Lampy błyskowe

Jeśli wiesz jak działają aparaty, lustrzanki, tudzież kamery, wiesz, że do naświetlenia żywego obrazu na kliszy potrzeba dużo światła. W przypadku większości zdjęć we wnętrzach, gdzie jest stosunkowo mało światła otoczenia, musisz albo naświetlić kliszę przez dłuższy czas, albo na chwilę zwiększyć poziom światła, aby uzyskać wyraźny obraz. Wydłużenie czasu ekspozycji nie działa dobrze w przypadku większości obiektów, ponieważ każdy szybki ruch, w tym ruch samego aparatu, powoduje rozmycie obrazu. Elektroniczne lampy błyskowe są prostym i tanim rozwiązaniem tego nieodłącznego problemu fotografii. Ich jedynym celem jest emitowanie krótkiej serii jasnego światła po zwolnieniu migawki. Oświetla pomieszczenie na ułamek sekundy, przez jaki film jest naświetlany. W tym tekście przedstawimy Wam jak działają lampy błyskowe. Jak się za chwilę przekonacie, standardowa lampa błyskowa aparatu to świetny przykład tego, jak podstawowe elementy elektroniczne mogą współpracować w prostym obwodzie.

Typowa lampa błyskowa aparatu wyjęta z obudowy wygląda jak miniaturowy neon. Podstawowy system lampy błyskowej aparatu, taki jak w aparacie typu „wyceluj i strzelaj” , składa się z trzech głównych części. Mała bateria, która służy jako źródło zasilania. Rura wyładowcza, która faktycznie wytwarza błysk. Obwód (złożony z szeregu elementów elektrycznych), który łączy źródło zasilania z rurą wyładowczą. Dwa komponenty na końcach systemu są bardzo proste. Kiedy podłączysz dwa zaciski baterii do obwodu, bateria zmusza elektrony do przepływu przez obwód z jednego zacisku do drugiego. Ruchome elektrony, czyli prąd  dostarczają energię do różnych rzeczy podłączonych do obwodu. Rura wyładowcza bardzo przypomina światło neonowe lub świetlówkę . Składa się z rury wypełnionej gazem ksenonowym, z elektrodami na obu końcach i metalowej płytki wyzwalającej pośrodku rury - rurka znajduje się przed płytą spustową. Poza tym, płytka spustowa jest zakryta materiałem odblaskowym, który kieruje światło lampy do przodu.

Podstawową ideą jest przewodzenie prądu elektrycznego - w celu przemieszczenia wolnych elektronów - przez gaz w rurze, z jednej elektrody do drugiej. Gdy wolne elektrony się poruszają, energetyzują atomy ksenonu, powodując, że atomy emitują fotony światła widzialnego (szczegółowe informacje na temat sposobu, w jaki atomy generują fotony, możecie znaleźć w internecie wpisując fraze - “jak działa światło?”). Nie możesz tego zrobić z gazem w jego normalnym stanie, ponieważ ma bardzo mało wolnych elektronów - to znaczy prawie wszystkie elektrony są związane z atomami, więc w gazie prawie nie ma naładowanych cząstek. Aby gaz przewodził, musisz wprowadzić do mieszanki wolne elektrony. Inna konstrukcja lampy błyskowej aparatu - w tej zakrzywionej tubusie płytka spustowa jest przymocowana bezpośrednio do szkła na tubusie. To jest zadanie dla metalowego spustu. Jeśli na krótko przyłożymy wysokie dodatnie napięcie (siłę elektromotoryczną) do tej płytki, będzie ona silnie przyciągać ujemnie naładowane elektrony w atomach. 

Jeśli przyciąganie to jest wystarczająco silne, spowoduje uwolnienie elektronów od atomów. Proces usuwania elektronów z atomu nazywa się jonizacją. Wolne elektrony mają ładunek ujemny, więc gdy staną się wolne, przemieszczą się w kierunku dodatnio naładowanego terminala i oddalą się od ujemnie naładowanego terminala. Gdy elektrony się poruszają, zderzają się z innymi atomami, powodując utratę elektronów przez te atomy, co prowadzi do dalszej jonizacji gazu. Pędzące elektrony zderzają się z atomami ksenonu, które zostają pobudzone i generują światło (więcej informacji na ten temat można znaleźć w internecie, wpisująć w wyszukiwarkę zapytanie odnośnie tego jak działają lampy fluorescencyjne). Aby to osiągnąć, potrzebne jest stosunkowo wysokie napięcie („ciśnienie” elektryczne). Przesunięcie elektronów między dwiema elektrodami wymaga kilkuset woltów, a do wprowadzenia wystarczającej liczby wolnych elektronów, aby gaz przewodził, potrzeba kilku tysięcy woltów. Typowa bateria aparatu oferuje tylko 1,5 V, więc obwód lampy błyskowej musi znacznie zwiększyć napięcie. Zaraz dowiemy się, jak to robi.

Jak na razie dowiedzieliśmy się, że obwód lampy błyskowej musi zamienić niskie napięcie akumulatora w wysokie napięcie, aby zapalić ksenonową lampę. Istnieją dziesiątki sposobów zaaranżowania tego rodzaju obwodu podwyższającego, ale większość konfiguracji zawiera te same podstawowe elementy. Wszystkie te komponenty są wyjaśnione w internecie - wystarczy poszukać stosownych artykułów w Google - jednak pokrótce składają się one na:

- Kondensatory to urządzenia, które przechowują energię poprzez zbieranie ładunku na płytach.

- Cewki indukcyjne to zwinięte odcinki drutu, które magazynują energię poprzez wytwarzanie pól magnetycznych.

- Diody to urządzenia półprzewodnikowe, które umożliwiają swobodny przepływ prądu tylko w jednym kierunku.

- Tranzystory to urządzenia półprzewodnikowe, które mogą działać jako sterowane elektrycznie przełączniki lub wzmacniacze.

W internecie można znaleźć graficzny schemat, który pokazuje, jak wszystkie te elementy łączą się w podstawowym obwodzie błyskowym. Obojętnie jednak jaki by to schemat nie był i kto by go nie narysował / nakreślił, rozpatrywany w całości, może wydawać się nieco przytłaczający, ale jeśli podzielimy go na części składowe, nie będzie wydawać się aż tak skomplikowany. Zacznijmy od serca obwodu, głównego transformatora, urządzenia, które faktycznie podnosi napięcie. Transformator składa się z dwóch cewek znajdujących się blisko siebie (na przykład jeden może być nawinięty wokół drugiego, a oba mogą być owinięte wokół żelaznego rdzenia). Jeśli wiesz jak działają elektromagnesy, wiesz także, że przepływ prądu przez zwinięty odcinek drutu wytworzy pole magnetyczne. Jeśli wiesz jak działają cewki indukcyjne, to wiesz również, że fluktuujące pole magnetyczne, generowane przez zmienny prąd elektryczny, spowoduje zmianę napięcia w przewodniku. Podstawową ideą transformatora jest przepuszczenie prądu przez jedną cewkę (cewkę pierwotną) w celu namagnesowania innego przewodnika (cewki wtórnej), powodując zmianę napięcia w drugiej cewce.

Jeśli zmienisz rozmiar dwóch cewek - liczbę pętli w każdej cewce - możesz zwiększyć (lub zmniejszyć) napięcie z pierwotnego do wtórnego. W transformatorze podwyższającym napięcie, takim jak ten w obwodzie błyskowym, cewka wtórna ma znacznie więcej pętli niż cewka pierwotna. W rezultacie pole magnetyczne i (przez rozszerzenie) napięcie w uzwojeniu wtórnym są większe niż w cewce pierwotnej. Wadą jest to, że cewka wtórna ma słabszy prąd niż cewka pierwotna. Aby zwiększyć napięcie w ten sposób, potrzebujesz prądu zmiennego, takiego jak prąd przemienny w twoim domu. Ale bateria wytwarza prąd stały, który nie zmienia się. Pole magnetyczne induktora zmienia się tylko wtedy, gdy początkowo przepływa przez niego prąd stały. Zaraz dowiemy się, jak obwód “flash” radzi sobie z tym problemem. Warto jednak jeszcze zauważyć, że profesjonalni fotografowie często ustawiają lampy błyskowe wokół obiektu, aby uzyskać lepsze efekty świetlne. W tym układzie jedna główna lampa błyskowa może być wyzwalana przez migawkę aparatu, podczas gdy inne błyski są wyzwalane przez tę główną. Niektóre projekty lamp podporządkowanych wykorzystują samo światło lampy głównej jako wyzwalacza. Lampa podrzędna ma mały czujnik światła, który uruchamia obwód lampy błyskowej, gdy wykryje nagły impuls światła.

W ostatniej sekcji widzieliśmy, że transformatory potrzebują zmiennego prądu do prawidłowego działania. Obwód błyskowy zapewnia tę fluktuację poprzez ciągłe przerywanie przepływu prądu stałego - przepuszcza szybkie, krótkie impulsy prądu stałego, aby nieustannie zmieniać pole magnetyczne. Obwód robi to za pomocą prostego oscylatora. Głównymi elementami oscylatora są cewki pierwotne i wtórne transformatora, inny cewka indukcyjna (cewka sprzężenia zwrotnego) oraz tranzystor, który działa jako przełącznik sterowany elektrycznie. Naciśnięcie przycisku ładowania powoduje zamknięcie przełącznika ładowania, dzięki czemu krótki impuls prądu przepływa z akumulatora przez cewkę sprzężenia zwrotnego do podstawy tranzystora. Doprowadzenie prądu do podstawy tranzystora umożliwia przepływ prądu z kolektora tranzystora do emitera - powoduje to, że tranzystor przewodzi, ale na krótko.

Kiedy tranzystor jest „włączany” w ten sposób, wyrzut prądu może popłynąć z baterii do cewki pierwotnej transformatora. Uderzenie prądu powoduje zmianę napięcia w cewce wtórnej, co z kolei powoduje zmianę napięcia w cewce sprzężenia zwrotnego. To napięcie w cewce sprzężenia zwrotnego przewodzi prąd do podstawy tranzystora, sprawiając, że tranzystor ponownie przewodzi, a proces się powtarza. W ten sposób obwód ciągle się przerywa, stopniowo podnosząc napięcie przez transformator. Ta oscylacyjna akcja wytwarza wysoki skowyt, który słychać podczas ładowania lampy błyskowej. Prąd wysokiego napięcia przepływa następnie przez diodę , która działa jak prostownik - przepuszcza prąd tylko w jedną stronę, więc zmienia zmienny prąd z transformatora z powrotem na stały prąd stały. Obwód błysku przechowuje ten ładunek wysokiego napięcia w dużym kondensatorze. Podobnie jak bateria, kondensator utrzymuje ładunek, dopóki nie zostanie podłączony do obwodu zamkniętego. Kondensator jest zawsze podłączony do dwóch elektrod lampy błyskowej, ale jeśli ksenon nie jest zjonizowany, lampa nie może przewodzić prądu, więc kondensator nie może się rozładować.

Obwód kondensatora jest również połączony z mniejszą rurą wyładowczą za pomocą rezystora. Gdy napięcie w kondensatorze jest wystarczająco wysokie, prąd może przepływać przez rezystor, aby zapalić małą rurkę. Działa jak wskaźnik świetlny, informujący, kiedy lampa błyskowa jest gotowa do pracy. Wyzwalacz lampy błyskowej jest podłączony do mechanizmu migawki. Kiedy robisz zdjęcie, wyzwalacz zamyka się na chwilę, podłączając kondensator do drugiego transformatora. Ten transformator zwiększa prąd 200 V z kondensatora do wartości między 1000 a 4000 V i przekazuje prąd wysokiego napięcia na metalową płytkę obok lampy błyskowej. Chwilowe wysokie napięcie na metalowej płytce zapewnia energię niezbędną do jonizacji gazu ksenonowego, dzięki czemu gaz przewodzi. Lampa błyskowa zapala się synchronicznie z otwarciem migawki. Różne elektroniczne lampy błyskowe mogą mieć bardziej złożone obwody niż ten, ale większość działa w ten sam podstawowy sposób. Wystarczy zwiększyć napięcie akumulatora, aby uruchomić małą lampę wyładowczą.