LES DIFFERENTS TYPES DE LAMPES

LES DIFFERENTS TYPES DE LAMPES
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Les différents types de lampes
Sommaire Introduction Caractérisation de la lumière Grandeurs photométriques Les lampes à incandescence Les lampes halogène Les tubes fluorescents Les lampes compactes fluorescentes Les lampes à décharge AUGRAS Willy

Introduction - Si le soleil est la source principale d’énergie
lumineuse durant le jour, l’électricité prend la relève pendant la nuit ; - Elle permet ainsi à l’activité humaine de continuer. L’éclairage constitue une part importante de l’utilisation de l’énergie électrique. AUGRAS Willy

Caractérisation de la lumière
La lumière est un rayonnement visible. Ce rayonnement est un ensemble de radiations caractérisées par leur longueur d’onde. Ces longueurs d’onde sont exprimées usuellement en nanomètres. La lumière se transmet à la vitesse de km/s avec une fréquence proche de GHz. la longueur d’onde de la lumière est donnée par la relation suivante :  = v / f  : Longueur d’onde en mètres (m) v : Vitesse de la lumière en m/s f : Fréquence en Hertz (Hz) AUGRAS Willy

Chaque source lumineuse fournit un ensemble de radiations différentes. L’étude des spectres lumineux (analyse spectrale) est donc très importante pour le choix des sources lumineuses, d’autant plus que la sensibilité de l’œil humain est différente selon les couleurs. AUGRAS Willy

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Grandeurs photométriques
L’intensité lumineuse Cette grandeur a été fixée arbitrairement. C’est à partir de l’intensité lumineuse que l’on définit toutes les autres unités. L’unité de l’intensité lumineuse I est la candela (cd). Par définition, la candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement dont l’intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 Watt par stéradian. AUGRAS Willy

Le flux lumineux  C’est la quantité de lumière émise par une source lumineuse dans un certain cône. L’unité du flux lumineux  est le lumen (lm). Par définition, le lumen est le flux émis par une source ponctuelle uniforme d’une candela dans l’angle solide d’un stéradian. Le flux lumineux s’exprime par la relation suivante:  = I x   : Flux lumineux en lumen (lm) I : Intensité lumineuse en candela (cd)  : Angle solide en stéradian AUGRAS Willy

L’angle solide de un stéradian est défini par une surface sphérique de 1 m² placée à 1 mètre de la source de une candela. AUGRAS Willy

La quantité de lumière Q C’est le produit du flux lumineux par le temps. L’unité de la quantité de lumière est le lumen.seconde (lm.s). Par définition, le lumen.seconde est la quantité de lumière produite par une source émettant un flux constant d’un lumen pendant une seconde. La quantité de lumière s’exprime par la relation suivante: Q =  x t Q : Quantité de lumière en lumen.seconde (lm.s)  : Flux lumineux en lumen (lm) t : Temps en seconde (s) AUGRAS Willy

L’éclairement E Le flux lumineux produit par une source peut se répartir sur des surfaces différentes donnant des effets différents; il a donc fallu définir une unité de flux lumineux par unité de surface, c’est l’éclairement. L’unité de l’éclairement est le lux (lx). Par définition, le lux est l’éclairement E d’une surface de 1 m² recevant un flux lumineux de 1 lumen. C’est aussi 1 lumen/m². L’éclairement s’exprime par la relation suivante: E =  / S E : Éclairement en lux (lx)  : Flux lumineux en lumen (lm) S : Surface en mètre carré (m²) AUGRAS Willy

Les lampes à incandescence
Constitution générale AUGRAS Willy

Le filament Après avoir utilisé du carbone (1800 °C), du tantale (2000 °C), on utilise maintenant du tungstène (2250 à 2400 °C) en double spiralage. Ce double spiralage permet de réduire les pertes d’énergie et d’accroître l’efficacité lumineuse* des lampes. * Efficacité lumineuse = Flux lumineux / puissance de la lampe. AUGRAS Willy

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Dans le pied de la lampe, on utilise du cuivre ainsi qu’à l’extérieur de l’ampoule, vers le culot. Dans la traversée du pincement, on utilise un alliage de Ferro-nickel cuivré (dumet) dont la propriété est d’avoir le même coefficient de dilatation que le verre. Le rôle de l’ampoule est à la fois de contenir l’atmosphère de la lampe, de diminuer la luminescence de la source et d’apporter une forme décorative. AUGRAS Willy

Le culot Il permet d’assurer la liaison électrique avec l’alimentation en énergie et de fixer la lampe dans son support. Les culots les plus fréquemment utilisés sont ceux à vis (E40, E27 et E14) ou à baïonnette (B22 et B15). Les culots sont normalisés par les normes NF C à AUGRAS Willy

Caractéristiques La puissance électrique dont les valeurs sont normalisées et sont : 25 – 40 – 60 – 100 – 150 – 200 – 300 – 500 – 750 – 1000 – 1500 W. La tension qui est la plupart du temps de 230 V. Par contre, les fabricants fournissent des lampes utilisables dans les domaines de tension suivantes : 24 – 27 – 115/120 – 125/130 – 135/140 – 150 – 220/230 – 240 – 250/260 V. AUGRAS Willy

Le flux lumineux est lié à la puissance de la lampe et dépend aussi de la tension. Par exemple, pour une ampoule standard claire de 100 W, son flux lumineux sera de 1380 lumens sous 230 V. AUGRAS Willy

Désignation d’une lampe Elle doit comprendre : La puissance La tension d’alimentation Le type de culot La forme de l’ampoule, voir le revêtement L’atmosphère particulière s’il y a lieu AUGRAS Willy

Les lampes spéciales Un très grand nombre de lampes particulières pour des applications bien précises existent sur les catalogues des fabricants, en dehors des lampes d’éclairage normales ou standard. On peut les classer selon l’emploi : Lampes à miroir incorporé : le miroir est situé sur la calotte sphérique, à l’intérieur de l’ampoule. AUGRAS Willy

Lampes colorées : lampes de couleur, lampes anti-insectes, lampes lumière du jour (teinte bleuté). Lampes miniatures : pour lampes de poche (culot à vis E10), vélo, modélisme. Lampes pour automobile : l’équipement d’une voiture est d’une vingtaine de lampes environ. Lampes pour la photographie : lampes de prise de vue (flash) : elles sont caractérisés par une plus grande efficacité lumineuse et par une lumière assez blanche. Leur durée de vie est courte. AUGRAS Willy

Les lampes halogène Une lampe halogène est une lampe à
incandescence à laquelle on incorpore de la vapeur d’iode (gaz halogénés – colonne 17 de la classification périodique des éléments) à raison de 0,1 mg/cm3. Ce gaz régénère le filament, augmentant ainsi sa durée de vie. La température de fonctionnement est de 2900 °C. L’ampoule est en quartz (très fragile) pour supporter cette température. Elle est souvent placée à l’intérieur d’une autre ampoule en verre ordinaire afin de la protéger mais aussi pour absorber le rayonnement ultraviolet. AUGRAS Willy

Les lampes halogène Caractéristiques
Efficacité lumineuse supérieure aux lampes à incandescence (20 lm/W contre 15 lm/W env.) Flux lumineux constant dans le temps. Durée de vie double de l’incandescence normale. Excellent rendu des couleurs Absence de noircissement de la paroi de la lampe. AUGRAS Willy

Les tubes fluorescents
Un corps est dit fluorescent lorsque, frappé par certaines radiations, il les absorbe et restitue des radiations de plus grande longueur d’onde. Dans un tubes fluorescent, la différence de potentiel entre les électrodes provoque, dans l’atmosphère d’argon de la lampe, un déplacement d’électrons du pôle négatif vers le pôle positif. AUGRAS Willy

L’élévation de température de l’argon ionisé vaporise le mercure contenu dans la lampe. Dès lors, tout se passe comme si le mercure était seul dans la lampe. Les électrons rencontrent sur leurs parcours les atomes de mercure; ils agissent alors sur les électrons périphériques de ce métal à l’état de vapeur en élevant leur niveau d’énergie. Les électrons périphériques ainsi excités à chaque collision retombent ensuite à leur niveau antérieur en libérant des photons. AUGRAS Willy

Les photons ultraviolets ne peuvent donner directement la lumière visible. Les radiations ultraviolettes sont rendues visibles par les poudres fluorescentes qui tapissent la paroi interne du tube et dont le rayonnement se situe entre 400 et 750 nm. AUGRAS Willy

Constitution d’un tube fluorescent AUGRAS Willy

Les cathodes Elles sont constituées par un fil de tungstène trispiralé et enduites de substances alcalino- terreuses qui favorisent l’émission des électrons. AUGRAS Willy

Le tube Il contient de l’argon qui s’ionise très rapidement, s’échauffe instantanément et provoque la vaporisation du mercure. Le revêtement du tube est un mélange de sels minéraux fluorescents dont la structure moléculaire est ordonnée et qui se présente sous forme de poudre en cristaux de quelques microns. AUGRAS Willy

Les culots Les culots sont normalisés selon les figures ci- dessous pour les culots les plus courants. AUGRAS Willy

Alimentation du tube : stabilisation La décharge électrique alimentée par le courant électrique provoquerait, aussitôt amorcée, un court- circuit si une résistance ou une impédance de stabilisation n’était pas intercalée entre la source et le tube, c’est le ballast. AUGRAS Willy

Le starter Le starter a pour but, en fermant le circuit des filaments, d’assurer le chauffage des cathodes pour les rendre très émissives pendant un court instant. AUGRAS Willy

Constitution d’un starter AUGRAS Willy

Analyse du fonctionnement d’un starter AUGRAS Willy

A – Au repos, le starter est ouvert. B – On ferme l’interrupteur, la tension secteur se trouve appliquée aux bornes du starter, le néon qui s’ionise à partir de 80 à 120 V devient conducteur. Le starter s’allume. C – Le starter allumé, la chaleur dégagée par cette décharge déforme les électrodes bimétalliques qui viennent en contact. À ce moment la lueur disparaît. D’autre part, le courant s’établit par le starter, les deux électrodes montées en série avec l’inductance s’échauffent et deviennent émissives (circuit en bleu sur la constitution du starter). AUGRAS Willy

D – Les électrodes bimétalliques du starter se refroidissent et se séparent brutalement en reprenant leur position initiale. Cette coupure entraîne une surtension aux bornes de l’inductance, permettant l’amorçage de la lampe; le courant s’établit dans le tube. La tension aux bornes du starter devient alors la tension d’arc de la lampe, de l’ordre de 12 à 20 V qui est insuffisante pour provoquer l’ionisation du néon dans le starter. AUGRAS Willy

Caractérisation de la lumière Le mélange de poudre de sels fluorescents permet de faire varier les teintes de spectres lumineux. Chaque fabricant présente ses tubes sous des appellations commerciales très différentes. AUGRAS Willy

Température de couleur La « température de couleur » caractérise l’ambiance colorée, chaude ou froide, que les tubes fluorescents permettent d’obtenir. AUGRAS Willy

Remarque : La température de couleur d’un tube fluorescent ne fournit aucune indication sur la répartition spectrale qui seule détermine le rendu des couleurs. AUGRAS Willy

Indice de Rendu des Couleurs (IRC) Il caractérise l’aptitude des tubes fluorescents à ne pas déformer l’aspect coloré habituel des surfaces qu’ils éclairent. Par convention, cet indice est compris entre 0 et 100. S’il n’y a aucune différence d’aspect, l’indice est 100. AUGRAS Willy

IRC AUGRAS Willy

Spectre lumineux Le spectre lumineux qui est dû, d’une part, au gaz ionisé, d’autre part, à l’excitation de la substance de fluorescence, n’est pas un spectre continu, mais une succession de raies de différentes longueurs d’onde. AUGRAS Willy

Quelques exemples de spectres AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo Efficacité lumineuse : L’efficacité lumineuse des tubes varie de 60 à 104 lm/W. Cela est dû à l’amélioration des revêtements fluorescents et également au système d’alimentation qui est à contrôle électronique. AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo Tension d’alimentation : L’augmentation de la tension provoque une augmentation de l’intensité absorbée, de la puissance, du flux. Par contre, l’efficacité lumineuse diminue car la production d’ultraviolet est moins importante. AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo. Flux lumineux et durée de vie : La valeur du flux lumineux donnée par le fabricant est celle obtenue après 100 h de fonctionnement mais avec le vieillissement, le flux lumineux diminue de 5 à 30 % selon les tubes. La durée de vie est beaucoup plus élevée que celle des lampes à incandescence (de 6000 à h contre 1000 h). AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo Influence de la température : Aux basses températures, ou aux très hautes températures, le flux lumineux à tendance à diminuer. AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo Irrégularités de fonctionnement : On observe quelquefois des irrégularités de fonctionnement : Le tube s’allume et s’éteint alternativement, il n’arrive pas à prendre son régime de fonctionnement. On doit enlever le tube et le changer, les cathodes sont détériorées. AUGRAS Willy

Caractéristiques des tubes fluo Les extrémités seules deviennent lumineuses en permanence. Le starter reste passant, il faut le changer. Si le tube ne prend son régime qu’après s’être allumé et éteint plusieurs fois, vérifier si la tension n’est pas trop faible. Si un tube paraît moins éclairer que d’autres, vérifier si le ballast est bien adapté. AUGRAS Willy

Désignation d’un tube fluorescent Un tube fluorescent est indissociable de son appareillage et il faut bien tenir compte des éléments suivants : Pour le tube : La puissance électrique : elle est directement liée à la longueur du tube. 18 W  0,60 m ; 36 W  1,20 m ; 58 W  1,50 m. La teinte de couleur : confort, brillant, etc. AUGRAS Willy

Désignation d’un tube fluorescent La nature du dispositif d’allumage : avec starter ou avec bande d’amorçage extérieure ou intérieure. Le culot : G5, G13, R180. La forme et le diamètre du tube : droit, circulaire, en U, miniature. AUGRAS Willy

Désignation d’un tube fluorescent Pour l’appareillage : En général, l’ensemble de l’appareillage est monté dans une réglette support qui comprend, pour un ou deux tubes : La platine et son capot, les douilles du tube, l’embase du starter, le ballast et le condensateur de compensation. AUGRAS Willy

Les lampes compactes fluorescentes
Principales caractéristiques Ces lampes font partie de la technologie lampes fluorescentes, elles sont caractérisées par : L’économie d’énergie grâce à leur faible consommation ; La qualité de la lumière obtenue (IRC = 85), température de couleur de 2700 K ; La durée de vie, qui se situe entre et heures ; AUGRAS Willy

Elles contiennent une très faible quantité de mercure ; Gamme de puissance : 5, 6, 10, 13, 15, 18, 23 et 26 W. AUGRAS Willy

Dispositions de l’alimentation On distingue les lampes compactes à alimentation incorporée des lampes compactes à alimentation séparée. Alimentation incorporée : Elles sont directement interchangeables avec une lampe à incandescence classique. AUGRAS Willy

Alimentation séparée : On obtient des lampes de puissance beaucoup plus importante. Gamme de puissance : 5, 7, 9, 11, 18, 24, 36, 40, 55. Ces lampes sont souvent utilisées dans des luminaires, elles nécessitent une alimentation par un ballast Ferro-magnétique et un starter externe. On peut avoir aussi une alimentation électronique haute fréquence adaptée avec une gradation possible. Ces lampes sont utilisées avec des culots type G23 (2 broches) ou 2G11 (4 broches). AUGRAS Willy

Précautions d’emploi : Le nombre d’allumages n’altère pas la durée de vie, à condition de laisser la lampe éteinte au moins 10 secondes entre 2 allumages. La montée en régime de ces lampes est d’environ 2 minutes. En général, ces lampes ne sont pas utilisables avec un gradateur. AUGRAS Willy

Comparaison avec une lampe à incandescence Pour un même flux lumineux de 1200 lm, soit les données suivantes : Lampe à incandescence Lampe compacte Prix unitaire 1€ ; Prix unitaire 14€ ; Cons. 100W Cons. 20W Durée de vie Durée de vie 1 000 heures heures AUGRAS Willy

On obtient le graphique suivant : La lampe compacte consomme 5 fois moins d’énergie et dure 15 fois plus longtemps que la lampe à incandescence. AUGRAS Willy

Lampes à induction La lampe à induction utilise le même principe de décharge qu’un tube fluorescent, la différence se situe au niveau de la génération du phénomène de décharge. La décharge s’effectue grâce à un champ électromagnétique créé par un courant haute fréquence circulant dans une bobine. Il n’y a donc plus aucune usure des électrodes, de filaments, d’où une très longue durée de vie. Ces lampes sont surtout utilisées dans le cas où le remplacement est très coûteux, ou par suite d’inaccessibilité. AUGRAS Willy

Lampes à induction AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Classification
On distingue deux modes de fonctionnement des lampes à décharge : À cathode froide : tubes luminescents, lampes néon (voyants, veilleuses) ; À cathode chaude : haute et basse pression. AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Classification AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Constitution AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Constitution
Une lampe à décharge fonctionne en régime d’arc, elle comporte : Une ampoule de forme ovoïde ou tubulaire, contenant un mélange gazeux azote-argon (éventuellement, l’intérieur de l’ampoule est revêtu d’un poudrage fluorescent) ; AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Constitution
Un tube à décharge, ou brûleur, muni, à chacune de ses extrémités, d’électrodes en tungstène et contenant un gaz rare (néon, argon, xénon) pour favoriser l’amorçage et une infime quantité de métal, iodures métalliques, mercure ou sodium ; Une structure métallique assure le support et l’alimentation électrique. Pour les lampes aux iodures métalliques, on a ajouté des iodures de thallium et d’indium pour un meilleur rendu des couleurs. AUGRAS Willy

Caractéristiques et choix
Les lampes à décharge Caractéristiques et choix Le tableau ci-après donne les principales caractéristiques des différentes lampes à décharge. L’alimentation se fait par l’intermédiaire d’un ballast. La durée de mise en régime est de 5 minutes environ. Le réamorçage ne peut se faire qu’après une dizaine de minutes. Les lampes à décharge s’imposent dans tous les cas où l’on recherche une efficacité lumineuse (lm/W) la plus élevée possible. AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Caractéristiques et choix La sélection entre toutes les propositions s’effectue selon les critères suivants : Flux lumineux unitaire (lm). Efficacité lumineuse (lm/W). Température de couleur (K). Indice de rendu des couleurs (0<IRC<100). AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Caractéristiques et choix À partir de ces paramètres, le choix s’effectue autour des cinq familles principales données dans le tableau ci-après : lampes mixtes (MMF), lampes à vapeur de mercure (MAF…), lampes à vapeur de sodium hp (MAC), lampes à vapeur de sodium bp (SIO), lampes aux iodures métalliques (MTIL). AUGRAS Willy

Les lampes à décharge Caractéristiques et choix AUGRAS Willy

L'exposé est terminé AUGRAS Willy

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