W zeszłym roku opowiedzieliśmy Wam jak działają żarowe lampki świąteczne, ale pominęliśmy ważny temat: Lampki sznurkowe LED. Ponieważ coraz więcej konsumentów zamienia tradycyjne żarówki na energooszczędne żarówki LED – szczególnie w okresie wakacyjnym – zaktualizowaliśmy nasz popularny przewodnik po lampkach świątecznych o sekcję, która pomoże Ci zrozumieć działanie lampek LED (i jak je naprawić). Zalecamy przeczytanie całego wpisu, ponieważ diody LED i żarówki mają ze sobą wiele wspólnego.
Jakieś pytania, na które nie znaleźliśmy tutaj odpowiedzi? Napisz do nas na Twitterze (@ENERGIA) i daj nam znać.
Jak działają żarówki na święta?
Wchodzimy w ducha świąt w Departamencie Energii. Nasze pończochy są starannie wieszane przy kominie, a sznury światełek zdobią nasze boksy. W trakcie rozwieszania świateł chciałem się dowiedzieć, jak dokładnie działają światła świąteczne. Oto, co odkryłem.
Światła świąteczne to świetny sposób na poznanie przepływu prądu elektrycznego. W prostym obwodzie, w tym w żarówce, prąd elektryczny przemieszcza się przez zamknięty obwód, przechodząc przez żarnik, powodując jego jasne świecenie. Im więcej prądu przepływa przez żarnik, tym bardziej będzie on gorący, tym jaśniej będzie się palił i tym szybciej się przepali. Jeśli obwód jest przerwany lub otwarty, prąd nie przepłynie przez żarnik i nie będzie on świecił. Jeśli prąd jest zbyt duży, żarnik stopi się, lub wybuchnie, powodując, że obwód stanie się otwarty.
]
Ale chcemy więcej niż jedno światło świecić na naszej choince lub wzdłuż dachów naszych domów. Jeśli chcesz podłączyć wiele żarówek do tego samego źródła zasilania, są dwa sposoby aby to zrobić: albo podłączyć światła szeregowo albo równolegle.
Światła równoległe vs. szeregowe
Gdy światła są podłączone szeregowo, elektryczność przechodzi ze źródła zasilania do pierwszego światła, a następnie od światła do światła, aż wróci do źródła zasilania. W takim układzie, gdy żarnik w jednej żarówce się przepali, tworzy to otwarty obwód w okablowaniu. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, gdy obwód jest niekompletny, lub otwarte, elektryczność nie przechodzi przez żadnego z przewodów, powodując wszystkie lights to go out.
Gdy światła są dołączone równolegle, każde światło jest na własnym obwodzie do źródła zasilania. Jeśli jeden żarnik się przepali, nie ma to wpływu na pozostałe światła, ponieważ każdy z nich nadal jest w zamkniętym obwodzie ze źródłem zasilania. Sprawdź różnicę.
]
W przypadku ciągów lampek świątecznych inżynierowie zdecydowali, że najlepszą opcją jest połączenie kilku serii lampek razem w obwód równoległy. Innymi słowy, lampki świąteczne są zarówno szeregowe, jak i równoległe. Zobaczmy jak to wygląda:
]
W ten sposób, gdy jedna seria żarówek staje się wadliwa — powiedzmy, z powodu luźnej żarówki — nie powinno to mieć żadnego wpływu na żadną z pozostałych serii żarówek, ponieważ są one równoległe do wadliwej serii. To dlatego czasami tylko jedna część waszych świateł staje się wadliwa, podczas gdy inne pozostają sprawne. Kiedy dodatkowe sznury świateł są dołączone do końca sznura, światła te są dodawane równolegle do oryginalnego sznura.
Ale co z tym, kiedy żarówka zgaśnie w serii? Kiedyś było tak, że gdy jedna żarówka zgasła, zgasła cała seria. Gdyby tak było, trzeba by sprawdzić każdą żarówkę osobno, aby zobaczyć, która z nich została przepalona. Jeśli wiele żarówek zostało przepalonych, stałoby się to niezwykle trudne.
Wprowadź „bocznik”. Co to jest bocznik, pytacie? Powiem ci!
Bocznik i bezpieczniki ratują dzień
Bocznik to urządzenie, które pozwala na kontynuowanie przepływu prądu przez obwód poprzez stworzenie ścieżki o niższej rezystancji niż oryginalna ścieżka. W żarowych lampach wakacyjnych, boczniki są małymi drutami owiniętymi pod żarnikiem. Początkowo są one pokryte substancją, która czyni je izolatorem. Innymi słowy, prąd nie może przejść przez bocznik tak długo, jak istnieje żarnik, ponieważ powłoka daje bocznik wyższą rezystancję początkowo niż żarnik, a prąd elektryczny unika bocznik w celu znalezienia ścieżki najmniejszego oporu przez żarnik.
Jeśli żarnik przepali się, jednak wysoka temperatura z spalania spowoduje substancję powłoki bocznik stopić, odsłaniając niższy drut oporu poniżej. Teraz bocznik przeszedł z izolatora do przewodnika, a prąd przechodzi wzdłuż bocznika, utrzymując obwód zamknięty, a pozostałe światła płoną. Sprawdź to poniżej.
]
Ostatnio, gdy stawiałem światła, potknąłem się o przewód i światła zgasły. Ciąg świateł pozostał podłączony, więc byłem zdezorientowany co się stało. Odłączyłem, podłączyłem ponownie… odłączyłem, podłączyłem ponownie. Nic. Wtedy dotarło do mnie. „Bezpiecznik!” Powiedziałem pod nosem. Musiałem spowodować jakiś rodzaj zwarcia, kiedy wstrząsnąłem przewodem.
Podczas gdy boczniki służą do naprawy otwartego obwodu, bezpieczniki działają, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym zwarciem lub innym dramatycznym wzrostem natężenia prądu. Zwarcie jest przeciwieństwem prądu otwartego. Innymi słowy, zwarcie jest spowodowane tym, że prąd elektryczny znajduje niezamierzoną ścieżkę o mniejszej rezystancji. Przy stałym napięciu powoduje to skokowy wzrost natężenia prądu, który może powodować różne problemy – niektóre łagodne (zwiększone tempo spalania żarówek), a niektóre poważne (przegrzanie systemu i pożary).
Zapalniki są ważnymi elementami bezpieczeństwa w wielu urządzeniach elektrycznych, ale większość z nas nawet nie wie, że tam są. W lampkach świątecznych bezpiecznik można znaleźć w pobliżu części przewodu, który podłącza się do ściany, często nazywanej – i nie wymyślam tego – męskim końcem przewodu. Normalnie, bezpiecznik jest dostępny przez małe plastikowe drzwiczki we wtyczce, które mogą być otwierane i zamykane w celu wymiany bezpiecznika.
Jak prąd elektryczny w przewodzie wzrasta, przewód może się nagrzewać, czasami powodując topnienie, a nawet pożary. Aby temu zapobiec, wprowadzono bezpieczniki jako tak zwane „urządzenia ofiarne” (tak bardzo bezinteresowne z ich strony!). Gdy natężenie prądu przekroczy bezpieczny poziom, zamiast topić przewód lub podpalać choinkę, bezpiecznik bezpiecznie otwiera obwód, zapobiegając wielu katastrofalnym scenariuszom.
Zapalniki to zazwyczaj małe odcinki wymiennego drutu o maksymalnym natężeniu prądu. Ponieważ są one bardziej delikatne niż reszta okablowania, bezpiecznik spali się, zanim nadmiar prądu będzie miał okazję przegrzać inne części światłowodu. Kiedy bezpiecznik pęka, obwód staje się niekompletny i prąd nie może przepływać przez resztę obwodu.
Więc co z moimi nowymi lampkami LED?
LEDowe lampki wakacyjne stają się coraz bardziej popularne. Są one bardziej wytrzymałe, trwają dłużej i zużywają 70% mniej energii niż tradycyjne żarówki. Oświetlenie 6-stopowego drzewa przez 12 godzin dziennie przez 40 dni za pomocą LED kosztuje tylko 0,27$ w porównaniu z 10$ za lampki żarowe. Co więcej, prawdopodobieństwo ich przepalenia lub zerwania jest znacznie mniejsze niż w przypadku ich żarowych poprzedników. Dlaczego tak się dzieje?
Podczas gdy technologia oświetlenia żarowego jest stosunkowo prosta (rozgrzany żarnik żarzy się podobnie jak żarnik w ognisku), mechanika oświetlenia LED jest o wiele bardziej skomplikowana. Zrozumienie tego wymaga odrobiny wiedzy z zakresu fizyki cząstek elementarnych, ale podam Ci wersję skróconą: Dioda składa się z czegoś, co nazywa się złączem p-n – dwóch materiałów półprzewodnikowych znajdujących się obok siebie, z których jeden ma ładunek dodatni (p), a drugi ujemny (n). Gdy do układu zostanie przyłożony prąd, elektrony ze strony ujemnej przemieszczają się w kierunku strony dodatniej. Po stronie dodatniej, cząsteczki zwane „dziurami elektronowymi” poruszają się w kierunku strony ujemnej. Kiedy elektron i dziura elektronowa zderzają się, niewielka ilość energii jest uwalniana w postaci fotonu. Wynikiem tego jest widzialne światło, które widzimy w diodach LED.
Ledy są połączone szeregowo-równolegle, tak jak tradycyjne żarówki, które opisaliśmy powyżej. W przeciwieństwie do żarówek, diody LED nie wykorzystują jednak boczników. Kiedy żarówki ulegają awarii, brak żarnika powoduje powstanie obwodu otwartego – drastyczny wzrost rezystancji, zbyt duży, aby prąd mógł przez niego przepłynąć. Z drugiej strony, gdy dioda LED ulegnie awarii, zazwyczaj dochodzi do zwarcia, tworząc ścieżkę o mniejszej rezystancji. To w zasadzie zajmuje miejsce bocznika, co sprawia, że boczniki nie są potrzebne w przypadku diod LED.
Co jest nie tak z moimi lampkami?
Teraz, gdy zrozumieliśmy mechanikę lampek świątecznych, zajmijmy się niektórymi typowymi problemami, które napotykamy i jak im zaradzić.