Migające ledy i wariujące urządzenia

Od czasu, gdy źródła światła LED trafiły pod strzechy, internet pełen jest użytkowników oświetlenia diodowego borykających się z problemem „migających” albo nawet – o zgrozo! – „żarzących się” ledów. Skąd się to bierze?

Poprzednio pisałem o usterkach w instalacjach i wybuchających ogranicznikach przepięć. Te dwa tematy i niniejszy mają ze sobą bardzo dużo wspólnego. Obok wspólnych naukowych mianowników, są też wspólne aspekty psychologiczne, takie jak niska cena, ludzie podający się za elektryków oraz pewne powtarzające się mity.

Migające światło tłumaczy się najczęściej albo technologią, albo że to źli Chińczycy (nawet gdy ledy pochodzą z Niemiec…) albo „nieczysta” energia elektryczna. Energia per czas to inaczej moc, a więc jednak mamy tu do czynienia z złymi mocami 😉 Coś w tym jest.

Schodząc już na ziemię: co Kowalskiemu powie elektryk (czy może raczej osobnik podający się za elektryka)? Że trzeba zamontować „eliminator rozbłysków”… I spróbuj takiego jednego z drugim spytać o przyczynę tego zjawiska – albo nie odpowie, albo z miejsca wymyśli jakieś bzdury, aby nie wyszła na jaw kompletna nieznajomość fachu, w którym próbują zarobić.

Tzw. „eliminator rozbłysków” to nic innego, jak dzieło marketingowców – cudowny eliksir, który wyleczy Cię z migania ledów. Niedawno, na naszych grupach, pewien „elektryk, praktyk” pytał, czemu nadal ledy migają, mimo zamontowania tego ustrojstwa. Czyli klasyka: Kowalski który do ostatniego grosza chce mieć jak najtaniej i jak najszybciej i jego niby-elektryk, który w rzeczywistości nie ma kompletnie zielonego pojęcia co robi, a jak się nie uda, to napisze post na FB z pytaniem „czemu eliminator nic nie eliminuje”? Normalnie ręce opadają.

Wielokrotnie wspominałem, że tacy laicy biorący się za kładzenie instalacji, stwarzają zagrożenie porażeniem i pożarem, ale nie będę kolejny raz opisywać dlaczego tak się dzieje.

Aby wytłumaczyć przyczynę tych problemów, trzeba zrozumieć dwie banalne rzeczy. Rzeczy, które dla „praktyków elektryków” są najpewniej zbyt trudne do zrozumienia, skoro ich „praktyka” przeważnie kończy się nieprawidłowym użyciem śrubokręta i zniszczonymi główkami śrub. Mianowicie, czym jest rezystancja elektryczna (opór elektryczny) i czym jest kondensator.

Rezystancja, to wartość matematyczna, tak jak ilość cukru. Przewód miedziany nie jest idealnym przewodnikiem, a kawałek plastiku znaleziony na ulicy nie jest idealnym izolatorem. Zawsze jest coś pomiędzy. Rezystancja jest odwrotnością przewodności. Czyli jeśli coś jest dobrym przewodnikiem, to ma małą rezystancję, a jak coś jest dobrym izolatorem, to ma wysoką rezystancję.

Istnieje jeszcze coś takiego jak impedancja, ale nie wdając się w szczegóły, to prawie to samo co rezystancja. Prawie robi wielką różnicę, ale na potrzeby artykułu, wystarczy, że założymy, że to jedno i to samo.

No i ta druga rzecz o magicznej nazwie, czyli kondensator. Jak sama nazwa już sugeruje, to coś kondensuje albo innymi słowy magazynuje. No i tu niektórych zaskoczę, bo tak właśnie jest. Kondensator, to coś co magazynuje energię elektryczną. Podobnie jak bateria czy akumulator, ale ma swoje wady i zalety w stosunku do ogniw chemicznych jak baterie które możemy zakupić na każdym rogu.

Niektórzy już zaczną krzyczeć, że przecież kondensator to ten od eliminowania rozbłysków – tych co będą tak krzyczeć, to konsekwentnie odsyłam do czarownic na szkolenie. I proszę nie wracać.

Warto zauważyć jak estra-super-ultra skomplikowaną rzeczą jest ów kondensator. Chyba nikomu nie muszę tłumaczyć czym jest przewodnik i czym izolator. Mianowicie dwa, lub więcej przewodników oddzielonych izolatorem to właśnie kondensator. Nic więcej i nic mniej. Dla zainteresowanych detalami na poziomie fizyki, wspomnę, że kondensator może mieć tylko jedną okładkę, czyli tylko jeden przewodnik i izolator, ale wówczas wartość jego pojemności będzie śmiesznie niska.

Co z jednej strony jest bardzo zabawne, a z drugiej bardzo smutne, to jak nauczyciele w szkołach elektrycznych, czy nawet elektronicznych, uczą czym jest ww. element i uczą różnych mniej lub bardziej skomplikowanych wzorów. Ale jak jakiś uczeń, przyniesie do szkoły kawałek dwużyłowego przewodu na tym i pokaże nauczycielowi zjawiska które są identyczne jak w kondensatorze, to nauczyciel nagle jest zdziwiony i nie może zrozumieć czemu tak jest.

Takich nauczycieli również odsyłam do czarownic albo raczej na test na inteligencję. Wspomniałem chyba przed chwilą, że kondensator to dwa przewodniki oddzielone izolatorem? A czym niby jest przewód dwużyłowy, jeśli nie dwoma przewodnikami oddzielonymi izolatorem?

Oba przewodniki w kondensatorze, często nazywa się okładkami. Izolator to inaczej dielektryk. Fabryczne kondensatory zwykle mają inny dielektryk i inny kształt okładek, przez co ich stosunek pojemności do rozmiaru, jest znacznie lepszy niż w kawałku byle przewodu.

Kondensator, podobnie jak akumulator, aby się naładować, czy rozładować, to musi płynąć prąd. Bo bez prądu nie będzie napięcia, a bez pałacu, nie będzie pałacu.

Chyba nie będzie niczym odkrywczym, jeśli wspomnę, że w instalacji mamy napięcie (a raczej powinno tam być) i w dodatku przemienne. Przemienne, czyli mamy plusy ujemne i minusy dodatnie – jakoś tak chyba mawiał jeden z naszych prezydentów.

W baterii typu paluszek, czy np. w akumulatorze, mamy plus i minus. I to dotyczy prądu stałego. Od około 70-90 lat, w polskiej sieci energetycznej używamy prądu przemiennego, czyli plus zamienia się z minusem miejscami. To tak jakby odwrotnie wsadzić baterię lub zamienić klemy miejscami. Jak ktoś ambitnie da radę zrobić to równo 100 razy na sekundę, to osiągnie częstotliwość sieci. Ale radzę tego nie próbować, bo można spłonąć na stosie.

Już z tyłu głowy słyszę, że krzyczą, że w naszej sieci mamy 50 Hz, a nie 100 Hz. Owszem, 50 Hz, czyli 50 okresów na sekundę. Okres to dwie połówki sinusa – jedna dodatnia i jedna ujemna. Czyli 100 połówek na sekundę.

Skoro sobie wyjaśniliśmy, że przewody oddzielone izolacją to kondensator, a w sieci od dłuższego czasu mamy prąd przemienny. To co będzie w połączeniu tych dwóch?

Jeśli weźmiemy dwa przewody albo jeden dwużyłowy i podłączymy do baterii, to taki kondensator z absurdalnie niską pojemnością, naładuje się szybciej niż w mgnieniu oka. Podczas tego ładowania się, popłynie niewielki prąd. Pojemność (liczona w Faradach, jeśli jakimś cudem to kogoś interesuje), jak wspomniałem jest absurdalnie mała, a rezystancja wewnętrzna baterii nie grzeszy niską wartością, więc z pewnością nie zobaczymy iskier jak przy spawaniu albo wtedy jak Zeus się zdenerwuje.

Jeśli po takim eksperymencie, postanowimy zaryzykować życiem i podłączyć baterię odwrotnie, to popłynie w przybliżeniu dwa razy większy prąd. Kondensator wpierw się rozładuje, a następnie naładuje do odwrotnej polaryzacji. Co teraz mają powiedzieć biedne przewody w instalacji, które ktoś tak maltretuje 100 razy na sekundę?

Jeśli ktoś dysponuje miernikiem prądu przemiennego i nastawi go na zakres pomiaru natężenia prądu w mA i połączy szeregowo wraz z jakimś w miarę dłuższym przewodem i źródłem napięcia przemiennego (np. z gniazdka), to miernik wykaże przepływ niewielkiego prądu. Zamiast podłączania przewodu, można wykorzystać istniejącą instalację, czyli odłączyć jeden z przewodów roboczych (fazowy lub neutralny) i przerwę „załatać” miernikiem. Zaznaczam, że mowa tu o amperomierzu, a nie o watomierzu wtyczkowym, który najpewniej nie potrafi zmierzyć tak małego prądu lub wręcz celowo ignoruje, bo jest to składowa mocy biernej.

Wspomniałem już, że praktycznie nie istnieją idealne przewodniki i idealne izolatory. Izolacja w tanich przewodach, często ma bliżej do przewodnika niż izolatora, bo ma małą rezystancję (dużą przewodność jak na izolacją), mniejszą niż mieć powinno. Ot chytry traci dwa razy – w tym konkretnym wypadku dosłownie tak właśnie jest.

Nie będzie chyba zaskoczeniem, jeśli powiem, że ledowe oświetlenie wykorzystuje diody LED. Pomijając ich ciekawą budowę, świecą one przy każdym prądzie. Zarówno słuch jak i wzrok człowieka ma charakter logarytmiczny, czyli w rzeczywistości dwa razy słabsze światło odbieramy jako niewiele słabsze, widząc przy tym niewiele słabiej. Dzięki czemu jesteśmy w stanie słyszeć i widzieć w bardzo szerokim zakresie natężenia ów czynników.

Z drugiej strony żarówki i wiele innych źródeł światła mają pewien próg, przy którym zaczyna to jakkolwiek świecić. Nie jest wielką tajemnicą, że w oświetleniu żarowym, wykorzystany jest fakt, że każdy metal odpowiednio rozgrzany wytwarza światło. Jeśli odpowiednio mocno rozgrzać, to mamy białe światło, z barwą niemal identyczną jak daje nam słońce. Jeśli ktoś widział lutownicę rozgrzaną do np. 300 stopni Celsjusza, to wie, że to nie świeci. W żarówkach najczęściej jest używany wolfram, który jest metalem bardzo wytrzymałym na ekstremalne temperatury. Prąd przez niego płynący, rozgrzewa go dość ekstremalnie i można np. przeczytać książkę w środku nocy.

Wraz z modą na ledy, zwłaszcza tanie oraz tanich wykonawców instalacji, żeby ich nie nazwać elektrykami (bo większość nie jest), to pojawił się ów problem. Wraz z nim częste pytania jak rozwiązać ten problem – szkoda, że wiele osób nie pomyślało o tym wcześniej przy kładzeniu instalacji…

Łączniki, jak powinniśmy to nazywać, dają nam tą radość, że dany obwód nie jest zamknięty na stałe i możemy go w dowolnej chwili przerwać. Zawierają one zazwyczaj dwie blaszki i prosty mechanizm, który z pomocą siły człowieka przerywa i zamyka obwód. Te blaszki są bardzo malutkie, więc podczas ich rozłączenia, powstaje kondensator o bardzo bardzo niewielkiej pojemności, przeważnie nie mającej dla nas znaczenia.

Napięcie mierzymy między dwoma punktami, które mają tzw. potencjał elektryczny. W najczęściej spotykanym w Polsce układzie TN, jeśli przerwać przewód fazowy (łącznikiem, ucinaczkami albo np. siekierą), to wszystko po stronie odbiornika, zostanie pozbawione jakiegokolwiek potencjału. Innymi słowy, żyły po stronie żarówki lub innego odbiornika będą mieć ten sam potencjał, czyli teoretycznie dokładnie tą samą ilość wolnych elektronów i jonów.

Co jeśli blisko przewodu za łącznikiem, położymy inne przewody, a najlepiej otulimy je wszystkie razem i zepniemy je w jedną kupę za pomocą trytytki? Magicznie „żarówka LED” zacznie świecić. Czasem pobłyskiwać, jeśli w środku jest kondensator elektrolityczny (służy do tzw. wygładzania napięcia, ale to inny zupełnie temat) oraz niemal jakakolwiek elektronika wspomagająca diody LED, to pojawi się dzielnik napięcia.

Aby nie zanudzać to w prostych słowach: dzielnik napięcia jest jak lekko popuszczony zawór. Z jednej strony jest duże ciśnienie, a z drugiej strony prawie żadne, ale jednak jakaś woda leci. W przypadku żarowych źródeł światła, ten malutki „strumyk” jest zdecydowanie zbyt mały aby choćby się zbliżyć do progu wymaganego do uzyskania widocznego światła. No może za wyjątkiem podczerwieni widocznej w czułej oraz kosztownej kamerze termowizyjnej.

Gdy mamy do czynienia z najtańszymi chińskimi oprawami ledowymi to bardzo często mają one w sobie bardzo proste i wręcz nadmiernie ekonomiczne rozwiązania. Przez co świecą one już przy bardzo bardzo minimalnym napięciu oraz prądzie. Przy nieco mniej chińskich, prostownik zamienia prąd przemienny na wyprostowany pulsujący, a wspomniany kondensator elektrolityczny wygładza to pulsowanie, bo oddaje zmagazynowaną energię pomiędzy tymi impulsami.

W najprostszym przypadku, między k. elektrolitycznym a diodami, jest rezystor. W nieco bardziej wyrafinowanej postaci, jest elektronika, stabilizująca prąd płynący przez wszystkie diody, zwiększając ich trwałość i często też zmniejsza zmiany natężenia światła w zależności od napięcia z sieci energetycznej.

Elektronika bazująca na półprzewodnikach (do czego de facto zaliczają się niemal wszystkie diody jakie są w użyciu) obok przewidzianego zakresu napięcia od-do, to w praktyce funkcjonuje przy mniejszych napięciach, rzędu nawet 0.8 V. Procesory zawarte w większości komputerów czy telefonów, normalnie pracują przy napięciu około 1 V.

Często nie jest łatwe do przewidzenia zachowanie układów elektronicznych przy znacznie mniejszych napięciach niż te do których zostały zaprojektowane. Po drugiej stronie, diody potrzebują co najmniej 2-3 V aby popłynął jakiś minimalny prąd i zaczęły zauważalnie świecić. Oczywiście przy połączeniu szeregowym, będzie to tyle razy więcej ile jest tak ich połączonych.

Pojemność elektryczna, czyli kondensator powstały z przewodów kładzionych byle jak, powoduje powstanie napięcia i prądu. W ww. ekonomicznym ledzie, będzie się on odrobinę świecił. W tym mniej poniekąd mniej ekonomicznym, k. elektrolityczny będzie się bardzo powoli ładował. Innymi słowy magazynował energię.

Podczas jego ładowania się, napięcie wzrasta. Aż do momentu, kiedy elektronika puści impuls tej energii prosto na ledy, a ktoś może spaść z krzesła podczas nocnej eskapady do toalety.

Z pustego kondensatora Salomon nie zaświeci. Jego rozładowanie, trwa mniej lub więcej ułamek sekundy. Oczy akomodują się do widzenia w ciemności, rozszerzając źrenice. Tym samym każdy błysk jest niczym strzał patelnią w tył głowy.

Ok, a co jeśli co pewien czas psują się urządzenia, a ledy włączone robią błyski z jaśniejszym światłem? Obecnie coraz więcej domowych instalacji elektrycznych jest trójfazowa. Jeśli choćby na ułamek sekundy, połączenie przewodów N zostanie przerwane, to de facto wszystkie urządzenia będą połączone szeregowo i włączone między fazy, gdyż pozostała część N łączy je, ale nie wyrównuje napięcia. Tu również powstaje wspomniany dzielnik impedancyjny – czyli urządzenie o większej mocy, dostanie mniejsze napięcie, a to o mniejszej, może dosłownie stanąć w ogniu.

Tak więc, nie warto bawić się w pozorne oszczędności i wykonać instalację raz, a dobrze. Unikniemy wówczas błyskania ledów, pożarów, uszkodzonych urządzeń i wielu innych problemów.