Stmívání (1.)

Do počátku rozvoje průmyslových technologií výroby výkonových polovodičových součástek byla regulace intenzity osvětlení nejenže nákladnou, ale také jen výjimečně používanou technikou. Regulace byla používaná pro žárovkové světelné zdroje, zpravidla plynulou změnou napětí. Regulaci obstarávaly buďto regulační autotransformátory anebo v sérii zapojené proměnné odporníky (reostaty). Takováto technika byla nejen investičně , ale i prostorově velmi náročnou, nehledě na energetické ztráty na sériových odporech. Proto byla užívána ve filmové a divadelní sféře, jen výjimečně v jiných oblastech. Pouze pro energeticky vysoce náročné aplikace se využívalo řízených rtuťových usměrňovačů s fázovým řízením.
V 60. letech 20. století se již staly běžnými nejdříve tyristory, jen o málo později triaky. Rozměrově malé polovodičové spínací prvky, se stále se snižujícími ztrátami, umožnily využití jednoduchého principu fázového řízení (podle obr. 1) k energeticky úspornému a cenově dostupnému stmívání v prakticky každé elektrické instalaci, včetně instalací domovních a bytových.

Principiální schéma fázově řízeného stmívače

Jednoduchost základního zapojení vedla k hojným amatérským návodům ke zhotovení, protože průmyslová výroba kompletních stmívačů se u nás rozběhla teprve ve druhé polovině 70. let. Amatérské konstrukce ale neměly prakticky žádnou šanci na širší využití. Při fázovém řízení jsou generovány vyšší harmonické ve velmi širokém frekvenčním spektru. Harmonické nižších řádů se výrazně podílí na deformaci harmonického průběhu síťového napětí, zatímco harmonické vyšších řádů (až do stovek MHz) dokáží spolehlivě rušit příjem rozhlasového i televizního vysílání v okruhu několika desítek, někdy až stovek metrů od tohoto přístroje. Zabezpečit skutečně vyhovující odrušení je amatérsky značně problematické.

Náčrt vzhledu prvního sériově vyráběného stmívače u nás

Zavádění výroby elektronických spínačů si vynutilo zrychlení trvalého procesu mezinárodní normalizace, zabývajícího se elektromagnetickou kompatibilitou. Má-li být jakýkoliv elektronický elektroinstalační přístroj schválen pro použití podle platných evropských norem, musí vyhovět nejen zkouškám elektrické bezpečnosti, ale i zkouškám ověřujícím elektromagnetickou kompatibilitu, tedy jeho bezpečnost z hlediska generování rušivých signálů a současně i odolnosti vůči rušení.

Možné způsoby řízení intenzity osvětlení
V běžné elektrické instalaci u nás používáme jmenovitého střídavého napětí 230 V, 50 Hz. Pro změnu svítivosti světelného zdroje musíme dosáhnout změny efektivní hodnoty jím procházejícího proudu.

Toho lze dosáhnout v zásadě třemi způsoby:

• - změnou amplitudy harmonického proudu,
• - střídavým propouštěním a zadržováním vždy několika půlvln,
• - změnou tvaru (deformací) střídavého proudu.

Změny amplitudy lze dosáhnout například již zpočátku zmíněnými způsoby (regulační transformátory, sériové reostaty). Využitelné elektronické regulátory, založené na změně amplitudy v širokých mezích, se prozatím nepodařilo úspěšně zkonstruovat.
Regulací založenou na střídavém propuštění a zadržení vždy několika po sobě jdoucích celých půlvln, při proměnném poměru jejich počtu, lze regulovat příkon spotřebičů, u nichž takovýto střídavý chod nepůsobí praktické problémy. To může být například u elektrotepelných spotřebičů – u nich je obvyklou poměrně vysoká tepelná setrvačnost. Takovýto princip je ale zcela nepoužitelný pro řízení osvětlení. Docházelo by totiž k osvětlování různě dlouhými světelnými záblesky.
Proto se rozšířilo využívání svými vedlejšími účinky nepříjemnějšího způsobu – fázového řízení, jímž se deformuje původně harmonický průběh napětí (nadměrná produkce vyšších harmonických, nároky na odrušení). Evropské normy proto také omezují fázovou regulaci jen na předem vymezené případy. Důsledkem je určování nejvyššího podílu výkonu spotřebičů s fázovou regulací vzhledem k celkovému instalovanému výkonu v daném objektu.
V dalším se budeme zabývat jen otázkami souvisejícími s vlastním procesem stmívání.

Deformace harmonického průběhu napájecího napětí lze dosáhnout v zásadě dvěma cestami:

• - fázovým řízením na náběžné hraně,
• - fázovým řízením na sestupné hraně.

Principy fázového řízení

V obou případech je na vstupu stmívače harmonické napětí podle grafu a). V závislosti na potřebném výstupním napětí generuje řídicí obvod spínací pulsy b) tak, aby jedna část půlvlny (úhel λ) byla zadržena, takže proud bude zátěží procházet jen po dobu otevření (úhel λ) – viz graf c). V obou případech se úhel otevření λ může měnit prakticky od 0° do 180° v každé půlvlně. Při spínání na náběžné hraně se polovodičový ventil otevírá v každé půlvlně spínacím impulsem a vypíná při průchodu nulou, zatímco při spínání na sestupné hraně se ventil otevírá při průchodu nulou a vypíná spínacím pulsem.
Spínání na náběžné hraně je běžným způsobem fázového řízení, používá se pro stmívání žárovek na 230V anebo primárních vinutí transformátorů pro žárovky malého napětí. Běžné je i pro řízení otáček motorků ventilátorů, vrtaček a podobně. U induktivních zátěží ani jiného způsobu řízení nelze použít.
Při využití elektronických transformátorů pro napájení žárovek malého napětí je nezbytné použití spínání na sestupné hraně. Při volbě stmívače je tedy nezbytné znát charakter zátěže. Ve společném zatěžovacím obvodu totiž nelze směšovat elektronické a klasické transformátory.

Základní parametry stmívačů
Všechny základní parametry stmívačů jsou běžně uváděny v katalogové dokumentaci i v průvodních materiálech dodávaných přístrojů (v návodech k montáži a použití).
Jmenovité napětí je udáváno na 230V, při kmitočtu 50Hz. Znamená to, že spolehlivá činnost přístroje musí být zpravidla zajištěna i při kolísání napětí v síti o +/-10%.

Dalším údajem je maximální zátěž ve V.A nebo W. Velikost této zátěže platí pro běžný rozsah teplot okolí (rovněž udávaný výrobcem). Má-li být stmívač provozován při vyšších okolních teplotách, musí dojít k redukci zátěže, v závislosti na absolutní hodnotě provozní teploty. Jestliže je udávána horní hranice okolní teploty například na 35°C, pak při okolní teplotě 50°C již je nutné snížit zatížení téměř na polovinu jmenovité hodnoty.

Závislost zatížitelnosti stmívače na okolní teplotě

Každý stmívač obsahuje výkonový spínací prvek (triak), který ovšem není a nemůže být bezeztrátový. Při průchodu proudu na něm vzniká úbytek napětí řádově 10⁰V. U běžných stmívačů pro montáž do zapuštěných elektroinstalačních krabic (se jmenovitým výkonem kolem 500W) se výkonová ztráta na triaku pohybuje kolem 2W. Z celkového energetického hlediska se jedná o nevýznamnou ztrátu, ale z hlediska samotného přístroje to znamená vývin tepla, které je nutné odvést. Při běžné montáži stmívače podle montážního návodu, tedy do co nejhlubší krabice o průměru alespoň 60mm (u nás je stále ještě používanější průměr krabic 68mm),.....

..... tedy s vnitřním povrchem dostatečně velkým pro odvádění tepla přenosem do stavební konstrukce, není nutné uvažovat s opatřeními pro zlepšení odvodu tepla. Pokud by však došlo ke koncentraci několika stmívačů do společného prostoru (do krabic vedle sebe, v horším případě nad sebou, v nejhorším případě do rastru), již je nutné počítat se zhoršeným odvodem tepla a tedy se snížením zatížitelnosti jednotlivých přístrojů. Přitom bude nutné experimentálně prověřit skutečné tepelné poměry.

V případě použití rozvaděčových konstrukcí stmívačů je prověření tepelných poměrů zcela nezbytné. Výrobci rozvaděčů běžně udávají, pro jakou výkonovou ztrátu je ta která skříň koncipována. Podle výpočtových pravidel, daných mezinárodními normami, se určí maximální počet konkrétních přístrojů (každý jistič, každý další rozvaděčový přístroj má výrobcem udávanou tepelnou ztrátu). Každý rozvaděč by měl mít doložen výpočet tepelných ztrát a jeho soulad s použitou skříní.
Při vyšších počtech stmívačů v rozvaděčích je nutné důsledně dodržovat i mnohé další pokyny pro způsob montáže, jakými mohou být minimální vzdálenosti mezi jednotlivými přístroji (vzduchové mezery pro zlepšení chladicích poměrů). Rozvaděče se stmívači musí být umístěny tak, aby přirozené chlazení nedovolilo nárůst teploty nad přípustnou mez. V opačném případě již je nezbytné doplnit nucené chlazení.
Dříve bývaly instalační stmívače opatřeny nadproudovou a zkratovou ochranou rychlou tavnou trubičkovou pojistkou. Moderní koncepce stmívačů již tento prvek nepoužívají, jsou vybaveny elektronickými nadproudovými i zkratovými ochranami v kombinaci s ochranou tepelnou. V žádném případě tak nemůže dojít ke zničení triaku. Při přetížení (ať již nadproudem nebo teplem) elektronická ochrana odpojí zátěž. Po poklesu teploty triaku naběhne stmívač do běžného provozního režimu. Pokud se v praxi setkáme se střídavým samočinným zhášením a rozsvěcováním stmívaného okruhu, můžeme si být téměř jisti, že se jedná o nesprávně vyřešené stmívání – o projevující se tepelné problémy. V případě zkratu elektronická ochrana odpojí zátěž, celý obvod je pak nutné restartovat krátkým odpojením od napájení (např. jističem). Je tomu tak z důvodu vytvoření prostoru pro odstranění příčin zkratu.

Dalším důležitým parametrem je minimální zátěž,
při které ještě stmívač spolehlivě pracuje. Při použití při nižších zátěžích již přístroj nemusí reagovat vždy správně (funkce může být například zpožděna) anebo dokonce vůbec nefunguje. Běžným je udávat rozsah zátěží, například 60 V.A/W – 600 V.A/W.
Velmi důležitým parametrem je již zmíněný charakter zátěže, pro který je stmívač určen. Nejjednodušší konstrukce bývají jen pro žárovkovou zátěž (klasické nebo halogenové žárovky 230 V), případně i s možností regulace primárního vinutí klasických (vinutých) transformátorů pro obvykle halogenové žárovky malého napětí. Náročnější koncepce dovolují použití pro stmívání halogenových žárovek malého napětí napájených elektronickými transformátory. Zatím nejmodernějšími jsou stmívače univerzální, s mikroprocesorovým řízením provozu, které samočinně nastavují režim činnosti (spínání na náběžné nebo sestupné hraně) podle charakteru zátěže. Samostatnou kapitolu tvoří stmívače pro zářivkovou zátěž. Triak v nich obsažený zabezpečuje silové spínání zátěže, ale regulace je svěřena stmívatelnému elektronickému předřadníku, zabudovanému ve svítidle namísto předřadníku klasického. Předřadník a tedy i stmívač, může být pro analogové řízení stejnosměrným napětím 0 – 10 V nebo pro digitální řízení.