ELEKTRONISCHE DIMMUNG

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1 ELEKTRONISCHE DIMMUNG Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Methoden zur Dimmung entwickelt. Dabei ist der Fortschritt gekoppelt mit der gestiegenen Leistungsfähigkeit moderner Halbleiter. Dimmen mit Vorwiderstand Mit Verändern der Spannung oder der Spannungsform kann bei konstantem R ( Leuchtmittel), die Leistung angepasst werden kann. Einmal kann man dafür sorgen dass nur ein proportionaler Anteil der Versorgungsspannung an das Leuchtmittel gelangt. Dies kann z.b. durch einen Vorwiderstand in irgendeiner Form wie z.b. Salzbad oder Drahtwiderstand erfolgen. Die Anliegende Versorgungsspannung teilt sich in der Reihenschaltung auf den Vorwiderstand und auf das Leuchtmittel auf. Durch Variation des Vorwiderstandes wird die Leistung am Leuchtmittel verändert. Nachteil dieser Lösung ist, das sobald das Leuchtmittel gedimmt werden soll, die eingedimmte Leistung als Abwärme im Vorwiderstand verloren geht. Man betrachte das die Abfallende Spannung mit dem Strom der auch durch das Leuchtmittel fließen muss multipliziert wird. Das bedeutet ungeheure große Bauelemente die die Wärmebelastung vertragen, große Räume und große Kühlung für die Stellglieder und erhebliche Energiekosten. Von Vorteil dagegen ist, die Beibehaltung der Sinusform der am Leuchtmittel anliegenden Spannung. Um den großen Nachteil des Verlustes der Leistung beim Dimmen, zu umgehen wurde folgerichtig die Möglichkeit des Schaltens in Betracht genommen. Eine Dimmung mittels Vorwiderstand gehört demnach der Geschichte an.

2 Dimmen mit Schwingungspaketen Methode des Dimmens bei trägen Verbrauchern. Ist ein Schalter offen, liegt die gesamte Versorgungsspannung am Schalter aber es fließt kein Strom. Eine Multiplikation mit 0 hat Null zum Ergebnis, so dass keine Leistung "verbrannt" wird. Bei dieser Regelart schaltet man immer im Nullduchgang mindestens eine vollständige Halbwelle durch um keine Störungen durch Phasenanschnitt zu verursachen. Warum das Schalten innerhalb des Phasenverlaufs (innerhalb dem Spannungsverlaufs ungleich 0) ernstzunehmende Störungen verursacht wird im späteren Kapitel "Anschneiden des Sinus" behandelt. Dies arbeitet für bestimmte Schaltspiele wie z.b. jede zweite Periode einschalten, einwandfrei, jedoch um einen weiten Stellbereich zu erhalten, das heißt von einem leichten glimmen des Scheinwerfers kontinuierlich ansteigend bis zur vollen Leuchtstärke, müssen die Anteile der Pakete von eingeschalteten Perioden über eine große Zeitspanne verteilt werden (Schwingungspaket- oder Vollwellen- Steuerung). Dimmen mit Phasenanschnitt Typischer Dimmvorgang für Induktive Lasten und Halogenleuchtmittel. Es wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die Spannung zugeschaltet und folgt solange dem Spannungsverlauf bis der Strom null wird. So bleibt letztendlich der Dynamik der schnell aufheizenden Wendel des Leuchtmittels Tribut zu zollen, indem man innerhalb einer Periode schaltet. Damit weiterhin die Symmetrie der Spannung vom Positiven zum Negativen gewahrt bleibt, wird pro Halbwelle die Spannung geschaltet.

3 Unser Auge kann ein Flackern mit ca. 25 Hz wahrnehmen. Mit der eben beschriebenen Schaltmethode sind 100 Schaltspiele pro Sekunde verbunden und mit Trägheit von erhitzten Wolframwendeln vollkommen ausreichend um das gedimmte Licht als ein stehendes ruhiges Licht zu empfinden. Da im geschalteten Zustand die Spannung über dem Schalter Null ist, bei dem Strom der zum Leuchtmittel fließt, ergibt sich so die Ideale Verlustleistung von Null. Ist der Schalter offen, liegt zwar die Gesamte Spannung an dem Schalter aber der Strom ist Null. Somit ist auch in dieser Schaltstellung die Verlustleistung Null. Der Phasenanschnittdimmer Englisch: forward (hard-fired) phase control) ist der zurzeit mit Abstand verbreitetste Dimmertyp. Mit dieser Dimmerart können wir unsere Scheinwerfer (R - Last) sowie Niederspannung-Halogenlampen mit konventionellen, drahtgewickelten Transformatoren (L - Last) ordentlich dimmen ohne größere Verlustleistung zu produzieren. Aber in der Praxis ergeben sich durch das Verändern der Sinusform durch das Schalten inmitten des Spannungsverlaufs leider auch Nachteile die im Kapitel "Anschneiden des Sinus" behandelt werden. Dimmen mit Phasen-Abschnittsteuerung So wie man die Spannung nach einer bestimmten Zeit zum Leuchtmittel durchschaltet (Phasenanschnitt), könnte man auch den Spannungsverlauf auch umgekehrt gestalten, dass man bei erreichter Leistung den Stromfluss unterbricht. Dazu wird nachdem die Phase ihren natürlichen Anstieg begonnen hat der Stromfluss beim gewünschten Leistungswert unterbrochen. Die Spannungsphase wird abgeschnitten - Phasenabschnittsteuerung, Englisch: inverse (reverse) phase control). Typischer Dimmvorgang für Kapazitive Lasten wie elektronische Vorschaltgeräte. Die Spannung folgt Ihrem natürlichen Verlauf bis der Strom unterbrochen wird. Diese Technik wurde erst kommerziell interessant als es möglich war einen Leistungshalbleiter der bei Volllast - also bei einem ordentlichen Strom - auch sicher und unter akzeptablen Kosten, in den sperrenden Zustand zu überführen. Siehe dazu weiter unten GTO / IGBT. Bei Kapazitiven Lasten wie übliche elektronische Niederspannungstransformatoren muss das Licht mit Phasenabschnitt gedimmt werden. Denn der Stromfluss am Anfang der Spannungshalbwellen, beginnt genau dann, wenn die Spannung durch 0 geht. Dadurch wird die Entstehung von Stromspitzen an den Kapazitäten, die über dem Netzanschluss und in den Gleichrichtern der elektronischen Transformatoren vorhanden sind, vermieden. Verwendet man gewöhnliche Halogenlampen (R-Last) ist das "sanfte" Heranfahren an die bei der Last benötigte Spannung ebenso von Vorteil. Das Leuchtmittel wird geschont und es entstehen geringere Störstrahlungen. Zusätzlich bietet die Phasenabschnittschaltung die Möglichkeit jederzeit den Stromfluss zu unterbrechen im Falle einer Überlastung bzw. eines Kurzschlusses. Leider sind

4 die hier eingesetzten Schaltertypen von ihrer Natur her sehr empfindlich und werden selbst durch kurzzeitige Überlastungen zerstört. Es müssen deshalb aufwendige Schutzschaltungen integriert werden. Als Lasten können Glühlampen (ohm'sche Lasten) und Leuchten mit EVGs (elektronischen Transformatoren /elektron. Vorschaltgeräten) daher kapazitive Lasten verwendet werden. Werden irrtümlich drahtgewickelte Transformatoren mit Phasenabschnittdimmer gesteuert, ist zu erwartet, dass die resultierenden, induktiven Spannungsspitzen die IGBTs und Schutzbeschaltung der Dimmer - und möglicherweise zusätzlich Leitungsisolationen und Transformatorwicklungen - beschädigen werden. Dimmen mit Phasen- An- und Abschnitt Wenn man nun beider Lösungswege kombiniert, also die Phase anschneidet und anschließend abschneidet, so erhält man ein sehr symmetrisches Signal. Der Vorteil der sich daraus ergibt sind noch geringere Harmonische Störungen, da sich glücklicherweise einige Harmonischen des Phasenanschnitts mit den des Phasenabschnitts auslöschen. Dimmvorgang einer kombinierten Phasenan- und abschnittschaltung. Diese Schaltungsvariante hat sich in der Praxis aus Gründen die unter dem Ansatz " Anschneiden des Sinus" beschrieben werden, nicht durchsetzen können und ist wieder vom Markt verschwunden zumal weder Induktive noch Kapazitive Lasten damit gedimmt werden können. Dazu war die Verlustleistung bei einem 300 µsek langen Schaltbereich zu hoch und ein Generatorbetrieb sehr problematisch. Dimmen mit IPS Hinter IPS verbirgt sich ein Begriff der durch den Hersteller geprägt wurde, ähnlich wie bei Leuchtmitteln ein HMI bzw. MSR als bestimmten Typ einer Entladungslampe charakterisiert wird. Bei IPS wird nun das Prinzip des Phasenan- oder Abschnitt in Kombination angewendet, indem statt des plötzlichen Ein- bzw. Ausschalten, der Schaltvorgang selber, über einen IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) langsam mit einer Rampe vollzogen wird. Dadurch werden steile Stromsprünge und deren Störungen vermieden. Eine Stromglättung mittels Drossel wird überflüssig und durch einfache Parametrierung der Rampenfunktion kann z.b. mittels Schalter zwischen 450 oder 800µsek Spulencharakteristik umgeschaltet werden. Bei dieser Schaltung können je nach gewählter Betriebsart entsprechend der Ausführung für Phasenanschnitt oder abschnitt sowohl induktive wie auch Kapazitive uns selbstverständlich Ohmsche Lasten betrieben werden.

5 IPS: Dimmvorgang einer kombinierten Phasenan- oder abschnittschaltung mit Rampe als Schaltvorgang. Dimmen mit Puls-Breiten-Modulation (kurz PWM Puls Wide Modulation) Wird es aber aus irgendwelchen Gründen notwendig einen Spannungsverlauf wie die Ausgangsspannung selbst, also in Sinusform anzubieten, aber gleichzeitig die Verlustleistung möglichst gering zu halten, so muss die Spannung innerhalb einer Periode extrem oft ein und ausgeschaltet werden. Je breiter diese Spannungs -"Pulse" geschaltet werden, umso mehr kann sich nach einem Filter die Orginalgröße der Eingangsspannung bilden. Werden nur sehr kleine Spannungsnadeln generiert, verflacht der gefilterte Sinusverlauf. Also das Dimmen erfolgt mit der Variation der Breite der Spannungspulse. Man spricht von einer Puls Breiten Modulation bzw. in unserer Branche nennt Dimmer die nach diesem Prinzip arbeiten "Sinusdimmer". Typischer Puls Breiten Spannungsverlauf. Die Gesiebte Spannung entspricht in Ihrem Verlauf weiterhin dem Sinus (sogenannter Sinusdimmer) Man in der Lage die Lastarten R, und L in der Leistung zu steuern. Dazu ist mit dem Sinusverlauf gewährleistet, dass der Stromfluss entsprechend der Sinusform sanft zu und abnimmt. Die Folge ist das eliminieren von Harmonischen Oberwellen was eine Schonung des Leuchtmittels zur Folge hat, da nach den Filter keine großen di/dt Werte auftreten, findet ein Filamentsingen nicht statt und nebenbei wird ein Leistungsfaktor von 1 erreicht. Auch sind die Probleme beim Einsatz von Generatoren zur Stromversorgung gelöst. Text by Herbert Bernstädt