Villanyszerelők Lapja

Vezérléstechnika

Világításszabályozás I.

2019. április 16. | Porempovics József automatizálási mérnök-mérnöktanár |  805 | |

Világításszabályozás I.

A hálózati feszültségről táplált fényforrásainkat (lámpáinkat) jellemzően kétféle módon használjuk. Egyik mód, amikor csak be- és kikapcsoljuk valamilyen vezérlővel (kapcsolóval, rádiós vagy infra távirányítóval). A másik mód – és egyben most már gyakori igény is –, hogy a be- és kikapcsolás mellett szabályozzuk is a világítást. Természetesen az „evolúció” nem áll meg, így sorra jelennek meg a piacon a különböző komfortosabb lehetőségek, mint például az okostelefon-alkalmazással történő teljes körű, akár csoportos kezelhetőség, beleértve a szabályozást is.

Most induló mini cikksorozatunkban elsősorban gyakorlati szemmel nézve adunk némi támpontot a témához, bemutatva néhány megoldást és kapcsolást a teljesség igénye nélkül. Egy kis elméleti fejtegetés után érintjük a különböző módon telepíthető dimmerek általános használati lehetőségeit és egy-két érdekesebb megoldást is bemutatunk. Az elméleti fejtegetéstől nem kell megriadni, hiszen a cikk írója se világítástechnikai szakember (viszont sok világítástechnikai alkalmazásban segédkezett, melyek tapasztalataiból lesznek itt megosztva), ezért kizárólag csak addig merészkedünk, ameddig a gyakorlati rész értelmezéséhez feltétlenül szükség van.

De mit is értünk a világítás szabályozásán?

A villamosság oldaláról megközelített válasz elsőre egyértelműnek és stílszerűen „világosnak” tűnik: szabályozzuk a fényforráson átfolyó effektív áramot. Hogy hogyan, az viszont már a szabályozni kívánt fényforrás mint terhelés típus függvénye, ugyanis nagyon nem mindegy, hogy izzóról, tekercselt vagy elektronikus transzformátoros előtéttel szerelt fényforrásról, LED-ről, kompakt vagy hagyományos fénycsőről, LED-panelről vagy más fényforrástípusról van-e szó. Egy biztos, szabályozni általában csak a szabályozható fényforrásokat „illik”, függetlenül attól, hogy például egyes nem szabályozható LED-fényforrások egy-egy próba során szabályozhatónak látszanak – a gyári adatlapon viszont a nem szabályozható jelzés vagy felirat van feltüntetve, tehát gyárilag nem szabályozható. Az ilyen fényforrás elektronikája, kapcsolástechnikája nem szabályozáshoz készült, egyes elektronikai alkatrészei se biztos, hogy „szeretik”például az impulzus jellegű vezérlést, ezért lehetőleg ne használjuk így.

Beszélgetések, publikációk szövegeiben gyakran felvetődő kérdés és kiérezhető dilemma annak megnevezése, hogy mit is szabályozunk egy fényforrásnál? Leggyakrabban erre hibásan a fényerősség szó használata van elterjedve. Ha ez nem is képezi nagyobb viták tárgyát, mégis mindenkiben felmerül, akár ismeri, akár nem a helyes vagy helyesnek tűnő választ, hiszen azt szeretnénk, ha a célközönség értené mondandónkat. Ha világítástechnikai szakembertől várjuk a választ, akkor valószínűleg szakszerűen azt fogja mondani, hogy fényáramot szabályozunk. Ha laikustól kérdezzük, akkor feltehetően a számára egyértelműnek tűnő fényerősséget vagy röviden csak fényerőt szeretné szabályozni. Más szakmai körökben, de a villamos iparban is ezek használata akár vegyesen is előfordul. Érdekes módon bármelyiket is használja valaki, általában mindig tudjuk és értjük, hogy miről is van szó, még akkor is, ha nem túl szakmai az elnevezés. Mondhatnánk még megvilágítást is, és akkor is érteni fogjuk. Pedig ezek más-más mértékegységű jellemzők a világítástechnikában vagy fotometriában, így jelentésük sem ugyanaz. Csupán információfrissítés és az elnevezések cikkbeli értelmezése miatt áttekintjük a meghatározásokat, de nem szeretnénk tudományoskodni, ezért a könnyebb érthetőség érdekében – amennyire lehet – az egyszerűbb megközelítéseket is leírjuk (forrás: Wikipedia).

  • Fényerősség: SI alapmennyiség, mértékegysége a kandela (cd)
    • Egy kandela annak a sugárforrásnak a fényerőssége, amely 540×1012 Hz (λ = 555 nm) frekvenciájú monokromatikus sugárzást bocsát ki, és a kibocsátás irányában, egységnyi térszögben 1/683 watt sugárerősséggel sugároz.
    • Rövidebben: a fényerősség a fényforrás által egy meghatározott irányban kibocsátott fénykisugárzás mértéke.
    • 1 cd = 1 lm / 1 sr (sr: szteradián – térszög; gömb felszínéből kimetszett gömbfelülettel arányos kúpszög).
  • Fényáram: SI származtatott egység, mértékegysége a lumen (lm)
    • Egy lumen az a fényáram, amelyet egy 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe sugároz.
    • Rövidebben: a fényáram a fényerősség és a besugárzott térszög szorzata.
    • 1 lm = 1 cd × 1 sr
  • Megvilágítás: SI mértékegysége a lux (lx)
    • A megvilágítás a megvilágított felületre eső fényáram és a megvilágított felület nagyságának hányadosa.
    • Rövidebben: 1 lux a megvilágítása annak a felületnek, amelynek 1 négyzetméterére merőlegesen és egyenletesen 1 lumen fényáram esik.
    • 1 lx = 1 lm / 1 m2
  • További fotometriai és világítástechnikai jellemzők is léteznek, melyekkel itt nem foglalkozunk.

A fentiekből viszonylag jól kivehetők, hogy melyik elnevezést és a hozzá tartozó mértékegységet hol használhatjuk helyesen. Definíciójából úgy tűnik, hogy a fényerősség nem igazán hétköznapi használatra szánt megnevezés a fényforrásoknál, talán éppen azért, mert adott irányú sugárzást jelent, ami legfeljebb azoknál a fényforrásoknál jöhet szóba és ott adják meg jellemzőket, ahol a felhasználás szempontjából csak nagyon irányítottan adnak elegendő fényt. A fényforrásokra és dobozukra főleg a lumen mértékegység van ráírva, ami a fényáramot jelenti, és összefügg a teljesítménnyel is, így ezt szabályozzuk, ez a helyes. Egy alkonykapcsolót viszont lux mértékegységben állítunk be, ami a megvilágítást jelenti, azaz azt, hogy egy adott felület mennyire van megvilágítva.

A különböző fényérzékelők, fotoellenállások is jellemzően például megvilágítás/ellenállás konverziót végeznek. Érdekesség, hogy az automatikus fényáram-szabályozó (régebbi cikkben is ismertetett) tulajdonképpen megvilágítás/fényáram (tehát lux/lumen) konverziót végez. Fotoellenállás segítségével méri a környezeti megvilágítást, és ennek alapján szabályozza a fényforrás fényáramát, ráadásul a bemenet és kimenet között további konverziók is szükségesek a működéshez:

  • megvilágítás/ellenállás,
  • ellenállás/feszültség,
  • analóg feszültség jel/digitális feszültségjel (A/D konverzió),
  • kimenet fényáram szabályozás (D/A konverzió).

A fényáram-szabályozás különböző hétköznapi elnevezéseinek sorába még beilleszthető a „dimmelés” is, mint a dimmer (szabályozó eszköz) funkciójának használatára történő utalás – magyarosítva az angolból. A szó használatával, jó eséllyel elkerülhetjük a fenti értelmezési problémákat, hiszen tulajdonképpen mindenki felé kommunikálható, legyen az szakember vagy éppen hétköznapi felhasználó – a dimmer (angol) szó ugyanis eléggé elterjedt már, és nem tartalmaz közvetlenül mértékegységre utalást, így nagyot nem hibázhatunk, ha nem ismerjük beszélgető partnerünket (a „dim” szó homályosítást is jelent).

Gyakran találkozhatunk még a fényintenzitás szó használatával is, ha változó, változtatható megvilágításról vagy akár fényáramról vagy egyszerűen csak a fény egy állapotáról van szó. Ennek nincs mértékegysége, nem tekinthető egy definiált jellemzőnek, ezért valószínűleg csak néhány szakmában értelmezett általánosító szóhasználat. Egyébként világítástechnikai használata eredhet onnan is, hogy a hivatalos SI táblázatban a fényerősség angol nyelven „luminous intensity” kétszavas kifejezéssel van megadva – magyar fordítása a fényerősség –, éppen ennek kapcsán használják a fényerősség elnevezés helyett vagy mellett.

Egy szakmai cikkben nyilván nem vihetjük túlzásba a szakmaiatlanságot, ezért mi a dimmelés mellett a szakmailag helyes fényáram-szabályozást fogjuk használni a továbbiakban. Természetesen a használt elnevezések, kifejezések attól is függenek, hogy éppen kivel, kinek kommunikál az ember. Nem szakmai körökben beszélgetve elég furán hangzana a fényáram-szabályozás elnevezés használata, miközben a beszélgetőpartner fényerő-szabályozást említ. Nyilván a fényerő-szabályozást illik használni vele szemben, mert ezt érti, és jóérzésű ember nem fogja szakmai magyarázatokkal traktálni, miközben a beszélgetés célját illetően nincs jelentősége, például ha dimmert keres a nappalijába.

Hogyan szabályozunk?

Az eddigiekben megbeszéltük, hogy milyen villamossági jellemzőt szabályozunk és kitárgyaltuk a szabályozás elnevezésében időnként tapasztalható bizonytalanságot, de nem beszéltünk az egyik legfontosabbról, hogy milyen fényforrások szabályozhatók és milyen elven. A könnyebb áttekinthetőség érdekében a fontosabb szabályozható fényforrásokat az alábbi táblázatban foglaltuk össze. A cikksorozatban a 230 V AC feszültségű fényforrások szabályozásával fogunk foglalkozni.

A leggyakrabban használt szabályozható fényforrások összefoglaló táblázata

Fényforrástípus Leírás
Jelölése Elnevezése
R Rezisztív Ellenállásos (Ohmikus) terhelések, melyek elsősorban a 230 V AC feszültségű volfrámszálas hagyományos és halogénizzók. Ezek lakossági forgalmazása nagyrészt megszűnt. Működésük a volfrámszál fűtésén alapul, melyet a rajta átfolyó elektromos áram vált ki (ezért „fűt” is).
L Induktív Jellemzően a vasmagos, tekercselt transzformátoros előtéttel szerelt törpefeszültségű (12–24 V) halogénizzók (a trafó primer tekercse az induktív terhelés).
C Kapacitív Jellemzően az elektronikus (általában kapcsolóüzemű) előtéttel szerelt törpefeszültségű (12–24 V) halogénizzók (az előtét elektronikája kapacitív jellegű a dimmer kimenete számára).
LED szabályozható LED-fényforrás A fénykibocsátó dióda (LED) egy elektronikus félvezető alkatrész, mely látható fényt bocsát ki, ha nyitóirányú feszültséget kap. A LED mint alkatrész közvetlenül nem működtethető a 230 V AC hálózatról, ezért a LED-fényforrás burkolata alatt egy elektronika állítja be a LED-áramot (és ezen keresztül a kapocsfeszültséget is) a hálózati feszültségből. A LED önmagában szabályozható, de így fényforrásba építve az elektronikától függ, hogy szabályozható-e vagy nem. Ezt a fényforrás dobozán, adatlapján feltüntetik a gyártók.
ESL szabályozható kompakt fénycső A kompakt fénycső egy higanygőzt tartalmazó üvegcső, izzó elektródákkal. A gázkisülés következményeként UV-sugárzás keletkezik, mely a cső belső felületére vitt fénypor gerjesztésével válik látható fénnyé. A működési elv megegyezik a hagyományos fénycsövekével, de a retrofit (pl. E27, E14) kompakt fénycsövek előtétje a gyújtóval együtt a fényforrás burkolata alá van beépítve. Ettől az előtéttől függ a szabályozhatóság, melyet a gyártók feltüntetnek a terméken.
LED-szalag LED-szalag Az átlagos LED-szalag tulajdonképpen egy rugalmas nyomtatott áramköri lemez egyszínű vagy RGB fénykibocsátó diódákkal (SMD LED-ek), valamint áramkorlátozó ellenállásokkal (kivéve a címezhető vagy áramgenerátoros típusokat). Hátoldala általában ragasztóanyaggal van ellátva. A LED-szalagok szinte mindegyike szabályozható. Felhasználása elsősorban hangulat- és dekorációs világításként terjedt el, de gyakori fő világításként is például konyhapultoknál.
LED-panel LED-panel A LED-panelek vékony, modern lámpatestek, melyek több LED-diódát tartalmaznak a beépített panelban. Jó alternatívái lehetnek például a fénycsöves világítótesteknek. Süllyeszthető, függeszthető vagy falsíkra szerelhető változatokban is gyártják. Legtöbbször külön tápegységről működnek, mely a szabályozható típusoknál egyúttal a szabályzó szerepét is betölti. Többek között léteznek okostelefonról, távirányítóról, illetve 1–10 V-os analógjellel szabályozható típusok.
Fénycső Hagyományos fénycső A hagyományos fénycsövek akkor szabályozhatók, ha analóg (pl. 1–10 V-os) vagy digitális (pl. DALI) jellel szabályozható előtéttel látják el. Az erre alkalmas dimmer kimenete az előtét jelbemenetéhez csatlakozik.

Az egyes fényforrások leírásaiból egyértelműen kiolvasható, hogy a legtöbb fényforrás működési elve különbözik, mondhatni az adott fényforrásra jellemző. Ebből arra is következtethetnénk, hogy szabályozásuk is különböző módon történik, ami általában igaz is, mégis vannak konstrukciók, melyek az úgynevezett hagyományos dimmerekkel történő szabályozhatóságot is biztosítják – ezt a gyártók általában fel is tüntetik a fényforráson vagy annak dobozán. Hagyományos dimmeren jellemzően a fázisszöghasítás elvén működő szabályzókat értjük, ezen belül is főként az elterjedtebb – mondhatni hagyományosabb – gyújtásszögvezérelt triak kimenetű dimmereket. Ennek oka talán ott keresendő, hogy az ilyen típusú dimmerek utólag is könnyen telepíthetők a meglévő kapcsoló helyére, ahová csak a bejövő fázis és az elmenő kapcsolt szál vezetékei vannak lehúzva.

Az R, L típusú terhelések minden további nélkül szabályozhatók gyújtásszögvezérelt dimmerrel, de a kapacitívnak tekinthető terhelések, pl. elektronikus transzformátor, elektronikus előtét és a LED-tápegységek zöme nem. A 230 V-os LED-fényforrások általában kapacitív terhelésnek tekinthető miniatűr tápegységgel rendelkeznek.

Több LED-fényforrás-gyártó is felismerte ezt a lehetőséget (nevezhetjük problémának is), melynek eredményeként – nem kis keresgéléssel – található olyan LED-fényforrás a piacon, melynek fényárama a teljes 0–100% tartományban szabályozható gyújtásszögvezérelt triakos dimmerrel. Az ilyen LED elektronikájában sokszor egy olyan kapcsolástechnikai „trükköt” alkalmaznak, melynek segítségével a dimmer a LED elektronikáját nem kapacitív, hanem ohmikus (rezisztív) terhelésnek „látja” – ez az árban is tükröződik. Sok szabályozható LED-fényforrás viszont csak LED-hez alkalmas dimmerrel szabályozható, és még a kapacitív terhelésekhez használható oltásszögvezérelt dimmerekkel sem.

Gyújtás- és oltásszögvezérlés

Frissítsük fel az előző fejezetben emlegetett gyújtás- és oltásszögvezérelt dimmerek működését és a használatuk közötti különbséget. A 1. ábrán bemutatjuk mindkét szabályzási módszer ideális görbéjét. A különbség azonnal szembetűnik: gyújtásszögvezérlésnél a szinusz fél hullámok null-átmenettől számított elejéből vágunk le, oltásszögvezérlésnél pedig a hátuljából. A tényleges szabályozást mindkettőnél a kimeneti félvezető által a kimenetre átengedett effektív áram adja, ami a görbék alatti területekkel arányos.

1. ábra: A fázisszöghasítás elvén működő dimmerek általában gyújtás- vagy oltásszögvezérlést használnak a kimeneti félvezető kapcsolásához. Szokásos még elöl vágó (felfutó élű) vagy hátul vágó (lefutó élű) vezérlésnek is nevezni.

Nézzük meg, mikor használható az egyik és mikor a másik.

Gyújtásszögvezérlés:
Elsősorban rezisztív (R) és induktív (L) terhelésekhez alkalmas szabályozási módszer. Az elöl vágásnak (felfutó él) köszönhetően az induktív fogyasztók feszültségének félhullámonkénti lekapcsolása a null-átmeneteknél történik (a triak kikapcsol), tehát feszültségmentes állapotban, így a kikapcsolás pillanatában nem alakul ki számottevő mágneses tér, ami megszűnéskor feszültség-visszalökést eredményezhetne a dimmer végfokozata felé. A kimeneti félvezető fél hullámonkénti bekapcsolása alatt a kimeneten feszültség lehet, ami miatt kapacitív terhelésekhez nem ajánlott.

Oltásszögvezérlés:
Elsősorban rezisztív (R) és kapacitív (C) típusú terhelések szabályozásához. Mivel a kimeneti félvezető bekapcsolása a null-átmenet után azonnal megtörténik, azaz szinte feszültségmentes állapotban, ezért a kapacitív terhelésnél nem jelentkezik fél hullámonként bekapcsolási rövidzárlat. A kikapcsolás a fél hullámok végein történik (hátul vágó vagy lefutó élű), tehát feszültség alatt, ezért nem ajánlott induktív terhelésekhez.

A 1. ábrán nem véletlen, hogy az oltásszögvezérlésnél nem triak van megjelölve kimeneti félvezetőként, hanem MOSFET teljesítmény tranzisztor (de lehetne más is, pl. IGBT), ugyanis a hátul vágás áramköri megvalósításához a triak működési elve miatt nem alkalmas, hiszen minden null-átmenetnél önmagától kikapcsol. Az oltásszögvezérelt dimmerek jellemzően kicsit bonyolultabbak, mint a gyújtásszögvezéreltek. Példaként egy tipikusnak mondható gyújtásszögvezérelt triakos szabályzó kapcsolási rajzát mutatjuk be a 2. ábrán. Az áramkör ránézésre is egyszerűnek tűnik, hiszen ténylegesen az is. Hasonlóan működnek általában a potenciométeres szabályozású hagyományos dimmerek, ahol a potenciométer a be- és kikapcsolásra is szolgál. Más a helyzet, ha nyomógombos vagy érintős a dimmer, hiszen ekkor külön áramkör (általában kis mikrovezérlő) gondoskodik a kezelőszerv jelének feldolgozásáról.

2. ábra: Tipikus potenciométerrel szabályozható triakos fázisszöghasításos dimmer elektronikai kapcsolási rajza, ahol a potenciométer a be- és kikapcsolást is elvégzi.

Szabályozás impulzusszélesség modulációval (PWM)

Szabályozást igénylő területen elterjedt a PWM jellel történő szabályozás, ami nem maradhatott ki a világítástechnikából sem. A szabályozási módszer a világítástechnikában főként LED-fényforrásokhoz jól használható és egyenletes, stabil szabályozhatóságot biztosít. Lényege, hogy adott frekvencián kapcsolgatjuk a kimeneti félvezetőt (itt sem alkalmas a triak), és a bekapcsolási időtartamok határozzák meg a fényforráson átfolyó effektív áram értékét (3. ábra). A félvezető egészen rövid időtartamokra is bekapcsolható, ami a fényforrásnál szinte észrevehetetlen fényáramot képes produkálni, tehát ténylegesen 0–100% között szabályozható.

3. ábra: Impulzusszélesség modulációval (PWM) ténylegesen 0–100% közötti tartományban szabályozható a fényforrás fényárama, valamint elérhető a szinte fokozatmentes, folytonosnak tűnő, finombeállítási lehetőség.

Folytatjuk. A következő részben átbeszéljük a szerelvény és „pogácsa” kivitelű dimmerek használatát és jellemzőit.

VezérléstechnikaVilágítástechnika


Kérjük, szánjon pár pillanatot a cikk értékelésére. Visszajelzése segít a lap és a honlap javításában.

Hasznos volt az ön számára a cikk?

 Igen

 Nem

Kapcsolódó