Technologie

Zářivky

První pokusy se zářivkami spadají do konce 19. století. S výbojovými trubicemi experimentoval Tesla i Edison. V roce 1901 získal Peter Cooper Hewitt patent na nízkotlakou výbojovou trubici s parami rtuti.

Od doby prvních zářivek ze 30. let minulého století urazil pokrok v oblasti luminoforů dlouhou cestu. Velký vliv zde měl vývoj barevné televize a objevování vlastností prvků ze skupiny lantanoidů, které dříve byly prakticky neznámé.

Existuje asi 10 základních typů práškových luminoforů, jejichž smísením ve vhodném poměru se lze přiblížit požadovanému spektru zářivkového zdroje. Tím lze dosáhnout Ra až 90.

S použitím speciálních luminoforů, jejichž složení je buď patentované, anebo si je výrobci pečlivě střeží, je možné dosáhnout Ra až 98.

Luminofory jsou práškové směsi složitějších solí, například antimonu, barya, ceru, cínu, europia, gadolinia, germania, hliníku, hořčíku, stroncia, terbia, vápníku, yttria a chloru, fluoru či fosforu.

Použití silnější vrstvy luminoforů omezuje prosvítání viditelné části světla rtuťového výboje, což dále přispívá k zlepšení podání barev, byť za cenu menší účinnosti.

Důležitým vynálezem bylo také uspořádání elektrod umožňující tepelný přesun rtuti v opačném směru, než atomy unáší elektrický proud. Díky tomu lze zářivky provozovat na stejnosměrný proud, například z elektronických předřadníků.

Protože jsou tenčí trubice účinnější, snižují spotřebu materiálu a umožňují konstrukci menších nebo méně ztrátových svítidel, je trendem trubice stále ztenčovat. Od 30. do 80. let měly běžné trubice průměr 38 mm (T12), po nich nastoupily T8 s průměrem 25 mm a nyní se prosazují T5 s průměrem 16 mm.

Žárovky

Od roku 1802, kdy Humphry Davy poprvé rozsvítil platinový drátek průchodem elektrického proudu udělaly žárovky velký technologický pokrok. Dnes jsme svědky jejich soumraku.

Klasické žárovky mají jen omezené možnosti z hlediska přibližování dennímu slunečnímu světlu. Jejich index podání barev je sice dokonalý (Ra=100), ale potíž je s barevnou teplotou Tc, která se u žárovek pohybuje kolem 2900 K, což odpovídá teplému žlutému světlu.

Toto omezení je dané teplotou tání wolframu 3695 K, ze kterého se žárovková vlákna vyrábějí.

Vlákno běžných žárovek má teplotu asi 2800 K, halogenových 2900–3000 K. Zvyšování teploty vlákna vede k velkému zkrácení životnosti žárovky. Například projektorové žárovky s teplotou vlákna 3300 K mají životnost jen několik desítek hodin.

Revolučním přístupem je zde použití filtru, který by přemíru žluté omezil. Jako vhodný filtr se ukázal oxid neodymitý Nd2O3. Tato látka se přimísí do skla baňky, které tak získá charakteristický modrofialový nádech. Vlastností iontu NdIII+ se využívá ve filtrech pro zlepšení kontrastu v astronomické optice a hlavně při konstrukci infračervených laserů.

Filtr pohlcuje část světelné energie na vlnové délce kolem žluté barvy, kterou vnímáme ve světle běžné žárovky nejvíce. Výsledkem je "méně žluté" – tedy bělejší – světlo, které se kombinuje se zářivkovými zdroji NASLI lépe než světlo obyčejných žárovek.

Sklo s příměsí Nd2O3 světélkuje v blízké infračervené oblasti (1300 nm). Pohlcená energie se tedy mění na teplo. Filtr pohlcuje asi 20-25% světelného toku.

Žlutá barva je ve spektru přechodem mezi červenou a zelenou. Neodymový filtr tedy zvyšuje barevný kontrast mezi červenou a zelenou.

Vzhledem k tomu, že se jedná o "barevný" zdroj světla, vychází Ra stanovené klasickou metodou jen asi 75-80, což je značně zavádějící. Pro účely stanovení "barevné kvality" LED zdrojů se pracuje na definici nové veličiny, která by vyjadřovala kvalitu podání barev daného zdroje lépe než stávající způsob stanovení Ra.

LED – svítivé diody

Historie těchto zdrojů světla sahá až do roku 1907, kdy H. J. Round, asistent G. Marconiho, objevil elektroluminiscenci na krystalech karbidu křemíku. V roce 1927 tento jev podrobně popsal O. V. Losev. O teoretické vysvětlení se v roce 1951 postaral K. Lehovec.

Do konce 50. let se podařilo za laboratorních podmínek vytvořit několik polovodičů emitujících záření v infračervené oblasti a v roce 1962 N. Holonyak vytvořil první diodu emitující viditelné – červené – světlo. Brzy byl objeven postup pro výrobu žlutých LED a účinnost těchto prvků se dále zvyšovala. Na začátku 70. let již byly LED natolik levné, že je bylo možné používat jako indikátory a našly uplatnění i v nových kapesních kalkulátorech. Později následovala zelená LED, ale modrou se podařilo vyrobit v roce 1989 a brzy po ní přišla první bílá LED. Objevy z devadesátých letech dramaticky zvyšují účinnost LED například díky vícevrstvým, vícestupňovým a rezonančním strukturám. Příkon jednotlivých LED se zvýšil z miliwattů na jednotky wattů a jejich měrný výkon už předčí i zářivky.

LED najdeme jako indikátory ve většině elektroniky, podsvětlují displeje mobilních telefonů, svítí v kapesních svítilnách a používají se jako zdroj světla v některých televizorech a data projektorech. V posledních letech LED pronikají i do oblasti osvětlování, a to jak do veřejného osvětlení a vnějšího osvětlení staveb, tak do osvětlování vnitřních prostor a svícení v dopravě.

LED je polovodičový zdroj světla, tvořený vrstvami materiálů na bázi křemíku a dalších prvků, ve kterém při průchodu elektrického proudu probíhají kvantové jevy doprovázené vyzářením fotonu. Spektrum vyzařovaných fotonů je rozloženo zvonovitě v relativně úzkém pásmu kolem dominantní vlnové délky a jedná se tedy o zdroj světla určité barvy.

Bílé světlo lze pomocí LED získat složením z několika barev. Nejčastější je modrá led se žlutým luminoforem. Modré světlo částečně prochází a částečně se v luminoforu přeměňuje na žluté, přičemž výsledný vjem je světlo bílé. Takto lze získat bílé LED od teple bílé až po denní bílou při indexu podání barev kolem 75–80. Při použití speciálních luminoforů lze dosáhnout Ra kolem 90, ovšem za cenu poklesu měrného výkonu. Další možností je použití (ultra)fialové LED jako zdroje budicího záření a směsi luminoforů pro jeho přeměnu na bílé světlo. Předpokládá se, že s tímto postupem bude možné dosáhnout Ra až 97 při vysokém měrném výkonu. Jinou možností je „míchání“ bílé pomocí několika barevných LED. Pomocí nejběžnější LED RGB (R=červená, G=zelená, B=modrá) lze dosáhnout Ra jen asi 70. S novějšími komponenty se čtyřmi barvami RGBA (A=amber, žlutooranžová) se lze přiblížit Ra 90. Používají se rovněž RGBAW (W=bílá, WW=teplá bílá), kde lze dosáhnout Ra až 97. Jednotlivé barevné složky lze řídit samostatně, což nabízí řadu aplikací. Na trhu se poslední dobou objevují jednotky LED/Light/Engin s RGBW LED maticí, chladičem a elektronikou, které představují kompletní řešení pro tvorbu příjemného světla s variabilními parametry, například pro stmívání, změnu teploty chromatičnosti, náladové, dekorativní nebo biodynamické osvětlení.

Výhodou LED oproti ostatním světelným zdrojům je velká účinnost a potenciál k jejímu dalšímu zvyšování. Jestliže u zářivek a výbojek je dosaženo hranice měrného výkonu přibližně 100 lm/W, LED už dnes dosahují přes 150 lm/W a odhaduje se, že bude možné dosáhnout více než 220 lm/W. Další výhodou je předpokládaná dlouhá životnost, která je 3–5 násobek životnosti zářivek. Doba náběhu LED je velmi krátká, což je velkou výhodou oproti žárovkám například u brzdových světel automobilů. Jinou aplikací této vlastnosti je pulsně-šířková modulace (PWM), s jejíž pomocí lze lineárně řídit průměrný světelný tok v plném rozsahu a s nepatrnými ztrátami.

Základní nevýhodou LED je vysoká pořizovací cena, kterou prozatím nevyrovnává ani kombinace větší účinnosti a delší životnosti. Rozhodnutí pro LED zdroje znamená většinou pořízení nových svítidel. Existují však i náhrady zářivek nebo výbojek s LED, které většinou představují kompromisní řešení. Paradoxně je nevýhodou i dosud nerealizovaný potenciál měrného výkonu v kombinaci s dlouhou životností. Investoři v této situaci často volí levnější tradiční řešení a vyčkávají. Dlouhá životnost LED bývá často přeceňována a předpokládaných hodnot 30–100 tisíc hodin nelze často dosáhnout bez vysokých nákladů na kvalitní chlazení. Kuriózní nevýhodou se může ukázat i účinnost: LED semafory – na rozdíl od žárovkových – v zimě zamrzají.

LED se často vytýká nižší index podání barev Ra. Testy však ukazují, že lidé hodnotí některé druhy LED světla lépe, než by vyplývalo jen ze srovnání hodnot Ra. Je pravděpodobné, že s rozmachem LED přijde na scénu osvětlovací techniky nová metrika kvality barev, která bude vystihovat subjektivní pocit z určitého druhu světla lépe, než index Ra, který se pro LED příliš nehodí.