Jakým způsobem produkují světlo různé technologie?

Není světlo jako světlo. Klasická žárovka, zářivka i moderní LED dioda sice svítí, ale každá vytváří světlo úplně jiným způsobem. V tomto článku najdete srozumitelné vysvětlení, jak jednotlivé technologie fungují, jak se postupně vyvíjely a co z jejich principu plyne pro účinnost, životnost a praktické používání.

Světlo ze žhavení: klasická a halogenová žárovka

Přeskočme dobu svíček a loučí a zaměřme se na věk elektřiny. Zázrakem své doby byla Edisonova žárovka. Všechny technologie popsané níže se od té doby snažily vyřešit jediný problém: jak z elektřiny získat co nejvíc světla a co nejméně tepla.

Klasická vláknová žárovka

Klasická vláknová žárovka je skleněná baňka, ve které je wolframové vlákno. Mezi vláknem a stěnami baňky je vakuum, případně inertní plyn. Když vláknem prochází elektrický proud, vlákno se rozžhaví (proto „žárovka“) na teplotu kolem 2 500 °C a vyzařuje světlo.

Většina energie se ale nepřemění na viditelné světlo, nýbrž na teplo – na světlo připadá jen několik procent. Wolfram se navíc z rozžhaveného vlákna postupně odpařuje, vlákno se ztenčuje, až se přepálí. Proto klasická žárovka vydržela jen kolem 1 000 hodin a baňka s věkem černala.

Halogenová žárovka

Po klasických žárovkách přinesl vývoj „halogenky“. I jejich vlákno je z wolframu. Do baňky se ale na rozdíl od klasické žárovky přidává sloučenina některého z halogenových prvků (jod nebo brom). Odpařený wolfram se u stěny baňky sloučí s halogenem a tato sloučenina se vrací zpět k horkému vláknu, kde se rozloží a wolfram se na vlákno znovu usadí. Tomuto ději se říká halogenový cyklus.

Díky němu je vypařování vlákna méně intenzivní než u klasické žárovky. Vlákno může pracovat při vyšší teplotě, a proto se halogenová žárovka chová úsporněji a má delší životnost, typicky kolem 2 000 hodin. Baňka je malá, z křemenného skla, a velmi horká. Podrobněji princip popisuje článek Jak funguje halogenová žárovka.

Světlo z výboje: zářivky a výbojky

Na zcela jiném principu než žárovky fungují výbojové zdroje. Světlo v nich nevzniká žhavením, ale elektrickým výbojem v plynu nebo v parách kovu.

Lineární a kompaktní zářivky

V trubici zářivky je inertní plyn a malé množství rtuti, vnitřní stěna je pokrytá práškem zvaným luminofor. Po zapnutí vznikne v trubici výboj, při kterém rtuťové páry vyzařují převážně neviditelné ultrafialové záření. Luminofor toto UV záření pohltí a přemění na viditelné světlo, takže těleso září.

Zářivka potřebuje předřadník, který výboj zapálí a omezuje proud. U starších svítidel je to tlumivka se startérem, u novějších elektronický předřadník. Kompaktní fluorescenční zářivka (známá jako „úsporka“) se skládá z ohnuté trubice a předřadníku vestavěného do patice, takže jde zašroubovat místo žárovky. O tom, jak LED trubice vytlačily klasické zářivky, píšeme v článku Jak LED zářivky způsobily trubicovou revoluci.

Vysokotlaké výbojky

Ve veřejném osvětlení, halách a na stadionech se dlouho používaly vysokotlaké výbojky – sodíkové se žlutooranžovým světlem a metalhalogenidové s bílým světlem. Mají vysoký výkon, ale po zapnutí potřebují několik minut, než se plně rozsvítí, a po vypnutí musí vychladnout, než je lze znovu zapálit. Dnes je ve velké míře nahrazuje LED veřejné osvětlení a LED průmyslové osvětlení.

LED – světlo emitující dioda

Zkratka LED znamená Light Emitting Diode, tedy světlo emitující dioda. LED dioda je elektronická součástka z polovodičového materiálu, která přeměňuje elektrický proud přímo na světlo. Jejím srdcem je přechod P-N, tedy rozhraní dvou různě upravených vrstev polovodiče.

Při průchodu elektrického proudu polovodičem přecházejí elektrony z vyšší energetické hladiny do nižší (rekombinují s takzvanými děrami). Energetický rozdíl se uvolní ve formě světla – částicemi zvanými fotony. Tomuto jevu se říká elektroluminiscence. Barva světla závisí na použitém polovodičovém materiálu: jiný materiál dává červenou, jiný zelenou nebo modrou. Jak se LED od prvních signálek vyvinula až k osvětlení, popisuje Historie LED diody.

Proč LED potřebuje elektroniku

LED žárovky jsou vlastně elektronické obvody s vestavěnými LED. Protože LED vyžadují stejnosměrný proud o nízkém napětí a z běžné zásuvky dostávají střídavý proud 230 V, obsahují LED žárovky prvky pro úpravu vstupního napětí – takzvaný driver. Ten také hlídá, aby diodami tekl stálý proud. Kvalita driveru rozhoduje o tom, zda světlo nebliká a jak dlouho vydrží. Jak poznat dobrý výrobek, radí článek Jak poznat kvalitní LED žárovku.

Jak vzniká bílé světlo z LED

Samotná LED dioda svítí jednou barvou. Bílé světlo se proto vyrábí dvěma způsoby:

• Modrá LED a luminofor. Nejběžnější řešení. Modrý čip je pokrytý vrstvou luminoforu, který část modrého světla přemění na žluté a další barvy. Smícháním vznikne bílá. Složením luminoforu výrobce nastaví teplotu chromatičnosti – od teplé bílé 2 700 K po studenou 6 500 K – i index podání barev CRI.
• Míchání barev RGB. Červená, zelená a modrá LED dohromady dají bílou i libovolnou barvu. Využívá se u barevných pásků a svítidel, kde chcete barvy měnit.

LED čipy se ve svítidlech montují různě: jako jednotlivé SMD diody na pásku nebo desce, jako COB (mnoho čipů na jedné ploše) nebo jako dlouhá „vlákna“ v retro filament LED žárovkách, které vzhledem napodobují klasickou žárovku. Rozdíl mezi výměnnou žárovkou a pevně zabudovanými LED moduly vysvětluje článek Integrovaný světelný zdroj, žárovka, nebo LED modul.

Srovnání technologií

Hodnoty jsou orientační, konkrétní výrobky se liší. Pro představu o úspoře: pokud potřebujete na podlaze pracovny 12 m² osvětlenost 300 lx, je potřebný světelný tok 12 × 300 / 0,6 = 6 000 lm. S halogenovými žárovkami by to bylo kolem 350 W příkonu, s LED zhruba 50–65 W.

Co z principu plyne pro praxi

Způsob, jakým zdroj vytváří světlo, přímo určuje jeho vlastnosti v každodenním provozu:

• Teplo. Žárovky jsou v podstatě topná tělesa, která svítí. LED vytváří teplo uvnitř čipu a elektroniky, a proto potřebuje chladič. Do uzavřených malých stínidel volte LED žárovky, které to výrobce výslovně dovoluje.
• Spínání. Zářivkám a výbojkám vadí časté zapínání, LED ne. Proto se LED hodí ke světlům s pohybovým čidlem.
• Stmívání. Žárovku ztlumíte každým stmívačem, LED jen stmívatelným zdrojem a kompatibilním stmívačem.
• Otřesy. Vlákno se při nárazu snadno přetrhne, sklo zářivky praskne. LED nemá křehké části, proto je vhodná do dílen, na stroje a do vozidel.
• Rtuť. Zářivky a výbojky obsahují rtuť a musí se ekologicky likvidovat. LED rtuť neobsahuje, ale patří také do zpětného odběru elektroodpadu.

Nejčastější omyly

1. „Halogen je úsporná žárovka.“ Je jen o něco úspornější než klasická žárovka, oproti LED spotřebuje mnohonásobně víc.
2. „LED vůbec nehřeje.“ Nehřeje osvětlovaný prostor, ale teplo uvnitř svítidla se odvádět musí.
3. „Úsporka a LED je totéž.“ Kompaktní zářivka funguje na principu výboje a obsahuje rtuť, LED je polovodič.
4. „Bílá LED svítí bílým čipem.“ Většinou jde o modrý čip s luminoforem.
5. „LED žárovka do starého svítidla vždy funguje stejně.“ U stmívačů a starých transformátorů pro halogeny může nastat blikání.

Časté otázky

Shrnutí

Žárovky vytvářejí světlo žhavením vlákna, zářivky a výbojky elektrickým výbojem v plynu a LED přímou přeměnou proudu na světlo v polovodiči. Právě proto je LED nejúspornější, vydrží nejdéle, nevadí jí časté spínání ani otřesy a neobsahuje rtuť. Výměna za ni se vyplatí téměř všude.

Kam dál