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 XIX^e 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 XIX^e 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 XX^e 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 d’environ 700 K (Kelvin) émet un rayonnement électromagnétique dans le visible, il est alors dit « incandescent ». Aux températures les plus basses la couleur est rouge/orangée (extrémité de cigarette par exemple), puis, plus la température est élevée et plus la couleur émise est blanche, pour tendre 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 XIX^e/début XX^e 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.

Ces lampes ont été très largement utilisées au XX^e 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.

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.

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.

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 XVIII^e 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.

Puissance	Culot	Dessin culot	Flux	Efficacité avec ballast
35W	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

 

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 a été la source privilégiée pendant des décennies en éclairage intérieur. Ses performances sont maintenant dépassées par les LED (dont les prix ont également baissé) ce qui conduit à une disparition lente de ce type de source. → 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
	G5
	G13

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 3 000 W. → 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 au début et offrait donc un mauvais IRC, des améliorations sensibles ont permis des utilisations plus confortables (IRC jusqu’à 80), voire de nouvelles applications. A l’instar des autres lampes à décharge, ces lampes sont en voie de disparation au profit des LED.

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 35 W à 1000 W 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 .

Culot	Illustration culot	Exemple de lampe	Puissances
E27			35 à 110 W
PG12-1			35 à 100 W
GX12-1			50 à 100 W
RX7s			70 à 150 W
E40			150 à 1000 W
Fc2			250 à 1000 W

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 étaient donc privilégiées dans des applications où la qualité de la couleur est importante, comme les magasins par exemple. Elles sont également en voie de disparation au profit des LED.

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 150 W (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 20 W à 3500 W 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 .

Culot	Illustration culot	Illustration lampe	Puissances
G8,5			20 W
G12			35 à 150 W
PGZ12			45 à 140 W
E27			70 à 100 W
RX7s			70 à 150 W
E40			100 à 3500 W
Fc2			250 à 1000 W
Câbles			1000 à 2000 W

Vapeur de mercure

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

LED

Les LED (Light Emitting Diode) dont le principe est connu depuis le début du XX^e 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.

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

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 à des prototypes ou à des applications très haut de gamme.

Les développements pour cette source ont été importants vers 2015 chez nombre de fabricants qui voyaient en l’OLED la source du futur mais les espoirs n’ont pas tenu leurs promesses : les OLED sont maintenant absentes du marché.

Synthèse

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

Accueil – Thème sources et lampes : Théorie – Caractéristiques et utilisation – Normes et règlements – Définitions

mise à jour : 7 octobre 2019