ENA: il dimmer

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Il dimmer è un dispositivo elettrico usato per regolare l'intensità luminosa delle lampadine elettriche. I dimmer elettronici usano di fatto il metodo PWM con due modalità diverse a seconda se devono funzionare in circuiti a corrente continua o a corrente alternata (nota 1).

Normalmente le lampadine vengono accese e spente con l'uso di un interruttore per cui o si ha tutta la luminosità che la lampada è in grado di fornire o nulla: non ci sono posizioni intermedie.

Con interruttori rapidi, più rapidi della capacità dell'occhio umano di seguire le variazioni di luce o del filamento della lampadina di raffreddarsi e diminuire la sua luminosità, si possono avere valori intermedi di luminosità.

Gli interruttori rapidi sono tutti di tipo elettronico e fanno uso di SCR, TRIAC, GTO, Transistor, MOSFET.

Per "abbassare la luce" (to dim in inglese) occorre quindi poter alimentare la lampada con tensioni inferiori a quella nominale. Sono disponibili tre modi:

1. 1- variare la tensione di alimentazione; in corrente alternata si usa un autotrasformatore a rapporto variabile (Variac); in corrente continua è molto difficile se non si interviene sul generatore. Questo metodo impiega apparecchi costosi ed ingombranti.
2. 2- produrre una caduta di tensione con qualche carico aggiunto in serie alla lampada; in corrente alternata si possono usare sia resistori che induttori, in corrente continua sono utilizzabili solo i resistori. L'apparecchio è comunque, abbastanza costoso e se è un resistore si producono perdite di energia con costi di gestione considerevoli. Se la variazione di potenza deve essere progressiva e continua, cioè senza gradini, si usa un reostato. Questa modalità di produrre una caduta di tensione è impiegata spesso per consentire l'avviamento dei motori a tensione ridotta per evitare le elevate correnti di spunto.
3. 3- parzializzare l'alimentazione (nota 2), cioè mandare sul carico la tensione solo per una parte del tempo e non in continuazione; si agisce sulla durata e non sui valori di tensione così da non dovere disporre di generatori dedicati allo scopo ma di utilizzare la sorgente di fatto disponibile. Il metodo funziona bene se il ritmo o frequenza con cui si procede alla parzializzazione è sufficientemente rapido (nota 3). Si usano apparecchiature elettroniche a commutazione, il metodo è poco costoso, efficiente (non si spreca energia), poco ingombrante (nota 4).

1. >3a-  In corrente alternata si tratta di consentire il passaggio della sinusoide di corrente solo da un certo momento in poi con l'uso di SCR o TRIAC; i dimmer di uso domestico sono di questo tipo. 
2. >3b- In corrente continua si tratta di chiudere e aprire un interruttore elettronico con sufficiente velocità in modo che l'energia sulla lampadina arrivi solo per una parte del tempo. Questo è un metodo on-off anche detto a commutazione (per commutazione si intende il passaggio da acceso a spento e viceversa). Questo metodo non si basa sulla dissipazione di energia per ridurre la tensione sul carico.

In corrente continua

Un video mostra quanto detto sulla parzializzazione dell'alimentazione in corrente continua con una esercitazione dimostrativa:

• - a ritmo lento si vede che la lampadina impiega un po' di tempo per fare piena luce ed un po' di tempo per spegnersi, si tratta di inerzia termica;
• - a ritmo lento la lampadina lampeggia;
• - a ritmo crescente si osserva che la lampadina non si spegne completamente e non si accende completamente (non fa in tempo ad esaurire il transitorio) ma la luce è tremolante;
• - a rimo elevato, la lampadina non riesce a seguire la commutazione e noi percepiamo una luminosità intermedia che è il risultato che volevamo produrre con il dimmer.

Nel video si vede anche un tester analogico il cui indice si sposta fra zero ed un massimo a ritmi lenti ma che a ritmi veloci non riesce più a seguire le oscillazioni, in questo caso ci sono l'inerzia meccanica e lo smorzamento ad impedire all'indice di seguire la tensione così che l'indice si ferma sul valore medio.

L'oscilloscopio presenta l'andamento della tensione fra i due estremi: 0 volt in basso e 12 volt in alto e così si vede la commutazione della tensione sul carico.

Il commutatore è stato realizzato con la scheda "motor shield" pilotata dalla scheda Arduino con una regolazione della frequenza effettuata tramite un potenziometro (visibili nel video in alto a destra).

In corrente alternata (a casa)

Per la luce di casa, che funziona in corrente alternata, si sfrutta la circostanza che la tensione è variabile periodica e la corrente si azzera cento volte al secondo facilitando l'azione di spegnimento e rendendo possibile l'accensione in istanti variabili utilzzando componenti elettronici.

Con il video Simulazione realizzata con Scratch viene simulato il funzionamento del dimmer in corrente alternata.

Per saperne di più vai alla pagina sul TRIAC.

Approfondimenti suggeriti: wikipedia, Maffucci

Note

Nota 1: in entrambi i casi si sfrutta il fatto che il filamento della lampadina impiega un po' di tempo per riscaldarsi e fare luce ed un po' di tempo per raffreddarsi e quindi spegnersi; a questo si aggiunge anche il fenomeno della permanenza dell'immagine sulla retina per cui l'occhio umano percepisce ancora l'immagine anche se questa non esiste più. Basta osservare come si spengono le luci di un automobile; si vede che la luce scompare completamente solo dopo qualche secondo. In pratica si chiude il circuito e la lampadina viene alimentata a piena tensione ma prima che il filamento sia completamente caldo la si spegne e prima che il filamento sia sufficientemente freddo la si riaccende …. e così via.  Possono bastare commutazioni alla frequenza di dieci hertz, cioè al ritmo di dieci volte al secondo, per avere una luce apparentemente stabile.

ancora nota 1: le lampadine ad incandescenza allacciate alla rete domestica ci sembrano emettere una luminosità costante ma in realtà quella che percepiamo è una luminosità media in quanto la corrente alternata a 50Hz produce variazioni di luminosità a 100Hz che il filamento non può seguire per la sua inerzia termica. Con le lampade fluorescenti (cosiddette al neon), le lampade al neon e quelle ai vapori di sodio si percepisce una luce media non per inerzia termica ma per l'inerzia dell'occhio umano che non riesce a seguire fenomeni rapidi a causa dell'inerzia della retina. Con dette lampade, però, si manifesta l'effetto stroboscopico che può produrre illusioni ottiche su oggetti in movimento falsandone la percezione del moto rispetto a quella reale favorendo situazioni di pericolo.

Nota 2: non tutti i tipi di lampada sono adatti alla variazione di luce con i dimmer elettronici del metodo 3. Le lampade fluorescenti, quelle al neon e quelle a vapori di metallo non sono adatte per la presenza di un dispositivo di alimentazione (il reattore) che non funziona bene con tensioni parzializzate. Le moderne lampade a LED possono non essere adatte all'uso di dimmer esterni a causa della presenza di un alimentatore interno usato per consentire il collegamento alla rete a 230V ... occorre scegliere allora lampade a LED appositamente previste per questo utilizzo cosiddette "dimmerable".

Nota 3: sufficientemente rapido significa che il periodo proprio della commutazione è, in pratica, circa un decimo della costante di tempo caratteristica dell'apparato.

Nota 4: la commutazione produce disturbi a radiofrequenza.