L’anno scorso vi abbiamo detto come funzionano le luci di Natale a incandescenza, ma abbiamo tralasciato un argomento importante: Le luci di stringa a LED. Dato che sempre più consumatori stanno passando dalle tradizionali lampadine a incandescenza alle lampadine a LED ad alta efficienza energetica – in particolare durante le vacanze – abbiamo aggiornato la nostra popolare spiegazione sulle luci per le vacanze con una sezione che ti aiuterà a capire le luci a LED (e come ripararle). Consigliamo di leggere l’intero post, perché i LED e le luci a incandescenza hanno molto in comune.
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Come funzionano le luci delle feste?
Siamo entrati nello spirito delle feste qui al Dipartimento dell’Energia. Le nostre calze sono appese al camino con cura e abbiamo stringhe di luci che decorano i nostri cubicoli. Mentre mettevo in fila le luci, ho voluto imparare come funzionano esattamente le luci delle vacanze. Ecco cosa ho scoperto.
Le luci delle feste sono un ottimo modo per imparare il flusso della corrente elettrica. In un circuito semplice, incluso quello di una lampadina a incandescenza, l’elettricità viaggia attraverso un circuito chiuso, passando su un filamento, facendolo brillare. Più corrente passa su un filamento, più si surriscalda, più brucia e più velocemente si consuma. Se il circuito è interrotto, o aperto, non passerà elettricità sul filamento ed esso non si accenderà. Se la corrente è troppo grande, il filamento si fonderà, o si spegnerà, causando l’apertura del circuito.
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Ma noi vogliamo più di una luce per brillare sul nostro albero di Natale o lungo i tetti delle nostre case. Se vuoi collegare più lampadine alla stessa fonte di alimentazione, ci sono due modi per farlo: collegare le luci in serie o in parallelo.
Luci in parallelo o in serie
Quando le luci sono collegate in serie, l’elettricità passa dalla fonte di alimentazione alla prima luce, e poi da una luce all’altra fino a tornare alla fonte di alimentazione. In questa configurazione, quando un filamento di una qualsiasi lampadina si spegne, si crea un circuito aperto nel cablaggio. Come abbiamo detto prima, quando un circuito è incompleto, o aperto, l’elettricità non riesce a passare attraverso nessuno dei fili, causando lo spegnimento di tutte le luci.
Quando le luci sono collegate in parallelo, ogni luce è sul proprio circuito alla fonte di alimentazione. Se un filamento si brucia, non ha alcun effetto sulle luci rimanenti, poiché ognuna continua ad essere in un circuito chiuso con la fonte di alimentazione. Controlla la differenza.
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Con le stringhe di luci per le vacanze, gli ingegneri hanno deciso che l’opzione migliore era quella di collegare diverse serie di luci in parallelo. In altre parole, le luci delle feste sono sia in serie che in parallelo. Vediamo come funziona:
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In questo modo, quando una serie di lampadine diventa difettosa — diciamo, per una lampadina allentata — non dovrebbe avere effetto su nessuna delle altre serie di lampadine, dato che sono in parallelo alla serie difettosa. Questo è il motivo per cui a volte solo una parte delle tue luci diventerà difettosa, mentre altre rimarranno funzionali. Quando ulteriori stringhe di luci sono attaccate alla fine di una stringa, queste luci sono aggiunte in parallelo alla stringa originale.
Ma cosa succede quando una lampadina si spegne in una serie? Una volta, quando una lampadina si spegneva, l’intera serie si spegneva. Se questo fosse il caso, bisognerebbe controllare ogni lampadina individualmente per vedere quale si è fulminata. Se fossero saltate più lampadine, questo diventerebbe estremamente difficile.
Entrare lo “shunt”. Cos’è uno shunt, vi chiederete? Ve lo dirò!
Shunt e fusibili salvano la giornata
Una derivazione è qualsiasi dispositivo che permette alla corrente di continuare a fluire attraverso un circuito creando un percorso di resistenza inferiore al percorso originale. Nelle luci ad incandescenza, gli shunt sono piccoli fili avvolti sotto il filamento. Inizialmente, sono rivestiti con una sostanza che li rende un isolante. In altre parole, l’elettricità non può passare attraverso lo shunt finché esiste il filamento, perché il rivestimento dà allo shunt una resistenza più alta inizialmente rispetto al filamento, e la corrente elettrica evita lo shunt per trovare il percorso di minor resistenza attraverso il filamento.
Se il filamento si brucia, tuttavia, l’alta temperatura causata dalla combustione farà sì che la sostanza che riveste lo shunt si sciolga, rivelando la resistenza inferiore del filo sottostante. Ora lo shunt è passato da isolante a conduttore, e la corrente passa lungo lo shunt, mantenendo il circuito chiuso e le luci rimanenti accese. Guardate qui sotto.
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Di recente, mentre stavo montando le luci, sono inciampato su un filo e le luci si sono spente. La stringa di luci è rimasta attaccata alla corrente, quindi non riuscivo a capire cosa fosse successo. Ho staccato la spina, ricollegato… staccato la spina, ricollegato il filo. Niente. Poi mi venne in mente. “Il fusibile!” Ho detto sottovoce. Devo aver causato una specie di corto circuito quando ho scosso il filo.
Mentre gli shunt servono a rimediare a un circuito aperto, i fusibili lavorano per prevenire danni dovuti a un corto circuito o a qualsiasi altro aumento drammatico di corrente. Un corto circuito è l’opposto di una corrente aperta. In altre parole, un cortocircuito è causato quando la corrente elettrica trova un percorso non voluto di minore resistenza. Ad una tensione costante, questo causa un picco di corrente, che può causare una varietà di problemi – alcuni lievi (aumento del tasso di bruciatura delle lampadine a incandescenza) e alcuni gravi (surriscaldamento del sistema e incendi).
I fusibili sono importanti caratteristiche di sicurezza per molti apparecchi elettrici, ma molti di noi non sanno nemmeno che sono lì. Nelle luci per le vacanze, il fusibile si trova vicino alla parte del filo che si inserisce nel muro, spesso chiamato – e non me lo sto inventando – l’estremità maschio del filo. Normalmente, il fusibile è accessibile attraverso un piccolo sportello di plastica nella spina che può essere aperto e chiuso per sostituire il fusibile.
Come la corrente elettrica all’interno di un filo aumenta, il filo può riscaldarsi, a volte causando la fusione o addirittura incendi. Per evitare questo, i fusibili sono stati introdotti come cosiddetti “dispositivi sacrificali” (molto altruisti!). Quando la corrente aumenta oltre un livello di sicurezza, invece di sciogliere il filo o di far prendere fuoco al vostro albero di Natale, il fusibile apre il circuito in modo sicuro, evitando molti scenari disastrosi.
I fusibili sono tipicamente piccole sezioni di filo sostituibile, classificate per un livello massimo di corrente. Poiché sono più delicati del resto del cablaggio, un fusibile si brucia prima che la sovracorrente abbia l’opportunità di surriscaldare altre parti del filo luminoso. Quando un fusibile si rompe, il circuito diventa incompleto e la corrente non può fluire attraverso il resto del circuito.
Così che cosa circa le mie nuove luci di festa del LED?
I fili di luce di festa LED stanno diventando più popolari. Sono più robusti, durano più a lungo e consumano il 70% in meno di energia rispetto ai tradizionali fili di luce a incandescenza. Costa solo 0,27 dollari per illuminare un albero di 6 piedi per 12 ore al giorno per 40 giorni con i LED rispetto ai 10 dollari delle luci a incandescenza. Inoltre, è molto meno probabile che si brucino o si rompano rispetto ai loro predecessori a incandescenza. Perché questo?
Mentre la tecnologia delle luci a incandescenza è relativamente semplice (un filamento riscaldato si illumina come un qualsiasi tizzone nel fuoco), la meccanica delle luci a LED è molto più sofisticata. Ci vuole un po’ di conoscenza della fisica delle particelle per capirla, ma vi darò la versione veloce: Un diodo consiste in qualcosa chiamato giunzione p-n — due materiali semiconduttori uno accanto all’altro, uno con una carica positiva (p) e uno con una carica negativa (n). Quando la corrente viene applicata al sistema, gli elettroni dal lato negativo si muovono verso il lato positivo. Sul lato positivo, particelle chiamate “buchi di elettroni” si muovono verso il lato negativo. Quando un elettrone e un buco di elettrone si scontrano, una piccola quantità di energia viene rilasciata come fotone. Il risultato è la luce visibile che vediamo in un LED.
I LED sono cablati in serie-parallelo proprio come le lampadine tradizionali che abbiamo descritto sopra. A differenza delle luci a incandescenza, però, i LED non fanno tipicamente uso di shunt. Quando le lampadine a incandescenza falliscono, il filamento mancante causa un circuito aperto – un drastico aumento della resistenza troppo alto per la corrente da attraversare. D’altra parte, quando un LED si guasta, tipicamente va in corto circuito, creando un percorso di minore resistenza. Questo essenzialmente prende il posto di uno shunt, rendendo gli shunt non necessari per i LED.
Cosa c’è che non va con le mie luci?
Ora che abbiamo capito la meccanica delle luci per le vacanze, affrontiamo alcuni problemi comuni che incontriamo e come rimediare.