Co po żarówce?

JASNOŚĆ W TEMACIE ŚWIATŁA

Czy można sobie wyobrazić świat bez żarówki? Dziś nie mieści się to w głowie, ale za kilkanaście lat żarówkę będziemy mogli oglądać w muzeach lub na starych filmach. Przed nami prawdziwa oświetleniowa rewolucja.

Mimo prymitywnej budowy i miernej sprawności energetycznej żarówki są źródłem światła bliskim ideałowi, bo zbliżonym do światła słonecznego. Dzięki nim możemy wygodnie żyć i pracować praktycznie całą dobę. Nie mamy kłopotów z rozpoznawaniem kolorów, a ciepła barwa światła żarówkowego sprzyja dobremu nastrojowi.

Same zalety? Niekoniecznie, zwłaszcza że zasada działania współczesnych żarówek praktycznie nie zmienia się od 127 lat: zamknięty w przezroczystej szklanej bańce drucik, rozżarzony do wysokiej temperatury prądem elektrycznym, emituje światło i – co doskonale można poczuć – ogromną ilość ciepła.

Dzieje się tak, bo zaledwie 5-8 proc. energii pobieranej przez żarówkę zamienia się w promieniowanie widzialne, ogromna jej większość jest marnowana właśnie w postaci zbędnego ciepła. Kolejną wadą żarówek jest ich niezbyt duża trwałość (zwykle nie przekraczająca 1000 godzin pracy) i mała odporność na urazy mechaniczne.

Kilka pokoleń inżynierów i konstruktorów głowiło się nad udoskonaleniami, które doprowadziły do powstania żarówek halogenowych, różnego rodzaju świetlówek, a także wielu innych urządzeń wykorzystujących w swoim działaniu mniej lub bardziej złożone zjawiska elektro-fizyko-chemiczne i – niestety – często zawierających substancje szkodliwe dla zdrowia, czasami wręcz trujące.

Pomimo sporych nakładów na badania, jeszcze do niedawna nie było sensownej alternatywy dla żarówek. Teraz mamy już do dyspozycji zupełnie nową generację „żarówek” pozbawionych większości wad poprzedniczek – są to tzw. półprzewodnikowe źródła światła SSL (od ang. Solid State Light).

Spośród SSL największą popularnością, przede wszystkim ze względu na atrakcyjną cenę, cieszą się diody LED (Light Emitting Diode) o dużej mocy. Są to elementy podobne do tych, które podświetlają klawiatury i ekraniki w naszych telefonach czy sprzęcie audio-wideo, ale emitujące znacznie więcej światła. Mogą świecić różnymi kolorami, także biało.

Powszechnie dziś stosowane LED mają swoje korzenie w pierwszej połowie ubiegłego wieku. Około 1930 r. Rosjanin Oleg Łosiew prowadził w Instytucie Radiowym w Niżnym Nowogrodzie badania nad tzw. rekombinacją promienistą występującą w węgliku krzemu. Dowiódł wtedy, że przyczyną świecenia tego materiału nie jest żarzenie się struktury (jak w żarówce), lecz luminescencja (świecenie) materii, wywołana przepływem prądu elektrycznego.

Także Bernhard von Gudden oraz Robert Wichard Pohl z Instytutu Fizyki w Getyndze w latach 30. badali luminescencję występującą w sproszkowanym siarczku cynku, wymieszanym z drobnymi opiłkami miedzi. Zjawisko to traktowano wtedy jako jedną z wielu naukowych ciekawostek, nie przewidując jego praktycznego zastosowania.

Tak było aż do lat 50., kiedy to zwrócono szczególną uwagę na elektroluminescencję występującą w pewnych typach półprzewodników, spośród których najbardziej obiecujące okazały się związki arsenu i galu.

W 1962 r. w laboratoriach amerykańskiej firmy Bell Labs powstała dioda LED. Jej twórcą był Nick Holonyak Jr., który umiejętnie pokierował losami swojego wynalazku, dzięki czemu General Electric szybko uruchomił masową produkcję takich diod. Świeciły one niezbyt jasno i tylko czerwono, dopiero w 1968 r. wprowadzono do sprzedaży diody świecące zielono.

Zielone diody zwiększyły atrakcyjność nowych źródeł światła, stosowano je wówczas przede wszystkim jako elementy sygnalizacyjne oraz w cyfrowych wyświetlaczach, m.in. w kalkulatorach. W tym samym 1968 r. Paul Maruska z laboratorium amerykańskiej firmy RCA postawił sobie za cel uzyskanie diody świecącej niebiesko. Udało mu się to dość szybko, ale efekty były mizerne i nie wyszły poza skalę laboratoryjną.

Dopiero w 1981 r. Isamu Akasaki z Uniwersytetu w Nagoja skonstruował taką diodę o oszałamiającej w tamtych czasach światłości 10 milikandeli. Jej wadą była cena – niemal 100-krotnie przewyższała ceny diod świecących innymi kolorami.

Dalszy postęp uzyskano dopiero w 1992 r., kiedy to rozpoczęto w Japonii na masową skalę produkcję tanich diod LED, emitujących światło niebieskie i promieniowanie ultrafioletowe. Od tego momentu na prowadzenie w wyścigu wysunął się Shuji Nakamura z japońskiej firmy Nichia. W 1994 r. rozpoczęła ona produkcję niebieskich diod o światłości 2 kandeli.

Pierwsze LED, dające światło białe, powstały z połączenia w jednej obudowie trzech diod świecących tzw. kolorami podstawowymi: czerwono, zielono i niebiesko (angielski skrót RGB). Odpowiednio dobrane proporcje światła emitowanego przez każdą z nich dawały w efekcie kolor biały, podobnie jak ma to miejsce w kineskopach, wyświetlaczach plazmowych lub kolorowych LCD. Taki sposób uzyskiwania białej barwy, ze względu na niedoskonałości technologii produkcji trójkolorowych LED, bardzo utrudnia uzyskanie powtarzalnych kolorów i światłości.

Dlatego w 1996 r. firma Nichia wprowadziła do sprzedaży diody świecące niebiesko z soczewką pokrytą substancją, która część niebieskiego światła przepuszcza, a część pochłania, emitując promieniowanie o dość szerokim widmie skupionym wokół koloru żółtego; razem tworzy to wrażenie zimnego koloru białego. Takie rozwiązanie znacznie ułatwiło ujednolicenie parametrów świetlnych LED, co sprzyjało ich szybkiemu rozpowszechnieniu (w pierwszym roku produkcji Nichia sprzedała ponad 6 mln takich diod), także do oświetlania dużych obiektów.

Na świecie diody LED oświetlają już ponad 3 tys. dużych budynków (m.in. Public Institute for Social Security w Kuwejcie, National Gallery w Londynie, Manchester United Visitors Centre w Manchesterze). Także berliński Bundestag podczas World Cup 2006 był okazjonalnie iluminowany za pomocą zestawów białych diod.

Diody są coraz częściej wykorzystywane jako źródła światła ozdobnego. Firma Philips Lighting planuje oświetlenie wieży Eiffla i londyńskiego Regent Square. Ściśle użytkowym przykładem zastosowania LED jest sztokholmskie metro, w którym wykorzystano hermetyczne reflektory z takimi diodami, wyznaczające linię bezpieczeństwa na peronach.

LED wykorzystują architekci także do oświetlania mostów (m.in. Ben Franklin Bridge na rzece Delaware oraz Clyde Bridge w Glasgow).

Diody dużej mocy szybko docenili także producenci samochodów: były one stosowane np. w światłach hamowania, ale ostatnio coraz częściej pojawiają się w reflektorach przednich, kierunkowskazach i światłach cofania.

Producenci źródeł światła szybko dostrzegli zalety LED, dzięki czemu są już dostępne w sprzedaży nie tylko „żaróweczki” LED do latarek, lecz także odpowiedniki popularnych żarówek halogenowych oraz szeroka gama lamp do oświetlenia pomocniczego i dekoracyjnego.

W laboratoriach nie ustają prace nad uzyskaniem trwalszych i coraz jaśniejszych diod – ich wydajność jest już porównywalna, a często nawet dwukrotnie większa niż w przypadku tradycyjnych żarówek.

Jedną z najlepiej zapowiadających się nowych technologii jest opracowana przez Michaela Bowersa z Vanderbilt University w Nashville modyfikacja krystalicznych struktur półprzewodnikowych za pomocą tzw. kropek kwantowych, które są w stanie emitować niemalże wierną kopię światła żarowego. Eksperymenty pokazują, że dadzą one co najmniej trzykrotnie więcej światła niż dotychczasowe przy bardzo zbliżonym poborze mocy.

Tradycyjna żarówka w najbliższych latach przejdzie do lamusa. Świat rozbłyśnie feerią półprzewodnikowych świateł.

Piotr Zbysiński
  

Krótka historia żarówki

1801 r. – angielski chemik Humphry Davy wykorzystał do zbudowania żarówki paski platynowe dołączane do baterii. Niestety, żywotność tego źródła światła była bardzo mała, a koszt wykonania wysoki.
1840 r. – angielski astronom i fotograf Warren De la Rue wykonał próżniową żarówkę z żarnikiem platynowym, której żywotność była zadowalająca, ale koszt wykonania (ze względu na zastosowaną platynę) uniemożliwił rozpoczęcie produkcji.
1841 r. – Anglik Frederick de Moleyns uzyskał pierwszy na świecie patent na żarówkę próżniową z żarnikiem węglowym.
1854 r. – niemiecki zegarmistrz Heinrich Goebel opracował żarówkę możliwą do wyprodukowania na masową skalę. Rolę żarnika spełniał fragment zwęglonego bambusa.
1875 r. – Kanadyjczycy Henry Woodward oraz Matthew Evans patentują własny pomysł na nowoczesne żarniki węglowe do żarówek próżniowych.
1879 r. – Thomas Alva Edison opracował żarnik węglowy, dzięki któremu żarówka próżniowa mogła świecić nawet przez 40 godz. Oparł się na patencie kupionym od Henry’ego Woodwarda i Matthew Evansa.
1881 r. – Edison opracował technologię umożliwiającą wyprodukowanie tanich żarników o wysokiej trwałości – do 1200 godz., co pozwoliło uruchomić produkcję na masową skalę.
1906 r. – w General Electric Company opracowano technologię produkcji żarników wolframowych, ich wadą była wysoka cena, zaletą – duża trwałość.
1910 r. – William David Coolidge udoskonalił technologię produkcji żarników wolframowych, co umożliwiło radykalną obniżkę ich cen. Od tej chwili konstrukcja żarówek nie uległa większym zmianom.
Źródło: Wikipedia, Encyklopedia PWN, Britannica
 

Zalety diody LED

* przyjazne dla oka widmo emitowanego światła,
* możliwość łatwego dobrania temperatury emitowanego światła,
* niskie, więc bezpieczne, napięcie zasilania,
* duża odporność na udary mechaniczne,
* wyższa sprawność energetyczna (seryjnie produkowane – do 35 proc., wersje prototypowe – do 50 proc., podczas gdy sprawność żarówek wynosi poniżej 10 proc.),
* długa żywotność (co najmniej 10 tys. godz. pracy, dostępne są wersje pracujące do 50 tys. godz.),
* niewielkie wymiary, łatwość regulacji jasności i koloru (w diodach RGB).
 
Tekst opublikowany w tygodniku „Polityka” (1/2007)