Historia postępu technologii oświetlenia

"Ze światłem elektrycznym idzie nam doskonale, lepiej niż początkowo przewidywała moja żywa wyobraźnia. Na czym się to skończy, Bóg tylko wie!"

Thomas Alva Edison

Żarówka tradycyjna

Pierwsze sukcesy w tworzeniu sztucznego oświetlenia z wykorzystaniem energii elektrycznej pojawiły się w 1838 roku. Przez kolejne lata idea była rozwijana, by w końcu lat 70. XIX wieku świat ujrzał dzieło Thomasa Edisona - żarówkę w znanym wszystkim, gruszkowym kształcie. Jeszcze do niedawna można było spotkać taką w każdym domu - towarzyszyła nam przez prawie półtora wieku. Zasada działania, czyli co tam w bańce siedzi Źródłem światła żarówki jest żarnik - drut wolframowy (dawniej stosowano grafit). Przy ogrzaniu żarnika do bardzo dużych temperatur, rzędu 2500-3000 K, wolfram zaczyna się żarzyć (poza energią cieplną emituje również światło o przyjemnej dla oka, ciepłobiałej barwie). Wysoka temperatura sprawia, że żarnik zaczyna odparowywać, dochodzi do przewężeń a ostatecznie do zerwania drucika wolframowego. Zaczęto szukać rozwiązań spowalniających degradację żarnika przy jednoczesnym niepomniejszaniu jasności żarówki. Początkowo w bańkach tworzono próżnię. Później do baniek zaczęto wpuszczać gaz obojętny - powszechnie stosowano argon z domieszką azotu. Takie rozwiązanie pozwoliło przedłużyć żywotność żarówki do około 1000 godzin. Dalsze prace nad rozwojem żarówek toczyły się głownie wokół tworzenia coraz wydajniejszych gazów. Zauważono, że od mieszanki argonu z azotem lepsze wyniki daje krypton i ksenon, jednak z powodu wysokich cen żarówek kryptonowych i ksenonowych nigdy nie wprowadzono do masowej produkcji.

Budowa żarówki

Żarówka halogenowa

Nadeszły czasy, gdy sztuczne światło upowszechniło się w niemal każdym domu. Wraz z postępem technologicznym wzrosło zapotrzebowanie na specyficzne żarówki - np. na planach zdjęciowych lub filmowych. Zmieniły się priorytety - dla przeciętnego użytkownika liczył się czas życia i koszt żarówki, dla fotografa czy reżysera najważniejsza była jakość światła.

Najpopularniejszym rozwiązaniem okazała się żarówka halogenowa. Do bańki, poza gazem obojętnym, wprowadzano halogen (najczęściej jod). Halogen tworzy związek chemiczny z wolframem, który krąży wraz z gazem po bańce. W pobliżu żarnika, na skutek wysokiej temperatury związek rozpada się, a cząsteczki wyparowanego wolframu przenoszą się z bańki na żarnik. Proces ten nazywa się halogenowym cyklem regeneracyjnym.

Zastosowanie halogenu pozwoliło na zwiększenie temperatury żarnika do 3200 K, co z kolei zwiększyło jasność żarówek do 18 Lm/W. Żywotność była porównywalna lub nieco wyższa od żarówek konwencjonalnych, jednak można to było zmienić dzięki regulacji napięcia - np. podczas przygotowywania planu zdjęciowego żarówki zasilano o połowę mniejszym napięciem, by podczas wykonywania zdjęć dać już pełne napięcie znamionowe. Obecnie niektórzy producenci deklarują żywotność swoich żarówek halogenowych nawet do 2000 godzin, jednak wynik ten zależy od wielu czynników (np. użytkowanie tylko 2,5 godziny dziennie, pory roku, miejsca zamontowania).

Nowe podejście do oświetlenia

Odkąd Thomas Edison zbudował pierwszą na świecie elektrownię popyt na energię elektryczną wciąż rośnie. Państwa powoli uzależniały się od dostaw surowców, rozpoczęto poszukiwania nowych źródeł energii, dostrzeżono potrzebę ochrony środowiska, zaczęto myśleć nad minimalizacją kosztów przez budowę coraz bardziej energooszczędnych urządzeń. W nowej rzeczywistości tradycyjne żarówki przestały się odnajdywać - mimo, że nikt już nie wyobrażał sobie powrotu do lamp naftowych i świeczek, żarówki aż 95% energii zużywały na rozgrzanie żarnika, a tylko 5% na wytworzenie światła. Zamiast wykorzystywać temperaturowe źródła światła skupiono się na źródłach wyładowczych (luminescencyjnych).

Lampy wyładowcze - świetlówka

Inne rodzaje lamp wyładowczych

W zależności od rodzaju gazu wprowadzonego do szklanej rury lampy rozróżniamy: świetlówki (pary rtęci i argonu), lampy sodowe (pary sodu), neonówki (neon) i wiele innych. Rodzaj zastosowanego gazu wpływa na barwę światła i parametry świetlne, co z kolei ma znaczenie przy ich zastosowaniu - świetlówki znajdują zastosowanie w domu i biurach, lampy sodowe są wykorzystywane przy uprawie roślin, neonóki w reklamach.

LED - oświetlenie XXI wieku

Pierwsze doświadczenia nad zjawiskiem elektroluminescencji przeprowadził w 1907 roku brytyjski uczony Henry Joseph Round. Używając węglika krzemu, potrafił wytworzyć niewielką ilość światła. Kolejne kroki w tej dziedzinie pod koniec 1920 roku zrobili niemieccy badacze - Bernard Gudden i Robert Wichard Pohl wykorzystując siarczan cynku zmieszany z miedzią. Wyniki były lepsze, jednak wciąż ilość emitowanego światła była niewystarczająca. Pierwsze diody stworzono dopiero w latach 50. Brytyjskie i amerykańskie eksperymenty nad zastosowaniem półprzewodników galowo-arsenowych dawały dobre rezultaty, jednak ze względu na konieczność zanurzenia diod w ciekłym azocie ich zastosowanie na szerszą skalę było niemożliwe.

Rozpoczęto pracę nad wytworzeniem LED emitującego światło widzialne w temperaturze pokojowej. Sukces odniesiono dopiero w 1962 roku - zespół Nicka Holonyaka Jr z General Electronics przedstawił światu pierwszą diodę LED emitującą światło widzialne w temperaturze pokojowej. Pierwsza komercyjna dioda dawała światło o barwie wyłącznie czerwonej, do jego uzyskania wykorzystano potrójny związek galu, arsenu i fosforu oraz arsenku galu.

Następnie skupiono się nad zwiększeniem mocy LED i uzyskaniem emisji kolorów innych niż czerwony. Manipulując półprzewodnikami tworzącymi funkconalny rdzeń oraz przez zastosowanie związków czteroskładnikowych uzyskano diody o barwach niebieskiej, żółtej, pomarańczowej, zielonej i pomarańczowoczerwonej. Natomiast dzięki pracy dwóch japońskich badaczy - Isamu Akasakiego oraz Shuji Nakamury uzyskano dużo większą sprawność LED-ów - teraz niebieska LED świeciła stokrotnie jaśniej! Taki zadziwiający efekt uzyskano przez zastosowanie azotka galu. Jeszcze lepsze wyniki uzyskano dodając domieszki indu. Diody niebieskie zaczęły świecić tak jasno, że możliwe stało się pokrywanie niebieskiego chipa fluorescencyjnym fosforem, który absorbując promieniowanie niebieskie powoduje reemisję światła o białej barwie. Dzięki zastosowaniu podobnej technologii możliwe stało się uzyskanie światła w każdej barwie, ale to właśnie białe światło pozwoliło na stworzenie pierwszych żarówek LED, a wraz z zwiększeniem funkcjonalności takiego oświetlenia sukcesywanie obniża się jego cena.

Jak to działa?

Działanie diod LED opiera się na zjawisku rekombinacji promienistej. Elektrony w półprzewodnikach podczas przechodzenia z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd (jest to tzw. przejście proste). Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

1. września 2009 - pożegnaliśmy żarówki

Jesienią 2009 roku Komisja Europejska zakazała produkcji i sprzedaży na terenie Unii Europejskiej tradycyjnych żarówek 100 W. W kolejnych latach pożegnamy się z żarówkami 75 W (1.09.2010), 60 W (1.09.2011) i pozostałych (1.09.2012). Jako argument KE podaje konieczność zmniejszenia zużycia energii i ochronę środowiska. Oszacowano, że dzięki takim posunięciom, roczna emisja dwutlenku węgla do atmosfery obniżyłaby się do 15 milionów ton, a oszczędność energii Wspólnoty wyniosłaby nawet 40 TWh/rok (dla porównania produkcja energii w Polsce w 2008 roku wyniosła 154,6 TWh). Użytkownikom pozostaje zaopatrzenie się w świetlówki lub lampy LED.

Źródło: www.pl.wikipedia.org