesamt hexagonal, mit einem Linsenelement mehr in aufeinander folgenden Zeilen einwärts von jeder Seite. Eine regelmäßige hexagonale Anordnung mit fünf Linsenelementorten pro Seite führt zu 61 Orten insgesamt, von denen einer unbenutzt gelassen wurde aus Gründen, die sich auf das Erfassen eines Ausfalls oder von Ausfällen von LEDs beziehen.

Eine geeignete Erfassung kann erfolgen durch eine einfache Maßnahme wie Aufteilen der Gesamtheit von LEDs in gleiche Gruppen, denen jeweils ihre eigene Stromerfassungsschaltungsanordnung zugeordnet ist, wobei die Gruppen relativ zu der gesamten Erfassungsschaltungsanordnung parallel verdrahtet sind. Die Beziehung der Populationen dieser Gruppen zu der Gesamtheit von LEDs kann so sein, dass ein Verlust an Licht aus einer gesamten Gruppen insgesamt abgestrahltes Licht oberhalb eines relevanten Minimal-Helligkeit/Lichtabgabe-Standards verbleibt. Die gegenseitige Beziehung zwischen diesen Gruppen und den obigen Untergruppen kann ohne weiteres so sein, dass selbst ein Verlust an Licht aus einer gesamten Gruppen von LEDs nicht dazu führen wird, dass irgendeine Untergruppe mehr als eine LED verliert, vorzugsweise keine zwei benachbarten Untergruppen weniger als eine LED zwischen sich verlieren oder so, wie es anderweitig gewünscht oder bevorzugt wird.

Ein unentweichliches Merkmal von überwiegend nahezu parallelen, nur geringfügig divergenten Ausgangslichtbündeln ist, dass die erleuchteten Zustände außerhalb der Bündel nicht beobachtbar sein werden, etwa an der Seite einer Warnleuchte. Das wird überwunden durch eine Gesamtausgangslinse, die dem Rand benachbarte Unterlinsen für die seitliche Betrachtung des Leuchtenbetriebes hat, welche ein Teil von oder ein Fleck auf einem Bündelausgangs-„Glas" sein kann, das von wenigstens zerstreuender Natur ist, sogar einer seitlichen Lichtbündelungsnatur an einem Rand dieses „Glases".

Die Implizierung der Verwendung von Ausgangslicht ohne Zerstreuung ist als Präferenz anzusehen, zumindest für die hohe Lichtausbeute, die für Eisenbahnsignal-/warnlampen verlangt wird, aber nicht notwendigerweise beschränkend, zum Beispiel in Bezug auf andere Verwendungszwecke, die sich als machbar erweisen.

Es ist der Fall, dass geeignete LEDs verfügbar sind, um rote, gelbe und grüne Lichtsignale direkt zu liefern, das heißt durch ein klares „Glas". Es ist jedoch gleichermaßen machbar, eine hohe Intensität aufweisende, im Wesentlichen „weißes Licht" liefernde LEDs zu verwenden und geeignete gefärbte „Gläser" oder spezielle Farbfilter einzusetzen.

Wenigstens mit gut fokussierten, beispielsweise bis zu nicht mehr als etwa 5 %, vorzugsweise etwa 2%, divergenten Bündeln, die für den Gebrauch bei der Eisenbahnsignalgebung vorteilhaft sind, beruht ein weiterer Aspekt der Erfindung darin, dass für eine Kommunikation von verständlicher Information durch Modulation des Signallichtbündels als solchem vorgesehen wird, etwa wenigstens für akustische und/oder visuelle Anzeige einer „Stopp"-Nachricht zusammen mit einem „Stopp"-Signal-Lichtzustand. Eine solche Stoppnachricht könnte von einem voraufgezeichneten Standardtyp sein, und es kann andere Standardnachrichten geben, um irgendeinen Lichtsignalzustand zu begleiten, ob kontinuierlich gesendet oder initiiert durch das tatsächlich erfasst Vorhandensein eines sich nähernden Zuges oder durch Erwartung, zum Beispiel auf der Basis einer fahrplanmäßigen Ankunftszeit. Weitere spezielle Nachrichten werden gleichermaßen ohne weiteres gesendet, ob abgerufen aus einem Repertoire von zuvor aufgezeichneten Nachrichten, die dafür bestimmt sind, zu verschiedenen Umständen zu passen, oder entsprechend der Verwendung eines Mikrofons. Lokomotiven und Wagons müssen dann selbstverständlich mit einem lichtempfindlichen Erfassungswandler und einer geeigneten Demodulationseinrichtung ausgerüstet sein, um Ansteuersignale für einen Lautsprecher (oder Kopfhörer) und/oder eine visuelle Anzeige zu erzeugen, wobei diese Maßnahme von ganz einfacher und billiger Art sein kann.

Die Vorrichtung für eine Kommunikation mit einem modulierten Signallichtbündel sind gut geeignet zur Verwendung zusammen mit weiteren Kommunikationsvorrichtungen. Die Zweckmäßigkeit und der Vorteil werden darin gesehen, dass diese Vorrichtungen auch von einem Typ mit moduliertem Lichtbündel sind, selbst dort, wo es besonders vorgesehen ist, dass die Signallichteinrichtung einer unterschiedlichen Lichtwandlerzelle zugeordnet ist, etwa für Kurzbereichskommunikation zumindest mit einem gestoppten Zug, der dann den Signalleuchten ganz nahe wäre, wie es für irgendwelche speziellen Umstände passen würde, einschließlich des Bereitstellens von Information, die Passagieren eines Personenzuges übermittelt werden. Die Trennung der Verfügbarkeit der zuerst erwähnten und der weiteren Kommunikationsmöglichkeiten wird ohne weiteres erzielt, die letzteren etwa werden nur freigegeben, nachdem der Zug sich den Signalen soweit genähert hat, dass sein zugeordneter Lichtwandler von da an aus dem relevanten Signalbündel hinaus ist, ungeachtet dessen, ob ein solcher der Lokomotive zugeordneter Wandler mit weiteren Kommunikationsvorrichtungen gemeinsam benutzt wird, was machbar ist und vielleicht vorteilhaft ist. Tatsächlich können die beiden Kommunikationssysteme so sehr von demselben oder von einem ähnlichen Typen sein, dass sie sich die Sendemodulations- und/oder Empfangsdemodulationseinrichtung teilen. Darüber hinaus läßt sich bevorzugt die weitere Kommunikation ohne weiteres ausdehnen auf das Initiieren und Warten von Datenkommunikation, ob mit Telemetrie aus dem Zug oder weiterer Information zu dem Zug und dessen Telemetrie und/oder Computersystemen usw. Steuerung, ob oder ob nicht immer initiiert oder nur so, wenn der Zug abbremst oder stoppt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine spezielle Realisierung wird nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher beschrieben, in welchen:

1 ein Schema für eine Signalleuchte zeigt;

2 ein Schema für eine erste Ausführungsform zeigt;

3 brauchbare Anordnungen von Sammellinsenelementen und LEDs zeigt; 4 ein Verdrahtungs- und Fehlererfassungsschema ist;

5 ein alternatives Verdrahtungsschema ist;

6 ein Blockschaltbild für lichtmodulierte Kommunikationsvorrichtungen ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In 1 ist gezeigt eine insgesamt konkave Anordnung 111 von LEDs 112 mit strichpunktierten Strahlen durch eine auch insgesamt konkave Lichtkonzentrieranordnung 115 von Sammellinsenelementen 16, die so gezeigt sind, dass sie sowohl Licht auf eine Position 121 fokussieren als auch ansonsten Licht in überlappender Beziehung zu einem Ausgangslinsensystem 125 durchlassen, das speziell als vom Doppelkonvex-Fresnel-Linsentyp 126A, B gezeigt ist, durch das Lichtstrahlen kontinuierlich hindurchgehen und aus den Lichtstrahlen kontinuierlich austreten. Die dargestellten Lichtstrahlen sollen zwar hilfreich sein, die tatsächliche Situation von äußerst diffusem Licht aus den LEDs 112 ist jedoch schwierig darstellbar, und eine zuverlässige Konzeption kann ohne weiteres eine Überflutung mit Licht zwischen den LEDs 112 und den Linsenelementen 116 sein, wobei letztere allgemein das meiste abgestrahlte Licht, wenn nicht das ganze Licht auf die Position 121 konzentrieren.

Die LEDs 112 sind gehaltert durch ein insgesamt konkaves Substrat 113 gezeigt, das nichttransparent sein sollte und innerhalb seiner Konkavität und/oder peripher im Abstand von dem Sammellinsensystem 115 lichtreflektierend sein kann. Die LEDs 112 können in Gruppen oder Bäumen und/oder auf einzelnen Substraten (nicht dargestellt) verbunden sein, die auf Facetten in der Konkavität des Gesamtsubstrats 113 oder in eine mehrfachrahmenartige Alternative passen könnten, d. h. mit elektrischen Verbindungen durch die insgesamt konvexe Rückseite des Substrats 113 .

Die Linsenelemente 116 sind gehaltert durch ein transparentes, insgesamt konkaves Substrat 117 gezeigt, das ebene Fassetten 118 in seiner Konkavität haben kann und eine auch facettierte oder glatte konvexe andere Oberfläche. Die Gesamtheit (116, 117) könnte ohne weiteres als eine Einheit aus transparentem Material, wahrscheinlich aus Kunststoff, mit geeignetem Brechungsindex integral geformt sein; und die Linsenelemente 116 können einfache konvexe Formen oder komplexere Verbundformen haben, d. h. wenigstens mit abgeflachten Spitzen, wie es sich für einen gewissen unfokussierten Durchlass von Licht anbietet, oder anderweitig, d. h. für einen im wesentlichen parallelen Ausgangsstrahl (nicht dargestellt).

Wenn die Substrate 113 und 117 nur in der Ebene der Zeichnungen konkav sind, wird die Position 121 eine Linie sein. Wenn die Substrate 113 und 117 auch in der Ebene [der Zeichnung] konkav sind, kann die Position 121 weniger Länge haben und im Grenzfall ein Punkt sein. Solche einzelnen LED-Gruppen-/Baum-Substrate könnten eins-zueins den Sammellinsenelementen 116 entsprechen.

In 2 ist eine im wesentlichen ebene planare Anordnung 211 von LEDs 212 gezeigt, mit strichpunktierten Lichtstrahlen durch eine im wesentlichen Parallellichtkonzentrieranordnung 215 von Sammellinsenelementen 216, die (auf ähnlich vereinfachter Basis wie 1) so gezeigt sind, dass Sie sowohl im wesentlichen parallele Lichtstrahlen erzeugen als auch anderweitig Licht in überlappender, etwas divergenter Relation zu und durch eine Ausgangs-„Glas"-Vorrichtung 225 durchlassen, die im wesentlichen eben gezeigt ist.

Die LEDs 212 sind gehaltert durch ein im wesentlichen ebenes Flächenmaterial, eine im wesentlichen ebene Platte oder ein im wesentlichen ebenes Substrat 213 gezeigt, das nichttransparent ist, sogar vorzugsweise lichtreflektierend den Sammellinsenelementen 216 zugewandt ist, die in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den LEDs 212 sein könnten, vgl. die ausgezogenen Linien in 2, oder mit Untergruppen derselben, vgl. die gestrichelten Linien in 2 und die LED-Befestigungspositionen als In-line-Triplets bei 312A, B, C in 3, wie es bei einem Prototyp durch eine gewissen Zwillingsanordnung von Befestigungslöchern in einer hellen Metallplatte 313 (sichtbar in Überlagerung) realisiert wurde. Die Linsenelemente 216 sind gezeigt gehaltert durch ein ebenes Flächenmaterial, eine ebene Platte oder ein ebenes Substrat 217, das transparent sein könnte oder vielleicht vorzugsweise lichtreflektierend den LEDs 212 zugewandt ist, vgl. die Linsenelementbefestigungsposition 316A, die einem der LED-Positionstriplets 312A, B, C in 3 entspricht, wie es bei einem Prototyp realisiert worden ist durch eng angeordnete Linsenbefestigungslöcher (dargestellt hauptsächlich durch Mittelpunkte 316X) in Deckung mit zentralen 312B der LED-Positionen in einer hellen Metallplatte 317, d. h. um einzelne plankonvexe Linsenelemente mit ihren ebenen Basen koplanar zu der inneren Oberfläche der Platte (216, 217 in 2) zu präsentieren. Bevorzugte praktische Alternativen zur Massenproduktion werden entwickelt wie eine Leiterplatte für den LED-Träger 217 und als eine verbundgeformte Lichtsammellinsenplatte aus transparentem Kunststoff mit geeignetem Brechungsindex für integrale Linsenelementtormationen.

Wenigstens für die LEDs, die zu Untergruppen zusammengefasst sind in Inline-Triplets 312A, B, C für entsprechende Feldlinsenelemente wie bei 316A, und ein gesamtes Ausgangslichtbündel von wenigstens überwiegend niedriger Divergenz von der Parallelität, d. h. bis etwa 5°, hat es sich als nützlich herausgestellt, die LEDs von den Linsenelementen um mehr als Brennweiten der letzteren zu beabstanden, d. h. bis zu 120 Millimeter oder mehr für Brennweiten von 100 Millimeter. Die Gesamtkompensation für unerwünschte optische Effekte wie beispielsweise Effekte von relativ hellen und/oder dunklen Ringen individuell von den Sammellinsenelementen 216 und/oder zum Erzielen von verbesserten optischen Effekten könnte die selektive Verwendung von anderen Untergruppierungen von LEDs 212 beinhalten, einschließlich einiger, die auf Dubletten reduziert sind (ob einfach durch Weglassungen) von einer der LEDs bei 312A, B, C oder durch andere Beabstandung, d. h. durch Zwischenabstände wie bei 316B; und/oder andere Orientierungen von In-line-LED-Triplets, einschließlich aber nicht beschränkt auf eine gewisse Rechtwinkeligkeit,. vgl. bei 316C, (vielleicht abwechselnd), und/oder folgend den oder quer zu den radialen Richtungen, vgl. bei 316D, E; und/oder andere geometrische Anordnungen von Untergruppen von LEDs, z. B. in Scheiteln/Ecken von Dreiecken, Rechtecken oder Polygonen mit äquivalenten medialen/zentralen LEDs; und/oder andere Auslegungsgeometrien für die Sammellinsenelemente 216 und/oder diese Elemente selbst und/oder optisch kombinierte Linsenelementformationen.

Die Auslegungsgeometrie, die in 3 gezeigt ist, ist als eine regelmäßige hexagonale Anordnung der Sammellinsenelemente 316 besonders kompakt, die auf einem zweckmäßig kreisförmigen Träger 317 gezeigt sind, vgl. die partielle Einfügung von aufeinander folgenden „Zeilen" mit progressiven Positionszunahmen von jedem Rand der Anordnung aus. Mit fünf Linsenelemenfpositionen pro Seite erlaubt die hexagonale Anordnung nach 3 61 derartige Positionen, was bis zu 183 LEDs für volle Triplet-Untergruppen ergibt. Die Zahlen für die Linsenelementpositionen pro Seite sind selbstverständlich 37 Linsenelementpositionen und bis zu 111 LEDs.

Trotz von Haus aus riesig höherer Zuverlässigkeit von LEDs im Vergleich mit Wolframglühfadenlampen ist die Erfassung von ausgefallenen LEDs auf eine Art und Weise erwünscht, die in Beziehung steht zu der Spezifikation/Forderung bezüglich einem Minimum an Lichtabgabe. In der Praxis ist es für eine geeignete Ausfallerfassungsvorrichtung nützlich, sowohl Redundanz von LEDs vorzusehen, d.h. mehr als für die Mindestleistung erforderlich ist, und zu berücksichtigen und vorteilhaften Gebrauch zu machen von der zerstreuten Natur der LED-Lichtabstrahlung, z. B. dass ein Prototyp wie in 3 viel weniger als ein Drittel Verlust an Licht aus einem Sammellinsenelement 316 gezeigt hat, für welches eine von seinem entsprechenden Triplet von LEDs 312A, B, C nicht aufgeleuchtet hat, tatsächlich nur etwa 20% Lichtverlust.

4 zeigt die Gesamtheit von LEDs aufgeteilt in sechs gleiche Gruppen 411416, von denen mehrere in parallelen Armen 421426 einer Reihen-/Parallel-Schaltung 410 verbunden sind, wobei jede Gruppe (411416) und jeder Arm (421426) eine zugeordnete Stromüberwachungsschaltung 431436 hat, und wobei die gesamte Schaltung 410 eine Gleichstromversorgung 441 hat, parallele kapazitive Zweige 442 und Widerstands/Wamlicht-Zweige 443/444 und eine Widerstandsgesamtübenwachung mittels Widerstand 445 und Wechselstromquelle/Detektor 446. Die LED-Gruppen 411416 enthalten jeweils nicht mehr als eine LED aus jeder linsenelementbezogenen Untergruppe (312A, B, C), vorzugsweise aus benachbarten Zeilen derselben.

Für eine Leuchte, die 20% LEDs über der Spezifikation relativ zu dem verlangten Minimum an Gesamtlichtabgabe hat, würde die Vorrichtung nach 4 den Verlust von einer ganzen Gruppe/einem ganzen Arm von LEDs erlauben, und sie wäre immer noch oberhalb dieses Minimums. Die Fehleranzeige könnte so begrenzt oder abgestuft sein relativ zu dem Verlust von einer solchen ganzen Gruppe/einem solchen ganzen Arm oder bis zu derjenigen Zahl von einzelnen LEDs, die ansonsten verteilt sind, vielleicht erste oder zweite Anzeigen für eine oder eine niedrige Zahl von LED-Ausfällen und eine weitere für eine höhere Zahl und/oder eine ganze Gruppe/einen ganzen Arm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hierfür beinhaltet die Notwendigkeit für eine enge Bereichsbeobachtung des Lichtzustands außerhalb von einem solchen Strahl trotz des Vorherrschens von geringer Divergenz des gesamten Hauptlichtausstoßes. Ein Teil oder ein Zusatz 226 zu dem gesamten Ausgangs-„Glas" 225' ist in 2 gezeigt zum Lenken/Ablenken eines Teils des abgegebenen Lichtes weiter zur Seite, d. h. als einen äußeren sektoralen Linsenteil/-Zusatz 226, zweckmäßig in/auf einem konvexen Ausgangs-„Glas" 225', wie es gestrichelt in 2 gezeigt ist, d. h. in der Position 326 in 3.

Die alternative Fehlererkennung und dgl. Strategien beinhalten einen normalen ersten Betrieb mit nur einem Teil der Gesamtheit von LEDs 212, die erleuchtet sind, d. h. eine der Gruppen 411416 als eine Reserve, die eingesetzt wird, nach dem eine weitere der Gruppen 411416 oder eine andere vorbestimmte Zahl der LEDs 212 ausgefallen ist. Tatsächlich könnten alle möglichen LED-Positionen, die nicht bei der Verfolgung von Vielfachen in und aus Gruppen/Armen 411416/421426 benutzt werden, benutzt werden zusätzlich oder alternativ zur Fehleranzeige, d. h. in diesem oder einem weiteren Ausgangs-„Glas"-Teil oder Zusatz für eine seitliche oder andere Betrachtung.

In 5, auf die nun Bezug genommen wird, sind alternative Maßnahmen und Verdrahtungen von LEDs 512 in Dubletten und Einzelanordnungen gezeigt, die sich als ausreichend für die verlangte Lichtabgabe aus einer solchen Anordnung von LED-Orten erwiesen haben, wie sie zuerst in 3 angegeben sind. Die Verdrahtung ist gezeigt als einfach gänzlich parallel für jede der und alle die LEDs, vgl. zwischen der vollen Anordnung durchgehende Spannungsleitungen 551, 552 und abzweigend davon zu jeder LED. LED-Dubletten 512D sind nur in den mittleren drei Zeilen gezeigt, speziell an den Enden derselben, dann einwärts abwechselnd mit Einzelanordnungen. Eine Warnung vor dem Überschreiten von dem, was das gewünschte Ausmaß an tolerierbarem Ausfall an LEDs ist, ist durch eine Strommessschaltungsanordnung 555 gezeigt, eine Einstell-/Erfassungseinrichtung 556 für einen normalerweise überschrittenen Mindestschwellenwert und eine Verdrahtungseinrichtung 557, die bei Verlust des Ausgangssignals 558 aus letzterer (556) wirksam wird.

In 6, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Signalsteuerung 611 gezeigt für eine Lampen-LEDs-Treibereinrichtung 613 mit einem Modulator 614 angeordnet vor den Lampen-LEDs 612 als solche für die Überlagerung von Standardnachrichten aus einer voraufgezeichneten Quelle 615 als Modulation des Lampenlichtbündels. In dem Zug/der Lokomotive hat eine Fotodetektoreinrichtung 621 eine Information moduliert, die an ihrem Ausgang 622 durch einen Demodulator 623 entnommen wird zur sichtbaren Anzeige bei 624 und/oder akustischen Wiedergabe in einem Lautsprecher oder Kopfhörern 625. Das Minimum hinsichtlich der im voraus aufgezeichneten Standardnachricht(en)-Vorkehrungen ist gezeigt als eine Zug-Muß-Stoppen-Nachricht, welche ein rotes Lichtsignal begleitet, entweder kontinuierlich oder aufgrund von irgendeinem normalen, dem Gleis zugeordneten Zug-Annäherung-Erfassung/Erkennung und/oder einer zeitbezogenen Zug-Annäherung-Erwartung als ein Eingangssignal für das oder für einen Teil der Signalsteuerung 611. Es kann selbstverständlich andere Standardnachrichten geben, z. B. Sicher-für-Zug-Durchlassen, was das grüne Lichtsignal oder was auch immer begleitet.

Es ist auch eine Vorkehrung gezeigt, durch welche eine weitere Steuerung 631 für spezielle Nachrichten) 632, ob auch voraufgezeichnet, vielleicht in einer Schleife aufgezeichnet oder anderweitig geliefert bei 633 als und wenn verlangt, oder ausgewählt aus einem gewissen Repertoire an Voraufzeichnungen bei 632; in jedem Fall alternativ oder zusätzlich vorgesehen zu dem Modulator 614 und absichtlich demoduliert und verfügbar gemacht in dem Führerstand der Lokomotive visuell auf der Anzeige 624 und/oder akustisch durch den Lautsprecher 625.

Weitere lichtmodulierte/-demodulierte Kommunikationsvorkehrungen sind gezeigt durch Licht abstrahlende/erfassende Zellen 635 und 636, die den Signalen bzw. der Lokomotive zugeordnet sind. Die der Lokomotive zugeordnete Lichtzelle 636 kann, vielleicht vorzugsweise üblicherweise wird dieselbe sein wie und beinhaltend die Funktionen des Fotodetektors 621, zumindest dann, wenn sie nicht mit dem vorgesehenen viel kürzeren Bereich an Kommunikation für diese weiteren Vorkehrungen inkompatibel ist, bei denen die Lichtzellen 635 und 636 benutzt werden, typischerweise eng bei den betreffenden Signalen, und brauchbar zumindest dann, wenn ein Zug wegen einer roten Signalleuchte gestoppt hat.

Eine bevorzugte Zweiwegsprachkommunikation ist gezeigt durch Steuerungs-, Sendemodulations- und Empfangsdemodulationseinrichtungen 637C, T, R, welche den Signalen 638C, T, R zugeordnet sind, die der Lokomotive zugeordnet sind, jedes mit einem weiter zugeordneten Mikrofon 641S,E und Lautsprechern 642S, E, Vorkehrungen, die zweckmäßig in einem telefonartigen Handapparat verkörpert sein können, einschl. Freisprecheinrichtungstyp, zumindest auf der Lokomotive und, wie durch die Zeichnung nahegelegt relativ zu der gemeinsamen Benutzung des Lautsprechers 625. Aufzeichnungsvorkehrungen sind weiter gezeigt bei 643S, E sowohl an dem Signalort als auch in dem Führerstand der Lokomotive, ob als sogenannter "schwarzer Kasten" oder für einen anderen Zweck.

6 zeigt weiter eine bevorzugte Zweiwegdatenkommunikation mittels Steuerungs-, Sende- und Empfangseinrichtungen 644C, T R, den die Signale zugeordnet sind und die ähnlich gesteuert werden aus 631 und 645C, T, R in dem Führerstand der Lokomotive, zusammen mit zugeordneten Datenspeichern 646 bzw. 647; und einem Telemetriemodul 648 in dem Führerstand der Lokomotive.


Anspruch[de]
  1. Signalleuchte für den Eisenbahnverkehr, die eine Vielzahl Leuchtdioden (LEDs) (212; 312; 512) aufweist, die mehr als ausreichend dafür sind, eine Gesamtlichtabstrahlung zu erzeugen, die für den beabsichtigten Gebrauch angemessen ist, wobei zumindest genug dieser LEDs gemeinsam mit Strom versorgt werden können, um so ausreichend zu sein, wobei die Vielzahl von LEDs in einer flächigen Anordnung (211; 316X) in Verbindung mit ebenfalls flächig verteilten Einrichtungen zum Konzentrieren abgestrahlten Lichtes (116; 216; 316) eingesetzt wird und in Verbindung mit einer Vorrichtung für die Abgabe des gesamten Lichtausstoßes (225') bewirkt, dass ein Ausstoßlicht von vorherrschend im Wesentlichen paralleler Ausrichtung produziert wird, gekennzeichnet durch eine Gesamtausstoßlinse (225'), die eine neben dem Rand angeordnete Unterlinse (226; 326) für seitliches Sehen des Leuchtenbetriebs aufweist.
  2. Signalleuchte nach Anspruch 1, wobei die Kombination der LEDs (212; 312; 512), der Lichtkonzentrationseinrichtung (215; 316) und der Vorrichtung für die Abgabe des gesamten Lichtausstoßes (225') so gestaltet ist, dass die im Wesentlichen parallele Ausrichtung eine Divergenz von weniger als etwa 5 Prozent von der exakten Parallelität aufweist.
  3. Signalleuchte nach Anspruch 2, wobei die Kombination (212, 312, 512; 216, 316, 225') so gestaltet ist, dass die Divergenz weniger als etwa 2 Prozent beträgt.
  4. Signalleuchte nach Anspruch 1, 2 oder 3, die zumindest 40 LEDs (212; 312; 512) aufweist.
  5. Signalleuchte nach Anspruch 4, die zwischen etwa 50 und etwa 80 LEDs (212; 312; 512) aufweist.
  6. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Einrichtungen (431-436) zum Erkennen des Ausfalls einer Anzahl von LEDs (212; 312; 512) aufweist, die kleiner ist, als es die ausreichende Gesamtlichtabstrahlung für den beabsichtigten Einsatz beeinträchtigt.
  7. Signalleuchte nach Anspruch 6, die eine Einrichtung (446) für das Anzeigen des Erkennens aufweist.
  8. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die LEDs (212; 312) in Gruppen (411416) in Reihe geschaltet sind, welche parallel geschaltet sind und jeweils flächig über die Anordnung (111; 211; 312) verteilte Mitglieds-LEDs haben. `
  9. Signalleuchte nach Anspruch 8, wobei die Gruppen (411416) wählbar sind zur Substitution für Stromversorgungszwecke von einer Gruppe (411416), die eine oder mehrere ausgefallene LEDs aufweist, durch eine andere Gruppe (411416).
  10. Signalleuchte nach Anspruch 8 oder 9, wobei Untergruppen (312AC) von örtlich benachbarten LEDs ihre LEDs in verschiedenen Gruppen (411416) haben.
  11. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtkonzentrationseinrichtung (215; 316) eine flächig verteilte Anordnung von mehreren Sammellinsenelementen (216; 316AC) aufweist.
  12. Signalleuchte nach Anspruch 11, wobei zumindest einige der Linsenelemente (316) eine flächige Entsprechung mit zugehörigen Untergruppen aus zwei oder mehr als zwei LEDs (312AC) haben, die örtlich nahe beineinander angeordnet sind.
  13. Signalleuchte nach Anspruch 12, wobei jedes Linsenelement einer oder zwei der LEDs (312; 512; 512D) zugeordnet ist.
  14. Signalleuchte nach Anspruch 12, wobei jedes Linsenelement (316) einer, zwei oder drei der LEDs (312AC) zugeordnet ist.
  15. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung von LEDs eine konkave Geometrie hat.
  16. Signalleuchte nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Anordnung von Linsenelementen eine konkave Geometrie hat.
  17. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung von LEDs (212; 312) eine ebene Geometrie hat.
  18. Signalleuchte nach einem der Ansprüche 11 bis 15 oder Anspruch 17, wobei die Anordnung von Linsenelementen (216; 316) eine ebene Geometrie hat.
  19. Signalleuchte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Einrichtung (614) zum Modulieren des Lichtausstoßes gemäß verständlicher Information aufweist.
  20. Signalleuchtensystem, das eine Signalleuchte nach Anspruch 19 und eine am Verkehrsmittel angebrachte Empfangseinrichtung (623) zum Gewinnen der Information aufweist.
  21. Signalsystem nach Anspruch 20, wobei die Signalleuchte weiterhin eine Empfangseinrichtung (635) aufweist, die mit einer weiteren am Verkehrsmittel angebrachten Sendeeinrichtung (636) für eine weitere modulierte Kommunikation von verständlicher Information zusammenwirkt.
  22. Signalsystem nach Anspruch 21, wobei die weiteren Sende- und Empfangseinrichtungen (637, 638) anderen Zwecken als der lichtmodulierten Kommunikation dienen.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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