Lichttechnik - Ausarbeitung

1. Lichttechnik - Ausarbeitung Thema: Dimmer Vorstellung der verschiedenen Dimmerarten Unterscheidung der verschiedenen Dimmertypen: Triacdimmer, Thyristordimmer, Transistordimmer und Shuttledimmer Eine Ausarbeitung von Helge Kaiser; WS 2001/02

2. Dimmerarten Im Allgemeinen unterscheidet man: • Phasenanschnittsdimmer • Phasenabschnittsdimmer • Amplitudendimmer

3. Dimmerarten • Phasenanschnittsdimmer: ( forward (hard-fired) phase control ) • Elektronische Phasenanschnitts-Dimmer steuern den durch die Lichtquellen gelieferten Effekt dadurch, dass sie den Strom nur in einem bestimmten Teil der Wechselspannungshalbwellen fließen lassen. • Die Phase wird angeschnitten. Das bedeutet, dass nach dem Nulldurchgang für eine einstellbare Dauer kein Strom fließt. • Die elektrischen Schaltelemente, die so etwas ermöglichen, heißen: Thyristoren / Triacs und werden durch Zündimpulse gesteuert.

4. Dimmerarten • Phasenanschnittsdimmer: • Aufgrund der Thyristor- bzw. Triaceigenschaften wird der Strom dann automatisch unterbrochen, wenn er am Ende der Halbwelle graduell auf null abfällt (weshalb das oftmals wichtig ist, wird später erklärt). • Demnach bekommt der Scheinwerfer (z.B. ohmsche Last) nicht mehr einen „schönen“ Sinus zu sehen, sondern nur noch einen „zerhackten“. • Auf diese Art und Weise lässt sich jede Spannung zwischen 0 V und der Eingangsspannung (230 V bei Netzspannung) einstellen.

5. Dimmerarten • Phasenanschnittsdimmer: A t 20 ms Abb.1: Strom-/Spannungsverlauf bei der Phasenanschnittssteuerung [hier z.B. 50% gedimmt]

6. Dimmerarten • Phasenanschnittsdimmer: Abb.2: Blick in das Innere eines 12-Kanal Phasenanschnittsdimmers

7. Dimmerarten • Phasenabschnittsdimmer: ( inverse (reverse) phase control ) • Das Prinzip funktioniert ähnlich wie das des Phasenanschnitts. • Allerdings wird hier der Ausgang beim Nulldurchgang eingeschaltet und beim gewünschten Phasenwinkel wieder abgeschaltet – es wird also genau der andere Teil der Halbwelle genutzt. • Im Gegensatz zu Phasenanschnittsgeräten sind dabei Thyristoren und Triacs nicht verwendbar, weil diese im stromführenden Zustand nicht abgeschaltet werden können. • Man verwendet hier: MOS-FET Transistoren (MOS-Feldeffekt Transistoren).

8. Dimmerarten • Phasenabschnittsdimmer: A t 20 ms Abb.3: Strom-/Spannungsverlauf bei der Phasenabschnittssteuerung [hier z.B. 50% gedimmt]

9. Dimmerarten • Amplitudendimmer: • Im Gegensatz zu den zwei anderen vorgestellten Dimmerarten funktioniert dieser Dimmer nicht indem der Netzspannungs-Sinus „zerhackt“ wird, sondern einfach nur in seiner Amplitude abgesenkt wird. • Auch auf diese Art und Weise kann die lastseitige Spannung zwischen 0 V und 230 V eingestellt werden. • Hierbei handelt es sich ebenfalls um einen durch Transistoren gesteuerten Dimmertyp.

10. Dimmerarten • Amplitudendimmer: A t 20 ms Abb.4: Funktionsprinzip eines Amplitudendimmers; 230 V bei 50 Hz

11. Dimmerarten - Zusammenfassung • Sobald von einem sinusförmigen Spannungsverlauf ein gewisser Teil abgeschnitten wird (egal, ob am Anfang oder am Ende der Phase) entstehen – wie an den Abbildungen gesehen - sehr steile Flanken. In den Abb. waren sie mit grün gekennzeichnet ! • Es kommt zu schlagartigen Spannungs- und Stromsprüngen. • Diese Stromform führt zu den meisten Problemen; • Denn je steiler eine Kurvenform ist, desto mehr hohe Frequenzanteile sind in ihr enthalten (Fourier - Theorie). Jede periodische Schwingung (egal, welche Form sie hat) besteht aus vielen, einzelnen Sinusschwingungen mit verschiedenen Frequenzen und kann genauso in diese zerlegt werden. • Bei einem Dimmer reichen diese Störfrequenzen bis in den UKW-Bereich (Ultra-Kurz-Welle: um 100 MHz) hinein. Sehr stark treten Frequenzen mit der drei- und fünffachen Netzfrequenz auf (Oberschwingungen). • Diese machen sich dann störend in der Tonanlage bemerkbar.

12. Dimmerarten - Zusammenfassung • Es gilt also, die Flankensteilheit zu verringern, um so die hohen Störfrequenzen, die auch rückwirkend ins Versorgungs-netz eingespeist werden, zu minimieren. • Dies wird meistens durch den Einsatz einer Drossel (Spule) erreicht, die in Reihe zur Last geschaltet wird. • Guter Entstörgrad (Flankensteilheit): 300 µs bei 90% Phasen-anschnitt. Je länger diese Filterzeit, umso besser ist der Dimmer. Gebräuchliche Filterzeiten liegen zw.: 70 – 400 µs. Die Abbildung zeigt eine derartige Drossel. In Art, Größe und Aussehen unterscheiden sich die verschiedenen Entstördrosseln erheblich; oftmals werden diese Spulen auch komplett vergossen. Abb.5

13. Dimmerarten - Zusammenfassung Spannungsverlauf ohne Drossel (Phasenanschnitt) bei 50 Hz A t 20 ms Abb.6: Scharf angeschnittener Netzspannungssinus; 230 V bei 50 Hz

14. Dimmerarten - Zusammenfassung Spannungsverlauf mit Drossel (Phasenanschnitt) bei 50 Hz A t 300 μs 20 ms Abb.7: Die Drosselwirkung ist mit rot gekennzeichnet. Der Entstörgrad beträgt: 300 μs

15. Dimmerarten - Zusammenfassung • Neben dem erwünschten Vorteil ergeben sich bei dem Einsatz von Entstördrosseln auch diverse Nachteile: • Es sind sehr schwere Bauteile, die einen Großteil des Gewichts eines Dimmers ausmachen. • Hohe Geräuschentwicklung (Brummen), die nur bis zu einem gewissen Grad dämpfbar ist (auch wenn die Drossel komplett vergossen ist). Die Eigenschwingung des Kernmaterials kann niemals gänzlich unterdrückt werden. • Der Entstörsatz liegt immer in Reihe zum Triac / Thyristor. Somit entstehen hohe Verluste (Spannungsteiler). • Entstörmaßnahmen mit einer Spule bringen einen induktiven Anteil des Stroms.

16. Dimmertypen Im Folgenden soll näher auf die vier verschiedenen Dimmertypen: • Triacdimmer • Thyristordimmer • Transistordimmer • Shuttledimmer …eingegangen werden.

17. Dimmertypen • Vorstellung der verschiedenen Halbleiter: Abb.8: Thyristoren Abb.9: Triac Abb.10: MOS-FET Transistoren

18. Dimmertypen • Der Triacdimmer • Dimmerart: Phasenanschnittsdimmer • Ein Triac ist ein steuerbarer Halbleiterschalter. • Er kann durch einen Impuls (Zündspannung) an der Steuerelektrode eingeschaltet werden und bleibt dann solange eingeschaltet, bis der durchfließende Laststrom auf null (beim Nulldurchgang der Schwingung) abgesunken ist. • Anschließend sperrt er automatisch und „wartet“ auf den nächsten Zündimpuls. • Beim Triac ist die Polarität des Laststromes nicht von Bedeutung, daher kann das Bauelement sehr gut für den Betrieb mit Wechselspannung verwendet werden.

19. Dimmertyp: Triacdimmer • Vorteile: • Kostengünstig ! • Geringe Verlustleistung über dem Halbleiter. • Man benötigt immer nur einen Halbleiter, da er in beide Stromrichtungen zu betreiben ist (Wechselspannung). • Einfache Gateansteuerung (Gleichspannung zum Zünden).

20. Dimmertyp: Triacdimmer • Nachteile: • Ohne Entstörung: ergeben sich hohe Störfrequenzen. • Mit Entstörung: hat man die Probleme, die der Betrieb einer Entstördrossel mit sich bringt (s.o.).

21. Dimmertypen • Thyristordimmer • Dimmerart: Phasenanschnittsdimmer • Ein Thyristor ist ebenfalls ein - durch einen Zündimpuls gesteuerter - Halbleiterschalter. • Im Gegensatz zum Triac lässt sich der Thyristor nur in eine Stromrichtung betreiben; in der anderen Richtung sperrt er. • Daher sind in einem Dimmer immer zwei gegeneinander geschaltete Thyristoren, aber nur ein Triac erforderlich. • Allerdings ist der Thyristor wesentlich unempfindlicher gegen kurzzeitige Überströme.

22. Dimmertyp: Thyristordimmer • Vorteile: • Eine noch geringere Verlustleistung über dem Halbleiter (als beim Triac = *). • Die Stoßstrombelastbarkeit ist höher (*). • Das ist im Kurzschlussfall von Vorteil, da so die Sicherungen träger und damit günstiger dimensioniert werden können.

23. Dimmertyp: Thyristordimmer • Nachteile: • Dieser Dimmertyp ist insgesamt teurer (*). • Er ist komplizierter in der Gateansteuerung, da er mit einer Frequenz angesteuert werden muss. • Dafür benötigt man einen Zündübertrager (Transformator, der 1:1 transformiert), um so eine galvanische Trennung vom Netz zu ermöglichen, was wiederum kostspielig ist. • Thyristoren sind unangenehme Fehlerquellen in einem Dimmer, da sie öfter mal kaputt gehen.

24. Dimmertypen - Zwischenbilanz • Triac- sowie Thyristordimmer: • bieten beide den großen Vorteil, dass mit ihnen auch induktive Lasten gedimmt werden können, • da sie immer automatisch im Stromnulldurchgang abschalten. • Das Problem bei induktiven Lasten: Wenn sie unter Strom von der Spannungsquelle getrennt werden, entstehen extrem hohe Stromimpulse, die ein Viel-faches des Laststroms betragen können. Diese Impulse sind der eigentlichen Stromrichtung entgegengesetzt und können die Geräteelektronik zerstören.

25. Dimmertypen • Transistordimmer diesen Dimmertyp gibt es in verschiedenen Aus- führungen: • als Amplitudensteuerung • als Phasenanschnittssteuerung • als Phasenabschnittssteuerung • als Schaltnetzteil ( Hierbei wird lediglich auf die Vor- und Nachteile eingegangen, da ja die Funktionsprinzipien bereits vorgestellt worden sind.)

26. Dimmertyp: Transistordimmer • Amplitudensteuerung: • Vorteil: • keine Störungen, die zurück ins Netz geleitet werden, da der Sinus in seiner ursprünglichen Form erhalten bleibt.

27. Dimmertyp: Transistordimmer • Amplitudensteuerung: • Nachteile: • extrem hohe Verluste über dem Transistor ! • MOS-FET Transistoren (Steuerspannung: 0…12 V) sind erheblich teurere Bauteile als Triacs / Thyristoren – werden jedoch (z.Zt.) von Jahr zu Jahr billiger. • Geringe Stoßstrombelastbarkeit (wird meist mit elektronischen Sicherungen abgefangen). • Man benötigt immer Gleichrichter, da die Transistoren nicht für Wechselspannung geeignet sind.

28. Dimmertyp: Transistordimmer • Rechenbeispiel für die am Halbleiter abfallende Verlustleistung: Stellt man sich zur Vereinfachung die Schaltung als eine simple Reihenschaltung aus Transistor und Verbraucher vor (mit einem konstanten Widerstand im Kreis), gilt das Spannungsteilergesetz. 230 V, 50 Hz ~ angenommene Werte: 2,3 kW-Scheinwerfer, mit U = R × I folgt: > max. Strom: 10 A > RVerbraucher: 23 Ω Abb.11: Reihenschaltung aus Transistor und Verbraucher

29. Dimmertyp: Transistordimmer • Berechnung der Verlustleistung: Liegt an dem Schaltkreis die konstante Netzspannung an, so misst man im Falle einer 100 prozentigen Dimmung (Lampe aus) die gesamte Spannung am Transistor. Dafür fließt jedoch kein Strom. Gegenteiliges gilt für eine komplett ungedimmte Lampe (Lampe leuchtet mit 100%). Alle Zwischenschritte kann man der Tabelle entnehmen. Abb.12: Tabelle; Verlustleistung

30. Dimmertyp: Transistordimmer Transistor-Verlustleistung Abb.13: Grafik; Verlustleistung Alle Angaben sind mit Vorsicht zu genießen. Die Schaltung wurde grob vereinfacht und soll lediglich einen Eindruck über die existierenden Verluste und deren Größenordnung verschaffen.

31. Dimmertyp: Transistordimmer • Phasenanschnittssteuerung: • Vorteile: • Wesentlich geringere Verluste als bei der Amplitudensteuerung (da kein Spannungsteiler; entweder sperrt der Transistor komplett, oder gar nicht.) – jedoch höher als beim Triac / Thyristor, da Verluste aufgrund des Gleichrichters auftreten. • Viel leichter, da man sich die Drossel sparen kann. Man steuert den Transistor mit einer Flanke, die über die Netzfrequenz getriggert wird, an.

32. Dimmertyp: Transistordimmer • Phasenanschnittssteuerung: • Nachteile: • Induktive Lasten können nur gesteuert werden, wenn man eine präzise Stromerkennung hat. Man benötigt diese, um sicherzustellen, dass im absoluten Stromnulldurchgang abge- schaltet wird (machen Triacs / Thyristoren ganz von selbst). • Dazu bedient man sich einem Stromtrafo, Messwandler, etc., • was wiederum den Preis in die Höhe treibt, da es sich bei diesen Bauteilen um aufwendige Elektronik handelt. • Zudem fordert die Elektronik Leistung. Es erhöhen sich die Verluste, die in Wärme umgewandelt werden und die Verwendung von großen Kühlkörpern unumgänglich machen.

33. Dimmertyp: Transistordimmer • Phasenabschnittssteuerung: • Finden Anwendung bei kleinen Lasten (bis ca. 300 W). • Werden vor allem eingesetzt, wenn als Last ein elektronischer Transformator vorliegt. • Einsatz: zum Großteil im Privatbereich; z.B.: Dimmung von 12 V Halogen-Seilsystemen. Abb.14: Halogen-Seilsystem mit 5 Leuchten à 20 W

34. Dimmertyp: Transistordimmer • Phasenabschnittssteuerung: • Vorteile und Nachteile: • vergleichbar mit denen der anderen Transistordimmern !

35. Dimmertyp: Transistordimmer • Schaltnetzteil: Anwendung: • als Vorschaltgerät bei Hochdruck-Metalldampflampen. • Einsatz z.B. bei „Moving-Lights“ Abb.16: HMI-Vorschaltgerät Abb.15: Moving-Lights

36. Dimmertyp: Transistordimmer • Schaltnetzteil: • Vorteile: • Kein negativer Einfluss auf das Netz, da (nicht so wie bei Phasenan- und Phasenabschnittsgeräten) der Sinus in seiner Form erhalten bleibt. • Es sind in der Zukunft Bestimmungen von Seiten der Stromanbieter (HEW, etc.) denkbar, die verbieten, das Netz derart negativ zu verändern. Dann ist diese Art der Dimmung neben der Amplitudensteuerung (hohe Verluste) die einzige Möglichkeit.

37. Dimmertyp: Transistordimmer • Schaltnetzteil: • Nachteile: • Extrem hoher Schaltungsaufwand – bei relativ geringer Leistung. • Sehr teuer ! • Starke Störungen (sehr hohe Frequenzen). • Höhere Verlustleistung als beim Triac-, Thyristordimmer, jedoch weniger als bei der Amplitudensteuerung. • Sehr schwer !

38. Dimmertypen • Der Shuttledimmer: Abb.17: Shuttledimmer der Firma Broadcast Abb.18: Shuttledimmer beim ORB in Potsdam, Babelsberg

39. Dimmertypen • Der Shuttledimmer(Entwicklung: Firma Broadcast) • Bei diesem Typ erfolgt die Dimmung nicht wie bei herkömmlichen Systemen in einem separaten Raum, sondern direkt am Verbraucher. • Über eine Tragschiene unter der Studiodecke wird der Dimmer mit Direktstrom (U = 230 V) und einem Steuersignal (wahlweise: DMX oder CAN BUS) über Schleifkontakte gespeist.

40. Dimmertyp: Shuttledimmer • Vorteile: • Reduzierung der Brandlast, da der Elektroinstallationsaufwand vom Dimmerraum zum Scheinwerfer entfällt. • Bis zur Leistungsgrenze, die durch den gewählten Leitungsquerschnitt und die Anschlussleistung der Studiobestückung bestimmt wird, ist das System beliebig erweiterbar. • Wenig Störungen, die sich negativ auswirken könnten, aufgrund der sehr kurzen Wege vom Dimmer zum Scheinwerfer.

41. Dimmertyp: Shuttledimmer • Nachteile: • Es handelt sich um einen 1-Kanal-Dimmer; d.h. immer nur für einen Scheinwerfer. Somit benötigt jeder Verbraucher die komplette, aufwendige Elektronik. (Vergleich z.B. mit einem 12-Kanal Dimmer, der 12 Lampen regeln kann.) • Deshalb nicht lukrativ und teuer ! • Hitzeproblem! Die Wärme staut sich direkt unter der Studiodecke. • Geräuschentwicklung im Bühnen-, Zuschauer- oder Studioraum (je nach Einsatzort) und nicht im weit entfernten Dimmerraum.

42. Dimmertyp: Shuttledimmer • Weitere Nachteile: • Schlechte Erreichbarkeit bei Ausfällen. • Probleme bei der Sicherung: In der Schiene fließen Ströme bis zu 100 A ! Deshalb ist im Dimmer eine Sicherung erforderlich, die die Absicherung auf 16 A vornimmt.

43. Zusammenfassung • Der Phasenanschnittsdimmer mit Thyristoren oder Triacs als Schaltelement ist der einfachste und günstigste Dimmer, obwohl er aufwendige Entstörmaßnahmen braucht. • Er wird auch in naher Zukunft der am meisten verwendete Dimmer bleiben. • Neu sind unterdessen einige Phasenabschnittsdimmer auf dem Markt, die im Nulldurchgang einschalten, und mitten in der Halbwelle wieder aus. Als Schaltelemente werden sog. IGBT's verwendet, eine spezielle Form von Bipolar-transistoren. Mit diesen IGBT's kann der Strom auch langsam ausgeschaltet werden, was den Einsatz einer Drossel erübrigt. Leider stehen diesem sehr interessanten Ansatz noch die Kosten und der Aufwand für die Kühlung der IGBT's im Weg.

44. Quellennachweis Folgende Informationsquellen wurden zur Hilfe genommen: • Internet: diverse (Hersteller-) Homepages; z.B.: www.transtechnik.com www.adb.de www.broadcast-service.de www.hcrs.at http://ourworld.compuserve.com/homepages/Eska/diplom1.htm www.raem.ch/knowhow_dimmer.htm www.amptown-lichttechnik.de • Persönliches Gespräch mit Mitarbeitern der Firma: amptown – Lichttechnik, Hamburg. • Literatur: „Lichttechnik“, Norbert Ackermann R. Oldenbourg Verlag Wien München 2001