Licht

Einführung

Dimmen, aber wie? – Der Dimmer und seine Arten

Grundsätzliche Dimm-Arten

Je nach Leuchtmittel kann man einen Scheinwerfer entweder mit einem Dimmer verdunkeln (Halogenleuchtmittel oder LED) oder mit einem mechanischen Verdunkler wie einer Jalousie, wie sie meist bei Entladungslampen zum Einsatz kommt.

Beim mechanischen Verdunkeln wird trotz Dimmen immer 100 % Leistung am Leuchtmittel anliegen und folglich „verbraucht“, während der elektronische Dimmer beim Dimmen diese Energie einspart. Beim mechanischen Dimm-Vorgang bleibt die Lichtqualität selbst (Farbtemperatur, Lichtfarbe, Spektralverteilung) konstant, beim Verdunkeln durch einen elektronischen Dimmer wandert jedoch die Farbtemperatur, da die LED-Farbmischung verschieben kann.

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Die meisten Entladungslampen (Ausnahme z. B. Leuchtstofflampen mit VIP90) sollen auch nicht gedimmt werden, da die chemischen Prozesse nicht mehr vollständig wie bei Betriebstemperatur ablaufen und somit die Lebensdauer erheblich verringern – ganz abgesehen davon, dass ein Dimmen von Entladungslampen elektronisch maximal auf ca. 50 % funktioniert bevor der Lichtbogen abreißt.

schema Elektrischens vers. Mechanischen Dimmen
Mechanisches Dimmen wird meist bei Entladungslampen durchgeführt. Die Lichtqualität ändert sich dabei nicht, da das Leuchtmittel selbst weiterhin unbeeinflusst betrieben wird. Dagegen wird beim elektronischen Dimmen dem Leuchtmittel Energie vorenthalten, so dass sich die Betriebsparameter des Leuchtmittels ändern. Besonders bei Glühlampen ändert sich die Farbtemperatur erheblich, was aber je nach Anwendung gewünscht (Theater: für warme Stimmungen) oder unerwünscht (Studio: Rotstich in der Kamera) ist. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Im Folgenden sehen wir uns die verschiedenen Vorgänge des elektronischen Dimmens genauer an:

Elektronische Dimmer-Arten

Dimmer geöffnet
Blick in der Innere eines typischen 12-Kanal-Mobildimmer Deutlich sind die Spulen sowie die Leistungshalbleiter zu sehen. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Methoden des Dimmens entwickelt. Dabei ist der Fortschritt gekoppelt an die gestiegene Leistungsfähigkeit moderner Halbleiter.

Dimmen mit Vorwiderstand

Mit Verändern der Spannung oder der Spannungsform kann bei konstantem R (Leuchtmittel) die Leistung angepasst werden kann. Man kann dafür sorgen, dass nur ein proportionaler Anteil der Versorgungsspannung an das Leuchtmittel gelangt – dies kann durch einen Vorwiderstand in irgendeiner Form (z.B. Salzbad oder Drahtwiderstand) erfolgen. Die anliegende Versorgungsspannung teilt sich dann in der Reihenschaltung auf den Vorwiderstand und auf das Leuchtmittel auf. Durch Variation des Vorwiderstands wird die Leistung am Leuchtmittel verändert.

Nachteil dieser Lösung ist, dass die eingedimmte Leistung als Abwärme im Vorwiderstand verloren geht, sobald das Leuchtmittel gedimmt wird. Man beachte, dass die abfallende Spannung mit dem Strom, der auch durch das Leuchtmittel fließen muss, multipliziert wird. Das bedeutet: große Bauelemente, die die Wärmebelastung vertragen, große Räume und große Kühlung für die Stellglieder und erhebliche Energiekosten.

Ein Vorteil dagegen ist die Beibehaltung der Sinusform der am Leuchtmittel anliegenden Spannung. Um den großen Nachteil des Verlustes der Leistung beim Dimmen zu umgehen, wurde in der Folge die Möglichkeit des Schaltens in Betracht genommen – die Dimmung mittels Vorwiderstand gehört heute der Geschichte an.

Prinzipbild Dimmen mit Vorwiderstand
Früher angewandte Methode des Dimmens: Vorwiderstände – an ihnen fällt die gesamte einzudimmende Leistung ab. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Dimmen mit Schwingungspaketen

Ist ein Schalter offen, liegt die gesamte Versorgungsspannung am Schalter, aber es fließt kein Strom. Eine Multiplikation mit 0 hat Null zum Ergebnis, so dass keine Leistung „verbrannt“ wird. Bei dieser Regelart schaltet man immer im Nulldurchgang mindestens eine vollständige Halbwelle durch, um keine Störungen durch Phasenanschnitt zu verursachen. Warum das Schalten innerhalb des Phasenverlaufs (innerhalb des Spannungsverlaufs ungleich 0) ernst zu nehmende Störungen verursacht, wird im späteren Kapitel „Anschneiden des Sinus“ (Kapitel folgt) behandelt. Dies arbeitet für bestimmte Schaltspiele, wie z. B. jede zweite Periode einschalten, einwandfrei. Um jedoch einen weiten Stellbereich zu erhalten – d. h. von einem leichten Glimmen des Scheinwerfers kontinuierlich ansteigend bis zur vollen Leuchtstärke – müssen die Anteile der Pakete von eingeschalteten Perioden über eine große Zeitspanne verteilt werden (Schwingungspaket- oder Vollwellen-Steuerung).

Prinzip der Paketwellensteuerung
Methode des Dimmens bei trägen Verbrauchern (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Das ist für eine träge Heizung durchaus brauchbar, aber für die Erzeugung von Licht sind selbst die trägen Wendel-Aufheizzeiten viel zu dynamisch, um ein Flackern vermeiden zu können. Deshalb ist diese Methode leider nicht für Scheinwerfer verwendbar. Aber bei Lichteffekten wie Lauflichtern und Lichtorgeln, die kein kontinuierliches Dimmen benötigen sondern mit Helligkeitsunterschieden wie hell, mittel oder schwach auskommen, wird diese Schaltfunktion durchaus eingesetzt. Da durch die Beibehaltung der Sinusspannungsform keine Störungen auftreten, müssen damit keine aufwendigen Entstörungsmaßnahmen ergriffen werden.

 

Dimmen mit Phasenanschnitt

So bleibt letztendlich, der Dynamik der schnell heiß werdenden Wendel des Leuchtmittels Tribut zu zollen, indem man innerhalb einer Periode schaltet. Damit weiterhin die Symmetrie der Spannung vom Positiven zum Negativen gewahrt bleibt, wird pro Halbwelle die Spannung geschaltet.

Prinzipbild Phasenanschnitt
Typischer Dimmvorgang für induktive Lasten und Halogenleuchtmittel Die Spannung wird zu einem bestimmten Zeitpunkt zugeschaltet und folgt solange dem Spannungsverlauf, bis der Strom null wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Unser Auge kann ein Flackern mit ca. 25 Hz wahrnehmen. Mit der eben beschriebenen Schaltmethode sind 100 Schaltspiele pro Sekunde verbunden und mit der Trägheit von erhitzten Wolframwendeln vollkommen ausreichend, um das gedimmte Licht als ein stehendes, ruhiges Licht zu empfinden. Da im geschalteten Zustand die Spannung über dem Schalter gleich null ist (bei dem Strom der zum Leuchtmittel fließt), ergibt sich so die ideale Verlustleistung von null. Ist der Schalter offen, liegt zwar die gesamte Spannung am Schalter an, aber der Strom ist dennoch null. Somit ist auch in dieser Schaltstellung die Verlustleistung null. Der Phasenanschnittsdimmer (englisch: forward (hard-fired) phase control) ist der zurzeit mit Abstand verbreitetste Dimmertyp.

Mit dieser Dimmerart können wir unsere Scheinwerfer (R-Last) sowie Niederspannungs-Halogenlampen mit konventionellen, drahtgewickelten Transformatoren (L-Last) ordentlich dimmen, ohne größere Verlustleistung zu produzieren. In der Praxis ergeben sich durch das Schalten inmitten des Spannungsverlaufs und der damit verbundenen Veränderung der Sinusform leider auch Nachteile, die im Kapitel „Anschneiden des Sinus“ (Kapitel folgt) behandelt werden.

 

Dimmen mit Phasenabschnittsteuerung

So wie man die Spannung nach einer bestimmten Zeit zum Leuchtmittel durchschaltet (Phasenanschnitt), könnte man den Spannungsverlauf auch umgekehrt gestalten, so dass man bei erreichter Leistung den Stromfluss unterbricht. Dazu wird – nachdem die Phase ihren natürlichen Anstieg begonnen hat – der Stromfluss beim gewünschten Leistungswert unterbrochen. Die Spannungsphase wird abgeschnitten, daher der Name Phasenabschnittsteuerung (englisch: inverse (reverse) phase control).

Prinzip Pasenab schnittsdimmer
Typischer Dimmvorgang für kapazitive Lasten wie elektronische Vorschaltgeräte. Die Spannung folgt ihrem natürlichen Verlauf bis der Strom unterbrochen wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Diese Technik wurde erst kommerziell interessant als es möglich war, einen Leistungshalbleiter, der bei Volllast – also bei einem ordentlichen Strom – auch sicher und unter akzeptablen Kosten, in den sperrenden Zustand zu überführen. Siehe dazu weiter unter GTO / IGBT (Kapitel folgt).

Bei kapazitiven Lasten (wie übliche elektronische Niederspannungstransformatoren) muss das Licht mit Phasenabschnitt gedimmt werden. Denn der Stromfluss am Anfang der Spannungshalbwellen beginnt genau dann, wenn die Spannung durch 0 geht. Dadurch wird die Entstehung von Stromspitzen an den Kapazitäten, die über dem Netzanschluss und in den Gleichrichtern der elektronischen Transformatoren vorhanden sind, vermieden. Verwendet man gewöhnliche Halogenlampen (R-Last) ist das „sanfte“ Heranfahren an die bei der Last benötigte Spannung ebenso von Vorteil. Das Leuchtmittel wird geschont und es entstehen geringere Störstrahlungen. Zusätzlich bietet die Phasenabschnittschaltung die Möglichkeit im Falle einer Überlastung bzw. eines Kurzschlusses jederzeit den Stromfluss zu unterbrechen. Leider sind die hier eingesetzten Schaltertypen von ihrer Natur her sehr empfindlich und werden selbst durch kurzzeitige Überlastungen zerstört. Es müssen deshalb aufwendige Schutzschaltungen integriert werden.

Als Lasten können Glühlampen (ohmsche Lasten) und Leuchten mit EVGs (elektronischen Transformatoren /elektron. Vorschaltgeräten) daher kapazitive Lasten verwendet werden.

Werden irrtümlich drahtgewickelte Transformatoren mit Phasenabschnittsdimmer gesteuert, ist zu erwartet, dass die resultierenden, induktiven Spannungsspitzen die IGBTs und Schutzbeschaltung der Dimmer – und möglicherweise zusätzlich Leitungsisolationen und Transformatorwicklungen – beschädigen werden.

 

Dimmen mit Phasenanschnitt und -abschnitt

Wenn man nun beide Lösungswege kombiniert, also die Phase anschneidet und anschließend abschneidet, so erhält man ein sehr symmetrisches Signal. Der Vorteil, der sich daraus ergibt, sind noch geringere harmonische Störungen, da sich glücklicherweise einige des Phasenanschnitts mit denen des Phasenabschnitts auslöschen.

PRinzip Pasen an und Abschnitt
Dimmvorgang einer kombinierten Phasenanschnitt- und Phasenabschnitt-Schaltung (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Diese Schaltungsvariante hat sich in der Praxis aus Gründen, die unter dem Ansatz „Anschneiden des Sinus“ beschrieben werden, nicht durchsetzen können und ist wieder vom Markt verschwunden – zumal weder induktive noch kapazitive Lasten damit gedimmt werden können. Dazu war die Verlustleistung bei einem 300 µs langen Schaltbereich zu hoch und ein Generatorbetrieb sehr problematisch.

Dimmen mit IPS

Hinter IPS verbirgt sich ein Begriff, der durch den Hersteller geprägt wurde – ähnlich wie bei Leuchtmitteln HMI bzw. MSR ein bestimmter Typ einer Entladungslampe charakterisiert wird. Bei IPS wird nun das Prinzip des Phasenan- oder -abschnitt in Kombination angewendet, indem statt des plötzlichen Ein- bzw. Ausschalten, der Schaltvorgang selber,über einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) langsam mit einer Rampe vollzogen wird. Dadurch werden steile Stromsprünge und deren Störungen vermieden. Eine Stromglättung mittels Drossel wird überflüssig und durch einfache Parametrierung der Rampenfunktion kann z. B. mittels Schalter zwischen 450 oder 800 µs Spulencharakteristik umgeschaltet werden.

Prinzip IPS Dimmen
IPS: Dimmvorgang einer kombinierten Phasenan- oder -abschnittschaltung mit Rampe als Schaltvorgang (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Bei dieser Schaltung können je nach gewählter Betriebsart entsprechend der Ausführung für Phasenanschnitt oder -abschnitt sowohl induktive wie auch kapazitive und selbstverständlich ohmsche Lasten betrieben werden.

 

Dimmen mit Pulsbreiten-Modulation (PWM = Puls Width Modulation)

Wird es aus irgendwelchen Gründen notwendig, einen Spannungsverlauf wie die Ausgangsspannung selbst (also in Sinusform) anzubieten, aber gleichzeitig die Verlustleistung möglichst gering zu halten, so muss die Spannung innerhalb einer Periode extrem oft ein- und ausgeschaltet werden. Je breiter diese Spannungs-„Pulse“ geschaltet werden, umso mehr kann sich nach einem Filter die Originalgröße der Eingangsspannung bilden. Werden nur sehr kleine Spannungsnadeln generiert, verflacht der gefilterte Sinusverlauf. Das Dimmen erfolgt also mit der Variation der Breite der Spannungspulse. Man spricht von einer Pulsbreiten-Modulation bzw. in unserer Branche nennt man Dimmer, die nach diesem Prinzip arbeiten, „Sinusdimmer“.

Prionzip Sinusdimmer
Typischer Pulsbreiten-Spannungsverlauf Die gesiebte Spannung entspricht in ihrem Verlauf weiterhin dem Sinus (sogenannter Sinusdimmer). (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Man ist in der Lage, die Lastarten R und L in der Leistung zu steuern. Dazu ist mit dem Sinusverlauf gewährleistet, dass der Stromfluss entsprechend der Sinusform sanft zu- und abnimmt. Die Folge ist das Eliminieren von harmonischen Oberwellen, was eine Schonung des Leuchtmittels zur Folge hat. Da nach den Filtern keine großen di/dt-Werte auftreten, findet ein Filament-Singen nicht statt und nebenbei wird ein Leistungsfaktor von 1 erreicht. Auch sind die Probleme beim Einsatz von Generatoren zur Stromversorgung gelöst.

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