Warum summt der Dimmer?

Der Phasenanschnittsdimmer ist der am meisten verbreitete Dimmertyp. Aber der Phasenanschnitt bereitet auch massive Probleme …

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Übersicht:

Fourieranalyse
Tonstörung
Lampensingen
Wendelform
Stromanstieg glätten
Spulen, Drossel, Filter
Spulenpraxis
Historische Messtechnik
Weiterführende Literatur

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Fourieranalyse

Heute werden meist Dimmer gebaut, die mithilfe moderner Halbleiter die natürliche Sinusform der Versorgungsspannung beschneiden. Schwenken wir einmal kurz in den Tonbereich: Wenn wir eine reine Sinusschwingung hören, ist dies ein sehr dominanter klarer Ton. Wird diese Schwingungsform verändert, indem man z. B. an einem Musikverstärker die Lautstärke zu weit aufdreht, also die Amplitude des Musiksignals nicht mehr im Spannungsbereich der Verstärkertransistoren liegt, wird das Signal nach oben hin beschnitten und verliert die reine Sinusform. Der Ton ist nun nur noch verzerrt zu hören, was bedeutet, dass man neben dem Grundton noch etliche andere Töne hört, die über dem Grundton liegen.

Auch bei unserem Dimmer ist mit dem Zuschalten der Versorgungsspannung zu einem Zeitpunkt x das Sinussignal verändert. Durch den Anschnitt der Phase entsteht eine neue Kurvenform. Zum Glück lässt sich mit Hilfe der Fourieranalyse jede x-beliebige Kurvenform in Anteilen verschiedener Sinus- und Cosinus-Schwingungen beschreiben.

Die Fourieramplituden geben an, wie stark die einzelnen Frequenzanteile in der periodischen Funktion x(t) vertreten sind.

• k = 1: Grundschwingung (erste Harmonische)
• k = 2: erste Oberschwingung (zweite Harmonische)
• k = 3: zweite Oberschwingung (dritte Harmonische)

 

 

 

Deshalb hören wir bei einem Phasenanschnittsdimmer auch keinen tiefen Grundton von 50 Hz, sondern ein Summen, das je nach prozentualer Ansteuerung auch noch den Klang verändert. Betrachtet man die resultierenden Grundfrequenzen, so fällt einem auf, dass sie ein Vielfaches der Grundfrequenz betragen. Man spricht dabei von Harmonischen. Der Faktor, wie viel Mal die Frequenz höher als die Grundschwingung ist, wird als Zahlenwert ausgedrückt. So ist bei einem Phasenanschnitt insbesondere die 3. Harmonische für starke Belastung verantwortlich, aber auch die 5. und 7. harmonische Frequenz zeichnet für das Summen verantwortlich. Aber warum hören wir diese Obertöne in der meist ebenfalls vorhandenen PA einmal nicht und einmal unakzeptabel laut?

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Tonstörung

Der Stromfluss erzeugt um sich herum sowohl ein Magnetfeld als auch ein elektrisches Feld. Um den Scheinwerfer mit dem gedimmten Strom zu versorgen, werden Zuleitungen benötigt. Die Oberwellen erzeugen nun über die Lastleitungen, ähnlich einer Antenne, elektromagnetische Strahlungen. Dabei können in umliegenden elektronischen Geräten und deren Signalleitungen durch diese Felder elektrische Schwingungen induziert werden. Dabei hängt die Störstrahlung von verschiedenen Faktoren wie der Lastleitungslänge, dem Stromfluss durch die angeschlossene Last sowie dem schnellen dI/dt bzw. der Filterqualität des Dimmers ab.

Dabei wird das Summen der Dimmer in der Tonanlage oft als Beweis für schlechte Dimmer angeführt. Dies ist leider eine trügerische Pauschalisierung. Denn die Abstrahlungen der Dimmer und der Lastkabel wird einmal mehr, einmal weniger gut von der Tonanlage empfangen und verstärkt. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Netzrückwirkungen (insbesondere bei Dimmern, die an dieselbe Phase der Tonanlage nahe am Verbraucher angeschlossen sind) und der Störstrahlung, die durch Lastkabel erzeugt wird, die nahe an Tonkabeln geführt sind. Die Auswirkungen des Summens sind wesentlich stärker abhängig von der Qualität der Kabel und Geräte der Tonanlage (z. B. abgeschirmte symmetrische Übertragung oder gar ungeschirmte asymmetrische Übertragung) und dem fachgerechten Aufbau der Tontechnik (z. B. künstlich aufgebaute Brummschleifen) als von der Filterqualität der Dimmer. Erst wenn die Tonanlage „perfekt“ aufgebaut ist, kann man durch noch höhere Filterqualitäten einen besseren Störspannungsabstand erreichen.

 

 

Um Schleifen zu vermeiden sollten alle Dimmerzuleitungen als sternförmige Kabelinstallation verlegt werden. Eine möglichst frühzeitig getrennte Stromversorgung für Licht- und Tonanlage ist ebenso empfehlenswert. Innerhalb der Leuchten sollten die gesteuerte Phase und der Rückleiter so eng wie möglich zusammenliegen, da die gegensätzliche Stromrichtung auch gegensätzliche Felder induziert. Sind beide Leitungen eng beieinander, heben sich die Felder stärker auf als wenn sie räumlich entfernt liegen. Dann wird nämlich eine größere Entfernung mit dem Störfeld bestrahlt.

Der Schutzleiter (PE) am Scheinwerfer soll mit den übrigen Leitungen bis zur Verteilung geführt und dort geerdet werden.

Mögliche Mikrofon-, Video- oder Rechner (LAN)-Kabel sollten separat verlegt werden und nicht weniger als 20 cm vom Dimmerkabel entfernt sein. Kreuzungen sollten grundsätzlich im rechten Winkel erfolgen. Bei induktiven Hörgerätschleifen sollten die Dimmerkabel – bei einem Abstand größer 3 m – in eisernen Installationsrohren oder geschlossenen Stahlblechkabelrinnen verlegt werden.

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Lampensingen

Zugegeben, bei einer ordentlich aufgebauten Tonanlage ist kein Dimmer zu hören, dennoch ist der Dimmer eine mehr oder weniger große „Dreckschleuder“, was niederfrequente Störungen im kHz-Frequenzbereich betrifft, was sich hauptsächlich auf Mikrofon- und Audiosysteme auswirkt. Aber Oberwellen haben noch weitere geräuschbringende Effekte, wie z. B. das Lampensingen.

Die Geräuschentwicklung von Halogenleuchtmitteln (Lampensingen), die insbesondere bei einem PAR 64 in Kombination mit einem schlecht entstörten Phasenanschnittsdimmer bei 30 % Ansteuerung deutlich zu hören ist, ist die Folge des veränderten Stromverlaufs. Da sich die Kurvenform je nach Phasenanschnitt verändert und damit auch die Amplitudenverhältnisse der beteiligten Oberwellen, ist es nicht verwunderlich, dass beim Ändern der Prozentwerte auch der Singsang des Leuchtmittels seinen Klang verändert. Spätestes bei 100 %, also der reinen Sinusform, ist der „Gesang“ verstummt, da dann auch keine höheren Frequenzen mehr emittiert werden. Die Geräuschentwicklung basiert darauf, dass ein Stromfluss in jedem Leiter ein magnetisches Feld verursacht. Bei einem Leuchtmittel mit einem gestaucht gewickelten Draht – der Wendel – beeinflussen die Felder der gegenüberliegenden Drahtabschnitte sich gegenseitig und stoßen sich ab oder ziehen sich an.

 

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Wendelform

Durch die Art der Wendelaufhängung ist so eine Variante der mechanischen Bewegung und damit ein Emittieren von Schallwellen möglich. Deshalb ist es auch nicht verwunderlich, dass z. B. starke Niedervolt-Scheinwerfer ihr charakteristisches Aufdimmsummen erzeugen, während z. B. ein Source Four PAR beim gleichen Dimmer kaum zu hören ist.

Demnach müsste die Lebensdauer des Leuchtmittels geringer als die Herstellerangabe sein, da die durch den Phasenanschnitt verursachte Bewegung auch das Leuchtmittel mechanisch unter ständigen „Stress“ stellt. Dem steht aber, weil gedimmt, eine geringere Leistung und Temperatur des Leuchtmittels gegenüber, wodurch die Lebensdauer beachtlich zunimmt. Bleibt die Schlussfolgerung, dass bei Einsatz von nicht-phasenanschneidenden Systemen, wie z. B. Sinusdimmern oder Phasenabschnittsdimmern, die kein Lampensingen verursachen, die mittlere Lebensdauer durch den Dimmbetrieb noch erhöht wird.

Nicht nur für Fernsehstudios ist das Lampensingen bei gleichzeitiger Tonaufnahme ein Problem. Mithilfe eines entsprechenden Filters entschärft man die hohen Oberwellen, so dass das Lampensingen beim Phasenanschnittsdimmer minimiert wird. Nebenbei bemerkt: dieselben Kräfte sind auch die Ursache, weshalb man im Dimmerraum den Dimmer selber „arbeiten“ hört, da meist die eingebauten Drosselspulen ebenfalls in Bewegung geraten und damit Luftbewegungen verursacht werden.

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Stromanstieg glätten

Außerdem gilt, die Kurvenform des Stroms so zu glätten, dass der Stromverlauf möglichst weich ansteigt, um damit die hohen Amplitudenwerte der harmonischen Oberwellen zu bekämpfen. Um nun einen Vergleich zwischen verschiedenen Filterqualitäten zu haben, misst man das Verschleifen des Stroms in Mikrosekunden (µs) und leitet damit die Filterqualität ab. Die typische Messdistanz ist zwischen 10 % und 90 % der Amplitude und sollte mit dem Wert auch angegeben werden. Die Qualität der Entstörung hängt aber nicht nur von der „Verschleifzeit“ selbst ab, sondern auch davon, wie stark die Flanken bei den Übergängen harmonisch gerundet übergehen oder ein buckliger Übergang bleibt. So gesehen sind die Filterzeiten zwar ein Richtwert, aber ein Vergleich mit den Ohren kann augenscheinlich gute Werte einfacher Spulen gegenüber schlechteren Werten bei hochwertigen Spulen doch relativieren.

 

 

 

 

 

Aus dem zweiten Bild wird deutlich, dass auch die angeschlossene Last eine Rolle spielt. Der Unterschied der Störwirkung bei gleicher Spule mit unterschiedlicher Last zeigt, dass die Glättung nicht mehr so gut wie bei Volllast ist. Deshalb ist es durchaus sinnvoll, auch kleine Dimmereinheiten für ca. 1,5 kW Maximallast bereitzuhalten, wenn man eine gute Entstörung auch für 1,2-kW-Scheinwerfer benötigt.

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Spulen, Drossel, Filter

Doch zunächst: Was macht die Spule oder Drossel oder Filter oder Induktivität oder Siebung, um nur einige der Bezeichnungen zu nennen, und wie ist sie aufgebaut?

Damit ein Strom bei einer anliegenden Spannung nicht sofort in die Höhe schnellt, ist eine Gegenspannung vonnöten. Diese Gegenspannung erzeugt sich selber in einem elektrischen Leiter, der als Spule geformt ist und somit ein konzentriertes Magnetfeld aufbaut. Nach dem plötzlichen Einschalten der Spannung durch den Phasenanschnitt wird in der Spule durch den beginnenden Stromfluss ein Magnetfeld aufgebaut. Diese Feldänderung ruft eine Selbstinduktionsspannung hervor, die der anliegenden Spannung entgegenwirkt. Je höher die Stromänderung ist (dI/dt) umso größer ist das erzeugte Magnetfeld und umso größer ist auch die Gegenspannung. Damit wird das schnelle Ansteigen des Stroms und der Aufbau des Felds verzögert. Daher auch die Eselsbrücke, dass sich bei Induktivitäten die Ströme verspäten.

 

 

Die Induktivität wiederum ist abhängig vom Quadrat der Windungszahl und dem magnetischen Leitwert. Der magnetische Leitwert ist abhängig von der Permeabilität des magnetischen Kreises und dessen Geometrie. Für Spulenkerne wird der magnetische Leitwert vom Hersteller angegeben.

 

 

Wird in das Magnetfeld der Feldstärke H Materie eingebracht, so ändert sich die magnetische Flussdichte B aufgrund des Einflusses der Elektronen im Stoff. Dies hat den Vorteil, dass eine Spule mit einem magnetischen Kern wesentlich effektiver arbeitet, aber den Nachteil, dass damit das Bauteil schwer wird – was jeder, der Dimmerracks ein- und ausgeladen hat, vermutlich bemerkt haben wird.

 

Die Magnetisierung ist bei vielen Stoffen proportional zur Feldstärke H. Die anderen Stoffe sind die nichtlinearen magnetischen Werkstoffe, wovon uns die Ferromagnetika interessieren, da ihr µr deutlich größer als 1 ist.

 

Die Fläche der Hysteresekurve ist ein Maß für die Energie, die zur Ummagnetisierung notwendig ist. Die von der Hysterese eingeschlossene Fläche ist ein Maß für den Energieverlust, der in Wärme abgegeben wird, pro Zyklus. Die Feldenergie einer Spule ist proportional dem Quadrat des Spulenstroms.

 

Man unterscheidet wiederum weichmagnetische, halbharte und hartmagnetische Werkstoffe. Für die weichmagnetischen Materialien soll die Feldenergie möglichst gering gehalten werden.

Beispiel: der Verlust durch eingebrachte Bleche (ca. 0,4 mm dick, 65 % NiFe, mit einer Flussdichte von 1 Vs/m2) liegt bei 0,06 W/kg, wenn die Netzfrequenz 50 Hz beträgt. Dagegen zeichnen sich amorphe Weichmagnete durch besonders hohe Permeabilitätswerte µr bis zu 200.000 bei kleinen Koerzitivfeldstärken aus. Bei einem üblichen Phasenanschnittsdimmer bedeutet das bei einer üblichen Induktivität ein paar Volt Spannungsverlust, bei 10 A wörtlich genommen ca. 20 Watt Verlustwärme. Bei Installationen mit mehreren hundert Kreisen ist dementsprechend nicht nur der Verlust zu summieren, sondern vielmehr an eine Klimaanlage bzw. Durchlüftung des Dimmerraums zu denken. Die Qualität der Spule (Induktivität) ist also abhängig von dem verwendeten magnetischen Werkstoff, der Geometrie sowie möglichen Luftspalten.

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Spulenpraxis

Bei einer Stromanstiegszeit von 100 µs oder weniger, ist eine Anwendung nur für private Haushalte in Betracht zu ziehen bzw. unter 50 µs muss sogar von einer mangelhaften Entstörung, die nur aus Platz- und Gewichtsgründen in Elektroverteilungen oder Unterputzdimmern mit geringen Leistungen Anwendung findet, gesprochen werden.

Bei einer Filterzeit von 120 bis 300 µs erreicht man eine gute Filterwirkung für Discotheken, Veranstaltungen oder Gastronomie. Oft verwendet werden Spulen mit einem Eisenkern, im Aussehen ähnlich einem Transformator.

Filterzeiten von 300 µs und mehr bieten eine hervorragende Filterwirkung für TV-Studios und alle Orte, wo empfindliche elektronische Geräte arbeiten. Hier ist die Filterqualität so hoch, dass das Vibrieren der Glühlampen-Filamente und somit das „Singen“ nachlässt. Durch Verwendung moderner Ferrit-Ringkernfilter konnten das Drosselgewicht verringert und die Filterleistung verbessert werden. Die Ferritfilter sind jedoch im Vergleich wesentlich teurer. Weitere Entwicklungen mit weichmagnetischem Ferritmaterial sowie dessen Sinterung, die den Effekt eines Luftspaltes erzeugen, der über die gesamte Fläche hin verteilt ist, erlauben ein Verändern ihrer Induktivität in Abhängigkeit der angeschlossenen Last. Während bei geringer werdender Last auch die Wirkung von Spulen nachlässt (halbe Last = halbe Entstörwirkung), bewahren diese speziellen Filter im Bereich zwischen 25 % … 100 % der Nennlast die gleichbleibende, maximale Entstörwirkung (sie ändern ihre Induktivität).

Je größer der Filter ist, umso mehr Verlustleistung und folglich Abwärme fallen an. So kann es vorkommen, dass die Kühlung der Spulen und damit die Verfügbarkeit des Bauteils kritisch sind. Damit die Windungen nicht, wie beim Lampensingen beschrieben, bewegt werden und damit Geräusche verursachen, werden sie oft in Harz eingegossen. Nachteil dabei ist die Wärmeisolation des Harzes, so dass die Spule ihre Abwärme nicht optimal abgeben kann. So findet man auch den Kompromiss zwischen mechanischem Halt und Temperaturabgabe in Form von halb vergossenen Spulen.

 

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Historische Messtechnik

Moderne Oszilloskope besitzen die Möglichkeit, eine Fourieranalyse der anliegenden Spannung zu erstellen. Aber diese Werte findet man selten in den Datenblättern. Die Angabe der „Verschleifzeit“, wie bereits oben beschrieben, ist dagegen oft in den Ausschreibungen zu finden. Im Laufe der Zeit sind aber auch gute Lösungsansätze in Vergessenheit geraten. Deshalb sei hier eine Methode vorgestellt, wie man die Dimmerstörung mit seinen Auswirkungen nicht hören, sondern als Wert vergleichen kann. Dieser Problematik hatte man sich bereits 1960 bei der BBC angenommen und entwickelte eine Schaltung, die bis heute noch angewendet wird.

Dabei hat man festgestellt, dass die Höhe der gemessenen Spannung sich proportional zur gehörten Störung verhält. Der Spannungssprung ist bei 90° Anschnitt am größten und somit wird dort auch die größte Energieemission zu erwarten sein. Da der Messwert auch vom Laststrom abhängt, ergeben sich folgende Richtwerte: Werte unter 15 mV bei Dimmern bis zu 5 kW – und 30 mV bei 10-kW-Dimmern.

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Weiterführende Literatur

1. Physik für Ingenieure / Springer Verlag
2. Tabellenbuch Elektrotechnik / Friedrich
3. Elektronik iV A / Pflaum Verlag
4. Entertainment Technology / Genlyte Thomas Company, L.L.C.
5. Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen /C.H. Strurm /E. Klein
6. VDE 0100 und die Praxis / Gerhard Kiefer

 

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Mehr Dimmer-Themen werden auf folgenden Seiten behandelt:

• Dimmen, aber wie? – Der Dimmer und seine Arten
• R- und L-Last
• Der Sinusdimmer
• Phasenanschnitt
• Leistungshalbleiter in der Dimmertechnik
• Ausstattungsmerkmale von Dimmern

Eine Übersicht aller Themen finden Sie Hier.