Lampy błyskowe

Elektroniczne lampy błyskowe, zwane popularnie „fleszami", są następnym (po światłomierzach) pod względem rozpowszechnienia urządzeniem elektronicznym stosowanym w fotografii amatorskiej i zawodowej. Zasada działania lampy wynika z rys. 1, na którym pokazano schemat funkcjonalny urządzenia. Przygotowanie przyrządu do pracy polega na zgromadzeniu w kondensatorze C o dużej pojemności (na ogół 200...800 μF) ładunku, którego energię można określić ze znanego wzoru

Równolegle do kondensatora dołączona jest specjalna lampa rozładowcza (żarnik) wypełniona ksenonem. Napięcie zapłonu takich lamp wynosi na ogół kilka kilowoltów i zależy od konstrukcji lampy. Elektroda zapłonowa jest umieszczona na zewnątrz bańki szklanej, przy czym ma ona na ogół postać napylonego lub naniesionego metodą druku przewodzącego paska. W niektórych lampach rolę elektrody zapłonowej spełnia kilka zwojów cienkiego drutu niklowego nawiniętego ciasno na balonie lampy (żarnika). Układ zapłonowy umożliwia wytworzenie na elektrodzie zapłonowej krótkiego (na ogół kilka mikrosekund) impulsu napięciowego o amplitudzie 10...20 kV, który powoduje lokalną jonizację gazu w lampie i inicjuje, a wydzielona w tym czasie duża energia rzędu dziesiątków dżuli powoduje powstanie bardzo intensywnego błysku światła oświetlającego fotografowany obiekt. Charakterystykę widmową emitowanego przez lampę błyskową strumienia świetlnego pokazano na rys. 2. Wytworzenie impulsu rozładowanie przez nią energii zgromadzonej w kondensatorze C. Czas trwania błysku zawiera się w granicach 0,5...2 ms (1/2000...1/500 s),

Rys. 1. Schemat funkcjonalny elektronicznej lampy błyskowej

C - kondensator, w którym jest gromadzona energia błysku.
 

a wydzielona w tym czasie duża energia rzędu dziesiątków dżuli powoduje powstanie bardzo intensywnego błysku światła oświetlającego fotografowany obiekt. Charakterystykę widmową emitowanego przez lampę błyskową strumienia świetlnego pokazano na rys. 2.

Rys. 2 Charakterystyka widmowa lampy błyskowej z żarnikiem ksenonowym
 

Wytworzenie impulsu inicjującego zapłon następuje po zwarciu styków synchronizacji błysku, w jakie są zaopatrzone migawki wszystkich współczesnych aparatów fotograficznych. W większości lamp błyskowych jest możliwe ręczne wyzwolenie błysku poprzez naciśnięcie przycisku wyzwalającego, którego zestyki zwierne są połączone równolegle z gniazdem (lub kablem) synchronizacyj-nym. Powtórzenie błysku jest możliwe po ponownym naładowaniu kondensatora C, przy czym czas tego ładowania, zależny od rezystancji źródła zasilania i pojemności kondensatora, zawiera się najczęściej w granicach 5...15 s.

Na rys. 3 przedstawiono przebieg strumienia świetlnego Ф_s wytworzonego przez lampę błyskową oraz pokazano najczęściej stosowany sposób określenia czasu T trwania błysku, jako przedziału czasowego, w którym strumień świetlny Ф_s jest większy od połowy wartości maksymalnej Ф_smax. Znane są jednak przypadki definiowania czasu błysku na innych poziomach (np. Ф_smax/3).

Rys. 3 Definicja czasu trwania błysku lampy
 

Bardzie szczegółowe zapoznanie się z działaniem elektronicznej lampy błyskowej jest możliwe na podstawie-jej schematu strukturalnego (rys. 4). Kondensator C jest ładowany z baterii przez rezystor R1, ograniczający maksymalny prąd ładowania do wartości dopuszczalnej dla zastosowanej w lampie baterii. W niektórych lampach w szereg z rezystorem jest dołączona (nie pokazana na rys. 2.12) dioda zabezpieczająca kondensator przy niewłaściwym dołączeniu biegunów baterii. Dzielnik napięcia R2/R3 i neonówka na ogół o napięciu zapłonu 70...90 V, służą do kontroli stanu naładowania kondensatora przez indykację wartości występującego na nim napięcia. Układ zapłonowy składa się z kondensatora C' o pojemności 0,02...O,1 μF i transformatora impulsowego Tr. Transformator ten najczęściej jest nawinięty na cylindrycznym rdzeniu ferrytowym (o otwartym obwodzie magnetycznym) i ma przekładnię podwyższającą 1:40 do 1:60. kondensator C' naładowany do napięcia baterii zostaje rozładowany przez uzwojenie pierwotne transformatora w chwili zwarcia zestyku synchronizacji, wskutek czego w uzwojeniu wtórnym połączonym z elektrodą zapłonową żarnika powstają impulsy o napięciu 10...20 kV inicjujące zapłon.

Rys. 4 Schemat strukturalny lampy błyskowej z zasilaniem bateryjnym wysokonapięciowym (300-350 V)

Ż - żarnik ksenonowy
N - neonówka
Tr -transformator
C - kondensator główny
C' -kondensator pomocniczy
 

W niektórych współczesnych wykonaniach lamp błyskowych do zwierania obwodu kondensatora C' w układzie zapłonowym stosowane są tyrystory małej mocy. Ma to na celu ochronę styków synchronizatora przed występującym - przy ich niecałkowitym zwarciu - przeskokiem iskry, niszczącej powierzchnię delikatnych styków. W lampie błyskowej z bezpośrednim zasilaniem z sieci (rys. 5) do prostowania napięcia o wartości skutecznej 220 V zastosowano dwie szeregowo połączone identyczne diody Dl i D2 zbocznikowane rezystorami R1, R2 o rezystancji 100...330 kΩ, niezbędnymi do wyrównania rozkładu napięcia wstecznego na diodach. Połączenie szeregowe diod zmniejsza prawdopodobieństwo ich przebicia przez napięcie o wartości
występuje przy maksymalnie naładowanym kondensatorze C w czasie ujemnych półokresów napięcia sieciowego.

Rys. 5. Schemat strukturalny lampy błyskowej z bezpośrednim zasilaniem z sieci (oznaczenia jak na rys. 4)
 

Oddzielnym problemem przy lampach zasilanych z sieci bez transformatora oddzielającego jest zabezpieczenie fotografującego przed porażeniem wskutek bezpośredniego dołączenia go do przewodu fazowego sieci poprzez zestyk synchronizacji, połączony jednostronnie z masą (metalową) aparatu fotograficznego. Do zabezpieczenia służą dwa rezystory R3 i R5, oddzielające układ zapłonowy od przewodów sieciowych. Ich rezystancja wynosząca na ogół kilka megaomów musi być tak duża, aby ewentualny przepływ prądu doziemnego od fazowego przewodu sieci przez ciało fotografującego nie był przez niego wyczuwalny. Rezystory R3, R5 zwiększaj ą wprawdzie czas ładowania kondensatora zapłonowego C', ale nie ma to istotnego wpływu na częstotliwość błysków, ponieważ na ogół stała czasowa(R3+R5) C'<pC (gdzie: p - rezystancja zastępcza źródła ładowania kondensatora C).

Zmniejszanie rezystancji elementów R3, R5 lub usuwanie, albo zwieranie rezystorów jest niedopuszczalne, ze względu na zabezpieczenie przeciwporażeniowe osoby obsługującej.

Większość amatorskich (i profesjonalnych) lamp błyskowych jest zasilana z baterii ogniw galwanicznych lub akumulatorów o napięciu 6...12 V. Do otrzymania niezbędnej wartości napięcia ładowania kondensatora lampy, wynoszącego na ogół 400...600 V, stosuje się wówczas transformatorowe tranzystorowe przetwornice napięcia. Przykładowy schemat lampy błyskowej z przetwornicą pokazano na rys. 6.

 

Działanie przetwornicy powinno być Czytelnikowi znane z przedmiotu podstawy elektroniki; parę słów wyjaśnień wymaga zastosowane w przetwornicy stałoprądowe nieliniowe sprzężenie zwrotne z obwodu wtórnego transformatora Trl na bazę tranzystora T2. Poprzez sprzężenie to po zapłonie neonówki, sygnalizującym stan naładowania kondensatora C, napięcie dodatnie dostaje się na bazę tranzystora T2, co powoduje przerwanie generacji drgań w przetwornicy i radykalne zmniejszenie poboru prądu z baterii.

Rys. 6 Przykładowy schemat lampy błyskowej z zasilaniem bateryjnym niskonapięciowym z możliwością zasilania  sieciowego

N - neonówka
C-kondensator główny
C - kondensator pomocniczy
 

Jeżeli po pewnym czasie napięcie na kondensatorze C obniży się poniżej wartości dopuszczalnej, neonówka gaśnie, pętla sprzężenia zwrotnego przerywa się i proces ładowania kondensatora powtarza się od nowa. Przedstawiony na rys. 6 schemat przetwornicy jest oczywiście rozwiązaniem przykładowym; w praktyce spotyka się wiele układów przetwornic i różne typy układów ograniczania poboru prądu z baterii po całkowitym naładowaniu kondensatora C. Dla lepszej ilustracji podano (rys. 2.15) schemat przetwornicy ze sterowaniem przekaźnikowym, stosowanej w rozpowszechnionej w Polsce lampie Minilux produkcji NRD. Jest to przetwornica jedno-tranzystorowa małej mocy o bardzo prostym układzie. Układ działa w sposób następujący: po naładowaniu kondensatora maleje obciążenie przetwornicy i wzrasta napięcie na uzwojeniu z1 do wartości, przy której następuje zadziałanie przekaźnika K.

Rys. 7 Przetwornica tranzystorowa stosowana w lampie Minilux (NRD)

Pr- prostownik
K, k - przekaźnik i jego zestyk
 

Zestyk rozwierny (w stanie spoczynku zwarty) tego przekaźnika przerywa obwód zasilania przetwornicy, drgania się zrywają i po upływie pewnego czasu, zależnego od stałej czasowej obwodu przekaźnika (R+R₀) C_d* i jego napięcia zwalniania, następuje zwarcie zestyku k i ponowne wzbudzenie się drgań. Układ taki mimo dużej prostoty ma dodatkową zaletę akustycznej sygnalizacji stanu naładowania kondensatora dzięki rytmicznemu przyciąganiu i zwalnianiu zwory przekaźnika K.

Prostownik Pr pracujący w układzie mostkowym wraz z kondensatorem o pojemności 0,47 μF i rezystorami stanowią układ ładowania akumulatora żelazo-niklowego przetwornicy.

Przetwornica z rys. 6 może być zasilana bezpośrednio z sieci po odpowiednim nastawieniu przełącznika „Bateria-sieć". Kondensator C2 diody D1, D2 i kondensator „główny" C tworzą znany układ podwajania napięcia, zapewniający naładowanie kondensatora C do napięcia ok. 450 V. W wielu lampach błyskowych zasilanych z akumulatorów możliwe jest zasilanie przetwornicy odpowiednio przetransformowanym i wyprostowanym napięciem sieci, przy czym buforowe zasilany akumulator spełnia rolę filtru zmniejszającego przydźwięk w napięciu zasilającym przetwornicę.
 

R₀ - rezystancja uzwojenia przekaźnika

Komputerowe lampy błyskowe (computer electronic flash) to takie, w których można o regulować w zależności od warunków zdjęcia energię błysku. Schemat funkcjonalny takiej lampy (rys. 8a) różni się od schematu z rys. 1 dodatkowymi blokami funkcyjnymi: fotoczujnikiem, integratorem elektronicznym, lampą zwierającą LZ połączoną równolegle z kondensatorem i dodatkowym układem zapłonowym UZ2 sterowanym z integratora, a służącym do wywołania zapłonu w tejże lampie. Działanie układu wyjaśnia rys. 8b. Po zwarciu zestyku synchronizacji urządzenie zapłonowe UZ1 wytwarza impuls inicjujący zapłon w żarniku Ż oraz impuls o czasie trwania T₁ rozładowujący kondensator integratora i normujący w ten sposób warunki początkowe jego pracy. Po czasie T₂>T₁ jonizacji gazu w lampie (T₂ wynosi na ogół ok. 20 ns) następuje zapłon w żarniku Ż, a światło odbite od obiektu fotografowanego trafia na źrenicę wejściową szybko działającego (fotodioda lub fototranzystor) czujnika FOT i rozpoczyna się proces ładowania kondensatora w integratorze. Z chwilą gdy ilość światła jest wystarczająca do wykonania zdjęcia, napięcie na kondensatorze integratora osiąga wartość uprzednio zadaną i następuje - poprzez urządzenie zapłonowe UZ2— zapłon w lampie zwierającej LZ, przerywający natychmiast rozładowanie w żarniku Ż i dalsze oświetlanie fotografowanego obiektu. Do szybkiego rozładowania kondensatora można użyć oczywiście odpowiednio dobranego tyrystora sterowanego z obwodu integratora. Stosowanie jednak lampy jonowej LZ o bardzo małym odstępie elektrod i uzyskanej w ten sposób małej rezystancji drogi rozładowania ma następujące preferencje:

- lampa zwierająca jest tańsza, mniejsza i lżejsza od tyrystora, który przy napięciu 450...600 V musi przepuścić prąd impulsowy o amplitudzie dochodzącej do kilku kiloamperów;
- zadziałanie lampy jest sygnalizowane błyskiem widocznym dla fotografa i świadczącym o właściwym naświetleniu obiektu.
 

Lampy komputerowe pozwalają na skrócenie czasu błysku nawet do 1/50000 s, jeżeli obiekt fotografowany znajduje się blisko lampy i ma jasną barwę. Stanowią one najpewniejszy sposób wykonania dobrze naświetlonych zdjęć, zwłaszcza przy świetle kombinowanym (np. światło dzienne plus błysk).

W lampie działającej według rys. 8 kondensator C jest zawsze rozładowywany całkowicie, tj. do napięcia zgaszenia lampy zwierającej LZ, mimo że do oświetlenia fotografowanego obiektu jest niezbędna energia mniejsza niż zgromadzona w kondensatorze.

Istnieją także lampy z odzyskiem energii, dzięki którym rozładowanie kondensatora C zostaje przerwane po wystąpieniu zapłonu w lampie zwierającej LZ. Zasadę działania takiego układu wyjaśniono na rys. 8c. W szereg z żarnikiem jest włączony tyrystor o odpowiednio dobranym prądzie. Zapłon w żarniku Ż jest inicjowany wysokonapięciowym impulsem przyłożonym na elektrodę zapłonową, przy czym urządzenie zapłonowe UZ1 wytwarza równocześnie dodatni impuls „otwierający" tyrystor. Z chwilą właściwego oświetlenia fotografowanego obiektu urządzenie zapłonowe UZ2, podobnie jak w lampie przedstawionej na rys. 8a, wytwarza impuls inicjujący zapłon w lampie zwierającej LZ. Przez tę lampę rozładowuje się kondensator gaszący C_g pojemności 4...6 μF, a prąd rozładowania I_z przepływa przez tyrystor w kierunku przeciwnym niż prąd I_żar żarnika. Z chwilą gdy wartość prądu wypadkowego tyrystora I_żar - I_z stanie się mniejsza od wartości prądu podtrzymania tyrystora następuje jego „zablokowanie" i wyłączenie żarnika Ż z obwodu. Ujemny impuls kierowany z urządzenia zapłonowego UZ2 przez rezystor R1 na bramkę tyrystora przyspiesza i usprawnia to wyłączenie. Po przerwaniu prądu płynącego przez tyrystor prąd lampy LZ ładuje kondensator C_g przez co obniża się potencjał anody lampy zwierającej LZ i następuje jej „zgaśniecie". Kondensator C_g zostaje teraz ponownie naładowany przez obwód R, R2 do pełnego napięcia występującego na kondensatorze C, który w międzyczasie został doładowany do napięcia znamionowego i żarnik Ż jest gotowy do następnego kontrolowanego błysku. Dławik Dł umieszczony w obwodzie lampy zwierającej LZ zmniejsza stromość czoła impulsu prądowego I_z i przez to usuwa możliwość przeciążenia tyrystora.

Rys. 8. Elektroniczna lampa błyskowa z automatyczną regulacją czasu trwania błysku:

a) schemat funkcjonalny lampy;
b) przebiegi wyjaśniające zasadę działania lampy;
c) zasada działania układu z „odzyskiem energii"
 

P - przetwornica,
C - kondensator,
LZ - lampa zwierająca,
Ż- żarnik,
FOT- fotoczujnik,
INT - integrator,
UZ1, UZ2 - układy zapłonowe,
z -impuls zapłonowy wytworzony w integratorze
 

---