Im letzten Jahr haben wir Ihnen erklärt, wie Glühbirnen-Lichterketten funktionieren, aber wir haben ein wichtiges Thema ausgelassen: LED-Lichterketten. Da immer mehr Verbraucher von traditionellen Glühbirnen auf energieeffiziente LED-Lampen umsteigen – besonders um die Feiertage herum – haben wir unseren beliebten Lichterketten-Erklärer mit einem Abschnitt aktualisiert, der Ihnen hilft, LED-Lichterketten zu verstehen (und wie man sie repariert). Wir empfehlen, den gesamten Beitrag zu lesen, da LEDs und Glühlampen viele Gemeinsamkeiten haben.
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Wie funktionieren Weihnachtslichter?
Wir kommen hier im Energieministerium in Weihnachtsstimmung. Unsere Strümpfe werden sorgfältig am Kamin aufgehängt und wir haben Lichterketten, die unsere Kabinen schmücken. Beim Aufhängen der Lichterketten wollte ich wissen, wie genau Lichterketten funktionieren. Hier ist, was ich entdeckt habe.
Ferienlichter sind eine großartige Möglichkeit, etwas über den Fluss von elektrischem Strom zu lernen. In einem einfachen Stromkreis, wie z. B. in einer Glühbirne, fließt der Strom durch einen geschlossenen Kreislauf und läuft über einen Glühfaden, der dadurch hell leuchtet. Je mehr Strom über einen Glühfaden fließt, desto heißer wird er, desto heller brennt er und desto schneller brennt er durch. Wenn der Stromkreis unterbrochen oder offen ist, fließt kein Strom über den Glühfaden und er leuchtet nicht. Wenn die Stromstärke zu groß ist, schmilzt der Glühfaden oder brennt durch, was dazu führt, dass der Stromkreis offen ist.
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Aber wir wollen, dass mehr als ein Licht an unserem Weihnachtsbaum oder auf den Dächern unserer Häuser leuchtet. Wenn Sie mehrere Glühbirnen an dieselbe Stromquelle anschließen wollen, gibt es zwei Möglichkeiten: entweder schließen Sie die Lichter in Serie oder parallel an.
Parallel vs. Serie
Wenn Lichter in Serie angeschlossen werden, fließt der Strom von der Stromquelle zum ersten Licht und dann von Licht zu Licht, bis er zur Stromquelle zurückkehrt. Wenn bei dieser Anordnung ein Glühfaden in einer der Lampen durchbrennt, entsteht ein offener Stromkreis in der Verdrahtung. Wie wir bereits erwähnt haben, kann bei einem unvollständigen oder offenen Stromkreis der Strom nicht durch einen der Drähte fließen, was dazu führt, dass alle Lichter ausgehen.
Wenn die Lampen parallel angeschlossen sind, befindet sich jede Lampe in ihrem eigenen Stromkreis zur Stromquelle. Wenn ein Glühfaden durchbrennt, hat das keine Auswirkung auf die verbleibenden Lichter, da sie sich alle weiterhin in einem geschlossenen Stromkreis mit der Stromquelle befinden. Schauen Sie sich den Unterschied an.
Bei Lichterketten haben die Ingenieure beschlossen, dass es am besten ist, mehrere Lichterketten parallel zu schalten. Mit anderen Worten: Urlaubslichter sind sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet. Schauen wir uns an, wie das aussieht:
Auf diese Weise sollte es, wenn eine Reihe von Glühbirnen defekt wird – sagen wir, durch eine lockere Glühbirne – keine Auswirkung auf eine der anderen Reihen von Glühbirnen haben, da sie parallel zu der defekten Reihe geschaltet sind. Das ist der Grund, warum manchmal nur ein Teil Ihrer Lampen defekt wird, während andere funktionsfähig bleiben. Wenn zusätzliche Lichterketten am Ende einer Kette angebracht werden, werden diese Lichter parallel zur ursprünglichen Lichterkette hinzugefügt.
Aber was ist, wenn eine Glühbirne in einer Serie ausfällt? Früher war es so, dass wenn eine Glühbirne ausging, die gesamte Serie ausging. Wenn dies der Fall war, mussten Sie jede Glühbirne einzeln überprüfen, um zu sehen, welche durchgebrannt war. Wenn mehrere Glühbirnen durchgebrannt sind, würde dies äußerst schwierig werden.
Es gibt den „Shunt“. Was ist ein „Shunt“, fragen Sie? Ich erkläre es Ihnen!
Shunts und Sicherungen retten den Tag
Ein Shunt ist ein Gerät, das es dem Strom ermöglicht, weiter durch einen Stromkreis zu fließen, indem es einen Pfad mit geringerem Widerstand als der ursprüngliche Pfad schafft. In Glühbirnen sind Shunts kleine Drähte, die unter dem Glühfaden gewickelt sind. Zunächst sind sie mit einer Substanz beschichtet, die sie zu einem Isolator macht. Mit anderen Worten, Strom kann nicht über den Nebenschluss passieren, solange der Glühfaden vorhanden ist, weil die Beschichtung den Nebenschluss einen höheren Widerstand zunächst als der Glühfaden gibt, und der elektrische Strom vermeidet den Nebenschluss, um den Weg des geringsten Widerstands durch den Glühfaden zu finden.
Wenn der Glühfaden durchbrennt, jedoch wird die hohe Temperatur aus dem Burnout verursachen die Substanz, die den Nebenschluss beschichtet, um zu schmelzen, offenbart den niedrigeren Widerstand Draht darunter. Jetzt ist der Shunt von einem Isolator zu einem Leiter geworden, und Strom fließt entlang des Shunts, wodurch der Stromkreis geschlossen bleibt und die verbleibenden Lichter brennen. Schauen Sie sich das unten an.
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Neulich, als ich Lichter aufstellte, stolperte ich über einen Draht und die Lichter gingen aus. Die Lichterkette blieb eingesteckt, also war ich ratlos, was passiert war. Ich zog den Stecker raus, steckte ihn wieder ein … zog den Stecker raus, steckte die Kette wieder ein. Nichts. Dann fiel es mir ein. „Die Sicherung!“ Sagte ich leise vor mich hin. Ich muss eine Art Kurzschluss verursacht haben, als ich an der Schnur rüttelte.
Während Shunts dazu dienen, einen offenen Stromkreis zu beheben, arbeiten Sicherungen, um Schäden durch einen Kurzschluss oder einen anderen dramatischen Anstieg des Stroms zu verhindern. Ein Kurzschluss ist das Gegenteil eines offenen Stroms. Mit anderen Worten, ein Kurzschluss wird verursacht, wenn der elektrische Strom einen unbeabsichtigten Weg mit geringerem Widerstand findet. Bei gleichbleibender Spannung führt dies zu einer Stromspitze, die eine Vielzahl von Problemen verursachen kann – einige mild (erhöhte Rate des Durchbrennens von Glühbirnen) und einige schwerwiegend (Überhitzung des Systems und Brände).
Sicherungen sind wichtige Sicherheitsmerkmale für viele elektrische Geräte, aber die meisten von uns wissen nicht einmal, dass sie vorhanden sind. Bei Urlaubslichtern befindet sich die Sicherung in der Nähe des Teils der Litze, der in die Wand eingesteckt wird, oft genannt – und ich denke mir das nicht aus – das männliche Ende des Drahtes. Normalerweise ist die Sicherung durch eine kleine Kunststofftür im Stecker zugänglich, die zum Auswechseln der Sicherung geöffnet und geschlossen werden kann.
Wenn der elektrische Strom in einem Draht zunimmt, kann sich der Draht erhitzen, was manchmal zum Schmelzen oder sogar zu Bränden führt. Um dies zu verhindern, wurden Sicherungen als sogenannte „Opfergeräte“ eingeführt (wie selbstlos von ihnen!). Wenn der Strom über ein sicheres Maß hinaus ansteigt, öffnet die Sicherung den Stromkreis, anstatt dass der Draht schmilzt oder Ihr Weihnachtsbaum Feuer fängt, und verhindert so viele katastrophale Szenarien.
Sicherungen sind typischerweise kleine Abschnitte eines austauschbaren Drahtes, die für einen maximalen Strompegel ausgelegt sind. Da sie empfindlicher sind als der Rest der Verdrahtung, brennt eine Sicherung durch, bevor der Überstrom die Möglichkeit hat, andere Teile des Lichtstrangs zu überhitzen. Wenn eine Sicherung bricht, wird der Stromkreis unvollständig und der Strom kann nicht mehr durch den Rest des Stromkreises fließen.
Was ist mit meinen neuen LED-Lichterketten?
LED-Lichterketten werden immer beliebter. Sie sind robuster, halten länger und verbrauchen 70 Prozent weniger Energie als herkömmliche Glühbirnen-Lichterketten. Es kostet nur 0,27 Dollar, einen 6-Fuß-Baum 40 Tage lang 12 Stunden am Tag mit LEDs zu beleuchten, verglichen mit 10 Dollar für Glühbirnen. Darüber hinaus ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie durchbrennen oder kaputt gehen, deutlich geringer als bei ihren glühenden Vorgängern. Warum ist das so?
Während die Glühlampentechnologie relativ einfach ist (ein erhitzter Glühfaden glüht ähnlich wie eine Glut in einem Feuer), ist die Mechanik von LED-Lampen viel anspruchsvoller. Es erfordert ein wenig Einblick in die Teilchenphysik, um sie zu verstehen, aber ich gebe Ihnen die Kurzversion: Eine Diode besteht aus einem sogenannten p-n-Übergang – zwei Halbleitermaterialien nebeneinander, eines mit einer positiven Ladung (p) und eines mit einer negativen Ladung (n). Wenn Strom an das System angelegt wird, bewegen sich Elektronen von der negativen Seite zur positiven Seite. Auf der positiven Seite bewegen sich Teilchen, die „Elektronenlöcher“ genannt werden, in Richtung der negativen Seite. Wenn ein Elektron und ein Elektronenloch zusammenstoßen, wird eine kleine Energiemenge als Photon freigesetzt. Das Ergebnis ist das sichtbare Licht, das wir in einer LED sehen.
LEDs werden wie die oben beschriebenen traditionellen Glühbirnen in Serie-parallel geschaltet. Im Gegensatz zu Glühbirnen werden bei LEDs jedoch typischerweise keine Shunts verwendet. Wenn Glühbirnen ausfallen, verursacht der fehlende Glühfaden einen offenen Stromkreis – ein drastischer Anstieg des Widerstands, der zu hoch ist, als dass der Strom darüber fließen könnte. Wenn hingegen eine LED ausfällt, verursacht sie in der Regel einen Kurzschluss, wodurch ein Pfad mit geringerem Widerstand entsteht. Dies nimmt im Wesentlichen den Platz eines Shunts ein, was Shunts für LEDs unnötig macht.
Was stimmt nicht mit meinen Lichtern?
Nun, da wir die Mechanik von Urlaubslichtern verstehen, lassen Sie uns einige häufige Probleme ansprechen, auf die wir stoßen und wie man sie beheben kann.