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Mein Halogensystem

Mit erhöhtem Wirkungsgrad und höherer Farbtemperatur

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Sind sie nicht prächtig?

Abb. 1: Die Totale - per Canon Photostitch (leider nicht perfekt zusammengesetzt)

Halogenophil

Ich gebe es zu: Ich bin halogenophil. Dies bezieht sich auf die Beleuchtungstechnik. Ich mag Temperaturstrahler aufgrund ihres natürlichen und kontinuierlichen Spektrums, was einem Farbwidergabeindex Ra = 100 entspricht [1]. Die Farbtemperatur normaler Glühbirnen ist allerdings nicht so super, der Wirkungsgrad mit η = 5% erbärmlich [2]. Und die physikalischen Abmessungen sind auch suboptimal. Somit war klar, dass wenn der geliehene Kronleuchter (Abb. 2) im Wohnzimmer zurück muss, dieser einem Halogensystem Platz machen wird.

Der schöne Leuchter

Abb. 2: Der schöne Leuchter (VGA)

Lampeneinkauf Nummer 1

Abb. 3: Lampeneinkauf Nummer 1 (VGA)

Die Lampen

Zuerst ging es an den munteren Lampenkauf. Die Reflektorlampen "Spot" sind aus der Migros aus dem Programm "Skyline SPACE", genau so die Zwischenaufhänger und die Universal-Eckspanner. Das Spannset kommt aus dem Programm "APOLLO", die Zwischeneinspeisung aus "METRO". Für über den Esstisch habe ich das "Skyline SPACE Pendel" vorgesehen - und dann später in einen Spot umgebaut, weil ich damit nicht zufrieden war (siehe weiter unten). Das verzinnte und transparent isolierte Kabel mit 6 mm2 Querschnitt stammt ebenfalls aus der Migros.

Die genaue Stückliste gibt's hier als Excelsheet und hier als PDF.

Installation

Da es sich doch um ein recht umfangreiches Beleuchtungssystem mit entsprechender Masse handelt, ist die sorgfältige Aufhängung besonders wichtig, zumal Basel ja als erdbebengefährdet gilt. Neben der stirnseitigen Befestigung an den Wänden installierte ich zusätzlich vier Zwischenaufhänger, welche ich an der Decke befestigte. Die höchste Belastung ist in der Ecke zu befürchten, da hier aufgrund der Spitzwinkligkeit (ca. 40°) fast der vierfache Seilzug herrscht. Den Universal-Eckspanner dübelte ich mit einem "TOX Hakendübel TRI" (8 mm) in die Wand.

Detail mit Eckspanner

Abb. 4: Detail mit Eckspanner (VGA)

Der Ringkerntrafo 500 VA

Abb. 5: Der Ringkerntrafo 500 VA (VGA)

Trafo & Einschaltstrombegrenzung

Ein Halogensystem braucht einen Transformator. Bei Reichelt wurde ich fündig: Für läppische ... Euro gab's dort einen 500VA/12V-Ringkerntrafo. So spottbillig, da schlug ich gleich zu. Richtig viel Geld gab ich dann leider für die Klemmen aus. Auf Hutschiene montiert ist das zwar sehr praktisch, doch ich hatte keine Ahnung, dass so eine einfache Woertz-16mm2-Reihenklemme 6 Franken kostet. Zu Woertz [3] pflege ich eine besondere Hassliebe, da ich dort einmal als Schüler im Sommer drei Wochen gearbeitet und genau solche Klemmen-Isolierkörper konditioniert habe (um mir das Geld für die Ulti-Amp-Bauteile leisten zu können). Da kamen die halb so teuren Hager-Produkte nicht in Frage. Bei Dauerströmen von 30 A wollte ich auch nur das Beste verwenden.

Um den Trafo und die Hutschiene herum baute ich aus transparenten Polystyrol-Platten, Alukantprofilen und einer 3 mm dicken Aluplatte (schwarz lackiert, siehe auch [4]) ein grosszügiges Gehäuse. Man weiss ja schliesslich nie, ob man nicht noch mehr einbauen möchte. Die ersten Versuche ergaben ein kleines Problem: Oft wenn ich den Trafo einschaltete, flog die Sicherung (10 A) raus. Dies hat zwei Gründe: Erstens ist je nach Einschaltzeitpunkt und Remanenzfluss der Inrush-Strom des Trafos sehr hoch. Das ist übrigens - zumindest auf Ebene für die Energieübertragung - auch ein aktuelles Forschungsthema bei uns am Institut, was sich dann "kontrolliertes Schalten" nennt [5, 6, 7]. Der zweite Grund: Halogenlampen haben einen sehr niedrigen Kaltwiderstand. Das liegt am Material der Wendel (αW = 4.8 * 10-3 K-1) und an der hohen Betriebstemperatur (3000 K), was rechnerisch einem Widerstandsunterschied von Faktor 14 gleichkommt (siehe gleiche Excel-Datei).

Zwischenlösung inkl. Modding-Leuchte und 12 V Buchse

Abb. 6: Zwischenlösung inkl. Modding-Leuchte und 12 V Buchse (VGA)

Velleman-Dimmerbausatz

Abb. 7: Velleman-Dimmerbausatz (VGA)

Erste Abhilfemassnahme: Ich bestellte von Velleman einen Dimmerbausatz. Mit einem Kondensator modifiziert, konnte ich den Phasenanschnittwinkel im Einschaltmoment langsam von Null auf Sollwert automatisch erhöhen. Klingt nach einer super Lösung. Leider war der Triac den hohen Strömen nicht gewachsen. So flogen mir oft Triacs und Glasrohr-Schmelzsicherungen um die Ohren. Letztere waren immer komplett schwarz und verabschiedeten sich ziemlich spektakulär (aufgrund des hohen Stromes und der in der Induktivität gespeicherten Energie, die den Strom unbarmherzig weiter in den Lichtbogen treibt).

Ich bin auch ein Netzteil

Nachdem ich nun schon einen leistungsstarken Trafo und ein grosses Gehäuse habe, bietet es sich an, dieses Projekt zu einem einstellbaren Netzteil auszubauen. Dazu benötige ich nur noch Gleichrichter, Kondensator und eine geeignete Buchse. Letzteres ist mit der Autosteckdose realisiert, welche gerade optimal ist, um Verwendung für meine Heiztasse zu schaffen (da ich ja kein Auto besitze). In dieser ersten Ausbaustufe ist die Ausgangsspannung mit maximal 10 A belastbar. Und weil ich gerade Freude am transparenten Gehäuse habe, wird gleich noch eine blaue FL-Röhre eingabaut (Modding-Zubehör für Computer). Dazu benötige ich zusätzlich nebst ein paar Kondensatoren nur noch die beiden Spannungsregler 7812 und 7805.

25A-Gleichrichter und 10mF-Lade-Elko

Abb. 8: 25A-Gleichrichter und 10mF-Lade-Elko (VGA)

Regeltrafo ESS 102

Abb. 9: Regeltrafo ESS 102 (VGA)

Da ich mich an das Dimmen bereits gewöhnt hatte, musste die neue Lösung also ebenfalls Dimmfunktion und Einschaltstrombegrenzung vereinen. Für die Dimmfunktion bestellte ich mir im Conrad einen 2A-Variac, den Einbausparstelltransformator ESS 102. Diese Lösung klingt vielleicht etwas altmodisch, ist aber äusserst robust und hat keine Geräuschemissionen zur Folge, wie das bei der Phasenanschnittsteuerung der Fall war. Zudem ist die Lösung netzfreundlicher. (Ist jemand zufälligerweise am Velleman-Dimmer interessiert? Mit neuer Sicherung und neuem TRIAC läuft er tiptop.)

Die Einschaltstrombegrenzung übernahm ich aus einem Vorschlag von Klemens Viernickel in Elektor vom Mai 2006 (S. 69). Als NTC kamen drei 33 Ohm Typen (Epcos B57237S330M, im Distrelec 73 08 59), in Serie geschaltet, zum Einsatz. Die Zenerdioden hingegen, welche das Relais erst verzögert die NTC überbrücken lassen, habe ich antiseriell geschaltet, damit die Relais-Spule keinen Gleichstromanteil erleiden muss und damit in Sättigung geht. Ich erspare mir die genaue Schaltplanbeschreibung - sie sollte in Bild 10 (VGA) lesbar sein. Aber zurück zu meinem Aufbau: Zenerdioden und Vorwiderstand habe ich verlötet und eingeschrumpft und mit Aderendhülsen versehen, gleiches gilt für die NTCs (siehe Bild 13). Damit können sie dann ganz einfach im Klemmenblock verschaltet werden. Das hat dann auf Anhieb funktioniert und entspricht wahrscheinlich sogar beinahe den geltenden Normen.

Schaltung von K. Viernickel (Elektor 5/03)

Abb. 10: Schaltung von K. Viernickel (Elektor 5/06) (XGA)

Typenschild Variac

Abb. 11: Typenschild Variac (VGA)

Nun könnte man meinen, dass hier das Experimentieren und Basteln aufgehört hat. Weit gefehlt: Da war nämlich die Möglichkeit vorhanden, den Variac anders anzuschliessen: Er hat eingangsseitig einen 230V- und einen 260V-Abgriff. Zuerst verwendete ich letzteren, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung von 0 bis 230 V einstellbar ist. Probehalber habe ich einmal den anderen Anschluss verwendet, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung im Bereich 0 bis 260 V einstellbar ist. Sekundärseitig heisst das dann 13.7 V anstatt 12 V.

Was war die Folge davon? Eine traumhaft schöne Farbtemperatur, einen höheren Lampenwirkungsgrad und natürlich auch eine höhere Leistung. Die Lebensdauer der Halogenbirnchen müsste sich mit dieser Massnahme ziemlich deutlich reduzieren, meinte ich. Nach vielen Jahren Einsatz - und ich betreibe die Anlage fast immer in Maximalstellung - ist mir diesbezüglich nichts aufgefallen. Im Gegenteil, ich muss die Birnen viel seltener austauschen als bei meinen 230V-Halogen-Deckenlampen in den anderen Zimmern.

Lebensdauer in Abhängigkeit der Spannung (Quelle: [2])

Abb. 12: Lebensdauer in Abhängigkeit der Spannung (Quelle: [2]) (VGA)

Konfektionierung Variac, Z-Dioden und Vorwiderstand

Abb. 13: Konfektionierung Variac, Z-Dioden und Vorwiderstand (VGA)

Meine Hypothese ist, dass die sanfte Einschalprozedur die Lampenlebensdauer viel stärker günstig beeinflusst, als die höhere Spannung sie ungünstig beeinflusst. Die meisten Lampen brennen ja im Einschaltmoment durch, wenn der Strom ungefähr dem 14-fachen Wert entspricht. Diesen Zustand gibt's bei mir aber nicht mehr. Des weiteren ist die Lebensdauer bei Halogentechnologie wahrscheinlich prinzipbedingt weniger stark von der Wendeltemperatur abhängig. Und genau: Wenn immer eine Lampe durchbrennt, kommt eine neue in IRC-Technik [2] zum Einsatz. Damit steigt die Lichtausbeute auf vielleicht 35 lm/W und die Effizienzklasse auf mindestens C. Der gemessene Strom im gesamten System beträgt übrigens 30 A, womit die Leistung 411 W entspricht (bei 13.7 V). Damit ist der Variac ziemlich gut ausgenutzt.

Netzteilerweiterung

Später habe ich die Netzteilsektion auf 20 A Dauerstrom aufgebohrt - hauptsächlich für den Impeller-Antrieb, wie er im Blog beschrieben ist. Dazu erhöhte ich die Siebelkokapazität von 10 mF auf 44 mF, verkabelte die Bauteile neu mit grösserem Kupferquerschnitt und ersetzte die Sicherung gegen einen 20 A Typ. Zusätzlich kamen 4 mm Bananenbuchsen am Ausgang dazu und die ganze Verkabelung habe ich neu mit 2.5mm2 gemacht. Es ergab sich allerdings auch ein Problem: Würde parallel zur Beleuchtung dauernd 20 A aus dem Netzteil gesaugt, wäre die Primärsektion überlastet. Deshalb ein zusätzlicher Schalter, mit dem man die Lampen abtrennen kann.

Mitten im Netzteilumbau

Abb. 14: Mitten im Netzteilumbau (VGA)

Mini-Projektlein 230 V

Abb. 15: Mini-Projektlein 230 V (VGA)

... und ein Miniprojekt

Mit ein paar überzähligen NTCs konnte ich noch ein Mini-Projekt bebauteilen. Ohne hier im Detail darauf einzugehen, empfehle ich die Lektüre der Blogeinträge 64 und 67. [9]

Wie alles begann - erste Pläne

Abb. 16: Wie alles begann - erste Pläne (VGA)

Der Schaltplan

Abb. 17: Der Schaltplan (XGA)

Die volle Pracht des Velleman-Bausatzes

Abb. 18: Die volle Pracht des Velleman-Bausatzes (VGA)

Gut löt!

Abb. 19: Gut löt! (VGA)

Die schwere Drossel wird zusätzlich mit Heisskleber befestigt

Abb. 20: Die schwere Drossel wird zusätzlich mit Heisskleber befestigt (VGA)

Fertig ist der Dimmer

Abb. 21: Fertig ist der Dimmer (VGA)

4x 10mF(40V) anstatt 1x 10mF(16V)

Abb. 22: 4x 10mF(40V) anstatt 1x 10mF(16V) (VGA)

Die Spannungsregler für 5 V und 12 V, hier noch ohne Schrumpfschlauch

Abb. 23: Die Spannungsregler für 5 V und 12 V, hier noch ohne Schrumpfschlauch (VGA)

Kreatives Chaos während eines Umbaus

Abb. 24: Kreatives Chaos während eines Umbaus (VGA)

Montage der Bananenbuchsen

Abb. 25: Montage der Bananenbuchsenn (VGA)

Die lassen auch mal 25 A zu

Abb. 26: Die lassen auch mal 25 A zu (VGA)

Die neue Pendellampe für über den Esstisch

Abb. 27: Die neue Pendellampe für über den Esstisch (VGA)

Hier kommt Strom rein

Abb. 28: Hier kommt Strom rein (VGA)

Da geht Strom raus

Abb. 29: Da geht Strom raus (VGA)

Referenzen

[1] Nana Sagbauer: Analyse der wirtschaftlichen und technischen Perspektiven für effizienteren Energieeinsatz bei der Beleuchtung, Diplomarbeit TU Wien, 2008
[2] Wikipedia-Artikel zur Glühlampe
[3] Webseite von Woertz: www.woertzonline.com
[4] Bastelanleitung zu meinem Röhren-Kopfhöhrerverstärker
[5] John X. Brunke: Elimination of Transient Inrush Currents when Energizing Unloaded Power Tranfsformers, ETH Diss 12791, 1998
[6] Urs Krüsi, Bestimmung und Beurteilung von Charakteristika von Hochspannungsleistungsschaltern hinsichtlich ihrer Eignung für kontrolliertes Schalten, ETH Diss 16003, 2005
[7] Andreas Ebner, Projekt REKET
[8] Der Regeltrafo ESS 102 im Conrad
[9] Blogeinträge 64 und 67





Autor: info@lugra.ch
Datum: 29. Januar 2009
Minor Update: 30. Januar 2009