Диммеры: устройство, принцип работы и история развития

Введение

Инженерное устройство
устройство

Диммер – это устройство, подключаемое к светильнику и предназначенное для регулировки яркости света. Изменяя форму напряжения, подаваемого на лампу, можно снизить интенсивность светового потока. Хотя устройства с переменным напряжением используются для различных целей, термин "диммер" обычно относят к устройствам, предназначенным для управления светоотдачей резистивных ламп накаливания, галогенных и (в последнее время) компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) и светодиодов (LED). Для регулировки яркости флуоресцентных, ртутных, твердотельных и других дуговых ламп требуется более специализированное оборудование. Диммеры различаются по размеру – от небольших блоков, сопоставимых с обычными выключателями света, до мощных устройств, используемых в крупных театральных или архитектурных осветительных системах. Небольшие бытовые диммеры обычно управляются напрямую, хотя доступны системы дистанционного управления (например, X10). Современные профессиональные диммеры обычно управляются цифровой системой управления, такой как DMX или DALI. В новых системах эти протоколы часто используются совместно с Ethernet. В профессиональной индустрии освещения изменения интенсивности называются "затуханиями" и могут быть "нарастающими" или "убывающими". Диммеры с прямым ручным управлением имели ограничение на скорость регулировки, но эта проблема в значительной степени решена в современных цифровых устройствах (хотя очень быстрые изменения яркости все еще могут быть нежелательны по другим причинам, например, для продления срока службы лампы). Современные диммеры изготавливаются из полупроводников вместо переменных резисторов, поскольку они обладают более высокой эффективностью. Переменный резистор рассеивает мощность в виде тепла и действует как делитель напряжения. Поскольку полупроводниковые или твердотельные диммеры быстро переключаются между состоянием "включено" с низким сопротивлением и состоянием "выключено" с высоким сопротивлением, они рассеивают очень мало энергии по сравнению с контролируемой нагрузкой. В последнее время появились программно-управляемые встроенные диммеры, которые используют сигналы от того же выключателя, что включает и выключает свет, для управления регулировкой яркости. Специальный внешний диммер не требуется. Простой протокол связи, такой как Blink'n'Dim, передает команды регулировки яркости по электросети. Они обеспечивают компьютерное управление через сетевые коммутаторы, но не требуют его. Их стоимость примерно соответствует стоимости старых схем "диммирования", которые они заменяют в светодиодных лампах, светильниках или драйверах.

A dimmer is a device connected to a light fixture and used to lower the brightness of the light. By changing the voltage waveform applied to the lamp, it is possible to lower the intensity of the light output. Although variable voltage devices are used for various purposes, the term dimmer is generally reserved for those intended to control light output from resistive incandescent, halogen, and (more recently) compact fluorescent lamps (CFLs) and light emitting diodes (LEDs). More specialized equipment is needed to dim fluorescent, mercury vapor, solid state, and other arc lighting. Dimmers range in size from small units the size of domestic light switches to high power units used in large theatrical or architectural lighting installations. Small domestic dimmers are generally directly controlled, although remote control systems (such as X10) are available. Modern professional dimmers are generally controlled by a digital control system like DMX or DALI. In newer systems, these protocols are often used in conjunction with Ethernet. In the professional lighting industry, changes in intensity are called "fades" and can be "fade up" or "fade down". Dimmers with direct manual control had a limit on the speed they could be varied at but this problem has been largely eliminated with modern digital units (although very fast changes in brightness may still be avoided for other reasons like lamp life). Modern dimmers are built from semiconductors instead of variable resistors, because they have higher efficiency. A variable resistor would dissipate power as heat and acts as a voltage divider. Since semiconductor or solid state dimmers switch quickly between a low resistance "on" state and a high resistance "off" state, they dissipate very little power compared with the controlled load. Most recently, software programmable internal dimmers can use signals from the same switch that turns lights on and off to control dimming. No dedicated external dimmer is needed. A simple communications protocol, such as Blink'n'Dim, delivers dimming commands via the power line. They enable computer control via networked switches, but do not require it. Their cost is about the same as the older "dimmability" circuitry that they replace in LED bulbs, fixtures or drivers.

История

Ранние диммеры управлялись напрямую посредством ручного манипулирования большими диммерными панелями. Это требовало, чтобы вся мощность поступала в место управления освещением, что могло быть неудобно, неэффективно и потенциально опасно для крупных или мощных систем, таких как системы сценического освещения. В 1896 году Гранвилл Вудс запатентовал свой "Безопасный диммер", который значительно снизил потери энергии, уменьшая количество вырабатываемой энергии до уровня необходимого спроса, вместо того чтобы рассеивать избыточную. В 1959 году Джоэл С. Спира, основавший в 1961 году компанию Lutron Electronics Company, изобрел диммер на основе нового полупроводникового переключающего устройства – кремниевого управляемого выпрямителя (SCR). Это небольшое устройство позволяло устанавливать диммер в стандартный электрический монтажный короб, при этом экономя энергию. В 1966 году Юджин Алессио запатентовал адаптер для патрона лампы, позволяющий регулировать уровень освещения одной лампы с помощью триака. Для размещения этого устройства он выбрал круглый корпус диаметром 2 дюйма, с одним концом для вкручивания в патрон лампы и другим – для подключения самой лампы. С появлением твердотельных диммеров стали возможны аналоговые системы дистанционного управления (например, системы управления освещением 0-10 В). Провода для систем управления были значительно тоньше (с низким током и меньшей опасностью), чем массивные силовые кабели предыдущих систем освещения. Каждый диммер имел собственные управляющие провода, что приводило к большому количеству проводов, отходящих от места управления освещением. Более современные цифровые протоколы управления, такие как DMX512, DALI или один из множества протоколов на основе Ethernet, такие как Art-Net, ETCnet, sACN, Pathport, ShowNet или KiNET, позволяют управлять большим количеством диммеров (и другим сценическим оборудованием) по одному кабелю.

Диммер реостата

Реостатные диммеры были неэффективны, так как рассеивали значительную часть мощности нагрузки в виде тепла. Они были громоздкими и требовали большого количества охлаждающего воздуха. Эффект диммирования сильно зависел от общей нагрузки, подключенной к каждому реостату, поэтому нагрузку необходимо было тщательно подбирать под его номинальную мощность. Наконец, из-за механического управления они были медленными, и было сложно одновременно управлять большим количеством каналов.

Стены для соленой воды

Ранние примеры диммеров-реостатов включают диммеры на соленой воде или жидкостные реостаты; жидкость между подвижным и неподвижным контактом обеспечивала переменное сопротивление. Чем ближе контакты друг к другу, тем большее напряжение поступало к лампе. Диммеры на соленой воде требовали регулярного добавления воды и обслуживания из-за коррозии; находящиеся под напряжением части оставались открытыми во время работы, что представляло опасность поражения электрическим током. Недостоверный источник: дата=декабрь 2011.

Трансформатор с ротационным катушкой

В ротационном трансформаторе использовалась катушка электромагнита в фиксированном положении в сочетании с катушкой с переменным положением для изменения напряжения в цепи путем изменения взаимного расположения этих двух катушек. Когда вторичная катушка повернута на 90 градусов относительно первичной, она подвергается воздействию двух равных по величине, но противоположных по направлению магнитных полей, которые эффективно компенсируют друг друга, не создавая напряжения во вторичной катушке. Эти катушки были похожи на стандартный ротор и статор, используемые в электродвигателе, за исключением того, что ротор фиксировался от вращения тормозами и перемещался в определенные положения с помощью редуктора с высоким крутящим моментом. Поскольку ротор никогда не совершал полного оборота, коммутатор не требовался, и вместо него на роторе можно было использовать длинные гибкие кабели.

Автотрансформаторный диммер

Затем были введены переменные автотрансформаторы (торговое название "Variac"). Хотя они по-прежнему почти такого же размера, как диммеры на основе реостатов, на которые они очень похожи, это относительно эффективные устройства. Их выходное напряжение, а следовательно и эффект диммирования, в значительной степени не зависят от подключенной нагрузки, что значительно упрощало проектирование освещения для каждого канала автотрансформатора. Дистанционное управление диммерами оставалось непрактичным, хотя некоторые диммеры оснащались моторными приводами, которые могли медленно и плавно регулировать яркость подключенных ламп. Автотрансформаторы перестали использоваться для освещения, но нашли применение в других областях. Тем не менее, существуют определенные сценарии освещения, в которых автотрансформаторы по-прежнему являются предпочтительным решением (по состоянию на 2021 год). Например, в пультовой студии звукозаписи может потребоваться крайне жесткое ограничение электромагнитных помех. По сравнению с твердотельными диммерами, автотрансформаторы производят практически нулевые проводимые излучения.

Твердолистный диммер

Твердотельные, или полупроводниковые, диммеры были разработаны для решения некоторых из этих проблем. Полупроводниковые диммеры включаются с регулируемой задержкой по фазе (фазовым углом) после начала каждого полуцикла переменного тока, тем самым изменяя форму напряжения, подаваемого на лампы, и, следовательно, его действующее среднеквадратичное (RMS) значение. Поскольку они переключают, а не поглощают часть подаваемого напряжения, потери мощности минимальны. Регулировка яркости может быть практически мгновенной и легко осуществляется с помощью дистанционной электроники. Эта разработка также позволила создавать диммеры достаточно компактными для замены обычных бытовых выключателей света (внутри монтажной коробки). Выключатели выделяют некоторое тепло при переключении и могут создавать радиочастотные помехи. Для подавления этих помех в схеме используются индукторы или дроссели. Когда диммер работает на 50% мощности, выключатели коммутируют максимальное напряжение (>325 В в Европе), и резкий скачок мощности приводит к движению катушек индуктора, создавая жужжащий звук, характерный для некоторых типов диммеров; тот же эффект можно услышать в нитях накаливания ламп как "пение". Схемы подавления могут оказаться недостаточными для предотвращения слышимости жужжания на чувствительном аудио- и радиооборудовании, подключенном к той же сети, что и осветительные приборы. В этом случае необходимо принять специальные меры для устранения этих помех. Европейские диммеры должны соответствовать требованиям соответствующего законодательства по электромагнитной совместимости (ЭМС); это подразумевает подавление описанных выше излучений до уровней, указанных в EN55104. На представленной электрической схеме типичный диммер света, основанный на кремниевом управляемом выпрямителе (SCR), регулирует яркость посредством управления фазовым углом. Этот блок подключается последовательно с нагрузкой. Диоды (D2, D3, D4 и D5) образуют мост, генерирующий импульсный постоянный ток. R1 и C1 образуют цепь с постоянной времени. По мере увеличения напряжения от нуля (в начале каждого полуцикла) конденсатор C1 заряжается. Когда C1 заряжается до уровня, достаточного для открытия стабилитрона D6 и подачи тока в SCR, SCR открывается. Когда SCR открыт, D1 разряжает C1 через SCR. SCR закрывается, когда ток падает до нуля и напряжение питания падает в конце полуцикла, подготавливая схему к работе в следующем полуцикле. Эта схема называется диммером с опережающим фронтом или диммированием по переднему фронту. Диммеры, основанные на изолированных биполярных транзисторах с затвором (IGBT), устраняют большую часть шума, присутствующего в TRIAC, отсекая спадающую сторону синусоиды. Эти схемы называются диммерами с запаздывающим фронтом или диммированием по заднему фронту. Еще более новая, но все еще дорогая технология – диммирование синусоидальной волны, которое реализуется в виде мощного импульсного источника питания, за которым следует фильтр.

Solid state, or semiconductor, dimmers were introduced to solve some of these problems. Semiconductor dimmers switch on at an adjustable time (phase angle) after the start of each alternating current half cycle, thereby altering the voltage waveform applied to lamps and so changing its RMS effective value. Because they switch instead of absorbing part of the voltage supplied, there is very little wasted power. Dimming can be almost instantaneous and is easily controlled by remote electronics. This development also made it possible to make dimmers small enough to be used in place (within the pattress) of normal domestic light switches. The switches generate some heat during switching and can also cause radio frequency interference. Inductors or chokes are used as part of the circuitry to suppress this interference. When the dimmer is at 50% power, the switches are switching their highest voltage (>325 V in Europe) and the sudden surge of power causes the coils on the inductor to move, creating a buzzing sound associated with some types of dimmer; this same effect can be heard in the filaments of the incandescent lamps as "singing". The suppression circuitry might be insufficient to prevent buzzing to be heard on sensitive audio and radio equipment that shares the mains supply with the lighting loads. In this case, special steps must be taken to prevent this interference. European dimmers must comply with relevant EMC legislation requirements; this involves suppressing the emissions described above to limits described in EN55104. In the electrical schematic shown, a typical light dimmer based on a silicon controlled rectifier (SCR) dims the light through phase angle control. This unit is wired in series with the load. Diodes (D2, D3, D4 and D5) form a bridge, which generates pulsed DC. R1 and C1 form a circuit with a time constant. As the voltage increases from zero (at the start of every halfwave) C1 charges up. When C1 is able to make Zener diode D6 conduct and inject current into the SCR, the SCR fires. When the SCR conducts, D1 discharges C1 through the SCR. The SCR shuts off when the current falls to zero and the supply voltage drops at the end of the half cycle, ready for the circuit to start work on the next half cycle. This circuit is called a leading edge dimmer or forward phase dimming. Dimmers based on insulated gate bipolar transistors (IGBTs) do away with most of the noise present in TRIACs by chopping off the falling side of the sine wave. These circuits are called trailing edge dimmers or reverse phase dimming. An even newer, but still expensive technology is sine wave dimming, which is implemented as a high power switched mode power supply followed by a filter.

Контроль

Небытовые диммеры обычно управляются дистанционно посредством различных протоколов. Для аналоговых диммеров обычно требуется отдельный провод для каждого канала диммирования, передающий напряжение от 0 до 10 В. Некоторые аналоговые схемы затем формируют управляющий сигнал на основе этого напряжения и сетевого питания для переключателей. С увеличением количества каналов в системе требуется больше проводов между контроллером освещения и диммерами. В конце 70-х годов были разработаны последовательные аналоговые протоколы. Они мультиплексировали серию аналоговых уровней на один провод, используя встроенный синхронизирующий сигнал, подобный композитному видеосигналу (в случае европейского стандарта Strand Lighting D54, обрабатывающего 384 диммера), или отдельный синхронизирующий сигнал (в случае американского стандарта AMX192). Цифровые протоколы, такие как DMX512, оказались решением с конца 80-х годов. В ранних реализациях цифровой сигнал отправлялся от контроллера к демультиплексору, который располагался рядом с диммерами. Этот демультиплексор преобразовывал цифровой сигнал в набор сигналов от 0 до +10 В или от 0 до −10 В, которые можно было подключить к отдельным аналоговым схемам управления. Современные конструкции диммеров используют микропроцессоры для непосредственного преобразования цифрового сигнала в управляющий сигнал для переключателей. Это дает множество преимуществ, обеспечивая более точное управление диммированием и возможность отправки диагностической информации обратно на контроллер освещения в цифровом виде. Некоторые диммеры, используемые в жилых помещениях, также оснащены радиоприемником для работы в качестве беспроводных выключателей света, которыми можно дистанционно управлять с помощью радиопередатчика.

Зашивка

Патчинг — это физическое ("аппаратное") или виртуальное ("программное") подключение к цепи или каналу для целей управления.

Твердый пластырь

Диммеры обычно устанавливаются группами в стойки, обеспечивая к ним легкий доступ, после чего питание подается на управляемые приборы. В архитектурных инсталляциях электричество подается непосредственно от диммеров к светильникам по постоянной проводке (это называется линией или цепью). Такая проводка является жесткой и не подлежит изменению. Однако, такие площадки, как театры, требуют большей гибкости. Чтобы обеспечить возможность изменений для каждого спектакля и иногда даже во время спектакля, в театрах иногда устанавливают линии, постоянно подключенные к розеткам по всему театру. Вместо того, чтобы эти линии шли непосредственно к диммеру, они подключаются к патч-панели. Патч-панель обычно располагается рядом с диммерами, позволяя подключать диммеры к определенным линиям с помощью патч-корда. Патч-панель также может обеспечивать подключение нескольких линий к одному диммеру и даже последовательное соединение для ламп низкого напряжения. Кроме того, в некоторых театрах отдельные кабели прокладываются непосредственно от светильника к диммеру. Назначенные соединения между линиями (либо на патч-панели, либо в виде отдельных кабелей) и диммерами называются основной или жесткой коммутацией. Это наиболее распространено в старых театрах и во время гастролей, когда диммеры привозит гастрольная компания.

Мягкий пластырь

Большинство современных стационарных установок не имеют патч-панелей; вместо этого в них предусмотрен диммер на каждую цепь, а диммеры подключаются к каналам посредством функции Soft Patch в компьютеризированной консоли управления.

Кривые затемнения

Конструкция большинства аналоговых диммеров подразумевала, что выход диммера не был напрямую пропорционален входу. Вместо этого, при поднятии фейдера оператором, диммер сначала замедлял затемнение, затем быстро затемнялся в середине диапазона, и снова замедлялся в верхней части. Форма этой кривой напоминала третью четверть синусоиды. Разные диммеры формировали разные кривые затемнения, и различные применения обычно требовали различных характеристик. Телевидение часто использует кривую "квадратичного закона", обеспечивающую более точное управление в верхней части диапазона, что необходимо для точной настройки цветовой температуры освещения. Театральные диммеры обычно используют более плавную "S"-образную или линейную кривую. Цифровые диммеры могут быть настроены на любую кривую, желаемую производителем; они могут предлагать выбор между линейной зависимостью и выбором различных кривых для соответствия старым аналоговым диммерам. Продвинутые системы предоставляют возможность программирования кривых пользователем или использования нестандартных кривых, а распространенное применение нестандартной кривой – превращение диммера в "незатемняемый", включающийся на уровне управления, заданном пользователем.

Предварительный нагрев

Включение высокоинтенсивных ламп накаливания (с нитью) на полную мощность из холодного состояния может резко сократить срок их службы из-за большого пускового тока. Чтобы снизить нагрузку на нити ламп, диммеры могут иметь функцию предварительного прогрева. Она устанавливает минимальный уровень, обычно от 5% до 10%, который кажется выключенным, но предотвращает чрезмерное охлаждение лампы. Это также ускоряет реакцию лампы на резкие скачки мощности, что особенно ценят операторы шоу в стиле рок-н-ролл. Обратная функция иногда называется ограничением максимальной мощности. Она ограничивает максимальную мощность, подаваемую на лампу, что также может продлить срок ее службы. В менее продвинутых системах тот же эффект достигается путем буквального предварительного прогрева (нагрева) ламп перед мероприятием или выступлением. Обычно это достигается постепенным повышением яркости до полной (или обычно 90-95%) мощности в течение периода от получаса до одного часа. Это так же эффективно, как встроенная функция предварительного прогрева.

Цифровая

Современные цифровые пульты могут эмулировать кривые разогрева и диммирования, а также позволяют сохранять мягкую перекоммутацию в памяти. Это часто предпочтительнее, так как позволяет заменить диммерный шкаф на другой без необходимости переноса сложных настроек. Можно запрограммировать и использовать множество различных кривых или профилей на разных каналах.

Время подъема

Одной из мер качества диммера переднего края является "время нарастания". Время нарастания в данном контексте – это время, необходимое для того, чтобы отрезанная часть формы сигнала изменилась от нуля до мгновенного выходного напряжения. На волновой форме, представленной выше, это мера наклона почти вертикального фронта красной кривой. Обычно оно измеряется десятками или сотнями микросекунд. Большее время нарастания снижает шум диммера и лампы, а также увеличивает срок службы лампы. Большее время нарастания также уменьшает электромагнитные помехи, создаваемые диммером. Неудивительно, что реализация большего времени нарастания обходится дороже, чем малого, поскольку требуется увеличить размеры дросселя. Новые методы диммирования могут помочь минимизировать подобные проблемы.