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DMX Dimmerpack für 3 Phasen

 

Auf Grund der starken Nachfrage haben wir eine mehrphasige Version des DMX-Dimmers entwickelt. Trotz seiner minimalistischen Bauweise hat sich die Komplexität stark erhöht, so dass wir den Nachbau nur Leuten mit Erfahrung im Umgang mit AVRs, digitaler Schaltungstechnik und Starkstrom empfehlen können.

Wie sein "kleiner Bruder" verfügt auch der dreiphasige Dimmer über eine Leistungslinearisierung, eine Auflösung von 256 Stufen und der Möglichkeit, einzelne Kanäle im Switchmodus zu betreiben. Mit bis zu acht Kanälen à 2kWmax. und einem Übertemperaturschutz sind auch größere Systeme problemlos zu realisieren. Durch das modulare Design und HotSwap-Möglichkeit ist auch der Drehstrom-Dimmer sehr servicefreundlich und lässt sich einfach upgraden.

Ein DMX Dimmerpack besteht aus folgenden Modulen:

1    DMX Transceiver
3    ZC-Detections
3-8 Lastteile

Rev. 3.01

DMX-Transceiver (Rev. 3.01)

Mit diesem Modul können DMX-Daten sowohl empfangen als auch gesendet werden. Obwohl die Schaltung recht einfach wirkt, empfehle ich den kompletten Selbstbau nur Hobbyelektronikern mit etwas Erfahrung.

Diese Schaltung ist durch die vollständige Anbindung des RS485-Wandlers für eine bidirektionale Kommunikation (RDM nach ANSI E1.20 oder proprietär) geeignet. Dieses Feature wurde bislang jedoch nur in sehr wenigen kostspieligen Geräten implementiert.

Da ein Lochraster-Drahtverhau für diese Schaltung zu unzuverlässig ist, sollte die Platine möglichst  übernommen werden. (Nähere Informationen finden Sie unter 'Resources'.) Wer nicht selbst ätzen möchte, kann eine fertige Platine in Industriequalität bei Embedded Projects erstehen.

 

DMX-Transceiver SchaltungBauteile

  IC1
  IC2
  IC3
  B1 
  LED1
  LED2
  R1
  R2,3,4
  C1,2
  C7
  C5,6
  SW1
  Q1
  Anschlüsse
ATmega8515-16PU (sockeln!)
75176B (sockeln!)
7805
Gleichrichter (rund)
LED 5mm rot
LED 5mm grün
10k (PT10-S)
390 Ohm
27pF
100nF
100µF
DIP-Schalter (10fach)
8MHz (HC49)
Stiftleiste einreihig
 

Die Bauteilkosten für einen Transceiver liegen zwischen 6,50€ und 9,50€.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wie man sieht, ist die Schaltung äußerst simpel. Die gesamte Ansteuerung erfolgt per Firmware innerhalb der MCU (IC1). Diese wird über den "ISP"-Port auf IC1 übertragen. Die Startadresse und besondere Optionen (falls vorhanden) stellt man über ADR ein. Die Leuchtdioden dienen als Statusanzeigen. Die Bauteile rund um IC3 sorgen  für eine glatte Betriebsspannung von 5V. Q1 und C1,2 werden für die Betriebsfrequenz von 8MHz benötigt. IC2 ist der RS485-Wandler, der der MCU die Kommunikation mit der Außenwelt ermöglicht. Über Spare können verschiedene Funktionsarten der Firmware fest gejumpert werden. Über A-Input kann ein analoger Schwellwert (z.B. zur Temperaturmessung) eingelesen werden.

An AC1&2 wird die Betriebsspannung von 9-12V ac oder dc angeschlossen. Die Versorgung sollte schon ein paar Watt haben, um sämtliche Module zuverlässig versorgen zu können.

Layout (48 * 76 mm^2)

Bestückung

Die Verbindung des Transceivers mit dem DMX-Bus erfolgt gemäß der nächsten Grafik:

 

Eine Anleitung zum Programmieren und zur Quarzselektion des AVRs finden Sie unter 'Resources'.

Nachdem die MCU auf den Quarz als Clock-Source umgestellt ist, sollte die Dimmerpack-Firmware auf den DMX-Transceiver übertragen werden. Die Firmware misst im Rahmen der Initialisierung zunächst die Phasenverschiebungen der beiden Slave-Phasen in Bezug auf die Master-Phase. Diese Verschiebungen werden als Offset auf den per DMX gewählten Zündwinkel addiert und der Kanal zu diesem Zeitpunkt gezündet. 

ZC-Detection

Diese Nulldurchgangserkennungen werden zur Synchronisation des Mikrocontrollers mit den Phasen benötigt. Die Master-Phase-Detection wird möglichst mit L1 und mit "ZC" auf dem Transceiver-Modul verbunden. Die erste Slave-Detection (möglichst L2) wird mit Spare1 verbunden und die zweite mit Spare2.

Schaltung

Bauteile für die Nulldurchgangserkennung

OK1
D1
R1A
R1B
R3
4N33
1N4007
27k / 1W
27k / 1W
10k

Über R1 gelangt die positive Halbwelle auf die LED von OK1 (die negative wird über D1 abgeleitet). [Auf Grund der starken Erwärmung besteht R1 aus zwei seriellen Widerständen, die sich die Verlustleistung teilen.] Ist dieser leitend, ZC auf GND. Während der negativen Halbwelle wird ZC durch R3 auf HI gezogen. Am Ausgang sollte ein sauberes Rechteck mit ca. 50% DutyCycle anliegen, dessen Flanken den Nulldurchgängen entsprechen. Die zc-unit ist Teil der aktuellen Lastteilplatinen im Shop.

Bestückung

Lastteile

Um mit den Logikpegeln des Controllers Scheinwerfer, etc. anzusteuern, benötigt man nun noch ein paar Lastteile. Dazu können folgende Module nachgebaut oder auf solid state relays ohne Nulldurchgangserkennung zurückgegriffen werden.   

Die folgenden Lastteile wurden mit 500W induktiver Last und mit 2000W ohmischer Last dauergetestet. Sie arbeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis 80°C stabil.

Die Schaltung basiert auf  Application Notes von Teccor und wurde von mir mit Hilfe der ANs von ON-Semiconductor 230V~ dauerfest gemacht. 

 

Schaltung

Bauteile für ein Dimmermodul

OK1
T1
R1
R2
R3
R4
R5-S
C1-D
C2
OUT
MOC3022
TIC 2XX
390Ω *
360Ω
470Ω
39Ω / 0,5W
weglassen
47nF / 630Vdc (MKS4 / RM7,5)
10nF / 630Vdc (MKS4 / RM7,5)
6,35mm Flachstecker Print

Die Bauteilkosten für ein Dimmermodul ohne Drossel liegen bei ca. 1,40€.

Sobald eine Spannung an der LED des Optotriacs anliegt, zündet dieser und entlädt C1-D, der sich während jeder Halbwelle auflädt, in das Gate des Leistungstriacs. C2 und R4 bilden das Snubbernetwork des Triacs und R3, C1-D das Filter für den Optotriac. Zusätzlich lassen sich Netzeinstreuungen durch eine Drossel entweder in der zentralen Zuleitung oder in den einzelnen Abgängen der Kanäle vermindern.

Da die meisten Controller eine Spannung lieber nach GND ziehen als selbst Strom zu liefern, wird + durchgeschleift und - geschaltet. Vcc (+) sollte 5V sein. Bei 12V ist R1 zu verdoppeln.

Die Versorgung der Module erfolgt - wie beim Switch - über den Kühlkörper. (Man verbindet den isoliert  und berührungssicher montierten Kühlkörper mit dem Netz und dieser versorgt über den Kontakt zum Triac die Lastteile mit Strom.) So kann die gesamte Anlage ohne große Verkabelung zentral versorgt werden. In mehrphasigen Systemen wird der Kühlstrang mit dem Nulleiter verbunden.

Ich habe für die Lastteile meiner Dimmer- und Switchpack eine Kombi-Platine für vier Kanäle mit integrierter ZC-Detection geroutet. Sollten weniger Kanäle auf einer Platine benötigt werden, kann die Platine auf die benötigte Anzahl abgelängt werden. Die Lastteile für Dimmer- und Switchpacks unterscheiden sich in der Bestückung der Platine.

Layout

Bestückung

Zur Entstörung sollte in jeden Kanalabgang eine Ringkerndrossel mit Eisenpulverkern gehängt werden: Diese Induktivitäten dämpfen die Transienten beim Phasenanschnitt und verhindern so ein Brummen in der PA und ein Summen der Glühwendeln. Zur Einschätzung dieser Dämpfung wird bei kommerziellen Dimmern häufig die 'rise time' angegeben. Hierbei handelt es sich um die Zeit (in µs) in der der Strom nach dem Zünden des Triacs von 10% auf 90% ansteigt. Nach Umformen einer Differentialfunktion lässt sich die benötigte Induktivität berechnen durch:

L = (t*U)/(2.198*I)

wobei 't' die risetime in [s], 'U' die Spannung in [V] und 'I' der Strom in [A] ist. Eine Risetime von 80µs (ca.1mH@10A) ist schon schön - für hochempfindlichen Studioumgebungen werden sogar Dimmer mit Risetimes von 500µs verbaut. Da solche Drosseln aber ziemlich teuer und schwer sind, werden vor allem in Billigprodukten derart winzige Drosseln (Insider: asiatische Singdrossel - wegen des Zwitscherns kurz vor dem Durchbrennen...) verbaut, dass diese höchstens eine Placebowirkung haben!

Folgende Tabelle gibt die Anschlussbelegung des Transceivers und die Phasenzuordnung für die einzelnen Kanäle an. Sie legt damit fest, welche zc-Detection zu welchem Lastteil gehört:

Kanal Pin Phase
1 PA0 L1
2 PA1 L2
3 PA2 L3
4 PA3 L1
5 PA4 L2
6 PA5 L3
7 PA6 L1
8 PA7 L2

Temperaturschutz

Im Zuge der Lastteilverstärkung wurde ein Überhitzungsschutz notwendig, um durch einen Shutdown der Lastteile eine Schädigung von Komponenten zu verhindern. Hierfür bilden ein NTC und der Trimmer R1 einen Spannungsteiler, der - falls sein Wert 1.25V unterschreitet - den Shutdown auslöst. Ich wählte bei mir für den Spannungsteiler folgende Kombination:

 R1
 NTC
 10k (PT10-S)
 6,8k @20°C

Zur Kalibrierung sollte der NTC zunächst auf die gewünschte Schwelltemperatur (45°C - 75°C) erhitzt werden. Anschließend wird zunächst R1 auf den rechten Anschlag eingestellt (voll aufgedreht) und danach langsam zurückgedreht, bis die rote LED aufleuchtet und das Pack abschaltet.

Switchmode

Zum Umschalten einzelner Kanäle in den Switch-Modus, muss folgendermaßen vorgegangen werden:
1.) Dimmerpack ausschalten.
2.) DIP10 und die DIPs der zu schaltenen Kanäle (1-8) in Position ON bringen.
3.) Dimmerpack einschalten.
4.) Startadresse einstellen, DIP10 = OFF. (Die Kanalmaskierung wird im EEPROM fest gespeichert)

Debugging

Um eine leichtere Fehlererkennung zu erreichen, wurde ein Error-Indicator implementiert:

Beim Hochfahren sollte die ErrorLED leuchten. Ein Änderung der relevanten DMX-Kanäle wird durch Blinken der grünen LED indiziert.

Die folgenden Codes werden ständig wiederholt, bis der Fehler beseitigt ist.

Pattern Fehler Lösung
Blinken Es liegt keinerlei Signal am Transceiver an. Transceiver mit DMX-Bus verbinden.
Doppelblinken Das Signal wird nicht als DMX erkannt.
Es werden nicht alle benötigten Kanäle empfangen.
D+ und D- am DMX-Anschluss vertauschen.
Mehr Kanäle senden oder kleinere Startadresse wählen.
konstant an Übertemperatur abkühlen lassen. Ggf. bessere Kühlung vorsehen.
Temperaturschutz und A-In bestücken.