Lampe
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Généralités
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Une lampe est un outil fabriqué par l'homme destiné à lui donner une lumière artificielle ou de l'éclairage.
Les lampes étaient constituées d'un réservoir contenant un combustible huile, pétrole destiné à être brûlé en une petite flamme, par un système de mèche. Ces lampes étaient destinées à un usage local voire individuel et portatif et, bien que peu performant ont été utilisées depuis la nuit des temps par les hommes pour s'éclairer lorsque la lumière prodiguée par le soleil fait défaut.
Depuis plus d'un siècle, le terme lampe désigne aussi les ampoules électriques. Depuis les premières lampes électriques industriellement produites par Edison destinées à remplacer les réverbères à gaz des villes, les systèmes d'éclairages électriques ont sensiblement évolué.
La plupart des lampes que nous connaissons aujourd'hui sont basées sur les principes suivants :
- L'incandescence,
- La luminescence,
- La fluorescence,
- L'electroluminescence.
Cette quatrième catégorie prometteuse utilise les propriétés électroluminescentes des LED. Le rendement sans cesse amélioré des LED leurs ouvrent les portes des applications d'éclairage, alors que jusque là elles étaient cantonnées dans le domaine de la signalétique.
Lampes à incandescence
Les lampes à filament classique ou halogène produisent de la lumière, dite blanche, s'apparentant à celle produite par le soleil.
Lampe traditionnelle
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Elle produit de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène. Cette application de l'électricité est une des plus simple et n'a que peu évolué en un peu plus d'un siècle. Les découvreurs du principe de la lampe à incandescence sont :
- en 1848, Joseph Swann pour la lampe à filament de carbone ;
- en 1879, Thomas Edison pour le principe du vide dans l'ampoule ;
- Auer Von Welsbach pour le filament d'osmium et tungstène.
Le filament résistant, traversé par un courant électrique, est porté à incandescence par effet Joule. L'ampoule en verre, remplie d'un gaz inerte (1/3 azote et 2/3 argon) est indispensable pour éviter la destruction rapide par combustion du filament.
Défauts
À chaque allumage de la lampe, le filament est soumis à une surchauffe, l'intensité du courant électrique étant supérieure dans le filament froid, c'est pour cette raison que les lampes grillent en général au moment d'un allumage.
Le filament s'évapore lentement au fil des heures passées dans un état proche de la fusion, il s'amincit donc et finit par fondre à un allumage ou casser au premier choc mécanique. Autre effet, les gaz résultant de l'évaporation du filament en se condensant sur l'ampoule, noircissent petit à petit le verre, diminuant ainsi la quantité de lumière produite par la lampe.
Autre gros défaut : seul 5 % de l'énergie électrique sert à l'éclairage... et 95 % à chauffer (le verre d'une lampe à incandescence 230 volt sous tension se situe aux alentours de 600 degrés; attention donc à ne poser ni tissu, ni carton, ni papier, ni bois... directement sur le verre sous peine de possibilité d'incendie).
Lampe halogène
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Elle fut inventée en 1959 par Edward G. Zubler, employé de General Electric. Elle produit elle aussi de la lumière en portant à incandescence un filament. À l'intérieur de l'ampoule, des gaz halogénés (fluor, chlore, iode et brome) à haute pression limitent l'évaporation du filament de tungstène.
Plus précisément, le tungstène se combine à l'halogène et le composé se redécompose en tungstène + halogène au contact du filament sous l'effet de la chaleur, assurant à celui-ci une régénération permanente, bien qu'à terme non homogène. Une ampoule halogène dure donc plus longtemps qu'une ampoule à incandescence classique. Pour cette raison, on peut se permettre de la survolter sans trop de problème, ce qui lui donne une lumière plus éclatante et plus proche de la température de couleur solaire.
Lampe à nanotubes
Elle fonctionne comme le modèle traditionnel mais on y a remplacé le filament de tungstène par un nanotube en carbone. Développée en 2004 par des chercheurs chinois dirigés par Jinquan Wei, elle présente l'avantage d'émettre plus de lumière à tension égale. Une commercialisation est envisagée dès 2009. ([1])
Sources à décharge luminescente sous basse pression
Les sources à décharges produisent de la lumière grace à un gaz ou une vapeur faiblement ionisée (à l'exception des lampes au sodium), un plasma. La pression de remplissage est de l'ordre du millibar a plusieurs dixaines de millibars, et les puissances dissipées par unite de longueur sont relativement faibles. Cette characteristique impose des lampes de dimentions relativement grandes. Experimentées en 1869 par Louis Becquerel, elles regroupent :
- Les lampes fluorescentes à vapeur de mercure;
- Les lampes à vapeur de sodium basse pression;
- Les lampes neon.
Tubes fluorescents
Ils apparaissent en 1938. L'ionisation d'un melange d'argon et de vapeur de mercure sous l'effet d'un courant génère une lumière dans la gamme de fréquence des ultras-violets. Plus de soixante pourcent de la puissance électrique consommée est convertie en rayonnement à 184,9nm et 253,7nm qui est transformé et rendu visible à la surface du tube par un mélange binaire ou ternaire de poudres fluorescentes dont la composition est spécifique à la teinte de lumière que l'on désire obtenir.
Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l'éclairage industriel, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où l'on a besoin d'un éclairage général et où l'esthétique du luminaire n'a que peu d'importance. Cette utilisation massive des tubes fluorescents dans ces lieux est principalement dictée par des considérations économiques. En effet ce système d’éclairage quoi que plus coûteux à l'investissement, se révèle beaucoup plus économique que les lampes à incandescence. Leur rendement de la conversion électrique en lumière (efficacité lumineuse) atteint et dépasse souvent les 80 lumens par watt alors que les lampes classiques dépassent péniblement les 15 lumens par watt. Donc pour une même quantité de lumière, la consommation électrique est divisée par six.
Autre avantage et non des moindres, un tube fluorescent a une durée de vie de dix à cinquante fois supérieure à une lampe à incandescence, comme le tube, qui ne représente qu'une partie du système (ballast, starter, support, réflecteur), est interchangeable, l'investissement est à long terme intéressant. Un nom plus simple (mais inexact) leur est attribué par le langage populaire. Par analogie incorrecte avec les tubes contenant du gaz néon (le gaz néon produit une lumière rouge !), le nom de ce gaz est indûment attaché à l'appellation courante de ce système d'éclairage. En effet, la couleur émise par un tube fluorescent dépend de la nature du gaz contenu (et de la poudre fluorescente qui recouvre l'intérieur du tube).
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La lampe basse consommation domestique est une adaptation du tube industriel à un usage domestique. C'est un tube fluorescent émettant de la lumière, caractérisé par une faible consommation énergétique et une longue durée de vie, dont le tube est miniaturisé, plié en deux, trois ou quatre, doté d'un culot et d'un ballast électronique. Elles ont les mêmes avantages que les tubes fluorescents linéaires à la différence près que le tube n'est pas souvent interchangeable. Ces lampes représentent des économies potentielles non négligeables pour des performances comparables aux lampes classiques. Elles sont apparues sur le marché en Mars 1980 et depuis ont evolué en taille et performances. Elles ont encore peu pénétré le marché, dominé par les lampes à incandescence classiques et, dans une moindre mesure, par les lampes halogènes. En 2001, 44% des foyers utilisent au moins une lampe basse consommation (étude Sofres).
Ces lampes ont toutefois quelques petits inconvénients.
Leur prix assez élevé, malgré une forte diminution, se situe en 2002 aux alentours de 7 euros l'ampoule de 15 W (équivalent ampoule à incandescence de 75 W). Pour 6000 heures d'utilisation environ, un tel prix permet un retour sur investissement en 15 mois pour une utilisation de 3 heures par jour pendant 6 ans. Il est à noter que la durée des ampoules mesurée par des associations de consommateurs varie du simple au triple d'une marque à l'autre. Des recommandations d'utilisation potentiellement contraignantes. En effet, les ampoules basse consommation sont prévues pour une tension d'alimentation constante, on ne peut faire varier leur intensité lumineuse avec un variateur de tension. Elles mettent quelques minutes à atteindre leur potentiel lumineux maximum, comme tous les tubes fluorescents. La présence de poudre luminescente et de mercure dans les tubes fluorescent, non dangereux en cours d'utilisation, font de ces systèmes d'éclairage basse consommation un déchet potentiellement dangereux, nécessitant une élimination particulière. Aucun service de récupération n'est actuellement organisé pour les particuliers. Toutefois des sociétés de retraitements proposent leurs services aux industriels et aux commerces qui ont obligations de recycler leurs déchets.
Sources à decharge luminescente sous haute pression
Ces lampes ont une pression interne de l'ordre du bar à la dixaine de bar. Il en résulte que le gas ionisé responsable de l'émission lumineuse est beaucoups plus brillant et chaud. Le plasma généré entre les electrodes est semblable à un éclair d'un orage. Ainsi, de plus fortes puissances peuvent être dissipées dans un espace de quelque centimètres. Les premières lampes de ce type ont été créees au début du vingtieme siècle, et regroupe principalement:
- Les lampes à vapeur de mercure;
- Les lampes aux halogénures métalliques;
- Les lampes à vapeur de sodium haute pression;
Les lampes à vapeur de mercure
Le principe qui génère la lumière est un arc électrique particulier dû au gaz à haute pression que renferme l'ampoule. Elles ont un bien meilleur rendement que les lampes à incandescence, bien qu'elles soient associées à un appareillage complexe, variable suivant le ou les gaz utilisés pour leur mise en œuvre, et que pour certaines variantes la chaleur dégagée par la lampe nécessite une bonne isolation thermique de son environnement. L'IRC faible de ces lampes les réserve principalement pour des applications utilitaires où la qualité de la lumière n'est pas un facteur important. L'IRC peut néanmoins être amélioré par l'application d'une couche de poudre fluorescente dans la surface interne de l'enveloppe, comme les lampes « ballons » 50 à 1000W présentes dans certaines grandes surfaces et industries;
Les lampes aux halogenures métalliques
l'addition dans l'arc au mercure d'halogénures de certains métaux ameliore la qualité de la lumière obtenue. La miniaturisation constante de ces sources permet des applications autrefois réservées aux lampes halogènes.
Une variante de la lampe à décharge, les phares au xénon équipent dorénavant les véhicules automobiles haut de gamme et remplaceront certainement à terme les bonnes vieilles lampes halogène pour l'éclairage de puissance des véhicules.
Les lampes à vapeur de sodium
L'adjonction de sodium a la vapeur de mercure améliore le rendement de ces lampes. Ce sont les lampes à vapeur de sodium, qui sont de loin les plus efficaces. Malheureusement l'amélioration du rendement se fait au détriment de l'IRC. ces sources sont utilisées en éclairage urbain et routier. Elles sont facilement reconnaissables par leur température de couleur rouge orangé.
Source electroluminescentes à semi-conducteur
Composé de plusieurs LED haute luminosité, d'une durée de vie très importante (cinquante a cent mille heures) les lampes à diodes commencent à remplacer les lampes à incandescence dans l'éclairage portatif. Leur coút très élevé, la nécessité de l'emploi d'alimentation electronique et leur efficacite lumineuse modeste (25 lm/W pour les meilleures sources) limitent encore leur démocratication face aux lampes a filaments.
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Une Diode électroluminescente fonctionne comme suit :
- Lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semiconducteur il peut y avoir émission d'un photon.
- La transition d'un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde
. Elle est alors radiative (émissive) et elle s'accompagne de l'émission d'un photon.