В далеком детстве, еще дошкольником, я первый раз в жизни попал на театральное представление. Уже не помню ни спектакля, ни самого театра, зато в памяти навсегда остался поразивший меня фокус: перед началом спектакля свет в зале не погас разом. Яркость ламп в люстрах очень медленно, в течение нескольких минут, плавно падала, давая зрителям спокойно занять свои места. Это меня поразило, и я, конечно, сразу вцепился в отца с вопросом: «А как же это делают?» И вот тогда впервые услышал слово «реостат». Не сомневаюсь, что и вы его нередко слышите, а то и употребляете в аналогичных ситуациях, когда нужно объяснить этот феномен ребенку.
Потом я вырос, изучил физику и электротехнику и понял, что мой отец, получивший гуманитарное образование, ошибался. Реостатом, то есть переменным резистором большой мощности, конечно, регулировать яркость освещения можно (рис. 1), но это очень неэкономичный, а для таких объектов, как сотни ламп накаливания в большом зале, и вообще практически неосуществимый способ. Мощный реостат будет греться, как огромный электрокамин, и всё это пожароопасное тепло будет растрачено впустую. Поэтому для источников освещения используют иные методы регулирования. С появлением различных современных типов осветительных приборов методы еще и резко усложнились.
Старые добрые лампы
Сначала давайте посмотрим на то, как можно управлять привычными лампами накаливания. Вместе с импортными светильниками к нам проник и иностранный термин — регуляторы освещения (как бы они ни были устроены) стали называть диммерами, а само регулирование — диммированием. Самые простые диммеры для ламп накаливания меняют величину подводимого к ним напряжения. До появления полупроводников это делали с помощью автотрансформатора — так называют трансформаторы с одной-единственной обмоткой, с части которой снимается выходное напряжение. У регулируемого автотрансформатора есть механический ползунок, который можно передвигать по виткам, получая напряжение разной величины. Принципиальная схема такого способа (рис. 2) похожа на схему с реостатом, но отличается от нее тем, что потери в трансформаторе относительно невелики, и КПД здесь близок к 80–90% — тепла в самом автотрансформаторе будет выделяться немного. Правда, для применения в домашних условиях этот способ совсем не годится — регулятор получится ненадежным, громоздким и дорогим.
Потому-то до появления мощных полупроводниковых приборов — тиристоров — приемлемых способов диммирования бытовых осветительных приборов не существовало. Электронные регуляторы освещения на полупроводниках пришли на массовый рынок в 70–80-е годы прошлого столетия. Они могли уже иметь габариты, позволяющие их встраивать в настенные выключатели, и КПД, близкий к 100%. Причем принципиального ограничения по мощности для них практически не существует: главный элемент таких устройств под названием «симистор» (симметричный тиристор) встречается в исполнении, пригодном даже для переключения мощности в магистральных сетях электроснабжения.
Чтобы понять, как работает тиристорный регулятор, посмотрите на диаграмму на рис. 3. Наверху показан график обычного переменного тока частотой 50 Гц — напряжение такой формы подается в наши квартиры, и именно это получают электроприборы, когда никакие регуляторы не установлены. У такого напряжения есть две основные характеристики — его размах (амплитуда, на рисунке она обозначена как Ua) и его действующее значение (Uд). Именно действующее значение есть главная характеристика переменного тока, входящая во все расчетные формулы для мощности, для нашей бытовой сети оно равно 220 В.
Когда вы регулируете напряжение хоть реостатом, хоть автотрансформатором, меняется вся картинка целиком: при уменьшении амплитуды становится меньше и действующее значение. А можно ли изменить действующее значение, не меняя исходной синусоиды? Оказывается, это совсем несложно, если подавать напряжение на нагрузку не непрерывно, а только часть времени, начиная, например, с какого-то момента после каждого перехода через ноль (средний график на рис. 3). Именно так и устроен тиристорный регулятор — действующее значение, показанное на нижнем графике рис. 3, пропорционально затемненной площади на графике, и изменение момента включения тиристора меняет и общую мощность, плавно регулируя свечение лампы.
Диммеры такого типа очень распространены — на переключающем элементе не рассеивается сколько-нибудь значительная мощность, и КПД его близок к 100%, что позволяет выпускать малогабаритные регуляторы. Схема управления очень проста и включает в себя лишь несколько дешевых элементов. К сожалению, годится этот способ лишь для ламп накаливания, потому что эксплуатирует их сравнительно большую, как и у любого нагревательного прибора, тепловую инерцию. Именно с этим органическим свойством ламп накаливания связан тот факт, что, несмотря на достаточно низкую частоту питающего напряжения 50 Гц, они совершенно не мерцают и не утомляют зрение — в моменты, когда напряжение сети снижается до нуля, спираль просто не успевает остыть так, чтобы это было заметно для глаза. Всё сильно усложняется, когда мы переходим к современным типам осветительных приборов, у которых собственная инерционность практически отсутствует.
Люминесцентное освещение
Люминесцентные лампы* с самого начала доставляли всем немало проблем. Они устроены намного сложнее ламп накаливания, требуют специальных режимов включения (и, соответственно, сложных и громоздких пускорегулирующих устройств), плохо реагируют на колебания напряжения в сети. Возможно, самым неприятным недостатком люминесцентных источников света было органически присущее им мерцание: при полном отсутствии инерционности такая лампа успевает гаснуть и вновь зажигаться с частотой питающей сети. При попытке регулировать такой осветительный прибор традиционным снижением напряжения лампа сначала начинает работать неустойчиво, а уже при 20-процентном снижении напряжения от номинального просто отказывается включаться.
Еще хуже люминесцентные лампы реагируют на тиристорные диммеры, с которыми отказываются работать вовсе. Поэтому сколько-нибудь эффективный и дешевый способ регулирования люминесцентных светильников до недавнего времени отсутствовал. Причем не только дешевый, для квартир, но и дорогой, для больших помещений или уличных условий (разве что реализация на дискретных компонентах, но это совсем громоздко).
Положение изменилось с появлением электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА, «электронных балластов»). ЭПРА преобразуют сетевое переменное напряжение в высокочастотное (во много сотен раз, до 25–130 кГц), исключая заметное для глаз мерцание, облегчая пуск лампы, повышая ее долговечность. Электронные балласты сами по себе устроены так сложно (для них даже выпускают специальные микросхемы), что встроить в них еще и возможность диммирования кажется не таким уж и дорогим делом.
Регуляторы для люминесцентных ламп делятся на два принципиально различных типа. Один из них основан на так называемом ШИМ-регулировании. ШИМ — это широтно-импульсная модуляция, и принцип ее действия понятен из рис. 4. Время горения лампы в каждый период питающего напряжения пропорционально ширине прямоугольных импульсов, из которых это напряжение и состоит. Так как промежуток между импульсами занимает доли миллисекунды, для глаз мерцание незаметно. А другие характеристики питающего напряжения (в частности, важное для зажигания амплитудное значение) при этом не изменяются, поэтому такой способ допускает регулирование яркости практически от 0 до 100%, не выводя лампу из пределов устойчивой работы. Вам будет интересно узнать, что примерно таким же образом регулируют яркость пикселей в плазменных экранах телевизоров — ведь они представляют собой попросту набор миниатюрных разноцветных люминесцентных источников света.
Самое же любопытное применение такого способа — возможность регулировать люминесцентные светильники с помощью традиционных тиристорных диммеров (как, например, в технологии FlexDigit от компании EMC). Но когда такая задача не стоит, то проще и эффективнее регулировать яркость другим способом, который очень часто применяется в светильниках различных фирм. Он не так прост для понимания, как ШИМ-регулирование, и эксплуатирует сложные явления в цепи питания люминесцентной лампы, включенной в специальный резонансный контур. Иллюстрация к этому методу приведена на рис. 5. Если частота питающего напряжения находится вблизи резонансной для контура, ток через лампу растет. Управляя частотой, можно в широких пределах менять ток через лампу — то есть мощность светового излучения. При этом сравнительно просто обеспечить оптимальный режим пуска лампы, а это существенно продлевает ее жизнь.
Модные светодиоды
Источники света на основе светоизлучающих диодов (LED) пока не очень удобны и к тому же довольно дороги. Но перспективы у них замечательные — примерно столько же энергии на единицу светимости, как и у люминесцентных ламп, но при этом они намного долговечнее, не содержат хрупких стеклянных деталей и вредных веществ, гораздо проще по устройству, не требуют высокого напряжения и каких-то специальных режимов включения. Интересно, что светодиоды совершенно необязательно должны быть точечными источниками света: с их помощью становятся вполне реальными такие вещи из антуража научно-фантастических романов, как светящийся потолок или обои, плавно меняющие оттенок свечения в зависимости от настроения хозяина.
В принципе светодиодными светильниками можно было бы управлять всеми традиционными методами регулирования напряжения, включая и тиристорные диммеры, показанные на рис. 3. Но на практике это неудобно: светодиоды являются приборами постоянного тока, для нормальной работы им достаточно напряжения всего в несколько вольт, потому им всё равно требуются преобразователи переменного напряжения бытовой сети в постоянное. Добавить к такому преобразователю возможность плавного изменения выходного тока практически ничего не стоит ни в денежном, ни в инженерном смысле.
Однако такой прямой (аналоговый) метод диммирования не слишком хорош: светодиод имеет нелинейную зависимость свечения от протекающего тока, то есть изменение яркости через изменение напряжения или тока будет визуально «прыгать». В управляющих устройствах (драйверах) светодиодов достаточно высокого уровня применяют более совершенное ШИМ-регулирование, аналогичное показанному на рис. 4. Светодиоды обладают еще меньшей инерционностью, чем люминесцентные лампы, потому такое диммирование тоже осуществляется на достаточно высокой частоте, в десятки килогерц.
***
Благодаря этим способам регулировки освещения, в которых мы попытались разобраться, мир наш в последние десятилетия решительно преобразился. Чего бы стоила вся инновационная архитектура и искусство строить интерьеры, если бы их нельзя было правильно осветить в нужные моменты?
