用于具有切换阈值的发光二极管信号灯的电路

摘要

用于对信号灯进行操作的电路，其具有：信号灯，其包括至少一个发光二极管；电压输入，其用于为电路提供AC电压；以及二极管，其与电压输入串联。该电路的特征在于其包括：第一子电路，其将二极管的阴极与信号灯连接；第二子电路，当该AC电压低于第一临界电平时，该第二子电路提供与信号灯相比具有较低电阻的与该信号灯并联的电流路径；第三子电路，当该AC电压高于第一临界电平时，该第三子电路禁用与信号灯相比具有较低电阻的与该信号灯并联的电流路径；第四子电路，当该AC电压高于第二临界电平时，该第四子电路提供与第一子电路相比具有较低电阻的从二极管的阴极到该信号灯的连接。本发明的电路使得可以通过改变AC输入电压来调整发光强度。

权利要求

1.用于对信号灯(5)进行操作的电路(1、21)，其具有：

信号灯(5)，其包括至少一个发光二极管(D3、D4、D5、D6)；

电压输入(V1)，其用于为所述电路(1、21)提供AC电压；以及 二极管(D1)，其与所述电压输入(V1)串联，所述电路(1、21)的特征在于其包括：

第一子电路(11、Q3、R1、R2)，其将所述二极管(D1)的阴极(4) 与所述信号灯(5)连接；

第二子电路(12a、12b、R11、Q1、R6、R7)，当所述AC电压低 于第一临界电平时，所述第二子电路(12a、12b、R11、Q1、R6、R7) 提供与所述信号灯(5)相比具有较低电阻的与所述信号灯(5)并联的 电流路径(R6、R7、Q1)；

第三子电路(13、R12、R13、Q2)，当所述AC电压高于所述第一 临界电平时，所述第三子电路(13、R12、R13、Q2)禁用与所述信号 灯(5)相比具有较低电阻的与所述信号灯(5)并联的电流路径(R6、 R7、Q1)；

第四子电路(14、M1、C1、R8、R5、D2、U1、R9、R10、C2)， 当所述AC电压高于第二临界电平(scl)时，所述第四子电路(14、 M1、C1、R8、R5、D2、U1、R9、R10、C2)提供与所述第一子电路 (11、Q3、R1、R2)相比具有较低电阻的从所述二极管(D1)的阴极 (4)到所述信号灯(5)的连接(M1、R3、R4)。

2.根据权利要求1所述的电路(1、21)，其特征在于所述第一子电 路(11、Q3、R1、R2)包括：供电晶体管(Q3)，其集电极或发射极与第一电阻器(R1)串联； 以及

第二电阻器(R2)，其将所述供电晶体管(Q3)的基极与所述信号 灯(5)连接。

3.根据权利要求1所述的电路(1、21)，其特征在于所述第二子 电路(12a、12b、R11、Q1、R6、R7)包括：分流晶体管(Q1)，其集电极或发射极经由至少一个电阻器(R6、 R7)连接到所述信号灯(5)，其中所述分流晶体管(Q1)的基极经由 另一电阻器(R11)连接到所述二极管(D1)的阴极(4)。

4.根据权利要求1所述的电路(1、21)，其特征在于所述第三子 电路(13、R12、R13、Q2)包括：禁用晶体管(Q2)，其中所述禁用晶体管(Q2)的基极分接在两个 串联的电阻器(R12、R13)之间，这两个串联的电阻器(R12、R13) 使所述二极管(D1)的阴极(4)与所述电压输入(V1)的电极(3) 接通，所述电压输入(V1)的电极(3)不连接到所述二极管(D1)的 阳极。

5.根据权利要求3所述的电路(1、21)，其特征在于所述第三子 电路(13、R12、R13、Q2)包括禁用晶体管(Q2)，其中：所述禁用晶体管(Q2)的基极分接在两个串联的电阻器(R12、R13) 之间，这两个串联的电阻器(R12、R13)使所述二极管(D1)的阴极 (4)与所述电压输入(V1)的电极(3)接通，所述电压输入(V1) 的电极(3)不连接到所述二极管(D1)的阳极；并且所述禁用晶体管(Q2)的集电极或发射极连接到所述分流晶体管 (Q1)的基极。

6.根据权利要求1所述的电路(1、21)，其特征在于所述第四子 电路(14、M1、C1、R8、R5、D2、U1、R9、R10、C2)包括：参考元件(U1)，其具有输出(16c)、控制输入(16a)和低电阻输 入(16b)，其中所述参考元件(U1)的输出(16c)经由串联的第三电 阻(R8)和第四电阻(R5)连接到所述二极管(D1)的阴极(4)；

其中当所述AC电压高于所述第二临界电平(scl)时，所述参考元 件(U1)的输出(16c)连接到所述参考元件(U1)的低电阻输入(16b)；

并且所述电路(1、21)的特征在于所述第四子电路(14、M1、C1、 R8、R5、D2、U1、R9、R10、C2)还包括：场效应晶体管(M1)，其源极或漏极连接所述二极管(D1)的阴极 (4)和所述信号灯(5)，其中所述场效应晶体管(M1)的栅极(15) 分接在所述第三电阻(R8)和所述第四电阻(R5)之间，其中所述参考元件(U1)用于在所述场效应晶体管(M1)的栅极 (15)处设置足够的电压，以便使得所述场效应晶体管(M1)导通。

7.根据权利要求6所述的电路(1、21)，其特征在于所述第四电 路(14、M1、C1、R8、R5、D2、U1、R9、R10、C2)还包括电容器 (C1)，其连接所述二极管(D1)的阴极(4)和所述场效应晶体管(M1) 的栅极(15)。

8.根据权利要求1所述的电路(1、21)，其特征在于：

所述信号灯(5)包括分布在至少两条并联的电流路径上的至少4 个LED(D3、D4、D5、D6)，特别地，其中在每条电流路径中至少两 个LED(D3、D4、D5、D6)是串联的。

9.信号灯装置，其具有：

根据权利要求1所述的至少第一电路(1)和至少第二电路(21)；

用于所述电路(1、21)的公共电压输入(V1)，其中与所述至少一 个第二电路(21)相比，所述至少一个第一电路(1)在所述公共电压 输入(V1)的电极(2、3)上的极性相反。

10.一种信号灯装置的用途，其中将根据权利要求9所述的信号灯 装置用作铁路信号或红绿灯信号。

说明书

技术领域

本发明涉及用于对信号灯进行操作的电路，其具有：信号灯，其包 括至少一个发光二极管；电压输入，其用于为该电路提供AC(交流) 电压；以及二极管，其与该电压输入串联。

背景技术

从US2005/0151665A1中可了解这种类型的电路。
信号灯用于各种领域中，特别是交通应用中。特别重要的是铁路信 号。这些信号灯用来向火车司机表明能否安全地进入即将出现的铁路轨 道部分(诸如轨道切换)。
在白天期间，铁路信号灯的光必须足够明亮，以便火车司机远在到 达该信号灯之前识别信号灯的状态。然而，在夜晚期间，该信号灯的发 光强度必须足够低，使得火车司机不会眼花。这就意味着在一天的行程 中应当调整铁路信号灯的发光强度。
现有技术中的铁路信号灯典型地使用普通的灯泡作为它们的发光 体。为了调整这些灯泡的发光强度，铁路控制中心修改铁路信号灯的 AC输入电压。在夜晚期间，灯泡工作在与白天期间使用的电压相比减 小为大约66％的电压处。在傍晚和在早晨，相应地切换该输入电压，以 便进行这种白天/夜晚调整。
最近，铁路信号灯已装备了功率发光二极管(LED)作为它们的发 光体。功率LED已被证明比普通灯泡更加可靠和成本有效。
然而，LED的特性与灯泡的特性非常不同，特别是就考虑输入电压 和发光强度之间的相互关系而言。当在铁路信号灯中用LED代替普通 灯泡时，铁路控制中心处的用于通过改变输入电压来调整发光强度的现 有设备就不再合适了。
在现有技术中，根据LED的需要，具有可变发光强度的LED信号 灯配备有具有可变电流的特殊电源。
US2005/0151665A1描述了一种用于LED信号灯的信号控制器件设 备，其具有用于检测外部光负载的传感器；以及切换电源。根据由该传 感器生成的控制信号，电控系统调整LED电流，并从而调整了LED的 发光强度。
这种信号控制器件设备与通过改变AC输入电压来调整发光强度是 不兼容的。因此，当更新具有LED的现有铁路信号时，在现有技术中， 必须更新该铁路控制中心，以及它的发光强度控制系统。这是相当昂贵 和麻烦的。

发明内容

因此，本发明的目的是通过改变AC输入电压来实现对基于LED 的信号灯的发光强度的白天/夜晚调整。特别地，本发明的目的是使得 可以结合基于LED的信号灯而使用现有的发光强度控制系统(施加适 合于基于灯泡的信号灯的可变输入电压)。
根据本发明，通过如在说明书开头所描述的电路，可达到此目的， 该电路的特征在于其包括：
第一子电路，其将该二极管的阴极与该信号灯连接；
第二子电路，当该AC电压低于第一临界电平时，该第二子电路提 供与该信号灯相比具有较低电阻的与该信号灯并联的电流路径；
第三子电路，当该AC电路高于第一临界电平时，该第三子电路禁 用与该信号灯相比具有较低电阻的与该信号灯并联的电流路径；
第四子电路，当该AC电路高于第二临界电平时，该第四子电路提 供与该第一子电路相比具有较低电阻的从该二极管的阴极到该信号灯 的连接。
当切换输入电压时，本发明的电路连同其基于LED的信号灯模拟 了一种基于灯泡的信号灯的特性。特别地，本发明的电路设计为在该电 压输入的不同电压处操作。即，在第一操作电压处(第一临界电平和第 二临界电平之间)，该电路使得可以以基于LED的信号灯的低发光强度 进行夜晚操作。在第二操作电压处(高于第二临界电平)，该信号灯使 得可以以基于LED的信号灯的高发光强度进行白天操作。
只要AC电压低于第一临界电平，通常在存在不希望的干扰电压时 出现这种情况，所有电流都被重定向为经由第二子电路，并且该信号灯 不发光。当AC电压高于第一临界电平但低于第二临界电平时，该信号 灯经由第一子电路供电。第一子电路的组件限定了在该信号灯处可获得 的电流。当AC电压高于第二临界电平时，该信号灯由第四子电路供电。 该第一子电路可以被忽略或随后被禁用。因此，总而言之，输入电流在 LED和本发明电路内的负载电阻器之间的分配在切换阈值处改变。通过 小心地选择负载电阻器，本发明电路在其电压输入处具有普通灯泡的特 性。特别地，只用少量的步骤就能模拟普通灯泡的电压/电流特性，得到 基本上连续的特性。
出于更新的目的，本发明电路或多个并联的本发明电路能够取代现 有的铁路信号或诸如红绿灯信号之类的其他信号的灯泡。
在本发明电路的优选实施例中，第一子电路包括：供电晶体管，其 集电极或发射极与第一电阻器串联；以及第二电阻器，其将供电晶体管 的基极与该信号灯连接。通过供电晶体管和连接到基极的电阻器，低电 流可用于夜晚操作。当高于第二临界电平时，可以通过为所述供电晶体 管的发射极和基极设置相同的电压容易地禁用第一子电路。
在另一优选实施例中，第二子电路包括：分流晶体管，其集电极或 发射极经由至少一个电阻器连接到信号灯，其中分流晶体管的基极经由 另一电阻器连接到二极管的阴极。可以通过在该分流晶体管的基极处设 置足够的电压来激活经由该至少一个电阻器和该分流晶体管与信号灯 并联的低电阻电流路径。应当将连接该分流晶体管基极和该二极管阴极 的该电阻器选择为使得正好在信号灯由于干扰电压而能够发光之前在 基极处设置足够的电压。此外，通过关断基极处的电压，可以容易地禁 用该分流晶体管。
在进一步的优选实施例中，第三子电路包括禁用晶体管，其中该禁 用晶体管的基极分接在两个串联的电阻器之间，这两个串联的电阻器使 二极管的阴极与输入电压的电极接通，该输入电压的电极不连接到该二 极管。这两个串联的电阻用作分压器并从而可以容易地选择第一临界电 平。该禁用晶体管可以容易地与第二子电路协作。
在前两种优选实施例的进一步发展中，禁用晶体管的集电极或发射 极连接到分流晶体管的基极。当禁用晶体管导通时，分流晶体管失去了 其基极处的电压并且分流晶体管不再导通。
本发明电路的高度优选的实施例的特征在于第四子电路包括：参考 元件，其具有输出、控制输入和低电阻输入；其中参考元件的输出经由 串联的第三电阻和第四电阻连接到二极管的阴极；其中当该AC电压高 于第二临界电平时，参考元件的输出连接到该参考元件的低电阻输入； 并且该实施例的特征在于第四子电路还包括：场效应晶体管，其连接二 极管的阴极和该信号灯，其中该场效应晶体管的栅极分接在第三电阻和 第四电阻之间。该场效应晶体管提供到信号灯的低电阻电流路径。当参 考元件为场效应晶体管的栅极给定足够的电压时，该路径被激活。因此， 参考元件以及在控制输入处的组件确定了第二临界电平。总而言之，该 实施例可以容易地切换低电阻电流路径并容易地确定临界电平。
在该实施例的进一步发展中，第四子电路还包括电容器，其连接二 极管的基极和场效应晶体管的栅极。该电容器使栅极处的电压平滑，即， 只要在每个周期之后重新加载该电容器，就保持场效应晶体管在电压输 入处的AC电压的整个周期上都导通。
在特别优选的实施例中，信号灯包括分布在至少两条并联的电流路 径上的至少4个LED，特别地，其中在每个电流路径中至少两个LED 是串联的。每条并联的电流路径独立于另一条并联的电流路径而工作， 因此一个LED的故障不会影响另一条电流路径上的LED。对LED进行 串联使得可以在采用同一设备的情况下使用更高的电压和更多的LED。
本发明的范围内还包括一种信号灯装置，其具有：如上所述的至少 第一电路和至少第二电路；用于这些电路的公共电压输入，其中与该至 少一个第二电路相比，该至少一个第一电路在公共电压输入的电极上的 极性相反。该装置使得可以使用AC电压的两个半波。作为结果，在该 AC电压的整个周期上，第一电路或者第二电路的LED始终在发光，避 免了闪烁。针对所需的LED可利用率(其在每个电路一个LED时最大) 以及可接受的设计成本(其在恰好两个电路中的所有LED具有相反的 极性时最大)来选择并联电路的总数以及每个电路的LED数。对应于 该信号灯装置所需的最大发光强度来选择LED的总数。
此外，如上所述，在本发明的范围内包括信号灯装置的用途，其中 将该信号灯装置用作铁路信号或用作红绿灯信号。
根据说明书和附图可以提炼出更多的优点。可以根据本发明单独地 或以任意组合形式共同地使用上述和下述特征。所提及的实施例不应理 解为穷举，而应理解为具有用于描述本发明的示例性特性。

附图说明

附图中示出了本发明。
图1示出了包括两个本发明电路的本发明信号灯装置的示意性电路 图；
图2示出了图1中的参考单元的示意性电路图；
图3示出了说明在白天操作模式期间，本发明电路的参数作为时间 的函数的示图。

具体实施方式

图1示出了包括两个本发明电路1、21的本发明信号灯装置的示意 性电路图。电路1、21极性相反地并联到公共电压输入V1。电压输入 V1提供电压为大约6V到12V(峰值电压)的正弦型交流电流(AC)。 利用该电压，可以控制发光强度。为简化起见，仅对上电路1的运行进 行详细说明；然而，下电路21以AC电压的另一半波相同地运行。电 路21的参考标记对应于数字小20的电路1的参考标记(即电路1中的 电阻R3对应于电路21中的R23)。
串联到电压输入V1的下电极2的二极管D1用作单向整流器。该 二极管D1的阴极4和该电压输入V1的上电极3为电路1提供电源。
电路1包括信号灯5作为其最重要部分。该信号灯5包括4个发光 二极管(LED)D3、D4、D5、D6，其中LED D5、D6串联在右边电流 路径上，并且LED D3、D4串联在左边电流路径上。对于每一条电流路 径，都存在串联的电阻器R4、R3，用于提供使LED运行的电压。从这 种意义上说，电阻器R3、R4还可以看成所提及的电流路径和信号灯5 的一部分。左边的电流路径和右边的电流路径并联接到信号灯输入6。
电路1具有出现在电压输入V1处的AC电压的大约为1V(可忽 略的电平)、大约为6V(第一临界值，将不希望的干扰电压阻挡在下面) 以及大约为10V(第二临界值，将夜晚/白天操作模式进行隔开)的三个 切换阈值。
一般经由包括供电晶体管Q3和电阻器R1、R2的第一子电路11将 电压输入V1处的低电压提供给信号灯输入6。在对应于Q3的发射极的 二极管D1的阴极4与Q3的基极之间的电压引起某一电流，该电流用 以流过R2并且一般提供用于信号灯输入6的电流。
在V1处的输入电压低于1V时，该信号灯5将完全不发光。出于 该原因，不需要付出什么努力就能使信号灯5及其LED D3-D6远离这 样的电压。
高于1V的输入电压会使信号灯5发光，并且因此需要对这种情况 进行处理。包括参考标号为12a，12b两个部分的第二子电路包括分流 晶体管Q1和连接到其基极的电阻器R11。当该AC电压高于1V时，在 R11处和在Q1的基极处设置足够的电压，使得Q1变为导通。并联到 信号灯5的电流路径的电阻器R6、R7连同Q1一起提供了与信号灯5 相比具有更低电阻的电流路径。流过电阻器R2的电流随后只流过R6、 R7和Q1，而不(或仅有可以忽略的少量电流)流过信号灯5。结果， 该信号灯不发光。
在高于在此大约为6V的第一临界电平的输入电压处，该信号灯5 预期会以其夜晚操作模式发光。第一子电路11向信号灯5提供某一电 流，其中该电流基本上是由电阻器R2确定的。接收流经供电晶体管Q3 的部分电流的电阻器R1用来将信号灯5的特性调整为灯泡的特性。在 该夜晚模式中，第二子电路12a、12b必须为非激活。
这是由第三子电路执行的，该第三子电路包括禁用晶体管Q2以及 两个电阻器R12、R13。当阴极4处的AC电压高于大约为6V的第一临 界值时，在晶体管Q2的基极处的电压高到足以使禁用晶体管Q2导通。 作为结果，分流晶体管Q1基极处的电压下降，并且Q1阻断。随后， 经由电阻器R6、R7以及Q1的低电阻电流路径不再可用，并且经过R2 的电流也将经过信号灯5的LED D3-D6。这就是夜晚操作条件。
当阴极4处的AC电压高于大约为10V的第二临界值时，发光强度 应当显著地增强以便进行白天操作。这是通过建立从阴极4到信号灯5 的输入6之间的新的低电阻电流路径来实现的，该新的低电阻电流路径 与第一电流路径11的电源连接相比具有更低的电阻。该新的低电阻电 流路径使得相对较高的电流可以流过信号灯5。
该新的低电阻电流路径包括场效应晶体管(FET)M1，如图1所标 出的，其是第四子电路14的一部分。该FET M1连接二极管D1的阴极 4和信号灯输入6。只有当在栅极15处设置了足够的电压时，该FET M1 才导通。这种足够的电压可以由参考元件U1来设置。参考元件U1具 有控制输入16a、低电阻输入16b以及输出16c。低电阻输入16b直接 连接到电压输入V1的电极3，并且控制输入16a经由与电容器C2并联 的电阻器R10连接到所述电极3。输出16c经由二极管D2和电阻器R5 连接到栅极15。
如果控制输入16a处的电压足够高，则低电阻输入16b和输出16c 在参考元件U1内连接，并且栅极15得到足够的电压以使FET M1导通。 否则，即如果控制输入16a处的电压较低，则输出16c不连接并从而具 有高电阻。将电阻器R9、R10和电容器C2是选择为使得参考元件U1 中的切换发生在二极管D1的阴极4处恰好具有第二临界电压电平时。
仅在一个完整的AC电压周期的一小段时间间隔期间，即在一半周 期的电压峰值附近，由参考元件U1在栅极15处设置足够的电压。为了 使得信号灯在AC电压的整个半周期期间保持发光(即只要电流经过二 极管D1)，电容器C1使栅极15处的电压平滑。虽然电容器C1是经由 电阻器R8放电的。将C1、R8的尺寸选择为使得在AC电压的完整的 周期期间，将栅极15处的电压保持为高到足以使FET M1保持导通， 但是又不会使C1处的电压被参考元件U1在下个周期内或几个另外的 周期内刷新(充电)，FET M1再次阻断。
只要FET M1导通，供电晶体管Q3的发射极和其基极之间的电压 就下降，并且没有基极电流，该供电晶体管Q3关闭。随后，只经由FET M1提供到信号灯5的电流。
因为在白天操作条件和夜晚操作条件期间使用了到信号灯5的不同 电流供给路径，所以这样两条路径可以独立地设计。作为结果，可以独 立地且以较宽的范围来设置该信号灯5在两个目标电压处的发光强度 (以及在这些目标电压附近的特性)。对于白天操作，12V的目标电压 对铁路应用来说是典型的。对于夜晚操作，白天电压的大约66％，即 8V是典型的。根据本发明，在夜晚期间，发光强度可以减小为该白天 发光强度的0.2％。可以利用本发明的电路，通过相应地选择电阻器R2 和R1来容易地实现这一点。
作为所示出的实施例的优点，一方面将输入电压与参考元件U1处 的第二临界值相比较，以及另一方面在AC电压的至少一个周期期间对 第四子电路C1的状态进行记录，这两者是隔开的。这就使得可以以大 约1％-2％的精确度非常准确地限定U1处的第二临界值。这还使得在 U1的输出16c处的停留时间具有较宽的变化范围，特别是具有从白天 操作模式到夜晚操作模式的快速切换的可能性。
根据本发明，信号可以包括例如用于AC电压的正半波的17个电 路以及用于负半波的17个电路。例如铁路信号之类的完整的信号设备 则包括总共136个LED。
图2示出了参考元件U1的电路图，正如它可以用作图1所示的发 明的电路1的一部分。将控制输入16a以及低电阻输入16b馈入运算放 大器，而输出16c连接到晶体管的集电极。该晶体管的基极连接到运算 放大器的输出。
图3说明了在白天操作模式期间AC电压的三个周期内(向右的时 间轴t)在图1的电路1内的多个参数(向上的轴)，这里AC电压大约 为12V(在峰值处)。
上面的图说明了在二极管D1的阴极4处的电压U(4)(见图1)。 只有正半波通过二极管D1。为了确定方向，标出了第二临界电平(等 于scl)。这里scl电平大约为10V。电压U(4)比电压峰值附近的scl 更高。
第二个图(从上开始数)说明了参考元件U1的输出16c处的输出 电阻R(16c)。正好在U(4)已经达到该scl时，由于将输出16c切换 到低电阻输入16a，电阻R(16c)下降。依次类推，当U4再次下降到 scl以下时，R(16c)再次上升。
第三个图说明了FET M1的栅极15处的电压U(15)，其与电容器 C1处的电压相同。只要R(16c)下降(并且同时U(4)达到scl)，电容 器C1的充电就会开始。该加载过程的时间常数为τ＝R5·C1。只要R (16c)再次升高，C1就以另一(更长的)时间常数τ＝R8·C1开始放 电。为了确定方向，标出了名为sM1的FET M1的阈值电压。在一个周 期上，即直到下一次充电时，U(15)完全保持在sM1以上。
第四个图表示从FET M1的源极到其漏极，即从阴极4到信号灯输 入6的电压U(M1)。在第一周期的开头，电压U(M1)与U(4)同 时增加。然而，当U(15)达到sM1时，该FET M1变为导通，并且U (M1)下降到低电平。在该AC输入电压的负半波期间，在M1处未出 现电压(零电平)。在稍后的正半波时间期间，因为U(15)保持在sM1 以上，因此U(M1)位于低电平处。在U(M1)位于其低电平处(但 不为零电平)的时间期间，该信号灯5以白天模式明亮地发光。