Technologia

Świetlówki

Pierwsze badania nad świetlówkami prowadzono pod koniec XIX wieku. Z lampami wyładowczymi eksperymentowali Tesla i Edison. W 1901 roku Peter Cooper Hewitt otrzymał patent na niskociśnieniową rurę wyładowczą z parami rtęci.

Od czasu pierwszych świetlówek z lat 30. ubiegłego w badaniach luminoforów doszło do znacznego rozwoju. Duży wpływ miał tutaj rozwój telewizji kolorowej oraz odkrywanie właściwości pierwiastków z grupy lantanowców, które wcześniej były praktycznie nieznane.

Istnieje około 10 podstawowych typów proszkowych luminoforów, których mieszanie w odpowiednich proporcjach umożliwia zbliżenie się do wymaganego spektrum świetlówkowego źródła. W ten sposób można osiągnąć wartości Ra aż 90.

Przy zastosowaniu specjalnych luminoforów, których skład jest opatentowany lub producent pilnie go strzeże, można osiągnąć wartość Ra aż 98.

Luminofory są mieszanką proszkową złożonych soli, na przykład antymonu, baru, ceru, cyny, europu, gadolinu, germanu, glinu, magnezu, strontu, trebium, wapnia, itru i chloru, fluoru lub fosforu.

Zastosowanie grubszej warstwy luminoforu ogranicza przeświecanie widzialnej części światła rtęciowego wyładowania, co przyczynia się do poprawy odwzorowania kolorów, ale jest okupione mniejszą skutecznością.

Ważnym wynalazkiem był też układ elektrod umożliwiający przemieszczanie cieplne rtęci w przeciwnym kierunku do tego, w jakim atomy przenoszą ładunek elektryczny. Dzięki temu można użytkować świetlówki zasilane prądem stałym, np. ze stateczników elektronicznych.

Ponieważ cieńsze rurki mają większą wydajność, zmniejszają zużycie materiałów i umożliwiają konstruowanie mniejszych świetlówek lub świetlówek z mniejszymi stratami, obowiązującym trendem jest nieustanne zmniejszanie grubości rurek. Od lat 30. do 80. XX wieku powszechna grubość rurek wynosiła 38 mm (T12), po nich przyszły T8 o średnicy 25 mm, a obecnie są wprowadzane T5 o średnicy 16 mm.

Żarówki

Od 1802 roku, gdy Humphry Davy po raz pierwszy zaświecił platynowy drucik, przepuszczając przez niego prąd elektryczny, żarówki przeszły wielkie technologiczne przemiany. Dziś jesteśmy świadkami ich zmierzchu.

Klasyczne żarówki mają jedynie ograniczone możliwości pod względem upodabniania się do dziennego światła słonecznego. Ich współczynnik odwzorowania barw jest co prawda doskonały (Ra=100), ale problemem jest temperatura barwowa Tc, która w przypadku żarówek oscyluje ok. 2900 K, co odpowiada ciepłemu, żółtemu światłu.

Ograniczenie to wynika z temperatury topnienia wolframu 3695 K, z którego są produkowane włókna żarowe żarówek.

Włókno żarowe zwykłych żarówek ma temperaturę 2800 K, halogenowych 2900–3000 K Podwyższanie temperatury włókna żarowego powoduje skrócenie żywotności żarówki. Na przykład żywotność żarówek projektorowych o temperaturze włókna żarnika 3300 K wynosi jedynie kilkadziesiąt godzin.

Rewolucyjnym rozwiązaniem jest zastosowanie filtra w celu zmniejszenia nadmiaru żółtej barwy. Odpowiednim filtrem okazał się tlenek neodymu Nd2O3. Substancję tę dodaje się do szkła bańki żarówki, które uzyskuje dzięki temu charakterystyczne, niebieskofioletowe zabarwienie. Właściwości jonów NdIII+ są wykorzystywane w filtrach do poprawy kontrastu w astronomicznym sprzęcie optycznym, a przede wszystkim przy konstrukcji laserów generujących promieniowanie podczerwone.

Filtr pochłania część energii świetlnej o długości bliskiej kolorowi żółtemu, którą w świetle zwykłej żarówki postrzegamy najwyraźniej. Efektem jest „mniej żółte” – czyli bielsze – światło, które ze świetlówkowymi źródłami światła NASLI łączy się lepiej niż światło zwykłych żarówek.

Szkło z domieszką Nd2O3 ma luminescencje w paśmie bliskim podczerwieni (1300 nm). Pochłaniana energia jest więc zmieniana na ciepło. Filtr pochłania ok. 20–25% strumienia światła.

Kolor żółty jest w spektrum przejściem między czerwienią a zielenią. Filtr neodymowy zwiększa zatem kontrast barw między czerwienią a zielenią.

Ze względu na to, że chodzi o „barwne” źródło światła, Ra określone w sposób klasyczny wychodzi na poziomie 75–80, co w znacznym stopniu wprowadza w błąd. Dlatego do celów określania „jakości barw” źródeł LED pracuje się nad zdefiniowaniem nowej wartości, która będzie lepiej wyrażała jakość oddania barw przez źródło niż obecny sposób określania współczynnika Ra.

LED – świecące diody

Historia tych źródeł światła sięga aż do roku 1907, kiedy H. J. Round, asystent G. Marconiego, odkrył elektroluminescencję na kryształach węglika krzemu. W 1927 roku zjawisko to szczegółowo opisał O. V. Losev. Wyjaśnienie teoretyczne sporządził w 1951 roku K. Lehovec.

Do końca lat 50. udało się w warunkach laboratoryjnych stworzyć kilka półprzewodników emitujących promieniowanie w paśmie podczerwieni, a w 1962 roku N. Holonyak zbudował pierwszą diodę emitującą światło widzialne – czerwone. Szybko odkryto sposób produkcji żółtych diod LED, a efektywność tych elementów cały czas rosła. Na początku lat 70. diody LED były już na tyle tanie, że można było je stosować jako wskaźniki i znalazły zastosowywanie również w nowych kieszonkowych kalkulatorach. Później powstała zielona dioda LED, ale niebieską udało się wyprodukować dopiero w 1989 roku, a zaraz po niej pojawiła się pierwsza biała dioda LED. Odkrycia z lat dziewięćdziesiątych kolosalnie zwiększyły efektywność diod LED na przykład dzięki wielowarstwowym, wielostopniowym i rezonansowym strukturom. Pobór mocy przez pojedyncze diody LED wzrósł z miliwatów do watów, a ich mierzona moc jest już większa niż świetlówek.

Diody LED znajdziemy w postaci wskaźników w większości sprzętu elektronicznego, podświetlają wyświetlacze telefonów komórkowych, świecą w kieszonkowych latarkach i są stosowane jako źródło światła w niektórych telewizorach i projektorach multimedialnych. W ostatnich latach źródła LED przenikają do branży oświetleniowej, i to zarówno jako cześć oświetlenia publicznego i zewnętrznego oświetlenia budynków, jak i do oświetlenia wnętrz i oświetlenia środków transportu.

Oświetlenie LED jest półprzewodnikowym źródłem światła, które tworzą warstwy materiału na bazie krzemu i innych pierwiastków, po przejściu prądu elektrycznego dochodzi w nich do zjawisk kwantowych, którym towarzyszy emisja fotonów. Spektrum emitowanych fotonów ma rozkład dzwonowy w stosunkowo wąskim paśmie wokół dominującej długości fali i dlatego jest to źródło światła określonej barwy.

Białe światło za pomocą LED można uzyskać poprzez złożenie kilku kolorów. Najczęściej występuje niebieska dioda led z żółtym luminoforem. Niebieskie światło jest częściowo przepuszczane, a częściowo w luminoforze przekształca się w żółte, co w efekcie daje światło białe. W ten sposób można uzyskać źródła LED o barwie od ciepłej białej aż po dzienne światło białe ze współczynnikiem odwzorowania kolorów 75–80. Przy zastosowaniu specjalnych luminoforów można osiągnąć Ra w okolicach 90, jednak za cenę spadku mierzonej mocy. Inną możliwością jest zastosowanie (ultra)fioletowego źródła LED jako źródła promieniowania wzbudzającego i mieszanki luminoforów do jego transformacji w białe światło. Zakłada się, że tą metodą można osiągnąć nawet Ra 97 przy wysokiej mierzonej mocy. Inną możliwością jest „mieszanie ” barwy białej przy użyciu kilku barwnych diod LED. Za pomocą najczęściej stosowanych LED RGB (R=czerwony, G=zielony, B=niebieski) można osiągnąć współczynnik Ra jedynie na poziomie 70. Przy zastosowaniu najnowszych komponentów RGBA (A=amber, żółtopomarańczowy) można zbliżyć się do Ra 90. Stosuje się też RGBAW (W=biel, WW=ciepła biel), gdzie można uzyskać współczynnik Ra aż 97. Poszczególnymi składowymi barwnymi można sterować odrębnie, co umożliwia ich szerokie zastosowanie. Ostatnio na rynku pojawiają się jednostki LED/Light/Engin z matrycą RGBW LED, chłodzeniem i elektroniką, które są kompleksowym rozwiązaniem przy tworzeniu przyjemnego światła o zmiennych parametrach, np. do ściemniania, zmiany temperatury barwowej, do nastrojowego, dekoracyjnego lub biodynamicznego oświetlenia.

Zaletą LED w stosunku do pozostałych źródeł światła jest duża skuteczność oraz potencjał jej dalszego zwiększania. Jeśli w przypadku świetlówek i lamp wyładowczych osiągnięto granicę mierzonej mocy na poziomie 100 lm/W, źródła LED już dziś osiągają ponad 150 lm/W, a szacuje się, że będzie można osiągnąć ponad 220 lm/W. Kolejną zaletą jest zakładana długa żywotność, która jest 3-5 razy większa niż żywotność świetlówek. Czas pełnego rozświecenia się LED jest bardzo krótki, co jest niezwykle korzystne w porównaniu z żarówkami na przykład w przypadku zastosowania jako światło hamowania w samochodzie. Innym zastosowaniem tej właściwości jest modulacja pulsacyjnie-wektorowa (PWM), za pomocą której można liniowo sterować średnim strumieniem świetlnym w pełnym zakresie i z niewielkimi stratami.

Podstawową wadą LED jest wysoka cena zakupu, której dotychczas nie niweluje nawet połączenie większej wydajności oraz dłuższa żywotność. Wybór źródeł światła LED najczęściej oznacza zakup nowych opraw oświetleniowych. Istnieją jednak także źródła LED, które zastępują żarówki lub lampy wyładowcze i najczęściej stanowią rozwiązanie kompromisowe. Paradoksalnie wadą jest też dotychczas niewykorzystany potencjał mierzonej mocy w połączeniu z długą żywotnością. W tej sytuacji inwestorzy często wybierają tańsze tradycyjne rozwiązania i przeczekują. Długa żywotność LED bywa często przeceniana, a zakładanych wartości 30–100 tysięcy godzin nie można osiągnąć bez wysokich kosztów poniesionych na dobrej jakości chłodzenie. Zaskakującą wadą może też okazać się efektywność: semafory LED – w przeciwieństwie do żarówkowych – zimą zamarzają.

Źródłom LED zarzuca się też często niski współczynnik odwzorowania barw Ra. Testy wykazują jednak, że ludzie oceniają niektóre rodzaje światła LED lepiej niż wynikałoby to jedynie z porównania wartości Ra. Jest prawdopodobne, że wraz z rozpowszechnieniem się LED na scenie sprzętu oświetleniowego pojawi się nowa metryka jakości barw, która będzie uwzględniała subiektywne odczucia dotyczące danego źródła światła lepiej niż współczynnik Ra, który nie jest wystarczająco dobrze dobrany do LED.