|
Lichtdimmer zonder hysteresis-verschijnsel |
|
klik hier voor compleet overzicht |
- Maximaal vermogen van 1,2 kW
- Regelbereik aan te passen aan het soort belasting
- Sterk gereduceerde hysteresis, waardoor de regeling van de intensiteit vloeiend verloopt tussen nul en maximum
- Uitgebreide ontstoring
INLEIDING
De meeste goedkope inbouwdimmers hebben een vervelende eigenschap: de hysteresis van de regeling. Als men de regelknop
vanuit de UIT-positie langzaam open draait, zal men vaststellen dat de aangesloten lamp opeens zacht gaat gloeien. Draait men
nadien de knop terug, dan kan men de intensiteit van de lamp wel weer vloeiend tot nul regelen. Deze schoksgewijze aansturing van
een lamp is het logische gevolg van het systeem waarmee dergelijke dimmers werken. Toch kost het slechts één extra
condensator en twéé extra weerstanden om dit hysteresis-effect volledig te onderdrukken. In deze schakeling
worden deze extra onderdelen uiteraard toegepast!
AANPASSEN VAN DE BELASTING
Het tweede voordeel van de uitgebreide schakeling is dat men een van de extra weerstanden door een potentiometer kan vervangen.
Met deze potentiometer is het regelbereik van de dimmer aan te passen aan de belasting. Een lamp met een vermogen van 100 W heeft
een geheel andere licht/vermogen karakteristiek dan een lamp van 40 W. Met de beschreven dimmer kan men het regelbereik zo
instellen dat gelijk welke lamp in de UIT-positie van de regelknop volledig gedoofd is, maar bij de geringste verdraaiïng van de
knop al zachtjes begint te gloeien. Iets dat met de standaard dimmers absoluut onmogelijk is!
HET PRINCIPE VAN EEN TRIAC
Lichtdimmers werken met een triac als basis. Een triac is een elektronische schakelaar, die gesloten wordt als de stroom die men
in de gate stuurt een bepaalde waarde overschrijdt. Op dat moment ontsteekt de triac en het onderdeel blijft in deze houding
volharden, zelfs als de stuurstroom in de gate wegvalt. De enige manier om een ontstoken triac weer te doven is het verlagen van de
triac-stroom tot onder de zogenoemde houdwaarde. Valt de stroom onder deze drempel, dan dooft de triac, de elektronische
schakelaar gaat open. Het onderdeel blijft nu weer in deze houding volharden totdat men opnieuw een stroom in de gate stuurt.
Een tweede belangrijke eigenschap van een triac is dat het onderdeel niet gepoold is. Hetgeen betekent dat het niet uitmaakt
in welke richting de stromen door de halfgeleider vloeien. De gatestroom kan zowel positief als negatief zijn en een ontstoken
triac kan zowel positieve als negatieve stromen geleiden. Dank zij deze eigenschap is een triac een ideaal onderdeel voor het
verbinden van een belasting met de wisselspanning van het net.
PRINCIPE VAN VERMOGENSREGELING
Een lichtdimmer regelt in de praktijk de intensiteit van een lamp. Elektronisch bekeken komt dit neer op het regelen van het
vermogen dat aan de lamp wordt aangeboden. Vermogen is het product van spanning en stroom. Wil men het vermogen regelen dan zou men
dus ofwel de spanning ofwel de stroom kunnen regelen. Lichtdimmers regelen de spanning die aan de lamp wordt aangeboden. Dat gaat
volgens een systeem dat men "fase aansnij sturing" noemt.
In figuur 1 is het principe van fase aansnij sturing aanschouwelijk grafisch voorgesteld. De lamp L1 is in serie met de
triac D1 over de aders van het wisselspanningsnet geschakeld. In de linker grafiek is één periode van de 50 Hz
wisselspanning getekend.
Figuur 1: Principe van de triacsturing.
In de linker Vg-grafiek wordt er, iedere keer dat de netspanning door de nul gaat, een smal spanningspulsje op de gate
gezet. Het gevolg is dat de triac gaat geleiden bij de aanvang van iedere halve periode van het wisselspanningssignaal. De stroom
door de triac is onmiddellijk groter dan de houdwaarde, met als gevolg dat de triac ook na het wegvallen van de gate-puls blijft
geleiden. Bij de eerstvolgende nuldoorgang van de netspanning valt de stroom door de triac onder de houdwaarde. Er is op dat moment
immers geen spanning aanwezig, die voor de stroom zou kunnen zorgen! De triac zou naar sper schakelen, was het niet dat op dit
moment een tweede stuurpuls op de gate wordt aangeboden. Deze puls zorgt ervoor dat de triac blijft geleiden en nadien uiteraard
gedurende de volle tweede halve periode in geleiding blijft. Men kan besluiten dat de triac blijft geleiden en dat de volledige
netspanning over de lamp staat. Dit is in de linker Vl-grafiek getekend.
In de rechter Vg-grafiek worden de gate-pulsen aangeboden op het moment dat de netspanning maximaal positief of
maximaal negatief is. De triac gaat op dat moment geleiden en blijft in deze houding volharden totdat de netspanning door de nul
gaat. Op dat moment valt de stroom door de schakeling weg, de triac schakelt naar sper en blijft in sper tot de volgende
gate-puls verschijnt.
De spanning over de lamp is in de onderste Vl-grafiek getekend. Nu wordt maar de helft van de beschikbare netspanning
aan de lamp aangeboden. Het gevolg is dat de lamp op 1/4 van het maximale vermogen gloeit. Door de spanningsreductie ontstaat
immers ook een stroomreductie en, zoals geschreven, vermogen is gelijk aan spanning maal stroom!
Besluit: bij het principe van fase aansnij sturing wordt niet de grootte van de spanning gereduceerd, maar de tijd dat de spanning
aan de belasting wordt aangeboden. De spanning wordt maar gedurende een bepaalde fasehoek van de volle 360 graden
waaruit één periode bestaat aan de lamp gelegd. Er bestaat een bepaald faseverschil tussen de nuldoorgang van de
netspanning en het moment waarop een spanningspuls aan de gate van de triac wordt aangelegd.
Het enige probleem bij een dergelijke schakeling is een eenvoudig systeem verzinnen, waarmee men deze faseverschuiving tussen
nuldoorgang en gate-puls kan instellen.
FASE-REGELING
Het principe van de fase-regeling wordt toegelicht aan de hand van een eenvoudig voorbeeld. In figuur 2 is een schakeling
getekend, waarbij de serieschakeling van lamp en triac uit een gelijkspanning wordt gevoed. Over de triac is een serieschakeling
van een regelbare weerstand R1 en een condensator C1 opgenomen. Het knooppunt van beide onderdelen gaat naar de gate van de triac.
Figuur 2: De fase-regeling.
Als de schakelaar S1 geopend is, dan is er geen spanning beschikbaar. De condensator is dus volledig ontladen. Sluit men nu
de schakelaar, dan komt de voedingsspanning over de serieschakeling van lamp en triac te staan. De triac is echter
gesperd, zodat de voedingsspanning via de lamp wordt aangeboden aan de serieschakeling van de weerstand R1 en de condensator C1.
De condensator gaat nu langzaam opladen via de weerstand R1. De snelheid, waarmee de condensator oplaadt, is uiteraard afhankelijk
van de waarde van de condensator en van de waarde van de weerstand. Na een bepaalde tijd T is de spanning over de
condensator gestegen tot 0,65 V. Er kan nu een stroom in de gate gaan vloeien. Deze stroom ontsteekt de triac, deze gaat geleiden
en sluit de lamp kort over de voeding. De lamp gaat dus branden.
Maar op dat moment valt de spanning over de serieschakeling van weerstand R1 en condensator C1 weg. De geleidende triac sluit deze
onderdelen immers kort, de condensatorspanning gaat onmiddellijk naar nul.
Er ontstaat een bepaalde vertraging T tussen het moment waarop de spanning aan de schakeling wordt gelegd en het moment waarop de
triac in geleiding wordt gestuurd. Deze vertraging T is in te stellen door het verdraaien van de potentiometer.
In deze schakeling zal deze vertraging zich eenmalig voordoen. Nadat de triac is ontstoken blijft de lamp op vol vermogen banden.
De voedingsspanning blijft immers aanwezig en de stroom door de triac valt nooit onder de houdwaarde. Maar als men de batterij
vervangt door een wisselspanning, verandert deze situatie dramatisch. Dan zal namelijk de voedingsspanning na ieder halve
periode door nul gaan, waardoor de triac gaat doven en het systeem zichzelf in feite reset!
|
Interessante elektronica links Klik hier ... Kattenschrikdraad installatie houdt katten in of uit uw tuin Klik hier ... Boeken voor de elektronicus Klik hier ... Software voor schema tekenen, print ontwerpen en simulatie Klik hier ... Goedkope digitale oscilloscopen, via USB aan te sluiten op uw PC Klik hier ... Goedkope meetapparatuur voor het testen van uw onderdelen Klik hier ... Draadloze elektronica in uw huis Klik hier ... Inbraakalarm van Marmitek en KlikAanKlikUit Klik hier ... Bespaar energie met PowerSafer |
EEN PRAKTISCHE ONTSTEEKSCHAKELING
Een praktisch bruikbare ontsteekschakeling is getekend in figuur 3. In feite is deze schakeling identiek aan deze van de
vorige figuur. Het enige verschil is dat tussen het knooppunt van de weerstand en de condensator en de gate van de triac een diac D2
is opgenomen. Een diac is een speciale diode die in sper blijft tot de spanning over het onderdeel een bepaalde waarde rond de 20
V bereikt. Als de spanning groter wordt slaat het onderdeel door. Een diac is bipolair, hetgeen wil zeggen dat de werking van het
onderdeel onafhankelijk is van de polariteit van de spanning over het onderdeel.
Figuur 3: Triac met diac.
De werking van de schakeling word toegelicht aan de hand van de grafieken. In de bovenste grafiek is het verloop van de
wisselspanning Vn getekend. De tweede grafiek stelt de spanning Vc over de condensator voor. Het blijkt dat er
een bepaalde vertraging aanwezig is tussen het verloop van de netspanning en het verloop van de spanning over de condensator.
Dat is logisch, want de condensator moet opladen tot de netspanning via de weerstanden R1 en R2. En deze weerstanden
zorgen ervoor dat het opladen maar met een beperkte stroom kan. Bij het nulpunt van de grafieken begint de netspanning aan een
positieve halve periode. Op dat moment is de condensatorspanning nog negatief. Het duurt een bepaalde tijd T alvorens ook de
condensatorspanning door nul gaat.
Op het moment t"1 wordt de spanning over de condensator gelijk aan de doorslagspanning van de diac. Op dat
moment is de netspanning gestegen tot haar maximale positieve waarde. De diac gaat geleiden, er vloeit een stroom door het
onderdeel die alleen via de gate van de triac naar de massa kan afvloeien. Op dat moment ontsteekt de triac. De spanning over het
onderdeel valt naar nul, de netspanning komt over de lamp te staan. De condensator kan nu uiteraard niet verder opladen. De
spanning over het onderdeel gaat nu langzaam dalen, want er vloeit een ontlaadstroom door de weerstanden R1 en R2.
Deze situatie blijft ongewijzigd totdat de netspanning door de nul gaat. De stroom door de schakeling valt onder de houdwaarde van de
triac, dit onderdeel dooft en de schakeling heeft zichzelf gereset.
Als de netspanning aan haar negatieve halve periode begint zal de condensator gaan ontladen naar deze negatieve spanning. Maar de
spanning over de condensator is op dit moment nog positief. Het duurt dus alweer een bepaalde tijd T alvorens de
condensatorspanning nul wordt. En het duurt nog langer alvorens de condensator is ontladen tot een spanning van ongeveer -20 V, de
doorslagspanning van de diac. Op dat moment ontsteekt de diac en dus ook de triac voor de tweede keer, maar ook nu met een bepaalde
vertraging ten opzichte van de nuldoorgang van de netspanning.
HET VERSCHIJNSEL HYSTERESIS
Tot nu toe is aangenomen dat het doorslaan van de diac geen gevolgen heeft voor de spanning over de condensator. Dat is echter
wél het geval! Het verschijnsel van de hysteresis wordt grafisch toegelicht aan de hand van de grafieken in figuur 4.
Figuur 4: De hysteresis.
In de bovenste grafiek is de spanning over de condensator getekend als de waarde van de weerstanden R1 + R2 groot is. De condensator
kan dan niet opladen tot de doorslagspanning van de diac. De condensatorspanning verloopt keurig sinusvormig. In de tweede
grafiek is de situatie getekend als men de weerstandswaarde zo ver vermindert dat de condensator net tot de ontsteekspanning van de
diac kan opladen. Dit gebeurt op tijdstip t1. Het ontsteken van de diac heeft tot gevolg dat er een stroom door het onderdeel gaat
vloeien. Deze stroom kan alleen geleverd worden door de condensator. Het gevolg is dat de condensatorspanning opeens iets
gaat zakken. Wat er zou gebeuren als die spanningsdaling zich niet voordeed is gestippeld getekend. Bij de volgende halve periode van
de netspanning zou de condensatorspanning op tijdstip t2 weer gelijk worden aan de ontsteekspanning van de diac. Maar door de
spanningsreductie, als gevolg van de diac-stroom, zal dat tweede moment zich iets vroeger in de tijd voordoen, namelijk op moment t'2.
Wat heeft dit nu tot gevolg voor de lamp? Zonder deze spanningsreductie zou de lamp in de eerste halve periode op
tijdstip t1 ontsteken en in de tweede halve periode op tijdstip t2. Beide tijdstippen zijn even ver verschoven ten opzichte van de
nuldoorgang van de netspanning. In beide halve perioden zou er dus een identieke fase-verschuiving ontstaan tussen de nuldoorgang van
het net en het brandmoment van de lamp. De lamp zou zachtjes gaan opgloeien. Door die plotselinge spanningsval, echter, zal de lamp
in de tweede halve periode eerder gaan branden. De lamp gaat dus in de praktijk niet zachtjes oplichten, maar gaat opeens met een
reeds tamelijk grote intensiteit branden.
Dit verschijnsel noemt men de hysteresis van de dimmer. Zoals iedereen die al eens ooit een inbouwdimmer geïnstalleerd
heeft uit de praktijk weet, vertonen de meeste goedkope lichtdimmers dit effect.
EEN REMEDIE TEGEN HYSTERESIS
Het hysteresis-verschijnsel is op een tamelijk eenvoudige manier te kompenseren. Hoe dat kan is getekend in figuur 5.
Figuur 5: Een van de mogelijke hysteresis-compensaties.
Er zijn nu twee RC-netwerken aanwezig, die door middel van de weerstand R3 met elkaar verbonden zijn. Op het moment dat de spanning over C1 gestegen is tot de doorslagspanning van de diac en de diac stroom uit de condensator gaat halen, zal condensator C2 zijn soortgenoot C1 te hulp komen. De spanningsdaling over C1 wordt snel aangevuld via een stroom die via R3 uit C2 geleverd wordt. Het komt er nu alleen op aan de onderdelen zo te berekenen dat op het kritische moment in de regeling, het moment waarbij de spanning over C1 gelijk wordt aan de doorslagspanning van de diac, de spanning over C2 groot genoeg is om de spanningsreductie over C1 te kompenseren.
HET PRAKTISCH SCHEMA VAN EEN LICHTDIMMER
Het volledig uitgewerkt praktisch schema van de lichtdimmer is getekend in figuur 6.
Het rechter deel van het schema is gelijk aan dat wat reeds besproken werd. Men herkent de twee RC-netwerken. De weerstanden
R4 + R5 en de condensator C4 verzorgen de fase-aansnij-besturing van de triac D1. De weerstand R2 en de condensator C3 vormen het
netwerkje dat via de weerstand R3 de hysteresis van de regeling kompenseert.
Figuur 6: Praktisch schema van een lichtdimmer.
ONTSTORING
De onderdelen die links in het schema zijn opgenomen verzorgen de noodzakelijke onderdrukking van storingen. Het nadeel van fase-
aansnij-besturing is dat de triac van sper naar geleiding wordt gestuurd op het moment dat de spanning over het onderdeel vrij
groot is. Dat overschakelen van sper naar geleiding gaat bij een triac zeer snel. Het gevolg is dat ook de stroom opeens op volle
sterkte door de schakeling gaat vloeien. Nu veroorzaakt deze plotselinge grote stroom harmonischen op de netspanning. Dat zijn
kleine spanningen die frequenties hebben die een veelvoud zijn van de netfrequentie. Deze harmonischen kunnen tot ver in het
MHz-gebied doorlopen! Zonder speciale maatregelen zouden deze harmonische signalen op het net terecht komen. De netbedrading in
huis is een ideale zendantenne voor deze hoogfrequente signalen. Een niet ontstoorde lichtdimmer is dus in feite een hoogfrequent
zender die alle HF-ontvangstapparatuur in de omgeving behoorlijk kan storen!
Aan het ontstoren van een dimmer moet dus de nodige aandacht worden besteed. Dat ontstoren gebeurt door tussen de lamp en de
triac een laagdoorlaatfiltertje op te nemen. Dit filtertje heeft een verwaarloosbare impedantie voor de 50 Hz van het net. Maar
voor de harmonische signalen vormt het filter een soort sperkring.
Dergelijke filters worden steeds samengesteld uit een condensator en een spoel. De condensator staat over de serieschakeling van net
en lamp geschakeld, de spoel staat tussen de lamp en de triac. De spoel heeft een impedantie die stijgt met de frequentie. De
netspanning wordt ongehinderd doorgelaten, de hoge harmonischen worden verzwakt. Een condensator heeft een impedantie die daalt
met de frequentie. Voor de netspanning heeft de condensator een zeer hoge impedantie. Voor de harmonischen vormt de condensator
echter een kortsluiting.
In de meeste eenvoudige dimmers wordt het filtertje uitgevoerd onder de vorm van één spoel en één
condensator. De kans is dan echter groot dat onder bepaalde omstandigheden het LC-filter gaat resoneren. Hierdoor wordt de
werking van de fase-aansnij-sturing verstoord. De lamp kan gaan 'happen', op een vrij willekeurige manier oplichten en weer doven.
Het gevaar van resonantie kan geminimaliseerd worden door de ontstoorcondensator uit te voeren onder de vorm van een T-filter.
De condensator wordt dan vervangen door twee in serie geschakelde condensatoren, waarvan het knooppunt via een kleine weerstand naar
de voedingsspanning gaat. Deze constructie heeft tot gevolg dat de kwaliteitsfactor van het ontstoorfilter wordt gereduceerd. Dat
doet niets af aan de goede onderdrukkings-eigenschappen voor hoge frequenties, maar vermindert de kans op resonantie aanzienlijk!
In de praktische schakeling is het ontstoorfilter uitgevoerd met T-netwerk. De spoel L1 staat tussen de lamp L1 en de triac D1. Het
T-netwerk bestaat uit de condensatoren C1 en C2 en de weerstand R1.
BEDIENING
Tot slot is de schakeling voorzien van een driestanden schakelaar S1. Met deze schakelaar kan men de dimmer uitschakelen
(de lamp hangt dan rechtstreeks aan het net), de dimmer inschakelen of de lamp volledig uitschakelen.
| WEERSTANDEN | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| R1 | 100 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R2 | 68 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R3 | 500 kOhm | instel-pot, liggend, 5 mm raster | R4 | 15 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R5 | 470 kOhm | potentiometer, lin, mono | - | - | - |
| CONDENSATOREN | |||||
| C1 | 47 nF | polyester, 400 V | C2 | 220 nF | polyester, 400 V |
| C3 | 100 nF | polyester, 400 V | C4 | 100 nF | polyester, 400 V |
| HALFGELEIDERS | |||||
| D1 | triac | 600 V, 6 A, TO-220 | D2 | diac | 20 V |
| DIVERSEN | |||||
| Z1 | zekering | 6 A snel | 1 | - | printzekeringhouder |
| 1 | ontstoorspoel | 6 A, toroide | 1 | tuimelschakelaar | 3 standen |
| 1 | koelplaatje | TO-220, 2 cm | - | - | - |
DE BOUW VAN DE SCHAKELING
Voor de lichtdimmer is een klein printje ontworpen, voorgesteld als figuur 7.
Figuur 7: De componentenopstelling.
Maar drie opmerkingen over de bouw.
De triac is ondergebracht in een TO-220 behuizing. Deze heeft drie aansluitingen. De middelste aansluiting is verbonden met de koelvin van de
behuizing. Van deze eigenschap wordt in dit ontwerp gebruik gemaakt. Deze aansluiting wordt afgeknipt want het is de bedoeling dat de koelvin contact
maakt met het koperpatroon van de print. De triac wordt op het koelplaatje bevestigd met behulp van een M3x10 boutje. Tussen de kop van het boutje en
de koelvin van de triac komt een klein metalen contactplaatje. Op de koperzijde van de print wordt een klemringetje en nadien een M3-moertje op
de schroefdraad van het boutje bevestigd. Dit is de enige manier die op lange termijn een goed contact tussen triac en print garandeert.
De tweede opmerking betreft de potentiometer. Een dimmer is rechtstreeks met het net verbonden en dus een potentieel levensgevaarlijke schakeling. Om de
kans op ongelukken zo klein mogelijk te maken moet men een potentiometer gebruiken met een kunststof as.
De derde opmerking betreft de schakelaar. In het prototype werd een miniatuur tuimelschakelaar met drie standen gebruikt. Denk er aan dat deze
schakelaar bestand moet zijn tegen de netspanning van 220 V en dat men een schakelaar met een kunststof handle koopt!
De schakeling kan ingebouwd worden in een klein kastje. Uit veiligheidsoverwegingen gebruikt men uiteraard een kunststof kastje en zet
op de as van de potentiometer een kunststof knop.
HET INSTELLEN OP DE BELASTING
De lichtdimmer kan een vermogen van 1,2 kW verwerken. In de meeste gevallen zal men natuurlijk een veel kleinere belasting op de schakeling
aansluiten. Alvorens het kastje wordt dicht geschroefd moet men de instelpotentiometer R3 afregelen op de belasting. Dat gaat als volgt.
Sluit de belasting aan op de uitgang van de dimmer. Zet de instelpotentiometer R3 in de middenstand en draai de regelpotentiometer R5
volledig in de tegenuurwijzerzin. Sluit de schakeling aan op het net. Als alles goed is zal de lamp zwak gloeien. Verdraai nu de loper van de
instelpotentiometer met een geïsoleerde schroevendraaier tot de lamp net dooft. Door het verdraaien van R5 kan men nu de intensiteit
vloeiend over het volledige bereik regelen.
 |
BELANGRIJKE OPMERKING!
|
EXTRA SERVICE: DOWN-LOADEN VAN HET PRINTONTWERP
U kunt het ontwerpje van de print van deze nabouwschakeling uit onze Internet-site down-loaden. Het ontwerp werd gescand met een resolutie van
300 dpi en staat ter beschikking als TIF-file, LZW-compressie.
Deze file kan in ieder grafisch programma geopend worden en geprint op transparante folie. Gebruik hiervoor bij voorkeur een inkjet-printer!
Druk het ontwerpje af met de afmetingen die hieronder staan vermeld!
Nadien kunt U met dit transparant een stukje foto-gevoelige printplaat belichten.
Klik hier ... en ga terug naar het begin van deze pagina
Klik hier ... en ga terug naar de bouwbeschrijvingen van Vego
Klik hier ... en ga terug naar het hoofd-menu van de Vego-site