Žárovka

Žárovka nejběžnější velikosti, závit E27

Menší varianta žárovky, závit E27

Žárovka je elektrické zařízení k přeměně elektrické energie na světlo. Funguje na principu zahřívání tenkého wolframového vodiče elektrickým proudem, který jím protéká. Při vysoké teplotě vlákno žárovky září především v infračervené oblasti, takže vydává výrazné množství tepla a zčásti září i ve viditelném světle, takže svítí. Spektrum vyzařování světla žárovky je spojité, podobné slunečnímu záření, a je pro lidské oko přirozené.

U přežhavených žárovek (projekční typy, halogeny apod.) je ve spektru i ultrafialové záření, avšak baňka žárovky z obyčejného skla je pro ultrafialové záření nepropustná. Mezi výhody žárovek patří fakt, že jí nevadí časté zapínání a vypínání.

Využití a charakteristika

Schematická značka žárovky

Žárovky jsou výrazně méně účinné než jiné typy elektrického osvětlení. Na viditelné světlo přemění přibližně 5 % elektrické energie, kterou spotřebují, většina se přemění na ztrátové teplo. Světelná účinnost žárovky je 10–15 lumenů na watt, zatímco u kompaktní zářivky je to 60 lm/W a u některých bílých LED žárovek přes 200 lm/W.

Při teplotě 500 – 600°C se žárovka začne jevit červeně. Zahřívání a nárůst teploty je rychlý a při dalším zahřívání na 1300°C, vyzařuje světlo bílé. Z optického hlediska se vlákno žárovky nechová jako absolutně černý zářič, ale jako by mělo o několik set kelvinů vyšší teplotu, neboť wolfram je selektivní zářič.

Mezi hlavní výhody žárovky, jako světelného zdroje, patřila vysoce automatizovaná výroba, nízká cena a přirozené barevné spektrum (R_a = 100), možnost přímého napájení z elektrické sítě, absence zdraví škodlivých látek. Mezi nevýhody patří především nízká účinnost (do 5 %) a nízký měrný výkon (10 až⁠ 15 lumenů/Watt), krátká životnost (10 –⁠ 25× menší než LED žárovky). Střední životnost žárovek je přibližně 1000 hodin oproti 10 000–50 000 hodin u LED osvětlení. Provozní účinnost žárovek vztažená k citlivosti lidského oka pohybuje kolem pouhých 2 %.

Nahrazování svítidel po roce 2000

Podrobnější informace naleznete v článku Nahrazování žárovek.

Žárovka se dlouho používala zejména v domácnostech jako zdroj světla, než byla nahrazena energeticky úspornějšími zářivkami a následně LED žárovkami. V automobilových světlometech, kde má být světlo soustředěno do jednoho místa, se často využívají halogenové žárovky.

Většinu žárovek lze nahradit LED žárovkami nebo vysoce intenzivními výbojkami. V řadě zemí bylo za účelem snížení spotřeby elektřiny ukončeno používání žárovek. Od září 2009 Evropská unie zakázala prodej wolframových žárovek o příkonu 100 W a od září 2012 i o příkonu 40 W. Od září 2018 platí v zemích EU úplný zákaz halogenových žárovek. Výjimku mají žárovky pro speciální použití.

K roku 2021 bylo na světových trzích světelných zdrojů více než 50 % LED žárovek. Výhodou LED žárovek je delší životnost, odolnost proti častému spínání a okamžitý start na plný světelný výkon. V některých případech i možnost nastavit libovolnou barvu světla (systémy s trojicí RGB diod).

Historie

Podle novodobých výzkumů žárovku sestrojilo nezávisle na sobě 20 vědců a vynálezců ještě před Thomasem Alva Edisonem, který ji úspěšně patentoval v roce 1879 a v následujícím roce ji úspěšně uvedl na trh. Původně bylo v žárovkách používáno uhlíkové vlákno. To bylo brzy nahrazeno wolframem. Teplota tání uhlíku je vyšší než wolframu, přesto wolfram vydrží vyšší teplotu, neboť rychlost jeho sublimace je menší.

První pokusy se žárovkou (principiálně vznik světla žhavením materiálů průchodem elektrického proudu) lze datovat k roku 1802 (Humphry Davy). Vynalezení žárovky je připisováno Heinrichu Göbelovi v roce 1854. S konstrukcí použitelné žárovky (tj. snadná výroba, manipulace, dostatečná svítivost a zároveň i rozumná životnost) experimentovali i další vynálezci. Anglický fyzik Joseph Swan použil ve své žárovce patentované v roce 1879 karbonizovaná vlákna celulózy s mnohem větší účinností a trvanlivostí. Ruský vynálezce A. N. Lodygin získal patenty na žárovky se žhavenými tenkými uhlíkovými tyčinkami v roce 1874, patent z roku 1897 Lodyginovi navíc přiznává primát v použití wolframové spirály v inertním prostředí.

Thomas Alva Edison tedy není původním vynálezcem žárovky, i když právě jeho jméno bývá s vynálezem žárovky nejčastěji spojováno. Edison své technické řešení žárovky úspěšně patentoval v roce 1879 – jeho první žárovka byla rozsvícena 21. října 1879 a svítila 40 hodin. Hned z počátku udělal žárovce velkolepou reklamu: v roce 1880 nasvítil parník, na Světové výstavě 1880 jich už svítila zhruba tisícovka. Na trh byly uvedeny žárovky v provedení s bambusovým vláknem a standardní šroubovací paticí E 27 v roce 1881. Svítily asi 600 hodin a byly drahé – 1 dolar a 15 centů. Edisonův přínos spočíval především v tom, že svoje řešení dokázal úspěšně uvést na trh, což se vynálezcům před ním nedařilo, a tím v soudní síni svůj vynález nakonec i obhájil.

Ze žárovky se později vyvinula elektronka, která byla základem elektronických přístrojů až do vynálezu tranzistoru. Efekt vyzařování elektronů z rozžhaveného vlákna objevil Edison kolem roku 1890 T, a tento efekt je po něm pojmenován.

V roce 2017 vědci z MIT publikovali výsledky výzkumu zaměřeného na zvýšení účinnosti žárovky. Kombinací vlákna se selektivním povrchem a filtru odrážejícího infračervené záření se jim podařilo významně zvýšit světelnou účinnost. V ideálním případě by se účinnost takto modifikované žárovky mohla blížit světelným zdrojům na bázi LED.

Žárovka v českých zemích

První elektrické světlo v českých zemích měl Robertův cukrovar v Židlochovicích, jeden z nejmodernějších podniků té doby. Zde se rozsvítila žárovka již v roce 1881. Na pařížské výstavě svítily žárovky v roce 1881 a téhož roku měla elektrické osvětlení Daňkova strojírna v Praze. První divadlo s vlastním elektrickým osvětlením na evropské pevnině mělo Mahenovo divadlo v Brně bylo otevřeno koncem roku 1882. Elektrické osvětlení v Národním divadle bylo zadáno v roce 1883. K místní tovární výrobě žárovek došlo ale až roku 1920.

Konstrukce

1. Skleněná baňka
2. Náplň : nízkotlaký inertní plyn
3. Wolframové vlákno
4. Kontaktní vlákno
5. Kontaktní vlákno
6. Podpůrná vlákna
7. Držák (sklo)
8. Kontaktní vlákno
9. Závit pro objímku
10. Izolace
11. Elektrický kontakt fáze

Původní Edisonovy žárovky měly uhlíkové vlákno (zuhelnatělý bambus), později byl využíván tantal (vhodné bylo ještě osmium nebo molybden). Dnes se využívá výhradně wolfram, který lépe odolává vysokým teplotám. Aby vlákno neshořelo, je umístěno v baňce z obyčejného skla, ze které je vyčerpán vzduch. U žárovek do 15 W je obvykle baňka vakuována. U žárovek s vyšším výkonem je baňka plněná směsí dusíku a argonu, někdy také kryptonem neboxenonem. Tyto náplně umožňují vyšší provozní teplotu vlákna, omezují jeho stárnutí rozprašováním nebo odpařováním. U velkých žárovek je náplň volena tak, aby se za provozu tlak v baňce přibližně srovnal s tlakem atmosférickým.

Baňky

Žárovky se vyrábějí s baňkami mnoha tvarů, ovšem standardizovaných.

Na tuto kapitolu je přesměrováno heslo baňka žárovky.

Kulové skleněné baňky mají rozměry a konstrukční označení:

• A60 – průměr 60 mm, např. pro žárovky 100 W.
• G45 – průměr 45 mm, pro žárovky nižších výkonů.

Kromě kulových baněk se používají například „svíčkové“ žárovky, s protáhlými baňkami.

Patice

Podrobnější informace naleznete v článku Patice světelných zdrojů. Na tuto kapitolu je přesměrováno heslo miňonka.

Konektor žárovek slouží i pro mechanické upevnění tohoto zařízení, nese i jeho hmotnost. Patice mají nejrůznější konstrukce, každá s vlastním typovým a rozměrovým označením nebo názvem. Existují patice závitové a nezávitové. Závitové mají nejčastěji Edisonův závit:

• E27 – o průměru 27 mm, vůbec nejběžnější závit žárovek v našich domácnostech, např. pro 100W žárovky.
• E14, tzv. miňonka – pro zúžené žárovky například do víceramenných lustrů.
• E10 – malá žárovka určená k signalizaci nebo na ozdobu
• E12, E40 …

Používají se i jiné závity, například „T--“. Nezávitovými paticemi jsou různé druhy bajonetových patic, například GU10.

Kromě jednostranných patic existuje i dvoustranně kontaktní konstrukce žárovek, tzv. sufitka. Dvoustranně jsou opaticované i klasické zářivkové trubice, ty však mají na každé straně obvykle dva kontakty, kolíčkové nebo jehlové.

Použití

Jakožto teplotní světelný zdroj dávají stálé spojité světelné spektrum, proto jsou vhodné do domácností, kuchyní, dílenských provozů a všude tam, kde je potřeba zachovat věrnost barev. Z tohoto pohledu jsou lepší než výbojové zdroje, jako zářivky a výbojky, které naopak bývají monochromatické a pulsují s frekvencí elektrorozvodné sítě, případně frekvencí danou elektronickým zapalovačem.

Výhody žárovek

• Jas žárovek se dá plynule regulovat.
• Je možné získat vyšší světelný tok zvýšením napájecího napětí; u běžné žárovky při užívání o 5 % vyššího napájecího napětí vzroste světelný tok asi o 20 %, zatímco životnost takové žárovky klesne na 50 % z původní hodnoty.
• Výroba žárovek je mnohem jednodušší, levnější a energeticky úspornější. Konstrukčně jsou jednoduché, neobsahují žádný elektronický zapalovač.
• Proveditelnost pro široký rozsah napětí od méně než voltu až po jednotky kilovoltů (na rozdíl od jiných typů zdrojů světla, u nichž je napětí dané jejich fyzikální podstatou a vyžadují dodatečné přizpůsobovací obvody).
• Dříve využívaný velký rozsah příkonů od zlomků watu po kilowaty (než byla nahrazena modernějšími a úspornějšími světelnými zdroji)
• Žárovky jsou z hlediska materiálů ekologicky nezávadné, protože neobsahují žádné nebezpečné látky (sklo, wolfram, inertní plyn jako je dusík a argon a běžný konstrukční kov na patici a držák vlákna). Zářivky, které dříve sloužily jako náhrada žárovek, se musí složitě ekologicky likvidovat jako nebezpečný odpad, protože obsahují rtuť a toxický luminofor a u zářivek s elektronickým zapalovačem další elektrotechnické součástky. U LED žárovek, podobně jako u ostatních elektronických zařízení je téměř nemožná recyklace vnitřní elektroniky, recyklovat lze pouze plastový obal a plech z patice, případně hliník z chladiče LED diod.
• Žárovky neemitují žádné nebezpečné záření.
• Žárovky vyzařují spojité spektrum světla podobně, jako je tomu u slunečního záření.
• Žárovky mohou sloužit jako kombinovaný světelný a tepelný zdroj (akvaristika, teraristika).

• Žárovky téměř neblikají, z toho důvodu je jich možné použít i tam, kde se vyskytují rychle rotující předměty (zejména v dílnách s obráběcími stroji).

Nevýhody žárovek

• Velmi nízká energetická účinnost – většina elektrické energie (až 95 %) se promění v teplo. Účinnost žárovek ovšem roste s příkonem (viz tabulka Světelná účinnost). Pokrytí vlákna vrstvou však může zvýšit účinnost.
• Žárovky mají kratší životnost, která se pohybuje nejčastěji kolem 800–1000 hod. provozu. Jde o ekonomický kompromis mezi účinností a životností; vysoce účinné přežhavené žárovky (např. v kinoprojektorech) mají velmi krátkou životnost, naopak tzv. podžhavené (též dlouhoživotné) žárovky s nízkým světelným tokem (tedy nízkou účinností) mají násobně delší životnost.
• Některé halogenové žárovky emitují také ultrafialové záření, avšak baňka žárovky je pro něj prakticky nepropustná.
• Regulace jasu ovlivňuje barvu světla, od tmavě červené po jasně bílou (na rozdíl např. od LED, kde se s příkonem a jasem spektrum vyzařovaného světla nemění)

Regulace výkonu

Konstrukce žárovkám dovoluje jejich používání i při nižších, než jmenovitých napětích: příkon je přímo úměrný kvadrátu napětí, takže i produkovaný světelný zářivý výkon se s napětím plynule mění. Pro regulaci se i v domácnostech běžně používají tzv. stmívače. Stmívače jsou naopak nepoužitelné u obyčejných zářivek, například kompaktní zářivka se jím zničí.

Přežhavené žárovky

U vysoko přežhavených žárovek (také halogenových) bývá provozní tlak mnohonásobně vyšší, než atmosférický. To je třeba brát na zřetel a omezit možnost exploze speciálním sklem, síťkou a podobně. Tam, kde tato možnost není, (optická zařízení, reflektory) je nutno počítat s rizikem rozlétnutí žhavých střípků. Tyto žárovky bývají plněny halogenidovými sloučeninami, původně čistým jódem, nyní různými organickými sloučeninami bromu (brommetan, bromofosfonitrit, apod.)

Halogenová žárovka

schéma halogenového cyklu

Podrobnější informace naleznete v článku Halogenová žárovka.

Halogenová žárovka je speciální druh žárovky, u které se dosahuje vyšší teploty vlákna (a tedy vyšší světelné účinnosti a bělejšího světla) a/nebo delší životnosti tím, že se do atmosféry uvnitř baňky přidá sloučenina halového prvku (halogenu, např. bromu nebo jódu). V žárovce probíhá tzv. halogenidový cyklus, kde se při vysoké teplotě vypařující wolfram slučuje a rozpadá např. s bromem. Díky tenzi wolframových par v blízkosti vlákna se omezuje jeho vypařování – výsledkem je asi o 10 % delší životnost a zvýšení světelného toku (měrný zářivý výkon až 20 lm/W).

Srovnávání s LED

Při porovnávání LED žárovek a klasických žárovek se porovnává světelný tok v lumenech. Vždy je nutné zkontrolovat světelný tok, který by měl být alespoň takový, jako nahrazovaná žárovka. Na obalech LED žárovek se však vedle skutečného příkonu obvykle také uvádí, jak silnou klasickou žárovku (ekvivalentní příkon ve Wattech) tato LED žárovka nahrazuje se stejnou svítivostí, protože zákazníci již mají tato čísla většinou zažitá (např. LED žárovky do stolních lamp dnes mívají příkon 5–7 Wattů, zákazník však shání „čtyřicítku“). Navíc je nutné zohlednit barvu (teplotu) světla a směrovou vyzařovací charakteristiku.

Tabulka světelných toků pro klasickou žárovku

Příkon (Watt)	Světelný výkon (lumen)
100	1300–1400
75	920–970
60	700–750
40	410–430
25	220–230

Reference

Související články

• Zářivka
• LED žárovka
• Nahrazování žárovek
• Plánované zastarávání
• Edisonův závit

Literatura

• Šťastný J., Remek B.: Autoelektrika a autoelektronika, T.Malina nakladatelství 2003, ISBN 80-86293-02-5.
• Habel Jiří: Světelná technika a osvětlování, FCC Public 1995, ISBN 80-901985-0-3.
• LÁNÍČEK, Robert. ELEKTRONIKA - obvody, součástky, děje. Praha: BEN - technická literatura, 1998. ISBN 80-86056-25-2. Kapitola 2.5, s. 77–78. 

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu žárovka na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo žárovka ve Wikislovníku
• Od klasických až po LED žárovky ElektroTrh.cz, 23. únor 2012

Autoritní data	NKC: ph778886 PSH: 2366 BNF: cb122625884 (data) GND: 4122178-3 LCCN: sh85041761 NDL: 00561385 NLI: 987007536058105171