CHAPITRE 11 : L`ECLAIRAGE Caractéristiques : Les différentes
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INSTITUT CARDINAL MERCIER CHAPITRE 11 : L'ECLAIRAGE 1. INTRODUCTION . Caractéristiques : - Les différentes ampoules sont caractérisées par : • La tension nominale : c’est la tension maximale que l’ampoule peut supporter (ex : 12 V, 24 V, 230 V, …) • La puissance nominale : c’est la puissance électrique qu’absorbe la lampe quand elle est alimentée sous la tension nominale (ex : 15 W, 25 W, 40 W, 60 W, …) - Lampe à incandescence, lampe économique, lampe halogène, led …, les possibilités d’éclairage sont multiples. - Voyons comment fonctionnent ces différentes lampes et quels en sont les avantages et inconvénients. 2. LAMPES A INCANDESCENCE. a) Principe de fonctionnement : TECHNOLOGIE - Elles sont constituées d’une ampoule de verre dans laquelle est placé un fil conducteur résistant (filament) que le passage du courant échauffe fortement (incandescence). - Pour éviter que le filament ne brûle au contact de l’oxygène de l’air, on fait le vide dans l’ampoule, ou on remplace l’air par un gaz chimiquement inerte. 11 - 1 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER c) Culots de lampe Généralités - Le culot de forme cylindrique scellé à une extrémité de l’ampoule est destiné à supporter l’ampoule. - Il sert de jonction entre le réseau et le filament. - Il existe deux types de culots : • • A visser (E) A baïonnette (B) Les culots à visser ( culots Edison ) - Ils se présentent sous six dimensions différentes parmi lesquelles les plus utilisées sont : • • • • E 40 (E pour Edison, 40 pour le diamètre en mm du culot) ou culot Goliath : il se retrouve principalement sur les lampes de plus de 200 W. E 27 ou culot standard : il est utilisé pour les lampes d’éclairage ordinaires. E 14 ou culot mignon : il est utilisé pour certains lustres ou appliques murales. E 10 ou culot mignonnette : il est utilisé pour les lampes de poche par exemple. E 40 TECHNOLOGIE 11 - 2 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER Les culots baïonnettes (culots Swan) - Ils se présentent sous quatre dimensions différentes : • - B 22 , B 20, B 15, B 9. Les plus utilisés sont le B 22 et B 15. Ce type de culots est utilisé aux endroits où les lampes sont soumises aux vibrations (voitures, trains, bateaux, avions, machines-outils, …) Important : Très énergivore les lampes à incandescence sont appelées à disparaître du marché. 3. LAMPES HALOGENES. Elles existent sous plusieurs formes : spot, type ampoule à incandescence , tubulaire,… - La lampe halogène est une ampoule à incandescence améliorée. - Elle contient un gaz halogène qui empêche les particules du filament de se déposer sur les parois du verre. Les particules se déposent sur le filament. Attention : Pour durée de vie l'ampoule halogène 2 règles à suivre : C’est pourquoi elles la conservent leurde clarté et luminosité durant toute leur existence. Ne jamais la prendre directement en main, Ne pas la laisser en bas 8h00 La lumière produite par fonctionner ces lampes est plusrégime blancheplus quedecelle desd'affilé. ampoules à incandescence et fait paraître les couleurs plus éclatantes. - TECHNOLOGIE 11 - 3 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER Exemple de douille ou soquet : G10 : Spot halogène 230 V MR16: Spot halogène 12 V Emploi avec transformateur ! R7S : lampe tube 230V N.B. : Conseil pour les lampes halogènes BT soit 6 ou 12 V, il est préférable d'employer un transformateur pour 1, 2 ou 3 lampes maximum . 4 TUBES FLUORESCENTS. Le tube fluorescent (ou tube luminescent) est très utilisé pour l'éclairage domestique, de bureau ouu industriel (garages, ateliers, grandes surfaces...). Il est souvent appelé à tort « néon », du nom du gaz contenu à l'origine dans le tube (le néon produit une lumière rouge). Ses avantages sont sa faible consommation et sa grande durée de vie. a) Principe de fonctionnement Le tube est rempli de gaz rare (argon,...) et de vapeurs de mercure. Les électrodes en tungstène, placées aux extrémités du tube, chauffent et émettent des électrons. Ces électrons en se déplaçant d'une électrode à l'autre, heurtent les atomes de mercure et leur communiquent une énergie. Les atomes de mercure libèrent ensuite cette énergie sous forme de rayonnement ultra-violet. Cette lumière est transformée en lumière visible proche du blanc, par la couche fluorescente qui tapisse la surface interne du tube. (La fluorescence est la propriété que possèdent certaines molécules d'absorber la lumière à certaines longueurs d'ondes correspondant à une certaine couleur et de réémettre une lumière à une autre longueur d'onde correspondant à une autre couleur). b) Raccordement et rôles des différents appareils TECHNOLOGIE 11 - 4 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER • Le starter : Le starter est un petit tube rempli de gaz, muni d'un contact (bilame). Lors de la mise sous tension, il s'amorce. L'arc électrique produit échauffe le bilame qui se déforme : le contact se ferme et l'arc électrique disparaît. Cette phase permet le préchauffage des électrodes du tube. Au bout d'une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact s'ouvre, coupant ainsi le courant du circuit. Le ballast magnétique crée alors une surtension qui amorce le tube. La tension aux bornes du tube diminue et rend impossible l'amorçage du starter jusqu'à la prochaine mise sous tension. Le ballast sert donc à de produire la surtension nécessaire à l'amorçage du tube et de limiter l'intensité de l'arc lorsque le tube est amorcé Pour améliorer le facteur de puissance on place un condensateur. Suivant le condensateur, il se place en parallèle ou en série de l’alimentation du tube. TECHNOLOGIE 11 - 5 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER Le ballast électronique. Dans les nouvelles armatures, on trouve de plus en plus des ballasts dits « électroniques ». Ceux-ci prennent de plus en plus d’ampleur depuis qu’une circulaire européenne interdit la vente de ballasts conventionnels à partir du 21/11/2005. Dans ce montage, il n’y a plus de starter, le tube est alimenté directement à haute fréquence (30 à 60 kHz) par le ballast électronique. Ce mode de commande assure un fonctionnement continu et sans scintillement de la lampe, améliorant ainsi sensiblement le confort visuel. De plus, à flux lumineux égal, la lampe exploitée en haute fréquence consomme jusqu'à 30% d'énergie en moins qu'en exploitation conventionnelle avec un ballast classique Le papillotement ou scintillement est une variation rapide et répétitive de l'intensité d'éclairage de la source lumineuse. Les tubes alimentés en 50 Hz produisent un scintillement à une fréquence de 100 Hz (100 fois par seconde). L'oeil humain ne peut pas détecter ces fréquences, mais le papillotement est perçu par son effet stroboscopique et peut être responsable d’accident grave, de malaises ou de fatigue. Un des moyens pour diminuer ce papillotement est le montage « duo » Le condensateur introduit un déphasage: le courant s'annule à des instants différents dans chaque tube et cela atténue la perception du papillotement. Les ballasts électroniques qui alimentent les tubes à des fréquences élevées éliminent totalement le scintillement. C) Schémas TECHNOLOGIE 11 - 6 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER d) Formes et dimensions - La forme la plus fréquente des lampes TL est incontestablement le tube, mais on en trouve également en forme de "U " ou circulaires. Les tubes ont généralement un diamètre de : > 12 mm = T5 > 26 mm = TLD > 38 mm. = TL - e) Longueur et puissance - La longueur du tube, ou le diamètre dans le cas des lampes circulaires, est en rapport direct avec la puissance en watts de la lampe : LONGUEUR LAMPE TL 29 cm 44 cm 59 cm 120 cm 150 cm PUISSANCE 8W 15 W 18 W 36 W 58 W f) Couleur d'éclairage de lampes TL: 4000 ° K 3000 ° K 4000 ° K 6500 ° K Couleur Cool White Warm White Universal White Daylight TECHNOLOGIE Philips 33 83 84 96 Osram 20 31 21 72 11 - 7 Sylvania 133 183 184 172 Lieu couloir classe, réfectoire, bureau gymnase, atelier, bureau imprimerie, dessin L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER g) Couleur ou température de la lumière naturelle . Pour reproduire au mieux le besoin de rendu des couleurs, nous devons connaître la couleur de la lumière. Cette couleur s'exprime sur les lampes en température, précisément en degrés Kelvin. Au printemps et pendant toute la période axé autour du solstice d'été, le soleil est haut dans le ciel et éclaire longtemps. pendant cette période, la couleur de la lumière, peu filtrée par l'atmosphère de par son angle, est plutôt bleu, autour de 6000°k. Quand l'automne arrive, les jours rallongent, les jours sont plus courts, la lumière est plus rasante, plus filtrée par l'atmosphère. ce qui donne une couleur plutôt orange/rouge, autour de 2700°k. 5. LAMPES ECONOMIQUES. a) Principe de fonctionnement - - La lampe économique est tout simplement une lampe fluo compacte : elle fonctionne selon le même principe. - La lampe éco ou fluo compacte a aussi besoin d'un ballast et d'un starter pour fonctionner. Mais, dans le cas des lampes électroniques de la nouvelle génération, le dispositif de démarrage est intégré au culot. Ces nouvelles lampes s'allument instantanément et résistent mieux aux allumages fréquents que les lampes TL traditionnelles. (Voir les infos concernant le ballast électronique) b) Luminosité et durée de vie TECHNOLOGIE - Les lampes éco consomment jusqu'à 80% de moins que les ampoules à incandescence, et leur durée de vie est jusqu'à dix fois supérieure. - Etant donné la différence de prix, elles sont surtout économiques lorsqu'on les installe dans des locaux restant longtemps éclairés (bureaux, cuisines..). 11 - 8 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER c) Formes et dimensions - L'enveloppe de verre de la lampe fluo compacte peut avoir une forme de sphère, de crayon ou semi-circulaire. Dans ce cas, la lampe se compose de 2, 3 ou 4 tubes. d) Schémas 6) LES DIODES ELECTROLUMINESCENTES (DEL en français ou LED en anglais) a) Principe de fonctionnement: Ces diodes (inventée par Nick Holonayk) ont la particularité de devenir des sources lumineuses lorsqu'elles sont alimentées. Si au début de leur commercialisation, à la fin des années 70, leur efficacité lumineuse était très faible, elles ont atteint au début du troisième millénaire des valeurs respectables dépassant même les lampes à incandescence « normales » ou halogènes. Ces lampes ont déjà beaucoup d'applications d'éclairage par exemple elles équipent déjà des feux de voiture et de circulation (inutile de placer un filtre rouge qui retient 80% de la lumière émise car la diode émet une lumière rouge). Les LED sont beaucoup utilisées, et plus les années passent et plus elles se font présentes. Il y a dix ans, elles n'occupaient que le rôle de voyant lumineux pour appareil domestique (TV, PC, chaîne Hifi...). Actuellement, elles envahissent de nombreux secteurs et détrônent du même coup les technologies qu'elles remplacent. En effet, on les aperçoit désormais sur les voitures (clignotants, phares rouges à l'arrière), mobiles (pour réaliser la fonction "lampe torche"), magasins branchés (éclairage d'ambiance), feux tricolores... La couleur blanche étant un ensemble des autres couleurs (la mélange de toutes les longueurs d'onde du domaine visible) ne sont apparue que très tard. Une diode « blanche » est souvent TECHNOLOGIE 11 - 9 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER constituée de 3 diodes (rouge, bleu, vert ou 2 bleues et une jaune) ou alors d'une diode ultraviolette (UV) et une couche fluorescente sur le boîtier. Aujourd'hui on trouve déjà des ampoules munies de plusieurs diodes électroluminescentes (230 V de 0,85 à 7 W) dont la durée de vie est de 100 000 heures Avantages : - Fiabilité (solidité, fonctionnement à haute et basse température, duré de vie) coûts de maintenance réduits. - Souplesse d'utilisation (allumage instantané, réglage possible de l'intensité lumineuse en jouant sur la tension d'alimentation, fonctionne sous basse tension, taille réduite, lentilles et réflecteurs inutiles car le faisceau est directif). - Pas d'émission de chaleur - Les couleurs sont obtenues directement (contrairement aux ampoules classiques ou un filtre de couleur est utilisé, réduisant de beaucoup le rendement) Inconvénients : -Investissements importants -Lumière désagréable: lumière éblouissante, phénomène de "halo" du à la différence de directivité du bleu et du jaune pour les leds au phosphore, (qui sont les plus répandues). 7) LES LAMPES A DECHARGES : Une lampe à décharge est une lampe électrique constituée d'un tube ou d'une ampoule en verre remplie de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique, il s'ensuit une production de photons donc de lumière. a) La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé : Le néon donne une couleur rouge; Le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante ; Le sodium rayonne dans le jaune. Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée ; Le xénon (récemment employé pour l'éclairage des automobiles) est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur. TECHNOLOGIE 11 - 10 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER b) Principe de fonctionnement : Les molécules du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s'ioniser lorsqu'elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes situées de chaque côté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par l'électrode positive – nommée cathode – et les ions négatifs par l'autre, nommée anode. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule. 1. Culot. 2. Electrodes. 3. Tube à décharge. 4. Ampoule. 5. Revêtement fluorescent (éventuel) Lors du passage de ce flux, se produisent de nombreuses collisions entre les électrons circulants et ceux présents dans le gaz de la lampe. Lors de ces collisions, les électrons sont chassés de leur orbite, changent de couche et y reviennent en émettant un photon, dont la longueur d'onde (sa couleur) dépend de l'énergie qu'il contient mais habituellement comprise dans le spectre du visible ou de l'ultraviolet. Ils peuvent également se libérer complètement de l'atome qui les contient, et ainsi accroître le courant d'électrons circulants. C'est ainsi qu'un phénomène d'amorçage se produit à la mise sous tension de la lampe: le courant initialement très faible explose littéralement pour atteindre la puissance maximale donnée par le générateur électrique. C'est le phénomène de la luminescence L'alimentation se fait par l'intermédiaire : D'un amorceur , équivalent du staerter des TL . Il permet d'atteindre pendant un court instant la haute tension d'amorcage de la décharge. D'un ballast qui permet de limité le courant après l'amorcage pour empêcher la destruction de la lampe. TECHNOLOGIE 11 - 11 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER D'un condensateur pour redresser le cos phi en compensant le ballast. c) Couleurs : Chaque gaz, en fonction de sa structure atomique, émet dans certaines longueurs d’ondes, ce qui se traduit par différentes couleurs d’éclairage. Pour pouvoir évaluer la capacité d’une source de lumière à reproduire la couleur de divers objets éclairés par cette source, la Commission Internationale de l'éclairage (CIE) a introduit l’Indice de rendu de couleur. Certaines lampes à décharge ont un indice inférieur à 100 ce qui signifie que les couleurs apparaissent complètement différentes que, par exemple, sous la lumière du soleil. Certains personnes qui s'en rendent bien compte vont à la lumière du soleil, quand ils choisissent un vêtement, pour déterminer sa « véritable » couleur. d) Caractéristiques : Le tableur ci dessous donne les principales caractéristiques des différentes lampes à décharge. Type Présentation Mercure mixte Ballon fluorescent Mercure haute pression Sodium haute pression Sodium basse pression Ballon fluorescent Ballon fluorescent ou tubulaire Tubulaire Iodure métallique Tubulaire à 2 culot Ballon ou tube culot E40 Lumière Gamme de Températur IRC puissance e 40 à 3900 à 50 à 1000 W 46 4300 K 50 à 3330 à 50 à 400 W 60 3500 K 20 à 1900 à 50 à 1000 W 22 2100 K Lumière 18 à 180 W orange 80 à 3000 à 70 à 250 W 85 4200 K 4300 à 70 250 à 2000 W 4900 K Efficacité lumineuse 10 lm.W 50 lm.W 66 à 120 lm.W 140 à 220 lm.W 78 lm.W 68 à 94 lm.W Attention ! La durée de mise en régime est de 5 minutes en moyenne. Le réamorçage ne peut s'effectuer qu'après une dizaine de minutes. 8) RESUME : Lampe fluorescente compacte (LFC) • TECHNOLOGIE La LFC produit la même intensité lumineuse que l'ampoule électrique à incandescence classique, mais elle consomme 75% moins d'énergie et dure dix fois plus longtemps (plus de 6 000 heures ou environ cinq ans). Elle est la seule lampe électrique qui porte le symbole de 11 - 12 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER haute efficacité ENERGY STAR. • Elle peut remplacer directement l'ampoule à incandescence ou à halogène dans de nombreux appareils d'éclairage. Même si elle est plus coûteuse que la lampe électrique à incandescence, son utilisation dans un appareil d'éclairage qui fonctionne pendant plus de trois heures par jour peut faire en sorte que l'économie d'énergie compense, en moins de deux ans, son coût plus élevé à l'achat. • La LFC moderne offre la chaude lumière qui caractérise une lampe électrique à incandescence et elle convient à toute application résidentielle. Diodes électroluminescentes (LED) • Économies d'énergie – Les diodes électroluminescentes (DEL) utilisent environ 90 p.100 moins d'énergie qu’une ampoule à incandescence. • Durée de vie plus longue – Les diodes électroluminescentes (DEL) ont une durée de vie de 100.000 heures soit plus de 100 fois une lampe normale. • Sécurité grâce à une efficacité de fonctionnement accrue – Les DEL dégagent moins de chaleur que leurs cousines à incandescence, ce qui les rend plus sécuritaires. • L’utilisation des DEL est pour le moment limitée à lumière de secours, de sécurité et d'ambiance. Mais son évolution technique est trèsd rapide et prometteur. Tube fluorescent • Le tube fluorescent est très efficace, mais sa longueur fait en sorte qu'il ne convient pas toujours à certaines applications particulières. • Il est souvent utilisé dans les appareils d'éclairage incorporés dans les caractéristiques architecturales ou techniques. • La lampe à tube fluorescent convient mieux aux endroits qui demandent un éclairage plus brillant, notamment la cuisine, la salle de lavage et l'atelier. • Le tube fluorescent muni de ballast électronique est plus efficace et plus économique que s’il était muni d’un ballast magnétique. Ampoule à halogène TECHNOLOGIE • L'ampoule à halogène appartient à la catégorie des ampoules électriques à incandescence; cependant, les produits chimiques (halogènes) incorporés à l'ampoule minimisent l'usure des filaments, ce qui a pour effet de prolonger la durée de vie de l'ampoule jusqu'à 3 000 heures ou environ deux ans. • L'ampoule à halogène est offerte dans une vaste gamme de formes et de tailles et elle convient davantage aux petits endroits nécessitant un éclairage focalisé, par exemple, pour l'éclairage d'une aire de travail, l'éclairage sur rails ou l'éclairage d'appoint. • L'ampoule à halogène fonctionne à température élevée; elle doit par conséquent être installée loin des rideaux ou d'autres matériaux inflammables. 11 - 13 L'éclairage INSTITUT CARDINAL MERCIER Lampes à décharges • La lampe à décharge est constituée d'un tube ou d'une ampoule en verre remplie de gaz ou de vapeur métallique, sous haute ou basse pression, au travers duquel on fait passer un courant électrique, il s'ensuit une conversion en photons donc de lumière. • La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé : le néon donne une couleur rouge; le mercure s'approche du bleu tout en produisant une quantité d'ultraviolet importante ; le sodium rayonne dans le jaune. Souvent on le mélange avec du néon pour rendre la lumière orangée ; le xénon est le gaz qui permet de s'approcher le plus possible du blanc pur. • Longue durée de vie , certaines lampes à décharges ont une durée de vie de plus 100.000 heures. • Les lampes à décharges sont utilisées surtout pour les éclairages extérieures, de salles et terrains de sport, de vitrine de magasin, de hall d’usines… Les lampes à xénon sont utilisées pour créer des effets Stroboscopiques et très récemment dans les phares de voiture. Ampoule à incandescence TECHNOLOGIE • L'ampoule à incandescence est l'ampoule électrique classique que l'on utilise depuis l’origine de l’éclairage électrique. • Elle est peu coûteuse et très inefficace, car seulement 4 à 6 p. 100 de l'énergie électrique consommée par une ampoule électrique à incandescence est convertie en rayonnement visible; le reste est perdu sous forme de chaleur. • Sa durée de vie est courte (entre 750 et 1 000 heures ou environ six mois dans des conditions de fonctionnement normal). • Certaines ampoules électriques à incandescence sont vendues comme des ampoules de longue durée ou à faible consommation d'énergie; ces ampoules électriques produisent cependant moins de lumens (quantité de lumière émise). Elles sont beaucoup moins efficaces que les lampes fluorescentes compactes. 11 - 14 L'éclairage
