En 1878, Thomas Edison conçoit une lampe avec un filament en fibre de bambou carbonisé et traversé par un courant électrique.
La chaleur engendrée par le courant (effet Joule) porte le filament à incandescence.
Figure 1 : Ampoule à incandescence.
Pour éviter la destruction rapide du filament, il fit le vide dans l’ampoule.
De nos jours, le filament est en tungstène et l’ampoule est remplie de gaz inerte (azote et argon).
En France, la loi Grenelle 1 avait fixé l'objectif d'interdire les ampoules à incandescence à l'horizon 2012.
Figure 1 : Ampoule à incandescence.
Pour éviter la destruction rapide du filament, il fit le vide dans l’ampoule.
De nos jours, le filament est en tungstène et l’ampoule est remplie de gaz inerte (azote et argon).
En France, la loi Grenelle 1 avait fixé l'objectif d'interdire les ampoules à incandescence à l'horizon 2012.
La lampe halogène
Une lampe halogène apporte ainsi plus de luminosité et a une durée de vie plus longue qu’une lampe à incandescence. Comme la température du filament est plus élevée, il y a plus de rayonnement ultraviolet émis. Les ampoules halogènes sont alors souvent entourées d'une enveloppe supplémentaire en verre ou en plastique pour stopper ce type de rayonnement.
Figure 2 : Ampoules halogènes - (a) : schéma de constitution, (b) et (c) : modèles fréquents sur le marché.
Il existe différentes formes d'ampoules halogènes : des ampoules montées avec des réflecteurs pour concentrer la lumière figure 2 (a), des ampoules de forme classique qui ressemblent aux ampoules à incandescence (b), des ampoules sous la forme de crayons (c), etc.
Le tube fluorescent ou néon
Historique
L'invention du tube au néon par Georges Claude au début du XXème siècle a marqué le début de l'utilisation commerciale de tubes employant un revêtement fluorescent.
Une innovation majeure verra le jour en 1973 avec l'introduction par Philips de mélanges ternaires de silicates et d'aluminates qui offrent une plus grande efficacité lumineuse et une meilleure qualité de lumière (plus " chaude ") par rapport à celles des revêtements fluorescents antérieurs. Cette ampoule permit la conception de tubes plus compacts avec un meilleur contrôle optique de la lumière émise.
Principe de fonctionnement
Figure 3 : Néon - (a) : constitution, (b) : éclairage collectif.
Les rayons UV sont absorbés par une poudre fluorescente recouvrant la paroi interne de l'ampoule de verre.
La poudre restitue l'énergie absorbée sous forme de lumière visible.
La température de couleur de la lumière émise dépend de la composition de la poudre fluorescente.
A puissance égale d’alimentation électrique, l’efficacité lumineuse des néons est très supérieure à celle des lampes à filament ; mais longtemps la couleur et les dimensions de la lampe sont restées inappropriées à l’éclairage domestique.
La lampe fluocompacte également appelée lampe basse consommation
Historique
Pour remplacer les lampes à filament directement dans leurs luminaires, l'intégration du ballast (condensateur créant la décharge électrique) posa un problème de poids et de volume qui limita les applications de ces lampes à économie d'énergie. Ce n'est que vers le milieu des années 1980 que les premières lampes fluocompactes à alimentation électronique seront mises sur le marché. Avec un meilleur rendement et des dimensions réduites, ces lampes sont de plus en plus utilisées pour l'éclairage domestique.
Principe de fonctionnement
Figure 4 : Ampoules fluocompactes
Pour résoudre le problème de dissipation thermique dû au pliage des ampoules, le mercure (sous forme de vapeur) de ces lampes est souvent remplacé par des amalgames de mercure-étain ou mercure-bismuth.
Les premiers modèles mis sur le marché présentaient des inconvénients qui ne permettaient pas d'utiliser ces lampes dans tout type d'éclairage à cause notamment du temps d'allumage long, d'une couleur froide et d'une mauvaise résistance aux allumages fréquents.
La lampe à diode électroluminescente (LED - Lihgt Emitting Diode)
Historique
Pendant longtemps, seules des diodes aux trois couleurs rouge, jaune et vert, ont pu être produites. La diode bleue a été mise au point dans les années 1990, suivie par la diode blanche, point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d'ordinateurs…
Mécanisme d'émission
Figure 5 : Création d'énergie par recombinaison de couples électrons/trous dans une jonction PN.
Pour obtenir dans le semi-conducteur au silicium des zones où est présent un excès ou un déficit d'électrons, on dope ces dernières. Le dopage consiste à incorporer quelques atomes étrangers (bore en zone P, phosphore en zone N).
C'est lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semi-conducteur qu'il y a émission d'un photon. L'énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d'énergie avant (Ei) et après (Ef) la transitions : hν = Ei − Ef (eV).
Une diode électroluminescente est une jonction PN qui doit être polarisée en sens direct lorsqu'on veut émettre de la lumière. La face émettrice de la LED est la zone P car c'est la plus radiative.
La longueur d'onde du rayonnement émis est déterminée par la largeur de la bande interdite et dépend donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. Pour obtenir de l'infrarouge, le matériau adapté est l'arséniure de gallium (GaAs) avec comme dopant du silicium (Si) ou du zinc (Zn).
Figure 6 : LED
Puissance des LED
Les LED de forte puissance (supérieure à 1 W) sont en plein essor (flashes de téléphones portables…) et maintenant apparaissent dans l’éclairage général.
Rendement lumineux
Le rendement lumineux des LED blanches est moyen : il est supérieur à celui des lampes à incandescence mais inférieur à celui des lampes fluorescentes. L'efficacité lumineuse est en revanche très élevée : le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes fluorescentes, les LED n'émettent quasiment pas d'infrarouge.
| Technologie | Rendement (lumen par Watt) | Durée de vie moyenne (heures) |
| Lampe incandescente | 12 - 20 lm/W | 1 000 h- 1 200 h |
| Lampe halogène | 18 - 25 lm/W | 2 000 h- 3 000 h |
| Lampe fluorescente | 60 - 100 lm/W | 6 000 h- 15 000 h |
| Lampe à LED | 12 - 100 lm/W | 50 000 h- 100 000 h |
Avantages
- Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou CMS.
- Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
- Faible à très faible consommation électrique due à une très bonne efficacité lumineuse (quelques dizaines de milliwatts).
- Durée de vie beaucoup plus longue qu'une lampe à incandescence classique ou fluorescente (50 000 à 100 000 heures contre 6 000 à 15 000 heures pour les fluorescentes) et une fin de vie qui se déclare par une baisse de rendement progressive et non par un claquage brusque.
- Taille beaucoup plus petite que les lampes classiques. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
- Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des lampes de poche à LED actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle »).
- L’inertie lumineuse est quasiment nulle. Les LED s’allument et s'éteignent en un temps très court, ce qui permet l'utilisation en transmission de signaux à courte (optocoupleurs) ou longue distance (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
- Compte tenu de leur faible puissance, les LED classiques (taille de 5 mm) ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur. En effet, une LED convertit environ 20 % de l'énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.
Inconvénients
Les inconvénients propres aux LED de forte puissances sont :
- Un rendement lumineux plus faible.
- Une durée de vie est plus faible.
- Les LED bleues ainsi que les LED blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si leur rayonnement entre dans le champ de vision, même périphérique. Le problème se pose par exemple avec les flashes à base de LED.
- La lumière bleue, même de faible intensité, présente dans une chambre à coucher pendant la nuit (veille d'un appareil ou radio réveil) perturbe le cycle du sommeil en diminuant la synthèse de la mélatonine. Un récent communiqué de presse du CNRS compare l'éfficacité de la lumière bleue par rapport au café dans le cadre de la somnolence au volant. Voir l'article.
Utilisations
- La signalisation d'état d'appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité).
- La signalisation routière, feux arrières de voitures ou de bicyclettes.
- L'affichage alphabétique ou numérique d'appareils de mesure, de calculatrices, d'horloges.
- L'affichage de niveaux de mesures (niveaux de cuve...)
- L'affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux).
- Les transmissions de signaux par fibre optique.
- Les télécommandes (LED infrarouge).
- Les cellules photoélectriques (LED infrarouge).
- Les faisceaux laser pour instruments de mesure.
- Les faisceaux laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD.
- L'éclairage invisible pour les caméras de surveillance (dans l'infrarouge).
- Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
- Eclairage de secours.
- Eclairage portatif de courte portée (lampe de poche avec génératrice de recharge incorporée).
- Feux de signalisation automobile ou motocycliste (clignotant, veilleuse, feux de position).
- Eclairage stroboscopique.
- Lampes de balisage des jardins alimentées par panneau solaire.
- Les constructeurs automobiles Audi et Lexus devrient commercialiser prochainement des modèles munis de feux avant à base de LED.
- L'amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant.
- Il est aussi possible de noyer des LED dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard.
- Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d'électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L'exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé un retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d'énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
- Depuis 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement nommé Led throwies (ou lancé de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur les surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l'ensemble sur une surface magnétique.
- Depuis peu, les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV, salon dans des grands halls, stade...).
- Le rétro-éclairage des écrans d'ordinateurs portables par des LED permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux et plus économes que ceux dotés d’un rétro-éclairage par tube fluorescent (technologie CCFL).
Evolution prévisible
| 2010 | 2020 | 2030 | |
| Flux unitaire maximum (lm) | 135 | 600 | 1 500 |
| Rendement maximum (lm/W) | 50 | 100 à 150 | 150 à 200 |
| Température de couleur (K) | 3 200 - 10 000 | 3 200 - 10 000 | 3 200 - 10 000 |
| Indice de rendu des couleurs (x/100) | 80 à 90 | 80 à 90 | 80 à 90 |
| Durée de vie (heures) | 50 000 | 80 000 à 100 000 | 80 000 à 100 000 |
| Coût en € pour 1 000 lumen | 80 | 4 | 1,5 |
| Homogénéité des performances | non | oui | oui |
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