Диммер — это устройство, подключаемое к осветительному прибору и используемое для уменьшения яркости света . Изменяя форму волны напряжения , подаваемую на лампу, можно уменьшить интенсивность светового потока. Хотя устройства с переменным напряжением используются для различных целей, термин « диммер» обычно зарезервирован для тех, которые предназначены для управления световым потоком резистивных ламп накаливания , галогенных и (в последнее время) компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) и светодиодов ( СИД ). Для уменьшения яркости люминесцентных , ртутных , твердотельных и других дуговых ламп требуется более специализированное оборудование .
Диммеры различаются по размеру от небольших устройств размером с домашние выключатели света до мощных устройств, используемых в крупных театральных или архитектурных осветительных установках. Небольшие бытовые диммеры, как правило, управляются напрямую, хотя доступны системы дистанционного управления (например, X10 ). Современные профессиональные диммеры, как правило, управляются цифровой системой управления, такой как DMX или DALI . В более новых системах эти протоколы часто используются совместно с Ethernet .
В индустрии профессионального освещения изменения интенсивности называются «затуханием» и могут быть «затуханием вверх» или «затуханием вниз». Диммеры с прямым ручным управлением имели ограничение на скорость, с которой они могли изменяться, но эта проблема была в значительной степени устранена с помощью современных цифровых устройств (хотя очень быстрых изменений яркости все еще можно избежать по другим причинам, таким как срок службы лампы).
Современные диммеры изготавливаются из полупроводников вместо переменных резисторов, поскольку они имеют более высокую эффективность . 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 мощности по сравнению с контролируемой нагрузкой.
Совсем недавно программируемые внутренние диммеры могли использовать сигналы от того же переключателя, который включает и выключает свет, для управления диммированием. Не требуется никакого специального внешнего диммера. Простой протокол связи, такой как Blink'n'Dim, передает команды диммирования по линии электропередачи. Они позволяют управлять компьютером через сетевые переключатели, но не требуют этого. Их стоимость примерно такая же, как и у старых схем «диммирования», которые они заменяют в светодиодных лампах, светильниках или драйверах.
Ранние диммеры напрямую управлялись посредством ручного управления большими диммерными панелями. Это требовало, чтобы вся мощность проходила через место управления освещением, что могло быть неудобно, неэффективно и потенциально опасно для больших или мощных систем, таких как те, которые используются для сценического освещения .
В 1896 году Грэнвилл Вудс запатентовал свой «Безопасный диммер», который значительно сократил потери энергии за счет уменьшения количества вырабатываемой энергии в соответствии с желаемым спросом, а не путем сжигания ненужной энергии. [1]
В 1959 году Джоэл С. Спира , который в 1961 году основал компанию Lutron Electronics Company , изобрел диммер на основе нового на тот момент твердотельного коммутационного устройства, называемого Silicon Controlled Rectifier или SCR. Это небольшое устройство позволило установить диммер в стандартной электрической настенной коробке, экономя при этом электроэнергию. [2] [3]
В 1966 году Эжен Алессио запатентовал адаптер патрона лампочки для регулировки уровня света на одной лампочке с помощью симистора . Для размещения этого устройства он выбрал 2-дюймовое круглое устройство с одним концом, способным ввинчиваться в патрон лампочки, а другим концом — вставлять лампочку. [4]
Когда появились твердотельные диммеры, аналоговые системы дистанционного управления (например, системы управления освещением 0-10 В ) стали осуществимы. Провод для систем управления был намного меньше (с низким током и меньшей опасностью), чем тяжелые силовые кабели предыдущих систем освещения. Каждый диммер имел свои собственные провода управления, в результате чего многие провода выходили из места управления освещением.
Более современные протоколы цифрового управления, такие как DMX512 , DALI или один из многочисленных протоколов на базе Ethernet, таких как Art-Net , ETCnet, sACN , Pathport, ShowNet или KiNET [5], позволяют управлять большим количеством диммеров (и другого сценического оборудования) через один кабель.
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 нужно было довольно тщательно подбирать под номинальную мощность реостата. Наконец, поскольку они полагались на механическое управление, они были медленными, и было трудно переключать много каналов одновременно.
Ранние примеры реостатного диммера включают диммер с соленой водой , разновидность жидкостного реостата ; жидкость между подвижным и неподвижным контактом обеспечивала переменное сопротивление. Чем ближе контакты друг к другу, тем большее напряжение было доступно для света. Диммеры с соленой водой требовали регулярного добавления воды и обслуживания из-за коррозии; открытые части находились под напряжением во время работы, 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, вторичная катушка подвергается воздействию двух равных, но противоположных полей от первичной, 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 введены переменные автотрансформаторы (торговое название « Variac »). Хотя они все еще почти такие же большие, как реостатные диммеры, которые они очень напоминают, они являются относительно эффективными устройствами. Их выходное напряжение, а значит, и их эффект затемнения, в значительной степени не зависят от приложенной нагрузки, поэтому было намного проще спроектировать освещение, которое будет подключено к каждому каналу автотрансформатора. Дистанционное управление диммерами все еще было непрактичным, хотя некоторые диммеры были оснащены моторными приводами, которые могли медленно и плавно уменьшать или увеличивать яркость подключенных 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 может потребоваться чрезвычайно строгий предел электромагнитных помех. По сравнению с твердотельными диммерами кондуктивные излучения, создаваемые автотрансформаторами, фактически равны нулю. [ необходима цитата ]
Твердотельные или полупроводниковые диммеры были введены для решения некоторых из этих проблем. Полупроводниковые диммеры включаются в регулируемое время (фазовый угол) после начала каждого полупериода переменного тока, тем самым изменяя форму волны напряжения, подаваемого на лампы, и, таким образом, изменяя его эффективное значение RMS . Поскольку они переключаются, а не поглощают часть подаваемого напряжения, теряется очень мало энергии. Диммирование может быть почти мгновенным и легко управляется дистанционной электроникой. Эта разработка также позволила сделать диммеры достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать вместо (в пределах pattress ) обычных бытовых выключателей света.
Переключатели генерируют некоторое количество тепла во время переключения и также могут вызывать радиочастотные помехи . [7] Индукторы или дроссели используются как часть схемы для подавления этих помех. Когда диммер находится на 50% мощности, переключатели переключают свое самое высокое напряжение (>325 В в Европе), и внезапный скачок мощности заставляет катушки на индукторе двигаться, создавая жужжащий звук, связанный с некоторыми типами диммеров; этот же эффект можно услышать в нитях накаливания ламп накаливания как «пение». Схемы подавления могут быть недостаточны для предотвращения жужжания, слышимого на чувствительном аудио- и радиооборудовании, которое разделяет сетевое питание с осветительными нагрузками. В этом случае необходимо предпринять специальные меры для предотвращения этих помех. [8] Европейские диммеры должны соответствовать соответствующим требованиям законодательства по ЭМС ; это включает подавление излучений, описанных выше, до пределов, описанных в EN55104.
На показанной электрической схеме типичный диммер на основе кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) затемняет свет посредством фазового угла. Этот блок подключается последовательно с нагрузкой. Диоды (D2, D3, D4 и D5) образуют мост, который генерирует импульсный постоянный ток. R1 и C1 образуют цепь с постоянной времени. По мере увеличения напряжения от нуля (в начале каждой полуволны) C1 заряжается. Когда C1 может заставить стабилитрон D6 проводить и подавать ток в SCR, SCR срабатывает. Когда SCR проводит, D1 разряжает C1 через SCR. SCR отключается, когда ток падает до нуля, а напряжение питания падает в конце полупериода, готовя схему к началу работы на следующем полупериоде. Эта схема называется диммером с передним фронтом или диммированием прямой фазы .
Диммеры на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) устраняют большую часть шума, присутствующего в TRIAC , отсекая падающую сторону синусоиды. Эти схемы называются диммерами с отсечкой по заднему фронту или диммерами с обратной фазой .
Еще более новой, но все еще дорогой технологией является синусоидальное диммирование , которое реализовано в виде импульсного источника питания высокой мощности , за которым следует фильтр. [9] [10]
Небытовые диммеры обычно управляются дистанционно с помощью различных протоколов. Аналоговые диммеры обычно требуют отдельного провода для каждого канала диммирования, несущего напряжение от 0 до 10 В. Затем некоторые аналоговые схемы получают управляющий сигнал из этого и сетевого питания для переключателей. По мере добавления большего количества каналов в систему требуется больше проводов между контроллером освещения и диммерами.
В конце 70-х годов были разработаны последовательные аналоговые протоколы. Они мультиплексировали ряд аналоговых уровней на один провод со встроенным тактовым сигналом, похожим на композитный видеосигнал (в случае европейского стандарта D54 компании Strand Lighting , обрабатывающего 384 диммера) или отдельный тактовый сигнал (в случае американского стандарта AMX192 ).
Цифровые протоколы, такие как DMX512, оказались ответом с конца 80-х годов. В ранних реализациях цифровой сигнал отправлялся с контроллера на демультиплексор , который располагался рядом с диммерами. Он 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 преобразования цифрового сигнала непосредственно в управляющий сигнал для переключателей. Это имеет много преимуществ, обеспечивая более тесный контроль над диммированием и предоставляя возможность для диагностической обратной связи, которая будет отправляться в цифровом виде обратно на контроллер освещения.
Некоторые диммеры для жилых помещений также оснащены радиоприемником, который можно использовать в качестве беспроводных выключателей света , которыми можно управлять дистанционно с помощью радиопередатчика. [11]
Патчинг — это физическое («жесткое патч») или виртуальное («мягкое патч») назначение цепи или канала с целью управления.
Диммеры обычно располагаются вместе в стойках, где к ним можно легко получить доступ, а затем питание подается на управляемые приборы. В архитектурных инсталляциях электричество подается напрямую от диммеров к светильникам через постоянную проводку (это называется цепью ) . Они жестко подключены и не могут быть изменены.
Однако такие площадки, как театры, требуют большей гибкости. Чтобы обеспечить возможность изменений для каждого шоу, а иногда и во время шоу, театры иногда устанавливают цепи, постоянно подключенные к розеткам по всему театру. Вместо того, чтобы эти цепи шли напрямую к диммеру, они подключаются к коммутационной панели . Коммутационная панель обычно находится рядом с диммерами, позволяя диммерам подключаться к определенным цепям с помощью коммутационного кабеля. Коммутационная панель также может позволять подключать много цепей к одному диммеру и даже последовательное соединение для низковольтных ламп. Кроме того, в некоторых театрах отдельные кабели прокладываются напрямую от света к диммеру. Назначенные соединения между цепями (либо в коммутационной панели, либо в виде отдельных кабелей) и диммерами известны как сетевое или жесткое соединение . Это наиболее распространено в старых театрах и на гастролях, когда диммеры привозит гастрольная компания.
В большинстве современных стационарных установок нет коммутационных отсеков; вместо этого они оснащены диммерами на каждую цепь и подключают диммеры к каналам с помощью программного обеспечения Soft Patch на компьютеризированной консоли управления .
Конструкция большинства аналоговых диммеров означала, что выход диммера не был прямо пропорционален входу. Вместо этого, когда оператор поднимал фейдер, диммер сначала медленно уменьшался, затем быстро в середине, затем медленно вверху. Форма кривой напоминала третью четверть синусоиды. Разные диммеры создавали разные кривые диммера, и разные приложения обычно требовали разных ответов.
Телевидение часто использует кривую «квадратичного закона», обеспечивая более точное управление в верхней части кривой, что необходимо для точной подстройки цветовой температуры освещения. Театральные диммеры, как правило, используют более мягкую «S» или линейную кривую. Цифровые диммеры могут быть сделаны с любой кривой, которую пожелает производитель; они могут иметь выбор между линейной зависимостью и выбором различных кривых, так что их можно сопоставить со старыми аналоговыми диммерами. Сложные системы предоставляют программируемые пользователем или нестандартные кривые, и обычное использование нестандартной кривой — превратить диммер в «недиммер», включившись на определенном пользователем уровне управления.
Включение ламп накаливания высокой интенсивности (накаливания) на полную мощность из холодного состояния может значительно сократить срок их службы из-за большого пускового тока . Чтобы снизить нагрузку на нити ламп, диммеры могут иметь функцию предварительного нагрева . Она устанавливает минимальный уровень, обычно от 5% до 10%, который выглядит выключенным, но не дает лампе слишком сильно остыть. 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 . Она ограничивает максимальную мощность, подаваемую на лампу, что также может продлить срок ее службы.
В менее продвинутых системах этот же эффект достигается буквально предварительным нагревом (согреванием) шаров перед событием или представлением. Обычно это достигается путем медленного вывода света на полную мощность (обычно 90-95%) в течение периода от 1/2 до 1 часа. Это так же эффективно, как встроенная функция предварительного нагрева.
Современные цифровые пульты могут эмулировать кривые предварительного нагрева и диммера и позволяют делать мягкую патч-коррекцию в памяти. Это часто предпочтительнее, поскольку это означает, что стойку диммера можно заменить на другую без необходимости переноса сложных настроек. Можно запрограммировать и использовать на разных каналах множество различных кривых или профилей .
Одной из мер качества диммера с передним фронтом является «время нарастания». Время нарастания в этом контексте — это количество времени, которое требуется для того, чтобы отрезанная часть формы сигнала достигла от нуля до мгновенного выходного напряжения. В форме сигнала выше это мера наклона почти вертикального края красной дорожки. Обычно он измеряется в десятках или сотнях 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 дороже в реализации, чем короткое, это связано с необходимостью увеличения размера дросселя. Более новые методы диммирования могут помочь минимизировать такие проблемы.
