Die Regler aus dem letzten Kapitel haben den Nachteil, dass der Wirkungsgrad, je nach Spannungsdifferenz, sehr schlecht sein kann. Sollen Spannungen bei hohen Leistungen geregelt oder gesteuert werden, müsste auch der Regler eine sehr hohe Verlustleistung verheizen. Dies ist nicht nur sehr unwirtschaftlich sondern bringt auch erhebliche Probleme bei der Entsorgung der Verlustwärme mit sich. Wenn am Eingang eines Gerätes eine Wechselspannung zur Verfügung steht, gibt es einfache aber trotzdem effektivere Verfahren, die Ausgangsspannung zu verändern.
Bei der Steuerung von ohmschen Lasten, wie z. B. Glühbirnen und Heizungen, kann man die Eingangsspannung einfach zeitweise unterbrechen. Die Effektivspannung an der Last ergibt sich dann aus der Einschaltdauer des Schalters und natürlich auch der Eingangsspannung. Bei Heizungen ist das relativ einfach, weil diese sehr träge sind und man sehr langsame Schalter, z. B. Relais verwenden kann. Bei Glühlampen ist das etwas schwieriger, weil diese meistens für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden und das menschlische Auge sehr empfindlich auf Helligkeitsschwankungen reagiert. Um ein flimmerfreies Licht zu gewährleisten, darf die Flimmerfrequenz nicht unter 100 Hz sinken. Deshalb muss die Spannung inerhalb jeder Sinushalbwelle in gleicher Weise unterbrochen werden. Derart schnelle Schaltvorgänge sind nur mit Halbleitern möglich. Die ersten Halbleiter, die in der Lage waren hohe Ströme und Spannungen zu schalten waren Thyristoren und später Triacs. Ein wesentlicher Nachteil dieser Bauteile besteht aber darin, dass sie nicht mehr in der Lage sind, den Strom, wenn er einmal eingeschaltet wurde, wieder zu unterbrechen. Beim Betrieb am 50-Hz-Netz ist das aber kein Problem, da der Strom 100 mal pro Sekunde auf null zurückgeht und so der Thyristor bzw. Triac genügend Zeit hat, sich zu erholen und wieder zu sperren. Wenn also der Schalter einmal pro Halbwelle „gezündet“ wird und bis zum nächsten Nulldurchgang durchgeschaltet bleibt, lässt sich theoretisch die Effektivspannung am Verbraucher durch die Wahl des Zündzeitpunktes kontinuierlich von 0 bis 100 % einstellen.
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Bild 4.1a: Einfacher Dimmer | Bild 4.1b: Dimmer (fast) ohne Hysterese |
Bild 4.1a zeigt die einfachste Form eines Dimmers mit Phasenanschnittsteuerung. Hier kommen gleich zwei besondere Bauteile zum Einsatz:
Leider gibt es bei der einfachen Schaltung aus Bild 4.1a einen störenden Hystereseeffekt: Wenn man das Poti vom Anschlag langsam in Richtung höherer Leitung dreht, setzt der Dimmer plötzlich mit beträchtlicher Leistung ein. Danach kann man die Leistung wieder zurückdrehen. Das liegt daran, dass sich der Kondensator mit wechselnder Polarität auflädt. Ist das Poti noch sehr hochohmig, wird die Zündspannung des Diac nie erreicht. Wird das Poti jedoch so niederohmig, dass sie gerade erreicht wird, zündet der Diac und entlädt C2 um ca. 10 Volt. Dadurch wird C2 beim Umpolen der Spannung schneller entladen und erreicht die Zündspannung des Diac in der nächsten Halbwelle viel früher. Der Dimmer setzt also mit erhöhter Anfangsleistung ein und lässt sich dann kontinuierlich wieder auf fast null zurückdrehen. Sobald jedoch die periodische Zündung aussetzt, muss der Dimmer wieder bis zur Startstellung hochgedreht werden.
Bild 4.1b zeigt, wie sich diese Hysterese weitgehend unterdrücken lässt. Dazu wird der Zündkondensator C2 über R2 von dem Zeitglied C3-R1-P entkoppelt. Bei der Zündung des Triac wird nur C2 entladen. Der viel größere C3 behält seine Ladung weitgehend und der Zündzeitpunkt der nächsten Halbwelle verfrüht sich nicht mehr so wesentlich.
Ein Vorteil des Dimmers besteht darin, dass er zweipolig ist und deshalb ohne Änderung der vorhandenen Installation z. B. einen Lichtschalter ersetzen kann.
Obwohl sich mit dem Dimmer auf sehr einfache Weise die Leistung großer Verbraucher regulieren lässt gibt es auch einen Nachteil. Durch den steilen Stromanstieg beim Zünden des Triac wird das Leitungsnetz sehr stark mit Oberwellen verseucht. Die höherfrequenten Anteile werden mit dem Filterglied L und C1 gedämpft. Die niederfrequenteren Anteile werden jedoch direkt ins Leitungsnetz eingekoppelt. Das ist besonders dann kritisch, wenn z. B. Bühnen beschallt und beleuchtet werden sollen. Die vom Dimmer verursachten Oberwellen sind nämlich im hörbaren Bereich und finden sich wegen der Störungseinkopplungen häufig auf den Audiosignalen der Beschallungstechnik wieder.
Eine wichtige Frage, die immer wieder im Zusammenhang mit Dimmern auftaucht, ist die:
Welche Geräte lassen sich überhaupt mit einem einfachen Dimmer regulieren?
Da fallen mir eigentlich nur zwei Hauptanwendungen ein:
Universalmotoren lassen sich mit Phasenanschnittsteuerungen sogar noch besser regeln. Die große Eigeninduktivität der Spulen wirkt sich günstig auf das Störverhalten aus, da der Stromanstieg wesentlich langsamer ist.
Netztrafos dürfen dagegen keinesfalls primärseitig mit einem so einfachen Dimmer gedimmt werden. Hier kann es, vor allem im Leerlauf oder bei nicht-ohmscher Last, wegen der Phasenverschiebung des Stromes zu unkontrollierten Verschiebungen des Zündzeitpunktes kommen. Wie ich ja bereits in Kapitel 1.6 schrieb, kann ein ungünstiger Einschaltzeitpunkt, insbesondere am Anfang einer Halbwelle, den Kern eines Netztrafos in die Sättigung bringen. Da sich das bei ungünstiger Einstellung des Dimmers permanent wiederholt, kann der Trafo, trotz geringer Sekundärlast, leicht überlastet werden. Abhilfe schaffen hier modernere Dimmer mit eingebauter Schutzfunktion.
Auch ohmsche Lasten mit großer Leistung sollten wegen der Oberwellenverseuchung des Netzes nicht mit einem Dimmer reguliert werden. In der Regel handelt es sich dabei um Heizungen mit relativ großer thermischer Zeitkonstante. Hier ist es wesentlich günstiger, die Last mit einem Nullspannungsschalter im Spannungsnulldurchgang einzuschalten und für mehrere Sekunden voll am Netz zu belassen, bevor sie wieder für mehrere Sekunden abgeschaltet wird. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit wird dadurch minimal und die Oberwellenbelastung des Netzes entsprechend gering.
Asynchronmotoren lassen sich ebenfalls nicht mit einem einfachen Dimmer steuern. Da die Frequenz des Drehfeldes konstant bleibt, verursacht der große Schlupf bei kleinen Motordrehzahlen u. U. ebenfalls eine Überlastung des Motors. Eine vernünftige Drehzahlsteuerung oder Regelung bei Asynchronmotoren ist nur mit einem Frequenzumrichter möglich.
Für Leuchtstoff- bzw. Energiesparlampen werden ebenfalls spezielle Dimmer benötigt. Das Problem bei diesen Lampen besteht darin, dass sie in jeder Halbwelle neu zünden müssen. Das funktioniert aber nur bei voller Leistung einwandfrei. Mit einem einfachen Dimmer kann die periodische Zündung zeitweise aussetzen und die Lampe beginnt stark zu flackern. Dimmer für Leuchtstoff- und Energiesparlampen müssen mit einer speziellen Zündhilfe ausgestattet werden. Die Zündung kann mit einem Hochspannungsimpuls aus einer Zündspule oder durch eine Außenelektrode an der Röhre erfolgen.
Auch Gleichspannungsregler lassen sich mit einer Phasenanschnittsteuerung realisieren. Im einfachsten Fall wird die Diode des Einweggleichrichters durch einen Thyristor ersetzt. Während eine Diode automatisch im Bereich des Scheitelwertes durchschaltet und den Siebelko etwa auf den Scheitelwert der Wechselspannung auflädt, wird der Thyristor zeitlich erst hinter dem Spannungsmaximum gezündet, sodass sich der Siebelko nur auf eine geringere Spannung auflädt. Durch Variation des Zündzeitpunktes lässt sich die Spannung regeln. Diese Technik wurde z. B. in den 70-er Jahren in Netzteilen von Farbfernsehgeräten eingesetzt. Wie ich bereits in Kapitel 2.2 erwähnt habe, ist die Verwendung von Einweggleichrichtern bei höheren Leistungen problematisch. Deswegen werden Einweggleichrichter zur Gleichrichtung von 50-Hz-Wechselspannung mit höherer Leistung heutzutage nicht mehr eingesetzt.
Eine Alternative wäre ein Brückengleichrichter, bei dem die beiden Dioden im positiven Zweig durch je einen Thyristor ersetzt werden. Das Regelungsprinzip wäre das gleiche wie beim Einweggleichrichter, nur dass beide Halbwellen verwendet werden. Solche Regler wurden tatsächlich eingesetzt, um die Verlustleistung der nachfolgenden Linearregler zu minimieren. Allerdings ist mit diesem Regelungsprinzip wieder eine erhebliche Oberwellenverseuchung und Blindstrombelastung des Versorgungsnetzes verbunden. Inzwischen sind sie jedoch durch moderne Schaltregler technisch überholt. Deshalb will ich auch nicht mehr näher darauf eingehen.
Oft ist es notwendig, in netzbetriebenen Schaltungen eine Hilfsspannung zu erzeugen, mit der die Steuerelektronik versorgt werden soll. Bei Strömen unter ca. 50 mA lohnt sich weder der Einsatz eines Netztrafos noch der eines Schaltreglers. Ein ohmscher Vorwiderstand würde zu viel Verlustleistung produzieren und ein Blind-Vorwiderstand mit einem Kondensator wäre womöglich zu groß und/oder zu teuer. Auch in diesem Fall kann ein elektronischer Schalter helfen, der die gleichgerichtete Netzspannung immer nur kurz vor und kurz hinter dem Nulldurchgang kurzzeitig einschaltet, und zwar genau dann, wenn die Netzspannung gerade ein paar Volt über der zu erzeugenden Kleinspannung liegt. Die entstehenden Spannungsabfälle zwischen Netzspannung und Kleinspannung sind dann sehr klein und die Verlustleistung entsprechend gering. Bei Strömen über 50 mA sollte diese Methode nicht mehr angewandt werden, da sie, in noch stärkerem Maße als ein Dimmer, eine hohe Effektivstrom- und Oberwellenbelastung für das Leitungsnetz darstellt. Idealerweise sollte die Stromaufnahme der Kleinspannung gering gegenüber der Hauptlast am Netz sein.
Das Bild 4.3 zeigt ein einfaches Beispiel einer mit 230 V Netzspannung betriebenen +15-V-Hilfsspannungsquelle. Die Netzspannung wird zunächst mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet, bevor sie auf die Hautlast, z. B. ein Schaltnetzteil, gelangt. Der obere Brückenzweig des Gleichrichters wird nochmal mit zwei Dioden (BA159) nachgebildet, sodass die ungesiebte Netzspannung an R1 und R3 anliegt. Dieser Umstand ist nötig, weil nicht sichergestellt ist, dass die Spannung an der Hauptlast immer bis auf null zurückgeht, z. B. wenn ein Siebelko angeschlossen ist.
Sobald die Netzspannung ca. 5 V über der Ausgangsspannung liegt, bekommt T2 über R1 und R2 eine ausreichend hohe Gatespannung, um durchzuschalten. Über R3 fließt dann ein Ladestrom auf den Elko C1. Sobald die Spannungsdifferenz zwischen Netz- und Ausgangsspannung 16 Volt überschreitet, beginnt ZD1 zu leiten. Bei etwas über 20 Volt beginnt dann auch T1 zu leiten und schaltet die Gatespanung von T2 ab, sodass dieser wieder sperrt. Die Schaltung verhält sich ähnlich einer Konstantstromquelle und lädt den Elko C1 solange auf, bis die Spannung durch ZD2 begrenzt wird. Mit den angegebenen Werten beträgt der maximale Ausgangsstrom ca. 20 mA. Er lässt sich am einfachsten über R3 einstellen. ZD1 bestimmt die Länge des „Phasenstückchens“, das T2 durchschaltet. Ggf. muss ZD2 etwas kräftiger dimensioniert werden, da sie bei fehlender Ausgangslast den maximalen Ausgangsstrom aufnehmen muss. Eventuell muss auch der Elko C1 größer gewählt werden.
Da an R1 praktisch die volle Netzspannung anliegt, ist es sinnvoll, entweder einen höher belastbaren Typ zu nehmen oder zwei 47-k-Widerstände in Serie zu schalten. Sonst könnte es passieren, dass R1 nach längerem Betrieb hochohmig wird und ausfällt.
Grundsätzlich ist bei dieser Schaltung zu beachten, dass sie nur bei sinusförmiger oder ähnlicher Kurvenform der Netzspannung richtig funktioniert. Bei rechteckförmigen Spannungen, wie sie von manchen Wechselrichtern geliefert werden, ist eine Funktion nicht möglich.