Vorig jaar hebben we u verteld hoe gloeilampen werken, maar we hebben een belangrijk onderwerp overgeslagen: LED-verlichting. Aangezien steeds meer consumenten overstappen van traditionele gloeilampen op energiezuinige LED-lampen – met name rond de feestdagen – hebben we onze populaire uitleg over vakantieverlichting bijgewerkt met een sectie om u te helpen begrijpen hoe LED-vakantieverlichting werkt (en hoe u deze kunt repareren). We raden u aan het hele bericht te lezen, want LED’s en gloeilampen hebben veel gemeen.
Heeft u vragen die we hier niet hebben beantwoord? Tweet het ons (@ENERGY) en laat het ons weten.
Hoe werken de kerstverlichting?
We komen hier bij het Department of Energy helemaal in de vakantiesfeer. Onze kousen worden met zorg bij de schoorsteen opgehangen en we hebben lichtjes die onze werkruimtes versieren. Terwijl ik de lichtjes aan het ophangen was, wilde ik weten hoe vakantieverlichting precies werkt. Dit is wat ik ontdekte.
Vakantieverlichting is een geweldige manier om meer te leren over de stroom van elektrische stroom. In een eenvoudige schakeling, ook die van een gloeilamp, loopt de stroom door een gesloten circuit, over een gloeidraad, waardoor deze helder gaat gloeien. Hoe meer stroom er over een gloeidraad gaat, hoe heter hij wordt, hoe feller hij gaat branden en hoe sneller hij zal doorbranden. Als de stroomkring onderbroken of open is, zal er geen stroom over de gloeidraad gaan en zal hij niet branden. Als de stroomsterkte te groot is, zal de gloeidraad smelten of doorbranden, waardoor de stroomkring openvalt.
]
Maar we willen meer dan één lampje op onze kerstboom of langs de daken van onze huizen laten schijnen. Als u meerdere lampjes op dezelfde stroombron wilt aansluiten, zijn er twee manieren om dat te doen: u kunt de lampjes in serie of parallel schakelen.
Parallelle vs. Serieschakeling
Wanneer lampjes in serie worden geschakeld, gaat de elektriciteit van de stroombron naar het eerste lampje, en vervolgens van lampje naar lampje, tot het weer terugkeert naar de stroombron. Wanneer in deze opstelling een gloeidraad in een lamp doorbrandt, ontstaat er een open circuit in de bedrading. Zoals we al eerder zeiden, wanneer een stroomkring onvolledig of open is, kan de elektriciteit niet door een van de draden lopen, waardoor alle lampen uitgaan.
Wanneer lampen parallel zijn aangesloten, heeft elke lamp zijn eigen stroomkring naar de stroombron. Als één gloeidraad doorbrandt, heeft dat geen effect op de andere lampen, omdat ze in een gesloten circuit met de stroombron blijven. Bekijk het verschil.
]
Bij reeksen vakantielichtjes besloten ingenieurs dat de beste optie was om verschillende reeksen lampjes parallel met elkaar te verbinden. Met andere woorden, vakantieverlichting is zowel in serie als parallel. Laten we eens kijken hoe dit eruit ziet:
]
Op deze manier, wanneer een serie lampen defect raakt — zeg, door een loszittende lamp — zou dit geen effect moeten hebben op een van de andere series lampen, omdat deze parallel staan aan de defecte serie. Dit is de reden waarom soms slechts één deel van uw lampen defect raakt, terwijl andere functioneel blijven. Wanneer extra reeksen lampen aan het einde van een reeks worden bevestigd, worden deze lampen parallel aan de oorspronkelijke reeks toegevoegd.
Maar hoe zit het wanneer een lamp in een reeks uitgaat? Vroeger was het zo dat als er één lamp uitging, de hele serie uitging. Als dat zo was, moest je elke lamp afzonderlijk controleren om te zien welke was doorgebrand. Als er meerdere lampen waren doorgebrand, werd dit buitengewoon moeilijk.
Enter de “shunt.” Wat is een shunt, vraagt u?
Shunts en zekeringen redden de dag
Een shunt is een apparaat dat stroom door een stroomkring laat lopen door een pad met een lagere weerstand te creëren dan het oorspronkelijke pad. In gloeilampen zijn shunts kleine draden die onder de gloeidraad zijn gewikkeld. Aanvankelijk zijn zij bekleed met een stof die hen een isolator maakt. Met andere woorden, zolang de gloeidraad bestaat, kan er geen elektriciteit over de shunt lopen, omdat de coating de shunt aanvankelijk een hogere weerstand geeft dan de gloeidraad, en de elektrische stroom de shunt vermijdt om de weg van de minste weerstand door de gloeidraad te vinden.
Als de gloeidraad echter doorbrandt, zal de hoge temperatuur van het doorbranden de coating van de shunt doen afsmelten, waardoor de draad met de lagere weerstand eronder zichtbaar wordt. Nu is de shunt veranderd van een isolator in een geleider, en stroom gaat langs de shunt, waardoor het circuit gesloten blijft, en de resterende lampjes branden.
]
Recentelijk, toen ik lampen aan het installeren was, struikelde ik over een draad en de lampen gingen uit. De stekker van de lampjes bleef in het stopcontact zitten, dus ik wist niet wat er was gebeurd. Ik trok de stekker uit het stopcontact, deed hem weer in het stopcontact, deed de stekker weer in het stopcontact. Niets. Toen drong het tot me door. “De zekering!” Zei ik onder mijn adem. Ik moet een soort kortsluiting hebben veroorzaakt toen ik aan de draad rukte.
Terwijl shunts dienen om een open circuit te verhelpen, werken zekeringen om schade als gevolg van een kortsluiting of een andere dramatische toename van de stroom te voorkomen. Een kortsluiting is het tegenovergestelde van een open stroom. Met andere woorden, kortsluiting ontstaat wanneer elektrische stroom een onbedoeld pad van lagere weerstand vindt. Bij een gelijkblijvende spanning veroorzaakt dit een stroompiek, die een verscheidenheid aan problemen kan veroorzaken – sommige mild (verhoogde snelheid van gloeilamp doorbranden) en sommige ernstig (systeem oververhitting en brand).
Zekeringen zijn belangrijke veiligheidsvoorzieningen voor veel elektrische apparaten, maar de meesten van ons weten niet eens dat ze er zijn. Bij vakantieverlichting bevindt de zekering zich in de buurt van het gedeelte van de streng dat in de muur wordt gestoken, vaak – en ik verzin dit niet – het mannelijke uiteinde van de draad genoemd. Normaal gesproken is de zekering toegankelijk via een klein plastic klepje in de stekker dat kan worden geopend en gesloten om de zekering te vervangen.
Als de elektrische stroom in een draad toeneemt, kan de draad warm worden, wat soms smelten of zelfs brand kan veroorzaken. Om dit te voorkomen, werden zekeringen ingevoerd als zogenaamde “opofferingsapparaten” (zo onbaatzuchtig van ze!). Wanneer de stroom een veilig niveau overschrijdt, in plaats van dat de draad smelt of uw kerstboom in brand vliegt, opent de zekering veilig het circuit, waardoor veel rampzalige scenario’s worden voorkomen.
Zekeringen zijn meestal kleine stukjes vervangbare draad, die een maximale stroomsterkte hebben. Omdat ze kwetsbaarder zijn dan de rest van de bedrading, zal een zekering doorbranden voordat overstroom de kans krijgt om andere delen van de lichtbundel te oververhitten. Wanneer een zekering doorbrandt, wordt het circuit onvolledig en kan er geen stroom meer door de rest van het circuit lopen.
Zo hoe zit het met mijn nieuwe LED-vakantielampen?
LED-vakantielichtbundels worden steeds populairder. Ze zijn steviger, gaan langer mee en verbruiken 70 procent minder energie dan conventionele gloeilampen. Het kost slechts 0,27 dollar om een boom van 6 voet gedurende 40 dagen 12 uur per dag te verlichten met LED’s, vergeleken met 10 dollar voor gloeilampen. Bovendien is de kans dat ze doorbranden of stuk gaan aanzienlijk kleiner dan bij hun gloeilampvoorgangers. Hoe komt dat?
De gloeilamptechnologie is relatief eenvoudig (een verhitte gloeidraad gloeit zoals een sintel in een vuur), maar de mechanica van LED-lampen is veel geavanceerder. Het vereist een beetje inzicht in deeltjesfysica om het te begrijpen, maar ik zal je de beknopte versie geven: Een diode bestaat uit iets dat een p-n junctie wordt genoemd — twee halfgeleidermaterialen naast elkaar, één met een positieve lading (p) en één met een negatieve lading (n). Wanneer er stroom op het systeem wordt gezet, bewegen elektronen van de negatieve kant naar de positieve kant. Aan de positieve kant bewegen deeltjes met de naam “elektrongaten” naar de negatieve kant. Wanneer een elektron en een elektrongat op elkaar botsen, komt een kleine hoeveelheid energie vrij in de vorm van een foton. Het resultaat is het zichtbare licht dat we in een LED zien.
LED’s worden in serie-parallel geschakeld, net als de traditionele gloeilampen die we hierboven hebben beschreven. In tegenstelling tot gloeilampen maken LED’s echter geen gebruik van shunts. Wanneer gloeilampen defect raken, veroorzaakt de ontbrekende gloeidraad een open circuit – een drastische toename van de weerstand die te hoog is om de stroom te laten passeren. Wanneer daarentegen een LED defect raakt, veroorzaakt deze meestal een kortsluiting, waardoor een pad met een lagere weerstand wordt gecreëerd. Dit neemt in wezen de plaats in van een shunt, waardoor shunts overbodig worden voor LED’s.
Wat is er mis met mijn lampjes?
Nu we de werking van vakantieverlichting begrijpen, gaan we dieper in op enkele veelvoorkomende problemen die we tegenkomen en hoe we die kunnen verhelpen.