Systemy oświetleniowe - Dimmery cz. I

W lampach inteligentnych regulacja strumienia świetlnego jest „zaszyta” wśród wielu parametrów, jakimi w danym urządzeniu może sterować operator.

A co ze światłem konwencjonalnym, które – co prawda już w nieco mniejszym niż jeszcze kilkanaście lat temu – jednak wciąż w znacznym stopniu jest używane, szczególnie w teatrach, operach, domach kultury, itp? W przypadku PAR-ów, fresneli, PC-tów, spotów i innych lamp (nie mówiąc już o followspotach) też chcemy mieć możliwość sterowania intensywnością ich świecenia. W tym jednak przypadku niezbędne będzie dodatkowe, zewnętrzne urządzenie, czyli właśnie bohater tego (i następnego też) artykułu.

STEROWANIE INTENSYWNOŚCIĄ ŚWIATŁA CZYLI ŚCIEMNIANIE

Trzeba na wstępie nadmienić, że istnieją inne sposoby niż zmiana parametrów elektrycznych zasilania lampy (napięcia, prądu), pozwalające ograniczyć maksymalną moc światła „produkowanego” przez klasyczne lampy. Są to sposoby mechaniczne, w których właśnie za pomocą dodatkowych urządzeń mechanicznych, instalowanych na wylocie wiązki świetlnej, ograniczany jest strumień światła wyprodukowany przez źródło. Są to przesłony, np. shutter, iris, barndoor, shutter sterowany elektronicznie, itp. Strumień światła można też ograniczać za pomocą neutralnych (nie koloryzujących) filtrów. Jednak najpopularniejszą metodą ściemniania lamp jest sterowanie ich mocą (poprzez zmianę napięcia lub prądu) za pośrednictwem dimmerów.

Jej zaletą jest możliwość sterowania dużą liczbą dimmerów, a więc i dużą liczbą urządzeń oświetleniowych, nie ruszając się z miejsca, czyli zza konsolety (szczególnie jeśli sterujemy nimi cyfrowo, za pomocą DMX512, a nie analogowo – bo też i takie rozwiązania można jeszcze spotkać, np. w teatrach czy domach kultury). Mają jednak dimmery również wady, i to sporo – a wśród nich bodajże najbardziej niepożądaną, bo wpływającą na parametry świetlne urządzenia, jest zmiana temperatury barwowej wraz ze zmniejszaniem napięcia zasilającego źródło światła lamp konwencjonalnych (wady tej pozbawione są „ściemniacze” mechaniczne). W efekcie tego na wyjściu uzyskujemy bardziej żółte światło (o niższej temperaturze barwowej), czyli – mówiąc inaczej – przesunięte w spektrum barwowym bardziej w kierunku czerwieni. To z kolei wpływa na „pracę” filtrów założonych na wylocie światła – nie tylko na kolor, ale również i na jasność odfiltrowanego światła.

ŁYK HISTORII

Z historycznego punktu widzenia pierwsze konstrukcje dimmerów to urządzenia rezystancyjne (używane począwszy od lat 20-tych do 70-tych ubiegłego wieku), następnie dławikowe (lata 40-60 XX wieku), tyratronowe (czyli lampowe, cieszące się największą popularnością w latach 50.), autotransformatorowe (lata 60. i 70.), po używane po dziś dzień konstrukcje tyrystorowe (od lat 60.), triakowe (od lat 70. ubiegłego stulecia), na najnowszych konstrukcjach opartych o tranzystory IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką) kończąc. Pierwsze dimmery były bardzo niewygodne, tak w działaniu, jak i instalowaniu, były to bowiem ogromne „ustrojstwa” zajmujące sporo miejsca, a przy tym grzejące się niemiłosiernie. Pomimo upływu czasu i rozwoju miniaturyzacji w elektronice, która sprawiła, że obecnie dimmery mogą przyjmować wręcz kompaktowe wymiary, problem temperaturowy jest cały czas aktualny (ale o tym w kolejnym numerze).

O ile prawie do końca ubiegłego wieku, a przynajmniej do lat 90. tegoż stulecia, w zasadzie niepodzielnie królowały dimmery analogowe, o tyle wiek XXI wprowadził nas praktycznie niepodzielnie w technologię cyfrową, która i w technice regulacji światła zagościła na dobre. Aczkolwiek tu i ówdzie można jeszcze spotkać analogowe urządzenia, choć nikt już w zasadzie nie używa ich w tzw. rentalu (czyli w systemach mobilnych). Natomiast w teatrach czy lokalnych domach kultury takie „zabytki” wciąż można znaleźć, i to, co ciekawe, wciąż pracujące!

ŁYK TECHNIKI

Nie jest intencją tego artykułu szczegółowe omawianie zasad działania dimmerów, jednakże bez odrobiny technicznego wprowadzenia w tematykę pracy tych urządzeń może być trudno zrozumieć tematy, które będziemy poruszać w dalszej części tego artykułu i w następnym wydaniu LSI. Dlatego też poświęćmy parę minut na dosłownie kilka zdań wprowadzenia do tematu zasad pracy współcześnie wykorzystywanych dimmerów.

Dimmery generalnie, jeśli chodzi o budowę, można „rozłożyć” na następujące bloki funkcyjne: sekcja sterowania mocą, sekcja redukcji zakłóceń interferencyjnych, sekcja synchronizacji i sekcja sterowania. Sekcja sterowania mocą najpopularniejszych obecnie dimmerów składa się – w dużym uproszczeniu – z dwóch tyrystorów. Jest ich dwa, bowiem tyrystor jest urządzeniem „jednokierunkowym” (przepuszcza prądy tylko w jednym kierunku), a więc aby „obsłużyć” napięcie w sieci, które ma przebieg sinusoidalny, musimy dysponować dwoma takimi elementami, połączonymi jak na rysunku 1.

Dzięki temu jeden tyrystor pracuje dla połówek dodatnich, a drugi dla ujemnych. Tańsze dimmery mogą być zbudowane w oparciu o triaki, które są elementami dwukierunkowymi. W związku z tym potrzeba tylko jednego takiego elementu, stąd – między innymi – mniejszy ich koszt niż dimmerów tyrystorowych. Tyrystory i triaki charakteryzują się małymi stratami, a przez to dużą sprawnością. Dobrze też potrafią zarządzać podłączonym doń obciążeniem, tak że np. w przypadku 3-kilowatowych dimmerów są one w stanie sterować mocą w zakresie już od 60 W do 3.000 W. Zasada działania dimmera tyrystorowego przedstawiona jest na rysunku 1.

Generalnie zadaniem stopnia sterowania mocą jest „wykrojenie” z sinusoidalnego przebiegu mocy zasilającej urządzenia podłączone do wyjścia dimmera na tyle dużego fragmentu , aby w efekcie dostarczyć do tych urządzeń tylko część mocy, jaką niesie ze sobą pełny przebieg sinusoidalny. Odbywa się to przez takie sterowanie tyrystorami T1 i T2, aby otwierały się one tylko przez odpowiedni fragment czasu trwania „ich” połówek sinusoidy. Sterowanie to z kolei polega na podawaniu na bramki tyrystorów (G1 dla tyrystora T1 i G2 dla tyrystora T2) elektronicznie generowanych impulsów, przez co prąd do obciążenia płynie dopiero w momencie pojawienia się takiego impulsu „otwierającego” tyrystor. Impulsy te są generowane z częstotliwością sieci, czyli 50 Hz, a czas ich pojawienia się w stosunku do początku fali sinusoidalnej (czyli odpowiadające temu czasowi przesunięcie fazowe impulsów) określa ilość mocy wysłanej na wyjście. Ta ilość mocy odpowiada polu powierzchni „wyciętego” fragmentu sinusoidy.

Cały ten opis staje się o wiele mniej zagmatwany, gdy spojrzymy na rysunek 2. Pierwszy wykres to przebieg napięcia zasilającego, zanim zostanie „okrojony” w tyrystorach. Na drugim schemacie mamy wykres impulsów sterujących bramkami tyrystorów (dodatnie sterują bramką B1 z rysunku 1, a ujemne B2). Wykres trzeci to wynikowy przebieg napięcia wyjściowego, które trafia do obciążenia (lampy). W tym przykładzie impulsy znajdują się w połowie czasu trwania pojedynczej połówki sinusoidy, a więc tyrystory będą przewodziły tylko przez połowę czasu trwania sinusoidy, toteż moc dostarczana do urządzenia będzie stanowiła połowę mocy dostępnej.

Jak widać na rysunku 2c, wygląd przebiegu napięcia przesyłanego do zasilanej lampy daleki jest od sinusoidalnego, stąd więc – jeśli dokonalibyśmy analizy częstotliwościowej takiego sygnału – oprócz prążka podstawowego o częstotliwości 50 Hz pojawi się szereg innych, o częstotliwościach wyższych, których udział w sygnale wynikowym jest znaczny. To oznacza, że sygnał wyjściowy charakteryzować się będzie dużym współczynnikiem zniekształceń nieliniowych.

REDUKCJA ZAKŁÓCEŃ

Zniekształcanie przebiegu fali sygnału zasilającego urządzenia podłączone do dimmera to nie jedyny problem. Idea pracy tyrystorów i triaków, polegająca na szybkim, gwałtownym załączaniu napięcia zasilającego (a więc i skokowym załączaniu przepływu prądu), powoduje, że dimmery takie są źródłem zakłóceń interferencyjnych. Efekt jest taki sam, jak byśmy co chwila załączali i wyłączali napięcie zasilające w jakimś obwodzie wysokiej mocy – postawmy „w okolicy” odbiornik radiowy lub telewizyjny (szczególnie starszego typu) i zobaczmy, jaki efekt wizualny (w przypadku TV) i audialny on wywoła. Generalnie masa trzasków i innych niepożądanych artefaktów. Interferencje powodowane przez pracujące dimmery są szczególnie niebezpieczne, jeśli urządzenia te pracują w bliskim sąsiedztwie systemów audio lub wideo.

Dlatego też aby zminimalizować niepożądany wpływ dimmerów na inne urządzenia, wrażliwe na zakłócenia interferencyjne, producenci instalują w nich obwody tłumiące. Przykładem takiego najprostszego obwodu redukującego zjawisko interferencji jest zainstalowany na wyjściu dławik (cewka) z rdzeniem ferromagnetycznym. Sprawia ona, że prąd w obwodzie nie pojawia się gwałtownie (skokowo), ale z pewnym czasem narastania. Stąd właśnie pomysł na redukcję zakłóceń interferencyjnych, polegający na zwiększeniu czasu narastania zbocza wznoszącego. Idea jest taka, iż czas potrzebny, by napięcie na tym zboczu wzrosło z 10% do 90% wartości maksymalnej, przy pełnym obciążeniu dimmera na wyjściu, był odpowiednio większy niż w układach czysto tyrystorowych. Mówiąc inaczej, zwiększyć czas, w którym prąd narasta od 0 do wartości maksymalnej, co jest uzależnione od wielkości (indukcji) dławika.

Średnie czasy przełączania (czyli czasy narastania zbocza) dimmerów tyrystorowych bez dławika oscylują w granicach 2-3 mikrosekund; zainstalowanie na wyjściu dławika zwiększa ten czas do 80-500 mikrosekund. Generalnie im dłuższe czasy narastania, tym większe dławiki są potrzebne, ale też i mniejsze zakłócenia generowane przez dimmer. Jednakże duże dławiki przekładają się wprost na duże rozmiary dimmerów, a nie zawsze wielkość i waga urządzenia są bez znaczenia (np. w przypadku systemów mobilnych).

Poniżej, w tabeli, można znaleźć sugestie, jakie urządzenia – kierując się parametrem czasu narastania (rise time) – stosować się powinno w różnych aplikacjach. Generalnie w instalacjach mniej wymagających, gdzie nie ma konieczności zapewnienia wysokiej jakości systemów audio i/lub wideo, można używać dimmerów o mniejszym czasie narastania. W instalacjach bezkompromisowych powinno się używać urządzeń możliwie jak najlepszych, pod względem intensywności generowanych zakłóceń.

W tańszych dimmerach możemy spodziewać się używania triaków zamiast tyrystorów. Te pierwsze jednak mają nieco gorszą charakterystykę pracy. Oczywiście można je stosować w mniej wymagających aplikacjach, np. teatrach, jednak należy ich unikać w bardziej rozbudowanych systemach, właśnie z powodu nieco gorszych charakterystyk pracy i większych zakłóceń przezeń emitowanych.

W związku z generowaniem przez dimmery zakłóceń interferencyjnych wszędzie tam, gdzie to możliwe (szczególnie w nowych instalacjach, projektowanych od podstaw) należy stosować zasadę prowadzenia kabli dimmerowych (nie tych sterujących, ale wyjściowych, zasilających urządzenia oświetleniowe) własnymi, odseparowanymi od innych – szczególnie okablowania audio i wideo – duktami. Jeśli nie ma możliwości całkowitego odseparowania ich od innych przewodów, staramy się prowadzić kable dimmerowe razem z przewodami zasilającymi, oświetleniowymi, oświetlenia roboczego, itp. Natomiast – jak wspomniałem – nigdy nie powinny być prowadzone razem z przewodami audio i/lub wideo ani też prowadzone równolegle do nich, nawet gdy są umieszczone we własnych duktach. Jeśli już zajdzie konieczność skrzyżowania dróg kabli dimmerowych oraz audio/ wideo, należy umieszczać je względem siebie pod kątem prostym, aczkolwiek – jeśli tylko jest to możliwe – unikać nawet takich „bliskich spotkań”.

ZAKŁÓCENIA AKUSTYCZNE

Na koniec tego artykułu (ale nie tematu dimmerów, bowiem wrócimy jeszcze do niego w kolejnym numerze) parę zdań o niepożądanych efektach akustycznych, jakich źródłem są pracujące dimmery.

Jak już to było wyżej opisane, podczas procesu ściemniania na wyjściu dimmera generowana jest fala odbiegająca dość znacznie swym kształtem od fali sinusoidalnej, a więc „bogata” w harmoniczne. Dotyczy to zarówno zakresu wyższych, jak i niższych częstotliwości (gdzie pojawiają się już składowe będące wielokrotnością częstotliwości napięcia sieci zasilającej 50 Hz, a więc częstotliwości 100, 150, 200 Hz, itd.) W tym drugim przypadku może to być powodem powstawania wibracji żarników lamp podłączonych do wyjścia dimmera. Efekt ten może być słyszalny w postaci brzęczenia dochodzącego z wnętrza lamp i jest ono tym głośniejsze, im dłuższym żarnikiem dysponuje dana lampa, np. tradycyjne (nie LED-owe) naświetlacze czy Parcany. Natomiast lampy z bardziej kompaktowymi źródłami światła, jak np. fresnele czy profile, wykazują mniejszą tendencję do wydawania podobnych odgłosów podczas współpracy z dimerami. Podobnie jak to ma miejsce w przypadku emisji szkodliwych zakłóceń interferencyjnych, redukcja brzęczenia lamp jest również możliwa poprzez zwiększanie czasu narastania zboczy sygnałów zasilających.

Jacek Sitarski