Les LAMPES Jean-Pierre Collter Lyce Robert Schuman.

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Page 1 Les LAMPES Jean-Pierre Collter Lyce Robert Schuman Page 2 Lclairage Aujourdhui, lclairage reprsente 15 % de la facture dlectricit dun mnage. L'clairage dans le secteur rsidentiel et tertiaire reprsente 14% de toute l'lectricit consomme en France. Cela ncessite la production permanente de sept racteurs nuclaire ! Page 3 La lumire artificielle Un rayonnement lumineux artificiel peut-tre produit partir de lnergie lectrique selon deux principes : Lincandescence Cest la production de lumire par lvation de temprature. Le spectre de rayonnement mis est continu. Lnergie fournie est transforme en effet Joule et en flux lumineux. La luminescence Cest le phnomne dmission par la matire, dun rayonnement lumineux visible ou proche du visible. Electroluminescence des gaz: un gaz (ou des vapeurs) soumis une dcharge lectrique met un rayonnement lumineux. La photoluminescence: cest la luminescence dun matriau expos un rayonnement visible ou proche du visible (ultraviolet, infrarouge). Page 4 Les diffrentes technologies de lampes Lampes incandescence (les ampoules standard, les ampoules halogne) Lampes fluorescentes (les tubes fluorescents, lampes fluo- compactes) Lampes dcharge (lampes vapeur de sodium BP ou HP, lampes vapeur de mercure haute pression, lampes halognures mtalliques) Diodes lectroluminescentes ou LED (Light Emitting Diodes) Lampes usages spciaux Page 5 Les lampes incandescence Ce sont les lampes "classiques" utilises pour l'clairage intrieur. L'ampoule contient un filament de tungstne qui, port haute temprature (environ 2500C) par le passage d'un courant lectrique, met de la lumire. Gnralement l'ampoule est remplie d'un gaz inerte comme l'argon ou le krypton, qui permet d'viter la dtrioration du filament. Ces lampes ont un rendement lumineux faible, car la plus grande partie de l'nergie lectrique est convertie en chaleur plutt qu'en lumire. Page 6 Les lampes halognes Ce sont des lampes incandescence dans lesquelles on a ajout un gaz de la famille des halognes ou un de leurs drivs (p.ex. I2, CH3Br ou CH2Br2). Ce gaz rgnre le filament de tungstne (cycle halogne) et augmente ainsi fortement sa dure de vie. Les lampes halognes ont un meilleur rendement que les lampes incandescence classiques, car elles fonctionnent plus haute temprature (environ 2900C). L'ampoule doit alors tre ralise dans un matriau rsistant ces hautes tempratures : quartz ou verres spciaux (d'o l'appellation courante de lampe quartz-iode). A cause de leur temprature plus leve, les lampes halognes mettent plus de rayonnements ultraviolets, qui ne sont pas absorbs par le quartz de l'ampoule; pour cette raison, on place gnralement devant la lampe une fentre en matire plastique transparente ou en verre dont la fonction est d'absorber ces radiations nocives. Page 7 Les tubes fluorescents Appels couramment "nons", ils renferment un mlange d'argon et de vapeur de mercure trs rarfi; une dcharge lectrique au travers de ce gaz, d'un bout l'autre du tube, fait briller le mercure d'un rayonnement ultraviolet, qui excite une substance fluorescente (composs phosphors) dpose sur la paroi interne du tube; cette substance met en retour une lumire blanche. Les lampes dites conomiques, qui se substituent de plus en plus aux lampes incandescence, sont galement des tubes fluorescents, dits compacts. Page 8 Les lampes vapeur de mercure Autrefois utilises en abondance pour l'clairage public, elles sont de plus en plus remplaces par les lampes au sodium, qui ont un meilleur rendement lumineux. Elles produisent une lumire blanc-bleut, grce une dcharge lectrique travers la vapeur de mercure haute pression (500 fois la pression des tubes fluorescents) contenue dans l'ampoule. A cause de cette pression plus leve, elles mettent plus de lumire visible et moins d'ultraviolet que les tubes fluorescents. Ces lampes sont interdites dans les rgions rglementant l'clairage, car elles consomment beaucoup d'nergie. Page 9 Les lampes vapeur de sodium basse pression Le tube est rempli d'un mlange de non, d'argon et de parcelles de sodium. Une dcharge lectrique dans ce mlange fournit une lumire orange monochromatique (longueur d'onde 589 nm). Le non, avec sa couleur rouge caractristique, sert dmarrer la dcharge et chauffer le sodium. Ces lampes sont surtout utilises pour l'clairage des routes. De toutes les sortes de lampes actuellement disponibles, ce sont celles qui ont la plus grande efficacit lumineuse. C'est le type de lampe idal quand le rendu des couleurs n'est pas important. Dans les rgions qui ont tabli des rglements sur l'clairage extrieur, c'est le seul type de lampe autoris proximit des observatoires astronomiques, car le rayonnement qu'elles mettent peut facilement tre filtr. Page 10 Les lampes vapeur de sodium haute pression galement des lampes dcharge, elles mettent une lumire jaune-orange, plus blouissante que les lampes au sodium basse pression, et elles donnent un rendu des couleurs un peu meilleur que ces dernires (mais ce rayonnement en bande spectrale plus large est plus difficile filtrer pour les observations astronomiques). Actuellement, c'est ce type de lampes qui est le plus couramment install pour l'clairage public, bien que son efficacit lumineuse soit moins bonne que celles des lampes au sodium basse pression. Page 11 Les lampes halognures mtalliques Elles forment un arc lectrique (d'une dizaine de mm) dans une ampoule renfermant des halognures mtalliques et des vapeurs de mercure haute pression. Les mtaux vaporiss mettent une lumire blanche vive, avec une grande efficacit (5 fois meilleure qu'une lampe incandescence); ces lampes sont donc intressantes quand on dsire un bon rendu des couleurs. Les lments halogns servent augmenter la concentration en mtaux vaporiss dans la zone chaude de l'arc. Tout comme pour les lampes halognes filament de tungstne, les ampoules de ces lampes sont en quartz et laissent chapper un rayonnement ultraviolet qui doit tre filtr. Ces lampes sont utilises dans les vitrines commerciales, les terrains de sport, Page 12 Diodes lectroluminescentes ou LED Le dveloppement rcent de diodes de couleur blanche ou bleue haut rendement lumineux ouvre de nouvelles perspectives, en particulier pour la signalisation (feux de circulation, panneaux de scurit ou lclairage de secours). Le courant moyen dans une LED est de 20 mA, la chute de tension tant comprise entre 1,7 et 4,6 V suivant la couleur. Ces caractristiques sont donc propices une alimentation en trs basse tension, en particulier par des batteries. Lalimentation par le rseau ncessite un convertisseur. Lavantage des LED est leur faible consommation dnergie. Il en rsulte une faible temprature de fonctionnement qui autorise une trs longue dure de vie. Ampoules LEDs Edison haute qualit (20 ans de dure de vie) Page 13 Lampes usages spciaux Elles sont, lexception des deux dernires, dun emploi unitaire. Dans tous les cas, leur alimentation lectrique doit tre tudie selon les informations techniques spcifiques dlivres par leurs constructeurs. Lampes incandescence spciales pour les feux tricolores Lampes spciales vapeur de mercure Lampes pour photosynthse Lampes germicides Lampes gnratrices dUVA Lampes lumire noire Lampes aux halognes spciales Lampes adaptes la projection pour les studios et thtres Lampes chauffantes Page 14 Lampes pour photosynthse Lampes mettant une lumire blanche avec un rayonnement autour de 655 nm Elles sont destines acclrer la photosynthse des plantes. Les applications sont, par exemple, les magasins de fleuristes, les halls dentre, les serres industrielles. Page 15 Lampes germicides Elles mettent de lultraviolet dans la longueur donde 253,7 nm. Les applications sont la purification, la strilisation de lair, de leau et des instruments dans lindustrie pharmaceutique, les hpitaux, les stations de traitement ou les laboratoires. Ces lampes mettent un rayonnement dangereux pour les yeux et la peau. Page 16 Lampes lumire noire Elles gnrent une mission dultraviolets dans les grandes longueurs dondes ayant pour effet dactiver les pigments fluorescents. Les applications sont la recherche de dfauts en industrie ou de faux (billets, tableaux...) ainsi que les spectacles. Page 17 Lampes adaptes la projection pour studios et thtres Leur temprature de couleur est de 3200 K. Leurs puissances peuvent atteindre 5000 W. Ces lampes ont une meilleure efficacit lumineuse et des flux lumineux plus importants mais une dure de vie rduite (12 h, 100 h, 500 h). Page 18 Lampes chauffantes Elles gnrent un faisceau dnergie calorifique en infrarouge court. Certains types sont destins llevage, dautres au schage et la cuisson de peintures, au chauffage dans les processus industriels ou au chauffage de zone par rayonnement. Page 19 Lampes spciales vapeur de mercure Elles mettent un faisceau homogne de lumire blanc-bleu destine la reprographie, la srigraphie ou lclairage effets en joaillerie. Page 20 Diverses caractristiques des lampes Domaines demploiDomaines demploi Efficacit lumineuseEfficacit lumineuse Spectre dmissionSpectre dmission Dure de vieDure de vie Page 21 Page 22 Efficacit lumineuse Par efficacit lumineuse, on entend la capacit de l'ampoule et des circuits connexes transformer le pouvoir lectrique en lumire. Elle se mesure en lumens par watt. L'efficacit lumineuse et la dure de vie varient en fonction du genre et de la grosseur de l'ampoule et des fabricants. On peut voir que les lampes au sodium basse pression, les moins polluantes pour l'observation astronomique, sont aussi les plus efficaces et devraient donc tre utilises pour l'clairage extrieur partout o le rendu de couleur n'est pas critique (en veillant, bien sr, une conception et un placement conformes la protection du ciel). Page 23 Principales caractristiques techniques Page 24 Indice de rendu des couleurs L'indice indique les aptitudes de la lumire mise par la source restituer l'aspect color de l'objet clair. La Commission Internationale de l'clairage (C.I.E.) a dfini une chelle de 1 100. La qualit de rendu des couleurs est vise par un dcret. La circulaire prcise nettement ce qu'il faut entendre par l : l'indice de rendu des couleurs satisfaisant est suprieur 80, un indice infrieur 60 ne pouvant convenir qu' des activits ne ncessitant aucune exigence de rendu des couleurs Pour complter la notion de rendu des couleurs, la courbe spectrale d'une source lumineuse visualise la composition de son rayonnement suivant les diffrentes longueurs d'onde perues par l'oeil humain (de 380 760 nm) Page 25 Courbe de rponse de loeil et spectres dmission Courbe de rponse de loeil et spectres dmission La lumire artificielle Un rayonnement lumineux artificiel peut- tre produit partir de lnergie lectrique selon deux principes : lincandescence et llectroluminescence. Lincandescence Cest la production de lumire par lvation de temprature. Les niveaux dnergie sont en Page 26 Rpartition en longueurs d'onde Chaque genre de source lumineuse a sa propre rpartition en longueurs d'onde. Les lumires incandescentes couvrent toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, alors que les lumires dcharge gazeuse ne couvrent qu'une partie du spectre, provoquant ainsi parfois de la distorsion dans les couleurs, p. ex. la couleur rouge peut sembler brune sous un clairage au sodium basse pression. Certains types de lampes mettent de la lumire "invisible" (ultraviolet et infrarouge), qui ne sert rien pour l'clairage; cette lumire indsirable pollue les observations astronomiques et peut abmer la vue; elle doit donc tre filtre. Page 27 Comparatif des domaines d'mission de diffrents types de lampes Page 28 Dure de vie Dans tous les cas, la dure de vie des lampes est rduite par des allumages frquents, lexception des lampes fluo-compactes induction et des LED. Nous allons tudier les alimentations des technologies les plus courantes, et les amnagements pour augmenter cette dure de vie. Page 29 Les alimentations lectriques des lampes Page 30 Les diffrents modes dalimentation Page 31 Lalimentation des lampes incandescence En raison de la temprature trs leve du filament en cours de fonctionnement (jusqu 2500 C), sa rsistance varie dans de grandes proportions selon que la lampe est teinte ou allume. La rsistance froid tant faible, il en rsulte une pointe de courant lallumage pouvant atteindre 10 15 fois le courant nominal pendant quelques millisecondes quelques dizaines de millisecondes. Cette contrainte concerne aussi bien les lampes ordinaires que les lampes halogne elle impose de rduire le nombre maximal de lampes pouvant tre alimentes par un mme dispositif tel que tlrupteur, contacteur modulaire ou relais pour canalisations prfabriques. Page 32 Lampes halogne trs basse tension Il existe maintenant de nouvelles lampes TBT halogne avec un transformateur intgr dans leur culot. Elles peuvent tre alimentes directement partir du rseau BT et remplacer des lampes incandescence normales sans aucune adaptation. F75 ininflammable tenue 75 C Page 33 Lalimentation des luminaires ballasts magntiques Le ballast magntique Le starter La compensation Les ballasts magntiques les plus rcents sont dits faibles pertes . Leur circuit magntique a t optimis, mais le principe de fonctionnement reste le mme. Cette nouvelle gnration de ballasts est amene se gnraliser, sous linfluence de nouvelles rglementations. Page 34 Le ballast magntique Les tubes fluorescents et les lampes dcharge ncessitent une limitation de lintensit de larc; cette fonction est remplie par une inductance (ou ballast magntique) place en srie avec lampoule elle-mme Cette disposition est la plus utilise dans les applications domestiques o le nombre de tubes est limit. Aucune contrainte particulire nest applique aux interrupteurs. Les variateurs de lumire de type gradateur ne sont pas compatibles avec les ballasts magntiques : lannulation de la tension pendant une fraction de la priode provoque linterruption de la dcharge et lextinction totale de la lampe. Page 35 La compensation Le courant absorb par lensemble tube et ballast tant essentiellement inductif, le facteur de puissance est trs faible (en moyenne entre 0,4 et 0,5). Dans les installations comportant un grand nombre de tubes, il est ncessaire de prvoir une compensation pour amliorer le facteur de puissance. Les schmas possibles Page 36 Lalimentation des luminaires ballasts lectroniques Les ballasts lectroniques sont utiliss en remplacement des ballasts magntiques pour lalimentation des tubes fluorescents (y compris les lampes fluo-compactes) et des lampes dcharge. Ils assurent galement la fonction de starter et ne ncessitent pas de condensateur de compensation. Page 37 Ballasts lectroniques Le principe du ballast lectronique consiste alimenter larc de la lampe par un dispositif lectronique gnrant une tension alternative de forme rectangulaire. On distingue les dispositifs basse frquence ou hybrides, dont la frquence est comprise entre 50 et 500 Hz, et les dispositifs haute frquence dont la frquence est comprise entre 20 et 60 kHz. Lalimentation de larc par une tension haute frquence permet dliminer totalement le phnomne de papillotement et les effets stroboscopiques. Le ballast lectronique est totalement silencieux. Page 38 Principe d un ballast lectronique. Un ballast lectronique comprend essentiellement un tage redresseur (avec ventuellement une correction du facteur de puissance, Power Factor Correction -PFC-) Schma de principe dune lampe alimente par un ballast lectronique avec un condensateur de filtrage de la tension redresse et un tage onduleur en demi-pont. Son alimentation est galement possible en courant continu. Page 39 Contrainte apporte par les ballasts lectroniques sur les rseaux Fort courant dappel la mise sous tension li la charge initiale des condensateurs de filtrage. En raison des impdances de cblage, le courant dappel pour un ensemble de lampes est de lordre de 5 10 In pendant moins de 5 ms. Contrairement aux ballasts magntiques, ce courant dappel nest pas accompagn de surtension. Courants harmoniques Pour les ballasts associs aux lampes dcharge de forte puissance, le courant absorb au rseau prsente un faible taux de distorsion harmonique (< 20 % en gnral et < 10 % pour les dispositifs les plus volus). Par contre, les dispositifs associs aux lampes de faible puissance, en particulier les lampes fluo-compactes, absorbent un courant trs dform. Le taux de distorsion harmonique peut atteindre 150 %. avec un facteur de puissance de 0,55!! Courants de fuite Les ballasts lectroniques disposent de condensateurs dantiparasitage responsables de la circulation dun courant de fuite permanent de lordre de 0,5 1 mA par ballast. Ceci conduit limiter le nombre de ballasts quil est possible dalimenter par un Dispositif courant Diffrentiel Rsiduel (DDR). (Voir le Cahier Technique n 114). A la mise sous tension, la charge initiale de ces condensateurs peut provoquer galement la circulation dune pointe de courant dont lamplitude peut atteindre quelques ampres,qui peut provoquer le dclenchement intempestif. Page 40 Branchements des circuits dclairage Les circuits dclairage sont en gnral connects entre les phases et le neutre de manire quilibre. Dans ces conditions, le fort taux dharmoniques de rang 3 et multiples de 3 peut provoquer une surcharge du conducteur de neutre. La situation la plus dfavorable conduit un courant neutre pouvant atteindre racine de trois fois le courant dans chaque phase. Des limites dmission harmonique pour les systmes dclairage sont fixes par la norme CEI 61000-3-2. Page 41 Contraintes lies aux dispositifs dclairage et recommandations Le courant rellement absorb par les luminaires Pour les clairages fluorescents, la puissance des ballasts magntiques peut tre valu 25 % de celle des ampoules. Pour les ballasts lectroniques, cette puissance est plus faible, de lordre de 5 10 %. Pour les clairages incandescents, il faut tenir compte que la tension du rseau peut tre suprieure de 10 % sa valeur nominale et alors provoquer une augmentation du courant absorb. Cest en fonction des puissances totales et du facteur de puissance, calculs pour chaque circuit, que seront alors dfinis les seuils des protections de surintensits. Les surintensits la mise sous tension La surcharge du conducteur de neutre Les courants de fuite la terre Les surtensions Page 42 Usage des lampes conomiques La vente des lampes basse consommation dpasse maintenant celle des lampes incandescence. Lclairage reprsente un potentiel dconomies (en nergie et en puissance). Cest un secteur stratgique pour la matrise de la demande dnergie. Page 43 Des avantages et des inconvnients rels Les lampes fluorescentes offrent plusieurs avantages par rapport aux lampes incandescence : une dure de vie moyenne 6 8 fois plus longue, une consommation et une puissance 5 fois moindres. Elles prsentent galement des inconvnients : un prix dachat lev, un indice de rendu des couleurs denviron 80 (100 pour lincandescence), une esthtique parfois conteste, un facteur de puissance faible, une pollution harmonique qui peut perturber les rseaux lectriques (si les lampes taient trs nombreuses), la ncessit dun recyclage contrl. Page 44 Taux dutilisation des lampes basse consommation Page 45 Utilisation dans le tertiaire Page 46 Secteur tertiaire et clairage performant Page 47 Evolutions des luminaires Les principales volutions technologiques prvoir sont lies aux conomies dnergie, (dispositions rglementaires): les installations nouvelles sont quipes de lampes haut rendement lumineux. Lemploi de ballasts lectroniques devrait progresser au dtriment des magntiques. La proccupation majeure des constructeurs est de rduire les contraintes lenclenchement ainsi que les courants harmoniques, en particulier pour les lampes fluo- compactes. Une tendance la rduction voire la suppression du mercure dans les lampes est observable. Page 48 Un autre type de lampe basse consommation Lampe LED Composes de plusieurs LED haute luminosit, dune dure de vie trs importante (cinquante cent mille heures) les lampes diodes commencent remplacer les lampes incandescence dans lclairage portatif. Ce type de lampe comporte de nombreux avantages pour des usages spcifiques : Allumage instantan Dure de vie (100 fois plus important quune ampoule classique Peu de maintenance et grande rsistance aux chocs et vibrations Insensibilit aux allumages rpts et aux basses tempratures Petite taille et esthtique... Cependant leur cot lev, la ncessit de lemploi dalimentation lectronique et leur efficacit lumineuse modeste (25 lm/W pour les meilleures sources) limitent encore leur dmocratisation face aux lampes filaments. Page 49 Les LED un futur prometteur Par contre pour l'clairage des mnages : - remplacer les ampoules incandescences par des LFC (lampesfluocompactes) permet de diviser sa facture d'lectricit (clairage) environ par 4 ! - remplacer les ampoules incandescences par des LED permet de diviser sa facture d'lectricit (clairage) environ par 24 ! En consquence, mme si la gamme propose actuellement au public n'est pas encore la hauteur, les LED laissent prsager un futur proche prometteur. Page 50 Chiffrage de lconomie Page 51 Bibliographie Cahier technique n 205 Lalimentation des circuits dclairage Jacques SCHONEK, Marc VERNAY http://www.syndicat-eclairage.com/pdf/publications/eclairage_industriel.pdf Lclairage en France, cahier du clip Energie propre, matrise de la demande dnergie N40 Les conomies d'nergie, c'est juste des ampoules basse consommation ? Jean Marc Jancovici Essai d'une lampe basse consommation (site SOLAIRES) L'ECLAIRAGE DES LIEUX DE TRAVAIL site de l'AIMT 67 ( http://www.alsace.net/aimt67 ) LECLAIRAGE DES LIEUX DE TRAVAIL Notions de base Dr Franois Muller site de l'AIMT 67 (http://www.alsace.net/aimt67 ) LURE en clairage intrieur LES AUXILIAIRES Bndicte Collard CLAIRAGE INDUSTRIEL (Pour une approche en cot global dune installation dclairage industriel) Page 52 FIN Seconde S.I.

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