Phasenanschnittsteuerung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Die Phasenanschnittsteuerung und die (seltener verwendete) Phasenabschnittsteuerung sind Methoden zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher, die mit Wechselspannung betrieben werden. Typische Anwendungen sind Dimmer, die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren (z. B. elektrische Handbohrmaschinen) oder die Stromeinstellung beim Widerstandsschweißen mit Wechselstrom. Sie stellt eine Form der Pulsweitenmodulation (PWM) dar.

Phasenanschnittsteuerung: (a) Netzspannung als Funktion der Zeit, (b) und (c) Ausgangsspannung bei hoher und niedriger Leistung. Kleine Pfeile zeigen an, wann der Triac gezündet wird.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Bei der Phasenanschnittsteuerung wird der Stromfluss meist durch einen Triac (Antiparallelschaltung zweier Thyristoren) gesteuert. Nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung (und des Stromes) leitet der Triac den Strom so lange nicht, bis er einen Zündimpuls erhält; ab diesem Zeitpunkt (dieser „Phase“ des Wechselstromsignals) wird der Verbraucher mit Energie versorgt (bis zum nächsten Nulldurchgang). Je später der Triac gezündet wird, desto geringer ist die mittlere Leistung.

Phasenanschnitt- und Phasenabschnittsteuerung[Bearbeiten]

Während bei der Phasenanschnittsteuerung der Strom verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet wird und bis zum nächsten Nulldurchgang fließt, ist es bei der Phasenabschnittsteuerung umgekehrt: Der Strom wird nach dem Nulldurchgang sofort eingeschaltet und vor dem nächsten Nulldurchgang wieder ausgeschaltet. Der Schaltungsaufwand ist höher; es müssen entweder abschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristor) oder Power-MOSFET resp. IGBTs verwendet werden, auch die Steuerungselektronik ist aufwändiger.

Für kapazitive Lasten sind Phasenanschnittsteuerungen wegen des plötzlichen Spannungsanstiegs nicht geeignet (es würde ein extrem hoher Strom fließen), dafür werden Phasenabschnittsteuerungen eingesetzt. Hingegen sind Phasenabschnittsteuerungen nicht für induktive Lasten geeignet (Spannungsspitze beim Abschalten des Stromes).

Sogenannte Universaldimmer erkennen automatisch, ob eine induktive oder kapazitive Last vorliegt, und wirken demnach als Phasenan- oder -abschnittsteuerung.

Effektivwert der Spannung berechnen[Bearbeiten]

Beispiel: Phasenanschnitt einer 230 V Wechselspannung nach 3 ms

Der Effektivwert der Spannung lässt sich wie folgt berechnen:

U_{\rm eff} ={\sqrt{ \frac{4 \cdot U_{\rm N}^2}{T}  \int_{t_0}^{\frac{T}{2}}  \sin^2 \left( 2 \pi \frac{t}{T} \right) dt}}
     = U_{\rm N} \cdot \sqrt{1 - 2 \frac{t_0}{T} + \frac{1}{2 \pi} \cdot \sin \left( 4 \pi \frac{t_0}{T} \right)}

Wird beispielsweise die Netzspannung von 230 V bei einer Netzfrequenz von 50 Hz (die Periodendauer T beträgt in diesem Fall 20 ms) zum Zeitpunkt t0 = 3 ms nach dem Nulldurchgang angeschnitten, ergibt sich eine effektive Spannung von ca. 212 V am Verbraucher.

Vor- und Nachteile der Phasenanschnittsteuerung[Bearbeiten]

Der Vorteil der Phasenanschnittsteuerung (und Phasenabschnittsteuerung) im Vergleich zu Schaltungen, bei denen die Spannung durch einen Widerstand geregelt wird, ist ihr sehr geringer Leistungsverlust. Im Gegensatz zu komplizierten regelbaren Schaltnetzteilen, die auch geringen Leistungsverlust haben, ist eine Phasenanschnittsteuerung wesentlich einfacher und kleiner aufzubauen und weniger störanfällig. Die ebenfalls zur Leistungssteuerung verwendeten Stelltransformatoren sind wesentlich größer und schwerer als Phasenanschnittsteuerungen.

Der größte Nachteil von Phasenanschnittsteuerungen (und Phasenabschnittsteuerungen) ist der nicht-sinusförmige Verlauf des Stromes. Weil Strom und Spannung nicht dieselbe Form besitzen, tritt eine Verzerrungsblindleistung auf. Die zeitlich nacheilende Verschiebung des Stromes gegenüber dem Spannungsverlauf wirkt sich wie eine induktive Belastung aus, die von den Elektrizitätsversorgungsunternehmen nur bei kleinen Leistungen toleriert wird. Bei großen Leistungen muss deshalb eine Schwingungspaketsteuerung verwendet werden, die keine Phasenverschiebung verursacht.

Der Verbraucher erhält von der Phasenanschnittsteuerung oder Phasenabschnittsteuerung eine nicht-sinusförmige Spannung. Während das für ohmsche Verbraucher wie Glühlampen und Heizwiderstände kein Problem darstellt, können elektronische Geräte, die an eine Phasenanschnittsteuerung angeschlossen werden, dadurch beschädigt werden.

Auch bei Transformatoren, z. B. für Halogenlampen ist Vorsicht geboten: Es ist einerseits darauf zu achten, dass die Phasenanschnittsteuerung (d. h. der Dimmer) für diese Anwendung geeignet ist, andererseits sollten keine Schaltnetzteile, wie sie heute zunehmend eingesetzt werden, an Phasenanschnittsteuerungen angeschlossen werden. Es gibt jedoch Phasenabschnittsteuerungen, die für elektronische Spannungswandler geeignet sind. Schaltnetzteile erkennt man daran, dass sie viel kleiner und leichter als Transformatoren gleicher Leistung sind. Mit Universaldimmern mit automatischer Lasterkennung können sowohl Transformatoren als auch Schaltnetzteile verwendet werden.

Die meisten Phasenanschnittsteuerungen (Dimmer) sind nicht für Leuchtstofflampen oder Energiesparlampen geeignet.

Grundprinzip[Bearbeiten]

Schaltplan einer Phasenanschnittsteuerung (vereinfacht)

Das Bild rechts zeigt den vereinfachten Schaltplan einer Phasenanschnittsteuerung. Die Lampe La wird über den Triac Tr gesteuert, dieser wird über den Diac Di gezündet. R1 und C1 vermindern die Hysterese sowie R2 und C2 bilden zwei Phasenschieber, durch die eine Verzögerung der Wechselspannung erfolgt, daher wird die Schwellspannung des Diac erst lange nach dem Nulldurchgang erreicht und der Triac zündet erst kurz vor dem nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung. Mit dem Potentiometer P kann eine weniger verzögerte Wechselspannung „beigemischt“ werden. Je kleiner sein Widerstand ist, desto früher zünden der Diac und der Triac und desto heller leuchtet die Lampe.

Zur Vereinfachung wurden in der Praxis wichtige Schaltungskomponenten (Sicherung, Entstördrossel und -Kondensator, RC-Glied am Triac zu dessen Schutz) nicht eingezeichnet. Heute werden zur Ansteuerung des Triacs (oder Thyristors) oft auch integrierte Schaltungen verwendet, z. B. der TCA 785.

Literatur[Bearbeiten]

  • Wilhelm Gerster: Moderne Beleuchtungssysteme für drinnen und draußen. 1. Auflage, Compact Verlag, München, 1997, ISBN 3-8174-2395-0
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]