Unzählige Lichtsignale regeln in Deutschland wie überall auf der Welt den Verkehr auf Bahnschienen. Bisher funktionieren sie mit Glühlampen, doch die Umstellung auf LED ist in vollem Gange: In etwa 60 Prozent aller heute von Siemens ausgelieferten Lichtsignale leuchten bereits die kleinen Leuchtdioden. Das ist keine Selbstverständlichkeit: „Die Eisenbahn-Fachleute sind aus gutem Grund konservativ, denn nur ausgereifte und erprobte Technik ist für die Eisenbahn geeignet“, erklärt Dirk Zimmermann von der Siemens Division Mobility die lange Einführungszeit gegenüber anderen LED-Anwendungen. Beispielsweise in Ampeln für den Straßenverkehr oder in Scheinwerfern von Autos sind LEDs schon weit verbreitet.

„Das liegt daran, dass die Sicherheitsanforderungen für alles, was den Eisenbahnbereich angeht, extrem hoch sind“, sagt er. Der Experte für Signale bei Siemens Industry Railway Automation hat bereits 1998 das erste Patent für ein Lichtsignal mit LED angemeldet, das erste Produkt kam 2000 auf den Markt.

Die Vorteile der LED bei Eisenbahnsignalen liegen vor allem in der Lebensdauer: „Leuchtdioden überstehen den Einsatz im rauen Bahnumfeld jahrelang ohne Ausfall und   Wartung. Unsere Erfahrungen liegen bereits bei mehr als 10 Jahren Einsatzzeit.“, erklärt Zimmermann. Während dieses Lebenszyklus müssen dagegen Glühlampen häufig ausgetauscht werden, weil ihr Glühfaden durchgebrannt ist. Gleichzeitig sind die kleinen Leuchtwinzlinge im Vergleich zu ihren Vorgängern wahre Energiesparmeister: LED verbrauchen bis zu 80 Prozent weniger Strom. Außerdem zeichnen sich die Leuchtdioden durch eine hervorragende Farbintensität aus, insbesondere bei weißen Signalbegriffen, deren Unterscheidbarkeit von gelben sich mit LED enorm verbessert hat. Sie sind somit aus der Ferne besser zu erkennen. Gute Gründe also, um die Glühlampen durch LED zu ersetzen. „Die Herausforderung lag darin, LED-Signale so zu gestalten, dass sie ohne Aufwand in das ursprünglich für Glühlampen konzipierte verkehrstechnische System integriert werden können. Glühlampen stellen durch ihre sich stark von den LED unterscheidenden elektrischen und optischen Eigenschaften ganz andere Bedingungen“, erklärt Zimmermann. Vor allem musste er eine Lösung dafür finden, dass Leuchtdioden zuverlässig nur dann leuchten, wenn dies erwünscht ist. Denn was eigentlich eine Selbstverständlichkeit ist, wird bei einer LED zum Problem.

Das Kabel, welches oft über mehrere Kilometer die Lichtsignale mit Energie versorgt kann wie eine Antenne wirken und elektrische Fremdenergie quasi aus der Luft „auffangen“.

„Diese Fremdenergie bringt eine Glühlampe nicht zum Leuchten, eine LED hingegen durchaus – und wenn das zum falschen Zeitpunkt passiert, ist es gefährlich“, erläutert Zimmermann das Problem, das er zeitgleich mit einer zweiten Herausforderung zu lösen hatte. So tüftelte er auch an der Umschaltung von Tagbetrieb mit hoher Lichtstärke auf Nachtbetrieb mit geringer Lichtstärke, ohne dass die gesamte Steuerungstechnik der Stellwerke ausgetauscht werden musste.

Die Lösung dieser Probleme ist eine besondere Ansteuerungstechnik für die einzelnen LEDs in einem Lichtsignal. „Zurzeit bauen wir Lichtsignale mit 20, 30 oder 60 LEDs“, erklärt der Signalexperte. Diese können nicht in einer Reihe geschaltet werden, da ansonsten beim Ausfall einer Leuchtdiode die ganze Reihe nicht mehr funktionieren würde und der komplette Signalgeber ausgetauscht werden muss. Dies macht aber den großen Vorteil der LED-Technik – die Langlebigkeit – zunichte. Zimmermann erfand deshalb eine Schaltung, mit der jede LED einzeln angesteuert wird. Diese Ansteuerschaltung kann, ähnlich wie ein Bypass, einen Teil des Stroms abzweigen und damit dafür sorgen, dass die gleichen elektrischen Kennwerte herrschen wie bei einer Glühlampe.

Mit dieser Methode wird sowohl der überflüssige Fremdstrom abgeleitet als auch die Helligkeit der LED gesteuert: Denn mit steigender Betriebsspannung erhöht sich der Spannungsabfall über einen eingebauten Widerstand. Wenn dieser Spannungsabfall die Flussspannung der Diode überschreitet, beginnt sie zu leuchten. Um sie während des Nachtbetriebs schwächer leuchten zu lassen, muss ein Teil des Stroms lediglich über den eingebauten Widerstand fließen, während der andere Teil durch die Leuchtdiode fließt. Wird die Betriebsspannung weiter erhöht, sperrt ein elektronisches Schaltelement diesen „Bypass“ und der gesamte Strom fließt über die LED – sie leuchtet für den Tagbetrieb mit maximaler Helligkeit.

Inzwischen tüfteln Zimmermann und seine Kollegen aus Berlin und Braunschweig bereits an einer neuen Generation von Lichtsignalen, die nur mit wenigen LED ausgestattet sein werden.

Mit dieser neuen Generation an LED Signalgebern sollen dann auch die von den Glühlampen bekannten Ansteuerschaltungen der Vergangenheit angehören. „Die neuen Ansteuerschaltungen können speziell für die Anforderungen der LED ausgelegt werden.“ erklärt er. Erst dann werden wir auch den Vorteil des geringeren Energieverbrauches der LED voll ausnutzen.

Bis aber ein solches neues System die alte Technik komplett ablöst, dauert es noch einige Zeit, denn Stellwerke sind extrem langlebige Komponenten in der Eisenbahntechnik. „In Deutschland sind noch einige Stellwerke in Betrieb, die mehr als hundert Jahre alt sind“, berichtet Zimmermann.

Zur Entwicklung von Eisenbahnsignalen war es für Zimmermann ein weiter Weg. Zunächst hatte er nach dem Abitur in der damaligen DDR den Beruf eines Flugzeugmechanikers gelernt. Anschließend studierte er Informationstechnik an der Hochschule für Verkehrswesen in Dresden und machte dort 1991 seinen Abschluss. „Zu den Studieninhalten gehörte auch Signaltechnik“, begründet Zimmermann seinen Einstieg bei Siemens Rail Automation in Berlin direkt nach seinem Studium. Zunächst arbeitete er dort in der Entwicklungsabteilung. In dieser Zeit entstanden die meisten seiner 26 Erfindungsmeldungen, 93 erteilten Einzelpatente und 25 Schutzrechtsfamilien. Doch auch nach seinem Wechsel 2002 von der Entwicklungsabteilung in das Produktmanagement erfindet der verheiratete Familienvater und Hobby-Saxophonist bis heute Verbesserungen für die Signaltechnik.