Aufbau- und Funktionsweise des Dimmers

Das Prinzip:

Normalerweise wird an eine Lampe 230V Wechselspannung angelegt. Das heißt der Spannungsverlauf sieht so aus, wie das folgende Bild zeigt:



Aus diesem Grund läßt sich die Helligkeit der Lampe recht einfach regeln. Man schaltet sie einfach schnell ein und aus indem man die Lampe zu Beginn jeder Halbwelle mehr oder weniger lange von der Spannungsversorgung trennt. Wie der Spannungsverlauf an der Lampe aussieht, wenn sie nur 50% ihrer normalen Leißtung abgibt zeigt das folgende Bild:



Diese Ansteuerung hat zusätzlich den Vorteil, daß es egal ist, wieviel Watt die angeschlossene Lampe hat. Ob 25 oder 500 Watt, die Maximalleistung wird bei allen Lampen um dem gleichen eingestellten Faktor verringert. Zur Ansteuerung der Lampen werden Triacs verwendet. Sie können Wechselstrom schalten, werden leitend, sobald man ihnen einen Impuls gibt und sperren, wenn an ihnen keine Spannung mehr anliegt, also am Ende jeder Halbwelle. Um einem Triac einen Impuls zu geben wird ein Optokoppler über einen Widerstand zwischen Gate und Terminal 2 des Triacs geschaltet. Über den Optokoppler wird der Hochspannungsteil vom Rest der Ansteuerelektronik getrennt. Damit das Ganze funktioniert muß der Impuls immer zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen, nämlich immer mehr oder weniger lange nach jedem Nulldurchlauf der Versorgungsspannung.
Um das zu erreichen wird ein 100Hz RAMP Signal erzeugt, daß schlagartig ansteigt und dann linear von 5V bis 0V abfällt:



Das RAMP Signal ist abhängig von der Versorgungswechselspannung, so daß das RAMP Signal bei jedem Nulldurchlauf der Versorgungsspannung schlagartig ansteigt. Dieses RAMP Signal wird nun an den invertierten Eingang eines Operationsverstärkers angelegt. An den nichtinvertierten Eingang des OPVs wird eine Spannung von 0V bis 5V angelegt, mit der im Endeffekt die Helligkeit der Lampe geregelt wird. Diese Spannung kommt von einem digitalen Widerstand, der über das I²C Protokoll angesteuert wird. Der Ausgang des OPVs ist (über einen Widerstand) mit dem Optokoppler verbunden. Wenn nun die Spannung am nichtinvertierten Eingang des OPVs größer ist als die am invertierten Eingang, dann wird der Optokoppler "eingeschaltet" und gibt dem Triac einen Impuls. Wenn jedoch die Spannung am nichtinvertierten Eingang geringer ist als die am invertierten, so passiert nichts, d.h. der Triac bekommt keinen Impuls. Im Klartext bedeutet das: Desto geringer die Spannung vom digitalen Widerstand ist, desto später bekommt der Triac seinen Impuls und desto geringer leuchtet die Lampe. Im Extremfall, wenn die Spannung vom digitalen Widerstand 0V beträgt, bekommt der Triac nie einen Impuls, und die Lampe ist praktisch ausgeschaltet. Wenn im umgekehrten Fall die Spannung vom digitalen Widerstand 5V beträgt, dann bekommt der Triac bereits am Anfang jeder Halbwelle einen Impuls und ist praktisch dauernd leitend. Die Folge ist, daß die Lampe mit maximaler Helligkeit leuchtet. Das der Triac die Lampe immer nur bei einem Nulldurchlauf der Versorgungsspannung von dieser trennt ist, ist sehr wichtig, da so viele Störungen im Stromnetz vermieden werden.


Der Aufbau:

!!! Bevor ihr den Dimmer aufbaut müßt ihr unbedingt die Allgemeinen Hinweise und die Sicherheitshinweise lesen !!!

Im Grunde besteht der Dimmer aus zwei Teilen.
Der erste Teil ist die Spannungsversorgung und der RAMP Generator. Hier werden das RAMP Signal und die Versorgungsspannungen (+15V, +5V und -15V) für die Ansteuerelektronik generiert. Hier der Schaltplan:



Die zwei Potentiometer (P1 und P2) sind zum justieren des RAMP Signals nötig. Wer ein Oszilloskop zur Verfügung hat, sollte damit das Signal überprüfen und gegebenenfalls die Potis etwas verstellen um möglichst das Signal zu erhalten, das weiter oben abgebildet ist. Wer kein Oszilloskop hat, sollte beide Potis etwa in die Mitte stellen.

Der zweite Teil ist die Channelplatine. Ihr Umfang hängt von der Anzahl der Kanäle des Dimmers ab. Man sollte sich also zunächst überlegen, wie viele Kanäle man denn gerne hätte. Am Besten wählt man eine gerade Kanalanzahl, da in jedem Dallas IC (DS 1803) zwei digitale Widerstände enthalten sind und man sonst einen Widerstand ungenutzt lassen müßte.
Den Schaltplan für zwei Kanäle der Channelplatine des Dimmers zeigt das folgende Bild:



Für jeweils zwei Kanäle des Dimmers muß man diesen Teil einmal aufbauen. Die Anschlußpunkte GND, +5V, +15V, -15V und RAMP sind mit den jeweiligen Ausgängen der Spannungsversorgung und des RAMP Generators zu verbinden. Der Teil rechts neben den Optokopplern (MOC 3021) wird an die Netzspannung angeschlossen, deshalb sollte man diesen Teil mit Sorgfalt und gut Isoliert aufbauen. Die Triacs (BT 139-600) müssen auf ein Kühlblech geschraubt werden, welches ebenfalls gut isoliert angebracht werden muß. Wenn der Dimmer stärkere Lasten dimmen soll, dann muß natürlich auch die Zuleitung der 230V zu den Triacs und die Leitung von diesen zu den Lampen bzw. den Steckdosen für diese entsprechend dick sein. Außerdem muß natürlich auch die Feldspule des Transformators für die Spannungsversorgung der Ansteuerelektronik mit den 230V verbunden werden. Die Erdungsleitung der Zuleitung des Dimmers (grüngelb) wird natürlich mit den Erdungen der Lampen bzw. den Steckdosen für diese verbunden, aber auch mit dem Anschluß GND der Ansteuerelektronik. Über die Leitungen an den Optokopplern fließt nur ein geringer Strom, deshalb müssen diese nicht so stark ausgelegt sein. Da die Optokoppler recht klein sind liegen natürlich auch die Anschlüsse für die Hochspannungsseite und die für die Ansteuerseite recht dicht beieinander. Deshalb sollte man die drei Pins auf der Ansteuerseite an einem Rand der Channelplatine einlöten und die Pins auf der Hochspannungsseite über kleine freihängende gut isolierte Drähte mit den Triacs bzw. den Widerständen vor den Triacs verbinden.
Auf der linken Seite der Channelplatine befindet sich für jeweils zwei Kanäle ein digitaler Widerstands IC (DS1803). Um mehrere ICs über die selbe Leitung ansprechen zu können, muß man jeden IC adressieren. Dazu dienen die Pins A0 - A2 des ICs. Sie werden entweder mit GND oder mit +5V verbunden. Auf keinen Fall mit +15V oder -15V! Verbindet man einen Pin mit +5V so stellt er eine logische 1 dar, verbindet man ihn mit GND, dann stellt er eine logische 0 dar. Man muß nun jeden IC mit einer anderen Kombination einlöten damit man sie später vom Rechner aus getrennt ansteuern kann. Da es insgesamt 8 mögliche Kombinationen gibt und jeder IC zwei Kanäle ansteuert, kann man maximal 16 Kanäle über eine Leitung steuern. 16 Kanäle in einem Dimmer, der ja an einer Steckdose hängt, sollten aber auch dicke reichen.
Ganz links sieht man nun noch die zwei Anschlüsse für das I²C Protokoll: SCL = Serial Clock und SDA = Serial Data. Die SCL und SDA Anschlüsse aller ICs müssen nun miteinander verbunden werden und bilden mit dem Anschluß GND den externen Datenanschluß des Dimmers. Der I²C Anschluß hat aber einen Haken: Er ist sehr störungsanfällig und deshalb nicht für den Einsatz mit längeren Datenkabeln geeignet. Ich arbeite daran mit Hilfe von Microcontrollern das verbreitete 'DMX 512' Protokoll in das I²C Protokoll umzusetzen. Da das aber noch nicht fertig ist, müßt ihr euch mit dem I²C Protokoll begnügen. Über SCL und SDA werden nun also die Daten an den Dimmer gesendet. Wie das genau geht steht im Datenblatt zum DS1803. Ich habe aber eine Treiber-Unit für Turbopascal bzw. Delphi geschrieben (wer etwas Pascal kann, kann sie sicher auch schnell in andere Sprachen wie z.B. C oder Basic umschreiben), die das I²C Signal über den Parallelport eines Rechners ausgibt. Dazu muß SCL des externen Datenanschlusses des Dimmers mit Pin 1 des Parallelportes verbunden werden, SDA mit Pin 2 und GND mit Pin 25.

Die Ansteuerung über die Treiber-Unit läuft so ab:
Zunächst ruft ihr aus der Treiber-Unit die Procedure DimmerInit auf, die zwei Parameter erwartet: Erstens die Basisadresse, meist 378h oder 278h, könnt ihr unter Windows so nachsehen: Start -> Einstellungen -> System -> Gerätemanager -> Anschlüsse -> Verwendeter LPT Port -> Ressourcen -> erste Zahl im E/A Bereich. Achtung, das ist eine hexadezimale Zahl, wenn ihr die in Pascal verwenden wollt, müßt ihr ihr ein $ voranstellen. Als zweiten Parameter erwartet die Procedure DimmerInit eine Delay Zeit. Sie dient dazu die Sendegeschwindigkeit zu steuern, falls der Rechner zu schnell ist, oder die Verbindung zum Dimmer sehr lang oder schlecht ist. Normalerweise kann man hier 0 eintragen, falls sich aber keine Lampe dimmen läßt, oder der Dimmer nur sehr schlecht reagiert, sollte man diesen Wert auf ein paar Hundert erhöhen. Mit der Procedure DimmerSend regelt ihr dann die einzelnen Kanäle. Sie erwartet ebenfalls zwei Parameter: Erstens die Kanalnummer und zweitens den Helligkeitswert. Die Kanalnummer muß zwischen 1 und 16 liegen und der Helligkeitswert ist vom Typ byte. Damit dann auch immer der richtige Kanal geregelt wird, müssen die digitalen Widerstände im Dimmer natürlich auch so adressiert sein, wie in der Treiber-Unit vorgesehen:

IC für Kanal 01 & 02: A0=0; A1=0; A2=0;
IC für Kanal 03 & 04: A0=0; A1=0; A2=1;
IC für Kanal 05 & 06: A0=0; A1=1; A2=1;
IC für Kanal 07 & 08: A0=1; A1=1; A2=1;
IC für Kanal 09 & 10: A0=1; A1=0; A2=0;
IC für Kanal 11 & 12: A0=1; A1=0; A2=1;
IC für Kanal 13 & 14: A0=0; A1=1; A2=0;
IC für Kanal 15 & 16: A0=1; A1=1; A2=0;

Mit diesen beiden Proceduren könnt ihr nun den Dimmer steuern und eure eigenen Lichtsteuerprogramme schreiben. Die Treiber-Unit und das Datenblatt zum DS1803 gibt es unter anderem auf der Downloadseite zum freien runterladen.
Zu dem Dallas IC (DS 1803) ist noch zu sagen, daß nicht unbedingt die Version DS1803Z-010 verwendet werden muß, es gibt sie auch noch anstatt mit 10 KOhm Widertand mit 50 und 100 KOhm und in anderen äußeren Formen, die sich wahrscheinlich einfacher löten lassen. Der Widerstandswert (ob 10, 50 oder 100KOhm) dürfte in dieser Schaltung egal sein, ich habe 50 und 100 KOhm jedoch noch nicht getestet, da ich nur einen einzigen deutschen Anbieter von diesem IC gefunden habe (Reichelt), der nur die verwendete Version anbietet. Bei dieser Version sind die Pins des ICs sehr klein. Deshalb habe ich mir aus einem weichen Draht einzelne Kupferdrähtchen rausgezogen und zunächst diese an den IC gelötet. Danach kann man bequem das andere Ende der Kupferdrähtchen in die Platine einlöten.
Außerdem ist noch zu sagen, daß der Dimmer so wie er oben beschrieben ist zwar schon gut funktioniert, aber eventuell noch viele Störungen verursacht. Deshalb muß eigentlich jeder Ausgang des Dimmers noch extra entstört werden. Deshalb ist hier noch einmal der Hochspannungsteil der Channelplatine mit Entstörkomponenten abgebildet:



Ich habe diese Entstörung noch nicht in meinen Dimmer eingebaut, da ich erst einmal testen wollte, ob er überhaupt funktioniert, und habe festgestellt, daß selbst ohne diese Entstörkomponenten recht wenig Störungen von ihm ausgehen. Wenn man den Dimmer aber öfters einsetzten möchte, sollte man sie auf jeden Fall einbauen. Zu der Spule ist noch zu sagen, daß sie auf jeden Fall den Strom aushalten muß, den die angeschlossene Lampe zieht. Außerdem weiß ich nicht genau, wieviel Henry diese Spule haben muß. Vielleicht sollte man da etwas mehr als 1 mH reinsetzten.


Hinweise:

Wie man an den Schaltplänen schon sieht, sollte man nicht gerade ein blutiger Anfänger im Löten und im Bereich Elektronik sein, wenn man diesen Dimmer aufbauen möchte. Da hier auch viel mit Netzspannung hantiert wird sollte man sich damit auch ein wenig auskennen und alles sorgfältig überprüfen. Vor dem ersten Test sollte man auf jeden Fall mit einem Multimeter überprüfen, ob auch keine leitende Verbindung zwischen dem 230V Teil und der Ansteuerelektronik besteht. Außerdem sollte man beim ersten Test noch keinen Computer an den Datenanschluß anschließen, sondern erst mal die Spannung zwischen allen drei Anschlüssen des Datenanschlusses und Erde messen. Erst wenn hier keine hohen Spannungen anliegen, kann man den Rechner anschließen. Den Dimmer sollte man in jedem Fall auch in ein Gehäuse einbauen, schon allein deshalb, da ja die Kühlplatte für die Triacs immer unter Strom steht und so sehr gefährlich wäre. Dieses Gehäuse sollte man dann aber gut belüften, am Besten mit einem kleinen Ventilator, den man ruhig noch zwischen -15V und GND der Dimmerspannungsversorgung schalten kann.


Hier noch ein paar Bilder meines Dimmers:

Die Stromversorgung:




Die Channelplatine:




Die Kühlplatte mit den Triacs:




Der ganze Dimmer: