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Phasenanschnitt-Dimmer mit Triac

Wie ein Dimmer für 230 V mit Triac, Diac und RC-Glied die Leistung einer Lampe stellt: Zündwinkel, Leistungskurve, Entstörung und Grenzen – als Prinzip erklärt.

7 Min. LesezeitPhasenanschnittDimmer SchaltungTriac DimmerDiac Triac

Der Drehdimmer in der Wand, der Drehzahlsteller einer Bohrmaschine, die Leistungsstufe eines alten Lötkolbens: Sie alle arbeiten mit Phasenanschnitt. Statt die Netzspannung zu verkleinern, schaltet ein Triac die Last in jeder Halbwelle erst verspätet ein. Je später er zündet, desto weniger von der Sinuswelle kommt bei der Last an. Das Verfahren ist verlustarm und braucht nur eine Handvoll Bauteile.

Dieser Artikel erklärt, wie ein solcher Dimmer funktioniert und warum seine Bauteile so bemessen sind. Er ist keine Bauanleitung: Jedes Bauteil der Schaltung liegt an Netzspannung, auch das Potentiometer.

Schaltplan

Phasenanschnitt-Dimmer: L über Sicherung F1 2 A träge und Entstördrossel L1 100 μH an den Anschluss A2 des Triacs T1 BT136-600; vom Anschluss A1 über die Last (max. 300 W) zum N; parallel zum Triac C2 100 nF X2; Zündnetzwerk aus R1 10 kΩ und Potentiometer P1 470 kΩ von A2 zum Knoten, C1 100 nF vom Knoten nach A1, Diac D1 DB3 vom Knoten an das Gate
Lastkreis in Kupferrot, Zündnetzwerk in Blau. Der Kondensator C1 bestimmt mit R1 und P1 den Zündzeitpunkt.
  • T1, Triac BT136-600: der Schalter. Er leitet in beide Richtungen, sobald ein Zündimpuls am Gate ankommt, und bleibt leitend, bis der Strom durch null geht.
  • D1, Diac DB3: sperrt bis etwa 32 V und kippt dann in den leitenden Zustand. So entsteht ein kräftiger, kurzer Zündimpuls. Mehr unter Diac.
  • R1 (10 kΩ), P1 (470 kΩ) und C1 (100 nF): das Zeitglied. Über R1 und P1 lädt sich C1 mit der Netzspannung auf. R1 begrenzt den Strom, wenn P1 auf null steht.
  • L1 (100 μH) und C2 (100 nF, X2): Funkentstörung. Die steilen Einschaltflanken erzeugen hochfrequente Störungen; L1 bremst den Stromanstieg, C2 schließt die Störungen kurz. Für C2 ist ein X-Kondensator vorgeschrieben.
  • F1, 2 A träge: schützt bei Kurzschluss in der Last (Sicherung).

So funktioniert die Schaltung

Zu Beginn jeder Halbwelle sperrt der Triac. Fast die ganze Netzspannung liegt über ihm und damit am Zeitglied. C1 lädt sich über R1 und P1 auf, wegen des Widerstands aber verzögert gegenüber der Netzspannung.

Erreicht die Spannung an C1 rund 32 V, kippt der Diac. C1 entlädt sich schlagartig um einige Volt in das Gate, der Triac zündet. Ab jetzt liegt die Netzspannung an der Last.

Am Ende der Halbwelle geht der Strom durch null, der Triac löscht. In der nächsten Halbwelle wiederholt sich alles mit umgekehrter Polarität; Triac und Diac sind symmetrisch.

Der Zündzeitpunkt heißt Zündwinkel α, gemessen in Grad ab dem Nulldurchgang. Mit P1 verschiebst du ihn: Ein größerer Widerstand lädt C1 langsamer, der Triac zündet später.

Links: Netzspannung gestrichelt und Spannung an der Last; bei P1 = 150 kΩ zündet der Triac bei 77°, die Last bekommt nur den hinteren Teil jeder Halbwelle. Rechts: Leistung der Last über der Einstellung von P1; sie fällt von 100 % bei 0 kΩ auf 0 bei etwa 340 kΩ
Gerechnet mit den Werten aus dem Schaltplan: Bei 150 kΩ zündet der Triac bei 77° und die Lampe nimmt 64 % ihrer Leistung auf. Ab etwa 340 kΩ zündet er nicht mehr.

Wie die Sinusspannung des Netzes beschrieben wird, steht unter Wechselstrom. Weil die Last nur Teile der Sinuswelle bekommt, enthält ihr Strom viele Oberschwingungen – der Grund für die Entstörung.

Dimensionierung

1. Leistung über dem Zündwinkel. Für eine ohmsche Last wie eine Glühlampe bleibt vom vollen Effektivwert ein Anteil übrig, der nur vom Zündwinkel abhängt:

PP0 = 1 − απ + sin(2α)2π

Bei α = 77° (1,34 im Bogenmaß) ist das 1 − 0,428 + 0,070 = 0,64. Bei 90° ist es genau die Hälfte. Warum hier der Effektivwert zählt, erklärt Effektivwert.

2. Zeitglied. Der Blindwiderstand von C1 bei 50 Hz:

XC = 12π · f · C = 12π · 50 Hz · 100 nF = 31,8 kΩ
Rechner

Blindwiderstand und Impedanz

XC des Kondensators
1,59 kΩ
XL der Spule
62,8 Ω
Impedanz |Z|
1,88 kΩ
Phasenwinkel φ
-57,9°
Strom
5,32 mA
Spannung an R
5,32 V
Spannung an C
8,47 V

|Z| = √(R² + X²), tan φ = X / R. φ ist die Verschiebung der Spannung gegenüber dem Strom: negativ bei R + C (Strom eilt vor), positiv bei R + L. Spannungen sind Effektiv- oder Scheitelwerte – je nachdem, was du eingibst; die Teilspannungen addieren sich geometrisch, nicht einfach. Ideale Bauteile bei sinusförmiger Spannung.

R = 1 kΩXC = 1,59 kΩ|Z| = 1,88 kΩφφ = -57,9°10 Hz100 Hz1 kHz10 kHz100 kHz1 MΩ10 kΩ100 ΩXCFrequenz fRf = 1 kHz

Ist R1 + P1 klein gegen 31,8 kΩ, folgt C1 der Netzspannung fast ohne Verzögerung und erreicht 32 V schon nach wenigen Grad: volle Helligkeit. Ist der Widerstand ein Vielfaches davon, wird die Spannung an C1 kleiner und später. Grob abgeschätzt erreicht sie den Scheitelwert von 32 V nur noch, solange

√((R1 + P1)2 + XC2) ≤ 325 V32 V · XC = 323 kΩ

ist, also bis gut 300 kΩ. Die genaue Rechnung oben ergibt 340 kΩ, weil C1 vom vorigen Zündimpuls schon vorgeladen ist. Der Rest des 470-kΩ-Potentiometers ist der Aus-Bereich. Wie R und C die Phase verschieben, zeigt RC-Glied.

3. Triac. Eine 300-W-Glühlampe zieht 300 W / 230 V = 1,3 A. Der BT136-600 verträgt 4 A Effektivstrom und 600 V Sperrspannung, fast das Doppelte des Scheitelwerts von 325 V. Kalt hat die Glühwendel nur ein Zehntel ihres Betriebswiderstands, beim Einschalten fließen kurz rund 13 A Spitze. Der Triac verträgt 25 A für eine Halbwelle.

4. Wärme. Leitend fällt am Triac etwa 1 V ab. Bei voller Helligkeit sind das rund 1 V · 1,3 A ≈ 1,3 W. Im TO-220 ohne Kühlkörper (60 K/W) würde er um fast 80 K wärmer – deshalb sitzt er in jedem Dimmer auf einem Kühlblech (Wärme und Kühlung).

5. Widerstände. Steht P1 auf null, liegt fast die ganze Netzspannung am Zeitglied: 230 V / 33,3 kΩ ≈ 6,9 mA, in R1 bis zu (6,9 mA)2 · 10 kΩ ≈ 0,48 W. R1 muss deshalb 1 W und die volle Netzspannung vertragen.

Bauteilliste

So ist ein handelsüblicher Drehdimmer für Glühlampen bestückt:

BezeichnerWert/TypHinweis
T1BT136-6004 A, 600 V, auf Kühlblech
D1DB3Diac, 32 V
P1470 kΩ linearKunststoffachse, für Netzspannung zugelassen
R110 kΩ, 1 Wnetzspannungsfest
C1100 nF, 400 VFolienkondensator
C2100 nF, X2Entstörung
L1100 μH, 2 ARingkern-Entstördrossel
F12 A trägeFeinsicherung

Varianten

Zweistufiges Zeitglied. Ein einfacher Dimmer hat eine Hysterese: Drehst du aus dem Aus-Bereich zurück, springt die Lampe erst bei mittlerer Helligkeit an. Ein zweites RC-Glied zwischen C1 und Diac glättet den Rückwirkungseffekt des Zündimpulses und macht den Übergang weicher.

Mikrocontroller und Opto-Triac. Ein Nulldurchgangserkenner meldet dem Controller den Beginn jeder Halbwelle, der Controller zählt den gewünschten Zündwinkel ab und zündet über einen Opto-Triac wie den MOC3021. Die Steuerseite bleibt so galvanisch vom Netz getrennt. Wie das im Prinzip aussieht, zeigt der Artikel Triac; auch dieser Aufbau gehört nur in fachkundige Hände.

Phasenabschnitt. Dimmbare LED-Lampen und elektronische Trafos vertragen die steilen Einschaltflanken schlecht. Phasenabschnittdimmer schalten mit MOSFET oder IGBT am Anfang der Halbwelle ein und vorzeitig ab. Für Niedervolt-LEDs ist PWM die bessere Lösung, siehe 12-V-LED-Streifen dimmen.

Induktive Lasten. Universalmotoren in Bohrmaschinen lassen sich ebenso steuern. Dann gehört ein RC-Snubber parallel zum Triac, damit er nach dem Stromnulldurchgang nicht durch die Spannungsflanke wieder zündet, siehe RC-Snubber und Induktive Lasten schnell abschalten.

Typische Fehler

  • LED-Lampe flackert oder summt: Lampe nicht dimmbar oder für Phasenanschnitt ungeeignet. Viele LED-Lampen brauchen außerdem eine Mindestlast, damit der Triac nach dem Zünden leitend bleibt.
  • Lampe springt erst spät an: Die beschriebene Hysterese des einstufigen Zeitglieds.
  • Radio rauscht, wenn der Dimmer an ist: Entstörung fehlt oder ist unwirksam (EMV).
  • Dimmer wird heiß und schaltet ab: Last über der Nennleistung oder Kühlung unzureichend.
  • Triac zündet nicht mehr sauber bei Motorlast: fehlender Snubber; der Triac schaltet durch die steile Spannung nach dem Nulldurchgang selbst wieder ein.

Selbsttest

Warum bleibt der Triac nach dem Zündimpuls leitend, obwohl das Gate keinen Strom mehr bekommt?

Ein Triac rastet ein, sobald der Laststrom über dem Haltestrom liegt. Er löscht erst, wenn der Strom am Ende der Halbwelle durch null geht.

Welchen Anteil der vollen Leistung bekommt eine Glühlampe bei 90° Zündwinkel?

Genau die Hälfte: 1 − 0,5 + sin(180°) / 2π = 0,5.

Wozu dient der Diac?

Er hält das Gate gesperrt, bis C1 etwa 32 V erreicht, und gibt dann einen kurzen, kräftigen Zündimpuls ab. So zündet der Triac in jeder Halbwelle an einem genau definierten Punkt.

Warum wird die Lampe dunkler, wenn du P1 vergrößerst?

C1 lädt sich langsamer und erreicht die Zündspannung später in der Halbwelle. Die Last bekommt einen kleineren Teil der Sinuswelle.

Warum braucht ein Phasenanschnitt-Dimmer eine Funkentstörung?

Der Strom springt beim Zünden in Mikrosekunden von null auf mehrere Ampere. Diese steilen Flanken enthalten hochfrequente Anteile, die sich über das Netz ausbreiten.