Vtipná fakta o LED žárovce - co jste nevěděli

Věděli jste, že za vznik LED žárovky vděčíme neposlušnému japonskému inženýrovi a hypoteční krizi v Americe? K historii žárovky už bylo napsáno mnoho, proto se vrhneme na historii LED žárovky. Proč? Protože je správný čas na trochu odpočinkového čtení a vtipná fakta o LED žárovkách, od historie po budoucí predikce. (AKTUALIZOVÁNO)

Historie od Edisona k Philips

Vydejme se na dobrodružnou cestu od Edisonovy žárovky k LED žárovce. Byla to křivolaká cesta dlážděná experimenty s polovodiči a elektroluminiscencí. Důležitými objevy byly LED diody všech barev a následně ten nejtěžsí objev: bílá LED. Po nesnadném dosažení bílého světla přišel další cíl: mnohonásobně zvýšit jas. Navíc, vynalezení LED žárovky by se možná nestalo nebýt nechvalně známé Americké hypoteční krize. Našli jsme ty nejzajímavější fakta z historie LED žárovky.

Život klasické žárovky 1880 až 2023 ?

Na úvod stručně o vynálezu klasické žárovky před lety a dnes. První prakticky používané žárovky vynalezl Thomas Edison roku 1880. Vlákno tvořil karbonizovaný bambus a životnost dosahovala neskutečných 1200 hodin. To byl zářivý zrod elektrifikace domácností. Přeskočme 140 let do současnosti. Dnešním trendem jsou postupné zákazy či omezení prodeje klasických (konvenčních) žárovek. První zákazy se objevili už roku 2005 v Brazílii, pak EU v roce 2009 a USA až v roce 2023. Spolehlivější a úspornou náhradou jsou LED žárovky. Anebo ne? Existují aplikace, kde má klasická žárovka navrch! Stále se prodávají konvenční žárovky pro průmysl nebo do sauny. Nezapomeňme na tradiční vánoční žárovky s ručně tvarovaným a zdobeným barevným sklem, které mají své vánoční kouzlo i přes elektrickou neefektivnost. Takže to vypadá, že klasická žárovka nikdy úplně nezemře, podobně jako gramofon. Teď už ale pojďme na LED technologie.

Světlo první LED nebylo vidět!

Vůbec první LED, vynalezená roku 1962 a patentovaná firmou Texas Instruments, totiž byla IR. Svítila v infračerveném spektru, které není pro lidské oko viditelné. Důkaz o jejím svícení musel přinést další polovodič - IR fotodetektor. Na tento objev navázal Nick Holonyak Jr. (původem z Ukrajiny), postgraduální student Johna Bardeena, jednoho z vynálezců tranzistoru.

Červená LED - světlo teroru!

Zmíněný Nick Holonyak Jr. byl jedním z inženýrů americké firmy General Electric. Při pokusech kolegů s IR diodou si vytyčil cíl: vytvořit červeně svítící diodu. To se mu také roku 1962 povedlo. Byl to doslova viditelný úspěch! Dokonce o červené LED psal Reader's Digest ve článku s názvem "Světlo naděje - nebo teroru". Těžko říct proč, možná sytě červené světlo působilo hrůzostrašně a vyvolávalo fantaskní představy. Každopádně, tyto LED diody nebyly příliš praktické. Měly velmi nízký jas a vysokou cenu, celých 260 dolarů za kus!

Konečně! Červená LED do kalkulaček

První masově použitelná červená LED se objevila až roku 1968 ve společnosti Monsanto. Jako kontrolku do kalkulaček, prvních počítačů, televize a dalších spotřebičů jste si ji mohli za krásnou cenu pouhé 1 libry koupit. Její příkon byl 33 mW a svítivost 0,5 mcd (milikandel). To znamená, že 2 tisíce LED svítilo jako jedna svíčka. "Dobrá investice" 2000 liber. Brzy přišli i segmentové displeje.

Snadné barvy: zelená, žlutá, oranžová

Po úspěchu s červenou LED bylo relativně snadné vytvořit zelenou, žlutou a oranžovou LED. Povedlo se to na přelomu 60. a 70. let také ve společnosti Monsanto. Další aplikací se stali segmentové displeje, typické pro všechny digitální přístroje a legendární sci-fi filmy 70. až 90. let. Oříškem zůstávala modře svítící LED, na tu jsme si museli počkat.

První bílá LED byla modrá

Roku 1993 již uběhlo 31 let od vynálezu červené LED a nikomu se už nechtělo čekat na "svatý grál" svítivých diod, vysoce svítící modrou LED. Naštěstí, v japonské firmě Nichia Corporation pracoval na přelomu 80. a 90. let inženýr Shuji Nakamura na výrobě nového polovodiče umožňujícího emisi modrého světla. Po několika letech však došla vedení firmy trpělivost a chtěli ukončit tento "beznadějný" výzkum. Nakamura i přes zákaz pokračoval dál a roku 1993 se mu konečně povedlo vytvořit polovodič GaN (galium nitrid) a tím i vysoce svítící modrou LED.

Dalším logickým krokem byla bílá LED. Pro tu Nakamura použil stejnou "fintu" jako u konvenčních zářivek, luminofor. Šlo tedy o nápad dosáhnout bílého světla pomocí modré LED s luminoforem. Nakamura "jednoduše" nanesl na diodu vrstvu žlutého fosforu, který část modrého světla přeměnil na zelenou a červenou složku. Výsledné složené světlo pak lidské oko vnímá jako (víceméně) bílé. Světový úspěch první bílé LED diody, se svítivostí 1000krát vyšší než její předchůdci, vydělal japonské firmě Nichia Corporation stovky milionů dolarů. Firma se mezi lety 1993 a 2001 zdvojnásobila a její produkty tvořily ze 60% modré LED.

Shuji Nakamura prý dostal za svůj "patent 404" jen 180 dolarů. Nakonec vyhrál soudní spor s bývalým zaměstnavatelem, Nichia Corp., a dostal odškodnění zhruba 180 milionů dolarů. Nakamura dále vynalézal, například zelený laser nebo laserové diody pro optické mechaniky CD a DVD.

Obrázek vlevo: Moderní SMD LED čip s typickým žlutým luminoforem. Obrázek vpravo: Tři vynálezci LED různých barev: červená - Nick Holonyak Jr., žlutá - Geogre Craford, modrá - Shuji Nakamura.

Kdo překoná 60W žárovku a pomůže Americe?

Počátkem 21.století již byly na trhu velmi moderní a vysoce svítivé bílé LED. V domácnostech jsme ale stále svítili klasickými žárovkami a zářivkami. Bílé LED diody zkrátka neměly dostatečnou svítivost pro osvětlení místnosti. Tu přišla roku 2007 americká hypoteční krize způsobená prasknutím bubliny hypotečního trhu v USA. Byl to šok pro spojené státy i zbytek světa. Následovala ekonomická krize.

Jistě není náhodou, že už roku 2008 americké ministerstvo energetiky dostalo nápad. Vyhlásilo soutěž L Prize (lightning prize) motivující technologický vývoj průmyslu. Zadání bylo vytvořit "Solid-State Lightning", náhradu za konvenční typy zdrojů světla jako jsou žárovky a kompaktní zářivky. Speciálně musel nový zdroj světla překonat klasické žárovky o výkonu 60W jak svítivostí a energetickou efektivností, tak i kvalitou, dlouhou životností a praktičností. To byla výzva, ale s takovou žárovkou by každá americká domácnost ušetřila na spotřebě elektřiny.

V té době, roku 2008, již úspěšný výrobce osvětlení Philips ukončil vývoj zářivek a přeorientoval se k vývoji LED žárovek. Přihlásil se do soutěže L Prize a vyplatilo se. O rok později, 2009, Philips vynalezl LED žárovku, která nakonec splnila extrémně přísné zadání soutěže ministerstva energetiky. Než se vyhlásil vítěz, muselo proběhnout několikaleté testování, zahrnující také nepřetržitý provoz 2000 testovaných LED žárovek po 18 měsíců (tedy okolo 13 000 hodin)! Zajímavostí je, že ta testovací místnost dodnes existuje. Všechny testy byly dokončeny až v roce 2011. Výsledek zněl jasně. Prvním vítězem soutěže L Prize se staly LED žárovky společnosti Philips.

Po třech letech testování (2009-2012) mohla první generace LED žárovek Philips konečně do obchodů. Měla na svou dobu neuvěřitelné technické parametry:

• svítivost a vyzařovací úhel srovnatelné s klasickou žárovkou 60W,
• podání barev CRI 93%,
• chromatičnost 2727 K (teplá bílá),
• světelný tok 940 lm,
• spotřeba 10W (úspora 83% oproti klasické žárovce),
• světelná účinnost 94 lm/W,
• životnost 25 000 hodin.

 

Obrázek vlevo: Rodina LED žárovek Philips (první zleva model, který vyhrál L Prize). Obrázek uprostřed: Dlouhodobé testování svícení v rámci L Prize v Pacific Northwest National Laboratory. Obrázek vpravo: Grafy dopadu L Prize na trh svítidel. Vlevo je graf trhu zdrojů světla z doby vyhlášení L Prize, žlutý bod je vytyčený cíl: zdroj světla s účinností zhruba 92 lm/W. Vpravo je tentýž graf rok po vyhlášení vítěze L Prize.

 

Den země a Philips

Přesně dne 22.dubna 2012 - tedy na Den země, který se slaví od roku 1970 - zahájila společnost Philips prodej těchto LED žárovek. Objektivně můžeme říct, že to byl významný den ve snížení energetické spotřeby celého lidstva, protože byla po 132 letech překonána klasická žárovka. Samozřejmě, se muselo udělat ještě mnoho inovací, abychom si mohli dnes vybírat kvalitní interiérová LED svítidla, odolná a prachotěsná průmyslová LED svítidla, veřejné a venkovní LED osvětlení, kompaktní LED reflektory, RGB LED pásky. Také si můžeme užívat multimediální zábavu na LED monitorech, televizích a chytrých telefonech. Opravdu široký výběr, který odstartovala LED technologie.

 

 

Co vás nejvíce zajímá

Je bílé světlo iluze?

Na rozdíl od červeného, zeleného nebo modrého světla je bílé světlo vždy složeno z více barev. A protože bílé LED dosahují bílého světla vyzařováním jen některých vlnových délek pomocí luminoforů, barva osvětleného objektu může být jiná, než na jakou jsme zvyklí od přirozeného denního světla či klasické žárovky. Tato odlišnost zdánlivě bílého světla od reálně bílého světla je vyjádřena indexem věrnosti podání barev CRI. Klasické žárovky nebo Slunce mají CRI 100% (tedy absolutně věrné podání barev) a jejich spektrum se blíží záření absolutně černého tělesa (pojem z fyziky). Naproti tomu, LED žárovky a LED čipy dnes mají CRI mezi 80 až 100%, což se považuje za dobré podání barev. Ale cvičené oko pozná rozdíl mezi CRI 80% a 100%. K dosažení vyšších hodnot CRI se na modré LED kombinuje více luminoforů. Tím ale zároveň klesá její svítivost. Dnes si můžete vybrat příjemné stropní LED svítidlo s CRI nad 85% pro interiér nebo kvalitní technická LED svítidla s CRI nad 90% pro obchody, výrobní linky a komerční prostory.

 

Jak dlouho vydrží LED svítidla?

Životnost dnešních LED žárovek a LED modulů se pohybuje od 20 000 do 80 000 hodin. Připomeňme, že první edisonovy žárovky měly životnost nejvýše 1200 hodin. Pro názornost, pokud svému právě narozenému dítěti dáte do pokoje LED svítidlo, jeho výměnu nemusíte řešit do doby, než dítě odejde na vysokou školu a na trhu budou úplně jiné a efektivnější zdroje světla. Životnost LED může být při běžném používání 20 let. Takže v roce 2023, po 11 letech, první LED žárovky Philips stále mohou svítit!

 

Výhody a nevýhody LED technologie

LED technologie má oproti konvenčním zdrojům světla několik zásadních výhod: nízká spotřeba, miniaturní rozměry a časově stálé vlastnosti. LED žárovka nikdy "nepraskne" jako klasická žárovka nebo výbojka. Za dobu svícení přesahující desítky tisíc hodin životnosti se pouze začne snižovat svítivost LED čipů. Dále jim nevadí časté zapínání a vypínání. Proto jsou ideální v aplikacích automobilových reflektorů, signalizace nebo výstražného blikání. Jsou také odolné vůči otřesům i stavu beztíže v kosmu.

Jedna z mála nevýhod LED žárovek je ta, že obsahují plastové tělo či difuzor, který nemusí být odolný vůči agresivním chemikáliím a vysokým teplotám. Například, v chemickém průmyslu či do sauny nejsou LED svítidla doporučována.

 

Čeká LED velká revoluce?

Pravděpodobně ne. Technologie LED bohužel ani nedosáhne světelné účinnosti (efektivity přeměny elektřiny na světlo) 500 lm/W. I když podle Haitzova zákona to vypadá, že každých deset let se svítivost LED zvýší 20krát, a ta poroste donekonečna. Tento zákon od Rolanda Haitze platil dobře v letech 1970 až 2010, ale jak se technologické inovace blíží fyzikálním limitům, tak se platnost tohoto zákona blíží konci. Z fyzikálně odborného odhadu z roku 2011 plyne, že bílé LED mohou dosáhnout maximální účinnosti přibližně 250 lm/W (včetně ztrát na LED driveru). Této účinnosti bychom podle Haitzova zákona měli dosáhnout kolem roku 2025. Dá se ale očekávat pomalejší tempo technologického vývoje. Pak už se nebude u bílých LED zvyšovat světelná či energetická účinnost. Mohou se však zlepšovat další parametry: životnost a CRI. Nástupcem LED by mohla být technologie OLED. O rozšíření těchto organických LED bude v budoucnu znovu rozhodovat svítivost, životnost i výrobní náklady.

 

Kolik vánočních stromečků je potřeba na shození jističe 10A ?

Zajímavá otázka. Uvažujme typický vánoční stromeček ozdobený LED řetězem. Takový světelný řetěz může mít 150 LED bílých či multibarevných a napájecí zdroj s maximálním odběrem 3W. Na shození jističe 10A bychom tedy potřebovali 767 vánočních stromečků s těmito světelnými řetězi, což je celkem 115 000 LED diod!

Druhou variantou je řetěz tradičních vánočních žárovek, které jsme možná zdědili po prarodičích. Spotřeba jedné žárovky je zhruba 3W. Pro stejný počet žárovek na stromeček jako v předchozím případě, tedy 150 žároviček, by na shození jističe 10A stačilo pouze 5 vánočních stromečků! Myslete na to a vybavte domácnost bezpečnými prvky elektroinstalace. Hlavně správné jističe a přepěťové ochrany pro citlivou elektroniku.

 

Na závěr: Jak by Jungmann pojmenoval LED žárovku?

Připomeňme, že Josef Jungmann napsal pětidílný Česko-německý slovník v klíčové době národního obrození. Zemřel bohužel ve stejném roce, jako se narodil Thomas Alva Edison a proto neviděl vynález žárovky. Nicméně, český název žárovka vznikl od slova žár, svítit žárem. Jenže LED žárovka je studená, vydává jen zlomek tepla co konvenční žárovka. Jak by tedy měl znít výstižnější český název LED žárovky? Snad "LED zářovka" od slova zářit, "LEDovka" nebo "LED studenosvitka" ...co myslíte?

Vybírejte u nás domácí, venkovní i průmyslové osvětlení, profi LED svítidla.

CHCI LED OSVĚTLENÍ

Zdroje: Wikipedia.org, Energy.gov, EdisonTechCenter.org, LEDmuseum.net, VanocniTrhy.cz