Źródła światła. Lampy żarowe, wyładowcze, LED-y

Niestety (albo „stety”) ostatnimi czasy boom na urządzenia LED-owe sprawił, że bardzo często urządzenia z „klasycznymi” lampami coraz chętniej zastępują LED-owe PAR-y, washe, naświetlacze, a nawet reflektory profilowe. Które z tych źródeł są lepsze – to pytanie, na które, jak to często w życiu bywa, nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Trzeba rozpatrzyć wiele czynników i parametrów, po czym okazuje się, że raz lepsza jest jedna, a innym razem druga technologia. Nie bawiąc się wiec w ferowanie wyroków postaram się przybliżyć w tym artykule przede wszystkim zasadę działania wymienionych w tytule źródeł światła, ich zalety i wady, a postawienie wniosków końcowych pozostawię już w gestii Czytelnika.

 

ŚWIATŁO ŻAROWE

Lampy żarowe, albo inaczej lampy o temperaturowym wytwarzaniu światła, są to źródła światła, w których do wytwarzania strumienia świetlnego używany jest drut (kiedyś był to grafit, dzisiaj stosuje się wolfram), który dzięki przepływowi prądu elektrycznego rozżarza się, wytwarzając energię cieplną (czego akurat nie potrzebujemy) i – w efekcie tego – również świetlną (na czym nam najbardziej zależy). Żarzenie skrętki powoduje parowanie cząsteczek wolframu, które osadzają się jako czarny osad wewnątrz bańki. Najczęściej lampy (żarówki) wypełnia się obojętnym gazem (helowcem lub mieszaniną helowca i azotu), aby zapobiegać utlenianiu się żarnika w wysokiej temperaturze, bowiem wraz ze wzrostem ciśnienia gazu proces ten zostaje zahamowany. Ze względu na rozmiary i niską stabilność bańki tradycyjnej żarówki nie ma jednak możliwości dalszego podniesienia ciśnienia gazu. Im większa temperatura skrętki, tym więcej światła zostaje wyemitowane. Jednocześnie następuje szybsze parowanie wolframu, co powoduje obniżenie trwałości żarówki. Dla przykładu – podwyższenie napięcia tylko o 5 % powoduje wzrost emisji światła o 25 %, ale jednocześnie obniża trwałość o 50 %. Lampy takie nie wymagają specjalnego układu zapłonowego. Aby wyeliminować opisane wyżej niekorzystne zjawiska (szczególnie wypalanie się żarnika i osadzenie wolframu wewnątrz bańki), dokonano pewnych udoskonaleń tradycyjnej żarówki, i tak powstała

LAMPA HALOGENOWA

Jest ona również lampą o temperaturowym wytwarzaniu światła, jednak jej żarnik rozgrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, znacznie wyższej niż to ma miejsce w konwencjonalnych żarówkach. Dzięki temu uzyskiwany jest odpowiednio wyższy strumień świetlny. Z uwagi jednak na to, że podczas pracy żarnika o tak wysokiej temperaturze nagrzewają się również pozostałe elementy żarówki halogenowej (szczególnie bańka szklana, która może osiągnąć temperaturę nawet 527-827^oC), bańkę halogenu wykonuje się z żaroodpornego szkła kwarcowego. Jej wymiary zostały też znacząco pomniejszone, co gwarantuje stabilność, a z kolei ciśnienie gazu zostało zwiększone, co spowolniło szybkość parowania wolframu. Poprzez dodanie halogenu do gazu wypełniającego bańkę stworzono regeneracyjny cykl halogenowy, zapobiegający zaczernieniu szkła i gwarantujący stały strumień świetlny. Cząsteczki wolframu łączą się przy temperaturze 1.400°C, jeszcze przed osiągnięciem powierzchni bańki, z cząsteczkami halogenu. Dzięki cyrkulacji termicznej ta halogenowo- wolframowa mieszanina dostaje się w pobliże rozżarzonej skrętki i pod wpływem wyższej temperatury ulega rozpadowi. Cząsteczki wolframu osadzają się ponownie na skrętce, a cząsteczki halogenu powracają do obiegu. Występowanie tego cyklu pozwala zwiększyć temperaturę żarnika do około 2.900^oC, zatem żarówki halogenowe cechują się wyższymi skutecznościami świetlnymi w porównaniu do zwykłych lamp żarowych (do 18 lumenów/wat).

Z tak wysoką temperaturą bańki żarówki halogenowej wiąże się dobrze znany wszystkim użytkownikom halogenów rysunek z przekreślonym palcem dotykającym szklanej osłony halogenu. Nie jest to bezpodstawny zakaz – nie można dopuścić do zatłuszczenia bańki (przez dotykanie gołymi palcami), ponieważ po włączeniu żarówki tłuszcz ulega „zapieczeniu”, pogarszając przejrzystość bańki i powodując deformację w rozsyle światła żarówki. W przypadku zatłuszczenia lub zakurzenia bańkę lampy należy odtłuścić przez przemycie środkami odtłuszczającymi, np. alkoholem.

Zaletą lamp halogenowych są niewielkie rozmiary, wyższa sprawność oraz 2 do 5 razy większa żywotność niż żarówek, możliwość łatwego ściemniania, brak konieczności stosowania układów zapłonowych, szybki zapłon, niewielkie straty strumienia świetlnego w okresie eksploatacji (brak przyciemniania się bańki źródła z czasem) oraz wysoki poziom wskaźnika oddawania barw. Wadą jest wysoka temperatura bańki i mocowania (trzonka), niewielka skuteczność i trwałość (żywotność) w porównaniu do lamp wyładowczych czy diod LED. Należy też zwracać uwagę przy montażu, aby na bańce nie pozostawić śladów palców.

LAMPA WYŁADOWCZA

Tutaj wybór jest naprawdę spory, jeśli chodzi o typy lamp wyładowczych, jednak większość z nich nie będzie nas interesować, gdyż nie stosuje się ich w oświetleniu używanym w teatrach, na koncertach i w klubach.

Ogólnie rzecz ujmując, lampa wyładowcza to źródło światła, które świeci poprzez wyładowania elektryczne w parach metali (np. rtęci lub sodu) lub gazów (najczęściej argonu, neonu). W zależności od typu lampy bańka może być pokryta luminoforem (specjalna farba, która zamienia niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne na widzialne). Występuje w kształcie rury lub przypominającym żarówkę, może być z gwintem lub bez. Lampa przeważnie wymagać będzie dodatkowych urządzeń zapłonowych, w zależności od rodzaju. Prawie wszystkie źródła wyładowcze wymagają urządzenia ograniczającego prąd wyładowania – statecznika (potocznie zwanego balastem). Najczęściej w tym celu stosuje się dławiki magnetyczne. Coraz powszechniej są one jednak zastępowane przez elektroniczne układy zasilające o lepszych parametrach. Urządzenia stabilizujące i zapłonowe najczęściej są montowane w oprawie.

Lampy wyładowcze mogą występować jako dobrze wszystkim znane świetlówki (lampa fluorescencyjna), neonówki (lampa neonowa) – również znane, choćby z lamp ulicznych lub oświetleniowych, lampy rtęciowe i sodowe oraz najbardziej nas interesujące lampy metalohalogenkowe i ksenonowe (te ostatnie znajdziemy najczęściej w stroboskopach).

LAMPA METALOHALOGENKOWA

Jest to lampa wyładowcza, w której światło powstaje dzięki wyładowaniu elektrycznemu w mieszaninie par rtęci, argonu oraz halogenków metali (niekiedy również innych gazów szlachetnych oraz bromu lub jodu). Warto wspomnieć, że jeszcze do niedawna, zanim zaczęły królować cyfrowe aparaty fotograficzne, światłoczułe kryształki halogenków tworzyły skład większości emulsji fotograficznych. Wymienione wyżej gazy sprężone są w bańce pod wysokim ciśnieniem, tak więc lampa metalohalogenkowa zaliczana jest do grupy lamp wysokoprężnych. Składa się z ceramicznego lub kwarcowego jarznika oraz zewnętrznej bańki szklanej, która może być pokryta powłoką rozpraszającą światło i zatrzymującą promieniowanie UV. Do działania lampy metalohalogenkowej potrzebny jest specjalny układ zapłonowy. Lampy te charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną (65-115 lm/W, podobną jak lampy sodowe), długą żywotnością (od 7.500 do 20.000 godzin) oraz dobrym oddawaniem barw (wskaźnik CRI powyżej 80), przy czym można uzyskać temperaturę barwową od 3.000 K do 20.000 K, w zależności od zastosowanej mieszaniny. W zastosowaniach estradowych i koncertowych stosuje się źródła wyładowcze emitujące promieniowanie o temperaturze barwowej ok. 6.500 K (o charakterystyce przesuniętej w kierunku krótszych fal elektromagnetycznych spektrum widzialnego). Dla porównania, lampy halogenowe emitują światło ciepłe, o temperaturze barwowej ok. 3.200 K (przesunięcie w kierunku dłuższych fal).

Generalnie lampy wyładowcze, w przeciwieństwie do lamp żarowych, wymagają pewnej ilości czasu, zarówno na rozgrzanie, jak i wygaszenie. Nie można więc gorącej lampy włączyć od razu (np. po awarii lub zaniku zasilania). Nie dotyczy to jednak lamp specjalnego typu, tzw. hot restrike (gorący restart), które – jak sama nazwa wskazuje – mogą być uruchomione zaraz po wyłączeniu (w przeciwieństwie do lamp cold strike – zimnego startu). Z innych lamp metalohalogenkowych specjalnego typu trzeba również wspomnieć o lampach wykonanych w technologii krótkołukowej, które charakteryzują się małymi wymiarami, przy jednoczesnej wysokiej luminacji i skuteczności świecenia. Na zasadzie kontrastu do lamp halogenowych można wymienić wady i zalety lamp metalohalogenkowych – to, co było wadą w halogenach (wysoka temperatura bańki i mocowania, niewielka skuteczność i żywotność w porównaniu do lamp wyładowczych czy diod LED), w metalohalogenkach nie występuje, jednak zalet światła żarowego (niewielkie rozmiary, możliwość łatwego ściemniania, brak konieczności stosowania układów zapłonowych, szybki zapłon) brakuje nam w lampach wyładowczych.

LAMPA KSENONOWA

nazywana często, błędnie zresztą, żarnikiem lub palnikiem. Zasada działania tej lampy opiera się, tak jak w innych lampach wyładowczych, na zjawisku przepływu prądu przez zjonizowany gaz (ksenon wykorzystywany jest ze względu na białą barwę świecenia), zamknięty w szklanej rurce, wywoływanego impulsem wysokiego napięcia (kilkanaście lub kilkadziesiąt kilowoltów) przykładanym do elektrod. Jonizacja gazu przez znajdującą się w bezpośredniej bliskości elektrodę zapłonową powoduje, że pomiędzy obiema pozostałymi elektrodami podłączonymi do naładowanego do około 500 V kondensatora przepływa prąd rozładowujący kondensator, co łączy się z intensywnym świeceniem wewnątrz rurki. Wyzwala się przy tym kilkadziesiąt dżuli energii zgromadzonej w kondensatorze, a całe zjawisko trwa około milisekundy. Po rozładowaniu kondensatora przepływ prądu zanika, a wraz z nim świecenie gazu. Po ponownym naładowaniu kondensatora podanie kolejnego impulsu na elektrodę zapłonową wyzwala kolejny błysk. Zjawisko to można powtarzać wiele tysięcy razy z identycznym skutkiem.

LED

W przypadku diod elektroluminescencyjnych (LED) mechanizm generowania światła (fotonów) oparty jest – jak sama nazwa diody mówi – na zjawisku elektroluminescencji. Jest to zjawisko przejścia elektronu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, jednak w tym przypadku wiąże się to z rekombinacją promienistą elektronu z dziurą, czyli z tzw. anihilacją i emisją energii w postaci fotonu. W zależności od różnicy energii pomiędzy dziurą a elektronem uzyskuje się odpowiednią długość fali wyemitowanego fotonu. Zależność między długością fali a różnicą energii jest odwrotnie proporcjonalna, co oznacza, że im większa różnica energii, tym krótsza długość fali. W spektrum światła widzialnego najkrótsze długości fali odpowiadają barwie niebieskiej, natomiast najdłuższe barwie czerwonej, co tłumaczy popularność czerwonych diod – odpowiada im stosunkowo mała przerwa energetyczna – oraz przez długie lata problemy z wytworzeniem niebieskiej diody. Wielkość przerwy energetycznej określa dany materiał półprzewodnikowy. Dzięki najnowszej technologii wytwarzania związków półprzewodnikowych i możliwości regulacji składu procentowego poszczególnych pierwiastków tworzących materiał można wytworzyć diodę emitującą praktycznie dowolną barwę światła (oprócz białej, bo, jak wiadomo, światło białe jest mieszaniną barw podstawowych – czerwonej, niebieskiej i zielonej).

Jak więc uzyskujemy barwę białą w LED-owych źródłach światła? Są trzy na to sposoby. Pierwszym z nich jest po prostu mieszanie trzech barw podstawowych (RGB). Jest to najbardziej wydajne rozwiązanie, ponieważ na wyjściu takiego układu uzyskujemy sumę promieniowania ze wszystkich diod. Ponadto umożliwia ono uzyskanie szerokiego spektrum temperatury barwowej bieli oraz wysokiego współczynnika oddawania barw (na przykład poprzez dodanie dodatkowych diod, turkusowej i/lub bursztynowej). Metoda mieszania barw jednak nie jest doskonała. Głównymi wadami są niemożność idealnego wymieszania kolorów oraz szczególna wrażliwość diod czerwonych na zmianę parametrów zasilania oraz temperaturę otoczenia. Otrzymane światło, jeżeli w obudowie nie zaplanowano wydajnego rozpraszacza, charakteryzuje się różowawą poświatą. Natomiast w niestabilnych warunkach możemy mieć do czynienia z migotaniem czerwonej diody, co przenosi się na złą jakość całego wyjściowego promieniowania.

W drugiej metodzie wykorzystuje się chipy ultrafioletowe, na które nakłada się odpowiednie luminofory lub ich zestawy. Stosuje się układ trzech luminoforów. Każdy z nich absorbuje promieniowanie ultrafioletowe, a następnie emituje światło barwy czerwonej, zielonej lub niebieskiej, które mieszając się tworzą barwę bardzo zbliżoną do białej. Zaletą takiego rozwiązania jest łatwa konstrukcja układu zasilającego tylko jedną diodę. Wadą – straty energii na luminoforach, niemożność kontrolowania temperatury barwowej ani współczynnika CRI, które są raz na zawsze ustalone w trakcie produkcji diody, oraz emitowane na zewnątrz szczątkowe promieniowanie UV, będące niebezpieczne dla zdrowia lub wzroku nieuważnych użytkowników.

Trzecią metodę nazywa się hybrydową. Jako diodę podstawową stosuje się diodę niebieską. Część jej promieniowania konwertowana jest przez jedną warstwę żółtego luminoforu, które następnie miesza się z resztą niezaabsorbowanego światła. W tym przypadku mamy do czynienia z mieszaniem barwy żółtej i niebieskiej. Dzięki temu uzyskano białą diodę łatwą w wykonaniu, o prostym obwodzie zasilającym i charakteryzującą się brakiem szczątkowego promieniowania ultrafioletowego. Niestety również ten sposób ma swoje wady – problemem jest uzyskanie luminoforów o stałych parametrach, które wpływają ujemnie na utrzymanie stałej wartości temperatury barwowej emitowanego białego światła (w obszarze jednej partii wyprodukowanych diod) oraz obniżenie wartości współczynnika oddawania barw.

Do zalet diodowych źródeł światła zaliczyć można długi czas życia diody, który określa okres, po którym jasność diody obniży się do 70% (użyteczny czas życia) lub 50% (połowiczny czas życia). W przypadku LED-ów podaje się średnio wartość 100.000 godzin pracy. W tym ujęciu zaletą LED-ów w porównaniu z innymi źródłami światła jest fakt, że jeżeli nie zniszczymy diody umyślnie lub nie podłączymy jej w kierunku zaporowym – nie nastąpi jej gwałtowne zaprzestanie działania, jak to się dzieje przy zastosowaniu na przykład żarówek czy lamp wyładowczych. Inną zaletą jest wysoka sprawność, określana liczbą lumenów przypadających na 1 wat dostarczonej mocy. Przyjmuje się, iż z jednego wata dostarczonej energii dioda może wyprodukować ok. 100 lm, przy czym nie jest to jeszcze wartość graniczna. Natomiast w przypadku tradycyjnej żarówki osiągane są wartości do 16 lm/W. Z powyższego wynika, że diody LED nie marnują energii, która w przypadku innych źródeł światła emitowana jest jako promieniowanie podczerwone – ciepło.

Diody – jeśli nie są to opisane wcześniej białe diody uzyskane z promieniowania ultrafioletowego – nie emitują promieniowania UV, co może być szczególnie ważne w zastosowaniach muzealnych itp. Z innych zalet – dzięki szczególnemu kształtowi i stosowaniu jako części obudowy elementów skupiających oświetlenie, światło emitowane przez diodę określane jest jako kierunkowe – nie występują straty związane z rozsyłaniem światła w kierunkach niepożądanych. Źródła LED-owe charakteryzują się też wysokim współczynnikiem oddawania barw, który określa jak są postrzegane barwy oświetlanych przedmiotów (najlepsze diody osiągają nawet CRI > 95). To nie koniec wyliczanki plusów. Diody LED mają bardzo krótkie czasy włączania (100 ns) i wyłączania (200 ns), dzięki czemu mogą użytkownikowi oszczędzić wielu stresów. W przeciwieństwie do lamp wyładowczych można je szybko włączać i wyłączać, i z powrotem włączać, bez zauważalnej zwłoki. Dzięki temu źródła te mogą również – bez żadnych dodatkowych urządzeń – imitować efekt strobo. Kolejną z zalet jest fakt ich łatwego dimerowania, co znów jest niemożliwe przy lampach wyładowczych.

Również w kwestii bezpieczeństwa i ochrony środowiska LED-y mają się czym pochwalić. Po pierwsze najczęściej są zasilane bezpiecznym stałym napięciem (12 V lub mniejszym), dzięki czemu nie grożą porażeniem przy nieostrożnym postępowaniu. Drugą zaletą jest to, że charakteryzuje je brak iskrzenia, które może być przyczyną wybuchu lub pożaru w kopalniach, zakładach chemicznych czy wszędzie tam, gdzie korzysta się z instalacji gazowej. A po trzecie diody LED nie zawierają trujących substancji (jak niektóre lampy wyładowcze, zawierające rtęć) oraz nie mają kruchych elementów szklanych, które mogą zostać stłuczone i grozić zranieniem.

Czy w związku z tym źródła LED-owe są idealne? Oczywiście na tym ziemskim łez padole nie ma ideałów, więc LED-y mają też wady. Jedną z nich jest opisany wyżej problem z uzyskaniem „czystego” światła białego. Drugi problem związany jest – wbrew temu, co by się wydawało – z temperaturą. Wysoka gęstość mocy przepływająca przez diodę LED powoduje znaczne grzanie się chipu, co w efekcie prowadzi do braku stabilności emitowanego światła, zmniejszenia jasności oraz skrócenia czasu życia. W związku z tym bardzo ważne jest efektywne chłodzenie. W kwestii bezpieczeństwa jest też jedno małe „ale” w stosunku do diod LED – oddziaływanie światła monochromatycznego o dużej intensywności, jakie emitują te źródła, na wzrok ludzki może być zagrożeniem dla niego. Dlatego lampy LED powinny mieć konstrukcje optyczne zapobiegające olśnieniu.

 

KONKLUZJA

Jak widać, nie da się jednoznacznie orzec, które źródło światła jest lepsze, a które gorsze. Każde z nich ma swoje zastosowanie w różnych typach urządzeń i choć coraz bardziej zarysowuje się podział, które typy urządzeń korzystają z danego typu źródła światła, zdarza się, że np. w „klasycznych” ruchomych głowach (w których do niedawna królowały lampy wyładowcze) znajdziemy żarówkę halogenową albo – coraz częściej – chip LED-owy.

W sumie można rzec, że ten dylemat jest poza nami – to nie my, ale producent decyduje jakie źródło światła zastosuje w swoim urządzeniu. Z drugiej strony to my, swoimi „portfelami”, głosujemy za tym lub innym rozwiązaniem. Póki co źródła LED-owe, choć stały się ostatnimi laty niesamowicie popularne, jeszcze nie wyparły zupełnie lamp wyładowczych, i „stare, dobre” żarówki halogenowe wciąż można spotkać nie tylko w urządzeniach typu „późny Gierek”, ale i w nowych konstrukcjach (choć, przyznać trzeba, nie tak często, jak diody LED).

Jacek Sitarski