Диммеры как регуляторы мощности

Привет, Вы узнаете о том , что такое диммер, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое диммер , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.

Ди́ммер (от англ. dim «затемнять»), также светорегулятор — электронное устройство, предназначенное для изменения электрической мощности (регулятор мощности). Обычно используется для регулировки яркости света, излучаемого лампами накаливания или светодиодами.

Простейший диммер представляет собой переменный резистор (например, реостат), но на таком регуляторе выделяется чересчур большая мощность, сравнимая на малых уровнях яркости с мощностью нагрузки, что обусловливает низкий КПД и сильный нагрев устройства. Роль диммера может выполнять автотрансформатор. Автотрансформаторы по сравнению с симисторными и тиристорными диммерами имеют бо́льшие габариты и вес, требуют приложения бо́льших механических усилий для управления и до́роги, но выдают неискаженный синусоидальный (или весьма близкий к нему) выходной сигнал частотой 50 или 60 Гц во всем диапазоне регулируемого напряжения без привнесения помех переключения.

Наиболее компактными и экономичными считаются электронные диммеры. Во всех современных электронных диммерах в качестве силового элемента используется полупроводниковый симисторный или транзисторный ключ. Важно помнить, что большинство электронных диммеров выдает на выходе не синусоидальный сигнал, а отсеченные электронным ключом участки синусоиды. Подключать к таким диммерам устройства, требующие питания от тока с низким коэффициентом гармоник (в том числе электродвигатели, индукционные трансформаторы для галогенных ламп и т. д.), нельзя: это может привести к выходу из строя устройства вследствие перегрева обмотки. Также дешевые электронные диммеры, не снабженные специальным фильтром, могут генерировать сильные электромагнитные помехи.

Первые диммеры имели механический способ управления и могли выполнять только одну функцию — изменяли яркость светильника. Современные многофункциональные светорегуляторы оснащены микроконтроллером и имеют расширенный набор функций:

• управление яркостью света;
• автоматическое отключение;
• имитация присутствия человека;
• плавное включение и отключение света;
• различные режимы затемнения и мигания (flash «искрящийся», strobe «регулярно импульсный», fade «затухающий», smooth «приглушенный»);
• дистанционное управление (по инфракрасному каналу, радиоканалу, акустическое [хлопок, шум с уровнем выше установленного] или голосовыми командами).

Диммеры бывают сигнальными, например, диммеры с выходным интерфейсом 0-10V . Такие диммеры подают команды на внешние контроллеры, электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) и другие устройства, которые в свою очередь производят регулирование светового потока, оборотов двигателя, уровня звука и др.

Диммеры различных видов изображены на рисунках.

Диммер управления яркостью светодиодов и 12 В ламп накаливания мощностью до 96 Вт с регулированием скважности импульсов потенциометром

Миниатюрный диммер для светодиодов и 12 В ламп накаливания мощностью до 24 Вт с кнопочным управлением

Диммеры на основе реостатов были неэффективны, поскольку рассеивали значительную часть номинальной мощности нагрузки в виде тепла. Они были большими и требовали большого количества охлаждающего воздуха. Поскольку эффект диммирования в значительной степени зависел от общей нагрузки, приложенной к каждому реостату, нагрузку необходимо было довольно тщательно подбирать в соответствии с номинальной мощностью реостата. Наконец, поскольку они полагались на механическое управление, они были медленными, и было сложно переключать много каналов одновременно.

Ранние примеры реостатных диммеров включают в себя диммер на основе соленой воды , своего рода жидкостной реостат ; жидкость между подвижным и неподвижным контактами обеспечивала переменное сопротивление. Чем ближе контакты друг к другу, тем большее напряжение было доступно для лампы. Диммеры на основе соленой воды требовали регулярного добавления воды и обслуживания из-за коррозии; открытые части находились под напряжением во время работы, представляя опасность поражения электрическим током.

Два автотрансформаторных диммера мощностью 6000 Вт каждый, управляемые электродвигателями, используются для освещения зрительного зала театра.

В трансформаторе с вращением катушки использовалась катушка электромагнита с фиксированным положением в сочетании с катушкой с переменным положением для изменения напряжения в сети путем изменения ориентации двух катушек. При вращении на 90 градусов вторичная катушка подвергается воздействию двух равных, но противоположно направленных полей от первичной катушки, которые эффективно компенсируют друг друга и не создают напряжения на вторичной катушке.

Эти катушки напоминали стандартные ротор и статор , используемые в электродвигателе, за исключением того, что ротор удерживался от вращения с помощью тормозов и перемещался в определенные положения с помощью высокомоментной зубчатой ​​передачи. Поскольку ротор никогда не совершал полного оборота, коммутатор не требовался, и вместо него можно было использовать длинные гибкие кабели.

Затем были введены регулируемые автотрансформаторы (торговая марка « Variac »). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Хотя они по-прежнему почти такие же большие, как реостатные диммеры, на которые они очень похожи, это относительно эффективные устройства. Их выходное напряжение, а следовательно, и эффект диммирования, в значительной степени не зависит от подключенной нагрузки, поэтому проектирование осветительных приборов, подключаемых к каждому каналу автотрансформатора, значительно упростилось. Дистанционное управление диммерами по-прежнему было непрактичным, хотя некоторые диммеры были оснащены моторными приводами, которые могли медленно и плавно уменьшать или увеличивать яркость подключенных ламп. Автотрансформаторы вышли из употребления в освещении, но используются в других областях.

Однако существуют определенные сценарии освещения, в которых автотрансформаторы по-прежнему являются предпочтительным решением (по состоянию на 2021 год). Например, в аппаратной студии звукозаписи могут потребоваться чрезвычайно строгие ограничения по электромагнитным помехам. По сравнению с твердотельными диммерами, кондуктивные помехи, создаваемые автотрансформаторами, практически равны нулю.

Стойка для тиристорных диммеров

Электрическая схема типичного диммера на основе тиристора.

Для решения некоторых из этих проблем были разработаны полупроводниковые диммеры. Полупроводниковые диммеры включаются в регулируемое время (фазовый угол) после начала каждого полупериода переменного тока, тем самым изменяя форму напряжения, подаваемого на лампы, и, следовательно, изменяя его среднеквадратичное эффективное значение. Поскольку они переключаются, а не поглощают часть подаваемого напряжения, потери энергии минимальны. Регулировка яркости может быть практически мгновенной и легко управляется дистанционной электроникой. Эта разработка также позволила создать диммеры достаточно компактными, чтобы их можно было использовать вместо обычных бытовых выключателей света (внутри корпуса ).

Переключатели выделяют некоторое количество тепла во время переключения и могут также вызывать радиочастотные помехи . ^{[ 7 ]} Индукторы или дроссели используются в качестве части схемы для подавления этих помех. Когда диммер работает на 50% мощности, переключатели коммутируют максимальное напряжение (>325 В в Европе), и внезапный скачок мощности заставляет катушки индуктора двигаться, создавая жужжащий звук, характерный для некоторых типов диммеров; тот же эффект можно услышать в нитях накаливания ламп накаливания как «пение». Схема подавления может оказаться недостаточной для предотвращения жужжания на чувствительном аудио- и радиооборудовании, которое использует ту же сеть, что и осветительные приборы. В этом случае необходимо принять специальные меры для предотвращения этих помех. ^{[ 8 ]} Европейские диммеры должны соответствовать требованиям соответствующего законодательства по электромагнитной совместимости ; это включает в себя подавление описанных выше излучений до пределов, описанных в EN55104.

На представленной электрической схеме типичный диммер на основе тиристора (SCR) регулирует яркость света путем фазового управления. Этот блок подключен последовательно с нагрузкой. Диоды (D2, D3, D4 и D5) образуют мост, генерирующий импульсный постоянный ток. Резистор R1 и конденсатор C1 образуют цепь с постоянной времени. По мере увеличения напряжения от нуля (в начале каждой полуволны) конденсатор C1 заряжается. Когда C1 способен заставить стабилитрон D6 проводить ток и подавать ток в тиристор, тиристор срабатывает. Когда тиристор проводит ток, диод D1 разряжает конденсатор C1 через тиристор. Тиристор выключается, когда ток падает до нуля и напряжение питания падает в конце полупериода, готовясь к работе схемы в следующем полупериоде. Эта схема называется диммером с опережающим фронтом или диммированием с прямой фазой .

График выходного напряжения тиристорного диммера, настроенного на 60 вольт среднеквадратичного значения, при входном напряжении 120 В. Красная линия показывает включение выходного устройства примерно через 5,5 мс после того, как входное (синее) напряжение пересечет нулевое значение. Более раннее включение тиристора в каждом полупериоде приводит к более высокому выходному напряжению и более яркому свету.

Диммеры на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) устраняют большую часть шума, присутствующего в тиристорах, за счет обрезания спада синусоидального сигнала. Такие схемы называются диммерами с обратной фазой или диммированием по заднему фронту .

Еще более новой, но все еще дорогой технологией является диммирование синусоидальной волной , которое реализуется с помощью мощного импульсного источника питания с последующим фильтром.

Диммеры применяются:

• для регулирования яркости ламп накаливания;
• для регулировки температуры различных электронагревателей резисторного типа (например, паяльников и утюгов);
• как автоматические «устройства плавного пуска» для ламп накаливания.

Диммеры могут применяться с осторожностью (так как существует риск повредить двигатель) для регулировки частоты вращения маломощных электродвигателей.

Диммеры не следует применять для радиоприемников, телевизоров и других устройств с трансформаторным питанием или импульсным блоком питания (в том числе, для люминесцентных ламп с электронным балластом).

• Применение диммеров с лампами накаливания (для их включения «с нуля») позволяет избежать броска тока через лампу. Бросок тока часто приводит к преждевременному перегоранию лампы. Но на практике лампы все равно перегорают в момент включения (и даже выключения), хотя, возможно, и реже. Кроме того, величина начального напряжения сильно зависит от самого диммера — некоторые выдают минимальное напряжение, при котором нить накала едва тлеет, а другие выдают довольно большой минимум, едва ли не в треть накала, именно при включении.
• При регулировке мощности лампы накаливания изменяется не только яркость света, но и его цветовая температура — чем меньше яркость, тем свет краснее.
• Необходимо учитывать, что КПД лампы накаливания сильно падает с уменьшением напряжения, поэтому вместо постоянного уменьшения яркости мощной лампы гораздо экономичнее использовать лампу подходящей (меньшей) мощности, подключенную напрямую.
• Лампа накаливания, особенно мощная, при уменьшении яркости диммером начинает издавать высокочастотный шум (свист), негромкий, но отчетливо слышимый в тишине. Это происходит из-за механических колебаний (магнитострикции) спиральной нити накала, питаемой током, содержащим высокочастотные гармоники, возникающие в цепи при переключении симистора. При питании лампы напрямую от сети (без диммера) магнитострикция практически незаметна.
• Не рекомендуется, во избежание влияния помех, включать устройства с диммерами рядом с радиоприемниками и чувствительными измерительными приборами. Так, если включен паяльник с диммером, то на экране осциллографа рядом могут появиться посторонние сигналы, а прослушивание ДВ/СВ радиоприемника в комнате с регулируемым освещением может вообще оказаться невозможным.
• При записи и трансляции звука от источника с малым уровнем сигнала (микрофон, звукосниматель) диммер может явиться неочевидной причиной фона (может вызывать помехи). Об этом эффекте нельзя забывать при планировании освещения в студиях звукозаписи и радиоузлах. Лампы накаливания для студийного освещения следует подключать напрямую либо предусматривать схемы, исключающие диммер при начале трансляции (записи).

По способу управления различают диммеры:

• механические;
• электронные:
  • контактные;
  • бесконтактные;
• дистанционные;
• акустические.

В основе механического диммера потенциометр, подключенный не непосредственно к нагрузке, а передающий сигнал через схему управления на силовой элемент (реостат, дроссель, тиристор).

В электронных диммерах возможны следующие датчики воздействия:

• контактный (сенсорный);
• бесконтактный (инфракрасный, ультразвуковой или емкостный).

В дистанционных диммерах управление производится пультом дистанционного управления, излучающим инфракрасные (IR) или радио- (RF) волны.

Акустический диммер реагирует на громкий звук или на команды, подаваемые голосом (см. голосовое управление).

В одном приборе могут одновременно использоваться разные способы управления.

Простой современный диммер:
D2…D5 — диодный мост.
ZD — динистор.
D1 — диод.
R — переменный резистор небольшой мощности.
C — конденсатор.
SCR — тиристор, мощность которого определяет мощность нагрузки

В первый момент времени тиристор SCR закрыт, а конденсатор C заряжается через резистор R. Напряжение входной полуволны нарастает, и в некоторый момент открывается динистор ZD, а за ним — и тиристор SCR. Между клеммами начинает проходить значительный ток. Ток течет до тех пор, пока напряжение полуволны не снизится до закрытия динистора ZD. При этом конденсатор С разрядится через диод D1 и тиристор SCR. Тиристор закроется. На следующем цикле процесс повторится заново.

Нагрузка подключается последовательно (на рисунке клеммы расположены слева).

Принцип действия такого диммера состоит в том, что, открывая тиристор в разные моменты времени относительно перехода напряжения через 0, можно «обрезать» синусоидальные волны регулируемого напряжения и тем самым изменять действующее значение напряжения и ток в нагрузке.

Для подавления радиопомех мощные диммеры часто снабжаются дросселями

В большинстве диммеров используются ключевые схемы, при работе которых возбуждаются электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Эти волны возбуждают ток в проводах, соединяющих диммер с источником питания и с регулируемой нагрузкой, создают помехи. Для снижения помех в конструкцию диммеров часто добавляют дроссели (индуктивности) (в качестве реактивного элемента), а также LC (индуктивно-емкостные) фильтры как со стороны питания, так и со стороны нагрузки. Чем больше частота переменного тока, тем меньшего размера требуется дроссель, а сочетание с хорошими фильтровыми конденсаторами с низким активным сопротивлением позволяет достичь приемлемого уровня помех. Современные диммеры уже не мешают работе радиоприемников.

• Диммер предназначен для регулирования мощностей тех источников света, на которые он рассчитан.
• Напряжение на выходе диммера не имеет синусоидальной формы. Из-за этого понижающие трансформаторы (устройства, предназначенные для преобразования подаваемого напряжения в требуемое напряжение) могут работать неправильно.
• Диммеры могут вызывать электромагнитные помехи (в том числе и на частотах радио).
• Регулировка выходного напряжения нелинейно зависит от значения сопротивления нагрузки.
• С диммерами несовместимы люминесцентные лампы и источники света, оснащенные дополнительными устройствами, такими как ЭПРА, трансформатор, драйвер и т. п., кроме специально предназначенных для использования с диммером (на упаковке источника света заявлена возможность использования с диммером — имеется надпись «диммируемая» или «dimmable»).
• Несмотря на неоспоримое удобство применения диммера для регулирования яркости, низка его эффективность (КПД) при работе с лампами накаливания на небольшой яркости. Зависимость светового потока от входного напряжения определяется показательной функцией. Так, при напряжении, равном 50 % от номинального, и потребляемой мощности, равной 25 % от номинальной, световой поток составляет 8,25 %. Вместо использования диммера для понижения мощности (например, для ночного или дежурного освещения) следует применять лампы накаливания меньшей мощности. Или следует заменить диммеры и лампы накаливания на диммерные схемы и светодиодные источники света.
• При работе с движущимися механизмами/инструментами и при использовании малоинерционных источников света (светодиодов, газоразрядных ламп и т. п.) диммеры следует применять с осторожностью. Из-за стробоскопического эффекта может возникнуть опасная иллюзия неподвижности движущихся частей механизма/инструмента, что способно привести к увечьям.

Некоторые компании (в том числе мировые лидеры по производству электроустановочных изделий Schneider Electric и Тесо) уже производят диммеры для люминесцентных ламп. Работоспособность выпускаемых диммеров напрямую зависит от схемотехники электронно-пускорегулирующего аппарата (ЭПРА).

Компании-производители электротехнического оборудования Feller, Gira, Jung, Merten, Schneider Electric и производители ламп OSRAM и Radium с целью унификации диммеров и люминесцентных или светодиодных ламп разработали открытый стандарт LEDOTRON ( ).

Конструкция большинства аналоговых диммеров означала, что выходной сигнал диммера не был прямо пропорционален входному. Вместо этого, по мере того, как оператор поднимал ползунок, диммер сначала медленно уменьшал яркость, затем быстро в середине, а затем медленно в верхней точке. Форма кривой напоминала третью четверть синусоидальной волны. Разные диммеры давали разные кривые регулировки яркости, и разные области применения, как правило, требовали разных откликов.

В телевизионных системах часто используется кривая «квадратичного закона», обеспечивающая более точный контроль в верхней части кривой, что крайне важно для точной регулировки цветовой температуры освещения. Театральные диммеры, как правило, используют более мягкую S-образную или линейную кривую. Цифровые диммеры могут иметь любую кривую, заданную производителем; они могут предлагать выбор между линейной зависимостью и набором различных кривых, что позволяет согласовывать их со старыми аналоговыми диммерами. Сложные системы предоставляют программируемые пользователем или нестандартные кривые, и распространенное использование нестандартной кривой заключается в превращении диммера в «недиммер», включающийся на заданном пользователем уровне управления.

Переключение мощных ламп накаливания (с нитью накаливания) на полную мощность из холодного состояния может значительно сократить срок их службы из-за большого пускового тока . Для снижения нагрузки на нити накаливания диммеры могут иметь функцию предварительного нагрева . Она устанавливает минимальный уровень, обычно от 5% до 10%, который выглядит выключенным, но предотвращает чрезмерное охлаждение лампы. Это также ускоряет реакцию лампы на внезапные скачки мощности, что очень ценят операторы рок-н-ролльных шоу. Противоположная этой функции иногда называется « максимальной настройкой» . Она ограничивает максимальную мощность, подаваемую на лампу, что также может продлить срок ее службы.

В менее совершенных системах тот же эффект достигается путем предварительного нагрева (прогрева) ламп перед мероприятием или выступлением. Обычно это делается путем постепенного увеличения мощности освещения до полной (или, как правило, до 90-95%) в течение получаса или часа. Это так же эффективно, как и встроенная функция предварительного нагрева.

Пример S-образной кривой, которую можно использовать для создания мягких переходов на световом планшете.

Современные цифровые пульты управления могут эмулировать кривые предварительного нагрева и диммирования, а также позволяют создавать программные настройки в памяти. Это часто предпочтительнее, поскольку позволяет заменить диммерную стойку на другую без необходимости переноса сложных настроек. Можно запрограммировать и использовать множество различных кривых или профилей на разных каналах.

Одним из показателей качества диммера с опережающим фронтом является «время нарастания». В данном контексте время нарастания — это время, необходимое для того, чтобы срез сигнала перешел от нуля до мгновенного выходного напряжения. На приведенном выше графике это показатель наклона почти вертикального края красной линии. Обычно он измеряется в десятках или сотнях микросекунд. Большее время нарастания снижает шум диммера и лампы, а также продлевает срок службы лампы. Большее время нарастания также снижает электромагнитные помехи, создаваемые диммером. Неудивительно, что реализация большего времени нарастания обходится дороже, чем меньшего, поскольку необходимо увеличить размер дросселя. Новые методы диммирования могут помочь минимизировать такие проблемы.

Сравнение вариантов использования регулировки напряжения для двигателей

Исследование, описанное в статье про диммер, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое диммер и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства