Lampe à décharge luminescente sous haute pression

Ces lampes ont une pression interne de l'ordre du bar à la dizaine de bar. Il en résulte que le gaz ionisé responsable de l'émission lumineuse est bien plus brillant et chaud.



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  • Lampe à décharge luminescente haute pression (HID). Les lampes HID produisent la lumière à partir d'un arc électrique qui se forme entre 2 électrodes.... (source : )

Ces lampes ont une pression interne de l'ordre du bar à la dizaine de bar. Il en résulte que le gaz ionisé responsable de l'émission lumineuse est bien plus brillant et chaud. Ainsi, de plus fortes puissances peuvent être dissipées dans un espace de quelques centimètres. Les premières lampes de ce type ont été créées au début du XXe siècle et regroupent essentiellement :


Historique

La première lampe utilisant du mercure sous haute pression pour l'émission lumineuse fut découverte par Way, en Grande-Bretagne en 1860. Il s'agissait d'un arc au carbone fonctionnant dans une atmosphère d'air et de mercure. Il fallut attendre 1906 pour voir le développement par Küch et Retschinsky, d'une lampe en quartz qui trouvera une application essentiellement en médecine et en physique, quoiqu'une version adaptée pour l'éclairage industriel verra le jour en 1909 (lampe'silica'de Westinghouse).

Ce n'est qu'en 1932 que l'ère des lampes à vapeur de mercure sous haute pression commencera. Cette année, la General Electric Company sera la première à proposer une lampe complètement scellée à vapeur sèche, de 400 watts, conçue pour remplacer les sources à incandescence de 1000 watt, particulièrement utilisées pour l'éclairage des rues et des industries. Le succès de ces lampes sera fulgurant et , dès 1935, l'ensemble des producteurs majeurs de lampes (Siemens, GE, Osram, Philips, etc. ) les proposeront à la vente. Ces premières lampes avaient une pression de vapeur de mercure limitée à une atmosphère du fait que du verre aluminosilicate était utilisé pour la construction des tubes à arc. Ce n'est que de 1933 à 1935 que C. Bol, de Philips, et D. Gabor de Siemens inventeront les scellements tungstène-quartz qui permettront l'emploi de lampes à pression de vapeur jusqu'à 80 bars. En pratique celle-ci ne dépassera pas les 15 bars dans les lampes à usage général.

Ces lampes en quartz ont depuis subi de nombreux changements qui ont permis d'accroître leur durée de vie jusqu'à 28 000 heures, quoiqu'en pratique cette durée soit fréquemment dépassée. Parmi les changements notables, figure l'emploi d'une poudre fluorescente sur la surface interne de l'enveloppe, transformant le rayonnement UV émis par l'arc au mercure en lumière rouge. Cette dernière remplit un vide dans le spectre du mercure, composé essentiellement de sept raies bleues, vertes et orange, donnant à la peau un aspect cadavérique. Malgré cette modification, l'IRC faible (Ra50) de ces lampes les réservent essentiellement pour des applications utilitaires où la qualité de la lumière n'est pas un facteur important. L'IRC peut néanmoins être perfectionné par l'utilisation d'une couche de poudre fluorescente plus épaisse, de nature différente ou avec un filtre brun-doré, mais cela se traduit par une baisse notable du rendement de la lampe.

Technologie

La lampe

Les lampes à vapeur de mercure haute pression sont composées d'un tube à décharge en quartz, enfermé dans une ampoule remplie d'azote. Le tube à décharge est pourvu de deux électrodes en tungstène à chaque extrémité, mais aussi d'une ou deux petites électrodes d'amorçage connectées aux électrodes principales via des résistances. Ce tube est rempli d'argon sous basse pression, et d'une goutte de mercure qui sera complètement vaporisée en régime normal de fonctionnement. Le mélange argon-mercure et l'emploi d'électrodes auxiliaires permet le démarrage de ces lampes à la tension du secteur en Europe. Dans d'autre pays, comme les États-Unis ou le Japon, la tension secteur n'est pas suffisamment élevée.

Le tube à décharge est situé dans une deuxième ampoule, plus large, afin d'éviter l'oxydation des amenées de courant en molybdène. Qui plus est , l'ampoule externe protège le tube à arc de tout contact extérieur et bloque les rayonnements UV Cancérogènes émis par la décharge. L'ensemble des lampes actuelles ont un revêtement fluorescent de phosphovanadate d'yttrium recouvrant la surface interne de l'ampoule externe. Ce revêtement est excité par les émissions UV de l'arc au mercure, et rayonne une lumière rouge qui, combinée au spectre du mercure, donne une lumière blanche de teinte froide.

Certaines lampes (dites à lumière mixte) ont aussi un filament de tungstène connecté en série avec le tube à décharge. Ce filament régule le courant de la lampe, ce qui fait qu'aucun autre circuit de régulation n'est indispensable. Qui plus est , la lumière rouge émise par incandescence perfectionne la teinte générale de ces lampes.

Alimentations électriques

En Europe et dans les autres pays ou la tension secteur est supérieure à 200 V, ces lampes sont connectées en série avec une self-inductance qui régule le courant de décharge. Le déphasage induit entre le courant et la tension de lampe est compensé par un condensateur, choisi pour que le facteur de puissance soit au minimum égal à 0, 80.

Dans les pays ou la tension secteur n'est que de l'ordre de 100-120 V, on a recours à des autotransformateurs à dispersion de flux qui régulent le courant de lampe et lui permettent de s'amorcer correctement.

Gamme de produits

Les sources aujourd'hui disponibles ont une puissance s'échelonnant de 40/50 watts jusqu'à 1000 watts, avec des modèles de 2000 watts toujours disponibles au Japon mais en voie de disparition. À ce jour il existe quatre types de lampes pour l'éclairage industriel et public :

type standard Le revêtement fluorescent est du phosphovanadate d'yttrium, donnant à la lampe une température de couleur de 3550 K à 4200 K, avec un IRC modéré à Ra50 qui limite l'usage de ces lampes aux industries et voies publiques.

  • 50 W 1800 lm 36 lm/W 4200 K 100 V 0, 6 A
  • 80 W 3800 lm 48 lm/W 4100 K 115 V 0, 8 A
  • 125 W 6300 lm 50 lm/W 4000 K 125 V 1, 15 A
  • 250 W 13000 lm 52 lm/W 3900 K 130 V 2, 15 A
  • 400 W 22000 lm 55 lm/W 3800 K 135 V 3, 25 A
  • 700 W 40000 lm 57lm/W 3550 K 140 V 5, 4 A
  • 1000 W 58000 lm 58 lm/W 3550 K 145 V 7, 5 A


type de luxe Une épaisseur plus grande de poudre fluorescente confère à ces lampes une teinte plus chaude, localisée dans la première moitié des 3000 K. Ces sources conviennent plus à l'éclairage de zones à forte densité de population, bien leur IRC de Ra57 ne permette pas un usage commercial.


type super de luxe Un filtre brun doré est utilisé pour diminuer l'importance de la lumière bleue et verte dans le rayonnement de ces lampes, ce qui donne une teinte des plus chaudes. Cependant, l'IRC reste modestement à Ra60 et l'efficacité lumineuse en sort fortement diminuée mais reste près de deux fois supérieure à celle d'une lampe à incandescence.


type à lumière mixte Dans ces lampes, un filament incandescent est connecté en série avec le tube à arc. Ce filament joue le rôle de ballast, ce qui fait que la lampe peut être branchée sur le secteur sans appareillage. Qui plus est , la lumière de l'arc au mercure et du filament donne à la lampe une teinte tiède de qualité convenable avec un IRC de Ra68, ce au prix d'une efficacité lumineuse assez mauvaise. Ces lampes conviennent au remplacement de lampes à incandescence dans des installations industrielles.

En plus de cette gamme, il existe des modèles à usages spéciaux. Quatre types de lampes se distinguent :

type à lumière noire Ces lampes sont pourvues d'une enveloppe en verre de Wood (contenant une forte concentration d'oxyde de nickel et de fer) qui absorbe le rayonnement visible et transmet le cluster de raies UVA du mercure à 365 nm.

type rayonnement solaire Ces lampes ont une ampoule externe en verre dur qui transmet le rayonnement UV-A et UV-B mais aussi la lumière visible. Ces lampes sont employées pour l'étude du vieillissement artificiel des matériaux et la reproduction de documents.

type UV courts Constituées d'une enveloppe en quartz, ces sources sont utilisées pour la désinfection de l'eau et le durcissement de colles et d'encres.

type spectrale Ce sont des lampes de laboratoires, rayonnant dans l'UV ou non, utilisées pour les expériences de fluorescence et la spectroscopie.

Remarques

Si ces lampes étaient particulièrement populaires dans les années 1950-60, elles font désormais place aux sources à vapeur de sodium haute pression ainsi qu'aux halogénures métalliques dont les rendements sont bien meilleurs et la couleur de la lumière émise plus agréable. Cependant, la simplicité d'utilisation des lampes au mercure mais aussi leur faible coût et leur durabilité font qu'elles seront toujours longtemps employées dans les installations d'éclairage public et industriel.

Les lampes aux halogénures métalliques

Historique

La lampe à vapeur de mercure ne s'est jamais vraiment imposée en dehors de l'éclairage industriel et routier, car la lumière émise reste médiocre en termes de qualité, même avec l'emploi de poudres fluorescentes. Différentes solutions ont été étudiées afin de perfectionner ces lampes. Dès 1912, C. Steinmetz propose l'addition de cadmium et de zinc dans les arcs au mercure pour apporter un spectre plus riche, surtout dans le rouge, mais se traduisait invariablement par une diminution énorme de l'efficacité lumineuse.

Ce n'est qu'à la fin des années cinquante que des études indépendantes montrent que l'ajout de sels métalliques permet soit d'accroître l'efficacité lumineuse, soit de perfectionner la qualité de la lumière émise, mais pas les deux. En 1961, General Electric présente la première lampe aux halogénures métalliques commerciale, qui est , en fait, une lampe à vapeur de mercure avec du iodure de sodium, dont le rayonnement rouge-orange complète le spectre du mercure. Cette nouvelle lampe n'était pas entièrement satisfaisante car, si le rendu des couleurs était meilleur, la lumière émise avait une teinte assez rose. Ce n'est qu'à partir de 1965 qu'on réussit à obtenir une bonne teinte de lumière tout en doublant ou alors triplant l'efficacité lumineuse.

Depuis les années 1970 il y a eu assez peu d'améliorations de cette technologie. Les exceptions majeures sont l'introduction des lampes compactes en 1981, sources utilisées pour l'éclairage commercial (boutiques, vitrines etc. ), et l'emploi, en 1994, de tubes à arc (brûleur) en alumine fritté, donnant la possibilité un gain de 30-50 % sur l'efficacité lumineuse avec un meilleur rendu des couleurs. Une variante de cette technologie est aussi apparue en 1991 : les phares au xénon qui équipent dorénavant les véhicules automobiles haut de gamme et remplaceront sans doute à terme les lampes halogène pour l'éclairage de puissance des véhicules.

Aujourd'hui, les sources aux halogénures métalliques fournissent le meilleur compromis entre la qualité de lumière et l'efficacité lumineuse. Cependant, le prix de ces lampes est plus élevé que les sources au mercure, et nécessitent aussi un appareillage plus complexe. Qui plus est , les sels métalliques corrodent le matériau du tube à arc, ce qui fait que la durée de vie est plus courte. Malgré ces inconvénients, ces lampes se sont particulièrement beaucoup imposées dans l'éclairage commercial et sportif où une grande qualité de lumière est indispensable, tout en garantissant de substantielles économies d'énergies face aux lampes à incandescence. La constante amélioration et miniaturisation des lampes à brûleur céramique et de leur alimentation électronique, font que ces lampes vont s'imposer toujours plus, et ce dans des domaines jusque-là réservés aux lampes halogènes compactes.

Technologie

Lampes

La majorité des lampes aux halogénures métalliques ont une construction comparable à celle des lampes à vapeur de mercure haute pression. Un tube à décharge en quartz, pourvu de deux électrodes en tungstène, est enfermé dans une ampoule externe. En plus d'argon et du mercure, le tube à décharge est dosé avec différents sels métalliques, dont la composition et la quantité dépendent du type de lumière et des performances voulus. La distance entre les électrodes est plus courte que pour les lampes à vapeur de mercure pour permettre une plus grande dissipation de puissance par centimètre d'arc. Les extrémités du tube à décharge sont aussi recouvertes d'un dépôt blanc d'oxyde de zirconium ou d'aluminium afin d'accroître la température du point le plus froid. Toutes ces mesures permettent d'obtenir un pression de vapeur de sels métalliques aussi élevée que envisageable pour maximiser l'émission lumineuse.

Une autre technologie de tube à décharge emploi de l'alumine polycristallin fritté au lieu du quartz. Ce changement de matériau permet une plus grande température de fonctionnement et un gain de 20 à 30% sur l'efficacité lumineuse. La géométrie de ces tubes est autant mieux contrôlée que celle des tubes en quartz, il en résulte que la dispersion de la température de couleur dans un groupe de lampes est énormément réduite.

La présence de sels métalliques dans ces lampes a pour conséquence la pronation progressive d'halogénure de mercure gazeux dans le tube à décharge. Ce gaz étant électronégatif, la tension d'amorçage tend à croître avec le temps. Si en Europe et dans la majorité des autres pays on emploie de la haute tension pour amorcer ces lampes, celles d'Amérique du Nord sont pourvues d'électrodes auxiliaires, identiques à celles des lampes au mercure, et amorcées avec des tensions plus faibles.

Alimentations électriques

Les lampes aux halogénures métalliques des pays dont la tension secteur est supérieure à 200 V sont alimentées par une self-inductance connectée en série avec la lampe. Un amorceur électronique est connecté en série ou en parallèle et génère des impulsions de 3-4 kV pour faire démarrer la lampe. Les pays dont la tension secteur est de l'ordre de 100-120 V emploient des autotransformateurs à dispersion de flux, dont la tension à vide est de l'ordre de 350 V. Ce voltage est suffisamment élevé pour permettre aux lampes pourvues d'électrodes auxiliaires de s'amorcer correctement.

L'emploi de ballasts électronique devient désormais de plus en plus courant, et est presque systématique dans les luminaires des magasins et de centres commerciaux. L'emploi de l'électronique permet de perfectionner les performances des lampes, et offre des options comme la variation de l'intensité lumineuse ou la détection automatique de fin de vie de la lampe.

Gamme de produits

Il existe toute une gamme de lampes aux halogénures métalliques dont le remplissage correspond à une lumière spécifique et par conséquent un usage spécifique. La température de couleur s'échelonne de 2700 K (blanc chaud) jusqu'à 6500 K (lumière du jour) et plus pour des usages spéciaux. En termes de puissance, la gamme couvre de 10 Watts, pour des torche de plongée sous-marine, jusqu'à 3500 watts pour l'éclairage de stades et de grands espaces.

Remarques

Les lampes aux halogénures métalliques présentent l'avenir des lampes à décharge haute pression, car leur évolution en termes de performance ne cesse de s'accroître; chaque mois il y a une nouvelle lampe de ce type, ou un progrès qui est introduite, tandis que dans les autres technologies l'évolution a atteint un plateau. Si aucune innovation majeure ne survient dans le domaine des lampes à vapeur de sodium et de mercure, alors les sources aux halogénures métalliques s'imposeront sans partage dans l'éclairage urbain de centre ville, et peut-être même dans l'éclairage domestique.

Les lampes à vapeur de sodium

L'intérêt de l'emploi du sodium est connu depuis les années 1930, lorsque les premières lampes fonctionnant à cette vapeur sous basse pression ont vu le jour. Si ces lampes ont bien actuellement le meilleur rendement envisageable, leur particulièrement mauvais rendu des couleurs et leurs dimensions assez larges limitent leurs applications à l'éclairage de voies publiques. Par conséquent, il a été particulièrement tôt envisagé d'accroître la pression de vapeur pour dissiper plus de puissance par unité de longueur, et d'enrichir le spectre émis pour rendre la lumière plus agréable à l'œil.

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