- Lampe au néon
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Tube fluorescent
Tubes fluorescents: vert, rouge (néon), violet.
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).
Sommaire
Historique
Les débuts
L'idée d'employer la fluorescence pour l'éclairage remonte à la deuxième moitié du XIXe 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 leurs intensités lumineuses insuffisantes.
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... Seulement le problème est que 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 XXe siècle 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 universelle de Paris, de tubes à cathodes chaudes 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 38 mm 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 80 lm/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 38 mm à 26 mm (T8) puis à 16 mm (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 :
- 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 100 W 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 105 lm/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 ultra-violet (UV) dont les tubes "lumière noire" employant une poudre fluorescente rayonnant autour de 365 nm, 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 Lampes fluocompactes
Lampe fluocompacteComme 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
- 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 46 mg [1]. Si une lampe fluocompacte se brise, il est recommander de bloquer sa respiration, d'ouvrir une fenêtre et d'aérer la pièce 10 ou 15 mn 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.
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 fort 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 de 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
3000 K : proche de la lumière halogène, utilisation en hôtellerie, boutiques, musées
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
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)
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 26 mm de diamètre, alors que les lampes fluocompactes n'existent que dans 3 ou 4 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
exemple de marquageLe code, à 3 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.
Par exemple :
le code 640 désigne un tube d'un IRC de 60 et d'une température de couleur de 4000 K (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 4000 K (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 2700 K (ex: Osram "interna"), éclairage typique des fluocompactes.
Autres exemples :
Si l'on souhaite simuler la lumière du jour (photothérapie par exemple) il faut impérativement un IRC >90% et une température de couleur de 5000 K ou 6500 K, 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 -
Source: Catalogue Osram 2007Utilisations et avantages
Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l'éclairage industriel, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où l'on a besoin d'un éclairage général tout en limitant la dépense énergétique, tant dans la consommation électrique pour la production même de la lumière, que dans les coûts de climatisation liée à la chaleur générée par le système d'éclairage. En effet, ce système d’éclairage, quoique plus coûteux à l'investissement, se révèle beaucoup plus économique que les lampes à incandescence. Leur rendement de conversion électrique en lumière (efficacité lumineuse) atteint et dépasse souvent les 80 lumens par watt alors que les lampes classiques dépassent péniblement les 15 lumens par watt. Donc pour une même quantité de lumière, la consommation électrique est divisée par cinq ou six.
Autre avantage et non des moindres, un tube fluorescent a une durée de vie de dix à cinquante fois supérieure à une lampe à incandescence classique; en plus comme le tube est interchangeable et qu'il ne représente qu'une partie du système (ballast, starter, support, réflecteur), l'investissement est à long terme intéressant, avec des coûts de maintenance réduits.
Risque de confusion
On prendra garde de ne pas confondre les tubes fluorescents avec les linolites qui sont elles des lampes incandescentes.
Inconvénients
Les interférences créées par les tubes (courants harmoniques et déphasage dus entre autres à la bobine du balast), sous forme de parasites, sont nuisibles pour les équipements électroniques et informatiques tels que les câbles réseau.
La surface d'émission de la lumière est large, il est donc difficile de focaliser la lumière avec un réflecteur pour obtenir un faisceau concentré, comme celui d'un spot très basse tension.
La plupart des tubes disponibles couramment ont un indice de rendu de couleur satisfaisant, mais insuffisant pour un bon confort visuel ou des travaux de précision : imprimerie, graphisme, maquillage, textile, etc. Certes, il existe des teintes de tubes avec un indice de rendu de couleur supérieur à 90, mais ils sont peu connus et difficiles à trouver.
Enfin, certains types de tubes émettent un léger grésillement.
Effet stroboscopique : danger avec des machines tournantes, pour y remédier, il faut employer soit un système dit duo où deux tubes sont montés côte à côte avec un tube comprenant une alimentation déphasée, soit un ballast électronique. L'effet stroboscopique peut aussi provoquer des troubles oculaires.
Les tubes fluorescents (néons) font également l'objet d'une controverse en France sur leur utilisation en tant que moyen publicitaire sur les enseignes des magasins. Plusieurs groupes dénoncent la pollution lumineuse et les consommations d'énergie induites par l'utilisation de ces lampes.
Références
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