Żarówka na sto lat

6 IV 2020

Dioda świecąca, będąca podstawą działania współczesnego oświetlenia, miała podobno pracować dziesiątki tysięcy godzin. Tymczasem takie żarówki (wciąż tak na nie mówimy, choć nic się w nich nie żarzy) świecą się nawet krócej od starych, dobrych żarówek z żarzącym się drukiem. Co tu zawiodło?

O tym za chwilę. Chcę tutaj pokazać sposób na to, by ledowa żarówka świeciła się nawet sto tysięcy godzin. Jest jednak jeden warunek: będzie to dotyczyć żarówek o mocy nie większej od mniej więcej czterech watów. To nadal dużo. Kinkiety, lampki biurkowe, przedpokoje, korytarze — tam wystarczą tak niewielkie moce. I jeszcze jedna rzecz. Do zrobienia takiej wiecznej żarówki będziemy potrzebowali oryginału o jak największej mocy. Czyli z „piętnastki” zrobimy na przykład „trójkę”. Im większa różnica, tym większa trwałość.

Można by się zapytać: po co tak kombinować? Nie lepiej po prostu kupić zapas żarówek i je wymieniać? Owszem, ale z różnych powodów można chcieć inaczej. Żeby żyć w zgodzie z naturą i nie produkować śmieci. Żeby nie musieć co chwilę wychodzić na drabinę, bo akurat kolejna żarówka się spaliła. Żeby było taniej, bo to kosztuje. Albo po prostu z ciekawości i poczucia wygranej z systemem.

Uwaga! Wszystkie operacje będziemy przeprowadzać na układzie pracującym z napięciem niebezpiecznym dla życia. Oczywiście nie w chwili, gdy będziemy tam grzebać. Zatem ryzyka nie ma żadnego, o ile nikomu nie wpadnie do głowy niemądry pomysł, by rozebraną żarówkę wkręcać w obsadkę. Nie wolno, absolutnie! Nasze przerobione dzieło należy złożyć, skleić tak, jak to było sklejone fabrycznie i dopiero wtedy podłączać do sieci. Najlepiej przy wyłączonych bezpiecznikach.

Po odkręceniu osłony ukaże się nam wnętrze. Do płytki z diodami świecącymi wrócimy za chwilę. Najpierw spróbujemy ją wyjąć. W tym celu trzeba wykruszyć resztki kleju silikonowego, które znajdują się na krawędzi i podważyć płytkę, wsadzając śrubokręt w szczeliny przy krawędzi.
Płytka wyskoczy, ale będzie nadal połączona z cokołem żarówki dwoma przewodami. Przewody te należy odciąć jak najbliżej płytki albo jeszcze lepiej — wylutować je z niej. Wnętrze jest teraz puste. Widzimy w nim aluminiowy kielich, spełniający bez powodzenia funkcję radiatora, czyli elementu, który powinien się chłodzić powietrzem obiegającym żarówkę. Możemy teraz oczyścić z resztek silikonu osłonę i obudowę żarówki. Czas zająć się płytką.
Tak naprawdę składa się ona z dwóch płytek zlutowanych ze sobą pod kątem prostym. Większa zawiera 14 diod świecących połączonych ze sobą szeregowo oraz element ograniczający prąd tych diod wraz z rezystorem towarzyszącym, który go ustala. Widać, że płytka została zaprojektowana dla co najmniej dwóch wersji żarówek i część pól jest pusta.
Mniejsza płytka zawiera mostek prostowniczy oraz kondensator wygładzający przebieg napięcia wraz z rezystorem, który go rozładowuje, gdy żarówka nie jest zasilana.

Dlaczego żarówki ledowe tak szybko się zużywają? Przede wszystkim odpowiedzialny jest za to niewydolny układ chłodzenia. Przegrzewające się diody świecące pracują znacznie krócej. Są one tutaj umieszczone na aluminiowej płytce z naniesionym izolatorem i miedzianymi ścieżkami, do których zostały przylutowane. Krążek ten jest wciśnięty we wspomniany aluminiowy kielich, mający odebrać od niego ciepło. Lecz rozmiary całości są na tyle małe, że przepływające powietrze nie jest w stanie zrobić tego dobrze, a poza tym całość spoczywa zamknięta w plastikowej obudowie, będącej izolatorem ciepła. Energia cieplna, którą można sprawnie odprowadzić z takiej konstrukcji to najwyżej kilka watów, o wiele mniej od potrzeb żarówki o mocy 15 watów. Wysoka temperatura dość szybko wykańcza także kondensator.

Drugim powodem są elementy pracujące na granicy przeciążenia. Struktura takiej diody przy prącie, powiedzmy, dwa razy mniejszym, będzie w stanie pracować kilkadziesiąt tysięcy godzin. Jednak przy tak dużym — najwyżej kilka tysięcy. Podobnie regulator prądu. To dość krytyczny element pod względem przepięć. Elementy prostownika także nie należą do wyjątkowo trwałych, choć psują się rzadziej.

Najprostszym sposobem obniżenia mocy będzie zwiększenie wartości rezystora opisanego jako R2. Pozostanie jednak zasada działania, a poza tym w przypadku odzyskiwania żarówek spalonych sposób nie zadziała. Zatem stwórzmy cały układ zasilający od początku, choć nic nie stoi na przeszkodzie, by wykorzystać część elementów tej żarówki.
Oto schemat układu, który musimy zbudować i wygląd konkretnych elementów. Omówię teraz zasadę działania w możliwie najprostszy sposób, zatem ludzi nauki proszę o wybaczenie pewnych nieścisłości.
Żarówka zasilana jest napięciem sieciowym, które w Polsce ma wartość 230 woltów i jest napięciem przemiennym. Na drodze prądu staje kondensator, czyli urządzenie, w którym znajdują się dwie przewodzące powierzchnie, na przykład folie aluminiowe, przedzielone izolatorem, czyli przerwą w obwodzie. Jeśli przyłożymy do kondensatora napięcie, powierzchnie zaczną się elektryzować i dopóki proces ten będzie trwać, będzie płynąć prąd. Ten tutaj kondensator ma niewielką pojemność, więc wiele prądu nie popłynie. Ale o to właśnie chodzi, prądu ma być tyle, żeby żarówka świeciła tak, jak tego chcemy. O wartości tego kondensatora napiszę za chwilę.
Równolegle do kondensatora dołączamy rezystor, czyli element, którzy przepuszcza nieco prądu, ale z trudem, że się tak wyrażę. W czasie świecenia żarówki jego wpływ jest pomijalny i byłby on zbędny. Jednak gdy żarówkę wykręcimy z obsadki, w przerwanym obwodzie pozostanie napięcie zgromadzone w kondensatorze i mogłoby się tam utrzymywać bardzo długo. Energii tej nie ma zbyt dużo, ale wystarczy na solidnego kopniaka, gdybyśmy dotknęli cokołu żarówki. Wspomniany rezystor dba o to, by cały ten ładunek w krótkim czasie znikł. Wartość tego rezystora to mniej więcej 1 MΩ i na razie nie będziemy sobie tłumaczyć co to oznacza.
Na drugim biegunie (a muszą być zawsze dwa, gdyż by prąd płynął, musi mieć płynąć skąd i dokąd) także znajduje się rezystor, ale o znacznie mniejszym oporze, aż 5 tysięcy razy mniejszym od wspomnianego przed chwilą. Ma on dwa zadania: pierwsze — złagodzenie uderzenia prądu w chwili, gdy włączamy żarówkę i kondensator jest rozładowany zupełnie. Impuls prądu po jakimś czasie zniszczyłby obwód, a także wyłącznik oświetlenia, ponieważ rozładowany kondensator stanowi przez krótką chwilę wręcz zwarcie. Rezystor o niewielkiej pojemności nie jest istotną barierą podczas świecenia żarówki, ale łagodzi impuls początkowy. Druga funkcja to bezpiecznik. Gdyby z jakichś powodów poszło coś nie tak: na przykład przebiłby się kondensator na skutek pobliskiej burzy albo po prostu zmęczenia materiału, ten niewielki rezystorek szybko się spali i rozłączy obwód. Jego wartość to mniej więcej 220Ω
Diody świecące, jak już sama nazwa wskazuje, świecą wtedy, gdy prąd przepływa w jedną stronę. A w sieci napięcie płynie raz w jedną, raz w drugą. Zatem trzeba to napięcie wyprostować i do tego służy ten element, czyli mostek prostowniczy, zwany mostkiem Graetza. Kiedyś sobie rozważymy jak to działa, dziś tylko napiszę, że element ma dwa wejścia dla napięcia zmiennego i dwa wyjścia — plus i minus. Z wyjść prąd będzie płynąć już tylko w jedną stronę, ale nie cały czas, lecz w takt napięć zmiennych.
Byłoby to widoczne — diody mrugałyby denerwująco zamiast świecić światłem ciągłym. Dlatego równolegle do wyjścia mostka należy wprowadzić kondensator. Jest to już inny kondensator, dużo bardziej pojemny od wspomnianego wcześniej (co najmniej kilkadziesiąt razy bardziej) i spełnia inną funkcję: magazynuje energię na chwile, gdy następuje odwrócenie biegunów napięcia zmiennego, czyli jest jakby takim małym akumulatorem. Takie kondensatory wykonuje się w innej technologii i jest bardzo ważne, żeby podłączać go zgodnie z opisem: plus do plusa obwodu, minus do minusa. Jeśli zrobimy na odwrót, wybuchnie i o ile nie będzie to niebezpieczne, smród jest naprawdę przykry. Kondensator ten powinien mieć pojemność około 10 μF na każdy wat mocy żarówki, ale wartość ta nie jest krytyczna.
Teraz mamy już wygładzone napięcie o ograniczonej kondensatorem wydajności, które możemy podłączyć do naszych diod świecących. Wstawiłem w obwód jeszcze jeden rezystor, który spełnia dwie funkcje: jeszcze bardziej wygładza miganie, już do poziomu niedostrzegalnego i miło rozpala światło, łagodnie je rozjaśniając oraz gasi — ściemniając. Nie jest on niezbędny, ale polecam go stosować. Jego wartość to około 2,2 kΩ
I na koniec sedno, czyli diody świecące. Tak naprawdę jest to łańcuch 14 diod połączonych katoda poprzedniej z anodą następnej. Nie są to zwykłe diody świecące, lecz złożone struktury z kilku diod zatopionych w jednej obudowie. Dzięki temu ich napięcie przewodzenia jest o wiele wyższe od typowych trzech woltów dla białych ledów, ale to tylko zaznaczam tak na marginesie, by dociekliwi się nie zdziwili, dlaczego takiej diody nie da się zaświecić bateryjką litową.

I jeszcze słówko o doborze elementów. Kondensatory oraz rezystor 1 MΩ powinny być zaprojektowane do pracy z napięciem minimum 400 woltów. Mostek prostowniczy — najlepiej 1000 woltów. Pozostaje sprawa kondensatora ustalającego prąd. Dokładna wartość mocy zależy od wielu czynników. Poniżej zestawiłem orientacyjne moce dla typowych pojemności dostępnych kondensatorów. Tak małe moce jak pół wata albo jeszcze mniej, są przydatne przy oświetleniu schodów czy wskazywaniu drogi. Więcej niż pięć watów z tego typu zasilacza nie wyciągniemy, gdyż kondensatory o większych pojemnościach nie zmieszczą się wewnątrz cokołu żarówki.

Pojemność [nF]Moc żarówki [W]
680,5
1000,75
1501
2201,5
3302,5
4703,5
6805
Czas na lutowanie. Najpierw do kondensatora ograniczającego prąd lutujemy równolegle rezystor 1 MΩ, który zabezpieczy nas przed kopnięciem wykręconej żarówki.
Do jednej z nóżek mostka prostowniczego, oznaczonej znakiem tyldy, lutujemy wyprowadzenie wspomnianego rezystora.
Do drugiej nóżki mostka oznaczonej tyldą lutujemy rezystor 220Ω, który ograniczy uderzenie prądu i będzie także pełnił funkcję bezpiecznika.
Teraz przyda się nieco zręczności, gdyż do pozostałych dwóch nóżek prostownika będziemy musieli podłączyć kondensator filtrujący. Bardzo ważne jest, by do nóżki oznaczonej minusem podłączyć ujemną nóżkę kondensatora, a do oznaczonej plusem — dodatnią.
Teraz jeszcze do ujemnego wyprowadzenia mostka i kondensatora należy przylutować rezystor 2,2kΩ
W końcu do dodatniego wyprowadzenia mostka i kondensatora należy przylutować drucik, na przykład z obciętej nóżki rezystora.
Teraz musimy znaleźć trochę kabla i ściągnąć z niego kawałek izolacji. Taką rurkę z PCV nakładamy na nóżkę rezystora i drucik, jak to widać na zdjęciu.
Teraz czeka nas praca detektywa. Musimy sobie znaleźć anodę pierwszej diody i katodę ostatniej. Tutaj ktoś nam pomógł i diody podpisał. Zatem dość szybko można zidentyfikować anodę, do której podłączymy biegun dodatni. Ostatnia dioda, oznaczona mylnie liczbą 15 zamiast 14, łączy się z elementem ograniczającym prąd. Zatem tutaj znajduje się wyprowadzenie ostatniej katody i tu podłączymy biegun ujemny.
Przewlekamy przez szczelinę oba wyprowadzenia, na których znajdowała się izolacja i lutujemy do znalezionych wcześniej punktów.
Wróćmy uwagę, by izolacja chroniła wyprowadzenia przed zetknięciem się z płytką. Inaczej będzie zwarcie. Nic nie wybuchnie ani się nie spali, lecz żarówka świecić nie będzie.
I jeszcze rzut oka od spodu, który, mam nadzieję, rozwieje wszelkie wątpliwości.
Pozostało skrócić wyprowadzenia rezystorów.
I przylutować do nich druty wychodzące z cokołu żarówki. Kolejność jest obojętna.
Ale to nie koniec. Wewnątrz mamy aluminiowy kielich, który przewodzi prąd. Gdyby nam się przypadkiem coś urwało albo któryś element oparłby się o niego, mogłoby dojść do zwarcia. Na wszelki wypadek nałóżmy tam izolujący kawałek folii, na przykład z szerokiej koszulki termokurczliwej. Musi być to folia z atestem izolacji na napięcie sieciowe. Ostatecznie może być to także taśma izolacyjna, choć w takiej ciasnocie będzie nią trudno manewrować. W przypadku taśmy trzeba użyć minimum dwóch warstw.
Delikatnie wpychamy płytkę na miejsce, krawędź smarujemy silikonowym klejem przeznaczonym do pracy pod napięciem i zatrzaskujemy osłonę. Wkręcamy żarówkę w obsadkę i cieszymy się wieczną lampką.

Oryginalna żarówka pobierała 16 watów. Nasza zjada tylko dwa i pół wata. Świeci dużo słabiej, ale jako żarówka kinkietowa jest aż za mocna. Tak na marginesie, wzrósł współczynnik mocy, z czego będzie się cieszyć elektrownia. Ale o tym innym razem.