Les grandes étapes de l'éclairage

Georges Delorme est délégué général de la « Société des Amis d'Ampère », à Poleymieux-au-Mont-d'Or, dans le Rhône.

Le musée de l'électricité peut se visiter (cliquez sur le lien pour connaître les horaires d'ouverture) et propose des ateliers découvertes pour les élèves du primaire (CM1 et CM2) et du collège (6° et 5°).

La lampe à incandescence

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.

La lampe halogène

En 1959, Edward Zubler et Frederik Mosby, de General Electric, ont l’idée de remplir l’ampoule d’une lampe à incandescence d’un mélange de gaz rare et d’un gaz halogéné (iode et bromure de méthyle). Les atomes de tungstène du filament s’évaporent avec la chaleur. Or le gaz halogène se recombine avec ces atomes, et ainsi régénère le filament et retarde sa destruction. De plus, ce cycle chimique permet l’emploi d’ampoules plus compactes et une température de filament plus élevée, donc une lumière plus éclatante. La température plus élevée de l’ampoule nécessite cependant l’emploi de matériaux spécifiques tels que le quartz ou le Pyrex.
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'idée d'employer la fluorescence pour l'éclairage remonte à la deuxième moitié du XIX^ème siècle avec Becquerel qui recouvrit l'intérieur des tubes à décharge avec différentes poudres fluorescentes.
L'invention du tube au néon par Georges Claude au début du XX^ème 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

Une décharge électrique traverse un gaz constitué d'un mélange de vapeur de mercure et d'un gaz noble, et produit un rayonnement ultraviolet (figure 3 (a)).

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

La conception de cette nouvelle génération de lampes a été motivée par la volonté de réduire les coûts énergétiques après le choc pétrolier de 1973. Ainsi, les premières lampes fluocompactes « basse consommation » furent conçues par Philips en 1980.
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

Les lampes fluorescentes résultent du pliage ou torsadage d'un tube fluorescent.

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

La première diode électroluminescente a été créée en 1962 par Nick Holonyak Jr. et Sam Bevacqua de General Electric. Les premières LED émettaient dans l'infrarouge et étaient principalement utilisées dans les télécommandes des téléviseurs, magnétoscopes…
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

Sous l'effet d'une différence de potentiel appliquée entre les deux couches de la diode semi-conductrice P-N (voir « référence BUP »), des électrons pénètrent dans la couche de type N, et des trous dans la couche de type P (figure 5). A l'interface de ces deux zones, les électrons et les trous se recombinent en donnant naissance à un photon, donc à de la lumière.

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 faible puissance (inférieure à 1 W) sont les plus répandues. On les retrouve, par exemple, comme voyant lumineux sur les appareils électroménagers.
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 est défini comme le rapport du flux lumineux émis sur la puissance électrique consommée. Il s'exprime en lumens par Watt (lm/W). Ce paramètre permet de comparer l'efficacité de la conversion de l'énergie en lumière visible des diverses sources de lumière.
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

Figure 7 : (a) : 4 LED jaunes montées - @ Radiospares, (b) : ampoule à LED

Avantages

La liste ci-dessous présente les avantages de l'utilisation de LED :

• 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 LED dites blanches sont généralement des LED bleues recouvertes de phosphore, généralement du YAGs : Ce (Yttrium Aluminium Garnet dopé au Cérium). Ce blanc est assez froid et possède un mauvais indice de rendu de couleur (IRC).
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

L'utilisation des LED ordinaires se retrouve surtout pour :

• 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).

L'utilisation des LED blanches se retrouve surtout pour :

• 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