СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТОВОЙ СИГНАЛ
LIGHT-EMITTING DIODE LIGHT SIGNAL

Изобретение относится к железнодорожному светодиодному (LED) световому сигналу, с сигнализатором для генерации световых точек различных цветов, причем LED выполнены как RGB-LED (красно-желто-зеленые LED) и причем сигнализатор имеет по меньшей мере один оптический сенсор и цифровое устройство оценки для сигнально-технически надежного контроля точки цветности и силы света.
Нижеследующие объяснения относятся по существу к железнодорожным световым сигналам в виде световых указателей или световых сигналов для представления сигнальных обозначений для рельсовых транспортных маршрутов, без ограничения заявленного предмета изобретения этим применением.
Световые сигналы или световые указатели на основе LED (светоизлучающих диодов), вместо ламп накаливания, все шире применяются во многих областях, в частности в технике железнодорожных сигналов. LED являются сравнительно экономичными, долговечными и светосильными. При этом тенденция развивается в направлении HLED (LED высокого тока), у которых интенсивность света настолько высока, что уже единственный HLED, приходящийся на световую точку, эмитирует достаточно света, чтобы достичь требуемой яркости.
В обычных до настоящего времени LED-матрицах с множеством LED их работоспособность контролируется путем измерения тока. При этом гарантируется, что и при некоторых дефектных или отказавших LED через определенный интервал времени сохраняется минимальная яркость. В случае HLED их отказ приводит, напротив, к экстремальной потере яркости, так что обычный принцип контроля посредством измерения тока более не удовлетворяет требованиям техники безопасности, в частности, при уровнях безопасности SIL3 и SIL4.
Уровни безопасности определены в Genelec-Norm EN50129 от SIL0 - сигнально-технически небезопасно - до SIL4 - сигнально-технически безопасно в высокой степени. Для того чтобы проверять работоспособность LED, в особенности HLED, все чаще вместо протекания тока или дополнительно к нему измеряется сила света сигнала. Измеренная действительная сила света может также применяться как задающий параметр для регулирования силы света до заданного номинального значения.
При световых сигналах со световыми точками различных цветов дополнительно может предусматриваться контроль действительного тока для каждой световой точки. Для того чтобы иметь возможность эксплуатировать световой сигнал на уровне безопасности SIL3 или SIL4, должно гарантироваться, что только световая точка с предусмотренным цветом обтекается током, и что другие световые точки не обтекаются током.
Другая тенденция в технологии LED состоит в том, что LED различных цветов компонуются в компактном конструктивном блоке. Известны, например, RGB-LED (красно-желто-синие LED), в которых в LED-корпусе интегрированы три LED красного, желтого и синего цвета. В этих RGB-LED, ввиду конструктивных особенностей, невозможно или лишь с трудом возможно, на основе измерения тока, определять, через какой из трех LED протекает ток. Однако это требуется, чтобы соответствовать SIL3 или SIL4.
С помощью RGB-LED можно реализовать несколько цветов в одной световой точке. Однако при этом током обтекаются всегда LED одинакового цвета, так что количество представляемых цветов ограничено также количеством LED различного цвета. В принципе с помощью RGB-LED можно реализовать множество цветов, то есть тонов цвета, за счет того, что одновременно возбуждаются током LED различных цветов или управляются посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), за счет чего получаются смешанные цвета. Эта технология уже применяется для целей освещения и индикации. Из DE 202900 U1 известен навигационный осветительный прибор со светодиодами, содержащий оптический сенсор для контроля точки цветности и силы света. Адаптация к сигнализаторам, однако, проблематична, так как из-за релевантного для безопасности значения световых сигналов в железнодорожной отрасли требуется сигнально-технически надежный контроль как силы света, так и точки цветности.
В основе изобретения лежит задача предложить многоцветный железнодорожный LED-световой сигнал, который удовлетворяет высоким требованиям безопасности, причем также обеспечивает реализацию и оценку смешанных цветов в отношении сигнально-технически надежного функционирования светового сигнала.
В соответствии с изобретением эта задача решается тем, что устройство оценки генерирует сигнал квитирования, зависимый от условий окружающей среды и направляет его на пост централизации, причем со стороны поста централизации генерируется управляющий сигнал для подачи на сигнализатор, и предусмотрены средства для сравнения сигнала квитирования с управляющим сигналом.
Только за счет надежной регистрации условий окружающей среды, в частности температуры окружающей среды, обеспечивается возможность применения RGB-LED для световых сигналов с очень высокими требованиями по безопасности, в частности SIL3 или SIL4. От специфических для цвета измерений тока, которые для RGB-LED вообще невозможны или возможны только с большими трудностями, можно отказаться. На основе тенденции к LED с более высокой силой света и одновременно снижающимися затратами на изготовление, становится возможным вместо по меньшей мере трех отдельных HLED различных цветов использовать единственный RGB-LED. Кроме того, цвета могут сигнально-технически надежно смешиваться.
Надежный контроль базируется на управлении для генерации требуемой точки цветности и надежного контроля зависимого от условий окружающей среды, фактически излучаемого света. Управление обычно должно осуществляться релевантным для безопасности образом, однако система в целом, ввиду сигнально-технически надежного контроля ожидаемой функции, может классифицироваться как сигнально-технически надежная в смысле SIL3 или SIL4.
Предпочтительным образом предусмотрены по меньшей мере два независимых оптических сенсора. Тем самым гарантируется, что изменения в измерительном канале могут выявляться. Распознавание неисправности может дополнительно поддерживаться способом, который заданную яркость незначительно повышает или понижает в допустимом диапазоне. Если измеряемая в по меньшей мере двух каналах фактическая яркость следует заданной яркости ожидаемым образом, то можно исходить из бездефектной системы. Тот же принцип может также альтернативно или дополнительно применяться посредством вариации цветовых тонов, за счет чего могут быть реализованы еще более высокие требования к безопасности.
Посредством соответствующей привязки к внешним влияниям, например, температуре или фоновому освещению, могут компенсироваться физические свойства конструктивных элементов, например, их температурные характеристики, или места использования, например, относительно характеристик фонового освещения, так что на пост централизации подается сигнал квитирования, который является непосредственно сопоставимым с управляющим сигналом для подачи на сигнализатор. Таким образом, пост централизации в любой момент времени имеет надежную информацию относительно надлежащего функционирования LED светового сигнала.
Согласно пункту 5 формулы изобретения, предусмотрено, что устройство оценки генерирует ответный сигнал, зависимый от условий окружающей среды, в частности температуры окружающей среды, и направляет его на пост централизации (стрелок и сигналов), причем со стороны поста централизации генерируется управляющий сигнал для подачи на сигнализатор, и предусмотрены средства для сравнения сигнала квитирования с управляющим сигналом.
Согласно пункту 2 формулы изобретения, предусмотрено, что устройство оценки дополнительно содержит средства для сравнения фактической точки цветности и/или фактической силы света с заданной точкой цветности и/или заданной силой света, причем отклонения, которые превышают пороговое значение, вызывают самозащищенную реакцию. Ответное сообщение (квитирование) на пост централизации может при этом осуществляться на основе контроля или самозащищенной реакции. Устройство оценки вычисляет из управляющего сигнала для сигнализатора и спектральной чувствительности оптического сенсора ожидаемый сигнал сенсора. Этот заданный сигнал сенсора сравнивается с зарегистрированным фактическим сигналом сенсора. Отклонение оценивается, причем при необходимости осуществляется самозащищенная реакция, например, сигнально-технически безопасное отключение. В случае неисправности устройство оценки обеспечивает то, что протекание тока выполняется в соответствии с отказобезопасным принципом, то есть в случае светового сигнала для индикации обозначения сигнала обеспечивается включение красного стоп-сигнала.
Согласно пункту 3 формулы изобретения, предусмотрено, что оптический сенсор имеет несколько специфических для цвета отдельных сенсоров. Специфический для цвета отдельный сенсор регистрирует только тогда яркость сигнала или силу света, когда управлялась световая точка с ассоциированным цветом. Ошибки любого типа легко распознаются, так как тогда либо ни один из специфических для цвета отдельных сенсоров, либо отдельный сенсор, который не ассоциирован с желательным цветом, формирует выходной сигнал.
Специфический для цвета отдельный сенсор может, например, быть реализован посредством включенного перед ним цветного светофильтра. Таким способом может применяться сенсор яркости, который спроектирован для всего цветового диапазона, то есть для всего видимого светового спектра. Включенный перед отдельным сенсором цветной светофильтр обуславливает то, что отдельный сенсор реагирует только на определенный цвет.
Но оптический сенсор, согласно пункту 4 формулы изобретения, может также быть реализован как сенсор широкого спектра. В этом случае выходной сигнал оптического сенсора должен оцениваться с учетом спектральной чувствительности сенсора в отношении спектрального состава.
Предпочтительным образом сенсор согласно пункту 5 формулы изобретения через усилитель сенсора и аналого-цифровой преобразователь соединен с цифровым устройством оценки, в особенности с контроллером, для определения фактической точки цветности и фактической силы света. Оптический сенсор регистрирует излученный свет. Усилитель сенсора служит для усиления и калибровки выходного сигнала оптического сенсора. Посредством калибровки могут корректироваться физические свойства, например чувствительность сенсора или входной диапазон устройства оценки.
За счет коррекции чувствительности выходные сигналы оптического сенсора могут нормироваться таким образом, что непосредственно из выходных сигналов возможен вывод относительно цветовых составляющих. Корректирующие значения следуют из свойств сенсоров. Предпочтительным образом при генерации корректирующих сигналов учитывается также характеристика окружающей среды, в частности температурная характеристика сенсоров.
Но коррекция может быть перенесена от усилителя сенсора на устройство оценки. При этом профиль чувствительности сохраняется в контроллере. За счет этого усилитель сенсора можно упростить. Однако из-за требуемой более высокой динамики входных значений повышаются требования к аналого-цифровому преобразователю, который включен перед контроллером.
За счет соответствующего выбора способа оценки можно выгодным образом применять как узкополосные сенсоры согласно пункту 3 формулы изобретения, так и широкополосные сенсоры согласно пункту 4 формулы изобретения.
Изобретение далее поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1 - существенные конструктивные узлы соответствующего изобретению LED светового сигнала,
фиг. 2 - первая форма выполнения устройства контроля по фиг. 1,
фиг. 3 - вторая форма выполнения устройства контроля по фиг. 1,
фиг. 4 - третья форма выполнения устройства контроля по фиг. 1,
фиг. 5 - четвертая форма выполнения устройства контроля по фиг. 1,
фиг. 6 - пятая форма выполнения устройства контроля по фиг. 1,
фиг. 7 - расчетная схема относительно заданного сигнала сенсора для устройства контроля по фиг. 6.
Железнодорожный LED световой сигнал состоит в основном из датчика сигнала (сигнализатора) 1, который управляется 3 постом 2 централизации и содержит компоненты для излучения света, а также устройство 4 контроля, которое посредством квитирования 5 соединено с постом 2 централизации.
Запрос к сигнализатору 1, переданный от поста 2 централизации на устройство 7 управления, оснащенное датчиком 6 температуры, содержит информацию о требуемом виде (показании) сигнала сигнализатора 1, в особенности относительно цвета и силы света. В устройстве 7 управления сообщение запроса связывается с выходным сигналом датчика 6 температуры для генерации заданного сигнала 8, который через LED возбудитель 9 преобразуется в три управляющих сигнала для по меньшей мере одного RGB-LED 10, причем RGB-LED 10 имеет отдельные LED 11, 12 и 13 для красного, желтого и синего цвета.
Цвет излучаемого посредством оптической системы 14 света определяется относительным соотношением трех управляющих сигналов для красного, желтого и синего цвета. Это может, например, осуществляться посредством широтно-импульсной модуляции с соответствующими отношениями импульса к паузе в связи с изменением соответствующего LED-тока. Сила тока получается как сумма управляющих сигналов.
Устройство 4 контроля состоит в основном из оптического сенсора 15, усилителя 16 сенсора и устройства 17 оценки. Оптический сенсор 15 регистрирует свет RGB-LED 10, в то время как усилитель 16 сенсора служит для усиления и калибровки значений сенсора. Посредством калибровки корректируются физические свойства сенсоров, например спектральная чувствительность.
Устройство 17 оценки определяет из сигналов усилителя 16 сенсора цвет и силу света для излученного света. Путем привязки или синхронизации с генерируемым устройством 7 управления заданным сигналом 8 может повышаться надежность или готовность контроля. Устройство 17 оценки как устройство 7 управления снабжено датчиком 18 температуры, так что с учетом температуры окружающей среды может осуществляться квитирование 5 состояния сигнализатора 1 в пост 2 централизации. Также возможна самозащищенная реакция сигнализатора 1, например отключение, которая может содержаться в квитировании 5.
Фиг. 2 показывает форму выполнения устройства 4 контроля с оптическим сенсором 15.1, который содержит специфические по цвету, то есть спектрально узкополосные отдельные сенсоры: 19 для красного, 20 для желтого и 21 для синего цвета. Три выходных сигнала этого многоцветного сенсора 15.1 корректируются в трехканальном усилителе 16.1 сенсора таким образом, что из сигналов многоцветного сенсора 15.1 можно сделать непосредственный вывод о соответствующих составляющих цвета трех каналов. Корректирующие значения следуют из свойств многоцветного сенсора 15.1 и предпочтительно сохранены в контроллере устройства 17 оценки. Если устройство 17 оценки соединено с сенсорами 22 окружающей среды, например, датчиками 18 температуры, то корректирующий сигнал 23 дополнительно может учитывать зависимую от условий окружающей среды характеристику многоцветного сенсора 15.1.
Фиг. 3 показывает вариант устройства 4 контроля согласно фиг. 2, при котором коррекция чувствительности выполняется не в усилителе 16.1 сенсора, а в устройстве 17.1 оценки. Структура усилителя 16 сенсора за счет этого может быть упрощена, в то время как из-за высокой динамики входных значений устройства 17.1 оценки повышаются требования к включенному перед ним аналого-цифровому преобразователю.
Фиг. 4 показывает другой вариант устройства 4 контроля согласно фиг. 1. Дополнительно к форме выполнения по фиг. 2 здесь осуществляется привязка измеренного сигнала к ответвленному от устройства 7 управления заданному сигналу 8. За счет этого в устройстве 17 оценки возможно вычисление ожидаемого сигнала оптического многоцветного сенсора 15.1. Коэффициенты для расчета получаются из спектральных чувствительностей многоцветного сенсора 15.1, то есть из специфических для сенсора свойств и из выведенного из заданного сигнала 8 состояния включения сигнализатора 1. Благодаря этому можно не выполнять пересчет сигнала сенсора в информацию цвета.
Этот вариант контроля со сравнением заданного и фактического сигнала представлен на фиг. 4 для показанного на фиг. 2 конструктивного узла 16.1/17 усилителя сенсора/устройства оценки и на фиг. 5 для показанного на фиг. 3 конструктивного узла 16/17.1 усилителя сенсора/устройства оценки.
В показанной на фиг. 6 форме выполнения устройства 4 контроля вместо многоцветного сенсора 15.1 предусмотрен сенсор 15.2 широкого спектра. Он генерирует выходной сигнал, который подается на одноканальный усилитель 16.2 сенсора. Как в форме выполнения по фиг. 4 и 5, устройство 17 оценки вычисляет из заданного сигнала 8 и спектральной чувствительности сенсора 15.2 широкого спектра ожидаемый сигнал сенсора. Этот ожидаемый сигнал сравнивается с зарегистрированным сигналом сенсора 15.2 широкого спектра. Отклонение между заданным и фактическим сигналом оценивается в схеме голосования (мажоритарной схеме) 24, и сигнал квитирования 5 подается на пост 2 централизации.
Фиг. 7 показывает принцип расчета заданного сигнала 8 для сенсора 15.2 широкого спектра. Устройство 7 управления генерирует для красного цвета rt, для желтого цвета ge и для синего цвета bl сигналы ШИМ с различными фазами светлого и темного в пределах постоянной длительности t периода. При этом длительность t периода находится ниже порога восприятия. Посредством еще разрешаемой по времени дискретизации измеренного сигнала сенсора в комбинации с синхронной регистрацией заданного сигнала 8 может распознаваться потерянный или ослабленный цвет или вышедший из строя LED. В примере по фиг. 7 при контроле должны также получаться представленные смешанные цвета для красного цвета rt, желтого цвета ge и синего цвета bl как сумма соответствующих фаз светлого отдельных цветов в пределах длительности t периода.