具有led光源的交通信號裝置的制作方法

專利名稱：具有led光源的交通信號裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有LED(發光二極管)光源的交通信號裝置，及尤其涉及一種LED光源，它對于LEDs具有損耗小的恒定電流供電。
交通信號裝置的應用正在全球范圍擴展。原則上與本申請相關的“交通信號裝置”的概念定義得較寬。對此涉及街道及軌道交通信號裝置以及航道及機場跑道的標燈。而對于街道交通信號裝置，除包括典型的信號裝置、如紅綠燈外也包括發光的交通導行系統及交通牌。
這種交通信號裝置通常由地區或國有機構來經營，其中除了用于初始設施的費用外，運行及維護的費用也起到極大的作用。在使用通常的白熾燈的這種交通信號裝置情況下，一個重大的成本因素是需要相當頻繁地更換燈泡。另一個不可低估的成本因素在于通常的光源的耗電量。鑒于這個問題有人提出在交通信號裝置中使用LED光源。例如US-A-5,850,126及DE 197 29 690 A1中描述了使用LED光源的燈信號裝置或紅綠燈裝置。這兩個文獻提出使用變壓器，以便將電壓從典型公用電網的電平降壓到顯著低的、LEDs能有效工作的電平上。由于多個原因變壓器與一些缺點有關。首先它相對大及重，這經常在實踐中會導致在交通信號裝置中的變壓器安裝問題。因此這兩個文獻提出在設有通常的燈頭的LED光源中安裝變壓器。實際上這種光源比通用的標準光源大了一些，因此用LED光源來簡單地更換通用白熾燈往往要失敗。另一原因是，與使用變壓器相關的成本因素相當可觀。
此外，DE 40 22 498 A1描述了一種具有通用電網部件的防爆炸的發光報警裝置，其中發光報警裝置由少許LEDs指示，它們與一個線圈串聯后與一個續流二極管相并聯，其中LEDs、線圈及續流二極管再與一個快速電子開關串聯地連接。還設有一個脈沖發送器，它與快速電子開關連接及產生脈沖，以使快速電子開關打開及閉合。該脈沖發送器尤其涉及一個由多個部件組成的單穩多諧調制器。這種LEDs的電源與US-A-5,850,126及DE 197 29 690 A1中選擇的LEDs的變壓器電源相比，明顯的缺點是電源電路故障概率顯著地增大，這在交通信號之中使用時出于安全的原因帶來了很大的缺點。
因此本發明的任務在于，提供一種所述類型的交通信號裝置，它具有損耗小、節省位置、故障保護及成本合理的用于LEDs的恒流電源。
為了解決該任務，本發明提出一種具有LED光源的交通信號裝置，它具有用于連接一個電源的輸入端；及處于高電位及低電位之間電位上的多個LEDs，它們以至少兩個并聯的多個LEDs的串聯支路設置；一個線圈，它與所述LEDs串聯連接；一個續流二極管，它與LEDs及線圈并聯連接，及它的導通方向與LEDs的導通方向相反及一個快速電子開關，它與LEDs、線圈及與LEDs及線圈并聯的續流二極管串聯地連接；及一個脈沖發送器，它連接在快速電子開關上，及產生使快速電子開關打開及閉合的脈沖，其中脈沖發送器尤其是一個集成部件形式的脈寬調制器。
因此本發明提出一種交通信號裝置及一種專用于交通信號裝置中的優化LED光源，它可無問題地安裝在用于交通信號裝置的標準白熾燈的外部尺寸內，它通過使用極少數目的單個元件可作到對故障極為保險及由于使用商業上通用的標準部件成本合理地被制造。因為在該電路上可省去用于LEDs的降壓電阻及使用了省電的標準部件，它可實現交通信號裝置損耗小、成本合理的工作。
在根據本發明的交通信號裝置上，更換的間隔可延長至兩倍或更大，這就導致通常維護成本減半或更大地下降。另一方面，LEDs顯著小的能耗使這種交通信號裝置的持續運行成本明顯下降。對此通過在紅綠燈裝置中使用透射彩色的光源、如紅、黃及綠色的LEDs可使能量利用進一步改善。當該光源具有的發射光譜約在彩色濾波器的波長范圍中時，相應的彩色濾波器(用于綠光的濾波器，用于紅光的濾波器，用于黃光的濾波器)的光損耗特別小。還由于兩個原因保留彩色濾波器是有利的，一個原因是，這里所述的用根據本發明光源可簡單更換通用燈泡的觀點起到一定作用。另一原因是，濾波器可用于使雜散光、如太陽光產生的雜散光顯著地降低。這特別適合于濾波器在其透射范圍中適配LEDs的很窄頻帶的情況。此外濾波器用于對LEDs光源的保護。
正是在交通信號裝置方面使用帶通用固定燈頭的光源特別有利，這種燈頭也是在現在的交通信號裝置的光源中通用的。最好對于交通信號裝置的發光區域、例如一個紅綠燈裝置的紅、黃或綠色的彩色區域設有至少兩個單獨的光源，它們可設有一個共同的固定燈頭。當其中一個光源故障時第二個光源可保證不會出現完全的故障。
LEDs-發光二極管-在由電流轉換成光方面具有很高的效率。當LEDs用于綠光時該效率特別高。而所謂的“白光LEDs”尤其與白熾燈相比也具有很好的效率。目前己進入市場的高品質LEDs的效率已部分地超過通常被視為具有最佳效率的光源的發光材料管的效率。LEDs的高效率及因其高壽命產生的對故障的高保險性使它特別適合一定的應用。除了典型的居室及商店照明還有顯示板的典型照明、夜間照明如旅館或醫院中的照明、緊急照明及類似照明設施的應用，這些應用不是首先由相關的強光線照明確定的。此外LEDs具有一個大的優點，即它可非常靈活地編排兩維及三維形式的發光配置。這可實現大的、平面的及在其延伸上均勻照亮的發光裝置，它尤其可用作廣告照明。在廣告照明中尤其是LEDs可提供不同的彩色起到有利的作用。
白熾燈視其設計而定可工作在任意的電壓電平上，與白熾燈不同地，LED由于其物理特性它的工作電壓被限定在相對窄的范圍中。典型地，LED的工作電壓約為2伏。這一點是LEDs用于上述應用所遇到的一個缺點。LEDs的工作電壓與由公用電網提供的典型為110伏或230伏交變電壓的電網電壓相距甚遠。為了至少在一定程度上避開該問題，LEDs通常用20個或更多個LEDs的串聯電路工作，由此對于典型的應用也可達到足夠的光強度。該串聯電路對于一組20個串聯的LEDs將導致40伏范圍的工作電壓。即使該電壓值也明顯地不同于通常所提供的電網電壓，以致用于LED工作的電壓或需要用變壓器相應地變低或使用大的降壓電阻使電壓達到該范圍。顯然，這種電壓適配帶有很大的損耗及使LED光源相應的總效率變得很差。在實際中可提供的電網電壓與LEDs的工作電壓的距離還將更大，這是由于LEDs通常用直流電壓工作。整流的電網電壓的平均值約為150伏或320伏。
即使當電網電壓降壓到用于LEDs的串聯組所需的工作電壓時，也需要與LEDs串聯一個降壓電阻。當LEDs無這樣的降壓電阻工作時將會導致流過LEDs的電流上升及最后使其損壞。通過前置降壓電阻將使LED中的電流上升被降壓電阻上較高的壓降補償。
由此得出，用于將電流轉換成光的LED的合適效率受到降壓電阻上的工作損耗及可能由變壓引起的損耗的影響，這就嚴重地阻礙了LEDs的應用可能性。由此使典型的LED光源所需的工作電壓不適合在公共電網的電壓上工作，尤其是整流后的電壓。使用變壓器使電壓適配一方面與成本高相關，及另一方面由于位置原因不易實現或不理想，而大的降壓電阻會導致顯著大的損耗。
LED光源的核心組成部分是電路，其中至少一個LED與線圈串聯及它們再與續流二極管并聯，其中續流二極管的導通方向與LED(s)的導通方向相反。在該電路中線圈起到電流存儲器的作用。一旦線圈被充電，它將力圖維持流過LED(s)及續流二極管的電流回路中的電流。通過快速電子開關使該電流回路以一定間隔與電源連接及“充電”。因此當工作時在至少一個LED上流過一個電流，該電流在確定的電流平均值上以開關的操作頻率變化。與電流平均值比較該電流變化可相對地小。但也可以相對地大。在極端情況下，該至少一個LED以一個重復頻率被供給多個電流脈沖，所述頻率的值至少為該光源不閃爍地被眼睛接收。在各個脈沖之間的電流強度可降到零。電流脈沖的能量大小以合適的方式這樣來確定，即對至少一個LED提供的能量基本上等于恒定工作時所需的能量。實際上在這樣的工作中甚至可得到效率的改善，因為已知，以較大電流脈動地驅動的LEDs具有更好的發光效率。通過各個部件的優化適配，專業人員可將基本恒定的電流調節到LEDs的最佳工作電流強度上。在該最佳電流強度上LED具有其最長壽命或相對其壽命的最佳發光量。該對于最佳壽命及對于最佳發光量的最佳電流強度在一個LED上不一定絕對相同。
脈沖發送器對快速電子開關發送脈沖序列，它導致所需電流流過LEDs。該快速電子開關例如可為MOSFET晶體管，其中脈沖發送器的脈沖序列可連接到MOSFET晶體管的柵極。
在LED光源中對LED附設的部件上的附加損耗是極小的。損耗僅出現在線圈、續流二極管、開關及脈沖發送器中。線圈中的損耗實質為純歐姆損耗。當線圈的典型電阻值為6歐姆及典型電流為20毫安時在線圈上的壓降為120毫伏，這只導致很小的損耗。作為續流二極管尤其適用的是肖特基二極管，它能快速導通及具有低的導通電壓。該二極管上的壓降約為0.3-0.4伏。快速電子開關具有的典型電阻為1至2歐姆。它僅導致開關上的壓降為20毫伏的量級。
以下借助一個簡單的例子來說明可能的省電效果。其中將傳統的降壓電阻的工作與根據本發明的在基本恒定的LEDs電流的情況下的工作作比較。該例子基于20個串聯的LEDs及2V的LED工作電壓，它工作在230V交流電網電壓、相應于320V直流電壓上。通過LEDs的電流為10mA。用降壓電阻的傳統工作·二極管的有效功率為20×2V×0.01A＝0.4W·消耗的功率320V×0.01A＝3.2W·效率12.5％根據本發明電路的工作·整個電路可實現的效率為85％，損耗主要出現在整流、脈沖發送器的驅動、電開關及其它部件上。·二極管的有效功率為20×2V×0.01A＝0.4W/0.85＝0.47W(小于傳統工作消耗功率的1/6)。·電網輸出電流0.47W/230V＝0.002A不難看出，根據本發明工作時的效率比傳統工作的效率改善了近似7倍。該效率的改善可用一個簡單、便宜、可靠及節省位置的電路來實現。
LED光源可用于不同類型的照明。如下面還將描述的，具有用該光源產生不同發光顏色的可能性。通過使用白光二極管可使該光源取代通用的白熾燈。特別有利的是緊急照明，例如用于建筑物如地下車庫、旅館中或用于交通工具如船舶、軌道車輛、飛機中。特別適合的是均勻間接的照明，例如樓梯間、地下車庫等。它也特別適用于故障保險的位置照明，例如在飛機及輪船上。
LED光源例如可用于己普遍存在的光源。它們例如具有通用的螺旋式、插接式或另外的燈頭，它可插入通用的燈座中。在此情況下，電路例如可與LED一體地設置在燈座中。變換地，該電路可作為中間件單獨地構成，在其中可插入、擰入或以其它方式連接所述至少一個LED。該中間件可以伸縮套筒形式或以圓柱殼形式環繞一個支承該至少一個LED的核心元件設置，其中該中間件然后可擰入燈座中及本身用作該至少一個LED的燈座。變換地，該中間件也可軸向地連接在至少一個LED上。該專門的實施形式取決于專門的應用場合。也可使用中間件的伸縮套筒式及軸向構型的混合形式。因此在可擰入通用螺旋燈座的光源中適于使用部分伸縮套筒式及部分軸向構型的混合形式，它以杯的形式環繞用于至少一個LED的支撐設置。應當指出，使用中間件的光源及單是中間件本身均可被視為有創造性的。尤其是在中間件中最好設有根據權利要求1的電路，無權利要求1的特征或僅具有其特征的一部分的使用中間件的光源或單是中間件也可被視為有創造性，-例如當其中設有不同于這里所述的LED電源電路時。
特別有利的是，當光源構成為相應實用光源的形狀，例如通用的白熾燈泡、桿狀、彎曲的氖燈管等的形狀。尤其在其中需要定向輻射的光源中，該LEDs裝置的預定形狀可這樣設計，即它可得到所需的光輻射特性。在氖燈管上這特別有利，它可用于街道照明或天花板照明。對此目前典型地，使氖燈管本身作成彎曲的或直圓柱體形狀的管，及在環繞其縱向延伸的徑向上具有基本相同的輻射特性。街道照明燈本身構造得具有一個反射器，以便使輻射到不希望方向上的光反射到所需的方向上。這種反射器通常是模糊的，它導致效率的損失及增加購置費用。因此有利的是這樣地利用LEDs的定向輻射特性光源本身各向異性地構成，以得到所需的光輻射特性。在此情況下，光源可如通常的LED那樣安裝在玻璃燈管中。但也可不使用玻璃燈管及所述至少一個LED未被覆蓋。特別有利的是，燈的光源本身對外部通過玻璃罩覆蓋。
有利的是，對于大的發光區，例如在一個紅綠燈的發光區或安全照明的發光區或氖管類型的發光區中每個發光區至少設有兩個獨立的光源。這將顯著提高故障保險性。
作為脈沖發送器可使用脈寬調制器，如以大數量制造的及在市場上可合適地得到的脈寬調制器。對此特別適合的是德克薩斯儀器Texas Instruments公司的TL5001。這種部件需要的電流在微安量級上，其損耗相應地小。
此外在電源電路中有利的是，它相對輸入電壓的變化相對不敏感。該電路可這樣地設計，即不需要轉換便可工作在110伏或230伏的交流電網電壓上。
進行的實驗表明，作為用電器也可譬如設置一個或多個鹵素白熾燈來取代電路中的LEDs。在此情況下，在極端情況下可不用線圈及需要時不用續流二極管。鹵素白熾燈僅通過用脈沖控制開關來工作。但線圈有其優點，它使脈沖的電流尖峰顯著地降低。為了使鹵素白熾燈得到必要的功率，在無線圈的工作情況下將產生具有很高電流值的針狀脈沖。這尤其在通過燈座實施的情況下對鹵素白熾燈的燈絲帶來大的問題。通過線圈可使大電流尖峰顯著降低。并且在該實施方式中具有大的優點，即可不用變壓器地工作在公用電網的電壓上。
此外也可視為有創造性的是，用任意的用電器取代至少一個LED，及由該電路產生的脈沖狀電流或恒定電流供電。
最好至少一個LEDs是“白光LED”。用于照明，尤其用于夜間照明，正是白光最有利。在此情況下，該白光LED可涉及這樣的LEDs，即其中在一個芯片的平面中可設置多個不同顏色的LEDs。典型地，在此情況下可在空間上彼此很緊靠地設有4個LEDs一個紅色、一個綠色、及兩個藍色的LEDs。這些LEDs可用串聯電路工作。眼睛以混合相加的方式將這些LEDs的光看成一定的彩色光，即在該串聯電路中發白光。也可以使各個顏色的LEDs工作在具有分開的線圈及分開的續流二極管的分開的電路中。在各個電流回路中調節電流強度具有這樣的可能性使LEDs的光顏色發生改變。近來也己獲得白光LEDs，其中涉及設有磷層的藍色LEDs。通過藍色光束在磷層中激發出高能級電子及在返回到基態時產生出白光。
最好脈沖發送器這樣地構成，它根據流過LEDs的電流的一個特征量可以對快速電子開關輸出不同的脈沖序列，以便使流過LEDs的平均電流保持在一個恒定的范圍內。如上所述的標準部件通常具有一個反饋輸入端，它能根據一定的調節量來改變脈沖序列。在當前情況下，它可用于使電流在一定范圍上保持恒定。這在本發明的實際應用中具有優點，即它可改善該電路輸出電流的穩定性，例如當溫度變化時等。在脈沖序列不能以其它方式改變的簡單的組件中，該反饋輸入端也可用作將電流強度調節到所需最佳值上。
最好設有一個與快速電子開關、線圈及LEDs相串聯的總電流測量電阻，通過它測量流過LEDs的電流。該測量電阻幾乎可任意地小，以使得這里也產生很小的損耗。尤其是該測量電阻顯著地小于在通常的LED應用中典型的降壓電阻。在此情況下在測量電阻上降落的電壓表征了流過測量電阻的電流。
測量電阻上降落的電壓例如可輸入到一個運算放大器，該運算放大器根據求得的量將一個相應的信號輸送到脈沖發送器，以便根據測量電阻上得到的值使快速電子開關正確地工作。
多個LEDs的并聯結構具有一定優點。基本上有利的是，為了產生足夠的光強度共同地設置多個LEDs。典型地，由于上述原因這些LEDs設置成串聯電路。串聯電路的缺點是當一個LED失效時整個串聯支路失效及不能產生光。為了在此情況下不使LEDs完全失效，有利地使各個LEDs或LEDs串聯支路并聯連接。如果在兩個或多個并聯的LEDs或并聯的LEDs串聯支路中有一個LED或一個LEDs串聯支路失效，則較高的電流通過其余的LEDs，該LED光源仍未完全失效。較高的電流一般會導致部分損壞的LED光源的壽命降低。對于使用者留有一定的“寬限時間”直到該LED光源最后必需被更換。這尤其在與安全相關的應用方面特別有利，因為在一定的時間間隔上預告了LED光源的完全故障。特別有利的是，多個LEDs串聯支路彼此并聯連接。一個串聯支路的失效使其余串聯支路電流的增高是不大的，以致其壽命不會迅速下降。相應的LED光源可在真正失效前長時間上被更換。這種光源的檢驗可通過并聯的各個LED串聯支路中的電阻的測量來進行。視到該時刻失效的LEDs串聯支路數目而定安裝人員在檢驗時可決定是否必需更換LED光源。特別有利的是，將LED光源應用在交通信號裝置中。在極端情況下甚至所有的LEDs可彼此并聯連接。
最好，可以在各設有一個或多個LEDs的各個并聯的電流支路中檢測表征通過該電流支路的電流的特征值。這例如可借助與這樣的一個電流支路中的至少一個LED串聯的部分電流測量電阻進行測量。特別是當并聯電流支路少時可由此確定出在一個電流支路中一個LED的失效。通過適當的邏輯部分可測量及估價該特征值，及通過脈沖發送器可使總電流及由此使通過剩余LEDs的電流能降低到相對維持剩余LEDs壽命的值上或返回到用于這些LEDs的最佳值上。例如在僅有兩個并聯電流支路的情況下，每個支路中設有至少一個LED，則用一個電流支路中的特征值就夠了。如果該一個電流支路中的特征值下降到零，則顯然該電流支路中的一個LED失效。通過第二電流支路的電流可被相應地降低。相反地，當該電流支路中的電流突然升高時，該電流可被相應地降低。當具有多個并聯電流支路時，合適的是檢測每個電流支路的特征值。
最好脈沖發送器這樣得到其電源，即它被連接在高電位及低電位上。最好在高電位及低電位之間設有一個帶有與脈沖發送器并聯的穩壓二極管的分壓器，用于產生基本恒定的對脈沖發送器供電的電壓。基本上，譬如由兩個電阻組成一個分壓器也是可能的。但具有穩壓二極管的分壓器有其優點，即它可供給脈沖發送器基本恒定的電壓，該電壓與高電位及低電位中間的壓降無關。它在這里也作為以下可能性的背景該光源可無問題地用在110伏或230伏交流電壓的公共電網上。當全世界可使用一種類型的LED光源時，從經濟觀點來看這也是特別有利的。
最好脈沖發送器具有一個用于供電的電源輸入端，該輸入端連接到用電器輸出端、快速電子開關及線圈的串聯電路上。與上述脈沖發送器通過分壓器由電源電壓獲取電流的方案相比，這種電路具有其優點，即特別地節省能量，因為在分壓器上產生的損耗實際上被完全最小化。在此情況下有利的是，脈沖發送器的電源輸入端的前面連接有一個電壓調節電路。該電壓調節電路的任務是，當電壓輸入到脈沖發送器的集成電路以前，使位于電源輸入端上的相對不恒定的電壓被整平。
在此情況下有利的是，電壓調節電路具有一個去耦電容器。當由輸出端取得的電壓與集成電路所需的在幾伏量級上的電壓相比較在相對高的直流電壓值上波動時，這是特別有利的。在此情況下該去耦電容器濾去相對高的直流電壓分量及僅讓交流電壓分量通過。在電壓調節電路上有利的還在于，設有一個電壓整流器，例如一個整流二極管，它使去耦電容器后面的負交流電壓分量不能通過或使其符號改變。在此情況下特別合適的是，在去耦電容器與電壓整流器之間連接一個電平箝位二極管，它使去耦電容器后面的交流電壓的電壓水平這樣移動，以使得它實際上不具有負分量。
特別有利的是，電壓調節電路具有一個電壓調節器IC。具有一些集成電路，例如μA78L05CD標準IC，它可從許多制造商那里得到，它使這樣處理的電壓進一步整平及可用作構成脈沖發送器的集成電路的電源。
最好該LED光源用于直接連接到公共電網及具有一個整流電路，該整流電路的輸出端構成高電位及低電位。這個整流電路例如可為通用的橋式電路及最好連接一個電容器，用于使高電位及低電位之間的電壓尖峰濾平。在公共電網以外使用時，例如用在船舶、飛機、機動車或另外的裝置如計算機或其它電裝置上時，它們具有獨立的直流電壓網或提供一定直流電壓的內部電流，則不需要整流器。
最好脈沖發送器這樣地構成，即脈沖的重復頻率大于70Hz；低于該界限的脈沖將會被眼睛察覺及不能很好地適應照明的目的。但在輸出閃爍信號的應用上也可使用低的重復頻率及可能是有利的。該重復頻率大于130Hz較好，更好為大于400Hz，優選為大于1KHz，更優選為大于10KHz，及特別優選為大于100KHz。頻率愈高，線圈的尺寸愈小及電路可作得相應地小。因此這是很重要的，因為線圈為該電路中體積相對大的部件。此外隨著電感量的增大線圈成本愈大。
最好線圈具有的電感為0.1-100mH。特別合適的是線圈的電感為0.1-100mH。基本上不可能給出線圈電感量的精確數據。它取決于專門選擇的LED結構、電源電壓、脈沖頻率及其它的因素。對于不同的結構及應用其值可變化1000倍。
最好脈沖發送器構造成可被調節的，以致通過脈沖序列的改變可改變光的強度。通常希望設有照明減光的可能性，即亮度可改變。實際上這可通過各個脈沖之間距離、即脈沖間隔的改變或脈沖持續時間的改變來實現。
最好所述光源、即由LED(s)、線圈、續流二極管、電開關、脈沖發送器、可能具有的整流電路等組成的裝置設有通用的固定燈頭，它與通用固定燈座一起使用。這提供了不改變現有照明結構的可能性，迄今使用的燈如白熾燈可由根據本發明的光源替代。
特別有利的是改變光強度的可能性。可以容易地想到，在交通信號裝置上白天及夜間工作的照明強度應該明顯不同并可以改變。白天應該具有相對高的光強度，以便在陽光最低時也能保證信號狀態的識別。夜間則相反地應注意照明強度不應過大，以可靠地避免交通參與者的目眩。所述的減光作用在這里可有利地被利用。更有利的是，光強度根據實際的光狀況瞬時地自動適配，例如通過光電管檢測及根據該信息調節信號裝置所需的當前光強度。即使在白天，該調節也很少要求信號裝置工作在光源需要提供最大光強度的情況下。因此顯著地增加了所述節能。
LED照明裝置特別適合用于工作燈，尤其是需要相對強及定向光的場合，及特別是極不需要附生熱量的場合，傳統光源將產生附加的熱量。在這方面尤其涉及牙醫燈，它特別適于作成LED照明裝置及由根據本發明的裝置供電，它顯著地優于迄今使用的工作燈。
在電路板技術中使用的芯片尤其適用于LED照明裝置，其中各個LEDs不帶自己外殼地安裝在基板上及用薄的硅層覆蓋。因此在一個板上可設置約500個LEDs。
所述與交通信號裝置相關的LED光源也適合其它的應用，如以上所述的應用。在根據本發明的交通信號裝置中使用的對LEDs供電的電源電路也可用于照明以外的用途，尤其是出于各種原因不希望使用變壓器的場合。還應指出，已描述的所有特征可與權利要求1的主題無關地在以任何方式構成的電源技術上有意義地實現。
以下將借助于附圖中所示的實施例來詳細描述本發明及本發明的構型。附圖為

圖1一個LED光源結構的概示圖，圖2一個LED光源的變換實施形式的結構概示圖，及圖3具有變換的電源裝置的LED光源的電路圖。
圖1表示用于根據本發明的交通信號裝置的LED光源2，它具有多個串聯的發光二極管(LEDs)4，這些發光二極管再與一個線圈6串聯。與LEDs及線圈6這樣地并聯了一個續流二極管8，即該續流二極管的導通方向與LEDs 4的導通方向相反。設有一個快速電子開關10，它與LEDs 4、線圈6及與它們并聯的續流二極管8相串聯，該快速電子開關由一個脈沖發送器12提供脈沖序列14。如果不使用LEDs 4，而使用其它的用電器，例如鹵素燈，這些燈無一定的導通方向，因此可附加地用一個阻斷二極管與用電器串聯，以便使用電器的導通方向確定。
快速電子開關10本身例如可為一個晶體管及尤其為MOSFET晶體管。n溝道MOSFETs被證實特別適用，因為一方面它價格合算，及另一方面在相同電負荷時它比P溝道MOSFET的開關速度快。為了避免損耗，該快速電子開關10在導通情況下僅具有很小電阻。它還應具有極短的開通及關斷時間，以便可得到陡的電流脈沖上升邊沿及下降邊沿。
LEDs 4的具體類型及數目將根據所意圖的應用目的來選擇。可提供不同顏色及不同工作數據的LEDs。其中具有所謂的“白光LEDs”，它發出白光，正是典型用于許多照明目的特別需要的。
肖特基二極管由于開關速度高及導通電壓低特別適合作為續流二極管。但原則上也可使用其它二極管，最好是快速恢復二極管。
通常在電流回路中上母線16位于高電位，而下母線18位于參考電位或低電位，例如地電位。
脈沖發送器12可為通常的部件，如傳統上大量生產及銷售的。它最好產生可變的脈沖序列14。例如脈沖的寬度可以改變，即可為脈寬調制。變換地，也可為恒定的脈沖寬度或脈沖持續時間，而各個脈沖之間的間隔可改變。脈沖發送器12具有一個用于脈沖序列14的輸出端20及一個所謂的反饋輸入端22，通過該反饋輸入端流過LEDs 4的電流的特征信號到達脈沖發送器12。為此在快速電子開關10的源極及低地位18之間設有一個總電流測量電阻24。該總電流測量電阻可設計得相對小。
為了供電，該脈沖發送器12連接在一個分壓器上，該分壓器由一個簡單的電阻28及一個齊納二極管30構成。該齊納二極管30起到向脈沖發送器12輸出基本恒定電壓的作用。圖1中虛線的左邊表示一個整流電路32，它基本上由通常的橋式電路34及一個平滑電容器36構成。在輸入端38，40上可連接交流電壓、例如通用的電網電壓。
在工作時，通過連接到快速電子開關10的柵極42上的脈沖序列14使快速電子開關10打開及閉合。如果該快速電子開關10閉合，電流將從高電位16通過LEDs 4及線圈6及通過快速電子開關10流到低電位18。在此情況下線圈6充電及構成一個磁場。如果該快速電子開關10打開、即電流中斷，則被充電的線圈6使電流繼續向前流過，及電流流過續流二極管8回到高電位。因此一般在該電流回路中一直維持電流，直到電流回路中的能量被用電器吸取完為止，即存儲在線圈6的磁場中的能量被消耗為止。如果快速電子開關10再閉合，電流又從高電位16開始通過LEDs 4、線圈6及快速電子開關10到低電位18，及線圈1重新被充電。
圖2中表示一個變換的實施例。可以看到，多個LEDs 4的串聯支路44，46，48彼此并聯連接。在該圖示例中一個公共線圈6屬于所有的LEDs 4的串聯支路44，46，48。這種結構相對每個LEDs 4的串聯支路44，46，48有一個線圈6的實施形式具有多個優點。通過節省昂貴的線圈6成本明顯地合理及實際上可作得較小。此外在該圖示實施例中對每個串聯支路44，46，48設有一個部分電流測量電阻50。此外，根據該圖的其余電路結構相對地近似于根據圖1的電路結構。如圖1中那樣也設置了一個總電流測量電阻24，但也可選擇地不使用它。可以看到，由每個部分電流測量電阻50有一個信號導線52連接到脈沖發送器12上。因此脈沖發送器12從每個LEDs串聯支路接收到一個流過LEDs的電流的信息。這例如在一個串聯支路的一個LED故障的情況下，使通過該串聯支路的電流完全被抑制，并使得由脈沖發送器12維持其余LEDs 4串聯支路的最佳電流。為此脈沖發送器12設有集成的或作為獨立部件設置的求值裝置，例如一個集成電路形式的求值裝置。該集成電路可同時設計成當串聯支路的一個電極故障時，它產生出一個故障信號。該故障信號例如可分級，以便視一個還是多個串聯支路故障而定，改變故障強度。故障信號例如可由安裝人員的例行檢查時被識別。但也可通過例如數據連接輸入到一個監測中心。這種“遠程維護”尤其在交通信號裝置如紅綠燈上能夠顯著地節省持續的維護費用。
應當指出，屬于串聯支路44，46，48的LEDs不一定必須彼此串聯地設置在發光照明側、即發光照明裝置上。而合適的是，一個串聯支路44，46，48的LEDs 4分散地分布在各個LEDs的整體裝置上，以使得一個LED光源的電串聯支路故障不容易被觀察者識別出。
圖3中表示一個根據本發明的光源144的電路圖，它是使用根據本發明的電源裝置的變型構成的。光源144的發光區146由多個單獨的LEDs148構成，它總共設有5個彼此并聯的串聯支路。基本上根據圖3的裝置相應于圖1或2中的相應裝置。相同的標號相應地表示相同的或彼此相應的部件或特征。尤其從左上方可以看到整流電路32，及在右側上可看到線圈6、快速電子開關10、續流二極管8及測量電阻24。脈沖發送器12通過輸出端20將脈沖序列14傳送到快速電子開關10的柵極42，及也表示出反饋輸入端22。在輸出端20與柵極42之間用虛線表示了一個驅動電路150，通過它產生一個大電流，以克服快速電子開關10的輸入電容。同樣用虛線表示了一個運算放大器電路152，它產生實際的反饋信號及輸送到脈沖發送器12上。為斷開電位，也可有利地使用線性的光耦合器取代運算放大電路152。
圖中表示出與用電器、即二極管區146串聯的端子154，它通過一個電壓調節電路158連接到脈沖發送器的電源輸入端156。該電路與圖1或2的電路相比較具有實質的區別。如果使用圖1或2的電路來對發光二極管區146供電則在分壓器的電阻28上的損耗近似等于整個發光二極管區146的電流損耗。雖然整個電路仍具有極好的發光效率。但該極好的效率可這樣地繼續改善，即避免電阻28上的純損耗。在圖3中該問題這樣來解決脈沖發送器12的電源輸入端不是由上電位16連接到用電器146、測量電阻24、線圈6及快速電子開關10的串聯電路上，而是連接在端子154上。在此情況下，電壓調節電路158具有一個去耦電容器160、一個電平箝位二極管162、一個整流二極管64及一個平波電容器166，它們連接在一個電壓調節器IC(集成電路)168的前面。
該電壓調節器IC的輸出端連接到供電電壓母線170上，由該母線通過電源輸入端156對脈沖發送器12供電，但如下所述地，通過它也可例如對運算放大器電路152的運算放大器供電。
運算放大器電路152具有運算放大器172作為主要組成部分。在運算放大器172的輸入線路中具有分壓器174，176。此外一個輸入線路中設有電容器178作為積分或平波電容器178。電容器180也完成類似的任務。另一電容器182用于避免運算放大器172的寄生震蕩。
對于所述的電源裝置2的工作具有多個不同的可能性。一方面可合適地在LEDs 4或用電器輸出端提供盡可能恒定的電流。與此相反的一個極端情況是用電器通過電流脈沖脈動地工作，其中每個脈沖之間的電流回到零值。通過元件的相應選擇可實現兩種工作方式中的每一種。此外其工作也可通過脈沖發送器12、即通過各個脈沖的寬度、脈沖間隔的長度及占空比來選擇。為此可適合地，在用電器輸出端4、線圈6及續流二極管8的電流回路中設置一個附加測量電阻，及在該測量電阻上提取該電流回路中的電流特征量。電壓可再輸送到一個邏輯電路上并相應地控制脈沖發送器12。這種通過用電器輸出端的電流監測具有特殊的優點，即可對用電器輸出一個非常確定的電流，該電流能可靠地保持在一個完全確定的范圍中或完全確定的電平上。因此有些需要非常確定的電流輸入的用電器可很好地及可靠地被供電，這就顯著地提高了這種裝置的工作可靠性及壽命。
通常選擇一種工作方式，其中當閉合開關時用電器中的電流上升到最大值，然后又下降，在達到零值前開關重新打開，及用電器中電流又上升。因此電流基本上以快速電子開關10的頻率波動，以便得到用電器所需工作電流的平均值。
電源裝置2可作為單獨的電網部件設計。但它同樣好地可安裝在電裝置中，例如組合在其殼體中。例如，尤其在鹵素白熾燈或其它燈的情況下它被設置在燈座中。尤其當用電器工作在公用電網上時，適合的是，電源裝置2中組合整流電路32。
權利要求
1.具有LED光源(2)的交通信號裝置，具有輸入端(38，40)，用于連接一個電源；及處于高電位(16)與低電位(18)之間電位上的有多個LEDs(4)，它們被設置在至少兩個并聯的、多個LEDs的串聯支路中；一個線圈(6)，它與所述LEDs(4)串聯連接；一個續流二極管(8)，它與LEDs(4)及線圈(6)并聯連接，及它的導通方向與LEDs(4)的導通方向相反；及一個快速電子開關(10)，它與LEDs(4)、線圈(6)及與所述LEDs(4)及所述線圈(6)并聯的續流二極管(8)串聯地連接；及一個脈沖發送器(12)，它連接在快速電子開關(10)上，及產生使快速電子開關(10)打開及閉合的脈沖，其中，脈沖發送器(12)是一個集成部件形式的脈寬調制器。
2.根據權利要求1的光源(2)，其特征在于脈沖發送器(12)這樣地構成它根據流過LEDs(4)的電流的一個特征量可以對快速電子開關(10)輸出不同的脈沖序列(14)，以便使流過LEDs(4)的平均電流保持在一個恒定的范圍內。
3.根據權利要求2的光源(2)，其特征在于設有一個與快速電子開關(10)、線圈(6)及LEDs(4)相串聯的總電流測量電阻(24)，通過它測量流過LEDs(4)的電流。
4.根據權利要求1至3中一項的光源(2)，其特征在于與多個LEDs(4)的串聯電路的至少一個相串聯地設有至少一個部分電流測量電阻(50)。
5.根據權利要求1至4中一項的光源(2)，其特征在于脈沖發送器(12)連接到高電位(16)及低電位(18)。
6.根據權利要求5的光源(2)，其特征在于在高電位(16)與低電位(18)之間設有一個分壓器，它具有一個與脈沖發送器(12)并聯的穩壓二極管(30)，用于產生基本恒定的對脈沖發送器(12)供電的電壓。
7.根據權利要求1至4中一項的裝置(2)，其特征在于脈沖發送器(12)具有一個電源輸入端(156)，該電源輸入端連接到用電器輸出端(4)和線圈(6)的串聯電路上。
8.根據權利要求7的裝置(2)，其特征在于脈沖發送器(12)的電源輸入端(156)的前面連接有一個電壓調節電路(158)。
9.根據權利要求8的裝置(2)，其特征在于電壓調節電路(158)具有一個去耦電容器(160)。
10.根據權利要求9的裝置(2)，其特征在于電壓調節電路(158)具有一個電壓整流器(164)。
11.根據權利要求10的裝置(2)，其特征在于電壓調節電路(158)具有一個連接在電壓整流器(164)前面的電平箝位二極管(162)。
12.根據權利要求8至11中一項的裝置(2)，其特征在于電壓調節電路(158)具有一個電壓調節器-IC(168)。
13.根據權利要求1至12中一項的光源(2)，其特征在于它用于連接到公共電網及具有一個整流電路(32)，該整流電路的輸出端構成高電位(16)及低電位(18)。
14.根據權利要求1至13中一項的光源(2)，其特征在于脈沖發送器(12)這樣地構成，即脈沖的重復頻率大于130Hz，較好為大于400Hz，優選為大于1KHz，更優選為大于10KHz，及特別優選為大于1MHz。
15.根據權利要求1至14中一項的光源(2)，其特征在于脈沖發送器(12)構造成可被調節的，以致通過脈沖序列(14)的改變可改變光的強度。
16.根據權利要求1至15中一項的光源(2)，其特征在于設置通用的固定燈頭與用于光源的通用固定燈座一起使用。
全文摘要
具有LED光源(2)的交通信號裝置，具有輸入端(38，40)，用于連接一個電源；及處于高電位(16)與低電位(18)之間電位上的有多個LEDs(4)，它們以至少兩個并聯的多個LEDs的串聯支路設置；一個線圈(6)，它與LEDs(4)串聯連接；一個續流二極管(8)，它與LEDs(4)及線圈(6)并聯連接，及它的導通方向與LEDs(4)的導通方向相反；及一個快速電子開關(10)，它與LEDs(4)、線圈(6)及與所述LEDs(4)及所述線圈(6)并聯的續流二極管(8)串聯地連接；以及一個脈沖發送器(12)，它連接在快速電子開關(10)上，及產生使快速電子開關(10)打開及閉合的脈沖，其中脈沖發送器(12)是一個集成部件形式的脈寬調制器。
文檔編號H05B33/08GK1440631SQ01812168
公開日2003年9月3日 申請日期2001年5月25日 優先權日2000年5月25日
發明者埃德蒙·福爾拉特 申請人:莫妮卡·西金爾