Helligkeitssteuerung von Lampen – eine Übersicht
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GELERNT IST GELERNT Helligkeitssteuerung von Lampen – eine Übersicht GEBÄUDETECHNIK Seit vielen Jahren kommt in der elektrischen Beleuchtungstechnik die Helligkeitssteuerung (dimmen – »verdunkeln«) zum Einsatz. Damit kann man bestimmte, individuell gewünschte Beleuchtungsverhältnisse zwischen zwei Extremwerten (ganz hell / dunkel) schaffen. Noch wichtiger ist die Abstimmung von künstlicher Beleuchtung und vorhandenem natürlichen Licht (Tageslicht) bei der Schaffung konstanter und gleichmäßiger Lichtverhältnisse (Beleuchtungsstärke). Neben dem Beleuchtungskomfort spart dies auch Energie ein. Z um Dimmen benutzt man spezielle elektronische Schaltungen. Je nach Lampenart und deren physikalischer Wirkungsweise unterscheidet man zwischen • Normalglühlampen sowie Halogenglühlampen (230 V~; 12 V~), • Leuchtstofflampen (Energiesparlampen) und • LED-Lampen (230 V~; 12 V~). Dimmen, d.h. elektrische Leistungssteuerung erfolgt: • Bei Glüh- und Halogenglühlampen durch Phasenan- bzw. -abschnittsteuerung. • Bei Leuchtstofflampen (LSL) durch Erhöhung der Betriebsfrequenz mittels spezieller EVG (elektronische Vorschaltgeräte). Der Dimmbereich beträgt 10 … 100 %. • Spezielle LSL können auch mit Phasenanschnittdimmern betrieben werden. • Bei LED-Lampen durch »Impulsweiten-Steuerung« bei Betrieb mit einem »Rechteckwechselstrom«. Dafür sind spezielle Dimmer und Betriebsgeräte notwendig. • Spezielle LED-Lampen können auch mit Phasenanschnittdimmern betrieben werden. • Spezielle LSL und LED-Lampen (Ledotron-Lampen) können mit neuartigen Ledotron-Dimmern betrieben werden (siehe hierzu auch den Beitrag in »de« 19.2012, S. 35). Zündimpulse Th1 Obwohl die Ablösung der Glühlampe durch alternative Beleuchtungslösungen ist in Europa beschlossene Sache ist (siehe »de« 15 – 16.2009, S. 40), werden noch einige Jahre Normal- sowie Halogenglühlampen zumindest im privaten Bereich eine große Rolle spielen, und damit auch deren Dimmen. Deshalb im folgenden eine Zusammenfassung der elektrischen Grundlagen: Dimmen von Glüh- und Halogenglühlampen Zur Anwendung kommt die Strom- / Leistungsbeeinflussung im Wechselstromkreis durch die sogenannte Phasenanschnittsteuerung (Bild 1), die eine verlustarme Strom- bzw. Leistungssteuerung erlaubt. Bei jeder Halbwelle der Wechselspannung ist ein Thyristor in Durchlass-, der andere in Sperrrichtung wirksam. Durch Zündimpulse an den Gates, deren zeitliche Lage sich zwischen 0 … 10 ms einstellen lässt, wird jeweils der in Durchlassrichtung gepolte Thyristor durchgesteuert. Damit beginnt Stromfluss gemäß der »Restsinuskurve«. Das Löschen des Stromes erfolgt jeweils im Nulldurchgang der Netzspannung. Je nach zeitlicher Lage des Zündzeitpunktes (Zündwinkel α) kann die jeweilige Stromflussdauer zwischen 0 und Imax= UN / RLα und damit die Helligkeit zwischen 0 und maximal bestimmt werden (Bild 2). Das Aus- und Einschalten der Lampen mit 100Hz Schaltfrequenz nimmt das menschliche Auge nicht wahr. Zur Schaltungsvereinfachung bietet die Industrie das Leistungsbauelement Triac an, das aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Die Erzeugung der Zündimpulse erfolgt durch spezielle Steuerschaltungen. Auswirkung der Lastart Th2 Quelle: Groß UN 230 V~ Bild 1: Phasenanschnittsteuerung / Leistungsteil 76 Je nach Glühlampen-Typ treten unterschiedliche Lastarten auf: • 230 V-Lampen: Hier stellt die Lampe für den Dimmer einen rein ohmschen Widerstand dar. Es genügt eine normale Phasenanschnittsteuerung. Ein derartiger Dimmer weist die Kennzeichnung »R« auf. • 12-V-Halogenlampen mit konventionellem Trafo (Fe-Trafo): Zur Phasenanschnittsteuerung kommt hier eine sogenannte Symmetrieüberwachung hinzu. Sie ist nötig, da durch Baude 1 – 2.2013 GELERNT IST GELERNT Quelle: Baade elementealterung eine unsymmetrische Ansteuerung der Sinuskurve ergesperrt dunkel hell folgen kann. Es bildet sich ein GleichU U leitend strom, der den Trafo zerstören kann. Die Sinusüberwachung sorgt für einen stänt t heller dunkler dig symmetrischen Phasenanschnitt. Es kleiner großer können sowohl 230-V-Lampen als auch Stromflusswinkel Stromflusswinkel 12-V-Lampen über Fe-Trafo, aber auch leitend hell dunkel beide parallel gedimmt werden. Solche U U Dimmer sind mit den Buchstaben »R,L« gesperrt gekennzeichnet. t t dunkler heller • 12-V-Halogenlampen mit »elektronischem Trafo«: Der Eingang dieses »Tragroßer kleiner Stromflusswinkel Stromflusswinkel fos« besteht aus einem Gleichrichter mit »glättendem« Kondensator. Diese SchalBild 2: Helligkeitssteuerung durch Veränderung des Stromflusswinkels: Phasenanschnittsteuerung (oben) und Phasenabschnittsteuerung (unten) tung erfordert eine Leistungssteuerung durch Phasenabschnittssteuerung. Es können sowohl 230-V- Lampen als auch 12 V-Lampen gedimmt werden, aber auch beide parallel. Die Der nichtsinusförmige Strom-, Spannungsabfall-Verlauf lässt Kennzeichnung hier lautet »R,C«. Oberschwingungen entstehen, die nach Möglichkeit nicht ins Darüber hinaus gibt es Universaldimmer, die sich für alle Lastfälle speisende Netz rückwirken sollen. Dies verhindert ein Entstörfilter eignen. Die Elektronik erkennt die Lastart und wählt automatisch mittels Spulen und Kondensatoren. die entsprechende Betriebsart aus. Möglich ist also Betriebsart Solche »Einfachdimmer« werden meist in Kombination mit eiR / L / C sowie Kombination R,L oder R,C , nicht jedoch R,L,C. Uninem Aus-, bzw. Wechselschalter hergestellt und lassen sich somit versaldimmer sind wesentlich teurer als die anderen Varianten, leicht gegen vorhandene Schalter austauschen. Dabei gibt es zwei vereinfachen aber die Lagerhaltung. Die Dimmerkennzeichnung Varianten: Schalten durch Linksdrehen des Dimmknopfes in Rastlautet »R,L,C«. Eine Übersicht zeigt die Tabelle 1. stellung oder Schalten durch Tasten des Dimmknopfes. So ein Standarddimmer ist dank seines einfachen Aufbaus sehr preiswert, lässt sich aber nur von einer Stelle betätigen und Einfache Standard-Dimmerschaltung bietet keine Momentanwert-Helligkeitsspeicherung. Für solche Die Schaltung in Bild 3 zeigt einen manuell einstellbaren »DrehAnforderungen benötigt man einen Komfortdimmer. dimmer« für die Lastart R. V1 ist ein Triac (zwei antiparallel geschaltete Thyristoren mit einem Gateanschluss, »ZweiwegthyrisDer Komfortdimmer tor«), V2 ein Diac (zwei antiparallel geschaltete Thyristordioden). Die Schaltung funktioniert folgendermaßen: Eine Halbwelle der Komfortdimmer (auch »Automatikdimmer«) gibt es als TastSpannung U lädt C1 über R1 und R2 auf, V1 und V2 sind gedimmer mit mechanischem Taster oder mit Berührungssensor sperrt. Bei Erreichen der Schaltspannung des Diac wird dieser niederohmig, der Triac DIMMERARTEN zündet (Zündstrom kurzzeitig aus C1). Damit fließt ein Laststrom von L1 über V1, und Angeschlossene Typ des Hinweise zur Anwendung die Lampe E1 nach N bis zum NulldurchLast Dimmers gang der U-Halbwelle. Der Triac löscht. Mit Dimmer nach dem Phasenanschnittsprinzip für ohmumgekehrter Polarität (2.Halbwelle von U) sche Last, z. B. mit Netzspannung betriebene Glühlädt sich nun C1 wieder auf und die Vorund Halogenglühlampen; nicht geeignet für konventioR nelle Transformatoren und elektronische Konverter gänge wiederholen sich. Mit Stellwiderstand R1 wird die AuflaDimmer nach dem Phasenanschnittsprinzip für degeschwindigkeit von C1 und damit der ohmsche und induktive Last, z. B. mit Netzspannung betriebene Glüh- und Halogenglühlampen und konR,L Zündzeitpunkt des Triac bestimmt. R1 ist ventionelle Transformatoren damit Helligkeitssteller für Lampe E1. Die Dimmer nach dem Phasenabschnittprinzip für ohmzulässige Leistung des Triac bestimmt die sche und kapazitive Last, z. B. mit Netzspannung anschließbare Lampenleistung. Der Triac betriebene Glüh- und Halogenglühlampen und elektroR,C ist auf kleinen Kühlkörper montiert, der die nische Konverter Verlustwärme ableitet. Die Feinsicherung Universaldimmer für beliebige Last, z. B. mit NetzF1 schützt die Schaltung vor Kurzschluss spannung betriebene Glüh- und Halogenglühlampen, Alle konventionelle Transformatoren und elektronische bzw. Überlastung. Dabei sollte kein LichtR,L,C Konverter bogen entstehen, bzw. sollte schnell gelöscht werden. Deshalb enthält die SicheTabelle 1: Je nach Art der Last gibt es verschiedene Ausführungen von Dimmern (R = ohmsche Last, L = induktive Last, C = kapazitive Last) rung F1 eine Quarzsandfüllung. Q1 ist meist als Wechselschalter ausgeführt. www.elektro.net 77 GELERNT IST GELERNT L1 Q1 15 K 500 k F1 R2 R1 C2 V1 77 nF / 250 V~ V2 Quelle: Groß C1 67 n L1 C3 E1 N Bild 3: Manuell einstellbarer Dimmer für die Lastart R (»Touchdimmer«). Die Steuerschaltung realisiert folgende Eigenschaften: Bei kurzer Betätigung ein Ein- / Ausschalten; bei anhaltender Betätigung einen an- und abschwellenden Dimmvorgang mit Stopp- und Startfunktion des momentanen Helligkeitswertes (Helligkeits-Speicherung). Komfortdimmer verfügen über einen Schutz gegen Überlastung durch automatische Rückregelung der Leistung sowie Kurzschlussfestigkeit. Mechanische Tastdimmer erlauben es, eine oder mehrere Taster als Nebenstellen zu nutzen, vergleichbar den Eltako-Schaltungen beim Treppenlicht. Eine weitere Unterscheidung der Dimmer ergibt sich aus der Art der Steuerung / Bedienung: • Direkt manuell: Dreh-, Schiebe-, Tastdimmer • Indirekt manuell / mittels Infrarot- oder Funkfernsteuerung (433 MHz oder 868 MHz) • fremdhelligkeitsgesteuert / mittels Lichtsensor für »Fremdlicht« und Wandlerschaltungen Für die anfangs genannte Balance zwischen Tages- und Kunstlicht zur Schaffung konstanter Beleuchtungswerte ist letztere Variante unbedingte Voraussetzung. Weitere Kennwerte von Dimmern sind: • minimale und maximale Last, z. B. 20 W / 400 W • eigener Leistungsverbrauch / Verlustleistung (kaum Herstellerangaben, nach eigenen Messungen 4 … 8 % der Last) • Funkentstörung nach VDE 0873 Folgende Bauformen gibt es: • Einbaudimmer in UP-Dose, Verteiler • Steckdosendimmer mit Lastanschlussmöglichkeit • Schnurdimmer • Dimmer in Leuchte integriert. AUTOR Dipl.-Ing. Peter Groß, Leipzig 78 de 1 – 2.2013
