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Funktionsprinzip von Dimmern |
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Geschrieben von Admin
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Sonntag, 5. November 2006 |
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Dimmer dienen zur Helligkeitssteuerung von Lampen in dem sie in der Regel von einem Niederspannungssignal angesteuert dies in eine Helligkeitsänderung bei Netzspannung umsetzen. Aus Kostengründen sind derzeit fast ausschließlich Dimmer mit Triacs (bzw. zwei antiparallel geschaltete Thyristoren) im Einsatz. Halbleiterbauelemente werden als Thyristoren bezeichnet, die mindestens drei pn-Übergänge haben. Und wenn von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand (oder umgekehrt) geschaltet werden kann.
Die Bezeichnung Thyristor ist der Oberbegriff für diese Art von Bauelementen. Anwendung finden sie in der Leistungselektronik für Drehzahl- und Frequenzsteuerung, Gleichrichtung und als Schalter.
In der Steuerungstechnik ist es oft notwendig einem Verbraucher eine gesteuerte Leistung zuzuführen. Die wirtschaftliche Steuerung ist mit einem Thyristor möglich. Ein Triac ist vom Prinzip her eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren. Dadurch ist es möglich beide Halbwellen einer Wechselspannung zu steuern. Weil aber für jeden Thyristor ein eigener Steueranschluss (G1 und G2) vorhanden ist und dadurch der Schaltungsaufwand verhältnismäßig groß ist, wurde ein neues Halbleiterbauelement entwickelt: der Triac.
Neben der Steuerelektrode G hat der Triac zwei Anoden. Die Anode A2 ist direkt mit dem Gehäuse verbunden.
Damit für die beiden Thyristoren ein Steueranschluss ausreicht, sind in dem Triac zwei Zünd- oder Hilfsthyristorenstrecken eingebaut, damit er mit positivem und negativem Steuerimpuls in den niederohmigen Zustand gekippt werden kann.
Dimmer
1. Verwendungszwecke
Dimmer: Steuerung der Helligkeit von Lampen:
* Glühlampen
* Niedervolt Halogenlampen
* Herabsetzen von Leistungen bei „kleinen Wechselstrommotoren“, wie z.B. Ventilatoren ( als Drehzahlregler)
2. Grundsätzliches
Dimmer helfen nur dann Energie zu sparen, wenn sie nicht als dauernden Ersatz für eine Lampe mit geringerer Leistung eingesetzt werden. Sie sollten nur zur gelegentlichen Dämpfung der Helligkeit dienen, wenn die volle Leistung gerade nicht gebraucht wird.
Der Wirkungsgrad von Glühlampen nimmt mit geringerer Temperatur des Glühwendels stark ab. Trotzdem braucht eine gedimmte Glühlampe weniger Strom als die gleiche Glühlampe bei Nennspannung.
Je nach Reglerstellung schaltet ein Dimmerbauteil (Triac) mit 50 Hz Frequenz die angeschlossene Lampe mehr oder weniger oft ein. Da dies 100 mal in der Sekunde geschieht, wird es vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen und das Licht erscheint heller oder dunkler. Dadurch wird aber der Lampe nur soviel Energie zugeführt, wie es der eingestellten Helligkeit entspricht. Moderne Dimmer benötigen selbst jedoch weniger als 1% der gesteuerten Leistung für ihren Betrieb. Alle Dimmer geben konstruktionsbedingt etwa 95% der Eingangsspannung an die Lampe weiter. Daraus resultiert eine Erhöhung der Lampenlebensdauer ( -5% Spannung bis zu doppelte Lampenlebensdauer). Jedoch bei Halogenlampen nimmt bei dauernden Betrieb mit mittlerer Leistung die Lebensdauer stark ab. Das liegt daran, daß vom Glühwendel Material verdampft, die Temperatur der Halogengasfüllung und des Glaskolbens der Lampe aber noch nicht ausreicht, um das verdampfte Metall wieder am Glühdraht niederzuschlagen. Statt dessen schlägt es sich am Glaskolben nieder. Dadurch wird der Glühwendel irgendwann ( früher als normal) an einer Stelle so dünn, daß er überhitzt und durchbrennt.
Dimmer für Glühbirnen und Dimmer für gewickelte Transformatoren verwenden das Prinzip der Phasenanschnittssteuerung.
Spannungsverlauf am Lastwiderstand:
3. Vorteile der Phasenanschnittssteuerung(mit Diac u. Triac)
* einfachste,
* billigste Dimmer!
4. Nachteile der Phasenanschnittssteuerung
* benötigt aufwendige Entstörmaßnahmen (vollkommene Entstörung nicht möglich)
* Entstörmaßnahmen mit einer Spule erhöht das Gewicht
* Entstörmaßnahmen mit einer Spule bringt induktiven Anteil des Stroms
* Bei Entstörmaßnahmen mit einer Spule muß der Halbleiterschalter gegen Überspannungen (Induktionsspannung) geschützt werden.
* Auf der Netzseite des Dimmers können hohe Einschaltimpulse des Stromes
* Hochfrequenz Signale erzeugen, die bis in den UKW Bereich der Hi-Fi Anlage hörbar sind.( Nach Fourier- Theorie: Besagt, daß es nur sinusförmige Schwingungen gibt. Wenn sie nicht sinusförmig aussieht, dann ist sie durch viele Oberwellen mit verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt.)
5. Zum Verständnis
Die Aufladekurve eines Kondensators:
Der Kondensator lädt sich nach der e-Funktion auf. Bei einem Dimmer bis ca. 30V (Bis der Diac niederohmig wird und durchschaltet).
6. Die Phasenanschnittsdimmerschaltung
Vorsicht! Schaltung besitzt Mängel ( Dient als Verständnisschaltung!)
Die Arbeitsweise einer Dimmerschaltung wird in diesem Schaubild verdeutlicht.
Am besten betrachtet man die beiden Halbwellen der Sinuskurve getrennt um ein besseres Verständnis der Schaltung zu erlangen. Um die Schaltung in Betrieb zu versetzen muß natürlich erstmal der Schalter S betätigt werden (beim Dimmer meist durch Druck).
Als erstes fange ich mit der positven Halbwelle an. Diese beginnt ihren Weg in die Schaltung über R1 und R2(zu beachten ist das L1 und C2 nur zur Entstörung dienen und mit der Funktion nichts zu tun haben). Die positive Halbwelle gelangt bis zu C1 und dem Triac. Der Triac ist noch in einem hochohmigen Zustand und läßt die Halbwelle erstmal noch nicht durch. C1 ist mit R1 und R2 in Reihe geschaltet und hat noch einen Abgang zu dem Diac. R1 dient als Grundlast um eine gewisse Grundhelligkeit einzustellen. Mit R2 kann man nachher die Helligkeit der Lampe einstellen (Drehen am Dimmerrad). Doch jetzt dient R2 dazu um die Geschwindigkeit festzulegen, in der sich der Kondensator C1 auflädt.
Hierzu gilt folgende Rechnung: τ = ( R1 + R2) * C1
Je größer die Zeitkonstante ist desto langsamer wird der Kondensator C1 geladen. Hat sich der Kondensator jetzt auf etwa + 30 Volt ( wegen positiver Halbwelle) zündet der Diac durch und wird niederohmig. Hierbei gelangt jetzt eine Spannung auf den Gate des Triacs und er zündet ebenfalls. Jetzt ist der Triac niederohmig und läßt eine Spannung zur Last durch und ein Strom kann fließen. Das ganze läuft jedoch nur solange ab bis die Spannung der Halbwelle zu gering ist und der Triac wieder hochohmig wird.
Jetzt kommt der Zeitpunkt der negativen Halbwelle. Der Kondensator lädt sich bis -30 Volt auf. Der Diac zündet, eine Spannung kommt auf den Gate des Triacs, er zündet und ein negativer Strom der Last kann fliesen.
7. Das Problem der Schaltung
Wenn man nur den ersten Teil einer Halbwelle, also vom Null bis zum Spitzenwert betrachtet, ist die Schaltung so in Ordnung. Doch wird die Zeit jetzt durch das Potentiometer so lang eingestellt, daß der Kondensator erst im zweiten Teil der Halbwelle den Diac zündet soll, treten Probleme auf. Die Spannung des Kondensators könnte nicht mehr ausreichen um den Diac zu zünden (Lampe bleibt aus). Darum schaltet man noch einen Kondensator C1 mit einem Widerstand R3 dazu. Der Kondensator C3 wird fast ohne Beeinflussung (nur durch R1-dadurch ziemlich schnell). Der Kondensator C1 wird über R1, R2 ( eingestellter Wert) und R3 geladen. Reicht die Ladung (Spannung) des C1 jetzt nicht mehr aus um den Diac zu zünden, weil zu groß ist, dann läd der Kondensator C3 den Kondensator C1 weiter auf. Dadurch kann der Diac jetzt sicher gezündet werden.
8. Andere Möglichkeiten
Phasenabschnittssteuerung:
Vorteil: Hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl
Nachteil: GTO- Thyristor muß verwendet werden(Preis, Aufwand)
Nullspannungsschalter:
Schwingungspacketsteuerung:
Vorteil: Keine Störungen
Nachteil: Aufwand und Preis Quelle: www.elektronik-kompendium.de
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Letzte Aktualisierung ( Sonntag, 5. November 2006 )
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