Technika i gadżety

Żarówki LED wygrywają

• Technika i gadżety
• 2023 / 08 / 01

W poprzedniej rubryce "Technika i gadżety" pisaliśmy o bardzo starym gadżecie, jakim jest żarówka Thomasa Edisona. Wynalazek opatentowany w 1880 roku przetrwał prawie półtora wieku, ale od 1 sierpnia będzie już zakazany. To znaczy będzie go można ciągle używać, ale nowych już nie będzie się produkować ani sprzedawać (z wyjątkiem żarówek do specjalnych zastosowań). Pozostaną nam do wyboru żarówki LED, ale także CFL, o których pisaliśmy obszernie poprzednim razem. Dziś zajmiemy się żarówkami LED.

LED to skrót od angielskich słów Light Emitting Diode, oznaczających po prostu diodę emitującą światło. Robi to przez wykorzystanie zjawiska elektroluminescencji, zaobserwowanej przez Olega Łosiewa już sto lat temu. Ten pracujący jako technik radiowy Rosjanin zauważył, że diody wykonane z z węgliku krzemu potrafią świecić. Ale dopiero Amerykanin Nick Holonyak Jr. wykorzystał to zjawisko do konstrukcji diod świecących. Ich produkcję rozpoczęto w 1962 roku.

Początkowo były to tylko diody świecące na czerwono. Znalazły jednak ogromne zastosowanie jako lampki kontrolne, a wszystkim dały się poznać jako elementy wyświetlaczy. Matryca złożona z siedmiu kresek, podświetlana przez siedem diod LED mogła wyświetlić dowolną cyfrę. Matryca taka stała się standardem w wielu urządzeniach, m.in. w kalkulatorach. Matryce złożone z większej ilości elementów mogły wyświetlać także litery.

Z czasem pojawiły się diody w innych kolorach. Barwa emitowanego światła zależy bowiem od zastosowanego w diodzie materiału półprzewodnikowego. Uzyskano więc kolory: zielony, żółty, pomarańczowy, niebieski. Przez złożenie diod o barwach RGB (red, green, blue) - czyli czerwonej, zielonej i niebieskiej - można uzyskać praktycznie dowolny kolor. Popularne są też diody LED emitujące podczerwień. W tym wypadku do ich budowy stosuje się arsenek galu.

Dużym wyzwaniem okazała się jednak barwa biała. Chcąc uzyskać diodę LED służącą do oświetlenia, stosuje się diodę niebieską umieszczaną w obudowie pokrytej luminoforem. Niebieskie światło pobudza luminofor do świecenia. W zależności od rodzaju, luminofor emituje światło o różnej barwie. Generalenie jest ona żółtozielona, aby w połączeniu z niebieskim światłem diody dała barwę białą. Stosując różne odmiany luminoforu uzyskuje się barwy białe o różnej tzw. temperaturze barwy. Potocznie mówi się o barwie ciepłej, zimnej, neutralnej.

Obecna technologia pozwala na budowę żarówek LED coraz doskonalszych. W 2014 skonstruowana została biała dioda LED o wydajności aż 303 lumenów na wat mocy elektrycznej. Tradycyjna żarówka żarowa o mocy 100 W daje strumień światła o wartości ponad 1300 lumenów. Nowatorska żarówka LED wymagałaby więc nieco ponad 4 W, aby uzyskać taki sam strumień światła (lumeny są jednostką określającą wielkość fizyczną o nazwie strumień światła).

Żarówki LED dostępne w sklepach są jak na razie kilka razy bardziej energochłonne. Jako ekwiwalent 100-watowej żarówki tradycyjnej jest zwykle żarówka LED o mocy kilkunastu watów. Niższa efektywność wynika nie tylko z technologii półprzewodnikowej, ale też ze sprawności zasilacza. Konieczność jego zastosowania wynika z faktu, że diody pracują pod niskim napięciem, rzędu 2,0V - 3,3V. Napięcie w gniazdku wynosi zaś 115V. Sprawność dobrego zasilacza to około 95%. To dużo, ale w przypadku tak oszczędnego urządzenia jak LED, 5% straty wpływa na ostateczny wynik.

Oczywiście w porównaniu do tradycyjnej żarówki, LED jest już dziś rewelacyjnie oszczędna. Żarówka z żarnikiem zamienia aż 90% dostarczanej jej energii na ciepło. Dlatego nagrzewa się do temperatury aż 335oF (168oC). Kompaktowa żarówka fluorescencyjna czyli CFL jest dużo bardziej energooszczędna, ale nagrzewa się jeszcze do 179oF (82oC). Tymczasem w żarowkach LED osiąga się temperaturę już tylko 87oF (31oC). To oczywiście ciągle sporo, dlatego w dobrych żarówkach stosuje się radiatory odporwadzające ciepło. Praca diody w niższej temperaturze zapewnia jej większą żywotność.

Generalnie podaje się, że żarówki CFL zamieniają na ciepło 30% energii, a żarówki LED około 20%. Przekłada się to na mniejszą moc potrzebną do uzyskania tej samej jasności. Organizacja Green America podaje, że zamiennikiem tradycyjnej żarówki o mocy 75 W jest CFL o mocy 20W oraz LED o mocy 16,5W. Sieć sklepów Home Depot publikuje natomiast całą tabelkę zamienników:

Jak widać, przejście z tradycyjnych żarówek na CFL było olbrzymim skokiem w oszczędności. Przejście na LED jest znacznie mniej spektakularne. Ale w dalszym ciągu oznacza rachunek za prąd niższy o kilkanaście procent. Inwestycja jest więc opłacalna, szczególnie że ceny obydwu typów żarówek są już zbliżone, a żarówki LED są generalnie trwalsze. Green America podaje, że żywotność tradycyjnych żarówek to 1500 godzin, CFL - 15 tysięcy godzin, a LED - 35 tysięcy godzin.

Oczywiście każda żarówka może przestać świecić znacznie wcześniej. Jeżeli zdarza się to często, winna jest prawdopodobnie jakość żarówki. Niektórzy producenci upraszczają konstrukcję, aby zaoferować niższą cenę, ale oszczędność może być pozorna. Tańsze produkty znajdują jednak swoich klientów, bo różnicę kilku dolarów w cenie trudno zignorować.

W dodatku tańsze żarówki nie zawsze muszą być rzeczywiście gorsze. Technologia ich produkcji szybko się poprawia, bo wciąż jest to dość nowy produkt. W USA, białe żarówki LED pojawiły się w 2002 roku, ale zaczęły upowszechniać się dopiero około 2008 roku. Departament Energii podaje, że obecnie już prawie połowa domów w USA - 47% - używa przeważnie lub nawet wyłącznie żarówek LED. I biorąc pod uwagę, że oświetlenie odpowiada za 15% domowych rachunków za prąd, oblicza, że przejście na LED daje oszczędność 225 dolarów rocznie.

To wyliczenie dotyczy zapewne porównania z tradycyjnymi żarówkami, które dominują już tylko w 15% domów. 12% domów używa przeważnie CFL, a 26% ma mieszankę różnych typów. Jednak żarówki LED mają znacznie więcej zalet niż tylko mniejsze zużycie energii i większą żywotność. Uzyskują pełną jasność natychmiast po włączeniu i nie szkodzi im częste włączanie i wyłączanie. Magazyn "Consumer Reports" stwierdził w badaniu, że włączanie i wyłączanie żarówek CFL w odstępie krótszym niż 15 minut skraca ich życie.

Żarówki LED nie przepalają się nieoczekiwanie, ale stopniowo tracą jasność świecenia. Są odporne na wstrząsy i wibracje. Łatwo można zmieniać ich kolor i budować je w różnym kształcie - te cechy pozwalają stosować je np. w świetlnych reklamach. W oświetleniu pomieszczeń stosowane są czasem taśmy z diodami, które pozwalają na estetyczne podświetlenie np. szafek kuchennych, przy banalnie prostym montażu.

Większość żarówek LED, które widzimy w sklepie, ma jednak kształt dobrze znany z żarówek tradycyjnych. Paradoksalnie to problem dla producentów, bo dioda LED nie rozprasza światła we wszystkich kierunkach. Dlatego stosuje się zestaw diod, ustawionych pod różnym kątem. Naśladowanie tradycyjnych żarówek jest wymuszone tym, że muszą one pasować do standardowych oprawek.

Na koniec jeszcze jedna ciekawostka. Żarówki LED nie przyciągają owadów. Nie emitują bowiem światła ultrafioletowego (UV), które dla owadów jest magnesem. Wprawdzie światło niebieskiej diody LED zawiera małą ilość UV, ale jest ona pochłaniana przez luminofor. Oczywiście przez otwarte wieczorem okno i tak owady do mieszkania wlecą. Kierują się bowiem do jasnego pomieszczenia. Ale może nie będzie ich tyle, jak dawniej.