Iza obećavajućeg naslova „Linearna indukcijska svjetiljka“ zapravo ćemo pogledati kako je konstruirana jedna lažna kineska linearna indukcijska svjetiljka, vrlo lošeg ali i vrlo zanimljivog električnog dizajna, kakva se nekad za sitne novce mogla kupiti u kineskim dućanima.
Što je linearna indukcijska svjetiljka?
To je tip indukcijske svjetiljke kod koje se električna struja potrebna za svijetljenje žarulje ili svjetleće diode (LED) proizvodi pomoću malog ručnog generatora (elektromagnetskog induktora) koji se sastoji od zavojnice i permanentnog magneta. Mehaničkim tresenjem svjetiljke duž njene osi pomiče se permanentni magnet gore-dolje duž unutrašnje osi zavojnice. Time se u zavojnici inducira izmjenična struja koja se ispravlja i njome se napaja LED. S obzirom da se kod takvog induktora magnet pomiče ili bolje rečeno klizi linearno (linijski, po pravcu) uzduž osi zavojnice, onda je za takve svjetiljke nastao termin „linearna indukcijska svjetiljka“, a ponegdje se zove i Faradayeva svjetiljka ili jednostavno svjetiljka na trešenje.
Drugi uobičajenih tip indukcijskih svjetiljki su one kod kojih se magnet okreće unutar zavojnice. Pogon kod takvih svjetiljki može biti mehaničkim stiskanjem poluge ili okretanjem ručice na koju su obično vezani zamašnjaci, opruge, zupčanici i drugi mehanički prijenosi i elementi za pohranu, prijenos i otpuštanje mehaničke energije.
„Linearni“ induktori su po učinkovitosti lošije rješenje od onih sa rotirajućim magnetima ili zavojnicama jer je magnet barem polovinu svoje linijske putanje daleko izvan zavojnice i ne inducira se nikakva struja. Također, teški magnet stalno udara u krajnje stjenke i s vremenom razbije plastično kućište svjetiljke iako su stavljeni svojevrsni gumeni odbojnici. No s druge strane, ovo je izuzetno jednostavno rješenje induktora kod kojeg ne trebaju nikakvi zamašnjaci, opruge, zupčanici, prijenosi poluge ili ručice, čitav induktor se ovdje praktički sastoji samo od magneta i zavojnice smještenih u plastičnoj cijevi.
Pohrana energije kod indukcijskih svjetiljki
Kada gledamo ovakve svjetiljke s praktične strane, svakako moraju sadržavati i neki sistem za pohranu električne energije. Ovo posebno vrijedi za linearne indukcijske svjetiljke jer ju ne možemo istovremeno tresti i svijetliti njome u željenom smjeru. Tako se za pohranu električne energije mogu koristiti punjive baterije ili (super)kondenzatori što većeg kapaciteta. Spomenimo da postoje i indukcijske svjetiljke koje pohranjuju mehaničku, a ne električnu energiju. Mehanizam okretanja magneta se zavrti pomoću zamašnjaka ili navije pomoću opruge, a onda se tako pohranjena mehanička energija polako otpušta na rotaciju magneta.
Vratimo se na električnu pohranu energije. Punjive baterije i superkondenzatori su dva bitno različita sistema za pohranu energije. Generalno gledano, punjive baterije se dugo pune ali i dugo prazne, dok se superkondenzatori brzo pune ali i brzo isprazne. Nadalje, baterije se prazne puno linearnije nego kondenzatori (zadržavaju isti napon tijekom pražnjenja) pa će svjetlo biti više ujednačeno. Loše kod baterija je što imaju ograničen broj ciklusa punjenja i pražnjenja te trebaju regulatore koji napon punjenja drže u nominalnim okvirima. Kod kondenzatora pak je dovoljno da napon punjenja ne pređe nazivni napon kondenzatora.
Zbog svega navedenog punjive baterije su rijetke u indukcijskim svjetiljkama, one su više prikladne za svjetiljke koje se pune preko solarnih ćelija. Vrijeme punjenja i vrijeme pražnjenja kod svake svjetiljke naravno ovisi o naponu i kapacitetu ugrađenih kondenzatora ili baterija, a također i o jačini ugrađenih LED. U nekom prosjeku, kod linearnih indukcijskih svjetiljki sa superkondenzatorom trebali bi nakon pola minute trešnje dobiti do 5 minuta svjetla s time što se intenzitet svjetla stalno bitno smanjuje s protokom vremena.
Konstrukcija lažne linearne indukcijske svjetiljke
Možda će zvučati kako dobra vijest, no naša svjetiljka ima ugrađena oba elementa za pohranu električne energije, baterije i kondenzator. Problem je tek u tome što baterije nisu punjive, a kondenzator je daleko od superkondenzatora i ima kapacitet od samo 1000 µF. Za usporedbu, superkondenzatori najmanjeg kapaciteta su reda 0,1 F (100 puta veći kapacitet od našeg), a oni najveći dolaze sa kapacitetom i do 10000 F (10 milijuna puta veći kapacitet od našeg). U ovakve svjetiljke se obično ugrađuju superkondenzatori kapaciteta nekoliko Farada.
U lažnoj svjetiljki se pune nepunjive baterije
U lažnoj svjetiljci nalazimo dvije u seriju spojene baterije CR 2032 tipa, dakle nepunjive, jednokratne litijske baterije. One su spojene paralelno kondenzatoru i izlazu iz induktora, dakle dobivaju napon kada induktor radi. To može biti potencijalno opasno je CR 2032 baterije nisu predviđene za punjenje i narinuti napon može uzrokovati kemijske reakcije u bateriji koje dovode do njezinog zagrijavanja, stvaranja štetnih plinova i tlakova, curenja, smanjenja životnog vijeka te drugih negativnih pojava.
Dizajn električnog kruga
Dvije CR 2032 baterije spojene u seriju daju napon od 6 V. Takve baterije su predviđene su za maksimalne struje ne veće od desetak mA i imaju kapacitet od oko 220 mAh.
Za ugrađenu bijelu LED ne znamo nikakve podatke pa smo napravili neka mjerenja. LED se počinje paliti 2,3 V i puni sjaj dostiže na 2,7 V. Već na struji od 1 mA svijetli dovoljno jako da se može koristiti za neke kraće udaljenosti.
Ugrađeni otpornik za ograničenje struje je vrijednosti 18 Ω. S obzirom na pad napona na LED i ugrađeni otpornik, testom smo došli do slijedećih vrijednosti struje kroz LED: na 3 V struja je 7 mA, na 4 V struja je 35 mA, na 5 V struja je 70 mA, a na nominalnih 6 V struja je 110 mA. To bi prema proračunu značilo da LED svijetli snagom od oko 500 mW.
Baterije CR 2032 svakako ne mogu isporučiti struju od 110 mA te dolazi do pada napona na njima. Tako napon sa 6 V padne na 4,7 V pri čemu je maksimalna struja 50 mA. Može se izračunati da pod tim uvjetima LED svijetli snagom od oko 200 mW. U ovakvim okolnostima, baterije mogu trajati najviše 3-4 sata. Za dvije serijski spojene CR 2032 snaga LED ne bi trebala biti veća od 50 mW. Opterećenje baterija strujom većom nego nominalno mogu dati je vrlo loše za životni vijek baterija.
Da su baterije spojene paralelno, umjesto u seriju, imali bi dosta slabije svjetlo ali još uvijek posve iskoristivo za puno praktičnih primjena i životni vijek baterija od oko 30 sati. Ovo je ipak kućna svjetiljka, a ne reflektor za protuzračnu obranu. Isto tako, potrošnja struje od 7 mA kod paralelnog spoja bi bila u nominalnim granicama za dvije takve baterije. Također, mogao se staviti veći otpornik za ograničenje struje da se baterije i LED zaštite od preopterećenja. Ovako niska vrijednost otpora ne šiti od prekomjerne struje ni baterije ni LED. Taj otpornik bi imao smisla opet samo kod napona napajanja od 3 V.
Također, da je otpornik veće vrijednosti, to bi nakon otkaza baterija produljilo vrijeme pražnjenja kondenzatora kroz LED (smanjilo struju pražnjenja), pa bi ona svijetlila slabije ali duže, možda dovoljno za neku brzu radnju pod slabijim svjetlom. Ipak, to ovisi i o unutrašnjem otporu praznih baterija. Kako god bilo, ovdje se namjerno išlo na to da se iz baterija izvuče maksimalna moguća struja bez obzira na posljedice, samo da LED na početku što jače svijetli.
Naime, proizvod treba gledati marketinški. Kupac dođe u kineski dućan i vidi ovu svjetiljku kako se prodaje za 2 eura. Prva pomisao je kako za tu cijenu to ne može biti neki dobar proizvod. Za potvrdu, svjetiljka se uzme u ruku, uključi, a ona gle čuda samo da vas ne oslijepi snažnim bljeskom. Onda se baterija još malo prodrma, počne svijetliti crvena indikacijska LED da induktor (ručni punjač) radi, ponovo se uključi i ona ponovno svijetli kao luda. Kupac ovdje naravno bude prilično razuvjeren da to ništa ne valja, čak što više bude i ugodno iznenađen proizvodom, a kad košta samo 2 eura, šteta da se ne kupi jedna za doma i jedna za auto…
Ukoliko se proizvod dizajnira za ovakvu prodaju, onda tu nije bitan životni vijek, učinkovitost i sigurnost, bitno je samo da svjetiljka da sve od sebe i izdrži maksimalno opterećenje u tih par sekundi dok ju kupac isprobava.
Da li je električni krug stvarno dizajniran loše ili se radi o dobro promišljenom triku
U prethodnom odlomku sam navodio kako su sva tri elementa električnog kruga (baterija, otpornik, LED) po svojim vrijednostima izvan svih pravila struke. Baterije su preslabe, otpornik je premale vrijednosti, LED su presnažne za ovakav tip svjetiljke. Međutim, stvari se mogu posve drugačije promatrati ako je inženjer dobio zadatak napraviti što jeftiniju svjetiljku koja prvih nekoliko minuta što jače svijetli, bez obzira na sve drugo.
Pod takvim kriterijima potrebno je odabrati najjeftinije baterije, izvući iz njih maksimalnu struju i napajati LED koja će kod te struje najjače svijetliti. Serijski spoj baterija je onda bolji jer si možemo dozvoliti veliki pad napona (sa 6 V na 3 V), a ako smo doveli baterije opteretili do pada napona to znači da iz njih uvijek vučemo maksimalnu moguću struju. Ta maksimalna struja je CR 2032 baterije 50 mA tako da treba i odabrati adekvatnu LED koja postiže najveći sjaj na toj ili nešto većoj struji. Otpornik ovdje nema ulogu ograničenja struje (on propušta i preko 100 mA) ali ima ulogu pada napona. Kao što smo testom izmjerili, pad napona na samim baterijama je 1,3 V dok je pad napona na otporniku 18 Ω dodatnih 0,9 V. Time je napon na LED oko 3,8 V što je kod struje 50 mA oko gornje granice napona za takve LED.
Ako dakle strujni krug promatramo na ovaj način, onda je on vrlo promišljeno dizajniran za dobivanje maksimalnog intenziteta LED svjetla koji se može dobiti iz dvije CR 2032 baterije. Taj intenzitet ne bi mogli dobiti paralelnim spojem baterija, a još manje jednom baterijom. Također, upotrebom tri baterije ne bi postigli isplativo poboljšanje.
Najbolje u cijeloj shemi je to što kako se baterije vremenom prazne, tako će se i dalje iz njih izvlačiti maksimalna moguća struja. I ne samo to. S obzirom da baterije rade pod prekomjernim opterećenjem, kada uključimo svjetiljku na duže vrijeme, mora se primijetiti postepeni pad intenziteta svjetla jer baterije sve više ulaze u zasićenje. Tada će korisnik svjetiljku isključiti jer misli da ju treba napuniti. Isključenjem svjetiljke baterije se djelomično oporave (regeneriraju) te kod ponovnog paljenja dobivamo jače svjetlo. Korisnik naravno misli da je napunio svjetiljku 🙂
Čemu služi induktor u lažnoj svjetiljci
Lažne induktorske baterije sa ugrađenim nepunjivim baterijama raširile su se na svjetskim tržištima početkom 2000-tih godina. Kod njih je skupi superkondenzator izostavljen, a umjesto njega je stavljen obični kondenzator daleko manjeg kapaciteta koji je praktično beskoristan i može dati energije za samo jedan kratkotrajni bljesak svjetleće diode.
S obzirom na moguće opasnosti kod pokušaja punjenja nepunjivih baterija, kod nekih takvih svjetiljki je lažan i sam magnet (umjesto njega je stavljen običan komad željeza) ili pak zavojnica nije spojena nigdje i ne inducira električnu struju, odnosno u oba slučaja induktor uopće ne radi. Takve lažne svjetiljke u praksi funkcioniraju samo dok se ne potroše baterije, nakon čega su posve beskorisne. U Americi su takve svjetiljke dobile popularan naziv „Faker-Shaker“.
Na našem primjerku lažne indukcijske svjetiljke magnet je pravi i zavojnica je ispravno spojena na diodni mosni ispravljač, te dalje na kondenzator, bateriju i LED. Međutim, glavni razlog za ovo je taj što je ugrađena mala crvena indikacijska LED koja bljesne svaki put kad magnet prođe kroz zavojnicu. Tako kupac ima dojam da svjetiljka nije lažna i da induktor radi. Međutim, iako induktor doista radi, zbog nedostatka superkondenzatora ili punjivih baterija, električna energija iz istog se može nigdje pohraniti. Struja koju daje induktor izravno, dovoljna je tek da se LED počne jedva vidljivo paliti. Kondenzator od 1000 µF / 10 V se nabije na oko 6-7 volti koliko efektivno može dati induktor, no pohranjena energija je dovoljna tek za jedan kratkotrajni bljesak koji traje tek djelić sekunde.
Moguće je da je s vremenom otkrivena prevara sa lažnim svjetiljkama, pa su kupci isprobavali da li je magnet stvarno magnet. To mora biti snažan magnet koji privlači metal i preko plastičnog kućišta. Onda se proizvođač dosjetio ipak stavljati prave magnete u svjetiljke, a kao dodatnu potvrdu funkcionalnosti induktora ugrađena i mala indikacijska LED koja svijetli već na struji ispod 0,5 mA.
Snimak pokazuje izravni napon iz zavojnice induktora kada se magnet trese najvećom mogućom brzinom. Vidi se da smo postigli najveću brzinu od 11 Hz te da bez opterećenja (1 MΩ) dobivamo naponske pikove od gotovo 50 Vpp. Efektivna vrijednost ovog napona je oko 8 V. Karakteristično za ovako inducirani napon je što nastaju uski (kratkotrajni) naponski pikovi između kojih je puno šire vrijeme kada je napon nula. Uski impulsi su posljedica brzih preleta magneta kroz zavojnicu, a velika vremena bez napona nastaju kada je magnet na svojoj putanji izvan zavojnice, odnosno kad se zaustavlja i ponovno ubrzava u drugom smjeru prema zavojnici. Ovo je svakako prilično neučinkovit induktor ali je vrlo jednostavan za konstrukciju.
Snimak pokazuje napon iz induktora nakon što je ispravljen punovalnim diodnim ispravljačem (bez kondenzatora). Vršne vrijednosti napona su 33 Vpp (25 V pozitivni napon), a efektivna vrijednost istog je 6 V. Uočavaju se i dosta visoke negativne vrijednosti napona (-8,3 V) koje ne bi trebale biti veće od -0,8 V. Ipak, ovo je mehanički vrlo loše riješen generator gdje se teško kontrolira gibanje magneta i time nastale indukcije i samoindukcije. Puno stabilniji valni oblik daju generatori sa rotirajućim magnetom ili zavojnicama.
Teško je reći kako su naponski pikovi koje vidimo na snimku osciloskopa djelovali na paralelno spojene jednokratne baterije, a sasvim sigurno da ni ugrađeni kondenzator nominalnog napona 10 V nije bio sretan sa naponskim pikovima koji dosežu 25 V. Istina, ja sam ovdje tresao magnet najbrže što je moguće, no svjetiljka je morala biti i dizajnirana za takve trešnje.
Čini se da se sve držalo na okupu samo iz razloga što je struja koju može dati induktor vrlo mala (dovoljna samo da pali malu crvenu indikacijsku LED) i uz to je praktički impulsna te ne može napraviti neku veliku štetu na kondenzatoru i baterijama.
Mogućnosti za poboljšanje
Ako se LED napaja izravno preko induktora, diodnog ispravljača i kondenzatora, onda se u najboljem slučaju (brzo trešenje) može dobiti njeno jedva početno blijedo paljenje, odnosno preslabo svjetlo za bilo kakvu praktičnu primjenu.
Da se umjesto jednokratnih LR 2032 baterija ovdje stave punjive baterije istih dimenzija, kao što su na primjer LIR 2032 (litij-ion) ili ML 2032 (litij-mangan), napon iz induktora ne bi bio adekvatan za njihovo pravilno punjenje (4,2 V po ćeliji) i trebao bi ugraditi odgovarajući naponski regulator. Čak i uz sve to punjenje baterija preko ovakvog induktora bi trajalo vrlo dugo i vjerojatno bi se svjetiljka prije raspala od trešenja nego bi se baterije stigle napuniti.
Ugradnja superkondenzatora od desetak Farada bi vjerojatno učinila ovu svjetiljku donekle iskoristivom, s time da baterije onda treba svakako izbaciti.
Što reći za kraj
Možemo se zapitati da li su inženjeri u startu zamislili ovakav dizajn indukcijske svjetiljke koji je očita prevara kupca ili su menadžeri kasnije inzistirali na smanjenju troškova proizvodnje, pa je od čitave zamisli funkcionalne indukcijske svjetiljke na kraju ispala obična jednokratna baterijska svjetiljka koja samo izgleda kao indukcijska.
Prekomjerno ili bolje rečeno maksimalno moguće opterećenje baterija i LED kako bi se dobilo što jače početno svjetlo bez obzira na vijek trajanja, sasvim sigurno je ciljano napravljeno da u startu zainteresira kupca. Ugrađeni induktor očito ima jedinu funkciju napajati malu indikacijsku LED da opet zavara kupca. Vjerojatno se već raširila priča o lažnim magnetima i zavojnicama, pa je trebalo nešto napraviti po tom pitanju.
Ipak, nije jasno zašto se krug napajanja iz induktora nastavlja dalje na jednokratne baterije, kondenzator i glavnu LED, kad ovdje od toga ne samo da nema nikakve koristi nego je moguća i potencijalna šteta. Moguće, da kad se baterije ubrzo isprazne (taman nakon vremena kada se proizvod više ne može reklamirati i račun je sigurno već negdje zametnut), da se preko induktora još uvijek može napuniti kondenzator za jedan kratki bljesak LED. Tako će nesretni kupac nastaviti tresti svjetiljku na sve načine u nadi da će na kraju proraditi (jer ipak pokazuje znakove života) dok se na kraju nešto ne raspadne (ili kupac ili svjetiljka). Sa marketinške strane gledano, dio kupaca će kupiti istu takvu novu svjetiljku u nadi da se neće pokvariti kao prethodna (nije skupa, a dok je radila je bila odlična), a dio kupaca se neće žaliti jer svjetiljka sigurno nije lažna (indikacijska LED radi) samo se možda nešto u njoj odspojilo, možda od previše trešenja …
Posljednjih godina smo zakoračili u svijet punjivih baterija, one su sveprisutne od mobitela do automobila, tako da su najtraženije i ručne svjetiljke sa punjivom baterijom. Ipak, opisani marketinški trik je i dalje primjenjiv, te većina kupaca opet odabire svjetiljke koje što jače i što dalje svijetle, ne razmišljajući pri tome koja je cijena toga, odnosno kako dugo mogu tako svijetliti.
Što se tiče ručnih indukcijskih svjetiljki one svakako i dalje ostaju zanimljive. Njihova prednost je što su otporne na vanjske utjecaje i uvijek spremne za rad. Mogu godinama stajati nekorištene u nekim mračnim podrumima, garažama ili tavanima, u gepeku automobila, u nekim usamljenim vikendicama, na suncu i hladnoći, a onda kad jednom zatreba, malo se otpuhne prašina sa njih, zavrti se induktor i eto svjetla kada je najpotrebnije.
Preporuka je izbjegavati linearne indukcijske svjetiljke (da, ima i onih koje nisu lažne) jer je nespretno njima tresti, nisu previše učinkovite i brzo se habaju. Najbolje su one koje imaju polugu i koje se mogu držati i stiskati jednom rukom. To im povećava praktičnu upotrebljivost glede raznih potreba za osvjetljenjem, a osim toga mogu odlično poslužiti i u sportske svrhe, umjesto gume za jačanje šake 🙂