Les différentes technologies de lampes

Un rayonnement lumineux artificiel peut-être produit à partir de l’énergie électrique selon deux principes : l’incandescence et l’électroluminescence.

L’incandescence est la production de lumière par élévation de température. Les niveaux d’énergie sont en très grand nombre, et par conséquent, le spectre de rayonnement émis est continu. Le cas le plus courant est un filament chauffé à blanc par la circulation d’un courant électrique. L’énergie fournie est transformée en effet Joule et en flux lumineux.

La luminescence est le phénomène d'émission par la matière d'un rayonnement lumineux visible ou proche du visible. La matière peut être gazeuse ou liquide.

• Electroluminescence d'un gaz : un gaz (ou vapeur) soumis à une décharge électrique émet une radiation lumineuse.
• Electroluminescence d'un solide : un composant électronique semi-conducteur ayant la possibilité d'émettre un rayonnement visible lorsqu'il est parcouru par un courant électrique.

Concernant l'électroluminescence d'un gaz, celui-ci n'étant pas conducteur à la température et à la pression ordinaire, la décharge est produite en générant des particules chargées permettant l'ionisation du gaz. La nature, la pression et la température du gaz déterminent le spectre lumineux.

La photoluminescence est la luminescence d’un matériau exposé à un rayonnement visible ou proche du visible (ultraviolet, infrarouge).

Lorsque la substance absorbe un rayonnement ultraviolet et émet un rayonnement visible qui s’arrête peu de temps après l’excitation, il s’agit de la fluorescence.

Fig. N34 – Technologies d'éclairage

Lampes à incandescence

Les lampes à incandescence sont historiquement les plus anciennes et les plus répandues dans le grand public.

Leur principe est un filament porté à incandescence dans le vide ou une atmosphère neutre empêchant sa combustion.

Deux types de lampes existent :

Les ampoules standard

Elles comportent un filament de tungstène et elles sont remplies d’un gaz inerte (azote et argon ou krypton).

Les ampoules à halogène

Elles comportent aussi un filament de tungstène, mais elles sont remplies d’un composé halogéné (iode, brome ou fluor) et d’un gaz inerte (krypton ou xénon). Responsable d’un phénomène de régénération du filament, ce composé halogéné permet d’augmenter la durée de vie des lampes et évite leur noircissement. Ceci autorise également une température de filament plus élevée et donc une luminosité supérieure dans des ampoules de petite taille.

Le principal inconvénient des lampes à incandescence est leur forte dissipation de chaleur et donc leur faible rendement lumineux.

Tubes fluorescents

Cette famille regroupe les tubes fluorescents et les lampes fluo-compactes. Leur technologie est généralement dite « à mercure basse pression ».

Le principe consiste à créer un arc à l'intérieur du tube, provoquant la collision d'électrons avec les ions de vapeur de mercure. Cette collision provoque l'émission d'un rayonnement ultraviolet. Sous l'action de ce rayonnement, le matériau fluorescent couvrant l'intérieur du tube émet de la lumière visible.

Les tubes fluorescents dissipent moins de chaleur et ont une durée de vie plus longue que les lampes à incandescence. Ils nécessitent par contre l'emploi d'un dispositif d'allumage appelé "starter" et d'un dispositif de limitation du courant de l'arc après allumage, appelé "ballast". Ce dispositif est en général une inductance placée en série avec l'arc.

Le principe des Lampes fluorescentes compactes est identique à celui d’un tube fluorescent. Les fonctions de starter et de ballast sont assurées par un circuit électronique (intégré à la lampe) qui permet l’emploi de tubes de dimensions réduites et repliés sur eux-mêmes.

Les lampes fluo-compactes (cf. Fig. N35) ont été développées pour remplacer les lampes à incandescence : elles apportent une économie d’énergie significative (15 W contre 75 W pour une même luminosité) et une augmentation de la durée de vie.

Les lampes dites "à induction" ou "sans électrodes" ont un démarrage instantané et le nombre de commutations n’affecte pas leur durée de vie. Leur principe est une ionisation du gaz présent dans le tube par un champ électromagnétique à très haute fréquence (jusqu’à 1 GHz). Leur durée de vie peut atteindre 100 000 h.

Fig. N35 – Lampes fluorescentes compactes

• 

  [a] standard

• 

  [b] à induction

Lampes à décharge (cf. Fig. N36a)

La lumière est produite par une décharge électrique créée entre deux électrodes au sein d’un gaz dans une ampoule de quartz. Toutes ces lampes nécessitent donc un ballast pour limiter le courant dans l’arc. Plusieurs technologies ont donc été développées pour différentes applications.

Les lampes à vapeur de sodium basse pression possèdent le meilleur rendement lumineux, mais leur rendu des couleurs est très mauvais puisque leur rayonnement est monochromatique d’une couleur orangée.

Les lampes à vapeur de sodium haute-pression émettent une lumière de couleur blanche légèrement orangée.

Les lampes à vapeur de mercure haute-pression sont aussi appelées "ballons fluorescents". Elles émettent une lumière de couleur blanche bleutée caractéristique. La décharge est produite dans une ampoule en quartz ou en céramique à des pressions supérieures à 100 kPa.

Les lampes à halogénures métalliques sont de technologie plus récente. Elles émettent une couleur ayant un spectre large. L’utilisation de tube en céramique permet une meilleure efficacité lumineuse et une meilleure stabilité des couleurs.

Fig. N36a – Lampes à décharge.

Diodes Electroluminescentes (Light Emitting Diodes, LED) (cf. Fig. N36b)

Le principe des diodes électroluminescentes est l'émission de lumière par un semi-conducteur au passage d'un courant électrique.

Il y a quelques années, la technologie LED était réservée aux applications nécessitant peu de puissance d'éclairage, telles que la signalisation, les panneaux de sécurité, l'éclairage de secours. A l'heure actuelle, grâce au développement et à la disponibilité de LED de puissance (plusieurs watts par composants), les constructeurs proposent des offres complètes permettant le remplacement de tous les dispositifs existants dans tous les secteurs (résidentiel, commercial, industriel, infrastructures).

Fig. N36b – Lampes à led

En fait, la technologie LED est la première dans le domaine de l'éclairage pouvant être mise en œuvre dans toutes les applications, avec le niveau souhaité d'efficacité, et autorisant des fonctions de commande inaccessible aux autres technologies.

Les LED sont des dispositifs à très basse tension ayant une très basse consommation : ils sont donc adaptés à l'alimentation par batterie. L'alimentation par le réseau nécessite un convertisseur.

Les principaux avantages des LED sont leur faible consommation, leur robustesse, leur longue durée de vie, et la possibilité de commande sans limite (variation de lumière, commutation rapide, pleine intensité lumineuse instantanée).

Les LED sont par ailleurs recyclables plus facilement que les lampes fluo-compactes.

Fig. N37 – Utilisation et technologies des dispositifs d'éclairage

Technologie	Utilisation	Advantages	Inconvénients	Puissance (watt)	Rendement (lumen/watt)	Durée de vie (heures)
Incandescence standard	Usage domestique Eclairage localisé décoratif	Branchement direct sans appareillage intermédiaire Prix d'achat peu élevé Faible encombrement Allumage instantané Bon rendu des couleurs	Efficacité lumineuse faible Faible durée de vie Forte dissipation de chaleur	3 – 1000	10 – 15	1000 – 2000
Incandescence halogène	Eclairage ponctuel Eclairage intense	Branchement direct Allumage instantané Excellent rendu des couleurs	Efficacité lumineuse moyenne	5 – 500	15 – 25	2000 – 4000
Tube fluorescent	Magasins, bureaux, ateliers Extérieurs	Efficacité lumineuse élevée Rendu de couleurs moyen	Puissance lumineuse unitaire faible Sensible aux températures extrêmes	4 – 56	50 – 100	7500 – 24000
Lampe fluo compacte	Usage domestique Bureaux Remplacement des lampes à incandescence	Bonne efficacité lumineuse Bon rendu de couleurs	Investissement initial élevé par rapport aux lampes à incandescence	5 – 40	50 – 80	10000 – 20000
Vapeur de mercure	Ateliers, halls, hangars Cours d'usines	Bonne efficacité lumineuse Rendu de couleurs acceptable Faible encombrement Durée de vie élevée	Temps d'allumage et rallumage de quelques minutes	40 – 1000	25 - 55	16000 - 24000
Sodium haute pression	Extérieurs Halls de grandes dimensions	Très bonne efficacité lumineuse	Temps d'allumage et rallumage de quelques minutes	35 - 1000	40 - 140	16000 - 24000
Sodium basse pression	Extérieurs Eclairage de sécurité	Bonne visibilité par temps de brouillard Exploitation économique	Temps d'allumage : 5 min. Rendu des couleurs médiocre	35 - 180	100 - 185	14000 - 18000
Halogénure métallique	Grands espaces Halls de grande hauteur	Bonne efficacité lumineuse Bon rendu de couleurs Durée de vie élevée	Temps d'allumage et rallumage de quelques minutes	30 - 2000	50 - 115	6000 - 20000
LED	Toutes applications d'éclairage dans les bâtiments résidentiels, commerciaux, industriels et infrastructures	Faible consommation Basse température en surface Pas d'émission UV et faible émission IR Tenue aux vibrations Durée de vie Insensible au nombre d'allumage Allumage immédiat	Coût (en décroissance constante) Spectre bleuté pour LED blanche Sensible à la température	1 - 400	> 100 (en constante augmentation)	20000 – 50000