In der heutigen Beleuchtungstechnik werden zur Helligkeitssteuerung von Scheinwerfern ausschließlich Geräte mit gesteuerten Halbleiterbauelementen (Thyristoren, Triacs, Diac u. a. m.) eingesetzt. Die Spannungsregelung wird hierbei durch die Phasenanschnitt-Steuerung erreicht.

Die Vorteile sind:

Die Nachteile sind:

Momentan gibt es über Dimmer noch keine spezielle Norm, die sich mit der Problematik der oben genannten Nachteile beschäftigt. Deshalb sollen folgende Fragen beantwortet werden:

a) Können Meß- und Prüfgeräte bedenkenlos in Dimmerstromkreisen eingesetzt werden?

b) In wie weit gibt es einen Einfluß auf die verwendeten Schutzmaßnahmen gegen indirektes Berühren in TN-S-Netzen (Fehlerstrom- und Überstrom-Schutzeinrichtung)?

c) Wie können Oberwellen mit der heutigen Digitaltechnik gemessen und analysiert werden?

d) Wo liegen die kritschen Arbeitspunkte des Dimmers hinsichtlich der Oberwellen-Erzeugung?

zu a)
Die Phasenanschnittsteuerung hat nicht-sinusförmige Ströme und Spannungen zur Folge. Die Effektiv-Werte dieser Wechselgrößen können von Drehspulmeßgeräten oder digitalen Meßgeräten mit fest eingestelltem Formfaktor nicht korrekt gemessen werden. Daher ist bei einer großen Zahl von Meßgeräten, die sich auf dem Markt befinden, Vorsicht geboten. Es dürfen also nur Geräte, die in den technischen Unterlagen ausdrücklich darauf hinweisen, daß der "echte" Effektivwert gemessen wird, zu Messungen in Dimmerstromkreisen und vergleichbaren Anlagen herangezogen werden. Diese Meßgeräte sind in der Regel teurer als von den Funktionen her vergleichbare Geräte, da eine einfache Meßgrößen-Gleichrichtung mit anschließender Digitalisierung nicht ausreicht um richtig zu messen. Dieser Sachverhalt sollte nicht unterschätzt werden, da die auftretenden Meßverfälschungen nicht zu vernachlässigen sind. So liegen z.B. bei Spannungsmessungen die Differenzen bei Verwendung eines ungeeigneten Meßgerätes im Deka-Volt-Bereich. Dies kann im Bereich bis 50 V lebensgefährlich sein, da bis zu dieser Spannung im Allgemeinen nicht von einer Gefährdung des Menschen ausgegangen wird, und auch Fachkräfte hier "mal schnell" die nötigen Sicherheitsregeln nicht so genau nehmen. Wird ein falsches Meßgerät benutzt liegen aber nicht 50 V, sondern nahezu 100 V am Ausgang des Dimmers. Bei kleineren Spannungen, die als noch ungefährlicher eingestuft werden, sieht es nicht anders aus. Hier liegt ganz klar ein Sicherheitsmangel vor, da bisher an den entspechenden Anlagen und Meßgeräten keine ausreichenden Warnhinweise angebracht sind, die auf die Gefahren bei der Benutzung von ungeeigneten Meßgeräten aufmerksam machen. Eine weitere Fehlerquelle sind Messungen an unbelasteten Dimmern. Bei Spannungsmessungen an Dimmern ist darauf zu achten, daß diese immer zusammen mit geeigneten Lasten (i. d. R. Nennlast) durchgeführt werden. Werden Spannungsmesser alleine an Dimmerausgängen angeschlossen, so bilden sie den einzigen Verbraucher. Spannungsmesser sind aber so hochohmig, daß keine nennenswerten Ströme zum fließen kommen. Dadurch kann der Thyristor oder Triac nicht voll durchsteuern. Er nimmt dann einen instabilen Arbeitspunkt auf seiner Kennlinie ein. Dies führt zu unbrauchbaren Messungen. Diese Problematik beschränkt sich nicht nur auf "einfache" Vielzweck-Meßgeräte, sondern auch auf Prüfgeräte, die bei Prüfvorgängen Strom- und Spannungsmessungen durchführen. Hierzu gehören Universal-Prüfgeräte, mit denen Schleifen- ,Netzinnen- und Erdungswiderstände gemessen, sowie Kurzschluß-Ströme ermittelt und Fi-Schutzschaltungen überprüft werden können. Solche Geräte können in Dimmeranlagen nur unter Berücksichtigung bestimmter Bedingungen eingesetzt werden, da es sonst zu falschen oder gar keinen Messungen kommt. So muß bei der Überprüfung der Schutzmaßnahme "Nullung" ( Messen des Schleifenwiderstandes und Ermittlung des Kurzschlußstromes) folgendes beachtet werden:

I. An der zu messenden Stelle (z.B.: Scheinwerferversatz) muß die maximale Dimmerspannung anliegen, d.h. der Dimmer muß mit 100% angesteuert sein.

II. Die Messung darf nicht an Dimmern im Leerlauf durchgeführt werden, d.h. dem zu messenden Dimmerstromkreis muß immer eine angemessene Grundlast parallel geschaltet sein.

III. Schleifenwiderstandsmessungen können nur in Stromkreisen ohne zusätzliche Fi-Schutzschaltung durchgeführt werden. Ansonsten muß eine Netzinnenwiderstands-Messung (RNetz-Messung ) durchgeführt werden.

Für die Überprüfung der Schutzmaßnahme "Fehlerstrom-Schutzeinrichtung" gelten ebenso die Bedingungen I. und II.. Die dritte Bedingung erübrigt sich aus verständlichen Gründen.

zu b)
Die Schutzmaßnahme " Überstrom-Schutzeinrichtung" funktioniert dann sicher, wenn der fließende Fehlerstrom den erforderlichen Abschaltstrom des Schutzorganes überschreitet. Dieser Fehlerstrom ist von der Netzspannung und dem Schleifenwiderstand abhängig. Der Schleifenwiderstand wird durch angeschlossene Dimmer unwesentlich beeinflußt, so daß von dieser Seite keine Probleme zu erwarten sind. Die Netzspannung hingegen wird vom Dimmer verändert. Die Besonderheit hierbei ist, daß der Stromkreis in zwei Spannungsebenen aufgespalten wird.

Spannungsebene I:

Sie existiert vom Spannungserzeuger (EVU-Station ) bis zum Dimmer. In diesem Bereich herrscht konstant, die vom EVU garantierte Netzspannung. Der ungünstigste Fehlerfall wäre ein Fehler im Dimmer, unmittelbar vor dem eigentlichen Stellglied (= Thyristor ). An dieser Stelle existiert der größte Schleifenwiderstand.

Spannungsebene II:

Diese Ebene besteht vom Dimmerausgang bis zum Verbraucher. Hier herrscht eine von der Dimmeransteuerung abhängige "Netz"-Spannung - die Dimmerspannung. Diese ist variabel zwischen 0 und 230 Volt. Der ungünstigste Fehlerfall wäre hier ein Fehler am Verbraucher bei der niedrigsten noch gefährlichen Dimmerspannung von 50 Volt. Hier wäre der Schleifenwiderstand am größten und die den Kurzschlußstrom "treibende" Spannung am kleinsten, d.h. beide Faktoren verkleinern den möglichen Kurzschlußstrom.

Soll die Schutzmaßnahme "Überstrom-Schutzeinrichtung" in Dimmerstromkreisen sicher angewandt werden, so müssen die zwei existierenden Spannungsebenen unabhängig voneinander betrachtet werden: Es müssen zwei Schleifenwiderstandsmessungen durchgeführt werden. Eine direkt am Dimmerausgang in Richtung Netz (RSchl1) und eine am Dimmerausgang in Richtung Verbraucher (RSchl2) (Nicht den Verbraucher mit messen!) Es müssen Bedingung 1 und Bedingung 2 erfüllt sein, damit das Sicherungsorgan in der vorgeschriebenen Zeit auslösen kann:

Bei der Schutzmaßnahme "Fehlerstrom-Schutzeinrichtung" ist das Problem der Verträglichkeit von nicht sinusförmigen Fehlerströmen weitestgehend in den DIN-Normen erfaßt. Fehlerstrom-Schutzschalter, die nicht nur bei Wechsel-Fehlerströmen sondern auch bei pulsierenden Fehler-Gleichströmen abschalten, können gebaut werden. Diese Schutzschalter sind mit einem besonderen Zeichen markiert. Schutzschalter ohne diese Kennzeichnung können nur bei reine Wechsel-Fehlerströme eingesetzt werden. Für eine umfassende Verträglickeit muß nicht nur eine geeignete Fehlerstromform vorhanden sein, sondern die elektronischen Betriebsmittel dürfen auch keine zu hohen betriebsbedingten Ableitströme haben, denn zu hohe Ableitströme würden einen Fi-Schutzschalter unbeabsichtigt auslösen. Da die Normen keine konkreten Angaben zu der Verträglichkeit von Wechselstromstellern und Fi-Schutzschaltern machen, wurden auch hierzu ausführliche Tests durchgeführt. Dabei kam es zu folgenden Ergebnissen: Die Größe der Dimmerlast und der Grad der Dimmeransteuerung haben keinen negativen Einfluß auf die Funktion "alter" und "moderner" Fi-Schutzschalter. Beide Arten lösen sicher, innerhalb der geforderten Grenzen aus. Tritt ein Körperschluß in Verbindung mit einem defekten Dimmer auf (Ausfall einer Halbwelle-Ansteuerung ), so ist ein sicheres Auslösen von Fi-Schutzschaltern alter Bauart nicht gewährleistet. Moderne Schutzschalter lösen auch in diesem Fehlerfall zuverlässig aus. Schon dieser eine mögliche Fehlerfall hat gezeigt, daß Dimmerstromkreise nur mit Fi-Schutzschaltern ausgerüstet sein dürfen, die für Wechselstrom- und pulsierende Gleichstrom-Fehlerströme geeignet sind ! Die fließenden Auslöseströme erzeugen an den niedrigen Schutzleitungswiderständen des benutzten Netzes Berührungsspannungen im ungefährlichen Milli-Volt-Bereich. Von solchen Werten kann in TN-S-Netzen ausgegangen werden, in denen die Fehlerstrom-Schutzmaßnahme in Verbindung mit der Nullung angewandt wird. Natürlich nur unter der Voraussetzung, daß die Nullungsbedingungen erfüllt sind. Die gemessenen Ableitströme der beiden untersuchten Dimmer liegen im Bereich von 10 mA. Damit liegen sie weit unter dem geforderten Grenzwert von 3,5 mA und können praktisch vernachlässigt werden. Ein unbeabsichtigtes Auslösen eines Fehlerstrom-Schutzschalters kommt bei Strömen dieser Größenordnung nicht vor. Auch sind Spannungs-verschleppungen auf den Schutzleiter auszuschließen. Soll die Schutzmaßnahme "Fehlerstrom-Schutzeinrichtung" in Dimmerstromkreisen sicher angewandt werden, so muß gelten: In Dimmerstromkreisen dürfen nur Fi-Schutzschalter moderner Bauart eingesetzt werden. D.h. sie müssen für Wechselstrom- und pulsierende Gleichstrom-Fehlerströme geeignet sein.

zu c)
Die moderne digitale Meßtechnik ermöglicht, für sich alleine gesehen, schon enorme Mögklichkeiten zur Signalanalyse. Die Schwerpunkte liegen hier bei der zeitlichen und spektralen Analyse von elektrischen Signalen. Doch erst in Verbindung mit Personal Computern zeigen sich die Vorteile der Digitaltechnik im vollen Umfang. Um nur einige zu nennen:

Einmal gemessene Signal können ohne weitere Informationsverluste oder Störeinflüsse weitergeleitet, bearbeitet und analysiert werden.

Diese Vorteile haben natürlich ihren Preis. Zum einen liegen die Kosten für ein solches Meßgerät bei ca. DM 20.000,--, und es muß ein leistungsfähiger Rechner mitsamt der Software (DM 5000,-- bis 10.000,--) zur Verfügung stehen. Zum anderen sind die Anforderungen an den Wissensstand des Benutzers relativ hoch. Neben dem nötigen Fachwissen für die Messung, muß auch ein ausreichend hoher Kenntnisstand über die verwendete Computer-Software vorhanden sein. Ansonsten können die bestehenden Vorteile nicht genutzt werden. Sind diese Voraussetzungen aber erfüllt, so werden die Erwartungen an eine komfortable und effektive Auswertung der Meßdaten erfüllt. Dies gilt natürlich auch für die Messung von Oberwellen-Spannungen an Dimmern. So gibt es wohl momentan keine bessere meßtechnische Alternative, um Meßergebnisse in Diagrammen derart zu verdeutlichen, wie es in dieser Arbeit geschehen ist.

zu d)
Zunächst einmal muß gesagt werden, daß die Annahme von einer "reinen" Netzspannung, die nur von Dimmern mit Oberwellen verseucht wird, so nicht stimmt. Denn auf Grund der Vielzahl von verschiedenen Geräten, die Oberwellen erzeugen (z.B. Fernseher, Elektro-Werkzeuge etc.), ist die vorhandene Netzspannung schon belastet. Deshalb gibt es Vorschriften, daß Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Beeinflussung des versorgenden Netzes mit Oberwellen in akzeptablen Grenzen zu halten. Dies führt dazu, daß Dimmer in Richtung Versorgungsnetz mit Filtern bestückt sind, um die Anforderungen zu erfüllen; in Richung Verbraucher kommt es praktisch zu keiner oder nur sehr geringen Filterung, da hier keine Forderungen gestellt werden.

Dies führt bei den beiden untersuchten Dimmern zu folgenden Ergebnissen:

Netzseitig:
Aus den oben genannten Ergebnissen und Überlegungen entstehen netzseitig an Wechselstromstellern die kritischsten Oberwellenwerte, wenn:

Eine Beeinflussung des Oberwellengehaltes der Netzspannung findet über dem gesamten Arbeitsbereich der verwendeten Dimmer nur in sehr geringem Maße statt. Insbesondere bei den ersten ungeraden Harmonischen (3., 5., 7.), mit ihren theoretisch höchsten Amplituden, zeigt sich keine Veränderung der entsprechenden Netzspannungs-Oberwellen. Dies läßt darauf schließen, daß die Filter-Beschaltungen bei beiden Dimmern ausreichend wirksam sind.

Lastseitig:
Die Oberwellenspektren folgen annähernd der theoretisch-mathematischen Kurvenform. Dies bestätigt die steten Warnungen, Beleuchtungsstromkreise strikt von Audio-, Video- und EDV-Leitungen zu trennen und mit ausreichendem Abstand zu verlegen. Die größten Störbeeinflussungen entstehen im lastseitigen Netz des Wechselstromstellers, wenn:

Da in der Praxis eine optimale Verlegung von Starkstrom- und Signalleitungen nicht immer möglich ist, sollte man gerade beim Betrieb von relativ kleinen Lasten wissen, daß hier die Gefahr von Störbeein-flussungen am Größten ist und nicht, wie es sich vermuten läßt, bei großen Lasten.

So zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß unter den genannten Voraussetzungen, die Schutzmaßnahmen "Überstrom-Schutzeinrichtung" und "Fehlerstrom-Schutzeinrichtung" in Dimmerstromkreisen sicher eingesetzt und richtig geprüft werden können. Weiterhin ist die digitale Meßtechnik in Verbindung mit Computern eine ideale Kombination, um Oberwellen messen und analysieren zu können.

© 1994 Hartmut Hofmann Edited by Stephan Kretschmer, Fragen, Kommentare, Kontakt zum Autor über Stefido@Poet.Shnet.Org (Stephan Kretschmer)