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...