De meest-eenvoudige lichtdimmer bevat maar 4 onderdelen: een
Triac1,
een Diac, een condensator en een potentiometer.
De meest-eenvoudige lichtdimmer bevat maar 4 onderdelen: een
Triac1,
een Diac, een condensator en een potentiometer.
De werking is snel uitgelegd: na elke nuldoorgang wordt C1
opgeladen via P1. Hoe kleiner de waarde waarop P1 staat
ingesteld, hoe sneller dat opladen gebeurt.
Zodra de spanning over C1 30V bereikt, wordt de
doorslagspanning van de Diac overschreden2.
Deze zal nu C1 snel ontladen, en die lading vloeit in de gate
van de Triac. Hierdoor gaat de Triac op zijn beurt in geleiding,
en dat blijft hij doen tot de volgende nuldoorgang.
Hoe groter de ingestelde weerstand van P1, hoe langer het duurt voor de spanning over P1 30V bereikt, en hoe korter de tijd tussen het ontsteekpunt en de volgende nuldoorgang, en hoe minder licht de lamp uitstraalt.
Het eenvoudig schema hierboven zal werken, maar het is beslist geen
aanrader.
De Triac schakelt namelijk heel snel in.
Links zie je de spanning op de gate (boven) en de spanning over
de lamp (onder). Het rechter plaatje toont de opgaande flank over
de belasting in detail. De spanning over de belasting gaat van
0V tot 300V in minder dan 400nS.
En dat herhaalt zich 100 maal per seconde!
Het gevolg zijn stoorsignalen die door de bedrading, die als
antenne fungeert, de ether ingezonden worden.
Daaraan valt wat te doen door een condensator (C2) en een kleine
spoel (L1) aan de schakeling toe te voegen, zoals rechts te
zien is. Merk op, dat de condensator geschikt moet zijn voor een
wisselspanning van 250V of ―nog beter― 275V.
Condensators die gemarkeerd zijn voor een gelijkspanning van
400V zijn ongeschikt.
Links zien we het resultaat: een flank die heel wat minder steil
is, en daarnaast wat oscillatie.
Wat opvalt, is het feit dat L1 in serie met A1 is geplaatst.
Het lijkt logischer, L1 tussen lamp en A2 op te nemen, maar dat
is geen goed idee. A2 is immers verbonden met het koelplaatje
van de Triac. Dit vormt een paracitaire capaciteit met de aarde,
zeker als het op een koelprofiel geschroefd is. En die
paracitaire capaciteit zal de werking van het LC-filter
nadelig beïnvloeden.
De opgegeven waarden zijn geschikt voor belastingen tussen 150W
en 1000W.
Bij belastingen, kleiner dan 150W, kan de oscillatie bij het
ontsteken van de triac (zie grafiek hierboven) zó groot
worden, dat de spanning terug door het nulpunt gaat. Het gevolg
is dan, dat de triac terug spert.
Het schema links laat de oplossing voor dit probleem zien in de
vorm van een gedempt ontstoorfilter.
Wanneer de belasting een inductief karakter heeft ―ik denk
hierbij aan een draadgewonde trafo voor halogeenverlichting―
gelden er andere regels. Het heeft dan weinig zin, om een
LC-filter te plaatsen - het inductief karakter van de belasting
zal sowieso beletten dat de stroom snel van nul naar maximum
gaat.
Hier doen zich twee andere problemen voor:
Het feit dat spanning en stroom niet in fase zijn, brengt de
Triac in de war. Immers, zodra de volgende nuldoorgang bereikt
is, wil de triac sperren. Op dat ogenblik vloeit er nog steeds
stroom - stroom die nergens heen kan! Dat veroorzaakt een plotse
spanningsstijging, die er kan voor zorgen dat de triac spontaan
ontsteekt - het zogenaamde rate-effect.
Daarnaast kan het vertraagd opkomen van de stroom bij het
ontsteken hinderlijk zijn. De Diac levert een korte maar
krachtige stroompuls op de gate van de Triac. Als de minimum
houdstroom nog niet bereikt is op het ogenblik dat die puls
wegvalt, zal de triac terug sperren.
Gelukkig kunnen beide problemen opgelost worden door een
snubber-netwerk, bestaande uit R1 en C2.
Enerzijds biedt dit netwerk een uitweg aan de stroom, wanneer de
triac bij een nuldoorgang spert. En anderzijds zal C2 zich bij
het ontsteken ontladen over R1, en alzo kortstondig voor de
nodige houdstroom zorgen tot de belasting het overneemt.
Ook hier moet C2 minstens een 250V~ type zijn.
R2 mag een gewone 1/4W weerstand zijn. C2 laat hoogstens 7.2mA
door. Dat betekent dat er over R2 maar 0.72V komt te staan, en
dat hij in dat geval maar 5mW verstookt.
Zo op het eerste zicht zou men denken dat een 400V DC
condensator ook geschikt is. Tenslotte bedraagt de piekspanning
bij 230V AC (sqrt(2) * 230) 325V. Dat is 75V minder dan 400V.
Maar er is meer. Stel, dat we op een 230/400V net aangesloten
zijn. Wanneer we de spanning op de fase meten t.o.v. de
nulleider, zien we dat die varieert tussen +325V en -325V. Da's
een verschil van 650V!
Het spreekt voor zich, dat we nooit 650V t.o.v. de nulleider zullen meten. Maar stel je deze situatie voor:
Je sluit een lichtschakelaar, waardoor er spanning over een
condensator komt te staan.
Die schakelaar dendert wat, zoals de meeste doen.
Hij maakt dus contact, verbreekt het terug, maakt opnieuw
contact, enz...
Laten we stellen dat hij verbreekt op het ogenblik dat de
spanning op de fase -325V bereikt heeft t.o.v. de nulleider.
Anders gezegd: op C staat dan +325V
t.o.v. B
Even later maakt hij terug contact, en wel op het ogenblik dat
de spanning +325V bedraagt.
De totale spanning over de condensator bedraagt nu 650V.
Wie moete heeft, zich daarbij iets voor te stellen, kan naar het
plaatje rechts kijken en zelf de proef op de som nemen.
Hiervoor heb je een symmetrische voeding nodig - de spanning is
niet belangrijk.
Sluit eerst S2. Als je nu S2 terug opent, staat er 24V over S1,
en dat is de spanning die C1 te verwerken krijgt zodra je S1
sluit.
Hier wordt uiteraard een erg extreme situatie beschreven, die zich niet vaak zal voordoen. Maar dat betekent geenszins dat ze zich niet kàn voordoen!
Er is nóg wat mis met de schakelingen hierboven. Wanneer we P1
instellen op zijn maximum weerstand, blijft de lamp gedoofd. De
stroom die P1 doorlaat volstaat niet om C1 op te laden tot de
benodigde ontsteekspanning van 30V.
Dat betekent niet, dat C1 geen lading krijgt. Het betekent
wél, dat C1 niet ontladen wordt zoals dat zou gebeuren op het
ogenblik dat de Diac ontsteekt.
Het gevolg is, dat de spanning over C1 gaat naijlen op de
netspanning. Verdraaien we nu P1, dan wordt de laadstroom
groter. De lamp blijft echter gedoofd - het naijlen zorgt er
voor dat C1 na de nuldoorgang eerst moet ontladen worden
alvorens het laden een aanvang kan nemen.
Blijven we P1 verdraaien, dan zal de laadstroom op zeker moment
wel groot genoeg zijn om C1 tot de nodige 30V op te laden.
De Diac ontsteekt, waardoor C1 ontladen wordt.
Vanaf dat ogenblik ijlt de spanning over C1 niet meer na ten
opzichte van de netspanning. Het gevolg is, dat de lamp plots
van 0% naar bijna 50% springt.
Vanaf dit punt kunnen we P1 terugdraaien, zodat de lamp zachter
gaat branden, maar fraai is het allemaal niet.
We hebben “iets” nodig, dat C1 bij elke nuldoorgang ontlaadt,
ook als de Diac niet ontsteekt. En dat is precies wat R1, R2 en
D1 ... D4 in de schemas hiernaast doen.
Stel, dat de netspanning op A positief is tov. B, en dat de
Triac niet ontstoken wordt.
Op het knooppunt R1/D1/D3 staat een spanning van +0.7V. C1 kan
langs die weg niet opgeladen worden - over D3 zou immers óók
0.7V vallen, waardoor er geen spanning overblijft. D4 staat in
sperrichting - langs deze weg vloeit er evenmin stroom.
C1 wordt wel opgeladen via P1, maar als deze ingesteld staat op
500k is de laadstroom te klein om C1 tot 30V op te laden.
Wanneer nu de volgende nuldoorgang bereikt wordt, zal er over C1
nog steeds een positieve spanning staan.
Na de volgende nuldoorgang wordt A negatief tov. B.
Nu komt er op het knooppunt R2/D2/D4 een spanning van -0.7V te
staan. Dat geeft C1 de gelegenheid zich te ontladen
over D4 en R2.
R1, D1 en D3 hebben tijdens deze fase geen invloed, omdat het nu
D3 is die in sperrichting staat voor de aangelegde spanning.
Dit mechanisme maakt het mogelijk de lamp te regelen van
0% naar de gewenste lichtsterkte zonder ongewenste
sprongen.
De weerstanden zorgen wel voor enig sluipverbruik. Een
aan/uit-schakelaar is hier helemaal op zijn plaats.
Wellicht ten overvloede: de linkse schakeling is geschikt voor ohmse belastingen, en de rechtse voor inductieve belastingen.
Het kan gebeuren, dat een gedimde lamp meerdere malen per dag
kortstondig begint te flikkeren. De kans is groot, dat
CAB3-signalen hiervan de
oorzaak zijn. Dat zijn toonfrequent-signalen die de netbeheerder
superponeert op de 50Hz van het lichtnet.
In de regel is de
frequentie daarvan net geen veelvoud van 50Hz. In Antwerpen en
omgeving is dat 1347Hz. Het gevolg hiervan is, dat het tijdstip
van de nuldoorgang een beetje heen-en-weer schommelt, en dat is
merkbaar aan de lichtsterkte van de lamp.
In principe valt daar wat aan te verhelpen. Er bestaan immers
filters die bedoeld zijn als voorzet voor condensatorbatterijen.
In de praktijk is zo'n filter veel te duur om de aanschaf zelfs maar te
overwegen.
“Leer er mee leven” zou ik zeggen... 
De taak van C1, P1 en de Diac in voorgaande schemas kan overgenomen worden door een μC. Over de werkwijze zal ik niet dieper ingaan, maar ik wil wel een drietal kanttekeningen maken.
Je zou een Triac kunnen aansturen zoals op het plaatje rechts.
Met een TIC206, een TIC216, of een vergelijkbare Triac zal dat naar behoren
werken - die zijn tevreden met een gatestroom van 10mA.
Maar bij een TIC226 kan het al fout lopen. Dit, omdat de vierde
quadrant doorgaans twee maal zoveel stroom vergt als de overige
drie.
Een Triac kan immers op vier manieren gestuurd worden. Hier de vier quadranten, met de benodigde gate-stroom voor een TIC226:
Willen we daarvan verlost zijn, dan doen we er beter aan de gate
altijd negatief te sturen, zoals het linkse plaatje toont.
Nu moeten we enkel rekening houden met quadranten 2 en 3.Merk op, dat de Triac in het schema “ondersteboven” getekend staat!
Als je de datasheet van een Triac ―bijvoorbeeld van de
TIC206― doorleest, zie je bovenaan “Max IGT of 5mA (Quadrants 1 - 3)”. Dat betekent niet dat je maar 5mA
door de gate mag sturen.
Het betekent, in gewone mensentaal: “Je hebt maximaal 5mA nodig
om de Triac in geleiding te brengen bij de eerste drie
quadranten”. In de praktijk neem ik meestal het dubbele tot het
vierdubbele.
De maximale gatstroom kan je terugvinden bij “absolute maximum ratings”. Voor de TIC206 bedraagt die 200mA. Met 10 ... 20mA ben je dus zeker van een goede ontsteking, terwijl je nog ver man de maximale gatestroom verwijderd bent.
Als we een lamp sturen, en de Triac krijgt onvoldoende gate-stroom, kan het zijn dat hij de belastingsstroom maar in één richting doorlaat. Dat is flink vervelend, want de lamp zal dan merkbaar flikkeren.
Als de belasting een draadgewonden halogeen-trafo is, wordt het
nog veel erger. Die krijgt immers geen wisselstroom meer, maar
een pulserende gelijkstroom.
En die stroom kan behoorlijk oplopen, want het inductieve
karakter van de trafo valt bijna geheel weg. Met wat geluk
grijpt er ergens een zekering in. Gebeurt dat niet, dan kan je
een doorgebrande primaire wikkeling verwachten - als het daarbij
blijft...
Het gebruik van een optotriac zoals de MOC3023 is dan
ook een aanrader. Vermits deze tevreden is met 5mA aan zijn
ingang, kan hij rechtstreeks door een μC gestuurd worden.
Daarnaast wordt de gate van de Triac steeds met dezelfde
polariteit gestuurd als de belasting. Dat zijn quadranten 1 en 3
- de zuinigste van het stel.