Диммер — это устройство, подключаемое к осветительной арматуре и используемое для снижения 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 применяется к устройствам, предназначенным для управления световым потоком резистивных ламп накаливания , галогенных и (в последнее время) компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) и светодиодов ( СИД ). Требуется более специализированное оборудование для затемнения люминесцентных , ртутных , полупроводниковых и других дуговых светильников.
Размеры диммеров варьируются от небольших, размером с домашний выключатель света, до мощных устройств, используемых в крупных театральных или архитектурных осветительных установках. 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 в сочетании с Ethernet .
В индустрии профессионального освещения изменения интенсивности называются «затуханиями» и могут быть «увеличенными» или «угасающими». Диммеры с прямым ручным управлением имели ограничение на скорость, с которой они могли изменяться, но эта проблема в значительной степени устранена с помощью современных цифровых устройств (хотя очень быстрых изменений яркости все же можно избежать по другим причинам, например, по сроку службы лампы).
Современные диммеры изготавливаются из полупроводников, а не из переменных резисторов, поскольку они имеют более высокий КПД . Переменный резистор рассеивает мощность в виде тепла и действует как делитель напряжения . Поскольку полупроводниковые или полупроводниковые диммеры быстро переключаются между состоянием «включено» с низким сопротивлением и состоянием «выключено» с высоким сопротивлением, они рассеивают очень небольшую мощность по сравнению с контролируемой нагрузкой.
Совсем недавно программируемые внутренние диммеры могут использовать сигналы от одного и того же переключателя, который включает и выключает свет для управления затемнением. Специальный внешний диммер не требуется. Простой протокол связи, такой как Blink'n'Dim, передает команды регулировки яркости по линии электропередачи. Они позволяют управлять компьютером через сетевые коммутаторы, но не требуют этого. Их стоимость примерно такая же, как и у более старых схем «регулировки яркости», которые они заменяют в светодиодных лампах, светильниках или драйверах.
Ранние диммеры управлялись напрямую посредством ручного управления большими панелями диммеров. Это требовало, чтобы вся мощность проходила через место управления освещением, что могло быть неудобно, неэффективно и потенциально опасно для больших или мощных систем, например тех, которые используются для освещения сцены .
В 1896 году Грэнвилл Вудс запатентовал свой «Безопасный диммер», который значительно сократил потери энергии за счет уменьшения количества генерируемой энергии в соответствии с желаемым спросом, а не сжигания ненужной энергии. [1]
В 1959 году Джоэл С. Спира , который в 1961 году основал компанию Lutron Electronics , изобрел диммер на основе нового на тот момент твердотельного переключающего устройства, называемого кремниевым управляемым выпрямителем или SCR. Это небольшое устройство позволило установить диммер в стандартную настенную электрическую коробку, экономя при этом энергию. [2] [3]
В 1966 году Юджин Алессио запатентовал адаптер цоколя для лампочки, позволяющий регулировать уровень освещенности одной лампочки с помощью симистора . Для размещения этого устройства он выбрал 2-дюймовое круглое устройство, один конец которого можно ввинчивать в патрон лампочки, а на другой конец можно вставить лампочку. [4]
Когда стали использоваться полупроводниковые диммеры, стали возможными аналоговые системы дистанционного управления (например, системы управления освещением 0–10 В ). Провод для систем управления был намного меньше (с низким током и меньшей опасностью), чем тяжелые силовые кабели предыдущих систем освещения. Каждый диммер имел свои провода управления, в результате чего множество проводов отходили от места управления освещением.
Более поздние протоколы цифрового управления, такие как DMX512 , DALI , или один из многих протоколов на базе Ethernet, таких как Art-Net , ETCnet, sACN , Pathport, ShowNet или KiNET [5] , позволяют управлять большим количеством диммеров (и других ступенчатых оборудование) по одному кабелю.
Диммеры на основе реостатов были неэффективны, поскольку они рассеивали значительную часть номинальной мощности нагрузки в виде тепла. Они были большими и требовали большого количества охлаждающего воздуха. Поскольку их эффект затемнения во многом зависел от общей нагрузки, приложенной к каждому реостату, нагрузку необходимо было довольно тщательно согласовывать с номинальной мощностью реостата. Наконец, поскольку они полагались на механическое управление, они работали медленно, и было трудно переключать много каналов одновременно.
Ранние примеры реостатного диммера включают диммер с соленой водой или жидкостный реостат ; жидкость между подвижным и неподвижным контактом оказывала переменное сопротивление. Чем ближе контакты друг к другу, тем больше напряжения доступно для света. Диммеры с соленой водой требовали регулярного добавления воды и технического обслуживания из-за коррозии; Во время работы открытые части находились под напряжением, что представляло опасность поражения электрическим током. [6] [ ненадежный источник? ]
Трансформатор с вращением катушки использовал катушку электромагнита с фиксированным положением в сочетании с катушкой с переменным положением для изменения напряжения в линии путем изменения выравнивания двух катушек. Повернутая на 90 градусов друг от друга, вторичная катушка подвергается воздействию двух равных, но противоположных полей от первичной обмотки, которые эффективно нейтрализуют друг друга и не создают напряжения во вторичной обмотке.
Эти катушки напоминали стандартные ротор и статор , используемые в электродвигателе, за исключением того, что ротор удерживался от вращения с помощью тормозов и перемещался в определенные положения с помощью высокомоментной передачи. Поскольку ротор никогда не совершал полный оборот, коммутатор не требовался, и вместо этого на роторе можно было использовать длинные гибкие кабели.
Затем были представлены регулируемые автотрансформаторы (торговое название « Вариак »). Хотя они по-прежнему почти такие же большие, как реостатные диммеры, на которые они очень похожи, они являются относительно эффективными устройствами. Их выходное напряжение и, следовательно, эффект затемнения в значительной степени не зависят от приложенной нагрузки, поэтому было гораздо проще спроектировать освещение, которое было бы подключено к каждому каналу автотрансформатора. Дистанционное управление диммерами по-прежнему было непрактично, хотя некоторые диммеры были оснащены моторными приводами, которые могли медленно и постепенно уменьшать или увеличивать яркость присоединенных ламп. Автотрансформаторы вышли из употребления для освещения, но используются для других целей.
Однако существуют определенные сценарии освещения, в которых автотрансформаторы по-прежнему являются желательным решением (по состоянию на 2021 год). Например, в аппаратной студии звукозаписи могут потребоваться чрезвычайно строгие ограничения на электромагнитные помехи. По сравнению с полупроводниковыми диммерами кондуктивные излучения автотрансформаторов практически равны нулю. [ нужна цитата ]
Твердотельные или полупроводниковые диммеры были введены для решения некоторых из этих проблем. Полупроводниковые диммеры включаются в регулируемое время (угол фазы) после начала каждого полупериода переменного тока, тем самым изменяя форму сигнала напряжения, подаваемого на лампы, и, таким образом, изменяя его среднеквадратичное эффективное значение. Поскольку они переключаются, а не поглощают часть подаваемого напряжения, потери энергии очень малы. Затемнение может быть практически мгновенным и легко контролируется дистанционной электроникой. Эта разработка также позволила сделать диммеры достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать вместо обычных бытовых выключателей света (внутри светильника ).
Переключатели выделяют некоторое количество тепла во время переключения, а также могут вызывать радиочастотные помехи . [7] Индукторы или дроссели используются как часть схемы для подавления этих помех. Когда диммер работает на 50% мощности, переключатели переключают максимальное напряжение (>325 В в Европе), и внезапный скачок мощности заставляет катушки индуктора двигаться, создавая жужжащий звук, характерный для некоторых типов диммеров; тот же эффект можно услышать в нитях ламп накаливания как «пение». Схемы подавления может оказаться недостаточно для предотвращения слышимого жужжания на чувствительном аудио- и радиооборудовании, которое питается от сети совместно с осветительными нагрузками. В этом случае необходимо принять специальные меры для предотвращения такого вмешательства. [8] Европейские диммеры должны соответствовать требованиям законодательства по электромагнитной совместимости ; это предполагает подавление описанных выше выбросов до пределов, описанных в EN55104.
На показанной электрической схеме типичный диммер на основе кремниевого выпрямителя (SCR) затемняет свет посредством управления фазовым углом. Этот блок подключен последовательно с нагрузкой. Диоды (D2, D3, D4 и D5) образуют мост, генерирующий импульсный постоянный ток. R1 и C1 образуют цепь с постоянной времени. Когда напряжение увеличивается от нуля (в начале каждой полуволны), C1 заряжается. Когда C1 способен заставить стабилитрон D6 проводить ток и подавать ток в тиристор, тиристор срабатывает. Когда SCR проводит ток, D1 разряжает C1 через SCR. SCR отключается, когда ток падает до нуля, а напряжение питания падает в конце полупериода, готовясь к началу работы схемы в следующем полупериоде. Эта схема называется диммером по переднему фронту или диммированием по прямой фазе . Современные диммеры хорошо работают с лампами накаливания, но не со всеми типами светодиодных ламп. [9]
Диммеры на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) устраняют большую часть шума, присутствующего в симисторах , отсекая падающую сторону синусоидальной волны. Эти схемы называются диммерами по заднему фронту или регулировкой яркости с обратной фазой и хорошо работают со светодиодными лампами. [9]
Еще более новая, но все еще дорогая технология — синусоидальное затемнение , которое реализовано в виде мощного импульсного источника питания с последующим фильтром. [10] [11]
Небытовые диммеры обычно управляются дистанционно с помощью различных протоколов. Аналоговые диммеры обычно требуют отдельного провода для каждого канала регулирования яркости с напряжением от 0 до 10 В. Некоторые аналоговые схемы затем получают управляющий сигнал от этого источника питания для переключателей. По мере добавления в систему большего количества каналов между контроллером освещения и диммерами требуется больше проводов.
В конце 70-х годов были разработаны последовательные аналоговые протоколы. Они мультиплексировали ряд аналоговых уровней по одному проводу со встроенным тактовым сигналом, аналогичным композитному видеосигналу (в случае европейского стандарта D54 компании Strand Lighting , обрабатывающему 384 диммера) или отдельным синхросигналом (в случае американского стандарта AMX192). ).
Цифровые протоколы, такие как DMX512 , доказали свою эффективность с конца 80-х годов. В ранних реализациях цифровой сигнал передавался с контроллера на демультиплексор , который находился рядом с диммерами. Это преобразовывало 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.
В современных конструкциях диммеров используются микропроцессоры для преобразования цифрового сигнала непосредственно в сигнал управления для переключателей. Это имеет много преимуществ: дает более точный контроль над затемнением и дает возможность отправлять диагностическую обратную связь в цифровом виде обратно на контроллер освещения.
Некоторые диммеры в жилых помещениях также оснащены радиоприемником, который можно использовать в качестве беспроводных выключателей света , которыми можно дистанционно управлять с помощью радиопередатчика. [12]
Исправление — это физическое («жесткое исправление») или виртуальное («мягкое исправление») назначение цепи или канала с целью управления.
Диммеры обычно размещаются вместе в стойках, где к ним легко получить доступ, а затем подается питание на управляемые приборы. В архитектурных объектах электричество подается прямо от диммеров к светильникам через постоянную проводку (это называется цепью ) . Они жестко управляются и не могут быть изменены.
Однако такие места, как театры, требуют большей гибкости. Чтобы обеспечить возможность внесения изменений для каждого спектакля, а иногда и во время спектакля, театры иногда устанавливают цепи, постоянно подключаемые к розеткам по всему театру. Вместо того, чтобы эти цепи подключались непосредственно к диммеру, они подключаются к патч-бэю . Патч-бэй обычно располагается рядом с диммерами, что позволяет подключать диммеры к определенным цепям через патч-кабель. Патч-бэй также может обеспечить возможность подключения многих цепей к одному диммеру и даже последовательное подключение низковольтных ламп. Также в некоторых кинотеатрах отдельные кабели проложены напрямую от светильника к диммеру. Назначенные соединения между цепями (либо в коммутационной панели, либо в виде отдельных кабелей) и диммерами называются сетевыми или жесткими патчами . Это чаще всего встречается в старых театрах и на гастролях, когда гастрольная компания привозит диммеры.
Большинство современных стационарных установок не имеют коммутационных отсеков; вместо этого у них есть диммер для каждой цепи, и диммеры подключаются к каналам с помощью Soft Patch компьютеризированной консоли управления .
Конструкция большинства аналоговых диммеров подразумевала, что выходная мощность диммера не была прямо пропорциональна входной мощности. Вместо этого, когда оператор поднимал фейдер, диммер сначала тускнел медленно, затем быстро в середине, затем медленно вверху. Форма кривой напоминала третью четверть синусоиды. Различные диммеры дают разные кривые диммера, и разные приложения обычно требуют разных реакций.
В телевидении часто используется кривая «квадратичного закона», обеспечивающая более точный контроль в верхней части кривой, что необходимо для точной настройки цветовой температуры освещения. Театральные диммеры, как правило, используют более мягкую S-образную или линейную кривую. Цифровые диммеры могут иметь любую кривую, какую пожелает производитель; у них может быть выбор между линейной зависимостью и выбором различных кривых, чтобы их можно было сопоставить со старыми аналоговыми диммерами. Сложные системы предоставляют программируемые пользователем или нестандартные кривые, а обычное использование нестандартной кривой состоит в том, чтобы превратить диммер в «нетусклый», включив его на уровне управления, определяемом пользователем.
Переключение ламп накаливания высокой интенсивности (лампы накаливания) на полную мощность из холода может резко сократить их срок службы из-за возникающего большого пускового тока . Чтобы снизить нагрузку на нити лампы, диммеры могут иметь функцию предварительного нагрева . Это устанавливает минимальный уровень, обычно от 5% до 10%, который выглядит выключенным, но предотвращает слишком сильное охлаждение лампы. Это также ускоряет реакцию лампы на внезапные всплески мощности, что ценят операторы шоу в стиле рок-н-ролл. Противоположность этой функции иногда называют top-set . Это ограничивает максимальную мощность, подаваемую на лампу, что также может продлить срок ее службы.
В менее продвинутых системах тот же эффект достигается буквально за счет предварительного нагрева (согрева) шаров перед событием или представлением. Обычно это достигается путем медленного включения освещения на полную мощность (или обычно на 90–95%) в течение периода от получаса до 1 часа. Это так же эффективно, как и встроенная функция предварительного нагрева.
Современные цифровые пульты могут имитировать кривые предварительного нагрева и затемнения, а также позволяют выполнять мягкие патчи в памяти. Это часто предпочтительнее, поскольку означает, что стойку диммера можно заменить на другую без необходимости переноса сложных настроек. Множество различных кривых или профилей можно запрограммировать и использовать на разных каналах.
Одним из показателей качества диммера с передним фронтом является «время нарастания». Время нарастания в этом контексте — это количество времени, необходимое для перехода отрезанной части сигнала от нуля до мгновенного выходного напряжения. На графике выше это мера наклона почти вертикального края красной кривой. Обычно оно измеряется десятками и сотнями микросекунд. Более длительное время нарастания снижает шум диммера и лампы, а также продлевает срок службы лампы. Более длительное время нарастания также снижает электромагнитные помехи, создаваемые диммером. Неудивительно, что более длительное время нарастания обходится дороже, чем короткое, поскольку необходимо увеличить размер дросселя. Новые методы затемнения могут помочь свести к минимуму такие проблемы.
