Les LED (suite)

A cause des températures estivales à Grenoble (minimum 30°C à l'ombre à l'extérieur et 28°C dans mon appartement), la décision fut prise de remplacer toutes mes lampes à incandescence par des lampes à LED si toutefois j'arrivais à en trouver qui puissent éclairer suffisamment.

En effet,

• les lampes à incandescences, c'est 95% de chaleur, 5% de lumière. Nombre de commutation illimité, durée de vie de 1000h, peu de champ électrique (0.2V/m), prix : environ 1€
• les lampes fluocompactes, c'est 25% de chaleur et 75% de lumière. Nombre de commutation limité, durée de vie de 6000h à 15000h, champ électrique pouvant aller jusqu'à 180V/m, prix : environ 10€
• les LED, c'est 5% de chaleur et 95% de lumière. Nombre de commutation illimité, durée de vie de 25000h, champ électrique négligeable, prix : entre 15€ et 60€

Je me rends tout d'abord chez Bricomann où j'achète dans un premier temps, pour ma lampe de bureau, une lampe à LED de 1W de marque ASALUX comprenant à l'intérieur 21 LED et de douille E14. Cette lampe fonctionnant encore, j'en achète une autre dans le même magasin de 4W de marque ASALUX comprenant à l'intérieur 60 LED et de douille E27. Cette-ci étant à bas coût (15€), elle éclairait peu et a finit par claquer au bout de 1 an soit environ 1800h. Dommage pour moi. Je n'ai pas gardé le ticket de caisse, donc pas de remboursement ou d'échange possible au magasin.

En plus, après avoir démonté cette lampe, je me suis rendue compte qu'elle contenait un petit circuit imprimé redressant la tension EDF puis fournissant aux 60 LED (câblées en série) une tension et un courant continus. Ce petit circuit possédait un fusible soudé dessus. En gros, 1 seule LED ou alors le fusible grille et la lampe à LED ne fonctionne plus. Je trouve ça aberrant pour le client mais intelligent pour le fabricant. Suis-je tombée sur un mauvais produit ou est-ce normal pour cette marque? Je ne le saurai jamais.

Voulant toujours faire des économies mais aussi éviter la production de chaleur grâce à mes lampes, je me rend cette fois-ci chez Kéria, spécialiste et vendeur de luminaire et d'abat-jour. Ils ont bien des lampes à LED avec des culots E27 mais pas assez puissantes pour éclairer correctement mon appartement de 30m² (J'ai besoin de 3 lampes). Je me rends donc ensuite chez Laurie Lumière, lui aussi spécialiste et vendeur de luminaire et d'abat-jour. J'arrive à trouver des lampes à LED suffisamment puissantes pour éclairer mes 30m². J'achète 3 lampes à LED pour un prix total de 177€ et je les installe à la maison. Et là WAOU : CES LAMPES ÉCLAIRENT SUPER BIEN!! AUSSI BIEN QU'UNE LAMPE A INCANDESCENCE DE 55W!! A ce prix-là, elles sont garanties 10ans.

Mais, réaliserai-je réellement des économies? Faisons ensemble le calcul. Une lampe à incandescence de 55W coûte 1€ à l'achat contre 59€ pour une lampe à LED de 6.5W. Une lampe à incandescence de 55W consomme 96.25kWh/an contre seulement 11.375kWh/an pour une lampe à LED de 6.5W. EDF nous facture 0.0819€ le kWh. Donc une lampe à incandescence de 55W nous coûte 7.88€ par an et une lampe à LED de 6.5W nous coûte 0.9316€ par an.

En considérant que je remplacerai une lampe à incandescence tous les ans (10 lampes pour 10 ans), sur 10 ans elles me coûteront 88.8€. Par contre je remplacerai une lampe à LED tous les 10 ans maximum (1 lampe à LED pour 10 ans), sur 10 ans elles me coûteront 67.316€. Donc sur 10 ans j'économiserai 21.5€ par lampe à incandescence de 55W remplacée par une lampe à LED de 6.5W.

En conclusion, le coût d'une lampe à incandescence reposant principalement sur sa consommation électrique et non sur son coût à l'achat, sachant aussi que les tarifs de l'électricité augmente avec les années, l'investissement dans l'achat de lampe à LED est plus économique sur le long terme.

Evolution du courant dans les lampes à décharge

Le courant dans toutes les lampes à décharge possède 3 phases :
* le courant transitoire,
* le courant de préchauffage,
* le courant en régime permanent.
 

Courant d’appel : Le courant d’appel représente le courant absorbé par une lampe électrique suite à la mise sous tension. Le courant d’appel est strictement dépendent de la tension d’entrée appliquée, de l’impédance, de la source, des fils d'entrée et des paramètres internes de l’alimentation.
Les causes de ce régime transitoire peuvent être différents en fonction des chaque technologie de lampes. On peut avoir des courant d’appel suite à des variations des résistances (pour les lampes à incandescence) ou des courants d’appel causés par la saturation des circuits magnétiques des ballasts / transformateurs ferromagnétiques. Dans le cas d’utilisation des ballasts électroniques, le régime transitoire à la mise sous tension est lié à la charge initiale des condensateurs de filtrage (condensateur installé dans le ballast en sortie du pont de diode d’entrée). En fonction des impédances de câblage, le courant d’appel pour un ensemble de lampes est de l’ordre de 5 à 100 fois le courant nominal pendant quelques millisecondes.
Ce courant étant très important, il joue un rôle significatif dans le choix des équipements de protection et des composants électriques qui se situent en amont de ce charges tels que le disjoncteur ou fusibles, contacteur, connecteurs et section des fils.
On retrouvera un courant d'appel plus élevé si le ballast commence à être alimenter quand la tension est maximum.
 

Courant du préchauffage : Toutes les lampes à décharge (fluorescentes et haute intensité) nécessitent une phase d’ionisation du gaz et des électrodes avant l'allumage qui engendre une surconsommation sur le réseau. Ce courant est généralement deux fois supérieur au courant nominal de fonctionnement d’une lampe. Dans la pratique, il est également possible trouver des courants de préchauffage plus petits que le courant nominal – la limitation du courant de préchauffage est due à l’utilisation d’un dispositif du type « soft-start » intégré dans le ballast.

Courant de régime établi : Lorsqu'il n’y a plus de perturbations dans le système, celui-ci a atteint son état d'équilibre, on dit qu'il est en « régime permanent ».

Les ballasts ferromagnétiques

Les ballasts ferromagnétiques, utilisés pour l'alimentation des lampes à décharge, ont un rôle double : il permet de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage de la lampe puis, une fois la lampe allumée, il permet de limiter la tension à ses bornes.

Les éléments entrant en jeu sont :
* la lampe à décharge,
* le ballast est une inductance,
* le starter (pour les tubes fluorescents) ou l'amorceur (pour les autres lampes à décharge) est un dipôle électrique qui se comporte comme un interrupteur. Au départ, il n'est pas conducteur,

# les starters sont des dispositifs d'amorçage qui, en combinaison avec l'impédance du ballast, provoquent une surtension momentanée sur la lampe, de plus, assurent le préchauffage des cathodes. Ils sont destinés en particulier aux lampes fluorescentes,
# les amorceurs sont des dispositifs d'amorçage qui se distinguent des starters par le fait qu'ils n'assurent pas le préchauffage des électrodes. Ils sont donc utilisés avec les lampes à décharge à cathodes non préchauffées qui requièrent pour l'amorçage une tension assez élevée, qu'il ne serait pas économique de produire à l'aide d'un transformateur élévateur à dispersion. Les amorceurs sont en principe des générateurs d'impulsions à semi-conducteur, les impulsions pouvant être ou non synchronisées avec un certain angle de phase de la tension du réseau.

Le ballast est en série avec la lampe, tandis que le starter ou l'amorceur est en parallèle avec la lampe à décharge.

Le schéma de câblage est donné aux figures suivantes.

Immédiatement après la mie sous tension du luminaire, la tension du réseau basse tension est suffisamment importante pour établir une décharge dans le starter. Son bilame étant chauffé par cette décharge, sa partie mobile va se déformer et entrer en contact avec sa partie fixe. A partir de ce moment, un courant électrique parcourt aussi les électrodes de la lampe qui commencent à chauffer. En même temps, le bilame du starter commence à se refroidir et finit par s'ouvrir, coupant ainsi un circuit de nature inductive. Le ballast va libérer l'énergie accumulée pendant ce temps et va appliquer une surtension (entre 600 et 1000V) aux bornes de la lampes. La décharge dans le gaz s'amorce alors si les électrodes sont suffisamment chaudes. Dans le cas contraire, le cycle qui vient d'être décrit recommence jusqu'à ce que la décharge s'amorce. Une fois amorcé, le ballast limite le courant dans la décharge à son niveau nominal.

L'inconvénient des ballasts ferromagnétique est qu'ils déphasent le courant par rapport à la tension, dégradant ainsi le facteur de puissance. Afin de compenser cet effet, des condensateurs sont associés au ballast. Les condensateurs déphasent à l'inverse le courant, rétablissant ainsi le facteur de puissance global du luminaire. Les avantages principaux du ballast ferromagnétique sont sa simplicité d'utilisation et son bas coût. Toutefois la difficulté d'ajouter des variateurs de lumière, l'effet de flicker ou sa faible efficacité énergétique représentent des éléments en sa défaveur.

Les ballasts électroniques

Les ballasts électroniques remplacent l'ensemble ballast ferromagnétique – amorceur – condensateur pour l'alimentation des lampes à décharge. L'intérêt d'utiliser ce type de dispositif d'alimentation réside dans le fait que la fréquence d'alimentation de la lampe est augmentée à quelques dizaines de kHz par rapport à la fréquence du réseau basse tension (50 Hz), en fonction de la technologie utilisée. En effet, en haute fréquence le gaz dans le tube ne peut pas se déioniser entre deux périodes. Cela se traduit par une meilleure efficacité, une durée de vie plus longue et la disparition du phénomène de flicker. En même temps, l'inductance permettant de fournir la tension d'amorçage de la lampe est moins encombrante, diminuant ainsi les pertes Joule.

Cependant, la solution électronique est beaucoup plus complexe que la variante classique d'alimentation et impose un investissement initial élevé. A cause du fonctionnement en haute fréquence, ces luminaires produisent des champs électromagnétiques qui pourraient perturber la santé et l'environnement. Elles génèrent d'importants rayonnements radioélectriques (gêne pour les équipements de radiocommunication). Par exemple, contrairement aux ampoules classiques, les champs produits par les lampes fluocompactes allumées détectés à 20cm atteignent entre 4 et 180V/m pour des puissance allant de 11 à 20 Watts. Ce n'est qu'à une distance d'un mètre qu'on retrouve une valeur de 0,2 V/m, (la norme imposant 28V/m maximum). A ce jour, il est donc déconseillé d'utiliser ces lampes en tant que lampes de chevet ou de bureau.

On distingue deux types de ballasts électroniques, le ballast LPF (Low Power Factor = faible facteur de puissance) généralement utilisé pour les lampes et le ballast HPF (High Power Factor = forte facteur de puissance) utilisé pour les tubes fluorescents et les lampes à décharge haute pression.

Les ballasts HPF ont un facteur de puissance proche de 1, grâce à leur correction intégrée et leur redressement de type sinusoïdal. Cette correction, peut être de type passive (self de choc à l'entrée du ballast) ou active (convertisseur de type boost dans l'étage redresseur). Pour les ballasts LPF utilisés en nombre très important, une compensation globale du facteur de puissance de type filtrage est nécessaire au niveau du réseau électrique.

Le schéma de câblage est donné à la figure suivante.

Le schéma de principe d'un ballast électronique pour l'alimentation des lampes à décharge est montré dans les 2 figures suivantes.

Les principales parties constitutives d'un ballast électronique sont :

* le filtre CEM d'entrée;

* l'étage redresseur (avec ou sans circuit de correction du facteur de puissance);

* le condensateur de lissage de la tension redressée;

* l'étage onduleur (demi-pont capacitif).

Le ''filtre d'entrée'' est utilisé pour atténuer l'interférence électromagnétique générée par les étages haute fréquence du ballast. Il protège aussi le ballast contre d'éventuels phénomènes transitoires du réseau.

Le ''redresseur'' consiste en un pont de diodes et un condensateur de filtrage de la tension au niveau du bus continu. Ce type de conversion est caractérisé par un facteur de puissance très faible et donc des perturbations harmoniques sont attendues notamment en harmonique 3.

L'étage haute fréquence consiste en général en un ''onduleur en demi-pont capacitif''. Ce dernier permet l'alimentation de la lampe en haute fréquence et l'inductance en sortie de l'onduleur permet de limiter de courant dans la décharge.

Le dernier sous-système, celui dédié au ''contrôle du ballast'', est composé de système qui permettent d'injecter le courant correspondant pour chaque phase de fonctionnement de la lampe. Le système de contrôle peut être soit un système simplifié soit composé par des systèmes très complexes basés sur des microprocesseurs en fonction du type de ballast et de lampe.

Si des équipements de filtrage ne sont pas utilisés, la non-linéarité du ballast électronique introduit dans les réseaux électriques des perturbations harmoniques importantes. En effet, pour les équipements d'alimentation des lampes avec une puissance nominale supérieures à 25W, la ''correction du facteur de puissance'' est recommandée.

Deux types de solutions sont donc utilisées pour la correction du facteur de puissance : passives et actives.

Une des solutions de filtrage passif consiste en l'utilisation d'une inductance de valeur très importante à la sortie du redresseur et d'un condensateur en parallèle par rapport à la source de tension. Le facteur de puissance peut ainsi monter jusqu'à 0.95. Ce type de solution est robuste et économique. Cependant, la taille et le poids de ces solutions sont des éléments qui plaident en leur défaveur.

La solution active consiste en l'utilisation de redresseurs à prélèvement sinusoïdal. Deux solutions sont possibles :

# la première, plus utilisée, est le redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur

# la seconde consiste quant à elle en un onduleur de tension à facteur de puissance unitaire.

Ces deux solutions permettent une extraction de l'énergie du réseau via des courants sinusoïdaux.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède deux étages de commande. Le contrôle interne a pour tâche de poursuivre un courant sinusoïdal redressé dont la phase est celle du réseau et dont l'amplitude est fournie par la boucle externe de réglage de tension du bus continu. La solution à base d'onduleur de tension est similaire avec toutefois une différence sur le courant poursuivi qui est cette fois-ci purement sinusoïdal.

Le redresseur à diode couplé au hacheur élévateur possède un asservissement du courant dans la bobine (iL) et de la tension de sortie du redresseur (Vs). Vu de la source, le convertisseur doit se comporter comme une résistance : i1 est sinusoïdal, en phase avec e1 (cos ϕ = 1). Par commande du transistor T, la régulation force iL à suivre une consigne de courant du type sinusoïdal redressé double alternance. De ce fait, nécessairement, la forme de i1 est sinusoïdale et en phase avec e1. De plus, pour maintenir en sortie la tension Vs à sa valeur nominale, la régulation agit sur la valeur moyenne de iL.
Un exemple de redresseur à diode couplé à une hacheur élévateur est donné ci-dessous :

Le ballast électronique rend la fréquence du signal électrique (courant et tension) aux bornes de la lampe en régime permanent et en régime de préchauffage bien plus élevée que celle de réseau (50Hz). En effet, l'alimentation de la lampe par une tension à haute fréquence permet d'éliminer le phénomène de papillotement et les effets stroboscopiques.

Le courant en régime de préchauffage est en retard sur la tension aux bornes de la lampe et que le courant en régime permanent est en phase avec la tension aux bornes de la lampe.

Les ballasts électoniques disposent de condensateurs antiparasitage responsables de la circulation d'un courant de fuite permanent de l'ordre de 0,5 à 1mA par ballast. Ceci conduit à limiter le nombre de ballasts qu'il est possible d'alimenter par un Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR). A la mise sous tension, la charge de ces condensateurs peut provoquer également la circulation d'une pointe de courant dont l'amplitude peut atteindre quelques ampères ce qui peut provoquer le déclenchement intempestif.

Pourquoi nos vaches craignent-elles la foudre ?

Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol dont le potentiel électrique devient plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et de la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand (amplitude d'un «pas»), pour une résistivité donnée. Plus cette tension est importante, plus le courant qui peut alors circuler par les membres inférieurs est important. Ce phénomène est appelé « tension de pas », plus élevée pour une vache orientée dans la direction du rayon d'un cercle dont le centre est l'impact, que pour un homme. Foudre et Tension de pas

Les LED

    Nick Holonvak Jr. (né en 1928) est le premier à avoir créé une LED à spectre visible en 1962. Pendant longtemps, les chercheurs ont cru devoir se limiter aux trois couleurs : rouge, jaune et vert. La diode bleue a été mise au point en 1990 par le Dr. Shuji Nakamura, alors employé par la société Nichia, suivie par la diode blanche, point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d'ordinateurs.

    Une diode électroluminescente, couramment abrégée sous le sigle DEL en français, et de plus en plus souvent sous l'anglicisme LED, est un composant électronique, une diode, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique.

    Une LED produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Elle fait partie de la famille des composants optoélectroniques.

Avantages :

• facilité de montage sur un circuit imprimé,
• excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations),
• faible à très faible consommation électrique due à un très bon rendement,
• durée de vie beaucoup plus longue (de 40000 à 140000h),
• taille beaucoup plus petite que les lampes classiques,
• fonctionnement en très basse tension, gage de sécurité et de facilité de transport,
• allumage instantané,
• nombre de commutations illimités.

Inconvénients :

• encombrement du transformateur,
• en 2008, le prix à l'achat des LED reste de deux à quatre fois plus élevé que celui des lampes classiques, à luminosité égale mais devrait baisser rapidement compte-tenu du développement rapide des ventes.

    A terme, le problème du transformateur n'existera plus. En effet, il existe déjà des LED pour les lampes de bureaux ou pour la décoration qui peuvent remplacer nos lampes actuelles (avec un culot E14 ou E27). Il sera donc possible dans un future vraiment très proche de remplacer toutes nos lampes par des LED. Nous ferons donc de réelles économies d'énergie, ce qui est bon pour l'environnement (diminution de la pollution lié au CO2 et au nucléaire) mais surtout pour notre porte monnaie.

    Actuellement, les LED sont utilisées pour décorer, signaler (Feux tricolores),  mais aussi sur les phares de certains modèles voitures (Alfa, Audi, BMW, Citroen, Fiat, Peugeot, Opel, ...) et dans les écrans de télévisions et d'ordinateurs.

Les lampes à décharge iodure métallique

    La lampe à iodure métallique fait partie des lampes à décharges. Son principe de fonctionnement est donc identique.
    La lampe contient de la vapeur de mercure haute pression dans laquelle on a ajouté des halogénures métalliques. Suivant le fabriquant, les iodures métalliques sont différents (dysprosium, scandium, sodium, tallium, indium, ...). La température de couleur dépend des iodures métalliques présents.
    La lumière est émise, en majeur partie sous forme de rayonnements visibles, mais une petite partie est émise sous forme de rayonnements ultraviolets (U.V.) invisibles. Dans les lampes ellipsoïdes, on tente de récupérer ces rayons en tapissant la paroi intérieure de l'ampoule d'une poudre qui absorbe les U.V. et les transforme en rayons visibles de couleur chaude, de manière à obtenir une couleur globale moins froide.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• efficacité lumineuse comprise entre 110 et 200 lm/W,
• économie d'énergie électrique,
• éclairage très puissant,
• durée de vie comprise entre 12000h et 24000h.

Inconvénients :

• coût d'investissement élevé (de 26,6€ à 100€ pour les lampes, de 13,3€ à 266€ pour les ballasts et de 10€ à 66,6€ pour les amorceurs),
• temps d'allumage long voire très long (de 2 à 10 minutes),
• IRC est compris entre 35 et 60.

Ces lampes sont utilisées dans les vitrines commerciales, les terrains de sport, les grands espaces, les halls de grandes hauteurs…

Les lampes à décharge à vapeur de mercure haute pression

    Ces lampes sont apparues après la seconde guerre mondiale. Ce type de lampe est le type de lampe haute pression le plus ancien. Il a été remplacé dans la majeure partie des utilisations par des lampes à vapeur de sodium haute pression et, parfois, par des lampes aux halogénures métalliques.
    Les lampes au mercure haute pression ont été les premières lampes à décharge utilisées à grande échelle. La lumière est produite par le passage d'un arc électrique à travers un petit tube remplit d'une vapeur de mercure à haute pression (entre 2 et 4 atmosphères soit environ 500 fois supérieure à celle des tubes fluorescents). La décharge est produite dans une ampoule en quartz ou en céramique à des pressions supérieures à 100 kPa. Ces lampes sont appelées « ballons fluorescents ». Elles émettent une lumière de couleur blanche bleutée caractéristique. Un ballast est nécessaire pour faire fonctionner la lampe, et la puissance maximale n'est atteinte qu'après plusieurs minutes de fonctionnement.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• efficacité lumineuse comprise entre 110 et 200 lm/W,
• économie d'énergie électrique,
• éclairage très puissant,
• durée de vie comprise entre 12000h et 24000h.

Inconvénients :

• coût d'investissement élevé (de 26,6€ à 100€ pour les lampes, de 13,3€ à 266€ pour les ballasts et de 10€ à 66,6€ pour les amorceurs),
• temps d'allumage long voire très long (de 2 à 10 minutes),
• IRC est compris entre 35 et 60.

    Les lampes à décharge à vapeur de mercure haute pression sont utilisées dans les parkings, les hypermarchés, les entrepôts.

Les lampes à décharge sodium haute pression

    Les lampes à vapeur de sodium sous haute pression utilisent d'autres composés chimiques comme le mercure pour des raisons pratiques; cependant seul le sodium est responsable de l'émission lumineuse, le xénon et le mercure ne servant qu'à permettre à la lampe de démarrer, et à fixer les bonnes propriétés électriques de l'arc.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• efficacité lumineuse comprise entre 110 et 200 lm/W,
• économie d'énergie électrique,
• éclairage très puissant,
• durée de vie comprise entre 10000h et 22000h,
• fonctionnement jusqu'à -25°C en dégageant peu de chaleur.

Inconvénients :

• coût d'investissement élevé (de 13,3€ à 60€ pour les lampes, de 13,3€ à 266€ pour les ballasts et de 10€ à 66,6€ pour les amorceurs),
• temps d'allumage long voire très long (de 2 à 10 minutes),
• IRC médiocre.

    Les lampes à décharge sodium haute pression sont utilisée pour l'éclairage urbain et pour éclairer les monuments.

Les lampes à décharge sodium basse pression

    Les lampes à vapeur de sodium sous basse pression sont composées d'un tube à décharge plié en forme de U et enclos dans une ampoule externe tirée sous vide. Le tube à décharge est rempli d'un mélange néon (99%) argon (1%) sous basse pression permettant l'amorçage de la décharge et l'échauffement du sodium jusqu'à 260°C. Le tube est fabriqué à base de verre sodocalcique (Verre élaboré à partir d'oxydes de sodium Na2O et de calcium CaO) recouvert d'une couche mince de verre au borate (sel de l'acide borique), résistant à la vapeur du métal alcalin. Ce tube est pourvu à ses extrémités d'électrodes recouvertes d'oxydes de terres rares pour une bonne émission électronique.

        L'ampoule externe a un vide dont la qualité est maintenue grâce à des miroirs de baryum situés près de la douille. Une pastille de zirconium est souvent employée pour craquer les vapeurs d'hydrocarbures qui peuvent être présentes. Un film d'oxyde d'indium et d'étain, d'une épaisseur de 0,3 micromètre recouvre l'intérieur de l'ampoule externe. Ce revêtement est conçu pour réfléchir les rayonnements infrarouges vers le tube à décharge.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• efficacité lumineuse comprise entre 110 et 200 lm/W,
• économie d'énergie électrique,
• durée de vie comprise entre 12000h et 24000h,
• seul ce type de lampe est autorisé près des observatoires car leur rayonnement peut être filtré facilement.

Inconvénients :

• coût d'investissement élevé (de 26,7€ à 100€ pour les lampes, de 13,3€ à 266€ pour les ballasts et de 10€ à 66,6€ pour les amorceurs),
• temps d'allumage long voire très long (de 2 à 10 minutes),
• IRC médiocre.

    Les lampes à décharge sodium basse tension sont utilisée près des observatoires afin de pouvoir filtrer facilement leur rayonnement. Mais ces lampes sont aussi utilisés pour l'éclairage d’autoroutes et dans les tunnels.

Les lampes fluocompactes

    Comme leur nom l'indique, ces lampes sont compactes grâce au pliage en deux, trois, quatre ou six d'un tube fluorescent dont le diamètre est compris entre 7 et 20 mm. En raison du faible diamètre du tube, seules des poudres fluorescentes à trois bandes sont employées. La forme compacte du tube à décharge pose aussi un problème de dissipation thermique et plusieurs moyens sont employés pour limiter la pression de vapeur saturante de mercure afin de rester au régime optimum de fonctionnement. Certaines lampes emploient des amalgames de mercure-étain ou mercure-bismuth, alors que d'autres sont pourvues d'appendices froids où le mercure se condense.
    Ces lampes fluocompactes fonctionnent comme les tubes fluorescents. Par contre, contrairement aux tubes fluorescents, elles se substituent avantageusement aux lampes à incandescence.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• se substituent avantageusement aux lampes à incandescence,
• durée de vie (de 5000 à 20000h),
• efficacité lumineuse (45 à 90 lm/W),
• économie d'énergie électrique.

Inconvénients :

• coût d'investissement élevé (1,3€ à 33€ pour les tubes, de 4,7€ à 133€ pour les ballasts électroniques ou ferromagnétique et de 0,3 à 10€ pour les starter),
• pas de commutation fréquente possible,
• un effet stroboscopique existe (Cette effet peut être un réel danger avec les machines tournantes et peut provoquer des troubles oculaires).

Les lampes fluocompactes sont utilisées pour un usage domestique, pour remplacer les lampes à incandescence et dans les bureaux.

Les tubes fluorescents

    Les lampes fluorescentes contiennent un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression et pas forcément de néon comme le langage populaire le laisserait croire. La lumière visible est produite par deux processus successifs :

    L'ionisation du mélange gazeux sous l'effet d'un courant électrique génère une lumière dans la gamme des ultraviolets, donc invisible mais très énergétique. Les conditions de décharge sont optimisées pour qu'un maximum (60-70%) de la puissance consommée soit rayonnée dans les deux raies de résonance du mercure à 184,9nm et 253,7nm.

    Ce premier rayonnement est ensuite converti en lumière visible, moins énergétique (la différence donnant de la chaleur), à la surface interne du tube par un mélange binaire ou ternaire de poudres fluorescentes.

    Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l'éclairage industriel, l'éclairage extérieur, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où l'on a besoin d'un éclairage continu, sans discontinuité.

Avantages :

• faible coût d'exploitation et de maintenance,
• durée de vie (de 7500 à 20000h),
• efficacité lumineuse (40 à 100 lm/W),
• économie d'énergie électrique.

Inconvénients :

• coût à l'achat (1,3€ à 20€ pour les tubes, de 4,7€ à 133€ pour les ballasts électroniques ou ferromagnétique et de 0,3€ à 10€ pour les starter),
• encombrement,
• nombreux luminaires nécessaires,
• pas de commutation fréquente possible,
• un effet stroboscopique existe (cet effet peut être un réel danger avec les machines tournantes et peut provoquer des troubles oculaires).

Présentation des lampes à décharge

      Les molécules du gaz métallique utilisées dans les lampes à décharge ont la faculté de pouvoir s'ioniser lorsqu'elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes situées de chaque côté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par l'électrode positive – nommée cathode – et les ions négatifs par l'autre, nommée anode. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule.

     Lors du passage de ce flux, se produisent de nombreuses collisions entre les électrons circulants et ceux présents dans le gaz de la lampe. Lors de ces collisions, les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon, dont la longueur d'onde (sa couleur) dépend de l'énergie qu'il contient mais habituellement comprise dans le spectre du visible ou de l'ultraviolet. Ils peuvent également se libérer complètement de l'atome qui les contient, et ainsi accroître le courant d'électrons circulants. C'est ainsi qu'un phénomène d'amorçage se produit à la mise sous tension de la lampe : le courant initialement très faible explose littéralement pour atteindre la puissance maximale donnée par le générateur électrique.

      La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé :

            L'hélium donne une couleur orange tirant sur le blanc mais peut tirer aussi sur le gris, le bleu ou le vert-bleu sous certaines conditions. L'hélium est utilisé par les artistes pour des besoins éclairages particuliers,

            L'argon donne une couleur violet et bleu lavande pâle. L'argon est souvent utilisé avec des vapeurs de mercure,

            Le néon donne une couleur rouge. Le néon donne une lumière intense et est fréquemment utilisé pour les enseignes au néon et les lampes au néon,

           Le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante. Le mercure est utilisé en combinaison avec le phosphore pour générer de nombreuses couleurs du spectre lumineux, il est aussi largement utilisé dans les lampes à vapeur de mercure et les lampes aux halogénures métalliques. Enfin, le mercure est aussi souvent utilisé avec de l’argon.

           Le sodium rayonne dans le jaune. Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée. Le sodium est largement utilisée dans les lampes à vapeur de sodium.

           Le xénon (récemment employé pour l'éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur. Il est utilisé dans les stroboscopes, les phares au xénon, les lampes à arc au xénon, et par les artistes pour des besoins d'éclairage particuliers.

Historique :

      Francis Hauksbee a, le premier, décrit une lampe à décharge en 1705. Il montra qu’un globe de verre dans lequel on a réalisé un vide partiel ou complet, lorsqu’il est chargé d’électricité statique, peut produire une lumière suffisante pour permettre de lire. Sir Humphry Davy décrivit en 1802 le premier arc électrique à la Royal Institution de Londres. Depuis, de nombreuses recherches ont été réalisées sur les sources de lumière à décharge, car elles produisent de la lumière à partir de l’électricité de façon considérablement plus efficace que les ampoules à incandescence.

      Plus tard, on a découvert que l’arc de décharge peut être optimisé en utilisant un gaz inerte au lieu de l’air en tant que milieu. Pour cette raison, dans le passé, des gaz nobles tel que le néon, l’argon, le krypton ou le xénon furent employés tout comme le dioxyde de carbone.

      L’introduction de la lampe à vapeur de métal, incluant divers métaux à l’intérieur du tube de décharge, fut une avancée postérieure. La température du gaz de décharge vaporise un peu de métal et la décharge est alors produite presque exclusivement par la vapeur de métal. Habituellement, on utilise du sodium et du mercure en raison de leur haute pression de vapeur qui augmente l’efficacité de l’émission électromagnétique dans le spectre visible.

      Un siècle de recherche supplémentaire a conduit à des lampes sans électrodes. À la place, le gaz est excité par des émetteurs de micro-ondes ou d’ondes radio. De plus, des sources de lumière de puissance bien moins importante ont été créées, permettant d'étendre les applications de l’éclairage à décharge aux habitations ou aux utilisations en extérieur.

Les lampes à incandescences

    Les lampes à incandescence ont été inventées en 1879 par Joseph Swan et améliorée par les travaux de Thomas Edison. Ces lampes produisent de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène. Le tungstène est un métal qui a le plus haut point de fusion (3 430 °C). À l'origine, un filament de carbone était utilisé, ce dernier en se sublimant puis en se condensant sur le verre de la lampe, opacifiait assez rapidement le verre. Depuis, ces lampes se sont améliorées et se sont diversifiées. Il en existe aujourd'hui deux types principales : les lampes à incandescence standard et les lampes à incandescence halogène.

         Les lampes à incandescence sont seulement utilisées chez les particuliers.

Les lampes à incandescence standard

    La lampe à incandescence standard a révolutionné la vie quotidienne au moment de son apparition et est composée de divers composants comme décrit dans la figure suivante.

1.  Ampoule de verre

2.  Gaz inerte

3.  Filament de tungstène

4.  Fil conducteur (contact avec le plot central)

5.  Fil conducteur (contact avec le culot)

6.  Fils de support du filament

7.  Monture ou support en verre

8.  Culot (contact électrique)

9.  Culot (pas de vis ou baïonnette, ...)

10. Isolant

11. Plot central (contact électrique)

• Fonctionnement de la lampe à incandescence classique :

    Le tungstène présente une résistance au passage du courant et il s'échauffe. Comme le filament est fin, il s'échauffe rapidement. Il est porté à la température de fusion (3400° C). Il émet alors de la lumière par rayonnement thermique.

    Pendant le fonctionnement normal, le tungstène du filament s'évapore légèrement. Plus la température peut être élevée, plus l'éclairage sera important, mais plus vite les filaments s'évaporent. À un certain moment, le filament casse, et l'ampoule devient inutilisable, le circuit électrique étant rompu. La durée de vie est toujours un compromis entre efficacité et longévité.

    L'ampoule est remplie d'un gaz inerte afin de limiter l'évaporation du tungstène. Parfois, elle est est sous vide.

    Lorsque l'ampoule fonctionne, le filament transmet de la chaleur au verre. Le verre peut atteindre des températures de 200°C. C'est pourquoi, lorsqu'une ampoule vient de fonctionner et est éteinte, il faut attendre qu'elle refroidisse avant de la toucher.

Avantages :

               - prix à l'achat peu élevé (entre 0,3€ et 6,6€),

               - possibilité de commutations fréquentes,

               - IRC (Indice de Rendu des Couleur) près de 100,

               - allumage instantané et à pleine puissance (pas de préchauffage).

    L'indice de rendu de couleur ou IRC représente la capacité d'une source de lumière à restituer les différentes couleurs du spectre visible sans en modifier les teintes.

Inconvénients :

               - courte durée de vie (de 1000h à 2000h),

               - forte consommation électrique,

               - faible efficacité lumineuse (de 5 à 15 lm/W),

               - 95% de l'énergie dissipée sous forme de chaleur,

               - coûts d'exploitation et de maintenance élevé,

               - grande production de chaleur.

     Les lampes à incandescence sont utilisées pour un usage domestique ou pour un éclairage localisé décoratif.

    A travers le monde, les lampes à incandescence standard sont amenées à disparaître. En effet, le gouvernement australien a annoncé le 20/02/2007, l'interdiction de vendre des ampoules à filament pour 2010. La Californie, quant à elle, a pris des mesures similaires pour 2012. Quant à l'Europe et le Canada, ils sont sur le point de prendre des décisions similaires pour 2009. En France, un rapport d'information parlementaire de la mission commune d'information Electricité a proposé d'«interdire la vente d'ampoules à incandescence sur le territoire national en 2010.» Ces lois ont pour objectif de réduire les dépenses énergétiques via l'utilisation massive de sources lumineuses consommant bien moins d'énergie à quantité de flux égal. On pense notamment aux lampes fluocompactes dans un premier temps, aux LED dans un second temps (lorsqu'elles seront « prêtes » à assurer la relève). Les lampes à incandescence sont les lampes qui ont le meilleur IRC et le plus bas coût.

Les lampes à incandescence halogène :

    Les halogènes ont elles aussi un filament de tungstène et fonctionne comme les lampes à incandescence classique mais le gaz (halogène) donne une durée de vie 2 fois plus longue à ces lampes par rapport aux lampes à incandescence classique. Ce gaz limite la sublimation du filament de tungstène (transfert indésirable des atomes de tungstène du filament vers la paroi interne de l'ampoule) :

sous l'action de la chaleur le filament perd par sublimation des atomes de tungstène, ces derniers en refroidissant se combinent avec le gaz halogène au lieu de se déposer sur le quartz, puis par convection naturelle, le gaz se rapproche du point chaud et là, les atomes de tungstène se déposent à nouveau sur le filament sous l'effet de la chaleur.

Avantages :

               - prix à l'achat peu élevé (entre 1,3€ et 33€),

               - possibilité de commutations fréquentes,

               - allumage instantané et à pleine puissance (pas de préchauffage),

               - meilleur rendement lumineux par rapport aux lampes à incandescence standard,

               - meilleure efficacité lumineuse par rapport aux lampes à incandescence standard (12 à 25 lm/W contre 5 à 15 lm/W),

               - durée de vie 2 fois plus longue qu'une lampe à incandescence standard (de 2000h à 4000h).

Inconvénients :

               - courte durée de vie (de 2000h à 4000h),

               - forte consommation électrique,

               - faible efficacité lumineuse (de 12 à 25 lm/W),

               - coûts d'exploitation et de maintenance élevé,

               - encombrement du transformateur.

      Les lampes à incandescence halogènes sont utilisées pour un éclairage ponctuel ou un éclairage intense.

Les différents types de lampes

Dans cet articles, je vais vous présenter brièvement des différents types de lampes.

La lumière naturelle est la plus ancienne et la moins coûteuse des sources d'éclairage, mais elle peut nécessiter des protections contre la surchauffe, notamment dans les pays chauds. Les lumières électriques sont les sources les plus courantes de lumière aujourd'hui : lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., elles peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique.

Une lampe est un outil fabriqué par l'homme, ayant pour but de fournir une lumière artificielle (éclairage), lorsque la lumière émise par le Soleil est absente ou insuffisante, la nuit ou dans des endroits où elle ne peut pénétrer, l’humanité utilise diverses types de lampes dont le rayonnement lumineux artificiel est produit à partir de l’énergie électrique selon deux principes :

L’incandescence : C’est la production de lumière par élévation de température. Le spectre de rayonnement émis est continu. L’énergie fournie est transformée en effet Joule et en flux lumineux.

La luminescence : C’est le phénomène d’émission par la matière, d’un rayonnement lumineux visible ou proche du visible.

• Electroluminescence de gaz : un gaz (ou des vapeurs) soumis à une décharge électrique émet un rayonnement lumineux.
• La photoluminescence : c’est la luminescence d’un matériau exposé à un rayonnement visible ou proche du visible (ultraviolet, infrarouge).

L'éclairage représente aussi l'ensemble des moyens qui permettent à l'homme de doter son environnement des conditions de luminosité qu'il estime nécessaires à son activité ou son agrément. Différents types de lampes qui sont classées en trois catégories existent sur le marché :

• les lampes à incandescence,
• les lampes à décharge,
• les LED.

Dans les articles suivants, une présentation pour chaque type de lampe vous sera faite par type de lampe. A suivre ...

Introduction à l'éclairage

Ce premier article est le tout premier d'une longue série. Ces articles parlerons des différents systèmes d'éclairage, leurs utilisations, leurs fonctionnements et de leurs conséquences sur le réseau électrique et les appareillages de commande et de protection.

La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron. C'est Newton qui propose pour la première fois au XVIIième siècle un cercle des couleurs chromatiques basé sur la décomposition de la lumière blanche. Même si certaines formes de vies, au fond des océans peuvent s'en passer, la lumière du soleil est la première source d'énergie des écosystèmes terrestres, via la photosynthèse. Elle contrôle donc les cycles écogéobiologiques et le stockage fossile du carbone tels qu'ils existent depuis 3,7 milliards d'années. C'est encore la lumière qui via la durée du jour corrige les horloges biologiques animales, par la production de mélatonine qui est une hormone uniquement produite la nuit, chez la plupart des animaux. Chez les plantes, la durée du jour contrôle aussi, avec la température, l'apparition des bourgeons, feuilles, fleurs, ou l'ouverture ou la fermeture de fleurs. C'est pourquoi la présence de lumière artificielle dans l'environnement nocturne peut altérer le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou des écosystèmes : phénomène généralement décrit sous le nom de « pollution lumineuse ». Cette pollution lumineuse est visible en ville notamment en automne lorsque les feuilles tombent. Les dernières feuilles ne sont présentent sur les arbres que si elles sont à proximité  (moins de 5m) des lampes de rue. En Astronomie, la pollution lumineuse empêche de voir certaines étoiles et planètes.

C'est au XXième siècle que l'éclairage urbain et périurbain augmenta notamment à cause d'une forte demande de sécurité de la part du public et des élus mais aussi grâce à la diversification des luminaires et aux prix de l'électricité attractifs la nuit. Ainsi l'augmentation de la pollution lumineuse nocturne a été mesurée par satellite de 5 à 10 % par an pour la fin des années 1990. Il est possible de voir cette pollution lumineuse sur la photo ci-dessous.

Vous trouverez plus de détail sur la pollution lumineuse et sur la lumière sur le site internet de wikipédia aux adresses suivantes : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pollution_lumineuse et http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumière

Dans un but de réduire cette pollution, il est nécessaire d'augmenter l'efficacité énergétique des lampes. A travers le monde, un planning de bannissement des lampes gourmandes en énergie est programmé à plus ou moins long terme. (voir http://www.promotelec.com/actualite/quoideneuf-7920.aspx)
 

Aujourd'hui, les lampes sont présentes partout, à la maison, au travail, sur les enseignes de magasins, ... Il en existe trois types : les lampes à incandescence, les lampes à décharge et les LED (Light-Emitting Diode). L'éclairage représente 33% de la consommation électrique au USA et 12% en France. La technologie employée par les luminaires est diverse, variée et évolue rapidement. De plus, les lampes à incandescence sont de plus en plus amenées à être remplacée par les lampes fluocompactes, puis les LED. En effet, les LED ne sont pas encore prêtes à remplacer les lampes à incandescence car elles ne fournissent pas encore assez de lumière pour nous éclairer correctement et elles ne s'adaptent pas forcément et pas encore à nos installations actuelles.
 

La diversification des luminaires a des conséquences sur les réseaux électriques. Les régimes transitoires dus à l’alimentation de ces charges, qui introduisent des équipements basés sur l’électronique de puissance ayant un comportement fortement non linéaire, créent de nouveaux problèmes comme la sélectivité des équipements de commande et de protection dédiés aux systèmes d’éclairage.

A suivre...