Oświetlenie LED – jak to działa?

Szereg najważniejszych właściwości latarki LED wynika z innego niż w konwencjonalnej żarówce sposobu przetwarzania energii elektrycznej w energię świetlną. Wiadomo, że głównym elementem jakiejkolwiek żarówki jest nić żarzenia, która rozżarza się pod wpływem prądu elektrycznego do takich temperatur aż zaczyna się świecić. Wydajność świetlna żarówki w bardzo dużym stopniu zależy od temperatury żarzenia, przy zbyt niskich temperaturach żarówka promieniowałaby tylko światło w zakresie podczerwieni, które nie jest widzialne dla ludzkiego oka i właśnie dlatego nie jest światłem w ścisłym tego słowa znaczeniu. Z kolei przy wysokich temperaturach nić żarzenia szybko się wypala na skutek oderwania się od niej atomów metalu pod wpływem wzmożonego ruchu Browna, następuje termiczna erozja nici. Zapełnienie bombki żarówki gazem szlachetnym (kryptonem lub ksenonem) jedynie spowalnia ten proces i wydłuża żywot żarówki, nie jest w stanie jednak zapobiec erozji całkowicie. Na dodatek żarówka powoduje nagrzanie się odbłyśnika i obudowy latarki do całkiem wysokiej temperatury co jest szczególnie zauważalnie w przypadku posługiwania się nowoczesnymi mocnymi latarkami w kompaktowej szacie.

Dioda świetlna emituje światło bez nagrzania się jakiegokolwiek jej elementu, jest to proces bezpośredniego przetwarzania w światło nadmiaru energii swobodnych elektronów łączących się z pozytywnie załadowanymi jonami (tzw. „dziurkami”) w niektórych półprzewodnikach. W związku z tym dioda świetlna pozostaje chłodna i nie ulega obciążeniom termicznym, można ją więc zrobić z innego materiału niż żaroodporne szkło. Półprzewodnikowy element jest po prostu zatapiany w plastyku o dużym stopniu przezroczystości (optical grade plastic po angielsku), najczęściej na bazie epoksydowej. Tu należy szczególnie podkreślić, że dioda świetlna to monolityczny kawałek przezroczystego plastyku bez jakiejkolwiek wolnej przestrzeni w środku. Taka konstrukcja nadaje diodzie wyjątkową, nieosiągalną dla szklanej żarówki, wytrzymałość mechaniczną, nawet przejechanie samochodem ciężarowym nie zniszczy jej całkowicie, najwyżej porysuje powierzchnię.

oswietlenie-led

Luźno wisząca pomiędzy dwoma elektrodami nić żarzenia żarówki może zostać zerwana na skutek bezwładności nawet bez zniszczenia szklanej bombki, wystarczy że żarówka dozna wystarczająco mocnego wstrząsu. Nic takiego nie dzieje się z diodą świetlną gdyż tam po prostu nie ma nic do zerwania się. Jedyne co może mechanicznie zaszkodzić diodzie to roztrzaskanie jej młotkiem na kowadle.

Czyli mamy już pierwszą ważną zaletę latarki zbudowanej na bazie diod świetlnych – nieporównywalnie większą wytrzymałość mechaniczną. Nawet uderzenie z całą siłą w kamień lub upuszczenie z piętra na beton nie powinno zniszczyć – to znaczy pozbawić zdolności świecenia – dobrej klasy latarkę LED. Drugą zaletą jest żywotność diody świetlnej wielokrotnie przekraczająca żywotność żarówki. Skoro w diodzie nic się nie żarzy – nie ma co się wypalić. Oczywiście zdolność świecenia się półprzewodników pod wpływem prądu z czasem ustaje, ale następuje to po bardzo długim okresie. Żywotność diod świetlnych szacowana jest przez producentów na około 10 000 godzin (czyli ponad rok!) pracy. Dla porównania żywotność wysokowydajnej kompaktowej żarówki do nowoczesnej latarki szacuje się na 20-50 godzin pracy. Tu nie ma błędu, żarówka latarki „żyje” wielokrotnie krócej, niż ta w żyrandolu. Głównie z powodu wyższej temperatury żarzenia i dużych obciążeń cieplnych, czyli dużej emisji ciepła w ograniczonej przestrzeni i utrudnionych warunków chłodzenia.

Kolejna istotna zaleta latarek LED to nieporównywalnie dłuższy czas pracy baterii. W dużym stopniu wynika to z braku wymuszonego ogrzewania wszechświata na swój koszt, jak to się dzieje w przypadku korzystania z konwencjonalnych żarówek przetwarzających lwi udział energii baterii w ciepło. Rzadko która latarka z konwencjonalną żarówką potrafi świecić dłużej niż kilka godzin od jednego kompletu baterii. Dla porównania, niektóre latarki LED mają czas ciągłego świecenia rzędu wielkości kilku dób. Taka różnica wynika z oszczędności energii na straty cieplne, ale nie tylko. Dioda świetlna pobiera mniejszy prąd co umożliwia stosowanie baterii bardziej wydajnych, innymi słowy – akumulujących więcej energii elektrycznej na jednostkową masę i objętość oraz mających dłuższe terminy przechowania. Zaawansowanej konstrukcji baterie, np. litowe, zachowują swój ładunek nawet do 10 lat. Na dodatek latarka LED potrafi „wyssać” baterie do reszty i nadal świecić sensownie, kiedy żadne inne urządzenie od tych baterii już nie działałoby w ogóle. Przykład z mojej praktyki. Kolega wyjął komplet z 4 alkalicznych baterii-paluszków (typ AA, czasami u nas można spotkać też określenie R6) ze swego aparatu fotograficznego, bo już nie były w stanie zasilać silników autofokusa i przewijania filmu. Ja włożyłem je do swej lampy błyskowej, energii wystarczyło jeszcze na trzy klisze, czyli ponad 100 błysków. Kiedy już czas ładowania lampy zrobił się nie do zaakceptowania przełożyłem 2 baterie do latarki LED i ona świeciła jeszcze ciągle przez prawie dwie doby! Wprawdzie na końcu już bardzo słabo ponieważ była to tania dalekowschodnia latarka bez elektronicznego regulatora napięcia, obecnego w wyrobach markowych, ale nadal wystarczająco dobrze by nie fiknąć kozła w ciemności z nieznajomych schodów.

W sprawach technicznych nie bywa jednak darmowych korzyści. Do niedawnych czasów najistotniejszą wadą diod świetlnych, silnie ograniczającą praktyczne ich zastosowanie w latarkach, był wysoki ich koszt, wielokrotnie przekraczający koszt konwencjonalnych żarówek. Jak to zwykle dzieje się z wyrobami hi-technology, na miarę doskonalenia metod produkcyjnych i poszerzenia się produkcji, ceny diod spadły praktycznie do poziomu zaawansowanych konstrukcyjnie żarówek i w chwili obecnej konkurują one w sensie ceny praktycznie na równych zasadach. Natomiast wadą wrodzoną diody świetlnej, na poprawienie której na razie nie zanosi się, jest brak możliwości dużej koncentracji energii świetlnej jak to się dzieje w żarówce. Innymi słowy, dioda świeci bezwzględnie słabiej i jej mocy świetlnej nie da się zwiększyć. Dla zwiększenia mocy latarki umieszcza się na jednym odbłyśniku kilka, nawet do kilkunastu diod, które mimo wszystko dają światło rozproszone. Aby skoncentrować go w wąskiej wiązce o wysokim natężeniu (strumieniu) świetlnym trzeba byłoby zastosować duży, o skomplikowanej budowie i, co za tym idzie kosztowny i podatny na uszkodzenia, system optyczny. Znacznie prościej w tym przypadku zastosować konstrukcję z żarówką.

Pewnym mankamentem, przynajmniej w niektórych przypadkach, jest też wysoki koszt baterii. Owszem, służą one znacznie dłużej, nie o tyle jednak by godzina świecenia latarki LED okazała się tańszą niż w przypadku latarki konwencjonalnej albo chociażby dorównała się jej cenowo. Na dłuższą metę korzystanie z latarki LED może okazać się nie o wiele droższe (lub wcale), niż z konwencjonalnej, chociażby z powodu braku konieczności wymiany żarówki co jakiś czas. Jednak kiedy na początku trzeba wydać 20-50 zł za komplet baterii – wiele osób może uznać taki wydatek jako nie do zaakceptowania. Jednak ta reguła nie jest jednoznaczna gdyż całkiem sporo tańszych latarek LED używa zupełnie „normalnych” baterii, np. tychże „paluszków” AA.

Podchodząc od strony praktycznej – kiedy powinniśmy wyposażyć się w latarkę LED, a kiedy trzeba oddać preferencje latarkom z żarówką? Odpowiedź na to pytanie zależy przede wszystkim od warunków użytkowania, czyli od tego na czym nam najbardziej zależy.

Warto oddać skorzystać z nowoczesnych technologii i wyposażyć się w latarkę LED w przypadku, kiedy ponad wszystko zależy nam na żywotności urządzenia i jak najdłuższym czasie pracy od jednego kompletu baterii. Udając się w długą, zwłaszcza pieszą, podróż w niezamieszkałych lub dalekich od cywilizacji terenach nie będziemy musieli wówczas taszczyć na sobie kilku zapasowych kompletów baterii i żarówek. Warto też zdecydować się na użytkowanie latarki LED kiedy zależy nam na jak największej niezawodności i mechanicznej wytrzymałości sprzętu. Jeśli używamy latarki wyposażonej w kilka diod – jesteśmy w sytuacji o tyle komfortowej, że nawet w przypadku awarii jednej z nich pozostałe nadal będą świeciły ponieważ są połączone równolegle.

Niższe natężenie światła z kolei ma w podróży marginalne znaczenie ponieważ do zastosowań typowo turystycznych, np. poruszania się w ciemności, albo remontowych, np. pracy w świetle latarki, sięgające odległości kilu metrów i rozproszone na większej powierzchni światło latarki LED akurat jest korzystniejsze niż wąska, przesadnie jaskrawa wiązka. Latarka LED wygrywa bezwzględnie również w przypadku, kiedy zależy nam na jak najmniejszych wymiarach urządzenia. Ze względu na możliwość wykorzystania baterii o długich terminach przechowywania warto zdecydować się na latarkę LED w przypadku narzędzia awaryjnego, którego nie używa się na co dzień. Np. latarka konwencjonalna, przechowywana w domu na przypadek wyłączenia światła, wysoce prawdopodobnie zdąży rozładować się samoczynnie zanim zostanie użyta gdyż światło nie gaśnie aż tak często, a o regularnym sprawdzaniu terminu ważności baterii najprawdopodobniej po prostu zapomnimy. Gorzej to może się skończyć w sytuacjach, kiedy latarka stanowi część ekwipunku ratowniczego, np. ta wożona w samochodzie na przypadek awarii lub w karetce pogotowia ratunkowego.

Jeśli z kolei zależy nam na jak największym zasięgu wiązki świetlnej latarki – należy zdecydować się na latarkę konwencjonalną, z nowoczesną wysokowydajną żarówką. Kiedy komandosi ruszają na szturm opanowanego przez przeciwnika budynku w warunkach ograniczonej widzialności, używają kompaktowych latarek zamocowanych bezpośrednio na broni, tzw. oświetlenia taktycznego, dla niezawodnego rozpoznania przeciwnika i ułatwienia celowania. Taka latarka musi generować wąską wiązkę światła o dużym natężeniu, więc ponad wszelką wątpliwość musi być to latarka konwencjonalna. Strażnik, pieczy którego powierzono duży otwarty teren lub olbrzymią halę też powinien wyposażyć się w latarkę konwencjonalną, tak samo jak kierowca karetki pogotowia, wozu strażackiego lub policyjnego wypatrujący z samochodu nazwy ulic i numerów domów w nieznanej okolicy. Warto też zdecydować się na konserwatywne rozwiązanie kiedy najniższy koszt zakupu ma preferencyjne znaczenie, np. kupując latarkę dla wyjeżdżającego na kolonię dziecka, które – wiadomo – i tak ją tam zgubi. Jednak dla nieco bardziej poważnych zastosowań korzyść najniższego kosztu zakupu już nie jest tak oczywista, wiadomo, że czasami przesadnie oszczędny potrafi zapłacić podwójnie albo i więcej.

Share