Source et lampe : histoire et type de lampes

Histoire

Très rapidement l’être humain a eu besoin de s’éclairer de manière artificielle : le feu, les lampes à huile ou la bougie – c’est-à-dire la flamme – sont les premiers luminaires développés dans l’évolution civilisée de l’homme.

Ces « photophores » archaïques ont été utilisés jusqu’au XIXe siècle pour le confort mais également pour la sécurité (comme par exemple les phares maritimes depuis l’Antiquité).

L’évolution des sciences et des techniques a permis de dépasser ces luminaires peu performants : concomitamment aux progrès de la science, la distribution de gaz et d’électricité a rendu possible le développement de nouvelles sources, dont les dates d’invention et de production s’entremêlent au XIXe siècle :
– les lampes à incandescence,
– les lampes à décharge (appartenant au type luminescent).

Les LED et les OLED sont des sources beaucoup plus récentes puisqu’il a fallu attendre le XXe siècle pour voir apparaître cette technologie, et les années 2000/2010 pour que leurs performances permettent de les utiliser dans l’éclairage.

Type incandescent : production à chaud

Ces lampes ont en commun d’être bon marché mais également peu performantes (notamment par une mauvaise durée de vie et une mauvaise efficacité énergétique). Leur principe de fonctionnement incandescent conduit à avoir un spectre électromagnétique continu qui leur confère un excellent rendu des couleurs (IRC). → Voir le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes.

Lampes incandescentes

Le principe des lampes incandescentes est la chaleur. En effet, tout corps porté au-dessus de 700°K (degré Kelvin) émet un rayonnement électromagnétique dans le visible, il est alors dit « incandescent ». Plus sa température est élevée et plus la couleur émise est blanche, pour virer ensuite vers le bleu. Vers 6000°K par exemple, la couleur se rapproche de celle du soleil ; la lumière blanche émise reste acceptable pour des températures entre 3000°K (blanc chaud) et 6500°K (blanc froid). Les températures énoncées ici font référence à celles d’un corps noir. → Voir les concepts de température de couleur et température de couleur proximale.

Il n’est pourtant pas aisé de trouver une matière qui ne fond pas à ces hautes températures : le tungstène et le carbone – entre autres – ont une température de fusion élevée et permettent d’atteindre des températures de l’ordre de 3000°K. Le carbone a été très utilisé au début (fin XIXe/début XXe siècle) mais a été remplacé par le tungstène grâce notamment à ses propriétés mécaniques (facile à étirer et à tréfiler) et à son faible taux d’évaporation à chaud. Les filaments de tungstène sont ainsi de 3 formes différentes : droit, spiralé ou bi-spiralé.

Cependant, un corps incandescent mis en contact avec de l’oxygène entraîne une combustion et donc une volatilisation du corps : il faut donc isoler le filament, ce qui est réalisé par une enveloppe en quartz ou en verre remplie d’un gaz inerte (le vide convient également). Le gaz le plus utilisé est l’argon mais le krypton et le xénon conviennent aussi, d’autant plus qu’ils freinent l’évaporation du tungstène et permettent donc d’améliorer l’efficacité lumineuse. Leur utilisation est limitée par leur coût élevé.

source-incandescence

Ces lampes ont été très largement utilisées au XXe siècle, notamment par les particuliers, et de très nombreux modèles existent ou plutôt ont existé : en effet, leur faible efficacité énergétique a conduit à interdire petit à petit leur utilisation, voir sur le site de l’Union Européenne ou de Lighting Europe les calendriers de bannissement évoluant régulièrement.

Les performances de ces lampes sont à voir dans la page dédiée – et à comparer notamment aux lampes halogènes, fluocompactes et surtout LED. Ces lampes sont gradables suivant le principe de découpage de phase.

Spectre électromagnétique

Exemple de spectre d’une lampe incandescente : toutes les longueurs d’ondes sont présentes dans ce spectre continu ce qui permet d’avoir un très bon rendu des couleurs.

Spectre incandescence

Lampes halogènes

Le principe physique des lampes halogènes est le même que celui des lampes incandescentes. Un composé halogène est simplement ajouté pour augmenter l’efficacité de la lampe et la durée de vie du filament : ces particules vont en effet réagir avec le filament tungstène pour se redéposer sur ce dernier (contrairement à l’incandescence où le tungstène s’évapore et noircit le verre) pour établir ce qui est appelé le « cycle de l’halogène ».

L’enveloppe n’étant plus noircie par l’évaporation du tungstène, il est possible de diminuer le volume et d’augmenter la pression, ce qui diminue la vitesse d’évaporation du tungstène et augmente ainsi l’efficacité lumineuse et la durée de vie. Afin de résister aux hautes températures, du quartz est utilisé pour l’enveloppe.

source-halogene

Les lampes TBT (Très Basse Tension, c’est-à-dire inférieures à 50V) ont une efficacité et une durée de vie supérieure aux lampes 230V mais nécessitent un transformateur.

Là aussi, de très nombreux modèles existent ou plutôt ont existé : en effet, de même que pour les lampes incandescentes ci-dessus (et même si les performances des lampes halogènes sont meilleures), leur faible efficacité énergétique a conduit à interdire petit à petit leur utilisation, voir sur le site de l’Union Européenne ou de Lighting Europe les calendriers de bannissement évoluant régulièrement.

Les performances de ces lampes sont à voir dans la page dédiée – et à comparer notamment aux fluocompactes et surtout aux LED. Ces lampes sont gradables suivant le principe de découpage de phase.

Spectre électromagnétique

Exemple de spectre d’une lampe halogène : toutes les longueurs d’ondes sont présentes dans ce spectre continu ce qui permet d’avoir un très bon rendu des couleurs.

Spectre halogène

Type luminescent : production à froid

Lampes à décharge

Le principe physique consiste à ioniser (ou exciter, même phénomène physique que l’éclair dans le ciel) un gaz à l’intérieur d’une enveloppe par à une forte différence de potentiel électrique générée par des électrodes, ce qui provoque une décharge électrique. L’éclairage est maintenu en limitant l’intensité du courant électrique (par un ballast). Ces lampes dont le principe remonte à la fin du XVIIIe siècle se répartissent concrètement en deux catégories suivant la pression intérieure du gaz (basse et haute pression, → voir ci-dessous), → voir le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes pour plus de précisions.

Basse pression

Les lampes à décharge basse pression ont des caractéristiques communes : elles ont un fort encombrement et proposent des puissances faibles (jusqu’à 180W environ). → Voir le tableau synthétique des caractéristiques.

Sodium basse pression

Les lampes au sodium basse pression sont constituées d’un tube à décharge en U contenant le sodium à l’intérieur d’une ampoule de forme tubulaire, sous vide. Elles possèdent une excellente efficacité lumineuse mais ont cependant un point faible important : elles n’émettent pas une lumière blanche mais une lumière orangée (→ voir le spectre électromagnétique ci-dessous et ici pour une comparaison avec les autres sources) qui leur procure un très mauvais rendu des couleurs (donc un mauvais IRC), ce qui les limite à quelques utilisations sécuritaires.

Les lampes sont monoculot, ont une puissance pouvant varier de 35 à 180W environ et doivent être alimentées par un ballast magnétique ou électronique (suivant les puissances). → Voir ci-dessous et le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes.

source-sox

Tableau récapitulatif des lampes du marché
Puissance Culot Dessin culot Flux Efficacité avec ballast
35W BY22d culot-BY22d 4550 Lm 129 Lm/W
55W 7800 Lm 140 Lm/W
90W 13600 Lm 150 Lm/W
135W 22600 Lm 167 Lm/W
180W 32000 Lm 176 Lm/W

 

Spectre électromagnétique

Exemple de spectre d’une lampe sodium basse pression : la lumière produite est orangée (avec un peu de rouge) mais ne contient pas de vert ou de bleu par exemple, ce qui ne permet pas d’avoir un bon rendu des couleurs.

Spectre sodium basse pression

Fluorescence

Grâce à ses bonnes performances en durée de vie et efficacité lumineuse, à son bon rendu des couleurs et à un prix raisonnable, la fluorescence est la source privilégiée depuis des décennies en éclairage intérieur. Ses performances sont maintenant dépassées par les LED mais elle reste encore très utilisée car sensiblement moins chère. → Voir comparaison entre les deux types de source. Le gaz ionisé est un mélange d’argon et de vapeur de mercure qui produit des ondes électromagnétiques dans l’ultraviolet. Des poudres fluorescentes déposées sur les parois de verre (d’où l’apparence opale de cette famille) permettent de convertir ces ondes électromagnétiques dans le visible.

Cette famille est particulièrement vaste et nous vous proposons un zoom sur les différentes gammes de tubes (T5 HE, T5 HO et T8) et de lampes fluocompactes.

Les sources fluorescentes proposent des puissances qui varient de 5W à 120W, sont alimentées en ballast magnétique ou électronique suivant les cas. La gradation électronique est possible avec ce type de lampe et largement utilisée. → Voir la page dédiée pour plus de précisions, le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes et également un comparatif avec les LED.

Illustration lampe Culot Forme culot
forme_ampoule-T5 G5  culot-G5
forme_ampoule-T8 G13 culot-G13
Spectre électromagnétique

Exemples de spectre de lampes fluorescentes : le spectre est discontinu et les pics correspondent aux différentes poudres fluorescentes. Il est possible d’avoir un spectre très qualitatif en ajoutant des poudres fluorescentes mais cela impliquera un coût supplémentaire.

Spectre tube fluorescent

Spectre flucompactes

Haute Pression

Les lampes à décharge haute pression ont des caractéristiques communes inverses aux lampes basse pression : elles ont un faible encombrement et proposent des puissances qui peuvent aller jusqu’à plus de 3000W. → Voir le tableau synthétique des caractéristiques.

Sodium haute pression

L’augmentation de la pression de sodium permet d’élargir le spectre d’émission : de l’orangé de la lampe basse pression (→ voir ci-dessus), il est possible de passer au blanc (→ voir le spectre électromagnétique ci-dessous). Et, si ce dernier était de mauvaise qualité il y a quelques années et offrait donc un mauvais IRC, des améliorations sensibles ont permis des utilisations plus confortables (IRC jusqu’à 80), voire de nouvelles applications.

Les lampes sont mono ou double culot, en ballast magnétique uniquement pour les puissances supérieures à 150W mais les puissances inférieures ou égales peuvent être alimentées en ballast électronique et en gradation électronique (attention toutefois au décrochage de ces lampes qui ne peuvent pas être gradées dans des petites valeurs).

Les puissances varient de 35W à 1000W pour des utilisations très courantes dans l’extérieur principalement, les formes et les culots sont très variables. → Voir ci-dessous et dans le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes pour les principales propriétés .

Tableau récapitulatif des types de lampes
Culot Illustration culot Exemple de lampe Puissances
E27  culot-E27 forme_ampoule-BF70.E27 35 à 110 W
PG12-1  culot-PG12_1  forme_ampoule-T31.PG12_1 35 à 100 W
GX12-1  culot-GX12_1  forme_ampoule-T19.GX12_1 50 à 100 W
RX7s  culot-RX7s  forme_ampoule-TD.RX7s 70 à 150 W
E40  culot-E40 forme_ampoule-T46.E40 150 à 1000 W
Fc2  culot-FC2 forme_ampoule-TD.FC2 250 à 1000 W
Spectre électromagnétique

Exemple de spectre d’une lampe sodium haute pression : la lampe mesurée ci-dessous ne produit presque pas de bleu, vert ou rouge donc aura un mauvais rendu des couleurs.

Spectre sodium haute pression

Halogénures (ou iodures) métalliques

Ces lampes ont des caractéristiques assez proches des lampes sodium haute pression avec une efficacité légèrement moindre mais un meilleur rendu des couleurs (IRC) : ces lampes seront donc privilégiées dans des applications où la qualité de la couleur est importante, comme les magasins par exemple.

De même que pour les lampes sodium haute pression, les lampes sont mono ou double culot, en ballast magnétique uniquement pour les puissances supérieures à 150W (donc avec de la gradation en découpage de phase) mais les puissances inférieures ou égales peuvent être alimentées en ballast électronique et en gradation électronique (attention toutefois au décrochage de ces lampes qui ne peuvent pas être gradées dans des petites valeurs).

Les puissances varient de 20W à 3500W pour des utilisations en intérieur ou en extérieur, les formes et les culots sont très variables. → Voir ci-dessous et dans le tableau synthétique des caractéristiques des différentes lampes pour les principales propriétés .

Tableau récapitulatif des types de lampes
Culot Illustration culot Illustration lampe Puissances
G8,5  culot-G8_5  forme_ampoule-TC.G8_5 20 W
G12  culot-G12  forme_ampoule-T19.G12 35 à 150 W
PGZ12 culot-PGZ12  forme_ampoule-T19.PGZ12 45 à 140 W
E27  culot-E27  forme_ampoule-PAR20.E27 70 à 100 W
RX7s  culot-RX7s forme_ampoule-TD.RX7s 70 à 150 W
E40  culot-E40  forme_ampoule-T100.E40 100 à 3500 W
Fc2  culot-FC2  forme_ampoule-TD.FC2 250 à 1000 W
Câbles 1000 à 2000 W
Spectre électromagnétique

Exemple de spectre d’une lampe aux halogénures métalliques : toutes les longueurs d’onde sont ici représentées ce qui confère à la lampe un très bon rendu des couleurs.

Spectre iodures métalliques

Vapeur de mercure

Appelées également « ballon fluo », ces lampes ne sont quasiment plus utilisées et d’ailleurs interdites en 2015 pour leur mauvaise efficacité.

LED

Les LED (Light Emitting Diode) dont le principe est connu depuis le début du XXe siècle ont connu un fort développement en signalétique à partir des années 1970/80 grâce aux LED rouges. Le professeur Nakamura ayant découvert la possibilité de créer des LED bleues en 1991, a permis de créer des LED blanches qui sont à l’origine de l’essor actuel de cette source de lumière.

La logique de la loi de Moore est respectée : les performances sont doublées très régulièrement et les prix baissent sensiblement, ce qui conduit à une évolution actuelle très forte du marché.

Leur utilisation évolue très rapidement et les performances actuelles ont dépassé toutes celles des autres sources de lumière blanche. Cependant, leur prix encore élevé, le manque de standardisation et des problématiques industrielles ralentissent un développement déjà très rapide.

Un zoom leur est consacré et une comparaison avec la technologie des lampes fluorescentes a également été développée.

Spectre électromagnétique

Exemples de spectre de LED :

Pour produire de la lumière blanche, les LED émettent de la lumière bleue à laquelle est ajoutée du phosphore jaune, ce qui donne une lumière blanche, → voir les explications dans la théorie de la lumière.

Spectre LED 830

Blanc chaud (prépondérance du jaune/orangé)

Spectre LED 840

Blanc froid (prépondérance du bleu)

OLED

Les OLED sont des LED organiques. Elles diffusent de la lumière sur une surface – contrairement aux LED qui émettent ponctuellement – ce qui permet un design innovant pour les luminaires, d’autant plus que cette surface peut être courbe, transparente, réfléchissante… Cependant, leurs caractéristiques techniques (durée de vie et efficacité lumineuse notamment) ainsi que leur coût prohibitif les confinent pour le moment à des prototypes ou à des applications très haut de gamme.

Les développements pour cette source d’avenir sont importants chez les fabricants.

Synthèse

Pour une synthèse des caractéristiques et des utilisations, → voir ici.

Type de fonctionnement
Incandescence
(à chaud)
Fonctionnement sur secteur 230V/50Hz
Pas besoin d’appareillage
Incandescence
Halogène
Luminescence
(à froid)
Besoin d’appareillage
(ballast, alimentation, driver…)
Lampes à décharge Basse pression Sodium basse pression
Fluorescence
Haute pression Sodium haute pression
Halogénures (ou iodures) métalliques
Vapeur de mercure
LED
OLED

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