Múdri ľudia rozdelili zdroje svetla známe človeku na generácie. Dovoľte mi preto uviesť tieto generácie a každú z nich stručne opísať. Prvou generáciou bol (a stále je) oheň, teda pochodne, ohne a neskôr sviečky a petrolejové lampy. Do tejto generácie patria vo všeobecnosti všetky svetelné zdroje, ktoré spaľujú čokoľvek, aby vydávali aspoň trochu svetla. Nie je to ideálny zdroj svetla (akokoľvek romantický), preto vedci hľadali lepšie riešenia. Taký, ktorý by vydržal dlhšie, nefajčil a nevyžadoval si neustálu kontrolu alebo dopĺňanie.

Hovorí sa, že prvú žiarovku vynašiel francúzsky vedec de Moleyns… ale oficiálnym vynálezcom bol Thomas Alva Edison. Preto mu patrí aj česť posunúť ľudstvo k druhej generácii svetelných zdrojov, k žiarovke. Myšlienka je jednoduchá: vezmeme drôt (najlepšie z nejakého žiaruvzdorného kovu, ako je volfrám) a uzavrieme ho do sklenenej banky naplnenej vzácnym plynom. Potom ho pripojíme k elektrickej sieti a drôt sa zahreje na bielu farbu, čím nám poskytne svetlo. Keďže v bubline nie je kyslík, drôt neoxiduje (t. j. nehorí), takže môže žiariť veľmi dlho. Problémom bolo, že takéto svetelné zdroje premieňali väčšinu elektrickej energie na teplo namiesto svetla, takže neboli (a nie sú, pretože ich stále hojne využívame) úsporné!

Hľadanie úspor (a niekoľko ďalších zlepšení) nás priviedlo k ďalšej, tretej generácii svetelných zdrojov, výbojkám. Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností a mierne zovšeobecňovali, možno povedať, že výbojky sú také, v ktorých sa pod vplyvom vysokého napätia začne rozpaľovať plyn. Do tejto generácie patria napríklad lineárne žiarivky, kompaktné žiarivky (nesprávne nazývané úsporné žiarovky, pretože nemajú vlákno) alebo xenónové horáky (obľúbené v automobiloch a scénickej technike). A to je v podstate všetko, čo sa týka generácií zdrojov svetla. Za toľké roky obrovského pokroku vynašlo ľudstvo len tri spôsoby výroby svetla… ach, prepáčte! Štyri!

Štvrtá generácia svetelných zdrojov

Pretože ide o štvrtú generáciu LED diód a vo všeobecnosti o svetlo založené na elektroluminiscencii. A čo je to elektroluminiscencia? Hmm… v skutočnosti je to veľmi komplikovaná záležitosť. Ak to zovšeobecníme, môžeme povedať, že ide o jav, pri ktorom dochádza k priamej premene elektrického prúdu na svetlo. Presnú a podrobnú definíciu však prenechajme vedcom a nadšencom. Pokúsim sa to opísať úplne nevedecky a veľmi zjednodušene, ale dúfam, že zrozumiteľne. Zvedavcom odporúčam opis na Wikipédii.

Štruktúra LED diódyStavba LED diódy

Mechanická štruktúra príkladu LED je znázornená na obrázku vpravo. Existuje mnoho typov LED diód a hoci sa líšia mechanickou štruktúrou, srdcom každej z nich je vždy polovodičový čip. Premieňa elektrický prúd na svetlo. Takýto polovodičový čip v dióde je zo špeciálneho materiálu, ktorý vedie prúd len v jednom smere. Zvyčajne sa skladá z kryštálov na báze kremíka s rôznymi prísadami. V LED sa tento kryštál skladá z dvoch vrstiev, z ktorých jedna sa nazýva „p“ a druhá „n“. Vrstva „n“ má v sebe veľa elektrónov a vrstva „p“ má veľa tzv. dier. Ak sa do takéhoto kryštálu pustí prúd, elektróny z vrstvy „n“ začnú preskakovať na diery z vrstvy „p“ a pri tomto skoku zostane veľa energie, ktorá sa „vyhodí“ vo forme svetla.

Bohužiaľ, materiál, z ktorého je polovodič vyrobený, nie je priehľadný, takže pre fotóny (nosiče svetla) nie je také ľahké uniknúť. Odrážajú sa od stien, strácajú energiu a len niektorým z nich sa skutočne podarí uniknúť a vytvárajú svetlo, ktoré môžeme vidieť. To súvisí okrem iného so svetelnou účinnosťou danej LED diódy. Vedci neustále pracujú na polovodičových štruktúrach, aby uľahčili únik fotónov. Pracujú aj na vytvorení transparentných polovodičov. V závislosti od typu materiálu, z ktorého sú kryštály vyrobené, a v závislosti od vzdialenosti, ktorú musia elektróny medzi vrstvami preskočiť, vzniká svetlo určitej vlnovej dĺžky, t. j. určitej farby. Napríklad červená.

A tu máme prvý veľký rozdiel, ktorý diódy LED odlišuje od všetkých ostatných zdrojov svetla. LED diódy totiž okamžite produkujú svetlo určitej farby. Iné zdroje na to potrebujú filtre, ktoré z bieleho svetla prepúšťajú len zvolenú farbu. Filtre sú nedokonalé a nielenže zastavujú časť svetla, čím znižujú jas, ale vždy prepúšťajú aj niektoré farby podobného rozsahu, čo dáva menej sýte farby. LED diódy svietia vždy len jednou konkrétnou farbou s pomerne úzkou šírkou pásma, preto sa zdajú byť také sýte a intenzívne.

Ako fungujú biele LED diódy?

Tu sa pravdepodobne mnohým z vás vynorila otázka: ak môže LED svietiť len jednou farbou, ako je možné, že existujú LED, ktoré svietia bielou farbou? Veď ako si pamätáme z hodín fyziky, biele svetlo neexistuje a v skutočnosti je to len zrakový klam, ktorý vzniká v mozgu, keď oko pozoruje niekoľko farieb naraz v správnom pomere.

Vedci tu použili malý trik. V skutočnosti je prevažná väčšina bielych LED diód modrá. Pôvodnú farbu diódy však nevidíme, pretože jej svetlo sa prostredníctvom špeciálneho luminoforu nastriekaného na šošovku diódy mení na biele. Funguje to trochu podobne ako v žiarivkách, ale používajú sa trochu iné luminofory. Samozrejme, má to aj svoje nevýhody, pretože okrem kratšej životnosti luminoforu vznikajú ďalšie straty, a tak majú biele LED diódy o niečo horšiu účinnosť ako farebné. Okrem toho majú lacnejšie luminofory nižšej kvality tendenciu časom meniť farbu a vyhorieť. Pokrok v tejto oblasti sa však zvyšuje a poprední výrobcovia LED neustále predstavujú svoje vylepšené produkty.

LED RGB alebo miešanie základných farieb

LED RGB – cesta k bielemu svetluStále existuje technika RGB, ktorá umožňuje získať bielu farbu pri zachovaní pôvodnej účinnosti LED a nemá niektoré nevýhody luminoforov. Je založený na miešaní troch základných farieb (červenej, zelenej a modrej – odtiaľ pochádza anglický názov RGB). Ak do jednej diódy vložíme tri miniatúrne diódy v týchto základných farbách, potom po zladení vhodných pomerov jednotlivých farieb získame bielu farbu. Navyše, ak dáme takejto dióde možnosť ovládať jas jednotlivých farieb, môžeme získať aj takmer akúkoľvek inú farbu. Ľudstvo pozná túto technológiu už veľmi dlho. Všetky televízory na svete fungujú na princípe RGB, rovnako ako väčšina LCD alebo plazmových obrazoviek. Túto techniku poznajú aj maliari… alebo skôr vedia, ako z niekoľkých základných farieb získať veľa farieb. Už roky sa mieša napríklad modrá a žltá farba, aby sa získali rôzne odtiene zelenej.

Technika RGB má, žiaľ, jednu nevýhodu, ak sa má použiť na výrobu bieleho svetla. Takto získané svetlo má pomerne úzku šírku pásma, a preto nie je veľmi kvalitné (nízky CRI). V profesionálnych aplikáciách sa preto do RGB pridávajú ďalšie zložky (napríklad jantár), aby sa rozšírilo spektrum a zlepšila kvalita svetla a index podania farieb.