Éclairage artificiel.

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Éclairagisme
Partie 2: Éclairage artificiel.
Philippe Celka
[email protected]
IUT Belfort-Montbéliard
2012-2013
P. Celka (IUT Belfort-Montbéliard)
Éclairagisme
2012-2013
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"La lumière est là et les couleurs nous entourent. Néanmoins,
si nous ne portions pas de lumière et de couleurs dans nos
propres yeux, nous ne les percevrions pas en dehors."
Goethe
Contenu de la partie 2 :
les lampes à incandescence,
les lampes à décharge,
les lampes à induction,
les lampes à Leds,
les luminaires.
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Les 6= sources de lumière artificielle
On peut regrouper les sources de lumière artificielle en 4 familles :
Les lampes à incandescence
Les lampes à induction
lampe à induction
la lampe standard
la lampe à iode (halogène)
Les lampes à L.E.D.
les Leds
Les lampes à décharge
tube fluorescent
lampe fluocompacte
lampe à vapeur de mercure
lampe à iodure métallique
lampe à vapeur de sodium
Figure 1: Sources de lumière
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Caractéristiques des lampes (1)
Le rendement lumineux
Le rendement lumineux d’une source lumineuse est le rapport entre le flux
lumineux émis par cette source lumineuse et la puissance absorbée par la
source.
Si on note P la puissance reçue par la source, le plus souvent sous forme
électrique, et φ le flux lumineux émis, alors le rendement lumineux η vaut
par définition :
η=
φ
P
Unité : le lumen/Watt [lm/W]
Quelques exemples :
Incandescence 10 à 15 lm/W
Halogène 15 à 25 lm/W
Mercure haute pression 35 à 60 lm/W
Lampe fluocompacte 50 à 90 lm/W
Lampe fluorescente 60 à 95 lm/W
Halogénures métalliques 65 à 120 lm/W
Sodium haute pression 80 à 150 lm/W
Sodium basse pression 100 à 200 lm/W
Diode électroluminescente 15 à plus de 100 lm/W
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Caractéristiques des lampes (2)
Les principaux culots de lampes :
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Lampe à incandescence (1)
Lampe à incandescence
Une lampe à incandescence est constituée essentiellement d’un filament en
tungstène, porté à une température très élevée, de 2400°C. Du fait de la
haute température, il y a production d’énergie lumineuse. Pour éviter que
le filament se consume, on place celui-ci à l’abri de l’oxygène de l’air dans
une ampoule contenant un gaz inerte (argon-azote ou krypton-azote).
1
Ampoule de verre (globe, bulbe)
2
Gaz inerte
3
Filament de tungstène
4
Fil conducteur
5
Fil conducteur
6
Fils de support du filament
7
Monture ou support en verre
8
Culot (contact électrique)
9
Culot (pas de vis ou baïonnette, etc.)
10 Isolant
11 Plot central (contact électrique)
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Lampe à incandescence (2)
Inconvénients
Avantages
Efficacité lumineuse faible :
12 lm/W.
Lumière agréable.
IRC proche de 100.
Durée de vie assez courte :
1000 heures.
T °Couleur = 2700 °K.
Allumage instantané.
Pertes d’énergie sous forme
calorifique relativement
importante pour les grandes
puissances.
Prix d’achat faible.
Spectre continu.
Figure 2: Spectre d’une lampe à incandescence
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La lampe halogène (1)
La lampe halogène
La lampe à incandescence halogène produit de la lumière, comme une
lampe à incandescence classique, en portant à incandescence un filament
de tungstène, seulement des gaz halogénés (iode et brome) à haute
pression ont été introduits dans une ampoule en verre de quartz
supportant les hautes températures.
Cela permet de faire fonctionner le filament à plus haute température que
dans une lampe traditionnelle et obtenir malgré tout une durée de vie plus
importante, typiquement 2000h au lieu de 1000h.
Figure 3: Exemples de lampes à halogène
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La lampe halogène (2)
Avantages
Inconvénients
Efficacité lumineuse plus
importante qu’une lampe à
incandescence standard (25
lm/W).
Prix plus élevé qu’une lampe
à incandescence classique.
Qualité de lumière blanche
(T°C=3000°K).
Efficacité lumineuse encore
faible par rapport aux
lampes à décharges.
IRC idéal ≈ 99.
Idem pour la durée de vie.
Durée de vie : 2000 h.
Ne pas toucher avec les doigts !
Attention à ne pas toucher l’ampoule avec les doigts car cela a pour effet de déposer des
matières organiques (graisses) et minérales (sels de transpiration).
Les graisses, une fois chauffées, ternissent la lampe . L’efficacité lumineuse s’en
trouve amoindrit.
Les sels de transpiration réagissent avec le silice ce qui fragilise l’ampoule.
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Lampe à décharge (1)
Explication "très sommaire" :
Une lampe à décharge constituée d’un tube en verre remplie de gaz ou de vapeur
métallique, sous haute ou basse pression.
Les molécules du gaz métallique utilisé ont la faculté de pouvoir s’ioniser
lorsqu’elles sont soumises à la différence de potentiel créée entre les électrodes
situées de chaque côté de la lampe. 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 habituellement comprise dans le spectre du visible
ou de l’ultraviolet.
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Lampe à décharge (2)
Les lampes à décharge les plus courantes sont :
Les lampes à décharge basse pression
Les tubes fluorescents.
Les lampes à vapeur de sodium basse pression.
Les lampes à décharge haute pression
Les lampes aux halogénures métalliques.
Les lampes à vapeur de sodium haute pression.
Les lampes à vapeur de mercure.
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Le tube fluorescent (1)
Principe de fonctionnement
Le tube est rempli de gaz rare (argon, néon...) et de vapeurs de mercure. Les électrodes,
placées aux extrémités, chauffent et émettent des électrons. Ces électrons en se
déplaçant d’une électrode à l’autre, heurtent les atomes de mercure et leur
communiquent une énergie. Les atomes de mercure libèrent ensuite cette énergie sous
forme de rayonnement ultra-violet.
Cette lumière est transformée en lumière visible proche du blanc, par la couche la couche
fluorescente qui tapisse la surface interne du tube. La fluorescence est la propriété que
possèdent certaines molécules (fluorochromes ou fluorophores) d’absorber la lumière à
certaines longueurs d’ondes et de réémettre une lumière à une autre longueur d’onde.
Figure 4: Tube fluo avec une partie sans couche fluorescente
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Eléments constitutifs d’un système à ballast magnétique :
Le ballast est une bobine qui permet de
créer une surtension nécessaire à
l’amorçage et de limiter le courant en
régime permanent
Le starter de par son ouverture provoque
la surtension aux bornes du ballast.
Le condensateur permet d’améliorer le
facteur de puissance.
Les système à ballast magnétique souffrent de
nombreux défauts, comme l’impossibilité de faire
de la variation de luminosité, du papillottement à
50 Hz, d’une durée de vie moindre des tubes et
d’un rendement perfectible. La tendance est de les
remplacer sur de nouvelles installations par des
systèmes à ballast électronique (+ cher).
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Figure 5: Eléments d’un
système à ballast magnétique
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Inconvénients
Avantages
Durée de vie de 6000 heures à
12000 h.
Un équipement d’amorçage et
d’alimentation spécial est
nécessaire.
Efficacité lumineuse : 25 à 75
lm/W.
Prix de l’installation initiale plus
élevé qu’en incandescence.
Faible consommation d’énergie.
Recyclage (mercure).
L’IRC varie de 52 à 97 selon le
type de tube.
Encombrement.
Température de couleur OSRAM :
lumière du jour : Tc > 5000 K
blanc neutre : Tc = 4000 K
blanc chaud : Tc < 3300 K
blanc doré : Tc = 2700 K
Figure 6: Spectre d’un tube fluo
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Extrait de documentation constructeur : Tubes Lumilux T8 Osram.
Figure 7: Tube fluo Osram
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La lampe fluocompacte (1)
La lampe fluocompacte (LFC)
C’est une lampe à économie d’énergie fonctionnant selon le même principe qu’un
tube fluo linéaire. Elle reprend les qualités de ce dernier tout en ayant l’avantage
d’être compacte.
Des électrodes disposées à la base des tubes permettent sous l’effet du passage
du courant l’ionisation du mélange d’argon et de vapeur de mercure. Cette
ionisation génère ainsi des ultraviolets (ou UV) invisible à l’œil nu.
Ses rayonnements UV sont ensuite converti en lumière visible grâce à la poudre
fluorescente déposée sur les contours interne des tubes.
Figure 8: La lampe fluocompacte
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Fluocompacte vs Incandescent (1)
Avantages
L’économie d’énergie et de meilleures performances. Par exemple une
fluocompacte de 11W 2700K produira une lumière équivalente à une
puissance entre 40 et 60W incandescente.
La durée de vie de la fluocompacte est en général de 6000 heures soit 6 fois
plus longue qu’une ampoule à incandescence.
La lampe émet moins de chaleur.
Il existe désormais de toutes formes (globe, flamme, torsadé, spot,...) les
rendant plus esthétiques et il en existe pour toutes sortes les culots (E27,
E14, B22, GU10,...).
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Inconvénients
Les fluocompactes de qualité sont proposées à des prix assez élevés.
La grande majorité des fluocompactes sont incompatibles avec les
gradateurs(variateurs).
La durée de vie de la lampe est variable dans certaines conditions
particulières (extérieur, humidité).
Les cycles marche-arrêt courts détériorent la durée de vie. (en amélioration).
Le temps de démarrage (en nette amélioration).
Le recyclage problématique (mercure).
Quid du bilan carbone global ? empreinte écologique ?
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L’interdiction à la vente des ampoules à incandescence sera progressive, à
partir du 1er septembre 2009 pour l’ampoule de 100W, en 2010 ce sera au
tour de la 75W et une interdiction totale (25 à 60 W) en 2012.
Figure 9: Le remplacement des lampes incandescentes
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Les possibilités de remplacement :
Figure 10: Les solutions de remplacement
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IRC, T°Coul. et fluocompacte
Il est très rare que l’indice de rendu des couleurs (IRC) figure directement sur un
tube fluorescent. Mais ceux qui ont un très bon indice portent généralement un
code international à trois chiffres. Ce code combine l’IRC avec la température de
couleur (voir ci-dessous). Les tubes "standard", dont l’IRC est faible, portent
rarement ce code, mais des chiffres propres à leur fabricant.
Figure 11: Codes IRC et T°Coul.
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Exemple de lampe fluocompacte
Figure 12: Exemple de lampe fluocompacte
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Lampe à vapeur de mercure (1)
Lampe à vapeur de mercure
Cette lampe est constituée d’un tube en quartz contenant du mercure est placé à
l’intérieur d’une ampoule en verre dont les parois sont recouvertes d’une poudre
fluorescente. L’atmosphère à l’intérieur est un gaz neutre. Elles nécessitent un
appareillage spécial (amorceur + ballast).
Figure 13: La lampe mercure
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Avantages
Inconvénients
Faible coût d’installation
Le temps de mise en régime est
de 3 à 5 minutes.
Bonne durée de vie : 20000 h.
L’indice de rendu de couleur
varie de 33 à 49.
L’efficacité lumineuse est de 36
à 60 lm/W
La température de couleur varie
de 3900 à 4300°K.
Les lampes à vapeur de mercure ont
longtemps servi à l’éclairage public du
fait de leur faible coût. Elles ont
toutefois été majoritairement remplacées
par les lampes à vapeur de sodium
haute pression au meilleur rendement
énergétique, qui émettent de plus une
lumière faisant mieux ressortir les détails
de la chaussée.
Utilisation : Ateliers, halls, jardins,
stations service...
Figure 14: Spectre lampe mercure
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Exemple de doc. constructeur : OSRAM
Figure 15: Lampes vapeur de mercure HQL Osram
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Lampe à vapeur de sodium basse pression (1)
Lampe à vapeur de sodium basse pression
Cette lampe à décharge est composée d’un tube en U dans lequel se trouvent du
sodium à basse pression avec du néon pour faciliter le démarrage.
Les lampes au sodium basse pression émettent une lumière monochromatique
jaune. Le rendement lumineux très élevé (jusqu’à 200 lm/W) se paye par une
piètre qualité de lumière. En effet le spectre d’émission est monochromatique
(589nm=jaune orangée). Cela a pour conséquence que le rendu des couleurs est
mauvais (< 25).
Figure 16: Lampe vapeur de sodium basse pression
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Inconvénients
Avantages
de 8 à 10 minutes.
Efficacité lumineuse
exceptionnelle 210lm/W.
L’indice de rendu de couleur est
très mauvais. (< 25)
Bonne durée de vie : 18000 h.
Nota : Il faut un dispositif ballast +
amorceur pour démarrer ce type de
lampe.
Utilisations : Eclairage routier, gares
de triage et passages à niveau,
aéroports, ports et docks, carrières,
fonderies et aciéries...
Figure 17: Spectre sodium basse
pression
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Exemple de doc. constructeur :
Figure 18: Lampe vapeur de sodium basse pression
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Lampe à vapeur de sodium haute pression (1)
Lampe sodium haute pression
Le tube est en céramique translucide, le verre et le quartz ne pouvant pas résister
à la forte corrosion de la vapeur de sodium portée dans ces lampes à plus de
1000°C.
Le spectre des lampes à décharge haute pression est plus riche que les basse
pression. Ceci a pour effet d’obtenir un indice de rendu des couleurs plus élevé,
voire même tout à fait correct avec les modèles sodium blanc (IRC de 83 avec le
modèle Philips MASTER SDW-T). Néanmoins ce dernier type souffre d’une
efficacité lumineuse moindre par rapport aux modèles traditionnels (40-50 lm/W
au lieu de 80-150 lm/W).
Figure 19: Lampes vapeur de sodium haute pression
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Inconvénients
Avantages
La gamme de puissance est
étendue, de 50W à 1kW.
de 10 minutes.
Leurs efficacités lumineuse vont
de 50 à 150 lm/W.
L’intensité du courant
d’amorçage est supérieure de
50% au courant de marche.
Bonne durée de vie : > 16000 h.
Problème de réamorçage après
microcoupure
Température de couleur de
2150 à 3500°K.
Nota : Il faut un dispositif ballast +
amorceur pour démarrer ce type de
lampe.
Utilisations : Ces lampes sont
principalement utilisées pour éclairer les
parcs de stockage, tunnels souterrains,
piscines, gymnases,...
Figure 20: Spectre sodium haute
pression
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Exemple de doc. constructeur : Osram Vialox
Figure 21: Lampe vapeur de sodium haute pression Osram Vialox
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Lampe à iodures métalliques (1)
Lampe à iodures métalliques
Ce sont des lampes tubulaires ou ovoide en verre dur qui renferment un tube à décharge
dans lequel on été introduits des iodures métalliques ; iodure de mercure, de sodium de
thallium et d’indium par exemple. L’émission spectrale de ces métaux complète celle du
mercure d’où :
Une efficacité lumineuse très élevée.
Lumière presque blanche.
Par la particularité de leurs lumières, ces lampes sont particulièrement recommandées
pour les prises de vue TV, les éclairages sportifs ou pour les éclairages d’installation
commerciales (supermarché) et industrielles.
Figure 22: Lampes à iodures métallique + spectre
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Avantages
La gamme de puissance est étendue, de 70W à 1kW.
Leurs efficacités lumineuse vont de 90 à 110 lm/W.
Bonne durée de vie : >12000 h.
Température de couleur de 3000 à 4900°K.
IRC > 85 voir >90
Inconvénients
Le temps de mise en régime est de 2 à 3 minutes.
Après extinction, le réamorçage ne peut se faire qu’après une dizaine de minutes.
Pour certaines applications (dans les bureaux par exemple), il faut une protection
contre les U.V.
Ces lampes peuvent exploser, il faut donc les utiliser avec une glace de protection.
Elles ont une position de fonctionnement bien déterminée.
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Figure 23: Lampe à iodures métalliques
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Lampe à induction (1)
Lampe à induction
La lampe à induction se compose d’un générateur externe à haute fréquence (relié
à la tension secteur), d’une antenne (reliée au générateur par un câble coaxial) et
d’une ampoule emplie d’une faible pression de gaz de mercure. L’intérieur de
l’ampoule est couvert d’un poudrage fluorescent.
Fonctionnement : Un courant alternatif à haute
fréquence (de 250kHz à 2.65MHz) circule dans le
bobinage de l’antenne et crée donc un champ
électromagnétique. Ce dernier ionise les atomes de
mercure, qui, en se recombinant, émettent des
rayonnements ultraviolets. Ces rayonnements
excitent à leur tour la poudre fluorescente, qui elle,
émet de la lumière visible.
Éclairagisme
Figure 24: Lampe à induction
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La lampe à induction ne comporte donc pas de filaments ou d’électrodes, ce qui
lui assure une longue durée de fonctionnement (plus de 60’000 heures). De plus,
l’amorçage par haute fréquence est instantané et ne produit pas de clignotements
tels que ceux constatés avec les lampes à décharges classiques.
Avantages
L’amorçage et le réamorçage est instantanée : 0.1 seconde.
La température de couleur de 2700 à 4000°K
Bon IRC > 80
Haute efficacité lumineuse : 70 lm / W.
Le flux lumineux est de 12000 lumens (pour 165W)
Leur durée de vie est exceptionnelle : 60000 heures.
Applications
Lieux où la maintenance est difficile ou coûteuse (accès difficiles).
Eclairage général en intérieur et en extérieur.
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Figure 25: Lampe à induction
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Lampe à Led (1)
Les Led
Une LED est une diode électroluminescente (DEL) Light Emitting Diode, c’est-à-dire un
semi-conducteur qui émet de la lumière lors du passage d’un courant électrique.
Jusque dans les années 1990, les LED n’étaient disponibles qu’en rouge ou vert. Quand
la première LED bleue a été développée, il devint possible de créer une lumière blanche
(sur la base d’un mélange de rouge, vert et de bleu ou sur la base de bleu et d’ajout de
phosphore jaune).Cette découverte capitale a permis de transformer l’éclairage.
Les LED ont une efficacité lumineuse de plus en plus performante et l’évolution de la
maîtrise du flux lumineux permet de diminuer de manière significative les
consommations électriques.
Figure 26: Différentes formes de LED
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Lampe à Led (2)
Les applications des lampes LED :
Les
des
des
des
LED ont envahi les feux de signalisation et l’éclairage automobile. Au début
années 2000, elles ont pénétré le marché de l’embellissement des villes, avec
éclairages dynamiques, et aujourd’hui, les premières réponses existent pour
applications générales telles que le résidentiel, les bureaux, les magasins.
Figure 27: Les applications des lampes LED
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Lampe à Led (3)
Efficacité énergétique
2006 : 40 lm / W
2008 : 50-80 lm / W
A ce jour en laboratoire : 100 lm / W
Horizon 5-7 ans : 105 lm / W (équivalent de la fluorescence)
Dans 20 ans la barre des 150 lm / W sera atteinte (équivalent du SHP, mais en
lumière blanche)
Figure 28: Evolution des lampes LED
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Lampe à Led (3)
Avantages
Durée de vie : Après 50 000 h, 70 % du flux initial soit pour une application
bureau environ 18 ans sans maintenance .
Choix en matière d’ambiance lumineuse : 2700 K à 6500 K
Possibilité de gradation de 0 à 100 %
Allumage instantané
Une bonne qualité de lumière (en blanc chaud, IRC supérieur à 80)
Pas de chaleur rayonnée dans le faisceaux lumineux
Pas d’émission d’UV
Petites dimensions & faible poids
Robustesse
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Lampe à Led (4)
Inconvénients
Prix à l’achat reste 2 à 4 fois plus élevé qu’une lampe classique
Il faut une électronique dédiée pour piloter une LED
Les LED ne supportent pas les hautes températures (> 40°C)
Les LED bleues ainsi que les LED blanches contiennent un spectre bleu de forte
intensité dangereux pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision, même
périphérique. Ceci est bien sûr proportionnel à leur puissance, et devient de plus en
plus préoccupant alors que des LED toujours plus puissantes sont mises sur le
marché.
(Source à vérifier "Ocular input for human melatonin regulation", "Article Blue Light Induces Mitochondrial DNA
Damage and Free Radical Production in Epithelial Cells")
Éclairagisme
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Lampe à Led (4)
Figure 29: Exemple de LED de puissance
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Les luminaires
Définition :
Un luminaire est l’appareil qui contient la (les) source(s). Il comprend :
une partie électrique (alimentation et fonctionnement de la lampe),
des composants mécaniques (qui doivent résister aux chocs, à la
corrosion...),
une partie optique, qui sert à répartir le flux lumineux.
Un luminaire a ainsi plusieurs fonctions :
fonction photométrique (répartition du flux lumineux)
fonctions non photométriques (protections électrique, mécanique,
thermique...)
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Les luminaires : fonctions non photométriques (1)
La protection électrique :
Il s’agit de protéger les personnes contre les risques d’électrocution.
Trois classes de protection normalisées ont été définies, en fonction du degré
d’isolation.
Figure 30: Indice de protection électrique des luminaires
Éclairagisme
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L’indice de protection IP selon la norme NFC 71000 :
Premier chiffre indique le degré de protection des parties sous tension contre les
contacts et corps solides.
Deuxième chiffre indique le degré de protection des parties sous tension contre
l’eau.
Figure 31: Indice de protection I.P.
Éclairagisme
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La protection contre les chocs :
Cet indice désigne l’énergie de choc (en
joules) nécessaire pour briser le luminaire.
La valeur la plus basse (0,225J) correspond à
un luminaire qui se brise en tombant.
La valeur courante la plus haute (20J) à un
luminaire anti-vandalisme.
Exemple : un luminaire IP20 Classe 1 850°2J
laisse pénétrer des solides de moins de 50 mm
n’est pas protégé contre les liquides
est protégé électriquement par liaison à la
terre
résiste au choc subi par la chute d’un petit
objet
850°exprime son comportement au feu
Éclairagisme
Figure 32: Les chocs
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Les luminaires : fonctions photométriques (1)
Les modes d’éclairage :
Figure 33: Les modes d’éclairage
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Les courbes photométriques
Ces courbes donnent la répartition des intensités lumineuses (en candélas pour 1000 lm).
L’intensité réelle I dépend du flux de la lampe (ou des lampes) installée(s) dans le
Ilue · Fluxlampes
luminaire : I =
1000
Figure 34: Les courbes photométriques
Éclairagisme
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Diagramme simplifié
Pour la plupart des luminaires décoratifs, on utilise un diagramme où apparaissent :
l’angle d’ouverture du faisceau,
les niveaux d’éclairement dans l’axe de l’appareil,
la dimension des plages éclairées, à différentes distances de la source lumineuse
Figure 35: Diagramme simplifié
Éclairagisme
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Éclairage artificiel.

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