Danas je nabavljeno napajanje za lučne sijalice (ugljene ili ksenonske) njemačkog proizvođača Siemens iz prve polovice 1960-tih godina. Tvrtku Siemens je davne 1847. godine osnovao njemački izumitelj Werner von Siemens te se do danas razvila u jednu od vodećih svjetskih tvrtki na području elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija i drugih srodnih grana tehnike. Na kućištu napajanja ne nalazimo nikakve oznake tipa ili modela, osim pločice koja ukazuje da se radi o napajanju predviđenom za pogon XBO ksenonskih sijalica snage u rasponu 162 do 345 W. Sijalice se koriste u uređaju švicarske tvrtke Wild Heerbrug (kasnije Wild-Leitz), a radi se o tvrtki koja je poslovala u razdoblju 1921-1990. godine nakon čega je postala dio švicarske Leica grupacije. Proizvodila je razne optičke instrumente kao što su geodetski instrumenti, mikroskopi i instrumenti za fotogrametriju. Stoga možemo pretpostaviti da je ovo Siemensovo napajanje predviđeno za napajanje ksenonske sijalice unutar nekog optičkog instrumenta tvrtke Wild Heerbrug, no donekle je napravljeno i kao višefunkcionalno napajanje jer na zadnjoj ploči nalazimo izlazni konektor i za druge tipove sijalica (lučne ili sa žarnom niti).
Na prednjoj ploči napajanja nalazi se posebna utičnica za spajanje ksenonske sijalice, kontrolna lampica mrežnog napona i specijalno izvedena grebenasta sklopka kojom se osim uključivanja istosmjernog napona napajanja sijalice, kratkotrajno i pravovremeno uključuje i visoki napon za početno paljenje iste.
Na zadnjoj ploči su mrežni osigurači sa sklopkama za podešavanje primarnih namota mrežnog transformatora na mrežni napon 110 V ili 220 V. Ispod njih je posebna izlazna utičnica na koju je doveden ispravljeni istosmjerni napon 60 V (12 A) za napajanje ugljenih lučnih ili nekih drugih projekcijskih sijalica kojima odgovara navedeni napon.Na dnu su ulazna i izlazna mrežna priključnica.
Proizvođač napajanja je Siemens, a namjenjeno je za napajanje ksenonske sijalice unutar nekog optičkog instrumenta tvrtke Wild Heerbrug čija snaga je ugranicama 162 – 345W.
Ugljene lučne sijalice najjednostavnije su i najstarije sijalice koje svijetle na principu stvaranja električnog luka. Sastoje se od dva prikladno oblikovana ugljena štapića spojena na istosmjerni izvor struje. Oni se prilikom paljenja međusobno dodirnu te se na mjestu spoja užare (zbog većeg električnog otpora na mjestu spoja). Nakon što se užare štapići malo razmaknu, dovoljno malo da se strujni krug ne prekine nego će ga održavati nastali plamen sa jakim svjetlom – električni luk. Pogonski naponi za ovakve sijalice, ovisno o tipu i snazi, kreću se u rasponu 30-75 V, a struje 15-110 A.
Ksenonske lučne sijalice sastoje se od izduženog (valjkastog) staklenog balona unutar kojeg su učvršćene dvije elektrode od čistog volframa na međusobnom razmaku od nekoliko milimetara. Unutrašnjost balona ispunjena je plinom ksenonom pod određenim tlakom. Ksenonska sijalica se pali na način da se na elektrode prvo kratkotrajno (do pola sekunde) dovede visoki impulsni napon (ovisno o tipu sijalice reda 20-40 kV) kojim se uspostavi početni električni luk između elektroda. Nakon početne uspostave električnog luka za njegovo daljnje održavanje dovoljan je nizak istosmjerni ili izmjenični napon reda nekoliko desetaka volti i uz jačinu struje reda nekoliko ampera za sijalice manje snage do nekoliko desetaka ampera pa i više od stotinu ampera za sijalice velike snage. Za usporedbu ćemo okvirno navesti kako je za ksenon sijalicu snage 75W potreban radni napon od 14V (28 V prazni hod, 20 kV paljenje) i struja od 5,5A, a za sijalicu snage 10000W potreban je radni napon od 60V (150 V prazni hod, 45 kV paljenje) i struja od 160A. U zagradama su navedeni naponi koji su potrebni za početno paljenje ksenon sijalica u trajanju cca pola sekunde.
Vidimo da se u oba slučaja radi se o tipu sijalica koje ne stvaraju svijetlost pomoću žarne niti, nego pomoću električnog luka koji se izazove između elektroda, otuda im i naziv lučne sijalice. Također, za oba tipa sijalica potrebni su približno isti radni naponi i struje pa se istosmjerni dio ispravljača za ksenonske sijalice može koristiti i za ugljene lučne sijalice, kao i naravno za druge projekcijske sijalice (sa žarnom niti) ukoliko rade na istim naponima i strujama.
Ugljene lučne sijalice koristile su se do sredine 1950-tih godina uglavnom kao sijalice za kino projektore. Zamijenile su ih ksenonske sijalice koje imaju puno duži vijek trajanja, puno veću iskoristivost (manju potrošnju struje) i kojima je moguće dobiti svjetlosni spektar najbliži sunčevom svjetlosnom spektru, dakle čistoj bijeloj svjetlosti. Stoga su našle primjenu u različitim optičkim uređajima i instrumentima, projektorima i sličnim uređajima i sustavima osvjetljenja gdje se traži izvor čiste bijele svijetlosti visokog intenziteta. U moderno vrijeme (od 1990-tih godina) ksenonske sijalice postale su popularne za ugradnju u farove automobila kao zamjena za halogene sijalice gdjese za iste često koristi komercijalni naziv HID (HighIntenseDischarge – pražnjenje visokog intenziteta) što opet nije ništa drugo nego malo ušminkan naziv za električni luk.
Plin ksenon služi za osiguranje što lakšeg i bržeg paljenja (uspostave) početnog električnog luka, a o njegovom tlaku unutar balona ovisi svjetlosni spektar koji daje sijalica. Svjetlosni spektar najbliži bijeloj svjetlosti dobiva se pod tlakom plina ksenona od 8 atmosfera u hladnom stanju, no u pogonu, ovisno o jačini sijalice, tlak plina naraste do 20 i više atmosfera. Stoga se ove sijalice svrstavaju u grupu visokotlačnih sijalica. Moguće su i druge kombinacije plinova ili mješavine plinova pod određenim tlakovima kojima se dobiju željeni spektri svjetlosti. Također postoje izvedbe ksenon sijalica sa tri elektrode, a ta treća pomoćna elektroda služi samo za početno paljenje električnog luka. Ovakve sijalice rade na dvostruko nižim tlakovima plina od sijalica sa dvije elektrode.
Postoje ksenonske sijalice koje rade samo na izmjeničnu ili samo na istosmjernu struju. Kod onih za izmjeničnu struju elektrode su jednake dok su kod istosmjernih ksenonskih sijalica elektrode različite po obliku i dimenzijama. S obziromna različitost elektroda kod istosmjernih ksenonskih sijalica potrebno je voditi računa da se na njih ispravno dovedu polovi istosmjernog napona. U slučaju pogrešnog spajanja vrlo brzo će doći do razaranja elektroda i neupotrebljivosti sijalice. Također, napon napajanja mora biti dovoljno dobro stabiliziran (pulsiranje ne veće od 10%) jer će veće fluktuacije napona negativno utjecati na vijek trajanja elektroda te na intenzitet i stabilnost dobivenog svjetla (treperenje i kolebanje). Isto tako radni naponi viši od nominalnih (preopterećenje sijalice) uzrokovati će fizičko uništenje ksenonske sijalice (zacrnjenje staklenog tijela ili eksploziju). Iz svega vidimo da je za pogon ksenonske sijalice potreban relativno složen i stabilan izvor napajanja koji uključuje visoki napon u maksimalnom trajanju od pola sekunde za početno paljenje sijalice ali i relativno visoki napon praznog hoda ispravljača koji mora biti 2,5-3 puta veći od srednje vrijednosti radnog napona sijalice tijekom početnog paljenja električnog luka i nekoliko milisekundi nakon paljenja kako bi uspostavljanje (formiranje) električnog luka bilo moguće.
Lijevo se ističe snažni mrežni transformator 110-220 V / 60 V, na njemu je montiran reostat za podešavanje izlaznog napona. U sredini vidimo selenski punovalni ispravljač sa filtarskom kondenzatorom, a desno je u posebnom kućištu smješten generator visokog impulsnog napona 28 kV potreban za početno paljenje ksenonskih sijalica.
Za naše napajanje Siemens nismo pronašli nikakve podatke te smo za bolje razumijevanje principa rada nacrtali kompletnu shemu istog.
Mrežni transformator nosi oznaku Siemens VX 150 i čini se da se radi o transformatoru specijalno napravljenom upravo za napajanje lučnih sijalica. Na natpisnoj pločici nažalost ne nalazimo previše korisnih podataka, tako da smo shemu i napone transformatora dobili mjerenjem. S obzirom na dimenzije jezgre i debljinu žice na namotajima ovaj transformator vjerojatno može isporučiti struju od najmanje 12 A.
Na zadnjoj ploči ispravljača nalaze se dva osigurača sa sklopkama za izbor ulaznog radnog napona. U funkciji je samo jedna kombinacija osigurača i sklopke kojom se primarni namoti transformatora (V1-U1 i V2-U2) mogu spojiti paralelno za priključenje mrežnog napona 110 V ili kao što je kod nas slučaj serijski za priključenje mrežnog napona 220 V. Na drugu sklopku koja nije u funkciji dovedeni su pomoćni izvodi namota (V2′ i U2′) preko kojih se može korigirati primarni namot na odstupanja od standardne vrijednosti mrežnog napona.
Kad su primarni namoti mrežnog transformatora spojeni serijski za 220 V, tada se jedan namot koristi ujedno i kao autotransformator za dobivanje napona od 110 V kojim se napaja sklop za generiranje visokog napona za paljenje ksenonske sijalice (ignitor). Ovaj sklop za paljenje nalazi se u posebnom bakelitnom kućištu, a koristi princip rada Teslinog transformatora kakav smo već opisali u objavi VIOLET RAY – VOX ELEKTROMEDICINSKI APARATI.
Najzanimljiviji element u sklopu ovog Teslinog transformatora je posebna izvedba iskrišta u keramičkom valjkastom kućištu sa otvorima za hlađenje. Radi se o poboljšanoj tzv. “quenched spark gap” izvedbi iskrišta koje bi u slobodnom prijevodu mogli nazvati iskrište s brzim gašenjem. Takvo iskrište razvijeno je 1906. godine za tadašnje odašiljače kod kojih su se VF oscilacije dobivale također na principu Teslinog transformatora (oscilatora) sa iskrištem. Cilj je bio da se kod takvih induktivno vezanih oscilatora postigne da iskra traje točno onoliko vremena koliko je potrebno da se energija s primarnog oscilatorskog kruga prenese na sekundarni antenski krug, odnosno da se ugasi prije nego bi počeo povratni prijenos energije sa sekundarnog natrag na primarni krug, što uzrokuje gubitke u prijenosu snage, pojavu parazitskih frekvencija i druge neželjene pojave u radio prijenosu. Quenched spark gap iskrišta sastoje se od niza širokih cilindričnih metalnih elektroda odvojenih tankim izolacijskim odstojnim prstenima. Kod našeg iskrišta koristi se niz od pet elektroda i, koliko možemo vizualno zaključiti, iste su napravljene od neke vrste grafita te je na svaku od njih navučen cilindrični aluminijski hladnjak. Razmak između elektroda održavaju po dva prstena od tinjca ukupne debljine 0,3 mm. Poanta je u tome da se sa više serijskih iskrišta dobije više manjih iskri koje se vrlo brzo gase (prekida se ionizacija) nakon prestanka protoka struje, također i zahvaljujući efektu hlađenja kojeg osiguravaju metalni hladnjaci navučeni na elektrode.
Specijalna izvedba iskrišta Teslinog transformatora – Quenched spark gap.
Kao što vidimo iz oznaka ulazni visokonaponski transformator 4,3 kV može se napajati izravno iz mreže 110 ili 220 V, no s obzirom da je čitav ispravljač zamišljen da se može jednostavno prespojiti za mrežne napone 110 ili 220 V, onda se i krug za paljenje ksenon sijalice u oba slučaja napaja sa 110 V. Primarni rezonantni krug čine kondenzatori 2 x 1 nF i primarna zavojnica Teslinog transformatora, a sekundarni rezonantni krug čini sekundarna zavojnica Teslinog transformatora sa kapacitetima koji se javljaju između zavoja same sekundarne zavojnice i ostalim parazitskim kapacitetima u sekundarnom krugu. Kroz sekundarnu zavojnicu nakon paljenja nastavlja teći radna istosmjerna struja za održavanje električnog luka tako da ova zavojnica ne smije imati prevelik omski otpor.
Uspjeli smo djelomično rastvoriti plastično kućište izlaznog VN Teslinog transformatora te se vidi da se isti sastoji od svega nekoliko namotaja žice. Čitav sklop radi svega djelić sekunde i ksenon lampe toleriraju širok raspon visokog napona za paljenje (ograničenje se praktično odnosi samo na minimalan potreban napon) tako da nije toliko bitna visoka efikasnost prijenosa snage, no potrebno je postići i dovoljnu impulsnu frekvenciju VN napona propisanu za svaki tip sijalice tako da kod projektiranja napajanja treba i o tome voditi računa.
Već smo rekli da visoki napon za paljenje ksenon lampe mora biti prisutan samo kratko vrijeme na početku ciklusa paljenja (ne duže od pola sekunde) nakon čega se mora ugasiti. Ovo vrijeme trajanja napona paljenja kod našeg je ispravljača riješeno posebnom izvedbom grebenaste sklopke. Kad se sklopka prebacuje iz položaja 0 u položaj 1 (okret sklopke za 90°), kontakti za istosmjerni napon kao i za napon paljenja spoje se već na prijeđenih prvih 10° od pozicije 0. Nadalje, kad sklopka na svom putu od 0 prema 1 dosegne nekih 80°, ovdje se kontakti za napon paljenja isključe, dok radni istosmjerni napon ostane i dalje uključen i trajno prisutan na poziciji sklopke 1. Kod uključivanja ispravljača potrebno je dakle momentalno prebaciti sklopku iz položaja 0 u položaj 1 kao kod paljenja bilo kakve sklopke, a pri tome je trenutak vremena koji je potreban za okret sklopke između pozicija 0 i 1 dovoljan da se pojavi kratkotrajan napon za paljenje. Ovo uključivanje napona paljenja naravno funkcionira samo kad se sklopka okreće iz pozicije 0 prema 1 (nikako ne kada se ispravljač gasi iz 1 prema 0), te je zbog toga moguća rotacija sklopke samo u smjeru kazaljke na satu. Vidimo da ispravno paljenje ksenon sijalice preko ovog ispravljača uvelike ovisi o pouzdanom radu grebenaste sklopke ali i o samom operateru koji ne smije namjerno (silom) zadržavati poziciju sklopke na pola puta između 0 i 1, već normalno okrenuti sklopku i preći taj put onako kako to osiguravaju same opruge unutar sklopke.
Iz natpisne pločice ne može se puno saznati o električnim karakteristikama mrežnog transformatora. Mjerenjem smo utvrdili da je izlazni napon dva serijski spojena sekundarna namota 60 V (uz napon primara od 220 V). Jedino na visokonaponskom generatoru nalazimo neki podatak o jačini struje, odnosno da je predviđen za sijalice koje vuku maksimalno 12 A. Prema dimenzijama jezgre i debljini namota mrežni transformator vrlo vjerojatno može isporučiti i jače struje.
Za napajanje (održavanje električnog luka) koristi se stabiliziran istosmjerni napon (fluktuacije ne veće od 5 %) kako bi se osigurao ravnomjerni svjetlosni snop bez treperenja i kolebanja svjetla. U našem slučaju ugrađen je selenski punovalni ispravljač, a napon se dodatno filtrira elektrolitskim kondenzatorom 3000 µF. Ovaj kondenzator ima dvojaku ulogu. U trenutku paljenja ksenonske sijalice (prvih pola sekunde) početna potrošnja struje može biti za oko 15-50% veća od kasnije nominalne struje za održavanje luka pa je u tom prvom trenutku izvor napajanja jako opterećen (posebice selenski ispravljač) i može doći do velikog pada napona čak i ispod minimalnog za nastajanje i stabilizaciju električnog luka. Da se ovo spriječi koristi se energija uskladištena u kondenzatoru. Kad se luk uspostavi i struja padne na nominalnu vrijednost za njegovo održavanje, kondenzator funkcionira kao filtarski element, odnosno smanjuje fluktuaciju, kolebanje (ripple) ispravljenog istosmjernog napona.
Nakon filtriranja istosmjerni napon se dovodi na reostat, odnosno promjenjivi otpornik od 2,2 Ω pomoću kojeg se stvara potreban pad napona na nominalnu vrijednost za napajanje određene ksenon sijalice. Pad napona ovisi o struji koja teče kroz sijalicu i vrijednosti otpornika (U = I x R). Kondenzatori od 5 nF sprječavaju prodor visokog napona iz sklopa za paljenje na krugove istosmjernog napajanja.
Kod testiranja i ispitivanja ovakvih snažnih ispravljača starih 60-tak godina za koje nemamo nikakve podatke glede prethodnih održavanja i skladištenja potrebno je biti vrlo oprezan. Kod ovakvih napajanja velik broj komponenti radi u režimu punog opterećenja pod visokim naponima i jakim strujama te vrlo lako može doći do eksplozija, zapaljenja ili sličnih opasnih situacija kad se stare i često više ili manje propale komponente naglo podvrgnu naponskim i strujnim šokovima. Uvijek treba biti oprezan sa naponima napajanja, jer su uređaji iz prošlog stoljeća uglavnom dizajnirani za mrežni napon od 220 V, dok danas napon u mrežnim utičnicama nerijetko prelazi 240 V. Ova razlika napona je dovoljna da neke komponente unutar ispravljača u samom startu budu opterećene prevelikim naponima ili strujama. Stoga se ovakvi uređaji na napon priključuju postepeno preko variaka, polako od nule do maksimalne vrijednosti, pri čemu se stalno prati potrošnja struje kao i promjene na samim komponentama. Ukoliko već kod nižih napona primijetimo pretjerano zagrijavanje, dim, čudne zvukove ili mirise, pretjeran porast struje ili slične indikatore naravno da ćemo prekinuti daljnji dovod struje jer je očito da je neka komponenta neispravna i predstavlja opasnost kako za osobe u blizini tako i za ostale elemente unutar uređaja. Mi smo na naše napajanje doveli puni napon od 220 V ali samo kratko vrijeme kako bi izmjerili izlazne napone u praznom hodu. Filtarski elektrolitski kondenzator 3000µF/110V proizveden u siječnju 1963. godine sasvim sigurno ne bi više podnio dugotrajno puno opterećenje, a upitno je kako bi se ponašao i selenski ispravljač.
Danas su dostupna moderna napajanja za ksenon sijalice gdje mikrokontroler obrađuje povratne informacije i na osnovu toga korigira izlazne napone i struje za osiguranje optimalnog rada pojedine ksenon sijalice, pri čemu su nerijetko dodani i svi zaštitni sklopovi, od onih koji štite od pogrešnog polariteta spajanja, do onih koji štite od kratkog spoja, preopterećenja i slično. Naravno da se odavno više ne koriste selenski ispravljači kao ni Teslini transformatori sa iskrištem za dobivanje visokog napona, a još manje reostati za regulaciju izlaznog napona. Zato je ovaj naš Siemensov ispravljač najbolje sačuvati u izvornom stanju kao još jedan primjerak dobre stare elektronike iz kojeg možemo ponešto zanimljivo naučiti. No s druge strane snažan mrežni transformator 2 x 30 V i robusno metalno kućište idealna su kombinacija za izradu nekog snažnog laboratorijskog napajanja sa naponsko-strujnom regulacijom ili za ugradnju bilo kakvog drugog elektroničkog sklopa koji traži snažnije napajanje jer mjesta unutar kućišta ima za gotovo svaki elektronički projekt 🙂