Tube fluorescent

Un tube fluorescent est un type spécifique de lampe électrique, qui produit de la lumière, grâce à une décharge électrique dans un tube.



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Définitions :

  • Dans une telle lampe, un gaz (néon, sodium... ) émet de la lumière quand il est soumis à une tension électrique.... (source : espace-sciences)
Tubes fluorescents : vert, rouge (néon), violet.

Un tube fluorescent est un type spécifique 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 seconde 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 énormément plus longue. Ces performances auraient pu propulser cette lampe sur le marché de l'éclairage... Uniquement 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 par conséquent 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 XXe siècle 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 (découverte par Cooper-Hewitt en 1901), avec des tubes de Claude permettait l'obtention d'une lumière blanche de qualité assez médiocre. Qui plus est , ces lampes utilisaient des bains de mercure comme électrodes, ce qui donne lieu, comme on le sait actuellement, à un très faible rendement de la source du fait de l'énergie énorme 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 diminuer les pertes d'énergie au niveau des électrodes pour l'extraction des électrons. Ceci accroît ainsi beaucoup 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 pour générer une lumière blanche. La conception de ces tubes était identique 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 correctes 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 essentiel 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 détérioration 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 perfectionnant la qualité de la lumière émise. Depuis les années 1950, le perfectionnement 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 pour 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 largement 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.

Techniques

Les lampes fluorescentes contiennent un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression et pas nécessairement de néon comme le langage populaire le laisserait croire. La lumière visible est produite par deux processus successifs :

La couleur de la lumière produite provient par conséquent principalement de la composition spécifique de ce revêtement interne. Le néon est un gaz rare, comme l'argon, quelquefois utilisé mais produisant une lumière rouge. On voit par conséquent que cette utilisation est particulièrement spécifique et que c'est par simplification abusive et métonymie que le nom de ce gaz est devenu synonyme, actuellement de lampe fluorescente.

La géométrie de ces lampes mais aussi 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 fluctue 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 fluctue 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 pour 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 particulièrement bon rendu des couleurs employant une poudre fluorescente à base de silicates et d'aluminates, fréquemment appelées lampes à "trois bandes" en référence à leur spectre d'émission. En plus d'une particulièrement 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 toujours 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.

La puissance des tubes linéaires est normalisée.
Longueur Puissance
1, 5 m 58 W
1, 2 m 36 W
0, 9 m 30 W
0, 6 m 18 W

Lampes fluocompactes

Lampe fluocompacte
Article détaillé : Lampe fluorescente.

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 pour rester au régime optimum de fonctionnement. Certaines lampes emploient des amalgames de mercure-étain ou mercure-bismuth, tandis que d'autres sont pourvues d'appendices froids où le mercure se condense.

La première fut créée par Philips (annoncée en 1976, introduite en 1980), puis 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.

Quant à la rumeur d'émission d'UV, celle-ci est fausse car la couche fluorescente de la lampe absorbe les UV et réémet de la lumière visible (morceaux de spectre continu).

Toxicité

Lampe à induction

Article détaillé : 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 apporter 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.

Il existe deux genre de lampe à induction, la lampe à induction à haute fréquence et la lampe à induction à basse fréquence.

Lumière émise et caractéristiques spectrales

Les tubes fluorescents conçus pour 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 particulièrement 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 l'ensemble des longueurs d'onde du spectre, c'est un spectre continu. Les tubes fluorescents émettent un spectre discontinu, on parle de par conséquent 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

Article détaillé : Température de couleur.

Les tubes fluorescents conçus pour l'éclairage sont disponibles dans les températures de couleur suivantes :

2700 K : proche de la lumière incandescente, utilisation domestique et hôtellerie (OSRAM : Interna)

3000 K : proche de la lumière halogène, utilisation en hôtellerie, boutiques, musées (OSRAM : blanc chaud / cool white)

3500 K : (peu habituel) compromis entre lumière halogène et lumière de bureau

4000 K : blanc "neutre", particulièrement 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 (OSRAM : blanc de luxe)

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 si typique) (OSRAM : lumière du jour / daylight)

8000 K : (peu habituel) proche de la lumière d'un ciel bleu (lumière du nord), usages spéciaux.

Indice de rendu des couleurs (IRC)

Article détaillé : Indice de rendu de couleur.

Pour une même température de couleur, l'IRC peut fluctuer. Cette différence n'est pas perceptible en regardant le tube directement, ou quand sa lumière atteint une surface blanche, car le cerveau compense automatiquement un éclairage uniforme, mais devient flagrante quand on éclaire des objets colorés, qui apparaissent alors avec une dominante : fruits, vêtements, photographies (différences particulièrement visibles), nuanciers dentaires, etc.

Les tubes sont disponibles 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 le plus souvent l'ensemble des teintes semblent plus saturées, légèrement artificielles. Il est , par exemple, particulièrement complexe d'apprécier la couleur d'un vêtement dans une boutique éclairée avec cet IRC. En photographie, ils produisent aussi une dominante verte. Efficacité lumineuse particulièrement bonne.

IRC > à 90%.  : rendu des couleurs supérieur, utilisation en arts graphiques, musées, dentisterie, photographie, caissons lumineux, utilisation particulièrement souhaitable en éclairage domestique. Utilisés en photographie, ils ne présentent pas la dominante verte si caractéristique. Efficacité lumineuse bonne.

Parallèlement, chaque IRC est disponible dans un éventail de températures de couleurs, mais l'ensemble des combinaisons ne sont pas disponibles et certaines familles de lampes fluorescentes offrent moins de choix. Le plus vaste est offert par les tubes de 26 mm de diamètre, tandis 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 par conséquent s'effectuer impérativement selon les deux critères, l'IRC étant trop fréquemment ignoré.

Pour favoriser le choix, les fabricants ont tous adopté la nomenclature Philips, en plus des appellations 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, surtout celles à halogénures métalliques.

Par exemple :

le code 640 sert à désigner un tube d'un IRC de 60 et d'une température de couleur de 4000 K (blanc industriel), éclairage d'atelier, cave, etc.

le code 840 sert à désigner 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 sert à désigner 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 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, surtout dans l'imprimerie.

Si 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 comparé à l'incandescence. Une telle teinte existait chez Philips en tube de Ø 26 mm, mais a été supprimée.

Tableau récapitulatif des teintes de lampes fluorescentes (un tiret indique que cette combinaison n'existe pas)

2700K 3000K 3500K 4000K 5000K 6500K 8000K
IRC 50-76 - 530 - 640/740 - 765 -
IRC 85 827 830 835 840 - 860/865 880
IRC>90 - 930 - 940 950/954 965 -


Source : Catalogue Osram 2007

Utilisations et avantages

Les tubes fluorescents sont particulièrement utilisés pour l'éclairage industriel, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où 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 dispositif d'éclairage. En effet, ce dispositif d'éclairage, bien que plus coûteux à l'investissement, se révèle bien plus économique que les lampes à incandescence. Leur rendement de conversion électrique en lumière (efficacité lumineuse) atteint et dépasse fréquemment les 80 lumens par watt tandis que les lampes classiques dépassent péniblement les 15 lumens par watt. Par conséquent pour une même quantité de lumière, la consommation électrique est divisée par cinq ou 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 dispositif (ballast, starter, support, réflecteur), l'investissement est à long terme intéressant, avec des coûts de maintenance réduits.

Risque de confusion

On prendra garde de ne pas confondre les tubes fluorescents avec les linolites qui sont elles des lampes incandescentes.

Inconvénients

Les interférences créées par les tubes (courants harmoniques et déphasage dus entre autres à la bobine du ballast), 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 par conséquent complexe de focaliser la lumière avec un réflecteur pour obtenir un faisceau concentré, comme celui d'un spot particulièrement basse tension.

La plupart des tubes disponibles fréquemment 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 complexes à trouver.

Enfin, certains types de tubes émettent un léger grésillement.

Effet stroboscopique : danger avec des machines tournantes, pour y remédier, il faut employer soit un dispositif dit duo où deux tubes sont montés côte à côte avec un tube comprenant une alimentation déphasée, soit un ballast électronique. L'effet stroboscopique peut aussi provoquer des troubles oculaires.

Les tubes fluorescents (néons) font aussi l'objet d'une controverse en France sur leur utilisation comme moyen publicitaire sur les enseignes des magasins. Plusieurs groupes dénoncent la pollution lumineuse et les consommations d'énergie induites par l'utilisation de ces lampes.

Références

  1. http ://www. chem. unep. ch/MERCURY/Toolkit/UNEP-final-pilot-draft-toolkit-Dec05. pdf

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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