Phasenabschnittssteuerung

Die Phasenanschnittsteuerung und die (seltener verwendete) Phasenabschnittsteuerung sind Methoden zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher, die mit Wechselspannung betrieben werden. Typische Anwendungen sind Dimmer und die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren (z. B. elektrische Handbohrmaschinen).

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.

Leistungsregelung am steuerbaren Gleichrichter durch Verschiebung der Thyristor-Einschaltzeitpunkte

Funktionsweise der Phasenanschnittsteuerung

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

Während bei der Phasenanschnittsteuerung der Strom verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet wird und bis zum nächsten Nulldurchgang anliegt, ist es bei der Phasenabschnittsteuerung genau umgekehrt: Der Strom wird nach dem Nulldurchgang sofort eingeschaltet, und noch vor dem nächsten Nulldurchgang ausgeschaltet. Der Schaltungsaufwand ist höher; es müssen entweder abschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristor) oder (Power-MOSFET)-Transistoren verwendet werden, und 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.

Vor- und Nachteile der Phasenanschnittsteuerung

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

Der größte Nachteil von Phasenanschnittsteuerungen (und Phasenabschnittsteuerung) ist der nicht-sinusförmige Verlauf des Stromes. Der Strom fließt ja nur in einem Teil jeder Halbwelle. Diese nicht-sinusformige Belastung ruft im Netz Störungen hervor. Je mehr die Kurvenform des Stromes von der Sinusform abweicht, desto größer sind die Störungen. Da Strom und Spannung nicht dieselbe Form besitzen, ergibt sich eine Blindleistung, die so genannte Steuer- oder Oberschwingungs-Blindleistung. Der Name Oberschwingungs-Blindleistung ergibt sich aus der Tatsache, dass ein von der Sinusform abweichendes Signal in der Darstellung als Spektrum Oberschwingungen besitzt.

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 darf man nur „echte“ Transformatoren und keine elektronischen Spannungswandler, wie sie heute zunehmend eingesetzt werden, an Phasenanschnittsteuerungen anschließen. Es gibt jedoch Phasenabschnittsteuerungen, die für elektronische Spannungswandler geeignet sind. Elektronische Spannungswandler erkennt man daran, dass sie viel kleiner und leichter als Transformatoren gleicher Leistung sind. Mit Universaldimmern mit automatischer Lasterkennung können sowohl Transformatoren als auch elektronische Spannungswandler verwendet werden (aber nicht beide gleichzeitig!).

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

Grundprinzip der Schaltung einer Phasenanschnittsteuerung

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 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

• 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

• Schwingungspaketsteuerung

Weblinks

• Phasenanschnittsteuerung mit Kommandosteuersignalunterdrückung