Tube fluorescent

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Tubes fluorescents: vert, rouge (néon), bleu. Un tube fluorescent est un type particulier de lampe électrique, qui produit de la lumière, grâce à une décharge électrique dans un tube. Leur lumière peut être blanche (pour l'éclairage) ou colorée (comme sur les illustrations, pour la fabrication d'enseignes).
Tube fluorescent

Tubes fluorescents: vert, rouge (néon), bleu. Un tube fluorescent est un type particulier de lampe électrique, qui produit de la lumière, grâce à une décharge électrique dans un tube. Leur lumière peut être blanche (pour l'éclairage) ou colorée (comme sur les illustrations, pour la fabrication d'enseignes).

Historique

Les débuts

L'idée d'employer la fluorescence pour l'éclairage remonte à la deuxième moitié du XIXe siècle avec Becquerel qui recouvrit l'intérieur des tubes à décharge avec différentes poudres fluorescentes. Ces lampes fluorescentes primitives ne trouveront pas d'application pratique du fait de leurs intensités lumineuses insuffisantes. Ce n'est qu'en 1895 que Thomas Edison inventera une lampe fluorescente à partir d'un tube à rayon X dont la surface interne de l'ampoule est enduite de tungstate de calcium. Cette substance convertit une partie des rayonnements X en lumière blanche bleutée avec une efficacité lumineuse trois fois supérieure à celle des lampes à filament de carbone de l'époque, ce pour une durée de vie bien plus longue. Ces performances auraient pu propulser cette lampe sur le marché de l'éclairage... Seulement le problème est que le rayonnement X produit par cette lampe enverra au cimetière un employé d’Edison. La technologie des tubes fluorescents s'est donc développée selon le schéma de Becquerel, à partir de tubes à décharge sous basse pression.

Le tube néon de Georges Claude

L'invention du tube au néon par Georges Claude au début du a marqué le début de l'utilisation commerciale de tubes de couleur (rose et jaune) employant un revêtement fluorescent. Les teintes saturées obtenues ne permettaient certes pas l'usage de ces sources pour l'éclairage domestique ou autre que publicitaire. Cependant, il fut découvert que l'emploi simultané de tubes à vapeur de mercure, émettant une lumière bleue (inventé par Cooper-Hewitt en 1901), avec des tubes de Claude permettait l'obtention d'une lumière blanche de qualité relativement médiocre. De plus, ces lampes utilisaient des bains de mercure comme électrodes, ce qui donne lieu, comme on le sait aujourd'hui, à un très faible rendement de la source du fait de l'énergie considérable qu'il faut pour extraire les électrons des électrodes...

Nouvelles électrodes

Il faudra attendre 1927, et les travaux de Ruttenauer et Pirani (Osram) pour le développement d'électrodes en oxydes d'alcalins. Cette innovation permit de réduire les pertes d'énergie au niveau des électrodes pour l'extraction des électrons. Ceci accroît ainsi énormément le rendement des lampes. Ce n'est que dans les années 1930 que des tubes à vapeur de mercure sous basse pression seront employés en conjonction avec un revêtement fluorescent afin de générer une lumière blanche. La conception de ces tubes était similaire aux tubes de Claude, avec des cathodes creuses froides et une alimentation sous haute tension. Malgré une efficacité de l'ordre de 15-20 lm/W, de nombreuses installations de tubes à haute tension se feront dans les magasins, restaurants et autres lieux publics. La disponibilité réelle des tubes fluorescents ne s'est amorcée qu'avec l'introduction en 1936, par Osram, à l'exposition universelle de Paris, de tubes à cathodes chaudes dont l'efficacité lumineuse est portée à 30-40 lm/W du fait de l'emploi d'électrodes moins dissipatrices en énergie. General Electric aux États-Unis, GEC en Angleterre et Philips aux Pays-Bas suivront en 1937-1938. Toujours chez Osram, le développement des poudres fluorescentes adéquates permit le lancement du premier tube fluorescent en 1936 à l'exposition universelle de Paris (Osram), suivi en 1938 par GE à New-York puis par Philips (1938) et GEC (UK). Si ce changement crucial dans la conception a permis des rendements plus élevés, la durée de vie de ces sources était cependant limitée à 2000 heures du fait de la déterioration rapide des électrodes et de la poudre fluorescente. Il faudra attendre la fin de la Seconde Guerre mondiale pour voir l'introduction, par GEC, de mélanges binaires d'halophosphates de strontium et de bismuth propulsant l'efficacité lumineuse vers les 50-60 lm/W tout en améliorant la qualité de la lumière émise. Depuis les années 1950, l'amélioration de la qualité des composants a aussi permis l'accroissement de la durée de vie de ces sources et un meilleur maintien de l'efficacité lumineuse. À cet égard, le diamètre des tubes n'était pas inférieur à 38 mm afin de limiter les dommages causés par le plasma de mercure sur le revêtement fluorescent.

Nouvelles poudres fluorescentes

Une innovation majeure verra le jour en 1973 avec l'introduction par Philips de mélanges ternaires de silicates et d'aluminates dont les propriétés générales sont bien supérieures à celles des halophosphates. En plus d'une efficacité lumineuse pouvant dépasser les 80 lm/W avec une qualité de lumière grandement accrue, la résistance de ce type de matériaux à la décharge électrique permit la réduction du diamètre des tubes de 38 mm à 26 mm (T8) puis à 16 mm (T5) et même moins. Cette réduction des dimensions des lampes permit la conception de luminaires plus compacts avec un meilleur contrôle optique de la lumière émise. De plus, le pliage en deux ou quatre du tube à décharge a ouvert la perspective de lampes encore plus compactes dont la première fut créée par Philips (annoncée en 1976, introduite en 1980), Osram (1981) suivi par les autres fabricants. La conception de cette nouvelle génération de lampes a été motivée par l'accroissement des coûts énergétiques suite aux deux chocs pétroliers des années 1970. Ainsi, les premières lampes fluocompactes introduites par Philips étaient conçues pour remplacer les lampes à filament directement dans leurs luminaires. Cependant, l'intégration du ballast ferromagnétique posa un sérieux 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 se sont de plus en plus intégrées dans le paysage de l'éclairage domestique.

Techniques

Toutes les lampes fluorescentes génèrent la lumière visible via deux processus simultanés. D'une part, l'ionisation d'un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression sous l'effet d'un courant électrique génère une lumière dans la gamme des ultraviolets. Les conditions de décharges sont optimisées pour qu'un maximum (60-70%) de la puissance consommée soit rayonnée dans les deux raies de résonance du mercure à 184, 9nm et 253, 7nm. Ce rayonnement est ensuite converti en lumière visible à la surface du tube par un mélange binaire ou ternaire de poudres fluorescentes dont la composition est spécifique à la teinte de lumière que l'on désire obtenir. Un nom plus simple (mais inexact) leur est attribué par le langage populaire. Par analogie incorrecte avec les tubes contenant du gaz néon (qui lui produit une lumière rouge !), le nom de ce gaz est indûment attaché à l'appellation courante de ce système d'éclairage. En effet, la majorité des tubes fluorescents ne contiennent pas de néon et la couleur émise par ces lampes dépend surtout de la poudre fluorescente qui est employée. La géométrie de ces lampes ainsi que les moyens d'excitation du plasma de mercure peuvent prendre différentes formes selon les besoins.

Tubes linéaires

Les tubes linéaires sont, de loin, les lampes fluorescentes les plus utilisées. La longueur de ces tubes varie de quelques centimètres à plus de deux mètres selon la puissance. Chaque extrémité est pourvue d'une électrode composée d'un filament de tungstène doublement ou triplement bobiné et enduit d'un revêtement d'oxydes de baryum-strontium-calcium pour une injection optimale du courant d'électrons dans la décharge électrique. Ces électrodes fonctionnent alternativement comme une cathode ou une anode selon le sens du courant (alternatif). La géométrie de ces électrodes varie d'un modèle de lampe à un autre et ceux dont la puissance dépasse les 100 W ont des électrodes conçues avec deux sondes supplémentaires afin de pouvoir collecter le fort courant ionique lors de la phase anodique. Deux classes de lampes à usage général se distinguent. D'une part, il y a les lampes à très bon rendu des couleurs employant une poudre fluorescence à base de silicates et d'aluminates, souvent nommées lampes à "trois bandes" en référence à leur spectre d'émission. En plus d'une très bonne qualité de lumière (IRC de 80 à 95), l'efficacité lumineuse est élevée, de l'ordre de 80 à 105 lm/W. D'autre part, il existe sur le marché des lampes à bas prix employant encore des halophosphates. Ces dernières ont une efficacité moindre (60 à 75 lm/W) et une qualité de lumière (IRC 55-70) trop faible pour un emploi en dehors de l'éclairage industriel. Hormis cette gamme classique de lampes, il existe des sources à rayonnement ultra-violet (UV) dont les tubes "lumière noire" employant une poudre fluorescente rayonnant autour de 365 nm, les tubes UVA et UVB pour le bronzage et le traitement de certains matériaux, puis les tubes UVC pour la stérilisation. Ces dernières lampes ne sont pas pourvues de poudre fluorescente et leur ampoule est fabriquée soit en quartz, soit en verre à faible teneur en oxyde de fer afin d'assurer une bonne transmission des UV générés par le plasma de mercure.

Lampes fluocompactes

Lampe fluocompacte Comme leur nom l'indique, ces lampes sont compactes grâce au pliage en deux, trois, quatre ou six d'un tube fluorescent dont le diamètre est compris entre 7 et 20 mm. En raison du faible diamètre du tube, seules des poudres fluorescentes à trois bandes sont employées. La forme compacte du tube à décharge pose aussi un problème de dissipation thermique et plusieurs moyens sont employés pour limiter la pression de vapeur saturante de mercure afin de rester au régime optimum de fonctionnement. Certaines lampes emploient des amalgames de mercure-étain ou mercure-bismuth, alors que d'autres sont pourvues d'appendices froids où le mercure se condense.

Toxicité du mercure

Parce que les lampes fluocompactes contiennent du mercure, un métal toxique, elles requièrent d'être traitées séparément des autres déchets ménagers. Le mercure représente un danger important pour les femmes enceintes, les nouveaux-nés et les enfants en général. Les décharges publiques refusent souvent ce type de lampes parce qu'elles contiennent du mercure. Le contenu en mercure des lampes fluocompactes peut varier de 3 à 46 mg . De plus, dans le cas où une lampe fluocompacte se brise, il faut évacuer la pièce pendant 15 mn avant de ramasser les débris, car des vapeurs de mercure peuvent s'échapper

Lampe à induction

Le facteur limitant la durée de vie des lampes fluorescentes est l'usure des électrodes. La lampe ne peut plus fonctionner correctement si les électrodes ne peuvent plus fournir suffisamment d'électrons nécessaires au maintien de la décharge électrique. Il existe une classe de lampe qui ne possède pas d'électrodes, mais une antenne radio-fréquence qui génère et excite un plasma d'argon-mercure grâce à un champ magnétique alternatif.

Lumière émise et caractéristiques spectrales

Les tubes fluorescents destinés à l'éclairage peuvent émettre de la lumière colorée ou de la lumière blanche. (les tubes UV ne servent pas à l'éclairage, sauf effets spéciaux) On trouve des tubes colorés émettant les couleurs suivantes : bleu, vert, rouge (faible intensité), ambre et rose. Les tubes émettant de la lumière blanche peuvent produire des blancs fort différents, on parle de teinte, de chaud à très froid. Ils sont caractérisés selon 2 critères : leur température de couleur et leur indice de rendu de couleur (IRC). ''Pour mémoire, une lumière blanche comprend toutes les longueurs d'onde du spectre, c'est un spectre continu. Les tubes fluorescents émettent un spectre discontinu, on parle de donc de température de couleur proximale. L'indice de rendu de couleur permet d'apprécier la qualité du rendu visuel et le risque de métamérisme.

Température de couleur :

Les tubes fluorescents destinés à l'éclairage sont disponibles dans les températures de couleur suivantes : 2700 K : proche de la lumière incandescente, utilisation domestique et hôtellerie 3000 K : proche de la lumière halogène , utilisation en hôtellerie, boutiques, musées 3500 K : (peu fréquent) compromis entre lumière halogène et lumière de bureau 4000 K : blanc "neutre", très utilisé dans les bureaux et dans les milieux industriels ; cette température de couleur intermédiaire a l'avantage de ne paraître ni trop jaune la journée, ni trop froide la nuit 5000 K : proche de la lumière du jour (mais attention à l'IRC), utilisé en musées, photographie et en arts graphiques 6500 K : proche de la lumière d'un ciel couvert (mais attention à l'IRC), utilisé dans les hôpitaux (ce qui donne cette lumière froide hélas si typique) 8000 K : (peu fréquent) proche de la lumière d'un ciel bleu (lumière du nord), usages spéciaux.

Indice de rendu des couleurs (IRC) :

Pour une même température de couleur, l'IRC peut varier. Cette différence n'est pas perceptible en regardant le tube directement, ou lorsque sa lumière atteint une surface blanche, mais par contre elle saute aux yeux lorsque l'on éclaire des objets colorés : fruits, vêtements, photographies (différences très visible), nuanciers dentaires, etc. Les tubes sont disponible dans trois grandes familles de rendu de couleur : IRC 55 à 70% : rendu de couleur médiocre, utilisation en atelier, industrie, lieux publics de circulation. En photographie, ils produisent une dominante verte caractéristique. Efficacité lumineuse moyenne. IRC 85% : rendu de couleur correct, utilisation en bureau, école, hôtellerie, domestique (hélas). Les teintes chair sont déformées, le jaune tire vers le vert, les bleus tirent vers le violet, et généralement toutes les teintes semblent plus saturées, un peu artificielles. Il est, par exemple, très difficile d'apprécier la couleur d'un vêtement dans une boutique éclairée avec cet IRC. En photographie, ils produisent également une dominante verte. Efficacité lumineuse très bonne. IRC > à 90%. : rendu des couleurs supérieur, utilisation en arts graphiques, musées, dentisterie, photographie, caissons lumineux, utilisation très souhaitable en éclairage domestique. Utilisés en photographie, ils ne présentent pas la dominante verte si caractéristique. Efficacité lumineuse bonne. Chaque IRC est disponible dans un éventail de température de couleur, mais toutes les combinaisons ne sont pas disponibles et certaines familles de lampes fluorescentes offrent moins de choix. Le plus grand choix est offert par les tubes de 26mm de diamètre, alors que les lampes fluocompactes n'existent que dans 3 ou 4 teintes, et presqu'exclusivement en IRC 85%. Le choix d'un tube (ou d'une lampe fluocompacte) doit donc s'effectuer impérativement selon les deux critères, l'IRC étant trop souvent ignoré. Afin de faciliter le choix, les fabricants ont tous adopté la nomenclature Philips, en plus des dénominations commerciales.

Marquage standardisé de tubes fluorescents

exemple de marquage Le code, à 3 chiffres, regroupe à la fois l'indice de rendu de couleur et de la température de couleur. Le premier chiffre indique l'IRC, en dizaines de %, les deux chiffres suivants désignent la température de couleur, en centaines de K. On peut noter que ce marquage est aussi utilisé pour certaines lampes à décharge, notamment celles à halogénures métalliques. Par exemple : le code 640 désigne un tube d'un IRC de 60 et d'une température de couleur de 4000 K (blanc industrie), éclairage d'atelier, cave, etc. le code 840 désigne un tube d'un IRC de 85 et d'une température de couleur de 4000 K (ex : Osram "blanc deluxe"), éclairage typique en bureau. le code 827 désigne un tube d'un IRC de 85 et d'une température de couleur de 2700 K (ex: Osram "interna"), éclairage typique des fluocompactes. Autres exemples : Si l'on souhaite simuler la lumière du jour (photothérapie par exemple) il faut impérativement un IRC >90% et une température de couleur de 5000 K ou 6500 K, soit une teinte 950 ou 965. La teinte 950 revendique un IRC allant jusqu'à 98, ce qui en fait une teinte privilégiée pour le contrôle précis des couleurs, en particulier dans l'imprimerie. Si l'on souhaite imiter la lumière incandescente (éclairage domestique), il faudrait 2700K et un IRC >90. Les lampes fluocompactes pourraient connaître un essor plus important si elle étaient disponibles dans cette qualité, car avec la teinte 827 proposée, la majorité des utilisateurs perçoit une différence par rapport à l'incandescence. Une telle teinte existait chez Philips en tube de Ø 26 mm, mais a été supprimée. Tableau récapitulatifs des teintes de lampes fluorescentes (un tiret indique que cette combinaison n'existe pas) Source: Catalogue Osram 2007

Utilisations et avantages

Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l'éclairage industriel, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où l'on a besoin d'un éclairage général tout en limitant la dépense énergétique, tant dans la consommation électrique pour la production même de la lumière, que dans les coûts de climatisation liée à la chaleur générée par le système d'éclairage. En effet, ce système d’éclairage, quoi que plus coûteux à l'investissement, se révèle beaucoup plus économique que les lampes à incandescence. Leur rendement de conversion électrique en lumière (efficacité lumineuse) atteint et dépasse souvent les 80 lumens par watt alors que les lampes classiques dépassent péniblement les 15 lumens par watt. Donc pour une même quantité de lumière, la consommation électrique est divisée par six. Autre avantage et non des moindres, un tube fluorescent a une durée de vie de dix à cinquante fois supérieure à une lampe à incandescence classique; en plus comme le tube est interchangeable et qu'il ne représente qu'une partie du système (ballast, starter, support, réflecteur), l'investissement est à long terme intéressant, avec des coûts de maintenance réduits.

Inconvénients

Les interférences créées par les tubes ( Courants harmoniques et déphasage du entre autre a la bobine du balast), sous forme de parasites, sont nuisibles pour les équipements électroniques et informatiques tels que les câbles réseau. La surface d'émission de la lumière est large, il est donc difficile de focaliser la lumière avec un réflecteur pour obtenir un faisceau concentré, comme celui d'un spot basse tension. La plupart des tubes disponibles couramment ont un indice de rendu de couleur satisfaisant, mais insuffisant pour un bon confort visuel ou des travaux de précision : imprimerie, graphisme, maquillage, textile, etc. Certes, il existe des teintes de tubes avec un indice de rendu de couleur supérieur à 90, mais ils sont peu connus et difficiles à trouver. Enfin, certains types de tubes émettent un léger grésillement. Effet stroboscopique: danger avec des machines tournantes, pour y remédier, il faut employer un système dit duo ou deux tubes sont montés côte à côte avec un tube comprenant une alimentation déphasée. L'effet stroboscopique peut aussi provoquer des troubles oculaires.

Références

http://www.chem.unep.ch/MERCURY/Toolkit/UNEP-final-pilot-draft-toolkit-Dec05.pdf Catégorie:Éclairage Catégorie:Électricité Catégorie:Composant électrique en:Fluorescent lamp
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