Umělé osvětlení včera a dnes – 2. díl

Elektrický oblouk

I když byly první experimenty s elektrickým proudem prováděny již začátkem 19. století, objevily se první výkonné elektrické zdroje světla mnohem později. V roce 1810 sice anglický fyzik Humphry Davy v Londýně předvedl zajímavý experiment, kdy za použití dvou tisíc článků zinku a mědi vytvořil mezi dvěma dřevěnými uhlíky elektrický oblouk, ale teprve v roce 1844 zkonstruoval francouzský fyzik Léon Jean Foucault již použitelnou obloukovou lampu.

Obloukové lampy vydávaly intenzivní bílé světlo, takže se začaly používat pro slavnostní osvětlování budov, v promítacích přístrojích a ve světlometech majáků. Nevýhodou byla vysoká spotřeba těchto světelných zdrojů, stejně jako i značná cena proudu získaného z nedokonalých galvanických článků a později z dynam s nevalnou účinností.

Protože uhlíky, mezi nimiž protékal proud, se postupně zkracovaly, bylo nutno vyřešit zejména tento problém. Zvládl to roku 1875 ruský technik Pavel Nikolajevič Jabločkov, absolvent technického vojenského institutu v Petrohradě a pak ředitel telegrafu v Kursku; s odlišným principem (diferenciální obloukovka se samočinnou regulací vzdálenosti uhlíků) přišel František Křižík, český elektrotechnik a vynálezce v roce 1880. V roce 1881 sice na výstavě v Paříži získal zlatou medaili a v roce 1882 samostatný říšskoněmecký patent č. 16297, ale mezitím obloukovky začal vytlačovat z trhu jejich modernější konkurent.

Elektrická žárovka

Skutečnost, že při průchodu elektrického proudu drátem se drát rozžhaví, byla známá. Praktické využití tohoto jevu se však dlouho nedařilo. Slabý drátek buď nevydával žádné světlo, nebo se naopak brzy přepálil. Zpočátku byla doba životnosti takových světelných zdrojů jen několik vteřin.

Dlouho před tím, než si Thomas Alva Edison nechal patentovat elektrickou žárovku s uhlíkovým vláknem, které vydrželo svítit několik hodin (roku 1879), vyrobil německý učitel Heinrich Göbel, který se usadil ve Spojených státech a pracoval jako optik hodinář v New Yorku, roku 1854 žárovku se zuhelnatělým bambusovým vláknem, která dlouhodobě fungovala jako poutač nad jeho hodinářským krámkem.

Stanovit, kdo žárovku „vynalezl“, je obtížné – zhruba ve stejnou dobu se o to pokoušeli mnozí, ale výsledky jejich pokusů byly zpočátku tristní: vinou nedokonalého vakua v baňkách se vlákno žhavené proudem velice brzy přepalovalo. A tak „u kolébky“ žárovky figurovalo značné množství konstruktérů.

Někteří z „otců žárovky“

Francouz De La Rue (1820, platinový drát) Angličan Wiliam Robert Grove (1840, platinový drátek)Francouz Fréderic de Moleyns (1841, platinový plátek stočený do spirálky)Američan J. W. Starr (1845, platinoiridiový drátek, uhlíkové vlákno)Američan John Daper (1846, platinové vlákno)Angličan W. E. Straite (1848, iridiové vlákno)Američan Edward G. Shepard (1850, uhlíkové vlákno)Němec H. Göbel (1854, uhlíkové vlákno)Angličan C. de Changy (1856, platinový drátek)Američan Moses G. Farmer (1859, platinová destička)Angličan Joseph W. Swan (1860, uhlíkové vlákno)Rus Alexandr Nikolajevič Lodygin (1874, uhlíková tyčinka)Rus S. W. Konn (1875, uhlíková tyčinka)Angličan St. Georgie Lane-Fox (1879, platinoiridiové vlákno)Američan T. A. Edison (listopad 1879, zuhelnatělé bavlněné vlákno)Němec Carl Auer von Welsbach (1898, osmiové vlákno)Rakušané A. Just a Franz Hanaman (1903–1906, wolframové vlákno) Rakušané Hans Kuzel, Fritz Blau, Hermann Remané (1904, wolframový drát)Němci Werner von Bolton a Otto Feuerlein (1905, tantalové vlákno)Němec Werner von Bolton (1906, tantalový drátek)Američan Irving Langmuir (1913, zvýšení výkonu dusíkem či argonem v baňce)

Výbojky

Přivedením vysokého napětí na elektrody zatavené ve skleněné trubici, odkud byl vyčerpán vzduch a která obsahovaly páry rtuti, vzniká efektní světlo (Němec Martin L. Arons, 1860; Němec Julius Plücker 1854 – Geisslerova trubice; Američan Peter Cooper Hewitt – neonová trubice, 1901; Richard Küch – rtuťová lampa, 1906; Francouz G. Claude, 1909 – výboje v trubicích plněných různými plyny; Daniel McFarlan Moore – barevné neonové trubice).

Velmi dobrou světlenou účinnost měly sodíkové výbojky vyvinuté kolem roku 1933 firmou Philips, Osram a GEC a v padesátých letech vybavené vysokonapěťovým zapalováním (Američani Joseph Burke a Robert Coble 1954). Nejobtížnější bylo vyrobit skleněnou baňku, kterou by horké sodíkové páry nerozrušovaly. Výbojky s typickým oranžovým světlem se donedávna používaly pro pouliční osvětlení; dnes byly nahrazeny výbojkami rtuťovými, které dávají přirozenější světlo.

Zářivky

Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky se žhavenými elektrodami, v nichž světlo vzniká působením tvrdého ultrafialového záření na vrstvu luminoforu naneseného na vnitřní straně trubice; ten se při dopadu UV paprsků rozzáří a vyzařuje viditelné světlo. Podle složení této vrstvičky vydává zářivka světlo bílé, namodralé nebo teple bílé.

Dříve často osazované zářivky trubicové se v bytech prakticky neobjevují a jejich použití je omezeno spíš na dílny a kanceláře. Principem, barvou světla i účinností jsou podobné zářivky kompaktní, které se vyrábějí v provedení se závitem shodným jako mají žárovky (E14 a E27).

Zářivky mají oproti žárovkám zhruba 4× vyšší účinnost, téměř nehřejí a jejich životnost je o mnoho vyšší. Životnost lineárních (trubicových) zářivek závisí na počtu sepnutí, zatímco kompaktní zářivky s vestavěným vysokofrekvenčním měničem vydrží roky, časté spínání jim nevadí. Měnič pracuje tak, že síťové napětí se usměrní, stejnosměrné napětí je dvojicí tranzistorů „rozsekáno“ kmitočtem asi 40 kHz a přivedeno do malého transformátorku (stejnosměrný proud se transformovat nedá). Výstupní napětí je tzv. měkké, takže zářivka nepotřebuje tlumivku ani zapalovací obvod; po zapnutí vznikne impuls o vysokém napětí, který zionizuje plynovou náplň zářivky, pak napětí klesne na hodnotu zaručující trvalé hoření výboje. Vyrábějí se s několika druhy luminoforu – od teple bílé (jako klasická žárovka 2700 K) přes chladně bílou (teplota chromatičnosti 4000 K) po mírně namodralý denní odstín (teplota chromatičnosti 6000 K).

Vzhledem k velice dobré účinnosti i značné životnosti představují kompaktní zářivky nejvýhodnější druh světla; jedinou nevýhodou je nemožnost je elektronicky stmívat (lze jen u speciálních typů).

Halogenové žárovky

Světelný výkon žárovek se zvýší zvětšením napájecího napětí; zároveň se však pronikavě sníží životnost takto namáhaného kovového (wolframového) vlákna, které se vypařuje a jako černý povlak pokrývá vnitřní stěny baňky.

Omezit tento jev se podařilo v 50. letech 20. století přidáním směsi dusíku a jódu či brómu a náhradou skla baňky taveným křemenem (Američan Elmer Fridrich, 1953;, Američan Emmett Wiley, 1954). Svítivost se tak dala zhruba o 15 % zvýšit, aniž se zkrátila životnost žárovky. Vlákno dosahuje teploty až 3000 °C, přitom žárovky mohou mít poměrně malé rozměry. Světelná účinnost je velmi dobrá, oproti žárovce (max. 15 lm/W) dosahuje až 24 lm/W, čehož bylo dosaženo tím, že wolframové vlákno, které v žárovce svítí, je poněkud přežhaveno a proti rozprášení na sklo baňky chráněno halogeno-wolframovou cirkulací. V halogenových žárovkách se molekuly odpařeného wolframu slučují s některým halogenem (jod, brom), které se přidávají do plynové náplně baněk. Wolfram tak nekondenzuje na skle a svítivost neklesá. Povrchová teplota baňky je však natolik vysoká, že svítidla musí být instalována s ohledem na tuto skutečnost tak, aby nemohla ohrozit blízké hořlavé materiály.

Halogenové žárovky se vyrábějí i na napětí 230 V, mnohem častěji se používají nízkonapěťové, ponejvíce s napájecím napětím 12 V, které slouží jako autožárovky; od nich se však liší až o 40 % vyšší účinností. Oblíbené jsou i malé halogenové žárovky s dichroickým reflektorem, které se montují do stropů, podhledů a spodních ploch kuchyňských linek.

Svítidla LED

Označení LED vzniklo z anglického Light-Emitting Diode, neboli dioda vyzařující světlo. Tyto diody se v našich prodejnách objevily na konci 80. let jako miniaturní součástky vhodné jen jako kontrolky indikující zapnutý stav spotřebiče. Byly vyvinuty v 60. letech v University of Illinois (Nick Holonyak jr., v roce 1962).

Jejich princip je odlišný od všech ostatních světelných zdrojů. Zjednodušeně se dá říci, že jejich základem jsou krystaly polovodičů dopovaných atomy dalších prvků. Elektrony, které krouží kolem atomového jádra (GaN, SIC, GaP) jsou elektrickým polem vyráženy z původní dráhy. Tím, že sestoupí na energeticky nižší hladinu oběžné dráhy kolem atomového jádra, vyzařují část dříve přivedené energie ve formě energie světelné.

Světloemitující diody brzy z nejrůznějších ovládacích panelů a ze spotřebičů, z některých svítilen (čelovky jeskyňářů, blikací osvětlení jízdních kol, baterky) vytlačily kontrolní žárovičky, časem se začaly používat jako koncová a brzdová světla u některých automobilů a jako orientační a výstražné osvětlení a dekorační světla do zahrad či bazénů. Jejich účinnost dosahuje až 40 %, což je až třináctkrát více než v případě klasických žárovek, šestkrát více než u halogenových žárovek a téměř dvakrát tolik jako tradiční zářivky. Kromě toho za provozu nehřejí, lze je stmívat, aniž mění barvu, jejich životnost je prakticky neomezená, neobsahují škodlivé látky (například baryum nebo rtuť, které jsou v kompaktních zářivkách), jsou odolné vůči nárazům, nevyžadují žádné předřadníky a měniče. Četné vývojové instituce pracují na zvětšení jejich výkonů. Donedávna totiž měly největší typy příkon kolem 10 W, čemuž odpovídá svítivost 40W žárovky. Pro osvětlování místností nebo venkovních prostorů zatím jejich výkon nepostačuje (respektive zvětšení počtu svítidel by bylo ekonomicky náročné), v zahraničí se však začíná prosazovat i pro osvětlení ulic, pro architektonické nasvícení budov či pro dálková světla automobilů.

Jiné světelné zdroje

Kromě uvedených zdrojů světla existují mnohá další, která nejsou vhodná pro domácnosti a osvětlení exteriérů buď z finančních důvodů, pro nevhodnou barvu světla (u rtuťových výbojek je modrofialové, u sodíkových oranžové), či proto, že se vyrábějí jen ve velkých výkonech. Rtuťové a sodíkové výbojky s vysokou účinností a dlouhou životností jsou určeny zejména pro osvětlení veřejných prostranství, velké halogenidové výbojky se používají pro osvětlení v průmyslu, ve výstavnictví, pro nasvětlování volných ploch, ve světlometech. Pro vyšší cenu se nepoužívají indukční výbojky, které se budí vysokofrekvenčním polem a zatím rovněž organické elektroluminiscenční diody (OLED).