1. Fényforrások
szabályozhatósága,
elektronikus
üzemeltető
készülékek 1.1Izzólámpa szabályozhatósága, elvi megfontolások Az izzólámpában a fényt villamos árammal hevített izzószál bocsátja ki. Működése a hőmérsékleti sugárzáson és a villamos áram hőhatásán alapul. Az izzólámpák két fő csoportját a hagyományos és a halogén izzólámpák alkotják. A második csoportot tovább bonthatjuk az üzemeltetési feszültség szerint 230 V-os ill. törpefeszültségű, rendszerint 12 V-os halogén izzólámpákra. Mielőtt a különböző típusú izzólámpák szabályozásához használt elvekkel és készülékekkel megismerkednénk célszerű átismételni az izzószálas fényforrások fizikáját, illetve azt, hogy az egyes villamos és fénytechnikai jellemzők hogyan függenek egymástól. A szabályozhatóság szempontjából egymással összefüggő fizikai mennyiségek a következők:
fényáram
fényhasznosítás
színhőmérséklet
villamos feszültség
villamos áramerősség
villamos teljesítményfelvétel
A hagyományos izzólámpák esetében ehhez jön még az élettartam, hiszen a hagyományos izzólámpa esetében csak a volfram izzószál fizikailag jól mérhető párolgási sebessége határozza meg az élettartamot. Ezzel szemben a halogén izzólámpák esetében az élettartamot a volfram körfolyamat jelentősen befolyásolja, ezért az élettartamra vonatkozó matematikai összefüggések csak a fényforrás névleges üzemi pontja környezetében definiálhatók. Mivel a hagyományos izzólámpákra vonatkozó összefüggések a nemzetközi szakirodalomban kevésbé hozzáférhetőek, mint a napjainkban igen divatos, törpefeszültségű halogénlámpákra ezért a továbbiakban a törpefeszültségű halogénizzókra vonatkozó értékeket közöljük, azzal a megjegyzéssel, hogy ahol ezt külön nem emeljük ki, a hagyományos izzólámpákra az összefüggések hasonlóan alakulnak. Az 1.1. ábrán a törpefeszültségű izzólámpák legfontosabb paramétereinek függése látható az üzemi feszültség függvényében.
1
140
135
% -o s é rté k
130
120
120 110
108
Szính őmérséklet
100
104
92
90
88 70
80 70 60
Villamos áramer ősség Teljesítmény
50
50
Fényáram
40 80
90
100
110
Üzemi feszültség %-os értéke
a.)
% -o s é r té k
1000
Várható élettartam szórása
400 200 100
30
10 80
90
100
110
Üzemi feszültség %-os értéke
b.) 1.1. ábra: a.) Törpefeszültségű halogén izzólámpák legfontosabb paramétereinek függése az üzemi feszültségtől, b.) Hagyományos izzólámpa élettartamának függése az üzemi feszültségtől
2
Ökölszabályként a következő számszerű értékek olvashatók ki a grafikonokból. 5 %-os feszültségváltozás a következőképpen hat az egyes paraméterekre:
fele akkora vagy dupla élettartam
15 %-os fényáramváltozás
8 %-os teljesítményváltozás
3 %-os villamos áramerősség-változás
2 %-os színhőmérsékletváltozás
Az élettartamra vonatkozó összefüggést azzal kell kiegészíteni, hogy – fényforrástípustól függően – adott esetben a feszültségemelkedés csak bizonyos mértékig megengedett, mert a volframszál eléri az olvadáspontját és a fényforrás „kiég”. A továbbiakban vizsgáljuk meg az izzólámpa fényáramának és felvett teljesítményének csökkentésével (dimmelésével) kapcsolatos kérdéseket. A hagyományos izzólámpák esetében a dimmelés során lecsökkentett lámpateljesítménynél az izzószál hőmérséklete is csökken, és az izzószál anyaga lassabban párolog el. Ezáltal nő az izzószál élettartama és az üvegbúra feketedésének sebessége is lelassul. A folyamat hátránya, hogy az izzószál kisebb hőmérsékleténél a fényforrás színhőmérséklete is kisebb lesz. Mivel az izzószál anyaga a hőmérsékleti sugárzó spektrális eloszlására a látható fény tartományában gyakorlatilag nincs hatással, ezért a fényforrás színhőmérséklete és a volframszál hőmérséklete között kicsi az eltérés. A 1-1. táblázat az izzószál hőmérséklete és a színhőmérséklet közötti kapcsolatot mutatja. 1-1. Táblázat: Izzószál hőmérséklete és a fényforrás színhőmérséklete közötti kapcsolat Izzószál hőmérséklete [K]
Színhőmérséklet [K]
Izzószál Színhőmérséklete hőmérséklet [K] [K]
2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800
2030 2134 2237 2340 2444 2543 2640 2755 2859
2900 3000 3100 3200 3300 3365 3420 3470
2964 3068 3172 3277 3382 3450 3500 3550
A dimmelés során a kisebb színhőmérséklet kisebb fényhasznosítást jelent. Erőteljesen ledimmelt állapotban a fényforrás villamos teljesítményt vesz fel, de már fényt nem ad le, csak hőt. A kisugárzott teljesítmény teljes egészében a nem látható tartományba esik. 3
Halogénlámpák esetében a dimmelés során a viszonyok a kémiai körfolyamat miatt bonyolultabbak és kevésbé egyértelműek. Ahhoz, hogy az elpárolgott volfram anyag újra V o lfra m s z á l p á ro lg á s a [% ]
kiváljon az izzószálon, minimális izzószál-hőmérsékletre van szükség. Az izzószálhőmérséklet természetesen a fényforrás teljesítményfelvételétől függ. Ha ez utóbbi csökken, csökken az izzószál hőmérséklete is.
100 90 80
Halogén-volfram körfolyamat
70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Lámpateljesítmény [%]
1.2. ábra: Törpefeszültségű halogén-izzólámpák „dimmelés-állósága”
A korábbi halogénlámpák esetében előfordulhatott, hogy csökkentett teljesítményfelvételkor (erőteljesen ledimmelt állapot) a körfolyamat megszakadt és a fényforrás üvegburája feketedett. A modern halogénlámpák esetében a gyártóknak sikerült a körfolyamatot úgy vezérelni, hogy dimmelés során nem jön létre a burán feketedés. Mint ahogy az az 1.2. ábrán is látható, a körfolyamatot sikerül fenntartani egészen olyan alacsony izzószál-hőmérsékletig, amikor a volfram szál párolgása már jelentéktelenné válik a burafeketedés szempontjából. A modern halogénlámpák – legalábbis a foto-optikai alkalmazásokhoz gyártottak – dimmelésállóak. Ez azt jelenti, hogy bármilyen dimmelési üzemállapotban történő használat esetén is eléri a fényforrás a névleges élettartamot. Ebben az esetben a hagyományos izzólámpákkal szemben, ahol ledimmelt állapotban az élettartam jelentősen megnő, itt csak a névleges élettartam megtartásáról lehet beszélni. Az élettartam exponenciális függése az üzemi
feszültségtől,
amely
hagyományos
izzólámpák
esetében
korlátozás
nélkül,
halogénlámpák esetében csak a névleges üzemi pont közvetlen közelében (max. 5-10 %-os 4
eltérés) érvényes. A burafeketedésen kívül a dimmelt halogénlámpák volframszálának öregedése is korlátozza azok élettartamát. Ledimmelt állapotban a volfram izzószál egyes részein hidegebb pontok alakulnak ki, ahol a halogén körfolyamat nem megfelelően működik és ezeken a helyeken a volframszál elvékonyodik. A gyártók igyekeznek a halogén körfolyamatot úgy szabályozni, hogy a fényforrás minden dimmelési üzemállapotban tartani tudja névleges élettartamát. Általában a fényforrásokat azért dimmeljük le, hogy azok fényáramát csökkentsük. Az 1.3. ábra a fényforrásra kapcsolt feszültség függvényében mutatja a fényáram csökkenésének mértékét, míg az 1.4. ábra a fényforrás által felvett teljesítmény és a leadott
F é n y á r a m
[% ]
fényáram kapcsolatát mutatja.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
fényáram 1 0
2022
40
45
60
80
100
Fényforrás feszültsége [%]
1.3. ábra: Halogénlámpák fényáramának függése a feszültségtől a dimmelés során
Mivel a dimmelés során az izzószál hőmérséklete változik, a kibocsátott fény színhőmérséklete is megváltozik. Ezt az olyan alkalmazások esetében kell figyelembe venni, ahol lehetőleg állandó színhőmérsékletű világításra van szükség. (pl. fényképezés illetve videófelvételek készítése). Az 1.5. árba a színhőmérséklet változását mutatja a fényáram függvényében. Általános ökölszabályként használható, hogy ha a fényáram a felére csökken a színhőmérséklet 250 K-nel fog csökkenni.
5
100
400 90
Élettartam
Fényáram [%]
80 200 70
100 60 50 40
30 30 20 10 40
50
60
70
80
90
100
Lámpateljesítmény [%]
S z ín h ő m é rs é k le t [K ]
1.4. ábra: Halogénlámpák fényáramának függése a fényforrás által felvett teljesítménytől a dimmelése során 3400 3200 2950
3000 2750
2800 2550
2600 2400 2200 0
6
12,5 25 10 20 30
40
50
60
70
80
90
100
Fényáram [%]
1.5. ábra: Halogénlámpák színhőmérsékletének és fényáramának kapcsolata
Ha csökkentjük a fényáramot a színhőmérséklet csökkenését közvetlenül is észlelhetjük. A fényáramcsökkenés a színhőmérséklet csökkenésén keresztül csökkenti a fényforrás fényhasznosítását is, hiszen a kibocsátott fény színhőmérséklete és a fényhasznosítás között közvetlen összefüggés van (1.6. ábra).
6
3600
Színhõmérséklet [K]
3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Fényhasznosítás [lm/W]
1.6. ábra: A színhőmérséklet és a fényhasznosítás közötti összefüggés törpefeszültségű halogénizzók esetében
Ezt az összefüggést a fényforrásgyártók jól ismerik, hiszen nagyobb fényhasznosítású izzólámpát csak nagyobb színhőmérsékletű fényforrással lehet létrehozni. (hagyományos izzólámpa kb. 14 lm/W, 230 V-os halogénlámpa kb. 22 lm/W, törpefeszültségű halogénlámpa 30-37 lm/W)
1.2Izzólámpa bekapcsolásakor fellépő jelenségek Hideg állapotban – bekapcsolás előtt – az izzószál ellenállása 20-szor kisebb, mint üzemi hőmérsékleten. Ennek megfelelően a bekapcsolás pillanatában igen nagy áram folyik a fényforráson keresztül, feltéve hogy a mögötte lévő hálózat ezt az áramot biztosítani tudja. A gyakorlatban bekapcsoláskor a névleges üzemi áram 10-14-szeresével lehet számolni. Ahogy az izzószál melegszik a bekapcsolás után, olyan ütemben nő annak ellenállása és csökken a bekapcsolási áram. Az áramlökés a csúcsértéket néhány milliszekundum alatt eléri és fényforrástól függően a bekapcsolási áramlökés kb. 0,1-0,5 s alatt lecseng. Ekkor azonban a fényforrás még nem érte el az állandósult üzemi tulajdonságait. A fényforrás által felvett áram a kezdeti áramlökéshez képest még hosszú ideig a névleges áram felett marad, hiszen a fényforrás teljes ellenállásához az izzószálon kívül a fényforráson belüli áram-hozzávezetések is hozzájárulnak. Amíg ezek a hozzávezetések el nem érik üzemi hőmérsékletüket, addig ezek
7
ellenállása változik. Ez a felmelegedési fázis fényforrásfüggő és kb. 1 perc nagyságrendjébe esik. A bekapcsolási áramlökés és a fényforrás azt követő termikus felfutása a fényáramra is hatással van. Ennek eredményeként a fényáram a bekapcsolást követően igen gyorsan a névleges érték fölé növekszik, majd viszonylag lassan, exponenciálisan csökkenve éri el a tartós üzemi, névleges értéket (1.7. ábra).
fényforrás áramfelvétele Rizzószál In 0,3 s
id fényáram
ő
Rhozzávezetések
0,1 s
n id
ő
1.7. ábra: Bekapcsolási áramlökés és fényáram alakulása a bekapcsolást követően
Az előbbiekből látható, hogy a bekapcsolás az izzószálas fényforrások élettartamára kedvezőtlen hatással van. A bekapcsolási gyakoriság és az élettartam-csökkenés között határozott összefüggés állítható fel. A bekapcsolási áramlökés és annak káros következményeit a fényforrásgyártóknak is figyelembe kell venniük: a bekapcsolási tranziens során a volfram izzószál hőmérséklete nem érheti el a volfram olvadási hőmérsékletét. A bekapcsolási áramlökés nemcsak a fényforrásra van kedvezőtlen hatással, hanem a fényforrás áramát kapcsoló készülék érintkezőire is. Ezt, különösen az intelligens épületfelügyeleti rendszerekben alkalmazott un. bináris kimenetek vagy kapcsolóaktorok kiválasztásánál mindenképpen figyelembe kell venni. Szélsőséges esetben a bekapcsolási tranziens során fellépő áramlökés az érintkezők összehegedését is okozhatja.
8
A bekapcsolási áramlökés kedvezőtlen hatásai un. lágy indítással küszöbölhetők ki. Az elektronikus transzformátorok lágy indítással, azaz késleltetve kapcsolnak be. Az épületfelügyeleti rendszerekben alkalmazott, buszról vezérelt dimmerek nagy része is alkalmas arra, hogy a fényforrás áramát a bekapcsolási parancsot követően lassan szabályozza fel a névleges értékre. Ha a bekapcsolási fázis ideje a másodperc nagyságrendjébe esik, akkor ezzel kellemes szcenikai hatás is elérhető, hiszen a fényforrás fényáramának maximumát csak lassan, 2-3 másodperc alatt éri el.
1.3Elektronikus transzformátorok 12 V-os halogén izzókhoz
1.3.1Felépítés, működési elv A 12 V-os halogén izzólámpákat régebben hagyományos vasmagos transzformátorral üzemeltették. Napjainkban egyre terjed az elektronikus transzformátorok, gyakran csak TRONIC transzformátornak nevezett előtétek használata, amelyek a hagyományos, vasmagos transzformátorokkal szemben számtalan előnnyel rendelkeznek:
zajszegény üzem (a transzformátor vasmagjának zúgása elmarad)
elektronikus rövidzárvédelem (nincs szükség olvadóbiztosítóra és annak kiégésekor cseréjére)
a rövidzár megszűnése után automatikus újraindulás
túlterhelésvédelem, automatikus teljesítmény-leszabályozás
lágy indítás, amely kíméli a fényforrást
üresjárás elleni védelem
nagy hatásfok
kedvező súly és kis térfogat
egyes készülékei 230 V-os egyenáramú táplálásra is alkalmasak (akkumlátoros szükségellátás)
Könnyű és kis térfogatú transzformátor építéséhez az alábbi fizikai elvet kell figyelembe venni. A tekercselt transzformátor szükséges térfogata (V) fordítottan arányos az üzemi frekvenciával (f) V 1/f
9
Nagyfrekvenciás feszültség esetében az ugyanolyan teljesítményű transzformátor térfogata így tehát jóval kisebb lehet. Ehhez az 50 Hz-es hálózati feszültséget a feszültségszint transzformálása előtt periodikusan nagyfrekvenciával „fel kell darabolni”. Technikailag ez elektronikus kapcsolókkal tranzisztorokkal történik. Az 1.8. ábrán az elektronikus transzformátorok működési elve és a feszültség jelalakjának változása látható.
1.8. ábra: Elektronikus transzformátorok elvi felépítése
Az elektronikus transzformátorok működése a következő. Az 50 Hz-es hálózati feszültséget a készülék először egyenirányítja, majd az egyenirányított feszültséget elektronikus kapcsolóval 40 kHz-es ritmusban megszakítja. A tranzisztorok vezérlésénél a be és kikapcsolási időt egyformára választjuk. Így az átalakító után nagyfrekvenciás 230 V-os feszültséget kapunk, amelyet a nagyfrekvenciás transzformátor segítségével a megfelelő feszültségszintre transzformálunk. A törpefeszültségű halogénlámpák mind váltakozó, mind egyenfeszültségről üzemeltethetők. A TRONIC transzformátorok váltakozó, 35-40 kHz-es 11,7 – 11,9 V effektív értékű feszültséget állítanak elő. A TRONIC transzformátok blokkdiagramja az 1.9. ábrán látható. A diagrammban látható elektronika védelmének feladata, hogy az elektronikus transzformátor belsejében létrejövő hibák esetén, a készüléket megvédje a károsodásoktól. Ha a primer áram valamelyik belső áramköri elem meghibásodása következtében nem megengedhető mértékben megnövekszik az elektronikus transzformátor egy nagy ellenállás beiktatásával leválasztja magát a hálózatról. A
10
lámpaáramkörben, tehát az elektronikus transzformátor szekunder körében létrejövő rövidzár vagy túlterhelés esetén egy másik védelem, a rövidzárvédelem lép működésbe.
1.9. ábra: Elektronikus transzformátorok blokkdiagramja
A zavarvédelmi blokk L-C hálózatból áll, és az a feladata, hogy elnyomja a kapcsolási eredetű hálózati felharmonikus feszültségeket. Az elektronikus transzformátor működése során is keletkeznek kapcsolási túlfeszültségek. Ezeket a 40 kHz-es kapcsolási frekvenciás zavarjeleket és felharmonikusait szűri ki az L-C hálózat és megakadályozza, hogy azok a hálózatra jussanak. Az egyenirányító a hálózati feszültséget pulzáló egyenfeszültséggé alakítja át. Az egyenirányított, pulzáló feszültséget nem simítja kondenzátor. A feszültség jelalakja az 1.8. ábrán látható. Így a TRONIC transzformátor belsejében külső dimmer használata nélkül is lehetőség van dimmelésre, amelyet a készülék a hőmérsékletvédelem során alkalmaz is. Minden félhullám után, a kapcsolásban újragyújtásra van szükség, ahol az un. gyújtásszögvezérelt fázishasításos dimmelési eljárást alkalmazza a készülék. Erről a funkcióról az átalakító blokk ismertetésekor lesz részletesen szó. Az egyenirányító mögött elhelyezett túlfeszültségvédelem egy varisztorból (feszültségfüggő nemlineáris ellenállás) áll, amelynek feladata a hálózati túlfeszültségek kiszűrése. Az átalakító feladata az egyenirányított, pulzáló feszültség nagyfrekvenciás négyszög-jellé alakítása, és 12 V-os jelszintre történő transzformálása. Az 1.10. ábrán látható áramkörben szereplő híd egyik ágában két (T1, T2) tranzisztort látunk, míg a másik ágban két kondenzátort (Cs). Az 1.10. ábrán a két tranzisztort vezérlő
11
bonyolultabb kapcsolás nem szerepel. Ez a kapcsolás gondosodik a két tranzisztor váltakozó kapcsolásáról.
1.10. ábra: Elektronikus transzformátorok alapkapcsolása
Az R ellenálláson keresztül feltöltődik a C kondenzátor egészen addig, amíg a feszültség el nem éri a Diac (Di) bekapcsolási értékét. A Diac tulajdonképpen egy Triac nem kivezetett vezérlővezetékkel. A 1.10. ábrán a Diac (Triac) azon tulajdonságát használjuk fel, hogy a Diac zárt állapotában folyó záróirányú szivárgó árama egy határfeszültség felett elegendő ahhoz, hogy a Diac (Triac) gyújtás nélkül is vezető állapotba kerüljön. A Diac vezetővé válása, „begyújtása” után bekapcsolódik a T2 tranzisztor és ezzel az átalakító is. A t = R x C időállandó határozza meg a 1.11. ábrán látható jelalakban a tz gyújtásidőt és ezzel a TRONIC transzformátor kimenő feszültségének effektív értékét és a fényforrás fényáramát. Ha az R ellenállást változtatható ellenállással, pl. potenciométerrel helyettesítjük, akkor az áramkör dimmelésre is alkalmassá válik. A gyakorlatban az R ellenállás két részre van felosztva, ahol az egyik rész hőmérsékletfüggő, PTC ellenállás. Ez a PTC ellenállás végzi el a TRONIC transzformátor túlmelegedése esetén a kimenő teljesítmény leszabályozását. Ha a TRONIC transzformátor hőmérséklete túlterhelés vagy túl magas környezeti hőmérséklet következtében megemelkedik, akkor az R ellenállás értéke és a t = R x C időállandó is megnő. Ezzel arányosan a tz gyújtásidő is megnő és
12
lecsökken a kimenő feszültség effektív értéke. Így stabilizálódik a TRONIC transzformátor hőegyensúlya. Ez az eljárás arányos (P) szabályozásnak felel meg.
1.11. ábra: A TRONIC transzformátor kimenő feszültsége
Leegyszerűsítve az átalakító egy astabil multivibrátor, amely a kimenetén nagyfrekvenciás négyszögfeszültség-jelet ad ki. A kapcsolási frekvencia a hallási küszöb (16 kHz) felett van, így a kapcsolás működése során emberi fül által hallható zaj nem keletkezik. Az átalakítóban lévő transzformátor a feszültséget a szükséges értékre transzformálja. Egyidejűleg a transzformátor a galvanikus elválasztásról is gondoskodik, galvanikusan szétválasztva a primer 230 V-os hálózatot a 12 V-os oldaltól, biztosítva ezzel az előírásoknak megfelelő érintésvédelmet. A fényforrás áramkörében bekövetkező rövidzárlat esetén egy belső, elektronikus biztonsági kapcsolás gondoskodik a TRONIC transzformátor és a hálózat védelméről, amelynek során a védelem a zárlat bekövetkezése után néhány miliszekundummal lekapcsolja a kimenetet. Így olvadóbiztosítóra nincs szükség. A védelem működése a következő. Rövidzárlat esetén egy kiegészítő kapcsolás megakadályozza a C kondenzátor feltöltődését. A Diac így nem tud 13
begyújtani és az átalakító kikapcsolt állapotban marad. A zárlati áram csak rövid ideig folyik, így a kapcsolásban szereplő elemek nem károsodhatnak. A rövidzár megszűnte után a kapcsolás újra működésre kész.
1.3.2Telepítési szabályok A TRONIC transzformátor kimenő feszültségének effektív értékét szokás megadni, mely teljes terhelésnél és névleges primer feszültségnél 11,5 – 12 V közötti tartományban van. A legtöbb TRONIC transzformátor névleges szekunder feszültsége 11,7 - 11,9 V. A 12 V-nál alacsonyabb kimenő feszültség következtében a fényforrás fényárama valamelyest kisebb lesz (lásd az 1.1. ábrát), de a fényforrás élettartama jelentősen megnő. Fontos megjegyezni, hogy ez a kimenő feszültség arányosan követi a primer hálózati feszültség ingadozásait. A terhelés változása kis hatással van a TRONIC transzformátor kimenő feszültségére. Ha például a terhelés a névleges felére csökken a kimenő feszültség 3 %-kal emelkedik. Ezek a hatások
következtében
a
gyártók
a
TRONIC
transzformátorra
egy
minimális
terhelésnagyságot adnak meg. A minimális terhelés meghatározásának van egy másik oka is, ez pedig az, hogy megadott minimális terhelés alatti teljesítményű fogyasztó TRONIC transzformátorra kapcsolásakor a fényforrás villogására kell számítani. A TRONIC transzformátor szekunder oldali 12 V-os vezetékhálózatának kialakításánál a következő szabályokat kell betartani. A 40 kHz-es négyszögjel felharmonikusait a szekunder vezeték elektromágneses hullámok formájában kisugározza. A rádiófrekvenciás zavarvédelem érdekében a szekunder oldali vezetékhossz a lámpatestig a 2 m-t, egyes esetekben az 1 m-t nem haladhatja meg. Ezt az értéket a VDE szabvány tartalmazza, és a felhasználók rádiófrekvenciás zavarvédelmét szolgálja. Az 1.12. ábrán megengedett és nem megengedett szekunder oldali vezetékhálózat kialakítására láthatunk példákat. Több lámpatest csatlakoztatásakor ügyelni kell arra, hogy a szekunder oldali kábel(eke)t lehetőleg távol vezessük a primer hálózati kábeltől. Fontos, hogy a fényforrások egyforma távolságra legyenek a TRONIC transzformátortól.
14
1.12. ábra: A TRONIC transzformátor szekunder oldali vezetékhálózatának lehetséges kialakítási formái
10 %
27
1.13. ábra: A törpefeszültségű halogénlámpák fényáramának csökkenése a feszültségesés függvényében
A szekunder oldali kábel kiválasztásakor a vezetéken átfolyó áramot, a megengedhető feszültségesést és az ezzel összefüggő fényáram-csökkenést kell figyelembe venni. (1.13. ábra)
15
Mivel azonban az elektronikus transzformátorok kb. 40 kHz frekvencián működnek a szekunder vezeték ellenállása és a feszültségesés nemcsak a vezeték hosszától, keresztmetszetétől, a vezető anyag vezetőképességétől függ, hanem a kábel típusától is (kéteres kábel, érszigetelésű csavart vezetékek, egyedi vezetők gyűrű alakban). Ezen kívül ezen a frekvencián az un. szkínhatás igen jelentős mértékben jelentkezik, azaz az áram nem a vezető anyag teljes keresztmetszetében folyik, hanem kiszorul annak felületére. Ez a hatás úgy jelentkezik, mintha a vezető ellenállása megnőtt volna, így a feszültségesés is nagyobb lesz, mint 50 Hz-es üzemben. Összefoglalásképpen az alábbi ökölszabályok jó segítséget adnak a szekunderoldali vezetékhálózat kialakításához:
A VDE szabvány által előírt 2 m vezetékhosszat ne lépjük túl.
A lámpateljesítmény alapján a következő táblázat segítségével határozzuk meg a vezetékkeresztmetszetet: Lámpateljesítmény Vezeték60 W 65 – 105 W 110 – 150 W
keresztmetszet 1,0 mm2 1,5 mm2 2,5 mm2
Ha a transzformátoronkénti lámpateljesítmény meghaladja a 150 W-ot, akkor a fenti táblázatnak megfelelően a teljesítményt több vezetékre kell elosztani. Ha a transzformátor több szekunderoldali sorkapoccsal rendelkezik, akkor ezeket célszerű használni.
Egy kéteres csavart kábel kisebb feszültségesést okoz, mint két egyedi vezetékér használata. Ha ennek ellenére mégis egyedi vezetéket használunk a két vezetéket egymással csavart formában kell kialakítani.
Ha a kábeleket már a transzformátornál szétosztjuk, ahelyett hogy a lámpáknál osztanánk szét, a feszültségesés tovább csökkenthető.
Ne használjunk tömör vezetéket. Ehelyett alkalmazzunk sodrott, sokszálas vezetéket.
A TRONIC transzformátorok csak a primer oldalon kapcsolhatók párhuzamosan. A TRONIC transzformátorok szekunder oldalát párhuzamosan kötni tilos. (1.14. ábra)
1.14. ábra: Több TRONIC transzformátor használata
16
Mint, ahogy korábban már szó volt róla, az izzószál hideg állapotban kis ellenállású. Ez a bekapcsolás pillanatában nagy áramlökést okoz, ami a névleges áram 10-14-szeresét is elérheti. Az 1.15. ábrán jól látható, hogy a TRONIC transzformátorral üzemeltetett törpefeszültségű fényforrás bekapcsolása során nem alakul ki áramlökés, az áram aszimptotikusan éri el a névleges értéket, míg 50 Hz-es hagyományos transzformátorral üzemeltetett esetben nagy, 10-14-szeres bekapcsolási áramlökésekre lehet számítani. Ezt a lámpakímélő bekapcsolási folyamatot, a TRONIC transzformátor a nagyfrekvenciás átalakító késleltetett bekapcsolásával éri el. Ez az úgynevezett „softstart”, lágy indítás hosszú élettartamot biztosít a mögé kapcsolt fényforrások számára. Az előbb említett késleltetési idő függ a transzformátor terhelésétől, az alkalmazott fényforrás típusától, a TRONIC transzformátor előtti hálózat karakterisztikájától, valamint esetleges TRONIC dimmerek jelenlététől is függ, de értéke max. 2 másodperc lehet. A szokásos installációk esetében a lágy indítás szemmel alig észrevehető.
1.15. ábra: Törpefeszültségű halogénlámpa bekapcsolási áramlökése TRONIC és 50 Hzes hagyományos transzformátor esetén
1.3.3Telepítési példák, kivitelezési hibák Az előzőekből látható, hogy a 12 V-os világítási hálózatok kialakításakor új tervezési és kivitelezési elvekre van szükség, amelyek nem ismerete következtében komoly kivitelezési hibákra és működési zavarokra lehet számítani.
17
Álljon itt egy kivitelezési példa, ahol a szakemberek több hibát is elkövettek. Egy néhány évvel ezelőtt épített elegáns budapesti szálloda reprezentatív közösségi termében a teljes világítást gipszkarton mennyezeten elhelyezett 12 V-os tűhalogén izzókkal oldották meg. A tűhalogén izzócsoportokat különböző mezőkbe szervezték a mennyezet kialakításának megfelelően esztétikai, belsőépítészeti megfontolások alapján. Így például találhatók 4x4 izzót tartalmazó kisebb kazettás elemek, valamint nagyobb egységek pl. 9x16 izzóval (1.16. ábra).
1.16. ábra: Kazettás álmennyezeti elemek tűhalogén izzókkal
A sok világítási áramkörön kívül a világításvezérlési feladatot az is bonyolította, hogy a terem mobil fallal két részre osztható, így egyidejűleg a két teremrészben különböző megvilágítási igényeket támasztó rendezvényeket tarthatnak. A viszonylag sok világítási áramkör működtetésére, ki-/bekapcsolásra és fényerőszabályozására a tervezők rádiós (németül funk) buszrendszert terveztek. Azonban a villamos kiviteli terv nem tartalmazta a 12 V-os transzformátorok pontos elhelyezését, a 10 W-os halogénizzók
transzformátorokhoz
rendelését,
a
12
V-os
világítási
hálózat
nyomvonalvezetését, és a 12 V-os izzók bekötési módozatát. A kivitelezők igyekeztek korszerű eszközöket választani, így elektronikus 12 V-os transzformátorokat alkalmaztak (hiszen ezek kis súlyúak és dimmelésük egyszerűbben megoldható, mint a hagyományos transzformátorok esetében), de sajnálatosan több különböző, kevésbé neves gyártó termékét keverve építették be. A transzformátorok teljesítményének kiválasztása és a 12 V-os világítási hálózat elvi kialakítása helyszíni improvizációval a kivitelező által valósult meg. Ennek a megvalósulási folyamatnak a végén olyan rendszer jött létre, ahol a rádiós buszrendszer nem működött megbízhatóan, esetenként téves kapcsolások jöttek létre akár a szomszédos termekben is, valamint a fényáram-szabályozás során az azonos csoportba tartozó egyes fényforrások kibocsátott fényárama között jelentős eltérések alakultak ki. A hibaokokat feltárva a következő megállapításokat lehetett megtenni.
18
Egy rendszeren belül érdemes azonos gyártó elektronikus transzformátorait alkalmazni és lehetőleg azonos teljesítményű típusokat választani. Különböző gyártók transzformátorai esetében eltérő szekunder oldali üresjárási feszültségre lehet számítani (az üresjárási feszültség várható szórása a különböző gyártóknál: 11,6 – 11,9 V). További probléma, hogy a dimmer kimeneti kapcsolása az elektronikus transzformátor bemeneti kapcsolásával egyes gyártóknál problémákhoz, rezonanciakörök kialakulásához vezethet. Ezen túlmenően célszerű azonos teljesítményű elektronikus transzformátorokat alkalmazni egy dimmelt áramkörön belül, hiszen eltérő teljesítmény esetén eltérő lehet az egyes elektronikus transzformátorok „dropja”, terhelés alatti feszültségesése, habár ez az érték jóval kisebb, mint hagyományos transzformátor esetében.
Talán nem minden szakember előtt ismert, hogy az elektronikus transzformátorok kis súlya és kis tömege annak köszönhető, hogy a feszültség átalakítása nem 50 Hz-en, hanem 30-40 kHz-en történik és a szekunder kimenő feszültség is ilyen frekvenciájú. Az elektromágneses sugárzás csökkentése érdekében az elektronikus transzformátorok gyártói 1-2 m-ben korlátozzák a transzformátor és a legtávolabbi izzó távolságát. Ezt a korlátot az adott projektben a kivitelezés során nem tartották be. A világítási hálózatban előfordult 5-10 m-es 12 V-os vezetéktávolság is. Az így kialakult erőteljes elektromágneses sugárzás zavarta a rádiós buszeszközök működését.
Ráadásul a rádiós dimmerek és az elektronikus transzformátorok egymás közvetlen közelségében
„virágcsokorszerűen”
szigetelőszalaggal
összeerősítve
lettek
az
álmennyezet fölé helyezve. Ez a készülékek melegedése illetve hűlése szempontjából, de EMC szempontjából sem kedvező és adott esetben ahhoz vezethet, hogy a dimmerekbe épített elektronikus túlmelegedésvédelem automatikusan leszabályozza a dimmer kimenő teljesítményét, csökkentve ezzel a dimmerre kötött izzók fényáramát.
A 12 V-os hálózaton, különösen 30-40 kHz-es üzemben nem ajánlatos sorban egymás után több izzót bekötni un. továbbhurkolással, hiszen ebben az esetben a transzformátortól távolabb eső izzóknál nagy lesz a feszültségesés (1.17. ábra)
19
Elektr. tr. 230 V/12 V
I1+I 2+I3 +I4+... I2+I 3+I 4+... I3+I4+... ...
230 V
I1
I2
I3
I4
1.17. ábra: Több izzó izzó bekötése un. továbbhurkolással
Ne felejtsük el, 12 V-os izzók esetében néhány tized volt feszültségesés is jelentős fényáram-csökkenést eredményez. 10 %-os feszültségesés 27 %-os fényáramcsökkenést okoz! Továbbá a 30-40 kHz-es szekunder feszültség miatt a szekunder oldali vezetékkeresztmetszet meghatározásakor a „szkínhatást”, az áramkiszorulást is figyelembe kell venni, tudniillik az effektív vezetőkeresztmetszet a szkínhatás következtében jelentősen lecsökken. Továbbá a viszonylag nagy frekvencia miatt a vezeték öninduktivitása és levezető kapacitása sem hanyagolható el, tehát a feszültségesésre történő méretezésnél nem az egyenáramú vezetékellenállást, hanem a 30-40 kHz-en mért váltakozóáramú impedanciát kell alapul venni. Mindezek miatt célszerű kis teljesítményű elektronikus transzformátorokat választani és az egyes fényforrásokat a transzformátortól csillag topológia szerint kell bekábelezni és ügyelni kell, hogy az egyes fényforrások azonos vezetéktávolságra (max. 1-2 m) legyenek a transzformátortól. Az 1.18. ábra hibásan megvalósított 12 V-os hálózati megoldásokat mutat, míg az 1.19. ábrán helyes hálózatkialakításokat lehet látni.
20
230 V Dimmer 500 VA Elektr. tr. 230 V/12 V 200 W 2
10 W
2
a.) 230 V Dimmer 500 VA
230 V 230 V/ 12 V 105 W
10 W
b.) 1.18. ábra: Hibásan kialakított 12 V-os hálózatok
21
230 V
Dimmer 500 VA Elektr. tr. 230 V/12 V 200 W
a1 = a2 = a 3 =a4 b1 = b2 = b3 =b4
a1 a2
6-os osztó (kereskedelmi forgalomban kapható)
a3
a4
b1 b2 b3 b4
10 W
a.) 10 W
c1 = c 2 = c 3 = c 4 c1 c2
230 V Dimmer 500 VA
c3 c4
...
230 V/ 12 V 105 W
b.) 1.19. ábra: Helyesen kialakított 12 V-os hálózatok
22
A fenti példában csak a 12 V-os hálózatokra vonatkozó legfontosabb irányelveket említettük meg. Érdemes a 12 V-os világításról általánosságban megjegyezni, hogy igen széles körben elterjedt világítási mód. A belsőépítészek rendkívüli módon kedvelik, hiszen csillogó, jól irányítható fényével nagyon szép kiemelő világítás tervezhető. Pusztán szakmai (villamos) szemmel nézve a 12 V-os hálózat alkalmazása rendkívül sok problémával jár, mint ahogy az a fenti példában is látható. De az alapvető gond az, hogy a 12 V-os feszültségszint miatt a vezetékekben nagy áramok folynak, ami a vezeték mentén kialakuló feszültségesésen kívül a villamos kötéseket is nagymértékben terheli. Rossz kötések, hibás fényforrásfoglalatok esetén az ilyen helyeken a nagy átmeneti ellenállás miatt nagy túlmelegedés alakulhat ki. Ez tűzveszély szempontjából igen nagy kockázatot jelent. Ezért, ahol lehet célszerű kerülni a 12 V-os világítások alkalmazását, különösen általános azaz alapvilágítások kialakításakor. Sok helyen a 12 V-os halogén izzós lámpatestek kiválthatók 230 V-os halogén izzós lámpatestekkel.
23
