LES LAMPES  ELECTRIQUES

Petit rappel sur le corps noir

Le corps noir est un corps imaginaire qui a la propriété de ne pas renvoyer la lumière qu'il reçoit. Lorsqu'un corps noir est chauffé à une température importante , comme tous corps il devient lumineux , mais la lumière qu'il émet provient de lui seul, cette lumière n'est pas mélangée à de la lumière provenant d'une autre source et qu'il réfléchirait. Lorsqu'on chauffe un corps quelconque et notamment le filament d'une lampe à incandescence, il va avoir un comportement voisin du corps noir.
La figure ci dessous montre le spectre de rayonnement d'un corps noir porté à différentes températures.

Dans la figure ci dessus apparaît une bande verticale colorée, c'est la zone où le rayonnement émis par le corps noir chauffé est visible, c'est à dire que notre œil y est sensible. A droite de cette zone (surface grise) se situent les infrarouges notre œil n'y est pas sensible mais notre peau les ressent. A gauche ce sont les ultraviolets ils nous font bronzer mais attention plus la longueur d'onde est courte plus l'énergie du rayonnement est dure et donc dangereuse .
La température de surface du soleil est d'environ 6 000 degré K. La courbe du rayonnement passe par sont maximum à peu près au centre de la zone visible. Le dosage des différentes couleurs de rayonnement visible sont à peu près équilibrées, la lumière est blanche. A une température légèrement inférieure, la lumière serait plus rouge, un peu plus élevée la lumière serait plus bleue.
Pour les éclairagistes, les photographes, des tons chauds sont des lumières plutôt rouge alors que les tons froids correspondent à des lumières plutôt bleue, c'est en opposition avec le corps noir qui,  lorsqu'il émet une lumière rouge, il est moins chaud que lorsqu'il émet une lumière blanche voir bleue.

Les lampes à incandescence.

Elles sont composées d'un filament en tungstène dans une atmosphère exempte d'oxygène. Parcouru par un courant électrique le filament va voir sa température s'élever, il va devenir lumineux. La température de fusion du tungstène est de 3410 degrés Celcius. Mais bien avant cette température , des atomes de tungstène vont quitter le filament, le tungstène se sublime, c'est à dire qu'il passe de l'état solide à l'état gazeux sans passer par la phase liquide. Comme tous les gaz il va se condenser sur les parois froides c'est à dire sur le verre de l'ampoule. Résultat, l'ampoule devient opaque et le diamètre du filament se réduit il devient de plus en plus fragile et un même courant électrique dans un fil plus fin va produire une température plus élevée , le fil va fondre.
La température du filament dans une lampe à incandescence est d'environ 2700 degrés K ( il faut dire 2700K ou 2700 Kelvins). Dans la figure ci dessus regardons la courbe à 3000K.  La surface de la zone de lumière visible est faible le rayonnement se situe surtout dans l'infrarouge, zone grise,  à 2700K c'est pire. Le rendement lumineux croit avec la puissance de l'ampoule. A faible puissance le filament est plus fragile qu'à forte puissance on le fera travailler à une température un peu plus basse que pour une lampe de plus forte puissance. Le rendement lumineux sera plus important pour les lampes de forte puissance que pour les faibles.
Les rendements vont de 1,9% pour 40W (12,6 lumens par Watt) à 2,6% et 100W (17,5 lm/W).

Les lampes à halogène

Les halogènes sont les corps de la colonne 7 de la classification périodique des éléments de Mendeleïev  soit Fluor, Chlore, Brome, Iode. Si on ajoute au gaz neutre de l'ampoule ( Argon ou Krypton) de l'iode gazeux lorsque le filament est chauffé, les atomes libérés par la sublimation du filament de combinent à l'iode et pris dans les mouvements de convexions viennent à nouveau de déposer sur le filament. Il est possible alors de porter la température du filament à un niveau plus élevé que dans une lampe à incandescence classique soit 3000K. Mais les parois subissent une température plus élevée il faut donc remplacer le verre par du quartz . Le quartz est de l'alumine Al₂ O₃ cristallisée. D'où le nom des ampoules quartz-iode.
Le rendement obtenu est de 3,5 % soit 24 lm/W

Les lampes fluorescentes compactes

On connaît depuis longtemps les tubes fluorescents. Il s'agit d'un tube en verre dont la paroi interne est couverte de poudre fluorescente. A chaque extrémité une électrode et dans le tube un gaz qui contient notamment du mercure. On va créer dans ce tube une décharge de lueur, c'est à dire qu'on ne va pas laisser s'établir le régime d'arc électrique. Dans le régime d'arc, le gaz se ionise de façon importante, sa résistance chute à une valeur très faible , un arc électrique s'établit, le courant et la lumière sont très intenses, les électrodes subissent un bombardement intense.
Le courant dans la décharge électrique est limité par le ballast (inductance) une décharge produisant un rayonnement ultraviolet. La poudre fluorescente absorbe se rayonnement qui va produire par fluorescence de la lumière. Cette poudre va servir de convertisseur de longueur d'onde. La composition de la poudre permet d'émettre un rayonnement situé dans la zone visible sans infrarouge donc avec un meilleur rendement. Le dosage des différentes poudres permet d'obtenir des lumières avec plus ou moins de rouge ou de bleu.
 

Mécanisme d'allumage du tube :

Au repos le starter laisse passer le courant, un courant circule les filaments électrodes chauffent. Le gaz contenu dans le tube est bombardé par les électrons émis par les électrodes un courant se met à circuler dans le tube le starter coupe . La décharge cesse. L'inductance qui subit une variation rapide du courant crée une surtension ( similaire aux bobines de voiture ) qui va créer une décharge dans le tube. Si le tube s'amorce tout va bien , l'inductance limite le passage du courant évitant le régime d'arc. Sinon la tension réapparaît aux bornes du starter et le cycle recommence jusqu'à amorçage du tube.
Les tubes fluorescents ont des rendements de 7 à 15% soit 50 à 100 lm/W.

La lampe fluorescente compacte:

Le perfectionnement des tubes et notamment des poudres fluorescentes a permis de faire des tubes de diamètre de plus en plus petits. De là à replier ce tube et parvenir à un encombrement voisin d'une ampoule à incandescence il n'y a qu'un pas, mais ne résout pas le problème du ballast lourd et encombrant. Le problème a été résolu par l'électronique. Un montage électronique crée une fréquence d'excitation élevée favorisant l'ionisation du gaz et donc l'amorçage de la lampe , il assurera également la limitation du courant. Ces composants sont logés dans le culot de la lampe.
La lampe fluorescente compacte à un rendement lumineux de 6,6 à 8,8% avec 45 à 60 lm/W
Inconvénient:
Dans un tube fluorescent classique , monté sur une réglette munie d'un réflecteur, le rayonnement émis en direction du support est renvoyé par le réflecteur. Dans une lampe compacte, le tube est replié soit en forme de plusieurs U soit sous la forme de serpentin, le rayonnement lumineux émis vers le centre de l'ampoule a peu de chance d'être utilisable pour l'éclairage

La lampe à LED

La LED (Ligth Emitting Diode ou Diode Electro Luminescente) c'est d'abord une diode à semi-conducteur.

Dans une diode à semi-conducteur on réalise une jonction entre deux semi-conducteurs. Prenons le cas de la diode au silicium. Deux morceaux de silicium son accolés. L'un dopé P est prêt à accepter des électrons, l'autre dopé N contient des électrons peu liés à la matière, les deux sont neutres électriquement , c'est à dire que chacun possède autant d'électrons que de protons. Le silicium P va attirer des électrons de la zone N mais faisant cela il va se charger négativement et la zone N qui a perdu des électrons se charge positivement, un champ électrique apparaît, lorsque la charge est suffisante le champ produit compense exactement la force d'attraction des électrons par le silicium P, le phénomène de migration va s'arrêter. Les deux morceaux de silicium sont alors séparés par une zone dite de recombinaison. Lorsqu'on applique une tension électrique à l'aide d'un générateur externe, si cette tension annule le champ dû à la charge négative du silicium P, la migration des électrons va reprendre, un courant électrique circule. Au contraire si la tension extérieure renforce ce champ, le courant ne passe pas. C'est la fonction diode.
Lorsqu'un électron passe de la zone N à la zone P , il y a une saute d'énergie E cette variation d'énergie va produire un photon la relation est:
E = h.F où E est la saute d'énergie en Joule, h la constante de Planck et F la fréquence du photon d'où F = E/h.
La longueur d'onde du photon est λ = c / F formule dans laquelle   λ est la longueur d'onde c la vitesse de la lumière et F la fréquence du photon d'où  F= c /λ  de là nous tirons λ = c.h / E

Dans la formule obtenue, le produit c.h est une constante on voit que la longueur d'onde du photon, donc sa couleur, est inversement proportionnelle à la saute d'énergie. La couleur du photon dépend donc des matériaux employés. Longtemps toutes les leds fournissaient de la lumière rouge. Petit à petit les chercheurs ont trouvé des matériaux ( ou plutôt ont conçu des matériaux) émettant des lumières vertes , jaune et autre mais une LED ne peut émettre qu'une lumière monochromatique.

Le problème de la LED blanche.
A priori la LED blanche est impossible puisque la lumière blanche ne correspond pas à une fréquence, c'est un mélange des trois couleurs fondamentales rouge, vert, bleu (RVB). Des LEDs blanches ont été conçues sur ce principe lorsqu'on a su fabriquer des LED bleues. Trois LEDs différentes réunies dans un seul boîtier faisant converger leur lumière vers une optique de sortie. Grosse difficulté de fabrication, trois matériaux différents,  trois tensions d'alimentation différentes, coup de revient élevé.

Cependant on voit que la zone d'émission se situe de 4500 à  6500 Å si on se réfère au spectre du corps noir, on voit qu'il n'y a pas émission d'infrarouges donc pas de production de chaleur ou très peu (effet Joule)

Une révolution tranquille
Un évènement passé presque inaperçu est l'attribution du prix Nobel de physique à trois chercheurs japonais : Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, et Shuji Nakamura pour l'invention de la led bleue en 1990. La led existait déjà, mais elle émettait une lumière rouge, or le rouge est un rayonnement de longueur d'onde d'environ 0,65 μm moins énergétique que  le bleu 0,47 μm, l'énergie contenue dans un photon est donnée par la formule E=hc/λ ou h est la constante de Plank et c la vitesse de la lumière et  λ la longueur d'onde du photon . On voit que plus la longueur d'onde est petite plus l'énergie est grande donc utilisable.

 Shuji Nakamura ne s'est pas arrêté là en ajoutant des fluorescents qui excités par la lumière de la led vont convertir une partie des radiations à 0,47 μm en diverses fréquences jusqu'a obtenir une lumière blanche qui sera commercialisée à partir de 1996. Le rendement de cet éclairage est de loin supérieur à tous les autres et va occasionner des économies d'énergie considérables. L'absence d'échauffement du fait du rendement excellent, va bousculer la fabrication des luminaires et accroître la durée de vie des sources lumineuses. On estime qu'en 2020 75% de l'éclairage sera réalisé avec cette technologie.

 Shuji Nakamura dont l'employeur n'a pas eu la reconnaissance qu'il était en droit d'attendre a émigré aux Etats Unis.

Figure extraite d'un rapport de Mr Laurent Massol - Ingénieur chez LED ENGINEERING DEVELOPMENT
Les rapports de Monsieur Massol peuvent être trouvés sur le site www.led-development.fr

Des améliorations ont été apportées en plaçant la diode dans un réflecteur diffusant répartissant mieux les photons émis par la diode vers la couche de phosphore. La LED blanche émet une lumière directionnelle bien adaptée à une utilisation de type spot, projecteur, éclairage publique. Pour réaliser une ampoule éclairant dans tout l'espace c'est plus difficile mais des études sont en cours. De même d'autres procédés de fabrication de lumière blanche sont également à l'étude.

La LED blanche actuellement a un rendement de 4 à 10% et fournit 26 à 70 lm/W on prévoit d'obtenir un rendement de 22% et jusqu'à 150 lm/W. Début 2015 on trouve dans le commerce des lampes fournissant 450 Lumens et consomme 5 Watts. Les formes de ces lampes se diversifient et notamment apparaissent des luminaires associant une multitude de Leds blanches. Il n'est pas exagéré de dire que l'éclairage par Led va se généraliser et que la consommation électrique pour les éclairages privés et publics va se trouver divisée par 10 et qu'il s'agit là d'une invention d'une portée extraordinaire
 

Tableau comparatif des sources lumineuses pour éclairage domestique

Si vous aimez un peu de calcul

Les unités d'éclairement

Rappels:     Surface d'une sphère  de rayon R     S= 4πR2      Définition du stéradian: Le stéradian symbole sr : est l'angle solide décrit par un cône qui découpe à une distance r une surface r2 . Une sphère représente donc 4π stéradians   La Candela symbole cd est l'intensité d'une source lumineuse(1) dans une direction donnée. Le Lumen symbole lm: est le flux lumineux produit par une source de 1 cd dans angle solide de 1sr Le Lux symbole lx est l'éclairement d'une surface de 1m2 qui reçoit  un flux lumineux de 1 lumen

Choix des ampoules :
Si nous achetons une ampoule de type classique, non directive, on peut estimer qu'elle émet dans un angle solide de 3π  stéradians puisque la totalité d'une sphère représente 4π  stéradians, en tenant compte de l'angle solide non éclairé (douille de l'ampoule) à 1mètre, la surface éclairée est de 3π R² soit , si l'ampoule fournit un flux lumineux de L lumens l'éclairement E en lux d'un surface de 1m² sera E=L/3π lx, grosso modo 0,1L lx

Si maintenant nous prenons une ampoule directive qui émet son flux lumineux dans un angle de 36° à 1 mètre le rayon de la surface éclairée sera r = 1.sin18° soit r = sin18° = 0,3m La surface éclairée est S= π r²  soit S= 0,3².π ≈ 0,1π  et l'éclairement en lux de cette surface sera E= L/0,1π lx à rapprocher du résultat de l'ampoule non directive E=L/3π lx

On peut voir que l'utilisation d'une ampoule directive va fournir un éclairement 30 fois supérieur à une ampoule non directive sur une surface incluse dans l'angle éclairé, mais le reste sera dans la pénombre. La zone non éclairée serait dans le noir si la surface éclairée absorbait totalement l'énergie reçue mais généralement elle va être le siège d'une réflexion diffuse.

(1) les définitions des unités d'éclairement sont difficile à préciser dans l'absolu, elles prennent en compte l'acuité de notre vision. Il est évident que l'acuité visuelle dépend des individus . Des critères on été définis de façon à s'affranchir des facteurs humains variables. La définition officielle de la Candela est alors :
La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 ×10¹² hertz (correspondant  à une longueur d'onde dans le vide de 555 nm couleur jaune-vert) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian  
(Extrait de Wikipédia)

Fiche revue le 17/02/2015

Document N° 077