Principes de la production de lumière

Rayonnement thermique
C’est au plus tard avec l’apparition des premières
forges que l’homme a su qu’une élévation suffisante de
leur température rend les matières incandescentes et
produit une lumière visible. Dans le cas de matériaux
ferreux, la couleur de cette émission de lumière peut,
selon la température, s’étendre du rouge foncé au
blanc jaune clair en passant par différentes teintes de
jaune. Un forgeron peut d’un seul regard évaluer la
température d’une pièce incandescente.
La théorie du corps noir de Planck décrit physiquement
ce phénomène. À cet effet, un corps noir idéal est
lentement chauffé. Sous l’effet de l’augmentation de
la température, il commence à émettre une lumière
à ondes longues (infrarouge) et le rayonnement passe
progressivement dans le spectre rougeoyant visible.
Avec l’augmentation progressive de la température,
la couleur devient toujours plus jaune puis «blanche»
jusqu’à correspondre finalement à une teinte similaire
à la lumière du jour. La lampe halogène et la lampe
à incandescence utilisent ce principe. L’émission de
lumière résultant d’une telle stimulation thermique
est perceptible selon un spectre continu. De fait, la
lumière des lampes halogènes et à incandescence
s’approche le plus de la lumière solaire.
Lampes halogènes et à incandescence
Une lampe à incandescence est composée d’un filament
de tungstène dans une enveloppe de verre remplie de gaz
inerte. Le tungstène présente l’avantage d’avoir une très
haute résistance thermique. Le gaz de remplissage
le protège contre une oxydation prématurée.
Les désavantages d’une lampe à incandescence sont sa
faible durée de vie, la faiblesse et la dégradation continue
de son efficacité du fait du noircissement de l’enveloppe
de verre. Pourtant ses avantages sont indéniables: en tant
que radiateur thermique, elle produit une lumière blanche
à spectre continu, ce qui de nouveau se manifeste par un
très bon rendu des couleurs.
De plus, sa production de lumière est relativement basse.
Pour cette raison, il est aisé de réguler (atténuer) les
performances d’une lampe à incandescence.
Cette régulation est opérée directement par la fréquence
réseau par exemple par découpage de début ou de fin de
phase. L’inertie relativement élevée de ces lampes prévient
les phénomènes de vacillement ou de scintillement.
Principes de la production de lumière
Longueur d’onde [ nm ]
400 450 500 550 600 650 700 750
Courbe spectrale des lampes
à incandescence et halogènes
118

400 450 500 550 600 650 700 750
La lampe halogène est l’évolution de la lampe
à incandescence qui tente de pallier certains
inconvénients importants de celle-ci. En raison des
températures très élevées du filament d’une lampe
à incandescence (3000°C), le fil de tungstène est
continuellement dégradé par l’évaporation. En raison
des températures très élevées, les atomes de tungstène
peuvent quitter relativement facilement la liaison
métallique fixe du fil et se propager dans le gaz de
remplissage. Les atomes de tungstène dissous se
déposent contre l’enveloppe relativement froide de
la lampe et l’opacifient. Il en résulte une altération
constante du rendement lumineux. Avec le temps,
cet affaiblissement du fil provoque une défaillance
du filament et la lampe «grille».
Dans ces lampes, des gaz halogènes (chlore, brome,
iode) sont mélangés en quantité limitée au gaz
inerte de remplissage. Mais ici aussi, les atomes de
tungstène du filament incandescent migrent dans le
gaz de remplissage. Ils sont cependant « capturés »
par les gaz halogènes. De l’iodure de tungstène
se forme par exemple, par réaction chimique entre
le tungstène et l’iode. Cette liaison ne peut pas se
déposer contre le bulbe de la lampe et ne le noircit
donc pas. L’iodure de tungstène peut cependant se
redéposer à des points plus froids du filament et se
décompose derechef en tungstène et iode.
Le tungstène se dépose contre le métal du fil, l’iode
reste dans l’atmosphère interne de la lampe et reste
disponible pour un autre cycle. Ce processus est
également connu sous le nom de cycle halogène et
a conduit à une augmentation de la durée de vie et
du rendement lumineux.
Lampes fluorescentes
Une lampe fluorescente est une lampe à décharge à basse
pression et consiste pour l’essentiel en un tube de verre
rempli de vapeur de mercure. Une tension est appliquée
entre des électrodes installées aux extrémités de ce tube.
Si cette tension est supérieure à la tension d’amorçage
nécessaire, la colonne de gaz à l’intérieur du tube en verre
est ionisée et il en résulte un plasma à basse pression.
Les lampes fluorescentes actuelles possèdent des
électrodes en forme de spirales de filament de chauffage.
Le préchauffage de ces électrodes spiralées permet de
réduire très fortement la tension nécessaire à l’amorçage.
Après l’amorçage, un courant s’écoule entre les électrodes
grâce au plasma au mercure, et ses atomes sont excités
pour émettre de la lumière. Cette émission de lumière se
produit principalement dans le spectre ultraviolet. Le tube
en verre contient une substance luminescente qui entre en
fluorescence par la lumière ultraviolette du plasma dans la
zone spectrale visible. Le revêtement déposé transforme
alors la lumière UV émise en lumière visible. La sélection
judicieuse et le mélange des substances luminescentes
utilisées produisent une lumière blanche. Le verre du tube
absorbe la plus grande part du rayonnement UV non
transformé.
L’illustration ci-dessus montre le spectre type d’une lampe
fluorescente normale. Comparativement au spectre de
la lumière solaire, on constate une structure fortement
discontinue. La lumière d’une telle lampe est composée
de nombreuses crêtes (en anglais Peaks).
2.04 Connaissances en lumière et éclairage · Principes de la production de lumière
Longueur d’onde [ nm ]
Courbe spectrale des
lampes fluorescentes
119

Ces crêtes sont provoquées par les différentes
substances luminescentes de la lampe. Nos yeux
évaluent la lumière émise comme blanche, car ils ne
peuvent pas suffisamment percevoir la composition
spectrale de la lumière. De fait, une lampe de ce
type a fréquemment un rendement moindre que celui
d’une lampe halogène ou à incandescence.
Sans limitation, le courant électrique dans la lampe
augmenterait rapidement au risque de provoquer
sa destruction. Comme toutes les autres lampes à
décharge, la lampe fluorescente doit être activée par
un ballast.
Les lampes fluorescentes se distinguent par un
rendement lumineux acceptable (jusqu’à 100 lm/W ),
par leur durée de vie relativement longue (jusqu’à
45 000 heures) et par leur rendu des couleurs
modéré à bon. Comme pour de nombreuses sources
lumineuses, les propriétés d’efficacité et de qualité
de la lumière sont en concurrence. Une haute
qualité de lumière s’accompagne généralement d’un
rendement médiocre.
Lampes à vapeur de sodium
Les lampes à vapeur de sodium utilisent l’émission de
lumière d’un plasma de sodium pour émettre de la lumière.
Elles se composent d’une enceinte de décharge, le
sodium, et d’au moins un gaz auxiliaire. Deux électrodes
installées aux deux extrémités de l’enceinte de décharge
sont chargées par une tension d’amorçage. Comme le
sodium est en phase solide à température ambiante,
l’atmosphère de l’enceinte de décharge contient la
plupart du temps du néon comme gaz auxiliaire. Celui-
ci peut être très facilement ionisé et commence, en tant
que plasma, à conduire le courant dans la lampe. Sous
cette action, la lampe se réchauffe et le sodium s’évapore
progressivement. Avec l’augmentation de la teneur en
sodium, de rouge à l’origine la lumière devient de plus
en plus jaune. À la différence de la lampe fluorescente,
la décharge de gaz rayonne déjà dans le spectre visible,
une conversion par une substance luminescente n’est
pas nécessaire ici. Les lampes à vapeur de sodium
émettent un spectre de lumière très irrégulier. Les lampes
basse pression produisent en règle générale une lumière
monochromatique. En plus de la crête de sodium à
dominante jaune, les lampes haute pression produisent
des rayonnements dans d’autres spectres. Les deux
types de lampes ont un très faible rendu des couleurs,
mais se distinguent par leur haute efficacité et leur durée
de vie moyenne.
Longueur d’onde [ nm ]
/DPSHƅXRUHVFHQWH
%DOODVW
6RXUFHGHWHQVLRQ
¦OHFWURGHV
6WDUWHU
Courbes spectrale des lampes
à vapeur de sodium
400 450 500 550 600 650 700 750
120

400 450 500 550 600 650 700 750
2.04 Connaissances en lumière et éclairage · Principes de la production de lumière
Lampes aux halogénures métalliques
Les lampes aux halogénures métalliques reposent
technologiquement sur le principe des lampes à vapeur
de mercure et contiennent des mélanges de liaisons
halogènes, de terres rares et d’un gaz auxiliaire (la
plupart du temps de l’argon, du xénon ou du néon)
dans leur enceinte de décharge. Comme dans la lampe
à vapeur de sodium les substances utilisées sont
d’abord partiellement en phase solide puis s’évaporent
au cours de la phase de démarrage par la forte
augmentation de la température dans la chambre de
combustion. À cet effet, la lampe est allumée par le
ballast à l’aide d’impulsions à haute tension (5 à 80 kV)
et du courant circule ensuite dans le gaz auxiliaire ionisé.
Ce gaz réchauffe tous les autres composants et
provoque enfin l’évaporation et l’ionisation de toutes les
charges. Ce n’est qu’après cette phase de démarrage
que la lampe atteint sa pleine luminosité. En règle
générale, ce processus dure de 40 à 60 secondes. La
composition du remplissage provoque une émission de
lumière d’un haut rendement (jusqu’à 100 lm/W) et de
haute qualité.
La durée de vie de ces lampes aux halogénures qui peut
atteindre 15 000 h, est considérée comme positive.
Longueur d’onde [ nm ]
Courbe spectrale des lampes aux
halogénures métalliques
121

Émetteur semi-conducteur
Diodes électroluminescentes
anorganiques (LED)
Dans une LED, la lumière est produite par un semi-
conducteur anorganique. Pour simplifier, le semi-conducteur
est constitué de deux zones de composition différentes,
directement adjacentes. Les électrons peuvent se déplacer
dans les deux zones, toutefois ils se déplacent à des
niveaux d’énergie quantiques différents. Ce qu’on appelle
la zone n contient un excédent d’électrons et la zone p un
excédent d’électrons défectueux (encore appelés trous).
Un processus de diffusion équilibre les deux types de
charge dans la zone de contact entre les deux couches.
Ce processus est autobloquant en raison des rapports
électrostatiques qui se créent. Il sépare les deux zones
électriquement. On dit également que la diode bloque.
En appliquant à présent une tension à la diode, de sorte
à connecter la polarité négative à la zone n (cathode),
l’interaction entre les tensions externe et interne permet de
franchir la couche barrage, la diode est alors conductrice.
L’inversion de polarité de la source de tension, renforce
alors l’effet de blocage et la diode reste verrouillée sur un
flux de courant. Il est ainsi possible de comparer la diode
à un clapet anti-retour dans le domaine de l’hydraulique.
Au passage de la zone n à la zone p, les électrons passent
d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie quantique
faible. Comme dans la nature, aucune énergie ne se perd,
l’énergie «excédentaire» doit être émise. Ce qui peut être
effectué sous forme de chaleur dissipée.
Les matériaux des diodes électroluminescentes sont
constitués de telle sorte que l’énergie excédentaire se
propage sous forme de lumière. Comme la différence
d’énergie lors de la diffusion des électrons de n vers p
pour chaque appariement de matière est grosso modo
constante et que l’énergie est toujours émise sous forme
d’un quanta de lumière, le spectre de la lumière émise
est à bande réellement étroite. Exprimé autrement, une
LED traditionnelle émet toujours dans une couleur fixe.
La lumière blanche peut être produite par des LED
monochromes par synthèse additive des couleurs.
Par exemple, les émissions de LED rouges, vertes et
bleues sont ici mélangées. Si les intensités de chaque
couleur sont accordées entre elles, l’œil humain perçoit
une telle lumière mixte comme blanche.
La lumière d’une telle source lumineuse n’est toutefois
pas d’une qualité optimale. Son spectre est vraiment
discontinu du fait de chaque crête de la LED.
C’est précisément le rendu des couleurs d’un tel système
qui de fait est relativement médiocre. Pour cette raison les
systèmes de ce type ne sont la plupart du temps utilisés
que pour la production d’une couleur dynamique.
Zone p Zone n
Diffusion
Électrons
Électrons défectueux
Zone de déplétion
avec couche barrière
R
GB
Y
MC
122