Achtergrond-informatie professionele lichtregeling

INLEIDING
In dit onderdeel van de Vego-site wordt een uit diverse modulen samengestelde universeel toepasbare belichtings-regeling beschreven, ontworpen volgens professionele normen maar eenvoudig na te bouwen. Het geheel kan zowel gebruikt worden door:

• kleine amateur theatergezelschappen of muziekgroepjes als betaalbaar alternatief voor de zeer dure commerciële systemen;
• fotografen die zich met model- of table-top fotografie bezig houden;
• restaurant- of cafe-houders die hun instelling van sfeerlicht willen voorzien;
• winkeliers die iets speciaals van hun etalage-verlichting willen maken.

DE CONFIGURATIE
Het volledige systeem bestaat uit vijf basis-printen, die willekeurig en naar persoonlijke behoefte met elkaar gecombineerd kunnen worden:

• 3 x 650 W dimmerprint;
• 1 x 3.500 W dimmerprint;
• 8 x 600 W schakelprint;
• 3-kanaals regelprint met masters en cross-fade;
• 3-kanaals expander voor regelprint.

• twee preset-instellingen voor de drie kanalen;
• een cross-fader voor het overschakelen van de ene naar de andere preset-instelling;
• een master-fader;
• drie flash-aanraakschakelaars;
• een algemene black-out schakelaar;
• een gestandaardiseerde regel-karakteristiek van 0 V tot +10 V.

GÉÉN DMX!
Moderne lichtregelinstallaties maken gebruik van de universele DMX-standaard, een digitaal serieel protocol waarmee 512 dimmers of andere apparaten aangestuurd kunnen worden via een doorgeluste stuurkabel. In dit Vego-systeem wordt hiervan géén gebruik gemaakt, omdat de eenvoudige nabouw en de gunstige prijs van het systeem hierdoor verloren zouden gaan. Er wordt gebruik gemaakt van de oude analoge standaard: besturing via een gelijkspanning van 0 V (spot helemaal gedoofd) tot +10 V (spot brandt op vol vermogen).

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

WAAROM GEEN SYSTEEM SAMENGESTELD MET HUIS-, TUIN- EN KEUKEN-DIMMERS?
De bekende huis-, tuin en keuken-dimmers voor inbouw in een installatie-doos zijn in feite levensgevaarlijke apparaatjes, die onmiddellijk verboden zouden moeten worden. Niet alleen gevaarlijk maar ook zeer milieu-onvriendelijk.

• Het gevaar zit hem in de directe koppeling tussen het net en de potentiometer, waarmee men de intensiteit kan instellen. Een klein kortsluitinkje en de knop op de potentiometer staat op een levensgevaarlijke spanning. Vandaar dat aan goede dimmers steeds de eis wordt gesteld van een volledige galvanische scheiding tussen het 230 V net en de bedienings-elementen.
• Het kleine toroide-vormige spoeltje waarmee de meeste goedkope dimmers zijn uitgerust en dat bedoeld is om de hoogfrequente storingen van het fase-aansnij-proces te onderdrukken, zit er in feite hoofdzakelijk voor de show in. De onderdrukkende eigenschappen van zo'n onderdeel zijn verwaarloosbaar. Er zijn door diverse instanties normen gesteld waaraan de ontstoring van fase-aangesneden schakelingen moet voldoen. Deze zijn terecht zeer streng en het voldoen aan deze normen vergt een aantal speciale onderdelen, die vaak meer kosten dan de eigenlijke dimmerschakeling! De Vego-dimmers voldoen aan deze normen.
• Tot slot wordt aan professionele installaties de eis gesteld dat zij aangestuurd kunnen worden door een gelijkspanning. Er bestaat zelfs een soort standaardisatie, die door de meeste fabrikanten wordt opgevolgd. Het volledige regelbereik tussen 0 % en 100 % intensiteit moet worden bestreken door een regelspanning van 0 V tot +10 V.
• Professionele schakelingen voor podiumbelichting zijn bovendien uitgerust met een lineariteits-schakeling, die er voor zorgt dat er een min of meer lineair verband bestaat tussen de grootte van de regelspanning en de intensiteit. Dus: +5 V spanning komt ongeveer overeen met 50 % intensiteit. De 3 kW dimmer uit het beschreven systeem werkt met zo'n lineariserings-schakeling.

OPMERKINGEN
De dimmer-schakelingen zijn geschikt voor het sturen van alle mogelijke soorten lampen die werken volgens het gloeidraadprincipe. Dus zowel normale gloeilampen als de speciale halogeenlampen die in theaterspots worden gebruikt. De dimmers zijn zwaar overgedimensioneerd, zodat zij zonder meer in staat zijn de grote inschakelstromen te leveren, die halogeenspots tijdens het opwarmen van het net afnemen. Bovendien zorgen de uitgebreide ontstoorschakelingen ervoor dat deze piekstromen gedempt worden.
De dimmers kunnen echter niet gebruikt worden voor het regelen van TL- of PL-buizen!
Hoewel de dimmer-schakelingen voorzien zijn van zekeringen, zal bij kortsluiting in de meeste gevallen de triac eerder het loodje leggen dan de zekering.

ONTSTORING
Een dimmer werkt volgens het principe van de fase-aansnij-sturing. Het vermogen van de lamp wordt geregeld door de in serie met de lamp opgenomen elektronische aan/uit-schakelaar, de triac, te ontsteken op een bepaald moment in het verloop van een halve sinus-periode van de 50 Hz netspanning. Als de netspanning met een effectieve waarde van 230 V op de maximale top zit is de waarde gelijk aan 324 V. Een zuiver ohmse verbruiker van 3 kW heeft een inwendige weerstand van 17,63 Ohm. Zou de triac inschakelen op de top van de netspanning dan bedraagt de waarde van de inschakelstroom niet minder dan 18,3 A!
De triac schakelt van sper naar geleiding in enige µs. De stroom gaat dus in dezelfde korte tijd naar zijn maximale waarde en dit verschijnsel veroorzaakt een heleboel hogere harmonischen van de netspanning (lopende tot in de honderden kHz) in de geleiders. Deze wekken een elektromagnetisch veld op en gaan dus als het ware als zend-antenne dienen voor de hogere harmonischen. Deze elektromagnetische golven kunnen de ontvangst van radio, TV en telecommunicatie in de verre omgeving van de dimmer behoorlijk storen. Het komt er dus op aan deze elektromagnetische hoogfrequente golven zo veel mogelijk te onderdrukken en daarvoor staan twee methoden ter beschikking.
Op de eerste plaats kan men laagdoorlaat filters in serie met de lamp en de triac opnemen. Deze vormen een lage impedantie voor de 50 Hz van het net, maar een hoge voor de hoge harmonischen. Deze zullen dus in hoofdzaak over het filter blijven staan en de hoogfrequente stroom neemt af.
Op de tweede plaats kan men er voor zorgen dat de inschakelstroom niet opeens van 0 tot de maximale waarde stijgt. Hoe groter de stijgtijd van een signaal, hoe minder hogere harmonischen het signaal bevat en hoe kleinere hoogfrequente stromen er in de stroomvoerende leidingen zullen vloeien.
Beide methoden worden toegepast in het basis-schema van onderstaande figuur.

Figuur 1: Principe van ontstoring.

De kringen C3/L1 en C4/L2 vormen laagdoorlaat kringen, die ervoor zorgen dat de impedantie van de serieschakeling net-lamp-triac toeneemt naarmate de frequentie van de signalen stijgt. Let op het feit dat er twee LC-kringen aanwezig zijn en niet een, zoals in alle goedkope dimmers het geval is! De enige manier om de stijgtijd van de inschakelstroom te begrenzen is gebruik te maken van spoelen met een grote inductiviteit. Hoewel deze spoelen bestaan zou toepassing van dergelijke onderdelen ook nadelen hebben, zoals bijvoorbeeld ontoelaatbare fase-verschuivingen tussen stroom en spanning. Vandaar dat gebruik wordt gemaakt van zogenaamde verzadigingsspoelen. Deze bestaan uit koperdraad, gewikkeld rond een kern van een speciaal magnetisch materiaal. Bij het inschakelen van de triac (stroom gelijk aan nul) hebben deze spoelen een grote inductiviteit. Naarmate de stroom stijgt zal de magnetische kern in verzadiging komen, waardoor de zelfinductie van de spoel daalt.
Het gebruik van deze speciaal voor dit soort toepassingen ontwikkelde en helaas zeer dure spoelen heeft nog een voordeel. Door het begrenzen van de stijgtijd van de stroom neemt de levensduur van de ook zeer dure halogeenlampen toe. De gloeidraad van een lamp is namelijk spiraalvormig rond een drager gewikkeld. In deze spiraal ontstaat een magnetisch veld, waardoor de wikkelingen gaan trillen. Hoe hoger de stroom, hoe meer trilling en hoe sneller de gloeidraad door metaal-moeheid het zal begeven. Het begrenzen van de piekstroom door toepassen van verzadigde smoorspoelen in triac-schakelingen begrenst de piekstroom en daarmee ook de mechanische agitatie van het filament van de lamp.
Tot nu toe is uitsluitend geschreven over stoorsignalen die ontstaan in de serie-schakeling fase/lamp/triac/nul. Zowel lichtapparatuur als spots zijn echter geaard. Tussen de drie parallel lopende aders (fase, nul en aarde) bestaat een capaciteit en deze heeft tot gevolg dat er asymmetrische stoorstromen gaan lopen tussen de nul en de aarde en tussen de fase en de aarde. Deze stromen kunnen alleen gedempt worden door de capaciteit tussen aarde en fase en tussen aarde en nul gelijk te maken. Men schakelt dus twee identieke condensatoren (C1 en C2 in het schema van de figuur) tussen aarde en nul en tussen aarde en fase. In principe zou men de waarde van deze onderdelen zo groot mogelijk moeten maken. Veiligheidsvoorschriften verbieden dat. Er vloeit door deze onderdelen immers een stroom naar aarde en zou om de een of andere reden de aardleiding van spot of metalen dimmerkast slecht (of niet!) met de aarde verbonden zijn, dan zou er bij het aanraken van het metaal van de spot of de behuizing een gevaarlijke stroom via het lichaam naar de aarde kunnen afvloeien. Vandaar dat de maximaal toegestane waarde van deze condensatoren gelijk is aan 2,2 nF.
De verzadigde smoorspoelen worden slechts door enkele fabrikanten op de markt gebracht. Onderstaande figuur geeft de volledig ingegoten uitvoeringen van de serie RI400 van het Zwitserse fabrikaat Schaffner. Deze zijn verkrijgbaar voor maximale stromen tussen 1,5 A en 35 A.

Figuur 2: Smoorspoelen van Schaffner.

Alle in het ontstoor-netwerk aanwezige condensatoren zijn geschakeld tussen twee punten die ofwel de netspanning altijd voeren, ofwel waartussen onder bepaalde omstandigheden de volledige netspanning kan staan. Het hoeft hopelijk geen nadere toelichting dat men voor deze onderdelen geen standaard MKH-condensatoren kan gebruiken! Een doorslagspanning van minstens 450 V is noodzakelijk en beter nog is het de gemetaliseerde polyester condensatoren van het type MKS4 van WIMA toe te passen. Deze zijn bestand tegen spanningen van 630 V en zijn lucht- en dus ook vochtdicht ingegoten in een onbrandbare kunststofbehuizing.

GALVANISCHE SCHEIDING
Het probleem bediening en regeling volledig galvanisch te scheiden kan opgelost worden volgens het principe van onderstaande figuur. De stuurspanning tussen 0 V en +10 V wordt in een pulsbreedte-modulator omgezet in synchroon met de netspanning verlopende pulsen, waarvan de breedte stijgt naarmate de stuurspanning groter wordt. Deze pulsen worden aangeboden aan de infrarode LED van een optische koppelaar. Het pulserende licht wordt opgevangen door de fotogevoelige transistor van de koppelaar. Deze gaat geleiden gedurende de pulsperiode en deze geleiding wordt omgezet door de triac-sturing in een gate-stroom voor de triac.

Figuur 3: Galvanische scheiding.

Deze schakeling werkt uitstekend en heeft talloze voordelen op de vroeger vaak toegepaste (en nu nog steeds in vele professionele apparatuur terug te vinden!) koppeling via ontsteek-trafo's.
Het nadeel is echter dat de triac-schakeling een voedingsspanning nodig heeft en om de galvanische scheiding te handhaven er dus twee volledig gescheiden voedingen nodig zijn. De bovenste levert de voedingsspanning voor het voeden van de triac-sturing, de onderste levert de voedingsspanningen voor het tot leven brengen van de pulsbreedte-modulator en voor het opwekken van de vrij grote LED-stroom.
Volledig gescheiden voedingen betekent dus ook dat er twee voedings-trafo's noodzakelijk zijn. Weliswaar zou men in principe gebruik kunnen maken van trafo's met volledig gescheiden secundaire wikkelingen, maar deze zijn even zeldzaam als duur. Een zeer goede raad. Zou u zelf met dergelijke schakelingen gaan experimenteren, gebruik dan nooit ofte nimmer een gewone 2 x 12 of 2 x 15 V trafo om twee zogenaamd galvanisch gescheiden spanningen op te wekken. De isolatie tussen de twee secundaire wikkelingen is bij dit soort transformatoren volstrekt onvoldoende en zelfs onbetrouwbaar voor deze specifieke toepassing. Bedenk dat de secundaire wikkeling die de voeding voor de triac levert via dit onderdeel rechtstreeks met het net verbonden is!

GELIJKSPANNINGS-BESTURING
Hoewel er verschillende systemen zijn ontwikkeld om een fase-aansnij-schakeling uit een gelijkspanning te sturen is het in deze Vego-schakelingen toegepaste principe zeer eenvoudig en zeer betrouwbaar. De principiële werking volgt uit het onderstaande blokschema en de even lager gepubliceerde timingdiagrammen.

Figuur 4: Het blokschema.

Uit de netspanning wordt via een transformator (dit kan de voedingstrafo zijn) een puls U_A afgeleid, die optreedt rond de nuldoorgang van de net-sinus. Deze puls wordt gebruikt voor het starten van een zaagtandgenerator, die een zaagtand met negatieve helling genereert. Bij de start van de cyclus is de spanning dus maximaal en deze zal lineair dalen tot nul. De zaagtand is dank zij de pulsen gesynchroniseerd met de halve perioden van de netspanning. Deze zaagtand U_B wordt in een comparator vergeleken met de stuurspanning tussen 0 V en +10 V. Het resultaat is een puls U_C, die positief is als de stuurspanning groter is dan de zaagtandspanning.
De uitgangsspanning van de comparator U_C wordt samen met de allereerste puls U_A aangeboden aan een poort, die er voor zorgt dat de uitgangsspanning U_D positief wordt op het moment dat U_C positief wordt en weer naar nul gaat op het moment dat de puls U_A verschijnt.

Figuur 5: De timingdiagrammen.

De staart wordt als het ware van de pulsen U_C afgeknipt! Vergelijkt men de pulsen U_D met de netspanning U_NET dan valt op dat:
de achterflank van de puls optreedt net voor de nuldoorgang van de netspanning;
de voorflank van de puls ergens in de periode valt en dat 'ergens' wordt bepaald door de grootte van de stuurspanning. Hoe groter de spanning, hoe eerder in de periode de puls ontstaat, hoe kleiner de spanning hoe dichter bij de volgende nuldoorgang de puls verschijnt.
Het zal dus duidelijk zijn dat men met deze puls de triac kan aansturen. Uit de U_TRIAC-grafiek blijkt duidelijk dat hoe breder de puls, hoe minder spanning er over de triac blijft staan en hoe meer spanning er voor de belasting beschikbaar is.
Deze pulsbreedte-modulatie is waarschijnlijk de meest betrouwbare methode om de fase-aansnijding van het wisselspanningsnet te regelen.
Enige voordelen:

• Gedurende de volledige geleidings-periode van de triac wordt er een ontsteek-stroom in de gate gestuurd. De triac kan dus nooit door stoorspanningen onverwacht naar sper schakelen en zal, ook bij zeer kleine belastingen, toch blijven geleiden.
• De gate-stroom valt weg net voordat de sinus door nul gaat. Er bestaat dus absoluut geen gevaar dat de triac gaat 'happen': het per ongeluk in geleiding blijven doordat er op de gate rond de nuldoorgang van de sinus een signaal ontstaat.
• De pulsen kunnen zonder problemen galvanisch gescheiden van de ene naar de andere schakeling worden overgebracht door middel van een optische koppelaar.
• Er moeten al zeer grote stoorpulsen op de netspanning verschijnen alvorens het synchronisatie-systeem in de war raakt.
• De schakeling werkt zelfs goed als de belasting bestaat uit een nachtlampje van 40 W! Dus geen 1 kW spot's achter het podium op de minimale belasting per kanaal te halen!

HET LINEARITEITS-PRINCIPE
Het verband tussen de openingshoek van een triac-schakeling en de hoeveelheid licht van de in serie met de triac opgenomen gloeilamp is alles behalve lineair. De onderstaande grafiek is opgemeten aan een halogeen theaterlamp van 1 kW en daaruit blijkt dat de intensiteit bij kleine openingshoeken minder dan lineair stijgt en bij grote openingshoeken meer dan lineair toeneemt.

Figuur 6: Verloop van de lichtintensiteit.

Dit is vrij logisch, omdat er in den beginne een hoeveelheid vermogen nodig is om de gloeidraad op te warmen tot het punt waarop licht-emissie ontstaat. Boven de 135° zal niet zozeer de intensiteit toenemen, dan wel de spectrale samenstelling van het licht.
De pulsbreedte-modulatie werkt echter met een absoluut lineair verband tussen de grootte van de stuurspanning en de openingshoek van de triac. Als het volledige bereik ligt tussen 0 V en +10 V, dan zal een spanning van +5 V een openingshoek van precies 90° tot gevolg hebben. Een en ander heeft als resultaat dat als men een van de regelpotentiometers voor 1/4 open schuift de intensiteit van de spot ongeveer gelijk is aan 10 % van de maximale intensiteit. In het schuifbereik 3/4 tot 4/4 zal de intensiteit nauwelijks veranderen.
Dit is niet ideaal en vandaar dat het bij zware dimmers zonder meer noodzakelijk is een lineariserings-netwerk in te bouwen dat ervoor zorgt dat er een min of meer lineair verband ontstaat tussen de stand van de schuifpotentiometer en de intensiteit van de spot.
Het meest eenvoudige systeem is ieder kanaal te voorzien van een zogenaamde offset-instelling. Met deze instelpotentiometer kan men een bepaald constant vermogen aan de spot toevoeren dat voldoende is om de gloeidraad tot net voor het licht-emissie punt op te warmen. Dit principe is echter niet ideaal omdat de netspanning alles behalve constant is en het kan voorkomen dat deze een 10-tal volt stijgt. Opeens gaan alle uitgeschakelde spots zacht gloeien!
Bij de 3.000 W dimmerprint wordt een ander systeem gebruikt, de zogenoemde S-compensatie. De zaagtand die wordt gebruikt om de stuurspanning om te zetten in een in breedte gemoduleerde ontsteek-spanning voor de triac wordt omgezet in een spanning zoals getekend in onderstaande figuur. Een stuurspanning van +2,5 V (1/4 schuifbereik potentiometer) komt nu overeen met een openingshoek van ongeveer 65° en uit de vorige grafiek volgt dat dit ongeveer 25 % van de maximale intensiteit oplevert.

Figuur 7: De S-compensatie.

De 3 x 650 W dimmerprint is niet met deze voorziening uitgerust, omdat het probleem van het niet lineaire verband tussen openingshoek en intensiteit alleen speelt bij lampen van 1.000 W en meer.

DIPLESS CROSS-FADE
De regelprint is uitgerust met een cross-fade voorziening, waarmee men soepel van de ene naar de andere voorinstelling kan omschakelen. Nu doet er zich bij deze regeling een moeilijkheid voor die verklaard kan worden aan de hand van de grafieken van onderstaande figuur. Links staan de instellingen van de drie kanalen voor de eerste preset (A), rechts die van de tweede preset (B).

Figuur 8: Dipless cross-fade.

Kanaal 2 moet in beide scènes op dezelfde intensiteit (6) staan. Bij het bedienen van de cross-fade mag het absoluut niet voorkomen dat de intensiteit van deze spot verandert. Vroeger was dat moeilijk te realiseren en vandaar dat de kreet 'dipless cross-fade' is gelanceerd. Bij dipless cross-fade zullen de intensiteiten van de kanalen lineair, dus zonder 'dips' of 'bulten in de karakteristiek' van de ene preset- naar de andere preset-waarde overschakelen.
Het zal wel duidelijk zijn dat de schakelingen van de regelprint aan deze eis voldoen!

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