Dimmery cz. II - rodzaje dimmerów

DIMMERY INDYWIDUALNE

O ile dawne konstrukcje dimmerów charakteryzowały się niezmiennie dużymi gabarytami i wagą, o tyle współczesne rozwiązania konstrukcyjne pozwalają na wytwarzanie wręcz kompaktowych urządzeń oraz na ich integrację z urządzeniami oświetleniowymi (np. z follow spotami) lub instalowanie na urządzeniach lub konstrukcjach.

Do tego typu urządzeń należą dimmery Pakpak Entertainment Technology (obecnie członek grupy Philips) oraz ES1 firmy ETC. Pierwszy z nich to dimmer IGBT (co to takiego, o tym w dalszej części artykułu), dostępny w wersji o mocy 750 W i 1.200 W, o kompaktowych rozmiarach pozwalających na jego zainstalowanie na jarzmie (yoke) lampy. Urządzenie jest wyposażone w mikroprocesor odpowiadający m.in. za kompensację napięcia, sterowanie urządzeniem przez DMX, podręczną pamięć, a także monitorowanie przepływu prądu, dzięki czemu powoduje wyłączenie urządzenia w przypadku zbyt dużego obciążenia lub zwarcia na wyjściu, bez potrzeby instalowania fizycznego zabezpieczenia w postaci bezpiecznika czy automatycznego wyłącznika nadprądowego.

Dimmery indywidualne, takie jak Bakpak Philipsa (z lewej) i ES1 ETC (z prawej) można montować bezpośrednio na urządzeniach, np. na jarzmach (yoke) – jak na zdjęciu z prawej.

Urządzenie firmy ETC wykonane jest z kolei w technologii Electronic Silent, dzięki czemu hałas jego pracy wynosi dokładnie 0 dB. Chłodzony konwencjonalnie, podobnie jak Bakpak, przeznaczony jest to pracy z lampami halogenowymi, oferując maksymalnie 1.500 W mocy. Jest równie niewielki jak wcześniej opisywany produkt Philipsa i tak samo sterowany przez DMX.
Ceny dimmerów indywidualnych wahają się w granicach 300-400 euro za sztukę.

DIMMERY PRZENOŚNE

Dimmery przenośne to urządzenia modułowe, zawierające 3, 6 lub 12 dimmerów (kanałów). Tego typu urządzenia oferowane są przez liczne grono producentów, np. Zero 88 (Betapack), ADB (Micropack), Pulsar (6 pack), Strand Lighting (Act 6) i wielu innych. Przeważnie wyposażone są w bezpiecznik o dość niskim watażu, nie są też przeznaczone do pracy permanentnej. „Lubią” też hałasować, bowiem ich czas narastania to ok. 80 mikrosekund. Są za to stosunkowo tanie (średni koszt to ok. 100 euro na kanał), co jest ich bezsporną zaletą, dzięki czemu znajdują zastosowanie w klubach, szkołach, małych teatrach i firmach rentalowych.

Dimmery przenośne to urządzenia modułowe, zawierające 3, 6 lub 12 dimmerów (kanałów), które mogą być sterowane przez DMX, albo za pomocą wbudowanych fizycznych suwaków.

Na rynku jest też dostępnych sporo przenośnych dimmerów, często przystosowanych do montażu w racku, o nieco lepszych parametrach – wyposażonych w większe dławiki (dłuższe czasy narastania rzędu 250 mikrosekund), a przez to wytwarzających mniej zakłóceń interferencyjnych i akustycznych. Przykładem takich urządzeń są np. ADB Memopack i Memorack czy ETC Smartpack. Najczęściej spotykane konfiguracje to 6 i 12-kanałowe (3 kW) oraz 3 i 6 kanałowe (5 kW). Cena tych urządzeń kształtuje się w okolicy 200 euro za kanał w przypadku dimmerów 3-kilowatowych i 300 euro dla modeli 5-kilowatowych.

DIMMERY DYSTRYBUCYJNE

Rozwój elektroniki i pojawienie się bipolarnych tranzystorów IGBT pozwolił nie tylko na skonstruowanie dimmerów mniej zakłócających, ale też o mniejszych gabarytach i wadze. Tak powstały nie tylko dimmery indywidualne, ale również dystrybucyjne, wykonane w obudowach (w formie „listwy”) pozwalających na ich montaż np. bezpośrednio na trussach. Typowe wartości czasów narastania tego typu dimmerów wynoszą 800 mikrosekund, są więc „przyjazne dla otoczenia”, tak że mogą być stosowane również w studiach telewizyjnych czy koncertowo-nagraniowych. Cena tego typu urządzeń kształtuje się w granicach 300 euro (za kanał) przy dimmerach 3-kilowatowych i 550 euro (również za kanał) w dimerach 5 kW.

DIMMERY RACKOWE

Dimmery montowane w rackach, przeważnie wyposażonych w kółka, to sprzęt wybitnie do zastosowań mobilnych, a więc przez firmy rentalowe. I tam też w głównej mierze znajdują one swoje miejsce. Tego typu urządzenia ma w swojej ofercie wielu producentów, ale do najbardziej popularnych należą produkty firm ADB, ETC, Avolites czy Celco. Urządzenia te często wyposażone są we wbudowane wentylatory chłodzące oraz w standardowe dławiki, dlatego mogą być źródłem zakłóceń akustycznych i interferencyjnych. Stąd – w przypadku ewentualnego ich zastosowania w takich miejscach jak studia telewizyjne czy nagraniowe – trzeba sprawdzić w specyfikacjach takie parametry jak czas narastania i emitowany szum (lub inne zakłócenia akustyczne).

Dimmery rackowe mogą być specjalnie do tych celów zaprojektowanymi urządzeniami, jak np. Art 2000 Power Cube Avolites.

Dimmery rackowe  mogą być specjalnie do tych celów zaprojektowanymi urządzeniami, jak np. Art 2000 Power Cube Avolites, jak i zbudowanymi w oparciu o moduły dimmerów przenośnych, np. ADB Memorack czy ETC SmartPack.

DIMMERY INSTALACYJNE

Dimmery instalacyjne można podzielić na „podłogowe”, tzn. instalowane bezpośrednio na podłodze oraz „naścienne”, tzn. montowane na ścianie. Można je też sklasyfikować – pod względem liczby dimmerów/kanałów w jednym urządzeniu – jako średniej i dużej „gęstości”. Tego typu urządzenia nie mają gniazd przyłączeniowych, jak dimmery mobilne, ale całe okablowanie jest podłączone na stałe i wyprowadzone w formie wiązek kabli wielożyłowych. Dimmery instalacyjne są bardziej ekonomiczne od mobilnych pod tym względem, iż w urządzeniach tych jeden mikroprocesor kontroluje 12, 24 lub 36 dimmerów w jednym module/obudowie, w porównaniu do 6 czy maksymalnie 12 dimmerów w urządzeniach przenośnych. Z kolei duże urządzenia często zawierają w jednej obudowie nawet 96 dimmerów (kanałów), niejednokrotnie o różnych mocach: 3, 5/6 i 10/12 kW.

Cena dimmerów średniej „gęstości” kształtuje się w okolicy 200 euro (3 kW) i 330 euro (5 kW), za kanał, zaś w dimmerach dużej „gęstości” przelicznik na kanał wygląda następująco: 300 euro (3 kW) i 500 euro (5 kW). Ceny nowych konstrukcji opartych na tranzystorach IGBT są o ok. 20% większe od dimmerów tradycyjnych. Wysokiej jakości dimmery „średnie” – jak np. tyrystorowe ADB Eurorack czy ETC Unison, lub triakowe Stranda LD90 – charakteryzują się czasem narastania rzędu 200 mikrosekund. W przypadku dużych dimmerów instalacyjnych, np. ADB Eurodim 3, Colortran i96, ETC z serii Sensor czy Strand Lighting SLD96 czasy te są nawet ponad dwa razy większe, dochodząc do 500 milisekund. Jak już wiemy, dimmery tyrystorowe i trakowe to nie „ósmy cud świata” i swoje wady mają, i to całkiem sporo. Wystarczy wymienić „produkowanie” zniekształconego napięcia zasilającego, głośna praca – zarówno ich samych, jak i podłączonych do nich lamp, czyli tzw. lamp sing, duże rozmiary, spowodowane koniecznością stosowania sporych cewek tłumiących wspomniane zniekształcenia czy wytwarzanie ogromnych ilości ciepła, które trzeba rozproszyć. Lekarstwem na większość tych „dolegliwości” są nowe konstrukcje oparte na tranzystorach

IGBT

Co to są te tranzystory IGBT? Nazwa pochodzi od pierwszych liter rozwinięcia tego skrótu, co z angielska brzmi Insulated Gate Bipolar Transistor, czyli – po naszemu – tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Tranzystor IGBT powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS. Utworzona w ten sposób struktura ma pozytywne cechy obu elementów – łatwość sterowania tranzystorów polowych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych – i stanowi półprzewodnikowy łącznik przydatny do układów o mocy nawet kilkuset kilowatów i pracujący z częstotliwością przełączania sięgającą 50 kHz. Maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 6 kV, a prądy znamionowe mogą mieć wartości do 4 kA. W czym konstrukcje dimmerów oparte na tranzystorach IGBT są lepsze od „tradycyjnych”, wyposażonych w tyrystory i triaki?

FFT przebiegu napięć i prądu z poprzedniego rysunku – napięcie i prąd na wyjściu są „bogate” w wyższe harmoniczne.

Jak może pamiętamy z poprzedniego artykułu zasada pracy dimmerów konwencjonalnych polega na załączaniu napięcia – w odpowiednim momencie czasu połówki sinusoidy napięcia przemiennego – co odbywa się w sposób raptowny. Taki skok napięcia, w którym osiąga ono wartość od 0 do – w „najgorszym” przypadku – maksymalnej wartości napięcia zasilającego trwa kilka mikrosekund, a więc i jednocześnie równie gwałtownie następuje załączenie przepływu prądu przez obciążenie (lampę). Taka „postrzępiona” sinusoida – gdy poddamy ją analizie częstotliwościowej – bogata jest w wyższe harmoniczne, a dodatkowo raptowny skok napięcia i prądu wywołuje szkodliwe interferencje. Redukowaniem tych szkodliwych zjawisk w dimmerach tyrystorowych i triakowych „zajmuje się” układ tłumiący, czyli – w najprostszej wersji – sporych rozmiarów cewka (dławik), włączona między wyjściem stopnia końcowego dimmera a obciążeniem. Jak nietrudno się domyśleć, jest ona niczym przysłowiowa kula u nogi urządzenia, przez co jest ono cięższe, stosunkowo duże gabarytowo i mniej efektywne (dodatkowy spadek napięcia na cewce). Ponadto niezbędne jest wydajne rozpraszanie generowanego w niej ciepła oraz stosowanie odpowiednich elementów, zdolnych do „wytrzymania” tak dużych skoków wartości prądu. Widać więc, że pozbycie się już samej cewki – oczywiście nie kosztem pogorszenia czasu narastania zbocza przedniego i tym samym właściwości dimmera – to kusząca opcja, pozwalająca na zmniejszenie wagi i wymiarów urządzeń oraz właściwości cieplnych.

Pozwala na to właśnie zastosowanie, zamiast tyrystorów i triaków, tranzystorów IGBT. Zasada pracy takich dimmerów nazywana jest odwrotnym sterowaniem fazy (reverse phase control – w skrócie RPC). Idea ta polega na tym, że napięcie na wyjściu urządzenia rośnie w takt zmian fali sinusoidalnej, a więc załączenie następuje w punkcie, gdzie wykres fali przecina wartość 0, natomiast wyłączenie napięcia (a co za tym idzie przepływu prądu przez obciążenie) następuje w odpowiednim momencie czasu trwania połówki sinusoidy, przy czym jest ono mniej raptowne, niż załączanie napięcia w dimmerach tyrystorowych (patrz rysunek). To sprawia, że pomimo tego, że kształt wyjściowego sygnału sterującego urządzeniami oświetleniowymi jest wciąż daleki od ideału, czyli od „czystej” sinusoidy, gdyż w dalszym ciągu jest „postrzępiony” (a więc w dalszym ciągu zawiera sporo wyższych harmonicznych), to jednak z uwagi na brak występowania gwałtownych skoków wartości prądu płynącego przez obciążenie nie ma konieczności stosowania dużych dławików, a więc nie ma również niepożądanych spadków napięć na tym elemencie. I rzeczywiście, jeśli spojrzymy na średnią wartość parametru „czas narastania” (rise time) dimmerów RPC, którego wartość jest większa od 800 s zauważymy, że urządzenia tego typu wypadają nawet lepiej od wysokiej klasy, broadcastowych dimmerów tyrystorowych, których czas narastania zawiera się w granicach 400-600 mikrosekund, przy czym dławiki w nich stosowane są naprawdę ogromne. Tak duża wartość rise time sprawia, że urządzenia oświetleniowe podłączone do wyjść dimmerów RPC nie „śpiewają”, tzn. do minimum zostały ograniczone drgania żarników lamp. Oprócz cichej pracy lamp zyskujemy również na wydłużeniu czasu ich „życia”, bowiem żarniki narażone na nieustanne drgania podlegają naprężeniom, co nie wpływa pozytywnie na ich żywotność.

Co prawda efektywność dimmerów z tranzystorami IBGT jest mniejsza niż dimmerów tyrystorowych, bowiem spadek napięcia na tranzystorach wynosi ok. 3,5 V, w porównaniu z 0,7-woltowym spadkiem na tyrystorach, dotyczy to jednak „czystych” dimmerów, tzn. bez uwzględnienia dławika tłumiącego zakłócenia interferencyjne. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę również spadek napięcia na tym elemencie, a przecież jest on w zasadzie nieodłączną częścią składową dimmerów, okaże się, że efektywność dimmerów IGBT jest wyższa od takiej hybrydy (spadek napięcia odnotowany na wyjściu dimmera wyposażonego w dławik tłumiący to średnio 8-10 V). Reasumując, do zalet dimmerów RPC z tranzystorami IGBT należy zaliczyć mniej ciepła koniecznego do rozproszenia, mniejsze zakłócenia interferencyjne i akustyczne wywoływane przez podłączone do nich urządzenia oświetleniowe oraz mniejsza waga i gabaryty. OK., a wady? Są, a jakże. Pierwsza i najistotniejsza to cena, która jest wyższa, niż dimmerów „klasycznych”, co często jest niestety czynnikiem decydującym o zakupie bądź nie urządzenia. Ponadto dimmery RPC mogą bezkonfliktowo współpracować z lampami żarowymi oraz niskonapięciowymi transformatorami (generalnie – z obciążeniami rezystancyjnymi i pojemnościowymi), jednak są bezużyteczne w przypadku obciążeń indukcyjnych. Neony, balasty magnetyczne, wentylatory i małe silniki elektryczne generują destrukcyjną energię wsteczną, gdy są „zasilane” z dimmerów RPC. W przypadku tego typu obciążeń, jeśli dimmer nie ma opcji przełączenia w tryb FPC (forward phase control), czyli taki, jak w „klasycznych” dimmerach tyrystorowych, nie powinny one być używane.

DIMMERY SINUSOIDALNE

To nie koniec „nowości” w technologii ściemniania światła i nie koniec rozwiązań, w których znalazły swoje miejsce tranzystory IBGT. Pomimo licznych zalet dimmerów RPC wciąż mamy do czynienia z sygnałem zasilającym urządzenia podłączone do wyjść dimmera, który dalece odbiega swoim kształtem od sinusoidy, a więc jest mocno „zanieczyszczony” wyższymi harmonicznymi. Kolejnym krokiem w rozwoju urządzeń służących do kontrolowania intensywności światła jest konstrukcja, która właśnie taki przebieg napięcia sterującego zapewnia – dimmer sinusoidalny (sine wave dimmer). Jak działa takie „ustrojstwo”?

Ideę pracy dimmera sinusoidalnego można w skrócie opisać dwoma słowami – „elektroniczny autotransformator”. Wykorzystuje się do tego technologię modulacji szerokości impulsu (PWM – pulse width modulation), powszechnie stosowaną np. w cyfrowych wzmacniaczach akustycznych. Polega ona na „poszatkowaniu” z częstotliwością – typowo – 30-50 kHz przebiegu sinusoidalnego na wiele impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie i zmiennej szerokości, odpowiadającej aktualnej wartości amplitudy sygnału analogowego (napięcia). Oczywiście, aby na wyjściu takiego układu znów otrzymać „gładki” sygnał, w naszym przypadku sinusoidalny, trzeba zastosować filtrację sygnału, przy czym filtry wyjściowe stosowane w dimmerach sinusoidalnych są nieporównywalnie mniejsze, niż w dimmerach tyrystorowych i triakowych.

Zasada pracy dimmerów konwencjonalnych polega na raptownym załączaniu napięcia, w odpowiednim momencie czasu połówki sinusoidy.

A’propos nazewnictwa – tak naprawdę „dimmer sinusoidalny” nie jest precyzyjnym określeniem tego urządzenia, bowiem nie tylko sygnał sinusoidalny można otrzymać na jego wyjściu. Jeśli sygnałem wejściowym jest np. prostokąt, taki też kształt sygnału otrzymamy na wyjściu. Generalnie – co wchodzi, to samo wychodzi, tylko z inną, regulowaną przez użytkownika amplitudą. Może nie idealnie to samo, ale na przykład w przypadku nas najbardziej interesującego sygnału sinusoidalnego, zniekształcenia (czyli procent zawartości wyższych harmonicznych) są rzędu 1-2%, a więc naprawdę bardzo małe!
Z uwagi na to, że w dimmerach sinusoidalnych tranzystory IGBT pracują w formie szybkich przełączników, tylko w stanach – mówiąc bardzo ogólnie – otwarcia lub zamknięcia, ich efektywność jest bardzo wysoka, rzędu 98% dla napięcia 230 V i 96% dla 120 VAC. Są więc bardziej wydajne niż dimmery również wyposażone w tranzystory IGBT, ale pracujące na zasadzie regulacji fazy (czyli opisywane wcześniej RPC i FPC).

ZALETY DIMMERÓW SINUSOIDALNYCH

Jak widać dimmery sinusoidalne uwalniają nas od problemów związanych z występowaniem dużych zniekształceń sygnału zasilającego układy oświetleniowe i hałasu samych dimmerów, jak i żarników lamp, którymi sterują. Jedyny hałas emitowany przez same urządzenia to wentylatory. Pozwala to na mniej rygorystyczne podejście do wyboru miejsca ustawienia/instalowania dimmerów. Ale to nie wszystkie ich zalety. Z uwagi na konieczność zastosowania w nich zaawansowanych technologii cyfrowych mogą one oferować dodatkowe funkcje, których nie znajdziemy w dimmerach klasycznych. Na przykład ciągłe monitorowanie obciążenia oraz odpowiednią, automatyczną reakcję na wystąpienie niepożądanych zjawisk, np. chwilowych zwarć, pozwalając urządzeniu wrócić do pełnej funkcjonalności po ustąpieniu zjawiska. Tak więc, choć dimmery sinusoidalne z uwagi na wymogi prawne są wyposażone w zabezpieczenia w postaci bezpieczników czy wyłączników nadprądowych, w zasadzie bardzo rzadko zdarza się, aby były one potrzebne, a ich zadziałanie ma miejsce tylko w przypadku wystąpienia jakiejś poważnej awarii.

W przypadku dimmerów SCR efektywność filtracji harmonicznych i szkodliwych interferencji jest w dużym stopniu uzależniona od jakości dostarczonego napięcia zasilającego. Dimmery sinusoidalne ze swej natury dość łatwo dostosowują się do nawet kiepskiej jakości zasilania, w czym wydatnie pomaga zasilacz impulsowy, który jest integralną częścią tego typu urządzeń.  Pracując z dimmerami klasycznymi, jeśli zachodzi potrzeba ściemniania urządzeń o niższym napięciu zasilania niż standardowe 230 V, niezbędne będzie użycie transformatora. To zwiększa koszty, wymaga dodatkowego miejsca, a także – podobnie jak w przypadku filtrów dławikowych – jest powodem zakłóceń akustycznych. W przypadku dimmerów sinusoidalnych użytkownik sam może określić maksymalną wartość napięcia wyjściowego, dzięki czemu można doń bezpośrednio podłączyć urządzenia pracujące z napięciem 12 V, 24 V, 28 V, 80 V, itd.

Idea pracy dimmerów RPC polega na tym, że napięcie na wyjściu rośnie w takt zmian fali sinusoidalnej, natomiast wyłączenie napięcia następuje w odpowiednim momencie czasu trwania połówki sinusoidy.

Jeśli chcemy podłączyć urządzenie inteligentne, które wymaga „czystego” napięcia zasilającego, niezbędne będzie zainstalowanie w panelu dystrybucyjnym osobnych przyłączy dimmowanych i niedimmowanych – oczywiście gdy dysponujemy tylko dimmerami SCR. Wynika to stąd, iż nawet przy regulatorach ustawionych „na maksa”, występują straty sygnału – choćby po przejściu przez dławik wyjściowy – a nawet minimalne zmniejszenie napięcia wyjściowego wiąże się z istotnym wzrostem zniekształceń, co dla urządzeń inteligentnych może być nie do zaakceptowania. Do wyjść dimmerów sinusoidalnych można ze spokojnym sercem podłączać tego typu urządzenia, bowiem mamy pewność uzyskania niezakłóconego sygnału sinusoidalnego, dodatkowo z kompensacją napięcia sieci. I nawet w przypadku nieumyślnego zmniejszenia napięcia na wyjściu w dalszym ciągu zachowa ono kształt sinusoidalny i nie wywoła żadnych negatywnych „działań” ze strony podłączonej lampy (w najgorszym wypadku wyłączy się ona, gdy napięcie zostanie zbytnio zmniejszone).
Mało tego, w przypadku np. braku możliwości zainstalowania balastu w miejscu pracy urządzenia z lampą wyładowczą (wynikającą choćby z braku miejsca na wielgachny balast) nie musimy łączyć ich długimi, nieporęcznymi (i drogimi) kablami – dimmer sinusoidalny doskonale sprawdzi się w tej roli, oczywiście pod warunkiem, że weźmiemy pod uwagę jego możliwości prądowe. Również lampy z zimną katodą oraz neonowe można zasilać z dimmerów sine wave.

Oczywiście są i wady, a w zasadzie jedna – dimmery sinusoidalne są dużo, dużo droższe od tradycyjnych tyrystorowych i triakowych. Wynika to z dość skomplikowanej technologii ich wykonania, ale również i z tego, że jest to w dalszym ciągu „nowość”. Wydaje się jednak, że tak czy siak przyszłość należy właśnie do tego typu urządzeń, a układy tyrystorowe powoli zaczną odchodzić do lamusa.