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Lumière et éclairage

Lumière et éclairage


 

Rayonnement thermique

C’est au plus tard avec l’apparition des premières forges que l’homme a su qu’une élévation suffisante de leur température rend les matières incandescentes et produit une lumière visible. Dans le cas de matériaux ferreux, la couleur de cette émission de lumière peut, selon la température, s’étendre du rouge foncé au blanc jaune clair en passant par différentes teintes de jaune. Un forgeron peut d’un seul regard évaluer la température d’une pièce incandescente. La théorie du corps noir de Planck décrit physiquement ce phénomène. À cet effet, un corps noir idéal est lentement chauffé. Sous l’effet de l’augmentation de la température, il commence à émettre une lumière à ondes longues (infrarouge) et le rayonnement passe progressivement dans le spectre rougeoyant visible. Avec l’augmentation progressive de la température, la couleur devient toujours plus jaune puis « blanche » jusqu’à correspondre finalement à une teinte similaire à la lumière du jour. La lampe halogène et la lampe à incandescence utilisent ce principe. L’émission de lumière résultant d’une telle stimulation thermique est perceptible selon un spectre continu. De fait, la lumière des lampes halogènes et à incandescence s’approche le plus de la lumière solaire.
 

Une lampe à incandescence est composée d’un filament de tungstène dans une enveloppe de verre remplie de gaz inerte. Le tungstène présente l’avantage d’avoir une très haute résistance thermique. Le gaz de remplissage le protège contre une oxydation prématurée. Les désavantages d’une lampe à incandescence sont sa faible durée de vie, la faiblesse et la dégradation continue de son efficacité du fait du noircissement de l’enveloppe de verre. Pourtant ses avantages sont indéniables : en tant que radiateur thermique, elle produit une lumière blanche à spectre continu, ce qui de nouveau se manifeste par un très bon rendu des couleurs.

Spectre des lampes halogènes et à incandescence - Longueur d’onde [nm]

 
De plus, sa production de lumière est relativement basse. Pour cette raison, il est aisé de réguler (atténuer) les performances d’une lampe à incandescence. Cette régulation est opérée directement par la fréquence réseau par exemple par découpage de début ou de fin de phase. L’inertie relativement élevée de ces lampes prévient les phénomènes de vacillement ou de scintillement.

La lampe halogène est l’évolution de la lampe à incandescence qui tente de pallier certains inconvénients importants de celle-ci. En raison des températures très élevées du filament d’une lampe à incandescence (3000°C), le fil de tungstène est continuellement dégradé par l’évaporation. En raison des températures très élevées, les atomes de tungstène peuvent quitter relativement facilement la liaison métallique fixe du fil et se propager dans le gaz de remplissage. Les atomes de tungstène dissous se déposent contre l’enveloppe relativement froide de la lampe et l’opacifient. Il en résulte une altération constante du rendement lumineux. Avec le temps, cet affaiblissement du fil provoque une défaillance du filament et la lampe « grille ».

Dans ces lampes, des gaz halogènes (chlore, brome, iode) sont mélangés en quantité limitée au gaz inerte de remplissage. Mais ici aussi, les atomes de tungstène du filament incandescent migrent dans le gaz de remplissage. Ils sont cependant « capturés » par les gaz halogènes. De l’iodure de tungstène se forme par exemple, par réaction chimique entre le tungstène et l’iode. Cette liaison ne peut pas se déposer contre le bulbe de la lampe et ne le noircit donc pas. L’iodure de tungstène peut cependant se redéposer à des points plus froids du filament et se décompose derechef en tungstène et iode. Le tungstène se dépose contre le métal du fil, l’iode reste dans l’atmosphère interne de la lampe et reste disponible pour un autre cycle. Ce processus est également connu sous le nom de cycle halogène et a conduit à une augmentation de la durée de vie et du rendement lumineux.

Une lampe fluorescente est une lampe à décharge à basse pression et consiste pour l’essentiel en un tube de verre rempli de vapeur de mercure. Une tension est appliquée entre des électrodes installées aux extrémités de ce tube. Si cette tension est supérieure à la tension d’amorçage nécessaire, la colonne de gaz à l’intérieur du tube en verre est ionisée et il en résulte un plasma à basse pression. Les lampes fluorescentes actuelles possèdent des électrodes en forme de spirales de filament de chauffage. Le préchauffage de ces électrodes spiralées permet de réduire très fortement la tension nécessaire à l’amorçage. Après l’amorçage, un courant s’écoule entre les électrodes grâce au plasma au mercure, et ses atomes sont excités pour émettre de la lumière. Cette émission de lumière se produit principalement dans le spectre ultraviolet. Le tube en verre contient une substance luminescente qui entre en fluorescence par la lumière ultraviolette du plasma dans la zone spectrale visible. Le revêtement déposé transforme alors la lumière UV émise en lumière visible. La sélection judicieuse et le mélange des substances luminescentes utilisées produisent une lumière blanche. Le verre du tube absorbe la plus grande part du rayonnement UV non transformé.

Spectre des lampes fluorescentes - Longueur d’onde [nm]

 
L’illustration ci-dessus montre le spectre type d’une lampe fluorescente normale. Comparativement au spectre de la lumière solaire, on constate une structure fortement discontinue. La lumière d’une telle lampe est composée de nombreuses crêtes (en anglais Peaks). Ces crêtes sont provoquées par les différentes substances luminescentes de la lampe. Nos yeux évaluent la lumière émise comme blanche, car ils ne peuvent pas suffisamment percevoir la composition spectrale de la lumière. De fait, une lampe de ce type a fréquemment un rendement de couleur moindre que celui d’une lampe halogène ou à incandescence.

Sans limitation, le courant électrique dans la lampe augmenterait rapidement au risque de provoquer sa destruction. Comme toutes les autres lampes à décharge, la lampe fluorescente doit être activée par un ballast.

 
Les lampes fluorescentes se distinguent par un rendement lumineux acceptable (jusqu’à 100 lm/W ), par leur durée de vie relativement longue (jusqu’à 45 000 heures) et par leur rendu des couleurs modéré à bon. Comme pour de nombreuses sources lumineuses, les propriétés d’efficacité et de qualité de la lumière sont en concurrence. Une haute qualité de lumière s’accompagne généralement d’un rendement médiocre.

Les lampes à vapeur de sodium utilisent l’émission de lumière d’un plasma de sodium pour émettre de la lumière. Elles se composent d’une enceinte de décharge, le sodium, et d’au moins un gaz auxiliaire. Deux électrodes installées aux deux extrémités de l’enceinte de décharge sont chargées par une tension d’amorçage.

Comme le sodium est en phase solide à température ambiante, l’atmosphère de l’enceinte de décharge contient la plupart du temps du néon comme gaz auxiliaire. Celui-ci peut être très facilement ionisé et commence, en tant que plasma, à conduire le courant dans la lampe. Sous cette action, la lampe se réchauffe et le sodium s’évapore progressivement. Avec l’augmentation de la teneur en sodium, de rouge à l’origine la lumière devient de plus en plus jaune. À la différence de la lampe fluorescente, la décharge de gaz rayonne déjà dans le spectre visible, une conversion par une substance luminescente n’est pas nécessaire ici. Les lampes à vapeur de sodium émettent un spectre de lumière très irrégulier. Les lampes basse pression produisent en règle générale une lumière monochromatique. En plus de la crête de sodium à dominante jaune, les lampes haute pression produisent des rayonnements dans d’autres spectres. Les deux types de lampes ont un très faible rendu des couleurs, mais se distinguent par leur haute efficacité et leur durée de vie moyenne.

Spectre des lampes à vapeur de sodium - Longueur d’onde [nm]

Les lampes aux halogénures métalliques reposent technologiquement sur le principe des lampes à vapeur de mercure et contiennent des mélanges de liaisons halogènes, de terres rares et d’un gaz auxiliaire (la plupart du temps de l’argon, du xénon ou du néon) dans leur enceinte de décharge. Comme dans la lampe à vapeur de sodium les substances utilisées sont d’abord partiellement en phase solide puis s’évaporent au cours de la phase de démarrage par la forte augmentation de la température dans la chambre de combustion. À cet effet, la lampe est allumée par le ballast à l’aide d’impulsions à haute tension (5 à 80 kV) et du courant circule ensuite dans le gaz auxiliaire ionisé. Ce gaz réchauffe tous les autres composants et provoque enfin l’évaporation et l’ionisation de toutes les charges. Ce n’est qu’après cette phase de démarrage que la lampe atteint sa pleine luminosité. En règle générale, ce processus dure de 40 à 60 secondes. La composition du remplissage provoque une émission de lumière d’un haut rendement (jusqu’à 100 lm/W) et de haute qualité. La durée de vie de ces lampes aux halogénures qui peut atteindre 15 000 h, est considérée comme positive.

Spectre des lampes aux halogénures métalliques - Longueur d’onde [nm]

 
 

Émetteur semi-conducteur

 
Dans une LED, la lumière est produite par un semi-conducteur anorganique. Pour simplifier, le semi-conducteur est constitué de deux zones de composition différentes, directement adjacentes. Les électrons peuvent se déplacer dans les deux zones, toutefois ils se déplacent à des niveaux d’énergie quantiques différents. Ce qu’on appelle la zone n contient un excédent d’électrons et la zone p un excédent d’électrons défectueux (encore appelés trous). Un processus de diffusion équilibre les deux types de charge dans la zone de contact entre les deux couches. Ce processus est autobloquant en raison des rapports électrostatiques qui se créent. Il sépare les deux zones électriquement. On dit également que la diode bloque.

 
En appliquant à présent une tension à la diode, de sorte à connecter la polarité négative à la zone n (cathode), l’interaction entre les tensions externe et interne permet de franchir la couche barrage, la diode est alors conductrice. L’inversion de polarité de la source de tension, renforce alors l’effet de blocage et la diode reste verrouillée sur un flux de courant. Il est ainsi possible de comparer la diode à un clapet anti-retour dans le domaine de l’hydraulique. Au passage de la zone n à la zone p, les électrons passent d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie quantique faible. Comme dans la nature, aucune énergie ne se perd, l’énergie « excédentaire » doit être émise. Ce qui peut être effectué sous forme de chaleur dissipée.

Les matériaux des diodes électroluminescentes sont constitués de telle sorte que l’énergie excédentaire se propage sous forme de lumière. Comme la différence d’énergie lors de la diffusion des électrons de n vers p pour chaque appariement de matière est grosso modo constante et que l’énergie est toujours émise sous forme d’un quanta de lumière, le spectre de la lumière émise est à bande réellement étroite. Exprimé autrement, une LED traditionnelle émet toujours dans une couleur fixe. La lumière blanche peut être produite par des LED monochromes par synthèse additive des couleurs. Par exemple, les émissions de LED rouges, vertes et bleues sont ici mélangées. Si les intensités de chaque couleur sont accordées entre elles, l’œil humain perçoit une telle lumière mixte comme blanche.

La lumière d’une telle source lumineuse n’est toutefois pas d’une qualité optimale. Son spectre est vraiment discontinu du fait de chaque crête de la LED. C’est précisément le rendu des couleurs d’un tel système qui de fait est relativement médiocre. Pour cette raison les systèmes de ce type ne sont la plupart du temps utilisés que pour la production d’une couleur dynamique.

Une lumière LED blanche nettement meilleure peut être atteinte à l’aide de phosphores de conversion. La lumière relativement riche en énergie (à onde courte) d’une LED à émission bleue, est utilisée pour exciter le phosphore à des fins d’éclairage. Les phosphores avec de l’yttrium, de l’aluminium et du gallium (Phosphore YAG) sont utilisés la plupart du temps. Ils éclairent dans le spectre jaune-vert et leurs émissions associées dans le mélange aux fractions bleues non transformées de la LED, produisent une lumière blanche. De bons à très bons spectres blancs peuvent être produits en fonction de la qualité du phosphore et de la LED. Leurs spectres sont relativement homogènes en raison de la largeur du spectre d’émission du phosphore. Toutefois, la présence permanente d’une crête bleue significative peut toujours, en règle générale, être démontrée.

Spectre d’une LED - Longueur d’onde [nm]

 
Les développements actuels dans le domaine du phosphore visent à améliorer la composition spectrale et tentent d’élever la qualité de la lumière produite.

 
On désigne sous le nom d’OLED (Organic Light Emitting Diode) des verres d’épaisseur millimétrique, qui renferment des matières organiques. Celles-ci forment des couches de près de 400 nanomètres d’épaisseur, traversées par du courant. Les couches organiques sont bordées d’une couche d’anodes et d’une couche de cathodes qui servent de contact électrique des deux côtés. Des molécules présentes dans la couche organique commencent à produire de la lumière lorsqu’elles sont traversées par de l’énergie électrique. Chaque structure moléculaire définit la couleur de lumière. Pour une protection contre les influences extérieures, les couches organiques sont encapsulées.

Une diode électroluminescente organique se compose de plusieurs couches semi-conductrices organiques entre deux électrodes, dont une au moins est transparente. Lors de la fabrication d’une OLED, des couches organiques sont déposées l’une après l’autre sur un substrat conducteur, suivies d’une autre électrode conductrice. Deux classes distinctes de matériaux sont en général utilisées pour la fabrication de composants organiques luminescents : les substances polymères et les petites molécules qui ne possèdent pas de propriétés d’orientation et forment de fait les couches amorphes.