Lampe à décharge

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...



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Photométrie - Éclairage - Composant électrique - Électrotechnique

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Lampe germicide à vapeur de mercure

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 par conséquent de lumière.

La couleur de la lumière émise par luminescence, par ces lampes dépend du gaz utilisé :

Principe de fonctionnement

Les molécules du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s'ioniser quand elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes localisées de chaque côté de la lampe. Les électrons libérés sont attirés par l'électrode positive – appelée cathode – et les ions négatifs par l'autre, appelée anode. Un énorme flux d'électrons traverse l'ampoule.

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 généralement comprise dans le spectre du visible ou de l'ultraviolet. Ils peuvent aussi se libérer totalement 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 originellement particulièrement faible explose littéralement pour atteindre la puissance maximale donnée par le générateur électrique.

Histoire

Francis Hauksbee a, le premier, décrit une lampe à décharge en 1705. Il montra qu'un globe de verre dans lequel on a réalisé un vide partiel ou complet, quand il est chargé d'électricité statique, peut produire une lumière suffisante pour permettre de lire. Sir Humphry Davy décrivit en 1802 le premier arc électrique à la Royal Institution de Londres. Depuis, de nombreuses recherches ont été réalisées sur les sources de lumière à décharge, car elles produisent de la lumière à partir de l'électricité de façon beaucoup plus efficace que les ampoules à incandescence.

Plus tard, on a découvert que l'arc de décharge peut être optimisé en utilisant un gaz inerte au lieu de l'air comme milieu. Pour cette raison, dans le passé, des gaz nobles tel que le néon, l'argon, le krypton ou le xénon furent employés tout comme le dioxyde de carbone.

L'introduction de la lampe à vapeur de métal, incluant divers métaux à l'intérieur du tube de décharge, fut une avancée postérieure. La température du gaz de décharge vaporise légèrement de métal et la décharge est alors produite presque exclusivement par la vapeur de métal. Généralement, on utilise du sodium et du mercure à cause de leur haute pression de vapeur qui augmente l'efficacité de l'émission électromagnétique dans le spectre visible.

Un siècle de recherche supplémentaire a conduit à des lampes sans électrodes. À la place, le gaz est excité par des émetteurs de micro-ondes ou d'ondes radio. Qui plus est , des sources de lumière de puissance bien moindre ont été créées, permettant d'étendre les applications de l'éclairage à décharge aux habitations ou aux utilisations en extérieur.

Couleur

Chaque gaz, selon 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 veut dire que les couleurs apparaissent totalement différentes que, par exemple, sous la lumière du soleil. Certains personnes qui s'en rendent bien compte vont à la lumière du soleil, lorsqu'il s choisissent un vêtement, pour déterminer sa «véritable» couleur.


Gaz Couleur Remarques Image
Hélium Orange tirant sur le blanc ; peut tirer sur le gris, le bleu ou le vert-bleu sous certaines conditions Utilisé par les artistes pour des besoins éclairages spécifiques. HeTube.jpg
Néon Rouge orangé Lumière intense. Souvent utilisé pour les enseignes au néon et les lampes au néon. NeTube.jpg
Argon Violet et bleu lavande pâle Fréquemment utilisé avec des vapeurs de mercure. ArTube.jpg
Krypton  Greyish dim off-white ⇔ blanc tirant sur le gris pâle. Peut tirer sur le vert. Bleu vif et blanc à forte intensité. Utilisé par les artistes pour des besoins éclairages spécifiques. KrTube.jpg
Xénon Gris blanc pâle tirant sur le gris ou le bleu, vert particulièrement vif tirant sur le bleu à forte intensité XeTube.jpg
Azote Comparable à l'argon mais plus terne et tirant plus sur le rose ; Blanc tirant sur le bleu vif à forte intensité ; plus blanc que l'argon.    
Oxygène Violet - lavande, plus pâle que l'argon.    
Hydrogène Lavande à faible intensité ; magenta tirant sur le rose au-delà de 10 mA.    
Vapeur d'eau Comparable à l'hydrogène mais plus pâle    
Dioxyde de carbone blanc tirant sur le bleu clair ; plus vif que le xénon en faible intensité.    
Vapeur de Mercure la lampe à déchargement fut découverte en 1705 par un anglais, dénommé Francis Hauksbee Bleu clair, ultraviolet intense Utilisé en combinaison avec le phosphore pour générer de nombreuses couleurs du spectre lumineux. Beaucoup utilisé dans les lampes à vapeur de mercure et les lampes  hydrargyrum medium arc iodide ⇔ Lampe aux halogénures métalliques. Fréquemment utilisé avec de l'argon.  
Vapeur de Sodium (basse pression) Jaune vif Beaucoup utilisée dans les lampes à vapeur de sodium. Lampe a vapeur de sodium.jpg

Lampes à décharge les plus courantes

Lampes à décharge basse pression

Les tubes fluorescents 
Ils produisent jusqu'à 100 lumens/watt. Ce type de lampe est le type le plus utilisé en éclairage de bureau mais aussi dans de nombreuses autres applications tertiaires. Les tubes fluorescents sont couramment, mais faussement, toujours nommés lampes néon. Ils sont néenmoins particulièrement différents car la lumière émise par la décharge n'est pas directement visible. C'est une poudre déposée sur la surface intérieure du tube qui ré-émet dans le domaine visible.
Les lampes à vapeur de sodium basse pression 
Ce type de lampe est le type de lampe à décharge le plus efficace, produisant jusqu'à 200 lumens/watt, mais aux dépens d'un rendu de couleurs particulièrement pauvre. La lumière jaune quasi monochromatique est acceptable seulement pour l'éclairage public et les utilisations identiques.

Lampes à décharge haute pression

Les lampes aux halogénures métalliques 
Ces lampes produisent de la lumière presque blanche et atteignent 100 lmW-1. Les utilisations comprennent l'éclairage d'intérieur d'immeubles de grande hauteur, de parking, de magasins, de terrains de sports.
Les lampes à vapeur de sodium haute pression 
Elles produisent jusqu'à 150 lumens/watt. Ces lampes produisent un spectre de lumière plus large que la lampes à vapeur de sodium basse pression. Elles sont aussi utilisées pour l'éclairage public et pour la photo assimilation artificielle dans la culture de plantes.
Les lampes à vapeur de mercure 
Ce type de lampe est le type de lampe haute pression le plus ancien. Il a été remplacé dans l'essentiel des utilisations par des lampes à vapeur de sodium haute pression et , quelquefois, par des lampes aux halogénures métalliques.

Utilisation

Les lampes à vapeur de mercure

Ces lampes contiennent des vapeurs de mercure mélangée à de l'argon. Ce type de lampe ne meurt théoriquement jamais. Après 10 000 à 20 000 heures, son émission lumineuse commence à diminuer, pour atteindre moins de 25 % de l'émission d'origine après 50 000 heures de fonctionnement. Leur efficacité lumineuse est localisée entre 50 et 100 lmW-1 ce qui est plus de 5 fois supérieur aux lampes à incandescence.

La lumière étant dans ce cas essentiellement produite par la luminescence, celle-ci est essentiellement composée d'ultraviolet (254 nm pour le mercure : UVC) il est par conséquent indispensable d'augmenter la longueur d'onde de la lumière émise par fluorescence c'est-à-dire par adjonction sur les parois du tube d'une poudre blanche qui diminue la fréquence des ondes émises pour les "replacer" dans le spectre visible. Selon la composition chimique de ces poudres, il est envisageable d'obtenir un grand éventail de couleurs.

Dans le cas des lampes à vapeur de mercure haute pression, au moment où la lampe s'allume, seul un arc à basse pression se produit et par conséquent, une faible quantité de lumière est émise ; puis la lampe chauffe, la pression augmente progressivement, le mercure se vaporise, un arc à haute pression se forme et une quantité plus importante de lumière est émise. La lampe met à peu près 5 minutes avant de produire son flux lumineux maximal.

Les lampes à vapeur de mercure ont longtemps servi à l'éclairage public du fait de leur faible coût. Elles ont cependant été surtout remplacées par les lampes à vapeur de sodium haute pression, qui émettent une lumière faisant mieux ressortir les détails de la chaussée, mais également qui sont plus faciles à filtrer par les astronomes. Ces sources lumineuses sont aussi plus rentables, en particulier au niveau de l'efficacité lumineuse. Les sources d'éclairage au mercure sont toujours actuellement particulièrement beaucoup utilisées sous forme de petits luminaires de 175 watts vendus pour à peu près 50 .

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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