Camping-dimmer voor 12-V-lampen
We zijn de laatste tijd echt in "dimmer-stemming" (misschien heeft het met het jaargetijde te maken?). Twee maanden geleden begon de reeks met een speciale dimmer voor halogeenlampen: vorige maand brachten we een luxe aanraak-dimmer voor 220 V en nu wordt de serie gekompleteerd (voorlopig?) door een simpele 12-V-dimmer die vooral voor mobiel gebruik bedoeld is.
De verlichting in caravans en campers werkt vrijwel altijd op een gelijkspanning van 12 volt die uit een akku betrokken wordt. Op campings waar een 220-V-aansluiting voorhanden is, wordt ook wel met 220-V-verlichting gewerkt, maar dan toch vooral als het een vaste standplaats betreft. Met name de uitgesproken mobiele campeerders zullen hun verlichting (en andere apparatuur) voornamelijk op een 12-volt-akku laten werken.
Nu kan men de akku niet zomaar dagen lang als energiebron gebruiken, zonder deze bij te laden. Waar dat laatste niet mogelijk is, moet er gewoon wat zuiniger met energie worden omgesprongen, bijvoorbeeld door de verlichting niet meer te gebruiken dan nodig is.
Met een dimmer-schakeling zoals hier beschreven, kan de verlichtingssterkte naar behoefte worden aangepast. De caravan- of camper-verlichting kan met behulp van de dimmer 's avonds na het koken of opruimen tot een aanvaardbaar minimum worden teruggeregeld. Dat spaart niet alleen akku-energie, maar is ook veel sfeervoller!
Hoewel de schakeling eigenlijk voor het dimmen van gloeilampen bedoeld is, kunnen volgens de ontwerper ook TL-lampen van 12 volt (met ingebouwde omvormer) worden gedimd (zie verderop). Als u halogeenlampen gebruikt, dan kunt u ze het beste van tijd tot tijd eens op volle sterkte laten branden; dat voorkomt aanslag van gloeidraad-materiaal op het glas.
De schakeling is geschikt voor 12-V-lampen van maximaal 21 W; indien een koelplaat wordt aangebracht, dan kunnen lampen tot circa 90 W aangesloten worden (zie verderop).
Elex-abc
duty-cycle: in feite hetzelfde als puls/pauze-verhouding. In procenten wordt hiermee aangegeven welk deel van de tijd een uitgang aktief danwel "hoog" is.
FET: Een FET heeft, net als een gewone transistor, meestal drie aansluitingen. Wat bij een transistor de basis is, heet bij een FET de gate; de kollektor is vergelijkbaar met de drain van de FET en de emitter met de source Evenals bij gewone transistoren, zijn er FET's in allerlei soorten en maten. Er zijn sperlaagtypen en typen met geisoleerde gate vemjkings- en verarmingstypen. Maar net zoals er PNP- en NPNtransistoren zijn, zijn er N-kanaal- en P-kanaal-FETs.
Hysteresis: Bij bijvoorbeeld een komparator, een thermostaat, een relais, etc., dient er altijd een klein verschil te zijn tussen het in- en uitschakelpunt, anders zou het genoemde onderdeel bij de kritische spanning of temperatuur besluiteloos heen en weer gaan klapperen. Dit verschil noemt men de hysteresis.
Oscillator: Dit is een schakeling die een wisselspanning opwekt met een bepaalde frekwentie en amplitude Het hoofdbestanddeel van een oscillator bestaat uit een versterker waarvan de uitgang op een dusdanige manier met de ingang verbonden is dat deze het ingangssignaal ondersteunt; in-en uitgangssignaal zijn dus "in fase". Dit betekent dat het ingangssignaal door het daardoor ontstane uitgangssignaal in stand gehouden wordt.
Pulsbreedte-regeling
De dimmer waarvan u het schema in figuur 1 ziet, zet een 12-V-blokspanning op de lamp (Lal) met een frekwentie van circa 38 Hz. De duty cycle van de blokspanning kan met behulp van potmeter P1 tussen 16 en 92 % worden ingesteld. De lamp krijgt dus geen kontinue 12-V-gelijkspanning, maar 12-V-pulsen waarvan de breedte regelbaar is.
Figuur 1. Het gedeelte rond IC1 is een 38-Hz-blokspanningsoscillator, waarvan de pulsbreedte (duty cycle) met behulp van P1 tussen 16 en 92 % kan worden ingesteld.
De genoemde percentages duty cycle korresponderen niet helemaal met het energieverbruik van de lamp. Dit komt doordat de gloeidraad van een lamp zich als een PTC-weerstand gedraagt. Een koude gloeidraad heeft dus een lagere inwendige weerstand dan een hete. Gevolg: bij een lage lampspanning (of zoals hier: bij een kleine duty cycle) loopt er wat meer gloei-draadstroom dan we misschien zouden verwachten. Ook de lichtopbrengst van de lamp loopt niet parallel met de duty cycle. De reden hiervan is dat het rendement van een gloeilamp die maar zwakjes brandt, veel lager is dan van een gloeilamp die heel fel brandt. Dat komt doordat een zwakjes brandende gloeilamp zijn lichtenergie bijna geheel in de vorm van infrarood licht uitzendt en niet in het zichtbare deel van het spektrum. Zelfs bij een normaal brandende gloeilamp mag u al blij zijn, als 10 procent van het licht in het voor ons zichtbare deel van het spektrum wordt uitgezonden. Bij de zeer fel brandende halogeenlampen ligt dit percentage gelukkig veel hoger. Maar nu terug naar het schema.
Zoals te zien, is n kant van lamp Lal via aan/uit-schakelaar S1 direkt met de plus van de 12-voltvoeding verbonden. De andere kant van de lamp is via het drain-source-circuit van power-FET T1 met de minpool (nul, massa) van de voeding verbonden. T1 fungeert als een soort elektronische serie-schakelaar voor de lamp en wordt afwisselend in geleidings- en sper-toestand gebracht. Als gevolg hiervan krijgt de lamp 12-volt-pulsen.
De pulsen worden geleverd door de schakeling rond IC1. Dit is een blokspanningsoscillator die met zijn uitgangsspanning FET T1 beurtelings laat geleiden en sperren. Het gate-circuit van de FET is daartoe via weerstand R7 met de uitgang van de blokspanningsoscillator verbonden (pen 6 van IC1 ).
De oscillator krijgt zijn voeding via D1 en R1. Diode D1 beveiligt IC1 tegen verkeerd-om gepoolde voedingsspanning (IC1 krijgt dan gewoon geen spanning). Kondensator C1 ontkoppelt de voedingsaansluitingen van IC1. Weerstand R1 zorgt dat er bij het inschakelen van de voedingsspanning en het daarmee gepaard gaande opladen van Cl geen te grote stroom door D1 kan lopen. Het principe van de in figuur 1 afgebeelde blokgolf-oscillator wordt wel vaker in Elex gebruikt; meestal treffen we dan geen opamp in de schakeling aan, maar bijvoorbeeld een als inverter geschakelde Schmitt-trigger-NAND. In figuur 1 wordt het Schmitt-trigger-achtige gedrag (hysteresis dus) door weerstand R4 veroorzaakt. Deze weerstand koppelt de uitgang (pen 6) van IC1 naar de niet-inverterende ingang (pen 3) terug. De beide weerstanden R2 en R3 zorgen ervoor dat het gelijkspanningsnivo op pen 3 ongeveer midden tussen 12 volt en massa in "hangt" en dus circa 6 volt bedraagt. Als we R4 zouden verwijderen, dan zou pen 3 inderdaad dit nivo hebben. Afhankelijk van de toestand op de uitgang ("hoog" of "laag" dus 12 volt of massa) zal ook de spanning op pen 3 van IC1 hoger of lager dan 6 volt zijn. De spanning op pen 3 varieert ongeveer tussen 2/3 x 12 V, dus 8 V en 1/3 x 12 V, dus 4 V.
Goed, we hebben dus een opamp die van hysteresis voorzien is. Maar hoe krijgen we deze aan het oscilleren? Op dezelfde wijze als bij soortgelijke schakelingen die op een inerter met hysteresis gebaseerd zijn, namelijk door een RC-kombinatie met de uitgang en de inverterende ingang te verbinden. In de schakeling van figuur 1 is dat dan ook gedaan: kondensator C2 zit op de normale manier tussen de inverterende ingang van het versterkende element en massa. Wat de weerstand betreft, ligt de zaak iets ingewikkelder: we zien in figuur 1 niet slechts n laad/ontlaad-weerstand tussen de uitgang en kondensator C2 zitten, maar een hele groep van onderdelen, namelijk Pl, D2, D3, R5 en R6. Wat is hiervan de reden? Welnu, we willen niet gewoon maar een blokspanning laten opwekken, maar een waarvan de duty cycle regelbaar is. En dat wordt door het zojuist genoemde groepje onderdelen gerealiseerd.
Zoals we weten, wordt bij oscillatoren als deze de kondensator (C2) afwisselend opgeladen en weer ontladen vanuit de uitgang; dit gebeurt via de laad/ontlaadweerstand. Indien er met slechts n laad/ontlaadweerstand gewerkt wordt, dan is de laadstroom gelijk aan de ontlaadstroom. De laadkurve zal dan exakt gelijk, maar wel het spiegelbeeld zijn van de ontlaad-kurve. Aan de uitgang van het versterkende element verschijnt er in dat geval een volkomen symmetrische blokspanning (vooropgesteld dat de schakeldrempels van het versterkende element symmetrisch ten opzichte van plus en massa liggen). Bij de schakeling uit figuur 1 willen we echter geen symmetrische blokspanning, dus een met een duty cycle van 50 procent. Integendeel: we willen dat de duty cycle naar wens kan worden ingesteld. In onze dimmer-schakeling bereiken we dit door de laad- en ontlaadstromen die van en naar de kondensator vloeien, ongelijk aan elkaar te maken. De mate van ongelijkheid kan met potmeter Pl worden ingesteld.
Het laden van C2 vindt plaats op het moment dat de uitgang van IC1 "hoog" is. C2 wordt dan via de laadweerstand opgeladen. Zodra de spanning op de bovenkant van C2 (dus ook die op pen 2) het spanningsnivo op pen 3 passeert, klapt het uitgangsnivo om van "hoog" naar "laag". Daarna begint C2 zich via de ontlaadweerstand te ontladen. Op het moment dat de spanning op de bovenkant van C2 het nivo passeert dat pen 3 in deze nieuwe situatie heeft, springt de uitgang weer van "laag" naar "hoog" Dit proces blijft zich periodiek herhalen en dat resulteert in een blokspanning op de uitgang.
In figuur 1 kunnen we, zoals gezegd, de verhouding tussen de laad- en de ontlaad-weerstand beïnvloeden. Het laden van C2 gebeurt via het circuit R5, D2 en de bovenste helft van Pl. Het ontladen vindt plaats via het circuit: onderste helft van P1, D3 en R6. Indien de loper van Pl verplaatst wordt, door aan de potmeter te draaien, dan kunnen we de laadweerstand groter maken dan de ontlaadweerstand of omgekeerd. Met de loper in de bovenste stand hebben we een kleine laadweerstand en een grote ontlaadweerstand. Het laden gaat dan heel snel en het ontladen maar langzaam. Gevolg: de spanning op C2 is het grootste deel van de tijd "hoog". Dit zorgt er weer voor dat ook de uitgang van IC1 het grootste deel van de tijd "hoog" is en dus T1 vrijwel de hele tijd geleidt. Lamp Lal brandt dan op (vrijwel) volle sterkte.
Draaien we de loper van P1 helemaal omlaag, dan krijgen we het omgekeerde effent: C2 wordt slechts langzaam opgeladen, maar heel snel ontladen en heeft dus een spanningsnivo dat het grootste deel van de tijd "laag" is. Dit zorgt ervoor dat ook de uitgang het merendeel van de tijd "laag" is en dus FET T1 meer spert, dan geleidt. De lamp brandt in dat geval maar zwakjes. Als de loper van P1 in zijn middenstand wordt gezet, dan is de laadweerstand gelijk aan de ontlaad-weerstand. De oscillator levert dan een symmetrische blokspanning, dus met een duty cycle van 50 %. De lamp zou dan eigenlijk op de halve sterkte moeten branden, maar zal dat in de praktijk niet doen, zoals aan het begin van dit artikel is uitgelegd.
De beide genoemde uiterste standen van P1 (helemaal vol open en helemaal dicht) zijn ook ingesteld toen we in ons lab bijgaande foto's (figuur 2a/b) maakten: op de skoop zijn de blokspanningen en hun onderling verschillende duty cycle te zien.
Figuur 2. Met de loper van potmeter Pl in zijn bovenste stand is de duty cycle het grootst: de lamp brandt dan het felst (a). Als de loper in zijn onderste stand staat, dan is de duty cycle minimaal en brandt de lamp maar zwak (b).
Opbouw
Omdat het om een relatief simpele schakeling gaat, hebben we maar geen print in onze Print Service opgenomen. U zult deze keer dus zelf een print moeten (laten) etsen aan de hand van de koper-layout en onderdelen-opstelling uit figuur 3. De schakeling kan overigens ook prima op gaatjesbord worden opgebouwd. Denkt u er wel aan om voor voldoende dikke geleiders te zorgen in verband met de stromen die door de lamp, de plusleiding. FET T1 en de massaleiding kunnen lopen. Dus eventueel wat 2.5 mm2 koperdraad parallel over de printbanen solderen!
Figuur 3. Met deze koper-layout en onderdelenopstelling kunt u zelf een print voor de schakeling (laten) maken. Opbouw op gaatjesbord is ook mogelijk.
| R1 | 100 Ω |
| R2 - R4 | 10 kΩ |
| R5 | 22 kΩ |
| R6 | 2,2 kΩ |
| R7 | 4,7 kΩ |
| P1 | 100 kΩ lin. potmeter |
| C1 | 100 µF/40 V |
| C2 | 220 nF |
| D1 | 1N4001 |
| D2, D3 | 1N4148 |
| T1 | BUZ10 (zie tekst) |
| IC1 | LM741 |
| S1 | schakelaar enkelpolig aan/uit |
| K1 | 4-polige printkroonsteen |
Bij de opbouw van de schakeling kan er vrij weinig misgaan, mits u FET T1 tegen statische elektriciteit beschermt bij het solderen. Gebruik dus een geaarde soldeerbout en ontlaad uzelf voordat u T1 oppakt (statische lading afvoeren door even de verwarming of een waterleiding aan te raken). De voedingsspanning van de schakeling mag rustig worden omgepoold, aangezien Dl de elektronica beveiligt. Bij verkeerd gepoolde spanning geleidt T1 maximaal en brandt Lal ook maximaal. Dit is dus een methode om de lamp op volle sterkte te laten branden. Met de dimmer kan dat namelijk net niet: deze gaat maar tot een duty cycle van 92 %. Er is ook nog de gewone manier om de lamp maximaal te laten branden, namelijk door een schakelaar over de FET (dus tussen drain en source) te schakelen; het sluiten van deze schakelaar laat de lamp op volle sterkte branden.
Met S1 kan de lamp (en de schakeling) helemaal worden uitgeschakeld; het kan geen kwaad om in serie met de plusleiding naar de 12-V-akku een snoerzekering op te nemen.
Wat de koeling van T1 betreft het volgende: ongekoeld kunnen lampen tot 21 W worden aangesloten. Bij goede koeling kan T1 lampvermogens tot 90 W aan; beter is het om bij dergelijke vermogens voor T1 geen BUZ10, maar een BUZ11 te nemen.
De ontwerper van de schakeling heeft de dimmer ook gebruikt in kombinatie met TL-lampen van 12 volt. Deze worden net als de gloeilamp(en) op de punten "E" in figuur 1 aangesloten. Let hierbij wel op de juiste polariteit. Over de punten "L" dient bij gebruik van een TL-lamp een foliekondensator van circa 470 nF te worden aangesloten.