Een eenvoudige dimmer

Transcriptie

1 Een eenvoudige dimmer door Jos Koster voor elektronische voorschakel apparaten (EVA's) Al geruime tijd had ik op mijn TL-verlichting Memolux-dimmers zitten. Die werkten tot volle tevredenheid. Omdat ik echter steeds bij keuringen de opmerking kreeg dat het niet goed is om de voorschakelballasten (die grote zware magneetspoelen) in de lichtkap te hebben (hoewel dat wel standaard door de meeste aquariumfabrikanten zo wordt gemaakt), ben ik aan het sleutelen gegaan. De ballasten werden onder het aquarium gemonteerd. Maar na een tijdje wilde ik toch overgaan op elektronische voorschakelapparaten, EVA's. Die worden minder heet, blijken energiezuiniger te zijn, maar bovenal zijn ze beter dimbaar (de Memolux loopt van 30% naar 100% en, na een uit drie programma's te selecteren tijd, weer terug naar 30%). Via de advertentie in Het Aquarium, heb ik twee EVA's besteld bij Jo Keuren (éénmaal 2 x 18 W en éénmaal 26 W). Binnen de vereniging had ik al wat informatie opgepikt over het dimmen van EVA's, maar de elektronica die daarvoor gebruikt wordt, vond ik te ingewikkeld. Zoals sommige wellicht weten (zie het artikeltje over de foto-meter in een vorige uitgave van het maandblad); zoek ik naar simpele oplossingen, die ik zelf snap zodat, als er iets stuk gaat, ik het ook zelf kan herstellen. In eerste instantie ben ik bezig geweest met het ontwerpen van een schakeling die een automatisch op-/aflopende spanning (volts) geeft. Op de EVA stond aangegeven, bij de stuuringang, dat een spanning tussen 1 en 10 volt nodig is. Met een batterij en een paar regelweerstandjes had ik snel iets in elkaar gesoldeerd. Maar helaas het werkte niet, blijkbaar kun je met een variabele spanning toch niet het dimmen van de TL-buis regelen. Nu stond er op de EVA ook een symbooltje getekend voor een variabele weerstand, dus heb ik dat ook geprobeerd. Dat werkte wel. Gewoon een regelbare weerstand was dus genoeg om de EVA te dimmen. Nu alleen nog de schakeling die dus automatisch een weerstand geeft. Om dit artikeltje te kunnen volgen is het niet nodig alles af te weten van elektronica en componenten. Ik zal proberen mijn idee met behulp van de principes van (water-)stroming helder te maken. Wat we willen is een systeem dat langzaam meer wordt (vullen) en ook weer langzaam minder wordt (legen). Als we zoiets in een systeempje voor water in het aquarium gebruiken, doen we dat met een voorraadvat.

2 Met een regelkraantje onder aan het vat kunnen we het niveau in het vat sturen (hoger en lager zetten). Ter illustratie heb ik hieronder een tekening gemaakt van dit systeem. In de elektronica wordt voor het opslaan van elektrische lading (lees: water) gebruikgemaakt van een condensator. Dat is dus de basis voor de dimmer. Om een condensator op te laden is elektrische spanning nodig (lees: toevoer van water) en een rem om te voorkomen dat de condensator in een keer vol loopt (lees: we willen een emmer water niet in één keer in een andere emmer plonsen, maar langzaam leeg schenken). In de elektronica wordt voor het remmen van stroom een weerstand gebruikt. Die zijn er in allerlei zwaartes en er zijn ook regelbare weerstanden (dus een soort regelkraantje). Een condensator kun je dus langzaam via een weerstand laten vollopen (en ook weer legen ) met elektrische lading. Maar hoe komen we te weten hoe vol de condensator op een bepaald moment is? Dat kan gewoon met een voltmeter, maar de hoeveelheid elektrische lading in een condensator is uiterst klein en dus vrijwel niet meetbaar. We moeten de te meten spanning dus versterken. Daarvoor maken we gebruik van transistors. Net als in transistorradiootjes kan daarmee een uiterst zwak geluidssignaal versterkt worden. Voor ons doel moeten we ongeveer twee transistors gebruiken. Per transistor wordt de spanningswaarde (de mate waarin de condensator geladen is) van de condensator ongeveer 300 maal versterkt (afhankelijk van het type transistor), dus met twee transistors is dat ongeveer 300 x 300 = maal. Het signaal is dan sterk genoeg om met andere elektronicacomponenten verder te werken. We willen uiteindelijk een (variabele) weerstandwaarde maken van de ladingwaarde op de condensator. Omdat we spanning (volt) niet simpel om kunnen zetten naar weerstand (Ohm), moeten we een tussenstap maken. Dat gaat met een lichtgevoelige weerstand (LDR) in combinatie met een lichtbron. De weerstand van een LDR neemt af naarmate er

3 meer licht opvalt. De hoeveelheid licht uit de lichtbron is vervolgens weer afhankelijk van de spanning (= stroom) op de lichtbron. Hoe hoger de spanning, des te meer licht wordt gegeven. Daarmee kunnen we dus een variabele spanning omzetten naar een variabele weerstand. Omdat we maar weinig spanning beschikbaar hebben (via de twee transistors) kunnen we als lichtbron het beste een lichtdiode (LED) gebruiken. Die LED bouwen we samen met de weerstand in een lichtdichte behuizing, zodat de lichtgevoelige weerstand optimaal beschenen wordt door de LED. (Er zijn ook compleet samengebouwde componenten te koop van een LED met een lichtgevoelige weerstand. Die zijn uiteraard betrouwbaarder dan een eigen maaksel, maar ze zijn ook duurder). Alle onderdelen van de lichtdimmer hebben we nu gehad, we moeten alleen nog de juiste waarden van de componenten (weerstanden, conden-sator, etc.) berekenen zodat het ook echt kan werken en niet direct door overbelasting stuk gaat (want elektronicacomponenten kun je opblazen als je er te veel spanning/stroom op zet). Met een paar eenvoudige middelbare school formules komen we al een heel eind: Spanning [Volt] = stroomsterkte [Ampère] x weerstand [Ohm], ofwel: (V=IxR) Vermogen [Watt] = spanning [Volt] x stroomsterkte [Ampère], ofwel: (P=VxI) en voor een aantal weerstanden aan elkaar gekoppeld: De totale weerstand is de som van de individuele weerstanden als ze achter elkaar zijn gekoppeld (in serie gekoppeld) ofwel: R(totaal) = R1 + R Rn De reciproke waarde (lees: 1/R) van de totale weerstand is de som van de individuele reciproke weerstandwaarden als ze naast elkaar zijn gekoppeld (parallel gekoppeld) ofwel: 1/R(totaal) = 1/R1 + 1/R /Rn en om het spanningsverloop van de condensator te berekenen: De actuele spanning is de beginspanning plus het verschil tussen de begin en de eindspanning vermenigvuldigd met een tijdfactor ofwel: V = V(begin) + {[V(eind) V(begin)] x f(t)} De tijdfactor f(t) in deze formule wordt bepaald met een nogal ingewikkelde formule die voor het maken van de schakeling niet zo van belang is, maar voor de liefhebbers: f(t) = e ^ [t / (R x C)], waarbij R de weerstand is in Ohm en C de capaciteit van de condensator in Farrad.

4 Als we het verband tussen de tijd en de spanning op de condensator in een grafiek zetten, krijgen we de volgende curve (tijd op de horizontale as en de spanning op de verticale as): 2 Uit de grafiek blijkt dat bij 1 het opladen van de 0 condensator, het laatste 9 stuk het traagst verloopt. 8 Bij het ontladen gebeurt 7 ongeveer hetzelfde, maar dan is de curve van links 6 boven naar rechts onder. 5 Dit betekent dat bij het 4 opladen van de condensator, in het laatste traject vrijwel niet meer merkbaar is (maar visueel is het verschil tussen 90% en 100% verlichting ook vrijwel niet waarneembaar). Omgekeerd betekent dit dat bij het ontladen van de condensator in het begin vrijwel geen verandering is waar te nemen (ook hier geldt dat een verschil tussen 0% en 10% verlichting ook vrijwel niet waarneembaar is). Het effectieve dimmen/opgloeien is dus eigenlijk alleen in het steile stuk van de grafiek bruikbaar. Daar moeten we bij het afregelen en instellen van de schakelklokken van de verlichting dus rekening mee houden (eerst even vooraf de dimmer schakelen en daarna de EVA's aanzetten). Om de schakeling te kunnen berekenen moeten we verder rekening houden met het feit dat een transistor ongeveer een spanningsverlies heeft van 0,7 volt (door de eigen weerstand in de transistor) en een LED ongeveer 1,5 volt nodig heeft (afhankelijk van de kleur licht) om licht uit te zenden. Bij een te hoge spanning, als we de regelweerstand per ongeluk naar een nulwaarde draaien, kunnen transistors en LED's snel door-branden. Om dat te voorkomen moeten kleine vaste weerstanden in de schakeling opgenomen worden, zodat de transistors, LED's en de condensator niet in één keer vol belast worden (en dus doorbranden). Voor degene die het schema willen aanpassen is alle noodzakelijke theorie hiermee gegeven, maar als je niet zelf alles wilt uitrekenen kun je gewoon de waarden uit mijn schema gebruiken. Het schema dat ik uiteindelijk heb gebruikt staat hierna weergegeven.

5 Het schakelen tussen opladen en ontladen doe ik met een 220 V-relais op een schakelklok. De dimmer zelf staat continu aangesloten via een oude transformator op 12 volt gelijkspanning (dus zowel in gedimde als in ongedimde toestand). Met de regelbare weerstandjes kan ik de schakeling afregelen. Via P1 wordt de snelheid van opladen van de condensator geregeld, en via P1 en P2 het ontladen van de condensator. Het opladen van de condensator gaat namelijk moeilijker dan het ontladen, zodat we daarvoor een geringere weerstand nodig hebben. Je kunt dat ongeveer vergelijken met het vullen van een vat met water. Zodra het niveau in het vat stijgt zal het voor een pomp meer moeite kosten water omhoog te pompen (de opvoerhoogte van de pomp is beperkt). Leeglopen van het vat gaat vervolgens wel snel. Via P3 wordt de gevoeligheid van de optische cellen (de LED met de lichtgevoelige weerstand) geregeld. Ik gebruik daarbij een extra LED als verklikker van het (maximale) opgloeiniveau (maar dat kan ook door de uitgangsweerstand van de optische cel te meten en af te regelen op een minimale waarde van bijvoorbeeld 0,5 kohm).

6 Het regelweerstandbereik voor de EVA's stel ik in via P4 en P5. De minimale en maximale weerstand waarop het dimmen van de EVA wordt gestuurd is daardoor niet meer afhankelijk van de weerstandwaarde van de optische cellen. De resulterende weerstand wordt dan (afhankelijk van de variabele weerstand van de LDR in de optische cel) namelijk: Waarde regelweerstand Rr Waarde LDR Resulterende weerstand 1/Rt = 1/Rr + 1/Rl Rl 250 kohm > 15 MOhm (=onbelicht) Vrijwel 250 kohm 100 kohm 71 kohm 10 kohm 9,6 kohm 0,5 kohm Vrijwel 0,5 kohm De kosten van het geheel? Een transistor, LED of condensator kost ongeveer 0,70, een vaste weerstand ongeveer 0,40 en een regelbare weerstand ongeveer 0,60. Een klein stukje elektronica plaat (Vero-board) kost ongeveer 3,00. De duurste componenten waren het 220 V-relais (dat was ongeveer 8,00) en de optische cellen (ongeveer 4,00 per stuk). Totaal was ik dus ongeveer 20,00 kwijt. De schakeling functioneert voor mij goed. Ik kan (met de waarden zoals opgegeven in het schema) het licht in ca. 0-5 minuten laten opgloeien en dimmen, ongeveer tussen de 20% en 90% van de lichtcapaciteit. Om van 10% tot 20% (en van 90% tot 100%) te komen is ook tijd nodig, maar die verandering in lichtintensiteit kunnen we visueel vrijwel niet waarnemen. Als we meer dim-/opgloeitijd willen (maar waarom zouden we?) kunnen we gewoon een zwaardere condensator gebruiken (of een aantal van 220 µf). We moeten dan wel rekening houden met een verlenging van de aanlooptijd van het systeem. Het opgloeien/dimmen tussen 10% tot 20% en van 90% tot 100% van de lichtintensiteit kost ook weer meer tijd (maar is visueel toch niet waarneembaar, dus...). Als er dan nog vragen/suggesties zijn, is dat gelijk een leuk onderwerp voor op een praatavond. Succes met de soldeerbout!