Page sur les différents type d'éclairage

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Page sur les différents type d'éclairage

Protection électrique des luminaires
La classification électrique des luminaires est réalisée en fonction du type de protection offert contre les chocs électriques.

Classification: Classe 0; Interdite dans la majorité des pays européens; Séparation des parties sous tension par une seule isolation, dite isolation principale; En cas de défaut d'isolement, la protection de la personne touchant l'appareil repose sur l'environnement; Classe I; Séparation des parties sous tension par une seule isolation, dite isolation principale; Les parties métalliques accessibles sont reliées à une borne de terre; Recommandés dans les locaux traditionnels; Classe II; Une isolation supplémentaire ou renforcée est ajoutée à l'isolation principale; Des matériaux à plus grande résistance d'isolement sont utilisés; Recommandés dans les locaux humides ou lorsqu'on ne peut raccorder le luminaire à un conducteur de protection; Du fait de la double isolation, un défaut d'isolement ne peut pas se produire et la personne qui touche l'appareil n'est pas en danger; Classe III; L'alimentation est réalisée en très basse tension de sécurité; Le circuit est isolé du réseau et la tension est plus petite que 50V; En principe, cet appareil ne pose pas de risques électriques

Protection incendie des luminaires

Les luminaires sont des appareils électriques qui transforment en chaleur 60 à 90 % de l'énergie électrique qu'ils absorbent.

La température sur l'ampoule en verre d'une lampe à incandescence de 100 W est de l'ordre de 250°C. Il va donc de soi que les lampes à incandescence doivent être montées à une distance suffisante de toute surface inflammable.

On a tendance à croire que les lampes fluorescentes sont moins dangereuses que les lampes à incandescence en raison de leur répartition énergétique. La pratique démontre toutefois que ce n'est nullement le cas. En effet la température de service des ballasts électromagnétiques peut dépasser 100°C. En cas de service anormal la température peut atteindre près de 350°C. Et une telle température représente un danger d'incendie réel lorsque les prescriptions de montage ne sont pas respectées.

On fait ainsi une distinction entre les surfaces de montage normalement inflammables et les surfaces immédiatement inflammables.

Les luminaires montés sur une surface 'normalement et difficilement inflammable' doivent porter un marquage :

Ces luminaires sont construits de façon à ce que la température aux surfaces d'appui ne dépasse pas 130°C en service anormal et 180°C en cas de défauts du ballast.

Aucun luminaire ne peut être monté sur une surface immédiatement inflammable. Dans le cas d'un tel plafond, les luminaires doivent obligatoirement être suspendus.

Les luminaires ne portant pas de marquage ne peuvent être montés que sur des surfaces dites non combustibles.

Marquages courants

Montage permis sur des matériaux difficilement ou normalement inflammables
Montage permis dans des ateliers présentant des risques d'incendie (ambiance poussiéreuse)

Montage permis dans des meubles difficilement ou normalement inflammable
Montage dans des meubles de caractéristiques non connues

Distribution lumineuse d'un luminaire

Détail: La forme du réflecteur et les positions de la lampe permettent d'obtenir différents modèles de distributions lumineuses :; distribution extensive : donne un éclairement uniforme, permet un espacement plus important des luminaires et accentue les contrastes au niveau du plan de travail; distribution intensive : concentre le faisceau lumineux vers le bas. Ce mode d'éclairage est intéressant pour l'éclairage des travées de grande hauteur ou pour le travail sur écran; distribution asymétrique : permet d'éclairer, par exemple, des surfaces verticales telles que des tableaux ou des murs.

Dans les catalogues, la distribution lumineuse d'un luminaire est représentée par un diagramme polaire reprenant en trait continu la distribution perpendiculaire aux lampes et en pointillé la distribution dans l'axe des lampes.

Plans de coupe d'un luminaire

Pour décrire les caractéristiques photométriques d'un luminaire, les fabricants définissent différents plans 'C' et angles 'Y' suivant lesquels on peut observer un luminaire.

Eblouissement d'inconfort (facteur UGR)

L'éblouissement d'inconfort provenant directement des luminaires doit être quantifié par l'auteur du projet en utilisant la méthode tabulaire d'évaluation du taux d'éblouissement unifié UGR de la CIE.

Sans rentrer dans les détails, le facteur UGR donne une idée de l'éblouissement d'inconfort dans le champ visuel de l'observateur par rapport à la luminance de fond (éblouissement provoqué par l'association de plusieurs luminaires dans un environnement considéré). Ce facteur UGR varie de 10 à 30. Plus la valeur du facteur est élevée, plus la probabilité d'éblouissement d'inconfort est importante.

Des valeurs de référence définissent des classes de qualité: 28 : Zone de circulation; 25 : Salle d'archives, escaliers, ascenseur; 22 : Espace d'accueil; 19 : Activités normales de bureau; 16 : Dessins techniques, postes de travail CAD

Détail: Les facteurs suivants jouent un rôle important dans la détermination de la valeur UGR :; la forme et les dimensions du local,; la clarté de la surface (luminance) des parois, des plafonds, des sols et des autres surfaces étendues,; le type de luminaire et de protection,; la luminance de la lampe,; la répartition des luminaires dans le local,; la ou les positions de l'observateur.

Les valeurs de l'UGR données dans la norme EN 12464-1 sont des valeurs maximales à ne pas dépasser.

formule de calcul de l'UGR : 8 log (0.25 / lb x Σ L² ω / P²)

Détail: Lp est la luminance de fond exprimée en candela/m² et représente l'éclairement vertical indirect au niveau de l'oeil de l'observateur.; L est la luminance contenant les parties lumineuses de chaque luminaire dans la direction de l'observateur en candela / m².; ω est l'angle solide (stéradian) des parties lumineuses de chaque luminaire au niveau de l'oeil de l'observateur.; P est l'indice de position de Guth fourni dans des tables spécifiques et représente la position d'un luminaire par rapport à l'axe vertical.

Teinte de la lumière

La couleur de la lumière artificielle a une action directe sur la sensation de confort de l'ambiance lumineuse d'un espace.Une lumière de couleur chaude est composée majoritairement de radiations rouges et oranges. C'est le cas des lampes à incandescence normales.

Les tubes fluorescents standards génèrent une lumière froide composée principalement de radiations violettes et bleues. Le tableau ci-dessous illustre la variation de la sensation de confort de l'ambiance lumineuse d'un local en fonction du niveau d'éclairement qui lui est fourni.

Les radiations colorées émises par les objets et l'environnement peuvent aussi produire certains effets psycho-physiologiques sur le système nerveux. C'est ainsi que les couleurs de grandes longueurs d'onde (rouge, orange) ont un effet stimulant tandis que celles de courtes longueurs d'onde (bleu, violet) ont un effet calmant.

Les couleurs intermédiaires (jaune, vert) ont, de même que le blanc, un effet tonique et favorable à la concentration. Les couleurs foncées et le gris ont par contre une action déprimante. Enfin les couleurs peuvent contribuer dans une large mesure à modifier la dimension apparente des surfaces et des volumes. Les couleurs chaudes seront de préférence utilisées dans des locaux de dimensions exagérées tandis que les couleurs froides seront choisies pour les locaux de dimensions réduites.

Rendement

On évalue la qualité énergétique d'une lampe par son efficacité lumineuse (en lm / W) définie comme le rapport du flux lumineux (en lumen) par la puissance électrique absorbée (en watt).A partir des catalogues de fournisseurs, il est possible de connaître exactement l'efficacité lumineuse d'une lampe.

Angle de défilement d'un luminaire
Définition

L'angle de défilement d'un luminaire est l'angle sous lequel la source nue ne peut être vue par l'observateur. Il s'exprime en degrés.

On parle d'angle de défilement dans la direction transversale et dans la direction longitudinale.

Mesure du niveau d'éclairement

Les niveaux d'éclairement se mesurent grâce à un luxmètre.

Le prix d'un tel appareil varie entre 25 et 125 euro en fonction de son degré de précision, de sa plage de mesure, de la possibilité de raccorder une cellule photoélectrique séparée, de la possibilité d'enregistrer des valeurs et d'en calculer la moyenne, de mesurer un éclairement discontinu ou d'intégrer dans le temps un éclairement variable

Calcul de l'éclairement moyen intérieur

Pour déterminer le niveau d'éclairement moyen d'un local à l'aide d'un luxmètre, il faut effectuer diverses mesures d'éclairement ponctuel selon la méthodologie définie par la norme NBN L 14-002 et en établir une moyenne arithmétique.

Détail: La surface du local est divisée en un certain nombre de rectangles élémentaires de dimensions égales.; Les éclairements ponctuels sont mesurés au centre de chaque rectangle.; L'éclairement moyen sur l'ensemble de la surface considérée est la moyenne arithmétique des valeurs mesurées.; E_moy = E1 + E2 + ... + En) / n

K : Nombre minimum de points de mesure: moins de 1 : 4; 1 à 1,9 : 9; 2 à 2,9 : 16; 3 à plus : 25; indice du local K : K = (a x b) /h (a + b) avec a et b = largeur et longueur du local, h = hauteur utile de l'installation

Calcul de l'éclairement moyen extérieur

Pour déterminer, à l'aide d'un luxmètre, le niveau d'éclairement moyen d'un espace extérieur, il faut effectuer, sur une zone reproductible, diverses mesures d'éclairement ponctuel et en établir une moyenne arithmétique.

L'emplacement et le nombre de points de mesure sont déterminés suivant un quadrillage régulier dont la taille des mailles est obligatoirement inférieure ou égale à la hauteur de feu des luminaires divisée par 2.

Détail: Conditions impératives de mesure; la cellule de mesure doit être parfaitement horizontale; la cellule de mesure doit être à l'abri de toute ombre portée; le temps doit être sec (les gouttelettes peuvent fausser la mesure).

Comparatif de puissance

Aide au choix de la puissance

Incandescente Halogène LED Consommation / an Inc / LED 25W 15W 1,5W 64 KW / 3,83 KW 30W 20W 3W 77 KW / 7,66 KW 50W 35W 4W 127 KW / 10,22 KW 65W 45W 5W 166 KW / 12,77 KW 75W 50W 6W 192 KW / 15,33 KW 100W 65W 9W 255 KW / 23 KW 120W 75W 12W 307 KW / 30,66 KW 150W 100W 14W 383 KW / 35,77 KW 180W 120W 20W 460 KW / 51,1 KW

Equivalence ampoule globe à LED

Globe LED Incandescent 6W 40W 8W 60W 14W 80W

Equivalence spots à LED (blanc)

Spot LED blanc Incandescent 2,5W Culot : G4 et EZ10, 12 à 25V 20W halogène DICHRO 6W : Culot : GU5.3 et EZ10, 12 à 25V 50W halogène 9W : Culots : GU10, E11, E14, E17, B22, E26, E27 : 100 à 240V 65W halogène 12W AR111 : Culot : G5.3 et Screw Terminal, 12 à 25V 75W halogène 14W : Culots : E26, E27, 100 à 240V 100W halogène 16W : Culots : E27, 100 à 240V 120W halogène 20W : Culots : E26, E27, 100 à 240V 150W halogène

Equivalence tube fluorescent à LED

Pour le remplacement d'un tube fluorescent par son équivalent à LED, il faut débrancher le ballast et retirer le starter de la règlette avant de connecter le nouveau tube à LED

Tube LED Fluorescent 9W 600mm T8 18W 600mm 22W 1200mm T8 36W 1200mm 24W 1500mm T8 58W 1500mm

Equivalence projecteur halogène

Led Halogène 20W 150W 40W 250W 70W 500W 140W 1000W

Classification lumineuse

Source lumineuse Intensité lumineuse (Lumens) Efficacité lumineuse (Lumens / Watt) Bougie - 12 lm Ampoule incandescence 60 W 'normale' 600 lm à 750 lm 10 lm / W à 12,5 Ampoule incandescence 60 W 'qualité' 1000 lm 15 lm / W à 20 Ampoule incandescence 100 W 1370 lm 13,3 Lampe halogène 25 W 500 lm 20 Lampe halogène 63 W 1260 lm 20 Lampe halogène 125 W 2500 lm 20 Tube fluorescent 8 W 520 lm 65 Tube fluorescent 18 à 21 W (60cm) 1340 lm 65 Tube fluorescent 36 / 37 W (120cm) 2400 lm 65 Lampes à vapeur de mercure haute pression - 60 Lampes à vapeur de sodium basse pression - 160 Lampes à vapeur de sodium haute pression - 120 Leds de puissance actuelles (2007) 50 lm à 100 lm 600 lm prévus pour 2010 1500 lm prévus pour 2020 35 lm / W à 60 lm / W 150 lm / W prévus pour 2010 Led XLamp XR-E 80 lm sous 350 mA 175 lm sous 1000 mA 70 lm / W (à 350 mA) 48 lm / W (à 1000 mA) Led Luxeon K2 140 lm sous 1500 mA xx lm / W (à 1500 mA) Led Luxeon Starlight 0,5 W - 24 Led Luxeon Starlight 1 W - 30 à 40 Led Luxeon 3 W - 25 Led xxx (Lumiled / Philips)1,2 W / 8,3 W 136 lm sous 350 mA 502 lm sous 2000 mA 115 lm / W (sous 350 mA, 1,2W)61 lm / W (sous 2000 mA, 8,3W) Led Jupiter 50 lm à 100 lm - Led Golden Dragon Osram) 50 lm à 100 lm - Led ASMT 1W (Avago) 45 lm sous 350 mA / 3,6V - Led CMDA (CML) 1W,2,5W ou 5W 100 lm sous 350 mA - Led Ostar Lighting(Osram) 200 à 400 lm - Led SPNovaLed(Dominant) 55 lm - Led NanoXED(Lexedis) 30 lm - Led LedCup 1 W(Optek) - - Led Orion 1,24 W(Citizen) 57 lm sous 350 mA / 3,55V 85 lm sous 700 mA / 3,55V 68,4 lm / W (sous 350mA)45,9 lm / W (sous 700 mA) NSPWR70(Nichia) 9.4 lm sous 20 mA 150 Led STAR LED 3000 °K 3 W 100 lm sous 700 mA / 3,5V 33 Led STAR LED 7000 °K 5 W 220 lm sous 1300 mA / 3,6 V 44 Led Xeon 1 W 50 lm sous 350 mA 50 Led Xeon 3 W 130 lm sous 700 mA 43

Equivalensce lumineuse

Lux W / m² Commentaire 0,5 Lux - Nuit de pleine lune 10 Lux - Pénombre, ou éclairage bougie 20 à 80 Lux - Ville éclairée 100 Lux - Luminosité minimale pour lire un texte 100 à 200 Lux - Eclairage domestique 300 à 500 Lux - Lieux publics 1000 Lux - Local vraiment très bien éclairé 5000 Lux 50 W / m² Extérieur par temps couvert 10000 Lux 100 W / m² Extérieur par temps moyen 20000 Lux - Eclairage artificiel intense(à proximité directe d'une lampe halogène 50W) 50000 à 100000 Lux 1000 W / m² Extérieur par temps ensoleillé

Lampe à incandescence classique

Type Efficacité Efficacité (lm / W) Tungstène de 40 W incandescent 1.9 % 12.6 Tungstène de 60 W incandescent 2.1 % 14.5 Tungstène de 100 W incandescent 2.6 % 17.5 halogène de verre 2.3 % 16 halogène de quartz 3.5 % 24 incandescent à hautes températures 5.1 % 35 idéal corps noir radiateur à 4000 K 7.0 % 47.5 radiateur de corps noir idéal à 7000 K 14 % 95 source lumineuse blanche idéale 35.5 % 242.5 source (verte) monochromatique idéale de 555 nanomètres 100 % 683

lampe ancienne à filament de carbone.

La lampe à incandescence traditionnelle, inventée en 1879 par Joseph Swan et améliorée par les travaux de Thomas Edison,produit de la lumière en portant à incandescence un filament de tungstène, le métal qui a le plus haut point de fusion (3430° celcius). 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.

lampe à incandescence halogène, transparente au Xénon 70W

lampe en verre translucide.

En présence de dioxygène, le filament porté à haute température brulerait instantanément, c'est la raison pour laquelle, dès l'origine, ce type de lampe a été muni d'une enveloppe de verre isolant un milieu sans dioxygène, l'ampoule, qui a donné son nom populaire au dispositif, puis par extension à tout système, protégé par une enveloppe en verre, destiné à fabriquer de la lumière à partir d'électricité.

à l'intérieur de l'ampoule, on trouve soit un gaz caractéristique du type d'ampoule : gaz noble souvent du krypton ou de l'argon soit le vide.

Inéluctablement le filament surchauffé se vaporise et perd de la matière par sublimation, ensuite cette vapeur de métal se condense sur l'enveloppe plus froide. L'ampoule devient de plus en plus opaque et le filament devient plus fragile. Le filament finit par se rompre au bout de plusieurs centaines d'heures : 1000 heures pour une lampe classique, jusqu'à 8 fois plus pour certaines lampes à usage spécial.

Dans les lampes actuelles, le filament de tungstène est enroulé en hélice,afin d'augmenter la longueur du filament, et donc la quantité de lumière visible produite.

Lampe à incandescence halogène

La lampe (à incandescence) halogène produit la lumière, comme une lampe à incandescence classique, en portant à incandescence un filament de tungstène, seulement des gaz halogénés iode Et brome à haute pression ont été introduits dans une ampoule en verre de quartz supportant les hautes températures.

Fonctionnement

Ce procédé limite la sublimation du filament de tungstène (transfert indésirable des atomes de tungstène du filament vers la paroi interne de l'ampoule) :

Détail: 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 verre de quartz,; puis par convection naturelle, le gaz se rapproche du point chaud et les atomes de tungstène se déposent à nouveau sur le filament sous l'effet de la chaleur.

Cela permet de faire fonctionner le filament à plus haute température que dans une lampe traditionnelle et obtenir malgré tout une durée de vie plus importante, typiquement 2000 h au lieu de 1000 h.

En fonctionnant à plus haute température, (environ 3000°K au lieu de 2700°K) la température de couleur du filament se rapproche de celle du Soleil (6000°K), ce qui procure une lumière plus éclatante et plus en adéquation avec la vision humaine. Par conséquent, l'efficacité lumineuse des lampes à halogènes est supérieure d'environ 30 % à celle des ampoules classiques.

Inconvénients et avantages

Les lampes à halogènes ont cependant la réputation d'être grosses consommatrices d'énergie. Cela vient du fait que les modèles de salon, sur pied, sont équipés de lampe de 150, 300 voire 500 W selon les modèles et que ces lampadaires remplacent généralement des systèmes de moindre puissance.

Détail: Mais une lampe halogène de 100W éclaire autant qu'une ampoule classique de 150W, donc consomme moins pour le même service rendu.; La différence de rendement apparent est due au fait que ces luminaires éclairent le plafond, donc le flux lumineux est indirect, mais généralement plus homogène.; De plus, ces lampadaires sont munis d'un variateur de puissance pour diminuer l'éclairement. Cette technique fait chuter considérablement le rendement, puisque, en abaissant la tension moyenne d'alimentation, elle diminue la température du filament et donc, son efficacité lumineuse.; On préférera autant que possible utiliser une lampe de puissance inférieure et multiplier si besoin est le nombre de luminaires pour obtenir une plus grande luminosité.

D'autre part, une température supérieure et des ampoules nettement plus petites que celles des lampes classiques induisent une température de surface de l'ampoule et du culot très importantes. Il est généralement déconseillé de toucher avec les doigts les ampoules : en effet les micro traces de graisses laissées par les doigts rendent à terme le verre de quartz poreux, lorsque celui-ci atteint la température de fonctionnement, ce qui compromet la durée de vie de la lampe.

Utilisations et diversifications

Ces dernières années, les lampes à halogène se sont multipliées dans les foyers :

Détail: Lampes fonctionnant à la tension du secteur, c'est-à-dire en basse tension (230 volts), mais utilisant une douille classique vis ou ba ï onnette).Elles sont souvent dotées d'une ampoule externe de forme traditionnelle, en verre, qui protège le tube de verre de quartz, plus petit.; Lampe très basse tension, c'est-à-dire inférieure à 50 volts (le plus souvent 12) en courant continu, fonctionnant avec une alimentation spécifique,transformateur ou convertisseur électronique, destinée à alimenter de petits spots ou des lampes de bureau (ces lampes incorporent souvent un réflecteur dichro ï que). Ces lampes très basse tension ont un meilleur rendement lumineux (lm / W) que les lampes fonctionnant à la tension du secteur car le filament plus court et de section plus importante peut être porté plus haut en température.

Les lampes à halogènes sont également très utilisées dans le domaine de l'automobile et de la motocyclette. Leur dénomination commence par la lettre H :

Détail: H1, H2, H3 et H7 : lampe de 55W à un filament; H4 : Lampe à deux filaments (version homologuée 55 et 60W pour l'éclairage route / croisement; H4 : Lampe à deux filaments (version non homologuée pour la route 90 et 100W pour l'éclairage sur circuit.

Tube fluorescent

Un tube fluorescent est un type particulier de lampe électrique,qui produit de la lumière, grâce à une décharge électrique dans un tube. Leur lumière peut être blanche (pour l'éclairage) ou colorée (comme sur les illustrations, pour la fabrication d'enseignes).

Les débuts

L'idée d'employer la fluorescence pour l'éclairage remonte à la deuxième moitié du XIX^e siècle avec Becquerel qui recouvrit l'intérieur des tubes à décharge avec différentes poudres fluorescentes. Ces lampes fluorescentes primitives ne trouveront pas d'application pratique du fait de leur intensité lumineuse insuffisante.

Ce n'est qu'en 1895 que Thomas Edison inventera une lampe fluorescente à partir d'un tube à rayon X dont la surface interne de l'ampoule est enduite de tungstate de calcium. Cette substance convertit une partie des rayonnements X en lumière blanche bleutée avec une efficacité lumineuse trois fois supérieure à celle des lampes à filament de carbone de l'époque, ce pour une durée de vie bien plus longue. Ces performances auraient pu propulser cette lampe sur le marché de l'éclairage mais le rayonnement X produit par cette lampe enverra au cimetière un employé d'Edison.

La technologie des tubes fluorescents s'est donc développée selon le schéma de Becquerel, à partir de tubes à décharge sous basse pression.

Le tube néon de Georges Claude

L'invention du tube au néon par Georges Claude au début du XX^esiècle a marqué le début de l'utilisation commerciale de tubes de couleur (rose et jaune) employant un revêtement fluorescent. Les teintes saturées obtenues ne permettaient certes pas l'usage de ces sources pour l'éclairage domestique ou autre que publicitaire. Cependant, il fut découvert que l'emploi simultané de tubes à vapeur de mercure, émettant une lumière bleue (inventée par Cooper-Hewitt en 1901), avec des tubes de Claude permettait l'obtention d'une lumière blanche de qualité relativement médiocre. De plus, ces lampes utilisaient des bains de mercure comme électrodes, ce qui donne lieu, comme on le sait aujourd'hui, à un très faible rendement de la source du fait de l'énergie considérable qu'il faut pour extraire les électrons des électrodes...

Nouvelles électrodes

Il faudra attendre 1927, et les travaux de Ruttenauer et Pirani Osram pour le développement d'électrodes en oxydes d'alcalins. Cette innovation permit de réduire les pertes d'énergie au niveau des électrodes pour l'extraction des électrons. Ceci accroît ainsi énormément le rendement des lampes. Ce n'est que dans les années 1930 que des tubes à vapeur de mercure sous basse pression seront employés en conjonction avec un revêtement fluorescent afin de générer une lumière blanche. La conception de ces tubes était similaire aux tubes de Claude, avec des cathodes creuses froides et une alimentation sous haute tension. Malgré une efficacité de l'ordre de 15-20 lm / W, de nombreuses installations de tubes à haute tension se feront dans les magasins, restaurants et autres lieux publics.

La disponibilité réelle des tubes fluorescents ne s'est amorcée qu'avec l'introduction en 1936, par Osram, à l'Exposition spécialisée de 1937 de Paris, de tubes à cathode chaude dont l'efficacité lumineuse est portée à 30-40 lm / W du fait de l'emploi d'électrodes moins dissipatrices en énergie.General Electric aux états-Unis, GEC en Angleterre et Philips aux Pays-Bas suivront en 1937-1938. Toujours chez Osram, le développement des poudres fluorescentes adéquates permit le lancement du premier tube fluorescent en 1936 à l'exposition universelle de Paris (Osram), suivi en 1938 par GE à New York puis par Philips (1938) et GEC (UK). Si ce changement crucial dans la conception a permis des rendements plus élevés, la durée de vie de ces sources était cependant limitée à 2000 heures du fait de la détérioration rapide des électrodes et de la poudre fluorescente. Il faudra attendre la fin de la Seconde Guerre mondiale pour voir l'introduction, par GEC, de mélanges binaires d'halophosphates de strontium et de bismuth propulsant l'efficacité lumineuse vers les 50-60 lm / W tout en améliorant la qualité de la lumière émise. Depuis les années 1950, l'amélioration de la qualité des composants a aussi permis l'accroissement de la durée de vie de ces sources et un meilleur maintien de l'efficacité lumineuse. à cet égard, le diamètre des tubes n'était pas inférieur à 38mm afin de limiter les dommages causés par le plasma de mercure sur le revêtement fluorescent.

Nouvelles poudres fluorescentes

Une innovation majeure verra le jour en 1973 avec l'introduction par Philips de mélanges ternaires de silicates et d'aluminates dont les propriétés générales sont bien supérieures à celles des halophosphates. En plus d'une efficacité lumineuse pouvant dépasser les 80lm / W avec une qualité de lumière grandement accrue, la résistance de ce type de matériaux à la décharge électrique permit la réduction du diamètre des tubes de 38mm à 26mm (T8) puis à 16mm (T5) et même moins. Cette réduction des dimensions des lampes permit la conception de luminaires plus compacts avec un meilleur contrôle optique de la lumière émise.

Techniques

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 :

Détail: 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 décharges 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.

La couleur de la lumière produite provient donc essentiellement de la composition spécifique de ce revêtement interne. Le néon est un gaz rare, comme l'argon, parfois utilisé mais produisant une lumière rouge. On voit donc que cette utilisation est très particulière et que c'est par simplification abusive et métonymie que le nom de ce gaz est devenu synonyme, aujourd'hui de lampe fluorescente.

La géométrie de ces lampes ainsi que les moyens d'excitation du plasma de mercure peuvent prendre différentes formes selon les besoins.

Tubes linéaires

Les tubes linéaires sont, de loin, les lampes fluorescentes les plus utilisées. La longueur de ces tubes varie de quelques centimètres à plus de deux mètres selon la puissance. Chaque extrémité est pourvue d'une électrode composée d'un filament de tungstène doublement ou triplement bobiné et enduit d'un revêtement d'oxydes de baryum-strontium-calcium pour une injection optimale du courant d'électrons dans la décharge électrique. Ces électrodes fonctionnent alternativement comme une cathode ou une anode selon le sens du courant (alternatif). La géométrie de ces électrodes varie d'un modèle de lampe à un autre et ceux dont la puissance dépasse les 100W ont des électrodes conçues avec deux sondes supplémentaires afin de pouvoir collecter le fort courant ionique lors de la phase anodique.

Deux classes de lampes à usage général se distinguent. D'une part, il y a les lampes à très bon rendu des couleurs employant une poudre fluorescente à base de silicates et d'aluminates, souvent nommées lampes à trois bandes en référence à leur spectre d'émission. En plus d'une très bonne qualité de lumière IRC de 80 à 95, l'efficacité lumineuse est élevée, de l'ordre de 80 à 105lm / W. D'autre part, il existe sur le marché des lampes à bas prix employant encore des halophosphates. Ces dernières ont une efficacité moindre (60 à 75 lm / W) et une qualité de lumière (IRC 55-70) trop faible pour un emploi en dehors de l'éclairage industriel.

Hormis cette gamme classique de lampes, il existe des sources à rayonnement ultraviolet (UV) dont les tubes lumière noire employant une poudre fluorescente rayonnant autour de 365nm, les tubes UVA et UVB pour le bronzage et le traitement de certains matériaux, puis les tubes UVC pour la stérilisation. Ces dernières lampes ne sont pas pourvues de poudre fluorescente et leur ampoule est fabriquée soit en quartz, soit en verre à faible teneur en oxyde de fer afin d'assurer une bonne transmission des UV générés par le plasma de mercure.

La puissance des tubes linéaires est normalisée

Longueur Puissance 1,5 m 58 W 1,2 m 36 W 0,9 m 30 W 0,6 m 18 W

lampe fluocompactes

Lampe fluorescente.

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.

La première fut créée par Philips (annoncée en 1976, introduite en 1980), puis Osram (1981) suivi par les autres fabricants. La conception de cette nouvelle génération de lampes a été motivée par l'accroissement des coûts énergétiques suite aux deux chocs pétroliers des années 1970. Ainsi, les premières lampes fluocompactes introduites par Philips étaient conçues pour remplacer les lampes à filament directement dans leurs luminaires. Cependant, l'intégration du ballast ferromagnétique posa un sérieux problème de poids et de volume qui limita les applications de ces lampes à économie d'énergie. Ce n'est que vers le milieu des années 1980 que les premières lampes fluocompactes à alimentation électronique seront mises sur le marché. Avec un meilleur rendement et des dimensions réduites, ces lampes se sont de plus en plus intégrées dans le paysage de l'éclairage domestique.

Quant à la rumeur d'émission d'UV, celle-ci est fausse car la couche fluorescente de la lampe absorbe les UV et réémet de la lumière visible (morceaux de spectre continu).

Toxicité

Détail: mercure : Parce que les lampes fluocompactes contiennent du mercure, un métal toxique, elles requièrent d'être traitées séparément des autres déchets ménagers. Le mercure représente un danger important pour les femmes enceintes, les nouveau-nés et les enfants en général. Les décharges publiques refusent souvent ce type de lampes parce qu'elles contiennent du mercure.Le contenu en mercure des lampes fluocompactes peut varier de 3 à 46mg. Si une lampe fluocompacte se brise, il est recommandé de bloquer sa respiration, d'ouvrir une fenêtre et d'aérer la pièce 10 ou 15mn avant de ramasser les débris pour éviter de respirer des vapeurs de mercure.; Béryllium : de la poudre de béryllium a été utilisée comme couche interne du tube. C'est un produit très toxique qui peut induire une maladie dite bérylliose chez les ouvriers qui l'ont manipulé.

Lampe à induction

Le facteur limitant la durée de vie des lampes fluorescentes est l'usure des électrodes. La lampe ne peut plus fonctionner correctement si les électrodes ne peuvent plus fournir suffisamment d'électrons nécessaires au maintien de la décharge électrique. Il existe une classe de lampe qui ne possède pas d'électrodes, mais une antenne radio-fréquence qui génère et excite un plasma d'argon-mercure grâce à un champ magnétique alternatif.

Il existe deux genres de lampe à induction, la lampe à induction à haute fréquence et la lampe à induction à basse fréquence.

Lumière émise et caractéristiques spectrales

Les tubes fluorescents destinés à l'éclairage peuvent émettre de la lumière colorée ou de la lumière blanche. (les tubes UV ne servent pas à l'éclairage, sauf effets spéciaux)

On trouve des tubes colorés émettant les couleurs suivantes : bleu, vert, rouge (faible intensité), ambre et rose.

Les tubes émettant de la lumière blanche peuvent produire des blancs forts différents, on parle de teinte, de chaud à très froid. Ils sont caractérisés selon 2 critères : leur température de couleur et leur indice de rendu de couleur (IRC).

Pour mémoire, une lumière blanche comprend toutes les longueurs d'onde du spectre, c'est un spectre continu. Les tubes fluorescents émettent un spectre discontinu, on parle donc de température de couleur proximale. L'indice de rendu de couleur permet d'apprécier la qualité du rendu visuel et le risque de métamérisme.

Température de couleur

Les tubes fluorescents destinés à l'éclairage sont disponibles dans les températures de couleur suivantes:

2700 K : proche de la lumière incandescente, utilisation domestique et hôtellerie (OSRAM : Interna)

3000 K : proche de la lumière halogène, utilisation en hôtellerie, boutiques, musées (OSRAM : blanc chaud / cool white)

3500 K : (peu fréquent) compromis entre lumière halogène et lumière de bureau

4000 K : blanc 'neutre', très utilisé dans les bureaux et dans les milieux industriels; cette température de couleur intermédiaire a l'avantage de ne paraître ni trop jaune la journée, ni trop froide la nuit (OSRAM : blanc de luxe)

5000 K : proche de la lumière du jour (mais attention à l'IRC), utilisé en musées, photographie et en arts graphiques

6500 K : proche de la lumière d'un ciel couvert (mais attention à l'IRC), utilisé dans les hôpitaux (ce qui donne cette lumière froide si typique) (OSRAM : lumière du jour / daylight)

8000 K : (peu fréquent) proche de la lumière d'un ciel bleu (lumière du nord), usages spéciaux.

Indice de rendu des couleurs (IRC)

Pour une même température de couleur, l'IRC peut varier. Cette différence n'est pas perceptible en regardant le tube directement ou lorsque sa lumière atteint une surface blanche, car le cerveau compense automatiquement un éclairage uniforme, mais devient flagrante lorsque l'on éclaire des objets colorés, qui apparaissent alors avec une dominante : fruits, vêtements, photographies (différences très visibles), nuanciers dentaires, etc.

Les tubes sont disponibles dans trois grandes familles de rendu de couleur :

IRC 55 à 70 % : rendu de couleur médiocre, utilisation en atelier, industrie, lieux publics de circulation. En photographie, ils produisent une dominante verte caractéristique. Efficacité lumineuse moyenne.

IRC 85 % : rendu de couleur correct, utilisation en bureau, école, hôtellerie, domestique (hélas). Les teintes chair sont déformées, le jaune tire vers le vert, les bleus tirent vers le violet et généralement toutes les teintes semblent plus saturées, un peu artificielles. Il est, par exemple, très difficile d'apprécier la couleur d'un vêtement dans une boutique éclairée avec cet IRC. En photographie, ils produisent également une dominante verte. Efficacité lumineuse très bonne.

IRC à 90 % . : rendu des couleurs supérieur, utilisation en arts graphiques, musées, dentisterie, photographie, caissons lumineux, utilisation très souhaitable en éclairage domestique. Utilisés en photographie, ils ne présentent pas la dominante verte si caractéristique. Efficacité lumineuse bonne.

Parallèlement, chaque IRC est disponible dans un éventail de températures de couleurs, mais toutes les combinaisons ne sont pas disponibles et certaines familles de lampes fluorescentes offrent moins de choix. Le plus vaste est offert par les tubes de 26mm de diamètre, alors que les lampes fluocompactes n'existent que dans trois ou quatre teintes, et presqu'exclusivement en IRC 85 % .

Le choix d'un tube (ou d'une lampe fluocompacte) doit donc s'effectuer impérativement selon les deux critères, l'IRC étant trop souvent ignoré.

Afin de faciliter le choix, les fabricants ont tous adopté la nomenclature Philips, en plus des dénominations commerciales.

Marquage standardisé de tubes fluorescents

Le code, à trois chiffres, regroupe à la fois l'indice de rendu de couleur et de la température de couleur. Le premier chiffre indique l'IRC, en dizaines de % , les deux chiffres suivants désignent la température de couleur, en centaines de K. On peut noter que ce marquage est aussi utilisé pour certaines lampes à décharge, notamment celles à halogénures métalliques.

le code 640 désigne un tube d'un IRC de 60 et d'une température de couleur de 4 000K (blanc industriel), éclairage d'atelier, cave, etc.

le code 840 désigne un tube d'un IRC de 85 et d'une température de couleur de 4 000K (ex : Osram blanc deluxe), éclairage typique en bureau.

le code 827 désigne un tube d'un IRC de 85 et d'une température de couleur de 2 700K (ex : Osram interna), éclairage typique des fluocompactes.

Si l'on souhaite simuler la lumière du jour (photothérapie par exemple) il faut impérativement un IRC 90 % et une température de couleur de 5000K ou 6500K, soit une teinte 950 ou 965. La teinte 950 revendique un IRC allant jusqu'à 98, ce qui en fait une teinte privilégiée pour le contrôle précis des couleurs, en particulier dans l'imprimerie.

Si l'on souhaite imiter la lumière incandescente (éclairage domestique), il faudrait 2700K et un IRC 90. Les lampes fluocompactes pourraient connaître un essor plus important si elle étaient disponibles dans cette qualité, car avec la teinte 827 proposée, la majorité des utilisateurs perçoit une différence par rapport à l'incandescence. Une telle teinte existait chez Philips en tube de ø 26 mm, mais a été supprimée.

Tableau récapitulatif des teintes de lampes fluorescentes (un tiret indique que cette combinaison n'existe pas)

- 2700K 3000K 3500K 4000K 5000K 6500K 8000K IRC 50-76 - 530 - 640/740 - 765 - IRC 85 827 830 835 840 - 860/865 880 IRC > 90 - 930 - 940 950/954 965 -

Lampe à vapeur de sodium

Historique

L'emploi de la vapeur de sodium comme source de lumière remonte à l'utilisation de tourbe combustible, ou la lumière orange de la flamme était faussement attribuée au soufre. Ce n'est qu'au milieu du XIX^esiècle, avec l'avènement des tubes à décharge sous basse pression et des arcs au carbone, que l'on étudie l'usage du sodium et de ses sels pour l'éclairage. Ce n'est cependant que vers les années 1930 que les premières lampes à vapeur de sodium métallique verront le jour gràçce à l'élaboration par Arthur Compton d'un verre au borate résistant aux alcalins mais à mesure que la pression de vapeur et la température de décharge sont augmentées, la lampe se détériorait irrémédiablement au bout de quelques secondes.

En 1932, Philips et Osram, respectivement aux Pays-Bas et en Allemagne,commercialisent les premières lampes de ce type qui seront employées immédiatement pour l'éclairage routier. Avec une efficacité lumineuse de 55 lm / W, ces sources étaient les plus économiques à l'époque. La technologie de ces lampes a énormément évolué jusque dans les années 1950, ou leur morphologie a ensuite peu changé. Leur très mauvais rendu des couleurs et leurs dimensions assez élevées limitent leurs applications à l'éclairage de voies publiques. De ce fait, il a été très tot envisagé d'accroitre la pression de vapeur afin de dissiper plus de puissance par unité de longueur, et d'enrichir le spectre émis afin de rendre la lumière plus agréable à l'oeil.

Un aspect crucial de ces sources, qui a fait l'objet d'efforts considérables de recherche et de développement, est l'isolation thermique du tube à décharge. Les premières lampes employaient un tube à décharge accouplé à un vase de Dewar transparent, similaire à ceux présents dans les bouteilles thermos. Bien que l'isolation thermique fàt satisfaisante à l'époque, ces bouteilles externes avaient l'inconvénient de se salir rapidement de l'intérieur. Ce problème fut résolu au milieu des années 1950 avec un design monopièce ou le tube à décharge est enclos dans une enceinte tirée sous vide. L'isolation thermique fut améliorée avec l'utilisation de gaines de verres qui rendaient ces lampes plutot lourdes et fragiles.

Une amélioration majeure fut le remplacement de ces gaines par un film transparent d'or, d'argent ou de bismuth déposé sur la surface interne de l'ampoule externe, réfléchissant le rayonnement infrarouge vers le tube à décharge. Ce n'est qu'à la fin des années 1950 que l'on découvre que le saphir synthétique est résistant aux vapeurs de sodium.

Ainsi une première lampe à haute pression est fabriquée en 1958 dans les laboratoires de Thorn, en Grande-Bretagne.Cependant, ce n'est qu'avec le développement de tubes en alumine polycristallin, et des scellements adéquats, qu'une lampe commerciale verra le jour en 1964. Bien que la barrière des 100 lm / W fàt atteinte avec cette technologie, l'emploi de ces films minces posait le problème de l'absorption de la lumière émise par la décharge électrique. Ce problème fut en partie résolu avec l'emploi d'oxyde d'étain pour le film, puis d'oxyde d'indium et d'étain qui permit d'atteindre au début des années 1980 les 200 lm / W, une limite qui à ce jour n'a pas été dépassée.

Les premières lampes faites en laboratoire avaient un remplissage de xénon et de sodium, mais pour des raisons pratiques du mercure a été rajouté.

Technologie

Basse pression

Ampoule d'une lampe LSP

Les lampes à vapeur de sodium sous basse pression (LPS) 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 recouvert d'une couche mince de verre au borate, 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 gràçce 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.

Haute pression

Les lampes à vapeur de sodium sous haute pression (SHP) 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.

Les sources sous basse pression sont caractérisées par un rayonnement quasi monochromatique orange, ce qui n'est pas le cas des lampes sous haute pression ou l'interaction entre les différents éléments donne un spectre superposé de bandes et de raies discrètes. Ainsi, la lumière de ces lampes a une meilleure qualité, car elle contient d'autres couleurs que l'orange. Cependant, l'IRC reste médiocre du fait que la teinte prédominante reste un jaune-orange relativement saturé. C'est cette caractéristique qui donne à ces lampes une excellente efficacité lumineuse, l'oeil étant plus sensible aux longueurs d'onde émises. Pour ces deux raisons, ces sources éclairent la vaste majorité des routes et des industries du monde.

Deux types de lampes dont la lumière est plus blanche ont été développés dans les années 1980. Le premier type de lampe a un CRI de Ra65, comparé à Ra20 pour les lampes traditionnelles, et une température de couleur de 2200K au lieu de 2000K. Ces changements sont obtenus par l'accroissement de la température et de la pression de vapeur, dont les effets secondaires sont un rendement moins bon et une durée de vie décrue. Malgré ce changement, la qualité de la lumière n'est toujours pas suffisante à un usage commercial. Ces lampes trouvent leur emploi en centre ville et dans les quartiers résidentiels.

Le deuxième type de lampe a une pression et une température encore plus élevées, donnant une lumière dont la couleur est proche de celle d'une lampe à incandescence. C'est donc tout naturellement, avec un CRI de Ra80 et une température de couleur de 2500-2700 K, que ces lampes à sodium blanches ont trouvé une application dans l'éclairage commercial, là ou on cherche à obtenir un environnement chaleureux. Cependant, leur rendement et leur durée de vie moindre ne leur donnent pas une fiabilité pour l'éclairage urbain.

La famille des lampes à vapeur de sodium standard s'étend de 35watts jusqu'à 1000W, avec une efficacité lumineuse de 90lux W^-1 jusqu'à 140lux·W^-1, ce qui en fait une source de choix pour un éclairage économique.

Des puissances standards de lampes tubulaires claires peuvent être:

Détail: 50 W; 70 W; 100 W; 150 W; 250 W; 400 W; 600 W; 1000 W

Alimentations électriques

A l'exception des lampes de 18 Watt, tous les modèles jusqu'à 180 Watt ont une tension d'amorçage supérieure à 250 Volt. De ce fait, la plupart de ces lampes sont alimentées par un autotransformateur à dispersion dont la tension au secondaire en circuit ouvert est de 450 V.

Depuis les années 1980, il existe des systèmes d'alimentation dits hybrides composés d'une self-inductance et d'un amorceur haute tension. La self est conçue de telle manière que le troisième harmonique de courant soit important. L'onde de courant résultante est plus carrée que sinuso ï dale, propriété qui accroit le rendement de ces lampes.

Détail: Les lampes à iodures métalliques (MH ou metal halide) produisent une lumière blanche qui favorise la pousse des plantes. La lumière produite est proche de la lumière du jour. La forte proportion de bleu dans le spectre de couleurs émises par les lampes MH est bien adaptée pour la période végétative (pousse des plantes); Les lampes au sodium à haute pression (HPS) émettent une lumière orange et leur spectre de couleurs est mieux adapté pour la floraison ou la fructification. Des lampes HPS 'spéciales' horticoles intègrent dans leur spectre de 'l'extrême rouge' particulièrement apprécié lors de la floraison. On peut les utiliser seules ou en complément d'une lampe blanche (MH) pour réussir de superbes floraisons.

Ces lampes sont une source ponctuelle de lumière préférable pour les plantes à une source linéaire comme les tubes fluorescents.

Théorie de fonctionnement

Le mode de fonctionnement se déroule en 3 étapes :

Détail: Initialement, il y a ionisation du néon (Ne) ce qui produit une lumière rouge et un échauffement progressif; A la température de 98°C, il y a vaporisation du sodium (Na), s'en suit son ionisation et la production d'une lumière jaune; Après environs 10 minutes, la température est d'environ 200°C puis il y a une stabilisation aux environs des 270°C.

Lampe à diode électroluminescente

Lampe à DEL blanches

La lampe à diode électroluminescente, ou lampe à DEL, est un type de lampe électrique qui utilise des diodes électroluminescences (en abrégé DEL, ou encore LED en anglais).

Elles étaient surtout utilisées pour réaliser des voyants lumineux en raison de leur tension d'alimentation adaptée à l'électronique et leur longue durée de vie (témoin de veille ou de fonctionnement d'appareils électriques, signalisation...), mais avec les progrès techniques récents, elles peuvent maintenant aussi servir à éclairer.

Lampes à DEL GUI10 blanches

Lampe à DEL à douille à vis Edison E27 (27 mm)

Présentation

Une lampe constituée de DEL produit de la lumière par électroluminescence d'un semi-conducteur, le rendement est bien plus intéressant sans toutefois atteindre celui des phénomènes de fluorescence (tube fluorescent, ampoule fluocompacte). La durée de vie des DEL est bien plus importante que pour ces deux derniers mécanismes avec un avantage certain, les DEL ne souffrent en aucune façon des alternances allumage/extinction (attention cependant, ce n'est pas forcément le cas de l'électronique l'accompagnant dans l'ampoule).

Le rendement des ampoules à DEL est souvent indiqué à la tension d'usage (basse tension) et non pas à la tension du réseau (110-120 ou 220-250 volts).

Points forts et faiblesses

Détail: Avantages :; faible consommation électrique due à un rendement correct; durée de vie beaucoup plus longue qu'une lampe à incandescence ou à fluorescence (50000 heures), la fin de vie se déclarant par une baisse de rendement progressive et non par un claquage brutal; sécurité d'un fonctionnement en basse tension; chauffent proportionnellement moins que l'incandescence en raison du meilleur rendement; ne produit pas d'ultraviolet; à l'inverse d'une lampe fluorescente (fluocompacte), une lampe à DEL n'émet pas de rayonnement à moyenne ou basse fréquence, susceptible d'être nocif à faible distance; peut produire une grande variété de couleurs par simple composition, à la fabrication, des différentes diodes électroluminescentes la constituant, ou en dynamique par modification des courants alimentant les différentes DEL.

Détail: Inconvénients :; en 2006, le prix à l'achat des lampes à DEL reste deux à quatre fois plus élevé que celui d'une lampe classique, à luminosité égale mais devrait baisser rapidement compte-tenu du développement rapide des ventes; les DEL dites blanches produisent ce blanc par mélange de quelques couleurs de base et n'ont donc pas un spectre continu comme les lampes à incandescence; la température du blanc produit tire souvent vers le bleu (blanc froid), perçu par les utilisateurs comme donnant une atmosphère froide aux intérieurs, il existe cependant des lampes blanches tirant plus vers le jaune (blanc chaud); l'IRC est lui aussi généralement médiocre (il est nettement meilleur avec les DEL apparues en 2009); les DEL ne supportent pas les hautes températures : la dissipation thermique des ampoules à DEL est un facteur limitant la montée en puissance de ces dernières; les DEL bleues ainsi que les DEL blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision, même périphérique. Ceci est bien sûr proportionnel à leur puissance, et devient de plus en plus préoccupant alors que des DEL toujours plus puissantes sont mises sur le marché. Toutefois sont récemment apparues des DEL à tons chauds, au spectre appauvri en lumière bleue.

Diode électroluminescente organique

Une diode électroluminescente organique (OLED) Organic Light-Emitting Diode) est un composant qui permet de produire de la lumière. La structure de la diode est relativement simple puisqu'elle consiste à superposer plusieurs couches semi-conductrices organiques entre deux électrodes dont l'une (au moins) est transparente.

La technologie OLED est utilisée pour l'affichage dans le domaine des écrans plats et son utilisation comme panneau d'éclairage est une autre application potentielle. En raison des propriétés des matériaux utilisés pour concevoir ces diodes, la technologie OLED possède des avantages intéressants par rapport à la technologie dominante des afficheurs à cristaux liquides (LCD). En effet la propriété électroluminescente de l'OLED ne nécessite pas l'introduction d'un rétro-éclairage ce qui confère à l'écran des niveaux de gris plus profonds et une épaisseur moindre. La flexibilité de ces matériaux offre aussi la possibilité de réaliser un écran souple et ainsi de l'intégrer sur des supports très variés comme les plastiques.

Historique

Le premier brevet est déposé en 1987 par la société Kodak et la première application commerciale est apparue vers 1997.

André Bernanose et son équipe ont produit de la lumière à base de matériaux organiques, en soumettant des couches minces de cristal d'acridine orange et de quinacrine à un courant alternatif de tension élevée. En 1960, des chercheurs du laboratoire Chemical ont développé des cellules électroluminescentes dopées à l'anthracène, alimentées par un courant alternatif.

La faible conductivité électrique de ces matériaux limitait la quantité de lumière émise, jusqu'à l'apparition de nouveaux matériaux comme le polyacétylène, le polypyrrole et la polyaniline noircie. En 1963, dans une série de publications, l'équipe dirigée par Weiss indique que le polypyrrole oxydé et dopé à l'iode possède une très bonne conductivité: 1S/cm. Malheureusement, cette découverte a été oubliée, tout comme le rapport de 1974 sur les commutateurs bistables à base de mélanine, qui ont une grande conductivité lorsqu'ils sont à l'état on. Ces commutateurs avaient la particularité d'émettre de la lumière lorsqu'ils changeaient d'état.

Dans une publication de 1977, l'équipe de Shirakawa indique une haute conductivité dans un matériau similaire, le polyacétylène oxydé et dopé à l'iode. Ces recherches vaudront à ces chercheurs le prix Nobel de Chimie pour La découverte et le développement de polymères organiques conducteurs.

Des travaux plus récents ont été menés depuis, avec de grandes avancées, comme la parution de l'équipe de Burroughs qui, en 1990, rapporte la très grande efficacité des polymères émettant dans la longueur d'onde du vert.

Fonctionnement

Principe

La structure de base d'un composant OLED consiste à superposer plusieurs couches de matériaux organiques entre une cathode et une anode, laquelle est souvent transparente formée d'oxyde d'indium-étain (ITO). Les couches minces organiques comportent typiquement une couche de transport de trous (HTL), une couche d'émission (EML) et une couche de transport d'électrons(ETL). En appliquant une tension électrique appropriée, les électrons et les trous sont injectés dans la couche EML à partir de la cathode et de l'anode. Les électrons et les trous se combinent dans la couche EML pour former des excitons puis l'électroluminescence apparait. Les matériaux de transfert de charges, la couche d'émission et le choix des électrodes sont des paramètres fondamentaux qui déterminent les performances et l'efficacité du composant OLED.

Détails

Le principe de fonctionnement des OLED est basé sur l'électroluminescence. La source de lumière est en fait due à la recombinaison d'un exciton (paire électron-trou), à l'intérieur de la couche émettrice. Lors de cette recombinaison, un photon est émis. Le but des chercheurs est d'optimiser cette recombinaison. Pour cela, il faut que la couche émettrice possède un nombre de trous égal au nombre d'électrons. Cet équilibre est cependant difficile à atteindre dans un matériau organique. En effet la mobilité d'un électron est environ trois fois plus grande que celle d'un trou.

L'exciton a deux états (singulet ou triplet).Seul un exciton sur quatre est de type singulet. Les matériaux utilisés dans la couche lumineuse contiennent souvent des fluorophores.Cependant, ces fluorophores n'émettent de la lumière qu'en présence d'un exciton à l'état de singulet d'ou une perte notoire de rendement.

Heureusement, en incorporant des métaux de transition dans une OLED à petites molécules, il apparait un phénomène quantique, le couplage de spin. Ce couplage permet une sorte de fusion entre les états de singulet et de triplet. Ainsi, meme à l'état triplet l'exciton peut etre source de lumière. Cependant, ce phénomène implique un décalage du spectre d'émission vers le rouge, rendant ainsi les longueurs d'ondes courtes (bleu-violet) plus difficiles à atteindre à partir d'un exciton à l'état de triplet. Mais cette technique quadruple l'efficacité des OLED.

Afin de créer les excitons dans la couche émettrice, il faut arracher des électrons d'un coté et en rajouter de l'autre. C'est pourquoi la couche lumineuse est prise en sandwich par deux électrodes:

Détail: une anode (+) qui crée des trous (arrache des électrons au matériau),; une cathode (-) qui apporte les électrons.

Les trous (positifs) et les électrons (négatifs) s'attirant, ils vont migrer au travers du matériau luminescent et se rencontrer pour former un exciton.

Les luminophores (éléments de la couches lumineuse) utilisés dans une OLED sont principalement dérivés du PPV poly [p-phénylène vinylène ] et du poly [fluorène ]. L'anode reste classique, composée d'oxyde d'indium-étain (ITO), tout comme la cathode, en aluminium ou en calcium. l'interface entre le matériau luminescent et les électrodes, des matériaux spécifiques sont intercalés, afin d'améliorer l'injection d'électrons ou de trous et donc d'améliorer l'efficacité de la OLED.

Technologies dérivées

Petites molécules

La technique OLED à petites molécules a été développée par Eastman-Kodak. La production utilise un système de dépot sous vide, ce qui rend le procédé plus cher que d'autres techniques de fabrication. De plus, comme ce procédé utilise un substrat en verre, il rend l'écran rigide (bien que cette limitation ne soit pas due aux petites molécules). Le terme OLED se réfère par défaut à ce type de technique (parfois sous le terme de SM-OLED, pour Small Molecules).

Les molécules principalement utilisées pour les OLED incluent des chélates organométalliques (exemple : Alq3, utilisé dans le premier dispositif électroluminescent organique) et des dendrimères conjugués.

Il existe maintenant une couche électroluminescente hybride qui emploie des polymères non conducteurs, enduits de molécules électroluminescentes conductrices (petites molécules). Ce polymère est utilisé pour ses avantages mécaniques (résistance) et pour faciliter la production, sans se soucier de ses propriétés optiques. La longévité de la cellule reste inchangée.

PLED

Les diodes électroluminescentes à polymère (DELP ou son anglicisme PLED pour Polymer Light-Emitting Diodes, également connues sous le nom de PEL pour Polymères électroluminescents ou, en anglais, LEP pour Light-Emitting Polymer) dérivent des écrans OLED mais ces derniers utilisent des polymères pris entre deux feuilles souples pour émettre de la lumière. Ces polymères peuvent etre liquides, ce qui favoriserait une industrialisation rapide. En outre, le taux de rafraichissement de ces écrans serait bien plus élevé que ceux des écrans LCD classiques.

Les écrans PLED sont issus de recherches portant sur des polymères capables d'émettre de la lumière, initialement par le département technique d'affichage de l'université Cavendish Laboratory of Cambridge en 1989.

Le principe de fabrication est le dépot en couche mince, et permet de créer des écrans couleur recouvrant tout le spectre visible, tout en consommant peu d'électricité. Leur fabrication n'utilise pas le dépot sous vide, et les molécules actives peuvent etre déposées sur le substrat par un procédé similaire aux imprimantes à jet d'encre. De plus, le substrat peut etre flexible (comme dans les PET), rendant la production moins couteuse.

PHOLED

PHOLED est l'acronyme de Phosphorescent Organic Light-Emitting Diode. Cette technique est brevetée par l'entreprise américaine Universal Display Corporation. Peu d'informations sont actuellement accessibles (fonctionnement, caractéristiques) du fait de la jeunesse de cette technique. Cependant, on peut citer comme atout un meilleur rendement que les OLED classiques, et comme défaut une durée de vie limitée dans les bleus (comme souvent en technique LED).

Utilisation

Les OLED sont actuellement de plus en plus utilisées sur des produits à durée de vie courte ou moyenne (téléphones mobiles, appareils photo numériques, baladeurs mp3, et meme un clavier d'ordinateur, etc.). L'utilisation pour des produits à durée de vie plus longue (moniteurs d'ordinateurs et téléviseurs notamment) devrait mettre un peu plus de temps. Ils sont aussi sous développement pour l'utilisation d'éclairage avec une performance similaire au fluo compactes CFL, et un IRC similaire à l'incandescent.

Avantages

La technique OLED possède de nombreux avantages par rapport aux LCD:

Détail: Meilleur rendu des couleurs (100 % du diagramme NTSC); Meilleur contraste (jusqu'à 1000000:1); Lumière plus diffuse (moins directive): angle de confort de vision plus étendu; Minceur et souplesse du support; Processus de fabrication plus abordable; Temps de réponse 0,1ms

Le processus de fabrication des écrans OLED est radicalement différent des écrans plats actuels. Le fait d'utiliser des techniques proches des imprimantes à jet d'encre permet d'envisager un cout de production très avantageux, comparé aux LCD ou aux écrans plasma.

De plus, les OLED émettent directement la lumière, ce qui induit d'une part une diffusion proche de 90° par rapport à la normale de l'écran et d'autre part une meilleure restitution des couleurs.

Enfin, le noir des OLED est vrai, c'est-à-dire qu'il ne correspond à aucune émission de lumière, contrairement aux LCD utilisant un rétro-éclairage qui a tendance à filtrer à travers la dalle dans les noirs. Les LCD perdent également la moitié de leur puissance lumineuse à la polarisation de la lumière plus encore 2/3 de leur puissance au passage des filtres de couleur: finalement, on perd 89 % de la puissance lumineuse. En comparaison, la technique OLED est beaucoup plus économe.

Inconvénients

Les OLED ont trois inconvénients majeurs:

Le principal défaut des OLED est leur durée de vie (environ 14000heures), notamment pour les OLED bleues. On estime qu'il faudrait une durée de vie d'environ 50000heures pour qu'une dalle OLED puisse jouer le role de téléviseur. Cette faible durée de vie comparée aux écrans LCD et aux écrans plasma freine le développement commercial de cette technologie. Cependant, de nouvelles techniques émergent, comme les PHOLED, qui utilisent un matériau phosphorescent. Les écarts d'énergie ainsi créées permettent d'atteindre une durée de vie proche de 20000heures pour les PHOLED bleues.

Toshiba et Displaylink auraient toutefois réussi à pallier ce problème en utilisant une technique fondée sur une membrane de métal afin d'optimiser la diffusion de la luminosité. Gràce à cette technique, les deux firmes affirment avoir réussi à concevoir un prototype OLED de 20,8pouces d'une durée de vie supérieure à celle des écrans classiques LCD, soit plus de 50000heures.

Il reste maintenant à résoudre les problèmes de conception et de production de larges dalles OLED; en effet les télévisions OLED pourraient remplacer les écrans LCD et plasma.

Détail: De plus, les matériaux organiques des OLED sont sensibles à l'humidité, d'ou l'importance des conditions de fabrication et de leur confinement dans l'écran (notamment pour les écrans flexibles).; Enfin, les OLED sont une technique propriétaire, détenue par plusieurs sociétés dont Eastman Kodak, ce qui pourrait constituer un frein au développement de la technique jusqu'à ce que les brevets tombent dans le domaine public.

Ampoule incandescente a nanotube de carbone

Si l'ampoule en question mérite notre attention, c'est parce que le diamètre de son filament ne mesure que 100 atomes (oui, vous avez bien lu, ce sont des atomes). Ce filament est en effet réalisé au moyen d'un nanotube de carbone.

Ses deux extrémités sont connectées à leur tour à deux nano filaments en or qui permettent sa liaison à une puce à base de silicium plus classique, le tout étant placé sous vide.On retrouve là le principe de la première ampoule à incandescence réalisée par Edison : un filament de carbone placé sous vide mais avec des dimensions sans commune mesure puisque le diamètre du filament est environ 100 000 fois plus faible et la taille de l'ampoule à peu près 10 000 fois plus petite.Mais l'analogie ne s'arrête pas là. En effet si l'on fait passer un courant variable dans le nanotube de carbone, on peut contrôler son échauffement et à partir d'une certaine température, celui-ci émet de la lumière visible à l'oeil nu malgré sa taille microscopique

Les chercheurs de l'UCLA ont alors utilisé une série de filtres équipant un microscope optique pour étudier l'intensité lumineuse de la lampe à différentes longueurs d'onde. A leur surprise, puisque que les 107 atomes de carbone du nanotube restent largement sous la limite thermodynamique de 1023 atomes environ, la répartition de l'énergie lumineuse selon la longueur d'onde étudiée suit bel et bien, à la précision des mesures actuelles, la loi du corps noir à une température T

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