A neoncsöveket régebben kizárólag, manapság pedig ritka kivételektől eltekintve nagyfeszültségű szórótranszformátorokról üzemeltetik. A továbbiakban transzformátor alatt mindig szórótranszformátort értük. A transzformátorból, és egy önálló, vagy több sorba kapcsolt neoncsőből álló áramkör működésének alapos ismerete nélkül lehetetlen olyan rendszert összeállítani, amely kielégíti a hosszú élettartam, üzembiztos működés, és a gazdaságosság követelményeit. Először is egy dolgot le kell szögezni: a transzformátor és a neoncső a lehető legegyszerűbb áramkör, egy vagy több sorbakötött fogyasztóból (a neoncsövekből), valamint egy feszültségforrásból (a transzformátorból) áll.
Ennek ellenére az a tapasztalatom, hogy (tisztelet a kivételnek) évtizedes szerelői, sőt tervezői gyakorlattal rendelkezők sincsenek teljesen tisztában a működés lényegével. Éppen ezért, hogy a továbbiakat bárki könnyen megértse, tisztáznunk kell néhány lényeges alapfogalmat.
Mi az áram?
Bármilyen halmazállapotú (szilárd, gáz, folyékony) anyagban vannak olyan részecskék, úgynevezett töltéshordozók (elektronok, ionok), amelyek külső hatás eredményeként meghatározott irányban elmozdulnak. Ezen részecskék áramlását nevezzük áramnak. Nagyságát egy számérték jellemzi, amely arányos egy adott kereszmetszeten adott idő alatt átáramló részecskék mennyiségével. A mértékegység neve Amper (rövidítve A), jelölése I.
Mi a feszültség?
Az a bizonyos előbb említett kényszerítő hatás, amely az anyagokban lévő részecskéket mozgásra bírja, a feszültségforrásból származik. Minél nagyobb feszültségű egy feszültségforrás, annál nagyobb a részecske elmozdító képessége. Az egyenfeszültség források (pl. elem, akkumulátor, adapter) részecske elmozdító képessége mindig egyirányú, a váltakozófeszültség forrásoké (pl. villamos hálózat, transzformátor) pedig periodikusan váltakozó irányú (a szórótranszformátor is ilyen feszültségforrás). A feszültség mértékegysége a Volt (rövidítve V), jelölése U.
Mi az a fogyasztó, vagy terhelés?
A feszültségforrásokra fogyasztókat (izzólámpát, hősugárzót, neoncsövet), más szóval terheléseket szoktunk kapcsolni, lehetőleg jó áramvezető képességű összekötő kábelek segítségével. Így egy úgynevezett áramkört kapunk. Az áramkörben áram folyik, azaz részecskék áramlanak át a terhelés, kábelek, feszültségforrás zárt körén keresztül folyamatosan. A fogyasztó egyik leglényegesebb tulajdonsága, hogy ellenállása van. Vagyis útjában áll a feszültségforrás részecske elmozdító hatásának. Minél nagyobb a terhelés ellenállása, annál jobban korlátozza a feszültségforrás által létrehozott áramot. Az ellenállás mértékegysége az Ohm (rövidítve Ω), jelölése R. Léteznek nem csak ohmos, hanem induktív (tekercs), valamint kapacitív (kondenzátor) terhelések is a váltakozó áramú áramkörökben, de mivel az általunk vizsgált neoncsövek tisztán ohmos jellegűek, ezért ezekkel nem foglalkozunk.
Egy áramkörben kialakuló áramot úgy lehet kiszámolni, hogy a feszültséget elosztjuk az ellenállással. Ezt nevezik Ohm törvényének.
A fenti leírás remélem legalább annyira közérthető, mint amennyire pongyola. Igyekeztem a lényeget megragadni. Fizika órán nem járna érte ötös.
A neon rendszerek feszültség forrása a hálózatról üzemeltetett szórótranszformátor. Ennek az a különleges tulajdonsága, hogy a feszültsége annál kisebb, minél nagyobb a rajta átfolyó áram. Jelleggörbéje a 3. ábrán látható.
Egyik szélsőséges esetben a transzformátorra nem kapcsolunk terhelést (a rajta átfolyó áram nulla), ekkor a feszültsége az úgynevezett üresjárati feszültség, ami a katalógusokban névleges feszültségként szerepel. Másik szélsőséges esetben a transzformátort rövidre zárjuk, ekkor tulajdonképpen a terhelés ellenállása nulla, de a transzformátor különleges felépítésének következtében nem folyik végtelen nagy áram (mint az következne az I=U/R képletből, ahol most R közel nulla Ohm). A kialakuló áram a transzformátor zárlati árama, amely csak néhány százalékkal magasabb mint a katalógusok által is megadott névleges áram. Egy ilyen tulajdonságokkal rendelkező feszültségforrásra fogjuk rákapcsolni terhelésként a neoncsöveinket.
Ehhez meg kell ismerkednünk a neoncsövek speciális jellemzőivel.
Kapcsoljuk egy neoncsövet olyan szórótranszformátoros feszültségforrásra, amelynek 0 V-tól folyamatosan növelhető az üresjárási feszültsége. Azt fogjuk tapasztalni, hogy a feszültséget egy ideig növelve nem folyik áram az áramkörben. Egyszer aztán hirtelen a cső világítani kezd. Az az üresjárási feszültség, amelynél ez a jelenség bekövetkezik, a cső úgynevezett gyújtófeszültsége. A cső begyújtásának pillanatában áram kezd folyni az áramkörben. De mit is mondtunk a szórótranszformátorokról? Minél nagyobb áram folyik keresztül rajtuk, annál kisebb lesz a feszültségük. És valóban, ha a begyújtás pillanatát követően megmérnénk a transzformátor (és mivel össze vannak egymással kötve, a neoncső) feszültségét, azt tapasztalnánk, hogy a gyújtófeszültségnél alacsonyabb, úgynevezett égési feszültség hozza létre a csőben az üzemi áramot. A neoncsőnek is van egy érdekes tulajdonsága. Akármekkora áram is folyik keresztül rajta, a végein mérhető feszültség mindig közel ugyanakkora lesz, és ez az érték az égési feszültség. A neoncsőnek nincs egy számszerűen megadható ohmos ellenállása, mivel mint láttuk, az R=U/I képletben az U mindig állandó (az égési feszültség), az I áram pedig széles határok között mozoghat. A képletből azt a következtetést is levonhatjuk, hogy mivel I a nevezőben van, a neoncső annál nagyobb ellenállást képvisel, minél kisebb áram folyik át rajta. Elmondhatjuk, hogy a neoncsőnek feszültség stabilizáló képessége van. Ez látható a cső jelleggörbéjét mutató 4. ábrán.
Jogosan vetődhet fel a kérdés, hogy mitől függ, és vajon meghatározható-e ennek a stabil feszültségnek, azaz az égési feszültségnek a nagysága? A kérdés első felére egyszerűbb a válasz. Az égési feszültség függ a cső hosszától, átmérőjétől, gáztöltet fajtájától, a töltésnyomástól, az elektródától, az üzemi hőmérséklettől. (Talán csak a szivattyús életkorától nem függ, de ez tudományosan még nincs bizonyítva.)
Az égési feszültség növekszik a cső hosszával, és a töltésnyomással, csökken az átmérővel, és a hőmérséklettel. N gáz esetében az égési feszültség magasabb, mint B gáznál, valamint a nagyobb méretű elektróda csökkenti az égési feszültséget.
A kérdés második része, vagyis az égési feszültség számszerű meghatározása már sokkal bonyolultabb, mivel a felsorolt számos tényező hatását kell figyelembe venni. Tudományos alapon nem adható meg olyan képlet, amelybe csak be kellene helyettesíteni a változók aktuális értékeit. Nos, mivel a fizikusok nem tudtak képletet kreálni, jöttek a mérnökök, akik a valós üzemi körülmények között, az összes változtatható paraméter több lépcsőben történő változtatásával grafikonon ábrázolták a változások hatásait a cső egységnyi hosszának égési feszültségére. Ezeknek a grafikonoknak az egyszerűsített, könnyen kezelhető változatait a transzformátor gyártó cégek is közkinccsé szokták tenni, hogy a felhasználók gyorsan és egyszerűen választhassanak transzformátort a neon rendszereikhez. Létezik az égési feszültség meghatározásának egy korszerűbb, gyorsabb módszere is. Ez az eljárás is a már méréssel felvett, vagy mások által közzétett grafikont veszi alapul. A grafikon néhány értékpárjának segítségével meghatározzuk a görbe Lagrange féle interpolációs polinomját (tapasztalatom szerint a harmadfokú már megfelelően pontos), és a kapott képletbe tényleg csak be kell helyettesíteni a változók megfelelő értékeit. Célszerű a számoláshoz Excel táblázatot, használni, vagy akár írni egy PC-s programot. A transzformátor feszültségének kiválasztásnál természetesen nem az égési, hanem a gyújtó feszültséget vesszük alapul. Ez a kiszámolt, vagy grafikonról leolvasott égési feszültségnek kb. 1,6-szorosa B gáz esetében, és kb. 1,7-szerese N gáz esetében. A konstans szorzók 15 mm-es csőnél érvényesek, vékonyabb csöveknél a számértékek kisebbek, vastagabb csőnél nagyobbak néhány százalékkal. Végül pedig soha ne hagyjuk figyelmen kívül az elektróda párok feszültségesését, amely 100-200 V körüli, és pontos értékét az elektróda gyártók katalógusaiból lehet megtudni. Ha az elektróda gyártója megadja ugyanannak a típusnak a feszültségesését N és B gázra is, akkor minden rendben, ha csak egy adatot közöl, akkor N gáznál tegyünk hozzá, B gáznál vegyünk le belőle 15 százalékot. A neoncsövek hossza alatt mindig az elektróda nélküli hosszat értjük, az átmérője alatt a belső átmérőt.
Gyakran lehet szükség egy már legyártott neoncső gyújtófeszültségének ismeretére. Legegyszerűbben ezt úgy mérhetjük meg, hogy a szórótranszformátort nem közvetlenül a hálózatra, hanem egy toroid transzformátorra kapcsoljuk. A neoncsőre rákötjük a nagyfeszültség mérésére alkalmas feszültségmérő műszert. A toroid transzformátort a legalacsonyabb állásból lassan elkezdjük felfelé szabályozni. Egyszer csak a neoncső felvillan, ekkor a műszeren egyrészt leolvasható az égési feszültség, másrészt a neoncső eltávolítása után (műszer marad!) a transzormátoron mért szekunder feszültség egyenlő a cső gyújtófeszültségével.
Vajon miért ilyen fontos az égési feszültségnek ennyire pontos meghatározása, mikor egy tapasztalt szakember néha szinte néhány száz voltos tévedéssel meg tudja becsülni, hogy
az elé tett néhány neoncsőhöz milyen transzformátor a megfelelő? Nos a pontos érték ismerete azért elengedhetetlen, mivel egy esetleges neoncsőgyártási hiba, a cső szennyeződése, megváltoztatja az égési feszültséget. Akkor vagyunk az egyszerűbb helyzetben, ha ilyen hiba abban mutatkozik, hogy a cső nagyon gyengén, nagyon erősen, vagy villogva, netán erősen melegedve, esetleg sehogy sem működik. Ezek a jelenségek érzékszerveinkkel észlelhetők, és időben figyelmeztetnek a problémára. Sajnos olyan csőhiba sem ritka, amikor ilyen jelenségek nem tapasztalhatók. Ezért erősen ajánlott az összes elkészült, már beégetett neoncső égési feszültségét megmérni, és összehasonlítani az elméleti értékekkel. Néhány százalék eltérés még megengedhető, de durva eltérés esetén a hibát orvosolni kell. Egy kis számolás, egy kis mérés, egy kis dokumentálás sokkal, de sokkal kisebb plusz munka, mint egy hibás neoncsövet leszerelni, kijavítani, visszaszerelni. A költségekről nem is beszélve, ami jobb esetben csak két kiszállás, rosszabb esetben két vidéki út, és kétszeri kosaras kocsi használat.
Azoknak a neonberendezés gyártóknak, akiknek nincsen saját neon részlegük, így külső cégtől, vagy üvegtechnikustól rendelik a csöveket, a minőségi átvételkor jelenthet nagy segítséget egy ilyen ellenőrzés. A neoncső gyártóknak pedig a garanciális reklamációk megelőzésére szolgál, ha a csöveket a mérési és a számolt eredmények bizonylataival adják át. A mérés elvégzéséhez alkalmas műszert tudtommal a kereskedelemben nem árulnak, viszont elkészíttethető néhány tízezer Ft-os áron, ami a várható hasznossághoz viszonyítva nem jelentős kiadás. Mellékesen jegyzem meg, hogy egy ilyen műszer alkalmas arra is, hogy ellenőrizzünk olyan transzformátorokat, amelyekről nem vagyunk meggyőződve, hogy leadják-e a névleges feszültséget. A mérőműszerek kiválasztásánál két lehetőségünk van. Az olcsóbb megoldás a szinuszos mennyiségek effektív ( nem teljesen igaz, de ez azt jelenti, hogy átlagos) értékének pontos mérésére alkalmas készülék beszerzése. Ez a megoldás minden esetben pontos eredményt ad, ha szinuszosan váltakozó villamos mennyiségeket kell mérni, és a terhelés állandó.
A neoncsövek esetében, mint azt a 7. ábra mutatja, sem a terhelésre jutó feszültség, sem a kör árama nem szinuszos, annak ellenére, hogy a transzformátor üresjárati feszültsége szinuszos, és a terhelés tisztán ohmos. Ennek oka egyrészt a transzformátor szórótranszformátor jellege, másrészt a neoncső eltérő égési illetve gyújtó feszültsége, valamint a neoncső feszültségstabilizáló jellege. Az ábrából az is látható, hogy a neoncsövek áramvezetése nem folytonos, mint például egy izzólámpáknál, ami nagyon fontos felismerés, mivel számos rejtélyesnek tűnő jelenség, hiba, főleg rádiófrekvenciás zavar ennek segítségével megmagyarázható.
A bemutatott ábra nem teljesen pontos. Ha oszcilloszkópon vizsgáljuk a rendszert, kissé más ernyőképet láthatunk, főleg a vezetékek szórt kapacitása és induktivitása miatt. Az ábrán jól látható, hogy a cső begyújtásának t1 pillanatában a cső feszültsége az Ugy gyújtófeszültségről az Ué égési feszültségre esik vissza. Ezután a cső feszültsége a neoncső feszültségstabilizáló hatása miatt már nem változik. A t1 pillanatban megindul az áram is a csövön, amely a szekunder feszültség csúcsértékéig kissé emelkedik, ezután csökken. A t2 pillanatban a transzformátor szekunder feszültsége már nem tudja égésben tartani a csövet, ekkor megszűnik a csőben az áram, és mivel a transzformátor terheletlen lesz, az üresjárati feszültségre emelkedik a kapocsfeszültsége, amely a szinuszgörbe mentén csökken a nullaátmenetig. A következő félperiódusban a jelenség ellentétes áramirányokkal és fordított polaritású feszültségekkel megismétlődik, majd az egész kezdődik elölről, a hálózati frekvencián 20 ms-os időközönként.
A nagyon pontos mérésekhez úgynevezett valódi effektívérték mérő (true RMS) műszerre van szükség, amelynek ára többszöröse lehet a hagyományosnak. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a mindennapi gyakorlat során, 50 Hz üzemi frekvencián a hagyományos műszerek pontossága is megfelelő a durva méretezéshez és a hibabehatároláshoz, ezért a true RMS műszerek alkalmazása csak labor vizsgálatok, esetében indokolt.
Az ismertetett egyedi csőellenőrzés természetesen nem váltja ki a szériák (egy transzformátorra sorbakötött neoncsövek) áramának ellenőrzését. Az árammérő műszert iktassuk be sorosan úgy az áramkörbe, hogy az áramkört körülbelül a csövek számának felénél bontsuk meg. Ennek különösen a digitális műszerek esetében van jelentősége, mivel azok a túlfeszültségre rendkívül érzékenyek. A mért áramértéknek valahol nem sokkal a transzformátor névleges árama környékén (inkább kicsit alatta) kell, hogy legyen. Ha a mért áram a névlegesnél nagyobb, biztos, hogy a transzformátor túl van terhelve, azaz kevés a rákötött cső (kicsi az ellenállás), vagy a szükségesnél magasabb feszültségű transzformátort építettünk be. Ha a mért áramérték a kívántnál jelentősen kisebb, akkor vagy a csövekből kell kivenni, vagy növelni a transzformátor feszültségét. A fentiek elmulasztása azzal a következménnyel jár, hogy az első esetben a csöveink élettartama fog drasztikusan lerövidülni, a második esetben pedig a fényerő lesz kevés, és alacsony hőmérséklet hatására a cső villogni fog, vagy be sem gyújt. Végül egy fontos figyelmeztetés: a neoncsövön bármilyen mérést csak a beégetést követően végezzünk. Ha a beégetés alatt mérjük a csövet, azt fogjuk tapasztalni, hogy a mért feszültség és áramértékek folyamatosan változnak, a végellenőrzés szempontjából ezek az adatok használhatatlanok, megtévesztők. Viszont ezeknek a változásoknak a nagyságából és irányából fontos következtetéseket lehet levonni arról, hogy a beégetésnek éppen melyik szakaszában vagyunk, meddig kell még a műveletet folytatni.
A körültekintő méretezés és a csövek sikeres végellenőrzése esetén biztosak lehetünk abban, hogy neon rendszerünk hosszú ideig problémamentesen fog üzemelni, ha a szerelést szakszerűen, jó minőségű anyagokkal végezzük. A neoncső tényleges elektromos üzeme ezt követően kezdődik meg. Hogy milyen folyamatok zajlanak le az idő múlásával, hogyan megy végbe a neoncső öregedése, hogyan lehet ezt már a tervezéskor, gyártáskor, szereléskor minél hatékonyabban megelőzni, arról a cikk második részében lesz szó.