Wechselstromsteller

Laboraufbau Wechselstromsteller Diese Seite beschreibt die Funktionsweise eines Wechselstromstellers, oder eines Dimmers, wie er allgemein bezeichnet wird. Die Schaltung ist mit dem auf der Stromrichterseite beschriebenen Steuersatz aufgebaut. Die Thyristoren (BT 152R 800V/20A) befinden sich in dem schwarzen Kästchen. Als Last dient hier vorerst einmal eine Glühbirne, die in ihrer Helligkeit gesteuert wird. Versorgt wird die Schaltung aus dem Regeltrafo, der im Hintergrund zu sehen ist.
Wer keinen so aufwendigen Versuchsaufbau machen will, kann dazu auch einen einfachen Lichtdimmer benutzen. Alle die schon einmal einen Licht Dimmer eingebaut haben, wissen, dass er nicht so groß ist wie dieser Versuchsaufbau. Das liegt daran, dass ein normaler Lichtdimmer einen Triac verwendet und die Steuerimpulse auf sehr einfache und daher ungenaue Art erzeugt. Ein Triac kann bei jeder Halbwelle durch einen positiven oder negativen Steuerimpuls gezündet werden.

Prinzipschaltung Der Triac ist in dieser Schaltung durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren ersetzt. Die Ansteuerung hat nun so zu erfolgen, dass in der positiven Halbwelle der obere und in der negativen Halbwelle der untere Thyristor gezündet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausgangsspannung wieder eine Wechselspannung ist. Da beide Halbwellen ihre Polarität nicht ändern (keine Gleichrichtung), ist der Arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung immer Null. Das setzt allerdings voraus, dass beide Thyristoren immer zum selben Zeitpunkt angesteuert werden. Wird der obere im Spannungsmaximum (Steuerwinkel 90°) gezündet, dann muss das auch für den untere gelten. Bei einem Triac-Dimmer können die Zündzeitpunkte bei positiver und negativer Halbwelle etwas unterschiedlich sein. In dieser aufwendigen Schaltung wird das aber sehr genau eingehalten.

Ohm´sche Last Das zugehörige Oszillogramm zeigt den Spannungs- und Stromverlauf an der ohmschen  Last (100 W Glühbirne). Es ist ein etwas kleinerer Steuerwinkel als 90° eingestellt. Eine Halbwelle beginnt deshalb erst kurz vor ihren Spannungsmaximum. An einer Ohmschen Last, wie es die Glühbirne ist, sieht der Stromverlauf genauso aus wie die Spannung. Durch ändern des Steuerwinkels kann somit leicht der Effektivwert der Spannung und somit auch die Leistung eingestellt werden. Das ist das Prinzip, das alle einfachen Licht Dimmer oder Drehzahlregler in vielen Elektrogeräten anwenden.

Induktive Last Doch das führt schon zum nächsten Anwendungsfall des Wechselstromstellers. Wird nämlich die ohmsche Last durch eine induktive Last ersetzt, so ändert sich die Stromform ganz entscheidend. Um das deutlich zu zeigen wurde für dieses Oszillogramm eine reine Induktivität (ca.0,8H = Vorschaltgerät einer Leuchtstofflampe) verwendet. Die Induktivität lässt jetzt keinen raschen Stromanstieg mehr zu. Der Strom steigt langsam bis zum Nulldurchgang der Spannung an. Die in dieser Zeit von der Induktivität aufgenommene Energie muss in der darauffolgenden Zeit abgegeben werden. Die Spannung an der Induktivität wird deshalb nicht Null, sondern folgt der Netzspannung weiter in ihrem Verlauf, bis der Strom Null wird. Erst dann löscht der Thyristor, und die Spannung springt auf Null zurück.
Wird der Steuerwinkel langsam erhöht, dann sieht es so aus, als würden die Spitzen des sinusförmigen Stromes langsam aus der Nulllinie "herauswachsen". Der Strom ist deshalb sinusförmig, weil er nach der Theorie durch integrieren der Spannung errechnet werden kann. Da aber immer nur ein Teil der Sinusfunktion integriert wird, ergibt sich für den Strom keine volle Sinusschwingung. Der Dimmer mit induktiver Last ist also ein Integrator mit einstellbarer Integrationszeit.
Das Praktische Problem, dass sich daraus ergibt, ist eine Verkürzung des Steuerbereiches. Die Induktivität verlängert ja die Einschaltzeit eines Thyristors auf das Doppelte. Es können daher nur Steuerwinkel von 0 bis 90° verwendet werden. Bei 90° sind Strom und Spannung bereits vollkommen sinusförmig. Das ist der Grund, warum viele einfache Lichtdimmer nicht unbedingt auch für Induktive Lasten verwendbar sind.

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