Lampe à décharge luminescente sous haute pression

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 beaucoup plus
brillant et chaud. Le plasma généré entre les électrodes est semblable à l'éclair
d'un orage. Ainsi, de plus fortes puissances peuvent être dissipées dans un
espace de quelques centimètres. Les premières lampes de ce type ont été crées au
début du XXesiècle et regroupent principalement:
Les lampes a vapeur de mercure - lumiére blanche
Les lampes aux halogénures métalliques – lumiére blanche
Les lampes à vapeur de sodium haute pression - Lumiére orangée
Les lampes à vapeur de mercure
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, ainsi que 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
totalement vaporisée en régime normal de fonctionnement. Le mélange argonmercure 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 localisé dans une deuxième ampoule, plus large, afin d'éviter
l'oxydation des amenées de courant en molybdène. De plus, l'ampoule externe
protège le tube à arc de tout contact extérieur et bloque les rayonnements UV
Cancérogènes émis par la décharge. Toutes les 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 nécessaire. De plus, la lumière rouge émise
par incandescence améliore 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. (cosinus phi )
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 actuellement disponibles ont une puissance s'échelonnant de 40/50 watts
jusqu'à 1000 watts, avec des modèles de 2000 watts encore 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.
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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, située dans la première moitié des 3000 K. Ces sources
conviennent plus à l'éclairage de zones à forte densité de population, bien qu'un CRI
de Ra57 ne permette pas un usage commercial.
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50 W 2000 lm 40 lm/W 3300 K 100 V 0,6 A
80 W 4000 lm 50 lm/W 3200 K 115 V 0,8 A
125 W 6500 lm 52 lm/W 3200 K 125 V 1,15 A
250 W 14000 lm 56 lm/W 3100 K 130 V 2,15 A
400 W 24000 lm 60 lm/W 3000 K 135 V 3,25 A
type super de luxe Un filtre brun doré est utilisé afin de 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.
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50 W 1600 lm 32 lm/W 3000 K 100 V 0,6 A
80 W 3400 lm 43 lm/W 3000 K 115 V 0,8 A
125 W 5700 lm 46 lm/W 3000 K 125 V 1,15 A
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. De plus, 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 relativement mauvaise. Ces
lampes conviennent au remplacement de lampes à incandescence dans des
installations industrielles.
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160 W 3100 lm 20 lm/W 3600 K 235 V 0,8 A
250 W 5600 lm 23 lm/W 3800 K 235 V 1,2 A
500 W 14000 lm 28 lm/W 4100 K 235 V 2,3 A
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 ainsi que 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 très populaires dans les années 1950-60, elles font maintenant
place aux sources à vapeur de sodium haute pression et 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 ainsi que leur
faible coût et leur durabilité font qu'elles seront encore longtemps employées dans les
installations d'éclairage public et industriel.
Les lampes aux halogénures métalliques
La majorité des lampes aux halogénures métalliques ont une construction similaire à
celle des lampes à vapeur de mercure haute pression. Un tube à décharge en quartz,
muni 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 afin de 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 possible afin de 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 aussi bien 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
considérablement 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 plupart des autres pays on emploi de la haute tension pour amorcer ces
lampes, celles d'Amérique du Nord sont pourvues d'électrodes auxiliaires, similaires 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 afin de 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 munies d'électrodes auxiliaires de s'amorcer correctement.
L'emploi de ballasts électronique devient maintenant de plus en plus courant, et est
quasiment systématique dans les luminaires des magasins et de centres commerciaux.
L'emploi de l'électronique permet d'améliorer 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 particulière et donc 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 terme de puissance, la gamme s'étend 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 terme de performance ne cesse de s'accroître;
chaque mois il y a une nouvelle lampe de ce type, ou une amélioration qui est
introduite, alors 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, quand les
premières lampes fonctionnant à cette vapeur sous basse pression ont vu le jour. Si
ces lampes ont bien aujourd'hui le meilleur rendement possible, leur très mauvais
rendu des couleurs et leurs dimensions assez larges limitent leurs applications à
l'éclairage de voies publiques. De ce fait, il a été très tôt envisagé d'accroître la
pression de vapeur afin de dissiper plus de puissance par unité de longueur, et
d'enrichir le spectre émis afin de rendre la lumière plus agréable à l'œil.