Sources de lumière, état de l'art. Georges Zissis.pdf

20/12/2013
Auteurs : Georges Zissis
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5533
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Article_Zissis Page 1/12 Etat de l’art dans le domaine des sources de lumière de la lampe à incandescence aux LEDs et O-LEDs en passant par les lampes à décharge. Georges Zissis CPAT - Université Toulouse 3 118 rte de Narbonne, 31062 Toulouse cedex 4 georges.zissis@cpat.ups-tlse.fr http://cpat.ups-tlse.fr Article_Zissis Page 2/12 Sommaire Sommaire ................................................................................................................................... 2 I- Incandescence, luminescence ................................................................................................. 3 II- Une lampe pour éclairer ........................................................................................................ 3 III- La lampe, objet économique et environnemental ................................................................ 4 IV- Familles des sources de lumière et tendances actuelles....................................................... 5 V- Sources thermiques, l'émission par incandescence............................................................... 6 VI- Lampes à décharge, l'état de l'art......................................................................................... 7 VII- Quels progrès pour demain ?.............................................................................................. 8 Littérature générale .................................................................................................................. 11 Article_Zissis Page 3/12 Astreint aux rythmes et aux aléas des sources naturelles de rayonnement, l'Homme s'est efforcé de créer, tout d'abord pour assurer sa sécurité, des sources artificielles. S'il a, sans doute assez tôt, découvert le feu et donc, sans le savoir, l'incandescence, c'est seulement à la fin du XIXe siècle qu'il a commencé à maîtriser la production de lumière par luminescence. I- Incandescence, luminescence ♦ L'incandescence se manifeste par une production de lumière lorsqu'un corps est porté à une température supérieure à 500°C environ. La lumière rouge émise par un morceau de fer que l'on retire du feu en est un exemple typique. En faisant brûler une substance organique, elle se décompose en dégageant de la chaleur. Les produits de la décomposition, gaz ou particules de carbone agglomérées, sont portés à l'incandescence et émettent généralement cette lumière orangée qui caractérise les flammes. ♦ Cependant des phénomènes comme la phosphorescence et la fluorescence montraient que la matière est capable d'émettre de la lumière sans qu'il soit besoin d'élever la température. Le savant allemand Wiedemann proposa, en 1888, d'appeler "luminescence" cette émission de lumière à froid et de préciser éventuellement, au moyen d'un préfixe, son mode de production. Par exemple, l'électricité peut provoquer l'électroluminescence, qui fut sans doute la première luminescence observée par l'homme. La lueur des éclairs, en effet, n'a rien de commun avec celle des corps incandescents. Le Dr Wall, au XVIIIe siècle, soupçonnait déjà sa nature électrique et comparait à un orage en miniature les étincelles qu'il tirait du pommeau de sa canne en le frottant. On a réalisé, depuis, de nombreux "éclairs artificiels" de formes et de couleurs variées. En outre, si l'on entretient une décharge électrique dans un gaz sous faible pression, on peut provoquer une émission stable de lumière dont la couleur dépend du gaz employé. II- Une lampe pour éclairer La lumière est à l'origine d'une large part de nos facultés mentales, il est donc naturel que nous assimilions "sources de rayonnement" et "sources de lumière". En réalité une part des applications des "sources de rayonnement" se situe dans l'ultra-violet et dans l'infra-rouge. Que demande-t-on à une source de lumière (donc destinée à l'éclairage) ? Pour répondre à Cet environnement résulte de l'interaction de trois éléments : la source, l'objet et le système visuel (récepteur). En pratique l'objectif est de détecter, de définir et de situer, à l'aide du système visuel, l'objet-évènement rendu visible par la source. Toutefois, "voir", résulte d'une suite d'évènements complexes, dont seuls quelques éléments fondamentaux peuvent êtres retenus pour caractériser une source de lumière par rapport au système visuel. Les plus importants sont certainement : la sensibilité chromatique du système visuel et ses propriétés de perception des sensations colorées. A ces éléments correspondent deux impératifs et deux critères de qualité pour les sources : l'efficacité lumineuse, qui caractérise la quantité de lumière produite par watt consommé ; le rendu des couleurs, c'est-à-dire la capacité de produire une lumière qui puisse être considérée comme capable de restituer aux objets leur aspect coloré ordinaire dans des conditions données d'environnement. En fonction de l'application envisagée ces deux critères ne sont pas d'une égale importance. Ainsi, pour l'éclairage des routes une grande efficacité sera requise, mais le rendu de couleur Article_Zissis Page 4/12 sera secondaire. A l’opposé, l'éclairage domestique nécessite un excellent rendu de couleurs, mais on se contente souvent d'une efficacité médiocre. Cette question quelques connaissances sur l'environnement visuel sont nécessaires. Objet Couleurs Formes Source de lumière Puissance rayonnée Spectre Récepteur Réponse photopique Réponse scotopique Figure 1 : Environnement visuel III- La lampe, objet économique et environnemental Les lampes, de plus en plus présentes dans nos activités, et l'éclairage, d’une façon générale, représentent un marché considérable. Aujourd'hui, on estime à 30 milliards le nombre de lampes électriques qui fonctionnent sur terre. L'industrie mondiale des lampes produit chaque année plus de 10 milliards de lampes. Les principaux constructeurs des lampes sont maintenant étrangers (pour l'Europe : Philips, General Electric, Siemens-Osram). Il reste que plusieurs entreprises nationales (de petites ou moyennes tailles) conservent un marché et un savoir-faire, soit dans le domaine des sources, soit dans celui des équipements. Par ailleurs le marché "éclairage" (première installation et maintenance) reste toujours entre les mains des "concepteurs lumière" (ingénieurs, architectes, etc.) souvent liés aux donneurs d'ordre que sont l'Etat ou les collectivités. Du point de vue énergétique, toutes ces lampes fonctionnent en consommant plus de 2000 TWh d'énergie électrique par an. Cette quantité représente approximativement le dixième de la production globale d'électricité de notre planète. Si dans un pays industrialisé comme la France (11,9 %), on utilise en moyenne 10 à 15 % de la production électrique annuelle pour l'éclairage (plus de 20 % aux USA…), dans un pays en voie de développement cette proportion augmente rapidement (i.e. 37 % pour la Tunisie, 89 % pour la Tanzanie). Cet important écart est essentiellement lié au fait que dans un pays en voie de développement l'éclairage est une nécessité première. Mais il est également lié à l'utilisation des lampes "bon marché" (lampes à incandescence) ayant une moindre efficacité. La production de l'énergie électrique pour satisfaire les besoins en éclairage de l'Homme entraîne inévitablement une pollution de l'environnement. Ainsi, on estime que chaque année quelque 1 000 millions de tonnes de CO2 accompagnent cette production d'énergie en contribuant à l'effet de serre. Par la même occasion, d'autres substances toxiques sont également produites, le tableau suivant donne quelques estimations pour deux types de lampes produisant la même quantité de lumière (en lumens). Article_Zissis Page 5/12 Rejets atmosphériques (ng/lm/h) Lampe Fluorescente 36 W Lampe à incandescence 60 W Hg 0,64 4,45 Pb 19 136 Cu 26 185 Nox 21 700 152 000 SO2 16 300 114 000 Tableau 1: Emission des substances toxiques accompagnant la production d'énergie nécessaire pour générer 1 lumen pendant une heure Les lampes contiennent des matériaux rares et souvent toxiques (Hg, Cd, terres rares, …), radioactifs (Th, 85 Kr) et, enfin, leurs ballasts ferromagnétiques contiennent du plomb (>1g/ballast). Ainsi, à la fin de la vie de la lampe, ces matériaux peuvent se déverser dans la nature. Par exemple, la majorité des lampes, à l'exception des ampoules à incandescence, contiennent du mercure. C'est ainsi, qu'aux USA pour produire chaque année quelques 750 millions de nouveaux tubes fluorescents, on utilise 2,5 tonnes de mercure et dans d'autres pays comme la France on collecte, par an, approximativement 80 tonnes des déchets contaminés au mercure. La nouvelle réglementation européenne, entrée en vigueur le 1er janvier 1998, impose que les lampes à décharge, en fin de vie, soient ramenées à des déchets "ultimes" devant être retraités avant stockage dans des décharges spéciales (classe 1) ; le stockage dans une décharge de ce type coûte approximativement 200 Euros par tonne. En outre, depuis quelques années, avec le développement de la technologie, les lampes sont de plus en plus alimentées par des ballasts électroniques sophistiqués qui fonctionnent à fréquence élevée. Des lampes sans électrodes, alimentées en hautes fréquences, radiofréquences ou même en micro-ondes, ont également fait leur apparition sur le marché. Ces techniques ont contribué à l'amélioration du rendement et de la durée de vie des lampes, à la diminution du poids et de l'encombrement des luminaires tout en offrant la possibilité d'une gestion centralisée de l'éclairage. Une des difficultés encore mal résolues est que ces systèmes engendrent des perturbations électromagnétiques qui peuvent se propager soit par le réseau électrique, soit par rayonnement, et interférer avec d'autres systèmes électriques ou électroniques. IV- Familles des sources de lumière et tendances actuelles La figure 2 résume les différentes familles de sources incohérentes susceptibles d'être utilisées pour produire de la lumière ou pour assurer des fonctions de signalétique. On y retrouve les familles de sources traditionnelles, mais on y constate aussi l'émergence de la famille des diodes électroluminescentes qui a fait son entrée massive dans le monde de l’éclairage, voici moins de cinq ans maintenant. Article_Zissis Page 6/12 Figure 2 : Les différentes familles de lampes V- Sources thermiques, l'émission par incandescence Elle résulte, dans les lampes actuelles, de l'augmentation de température d'un métal chauffé par effet Joule. Son rayonnement est continu et suit approximativement la loi des corps gris. La source est ici un milieu très dense, la densité de puissance y est élevée et l'émission (de surface) présente une forte luminance. La figure 3, ci-dessous, donne les luminances spectriques de corps noirs portés respectivement à 5220 K (température de surface du soleil ou du cœur d'une décharge) et 2700 K (température de couleur d'une lampe à incandescence). La même figure donne également la réponse photopique de l'œil, l'émissivité du corps noir (CN), celle du tungstène (W) et l'émissivité d'un corps X (qui n'existe malheureusement pas !). 14x10 12 12 10 8 6 4 2 0 LCN (Wm -3 sr -1 ) 2500200015001000500 λ (nm) x2 T=2700 K T=5220 K ε(λ) 1 εx εCN εw V( )λ Figure 3 : Luminances spectriques du Corps Noir à 2700 K et 5220 K ; Emissivités : εεεεCN du Corps Noir, εεεεX du corps X, εεεεW du tungstène ; V(λ)λ)λ)λ) ; Sensibilité "photopique" moyenne de l'œil humain LuminescenceLuminescenceLuminescence DDééchargecharge ElectriqueElectrique ElectroElectro-- luminescenceluminescenceIncandescenceIncandescenceIncandescence Mode d’excitation Pression Spectre d’émission Classique W-filament Halogène Réflecteur Sélectif Agrégats L.E.D O-LED Article_Zissis Page 7/12 On sait aujourd’hui que deux voies sont possibles pour augmenter l'efficacité lumineuse : augmenter la température et/ou modifier l'émissivité du radiateur. Dans le cas des sources à incandescence, il n'est pas possible d'augmenter beaucoup la température car l'évaporation du filament et sa destructuration réduisent très vite la durée de vie de la lampe. Ainsi, même pour les lampes à halogène où, grâce au cycle tungstène halogène, on à pu réduire la dimension des ampoules et augmenter considérablement les pressions de gaz rares, la température de couleur ne dépasse pas 3000 K pour une durée de vie de 2000 h. Celle-ci dépend essentiellement de la température (évaporation) mais dépend considérablement aussi du phénomène de recristallisation. Dans ces conditions, l'efficacité lumineuse atteint 20 à 25 lm/W, ce qui est cependant bien supérieur aux 12 à 14 lm/W des lampes à gaz ordinaires. On a également cherché à modifier l'émissivité mais sans succès. Par contre on sait, ce qui revient globalement au même, réfléchir l'infra rouge vers le filament (Figure 4). On peut ainsi augmenter l'efficacité lumineuse (de 30 % environ) mais cette méthode reste coûteuse pour le moment. Figure 4 : Technologie des lampes à filtre sélectif Cependant compte tenu de leur facilité d'emploi, de leur faible coût et de la ponctualité de la source, les lampes à incandescence ont sans doute encore un bel avenir. VI- Lampes à décharge, l'état de l'art Bien que la lampe à décharge électrique, réalisée pour la première fois en 1814 par Sir H. Davy et M. Faraday, fût la première application des plasmas, il a fallu attendre plus d'un demi-siècle avant de connaître une réalisation commercialisable. Une lampe à décharge est constituée d'une enceinte étanche et transparente (ou translucide) qui confine le support gazeux de la décharge tout en laissant échapper le rayonnement que l'on veut utiliser. Cette enceinte, de forme et de dimensions très variables, contient un mélange de gaz et/ou de vapeurs métalliques, susceptibles de rayonner dans le domaine des longueurs d'onde désirées. La pression de l'élément actif peut être comprise entre quelques dizaines de pascals et quelques 106 Pa. L'excitation du mélange est assurée soit par la circulation d'un courant électrique entre deux électrodes, soit par l'injection dans l'ampoule d'un rayonnement électromagnétique haute fréquence (radiofréquences, micro-ondes,…). Grâce à une meilleure compréhension des processus physiques qui régissent leur fonctionnement, les lampes à Figure 5 : Ballast électronique intégré pour CFL 13W Article_Zissis Page 8/12 décharge se sont considérablement améliorées depuis leur apparition. Le diamètre du tube d'une lampe fluorescente a par exemple été diminué pour augmenter la température électronique du plasma ainsi que son efficacité. Ainsi les tubes fluorescents de 38 mm ont cédé la place aux tubes de 24 mm, puis à des tubes de diamètres encore plus réduits. Parallèlement sont apparues les lampes fluorescentes compactes. Dans un contexte où les lampes "rétrécissaient", les dimensions et le poids du ballast ferromagnétique, nécessaires pour stabiliser le courant de décharge (à cause de la pente négative de la caractéristique courant-tension de l'arc), interdisaient toute tentative d'intégration. Par ailleurs, pour des raisons d'économie d'énergie, le nombre des lampes fluorescentes allait en augmentant pour remplacer les ampoules à incandescence ; les faux plafonds devaient supporter des poids croissants. L'ère du ballast électronique, léger et compact, intégré dans le culot de la lampe, était arrivée. La prise en compte des phénomènes aux électrodes et des interactions entre le plasma et son alimentation ont permis le choix de fréquences et de formes d'onde visant à favoriser la production de lumière ou à en modifier les propriétés. Il semble que, pour les lampes fluorescentes, en augmentant la fréquence d'alimentation, les électrodes s'usent plus lentement et la durée de vie de la lampe augmente. Si l'on supprime les électrodes en couplant la décharge au circuit de l'alimentation, de façon capacitive ou inductive, les lampes peuvent s'allumer instantanément et subir un cyclage intensif. La couleur de la lampe peut aussi être contrôlée. Dans le cas des lampes à haute pression, à l'équilibre thermodynamique, le mode d'alimentation ne peut plus influencer la fonction de distribution mais il affecte les termes du bilan énergétique. En ce qui concerne le contrôle de la couleur le résultat peut être similaire. Ainsi, une lampe commerciale utilisant le sodium à "haute pression" et fonctionnant sur ce principe a été réalisée. Elle peut passer d'une température de couleur de 2700 K (jaune), situation correspondant à une bonne efficacité mais à un mauvais indice de rendu de couleur, à une valeur de 3100 K (blanc) avec un meilleur indice de rendu de couleurs mais une efficacité inférieure. VII- Quels progrès pour demain ? Répondre à cette question est bien aléatoire, essayons cependant d'avancer quelques éléments de réponse qui nous permettrons aussi de situer les "défis" pour le futur dans le domaine des sources de lumière. Le premier de ces défis consiste en l'augmentation de l'efficacité lumineuse de la source. L'augmentation de cette efficacité, ne fût-ce que de quelques pour cent, constituerait un progrès important. Des estimations diverses indiquent que, compte tenu de l'augmentation de la demande de l'humanité pour l'éclairage, en utilisant simplement de façon plus raisonnée les sources existantes, nous pourrions économiser entre 10 et 15 % de l'énergie consommée pour l'éclairage dans les 10 années à venir. Il faut aussi rappeler que l'augmentation de l'efficacité entraînerait une diminution de la pollution de l'environnement liée du fait de la diminution de la production d'énergie nécessaire à l'éclairage. Dans l'état actuel des choses, une augmentation de 2 % de l'efficacité énergétique entraînerait une diminution de 6 à 7 millions de tonnes de la réjection du CO2 dans l'atmosphère, ce qui correspond à 1 % de la diminution prévue par les accords de Kyoto sur l'environnement. Actuellement, malgré tous les progrès de la science et de la technologie dans le domaine des lampes, l'efficacité maximale de ces systèmes stagne, depuis les années 70, autour de 100- 110 lm/W (cf. Figure 6, ci-dessus). Article_Zissis Page 9/12 La question qui se pose est alors la suivante : l'industrie des lampes a-t-elle atteint une sorte de "limite thermodynamique" ? Pour répondre à cette question essayons de déterminer ce que pourrait être une limite supérieure raisonnable pour l'efficacité d'une lampe produisant de la lumière blanche de bonne qualité. Figure 6 : Evolution de l'efficacité lumineuse de quelques sources de lumière En principe, pour obtenir de la lumière "blanche", il faut disposer d'un émetteur qui produise toutes les longueurs d'onde du spectre visible (entre 400 et 800 nm). Un corps noir, ayant une température de surface égale a TCN, présente un spectre d'émission continu dont la luminance spectrique LCN(λ,TCN), pour une longueur d'onde λ, est aussi une fonction de la température de surface du corps noir. Il s'agit d'une limite supérieure absolue : aucun corps à l'équilibre ne peut émettre plus de rayonnement qu'un corps noir. La portion du rayonnement visible produit par un corps noir peut alors s'écrire : ƒvis max (TCN ) = LCN (λ;TCN )dλ 400nm 800nm ∫ LCN (λ;TCN )dλ 0 ∞ ∫ 50 40 30 20 10 0 Fractionvisible(%) 8000600040002000 Temperature de surface (K) Figure 7 : Fraction de lumière visible émise entre 800 et 400nm par un corps noir à la température TCN Article_Zissis Page 10/12 La figure 7 montre le "poids" du spectre visible dans l'émission totale du corps noir en fonction de la température de surface. Nous constatons que cette fraction ne peut en aucun cas dépasser la moitié de la puissance rayonnée totale. La quantité de lumière émise dans l'étroite bande spectrale visible dépend de la température de l'objet ; elle est elle-même limitée par le point de fusion de ce dernier. Dans la nature le tungstène est le métal qui présente le point de fusion le plus élevé (~3400 °C). Il est facile à démontrer que, même dans ce cas favorable, la majeure partie du rayonnement émis par le tungstène incandescent se situe dans la partie infrarouge du spectre (λ>800 nm) ; à cette température seulement 27 % du rayonnement total est émis dans la région visible. La lampe à incandescence réalisée avec un tel filament ne peut donc présenter une efficacité énergétique supérieure à 12 %. Elle constitue donc une source de chaleur mais une piètre lampe ! En tenant compte maintenant de la réponse de l'œil humain aux différentes longueurs d'onde, V(λ) illustrée par le graphique ci-contre, cette valeur de 10 % correspond à une efficacité maximale de 14-15 lm/W. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 V(λ) 700650600550500450400 λ (nm) Figure 8 : Réponses scotopique et photopique moyenne de l'œil humain 800 600 400 200 0 750700650600550500450400 λ (nm) 0.3xL CN (Wm -2 nm -1 ) Vphot (λ) (lm W -1 ) 683 lm/W BB Figure 9 : Principe de calcul de l'efficacité maximale d'une source de lumière blanche Compte tenu des propriétés de l'œil humain, il est cependant possible de créer l'impression d'une lumière blanche à partir de l'émission de lumière dans deux (jaune, bleu), ou mieux, dans trois bandes spectrales seulement. Une bonne solution consiste à utiliser du bleu, du vert et du rouge. Dans ce contexte, l'efficacité lumineuse d'une lampe, qui n'émettrait que ces trois raies avec une intensité correspondante à celle du corps noir à 3 000 K, peut se calculer facilement (c. f. figure 9) : ηopt = V(λi )PCN (λi ;TCN = 3000K) i =1 3 ∑ Pin avec i =1 → rouge i = 2 → bleu i = 3 → vert      où PCN(λ;TCN)dλ représente la puissance émise dans un intervalle de longueur d'onde λ±∆λ et Pin la puissance injectée à la lampe. Une application numérique nous montre que cette efficacité maximale est égale à 300 lm/W. Cette valeur est pratiquement trois fois supérieure à Article_Zissis Page 11/12 la meilleure efficacité que l'on sait réaliser aujourd'hui. Il nous semble donc réaliste d'affirmer qu'il serait possible d'atteindre des efficacités lumineuses de l'ordre de 200 lm/W au moins en sacrifiant encore une puissance notable dans la conversion. Dans le domaine de l'éclairage, les qualités demandées touchent de plus en plus à l'aspect chromatique des sources, à leur durée de vie et à leur stabilité (chromatique en particulier) ainsi qu'à des conditions d'emploi adaptées (allumage et rallumage instantanés, dimensions). Les clés en sont sans doute d'une part une meilleure maîtrise de la chimie et des mouvements de fluides dans la source, d'autre part l'électronique (mode d'alimentation) et son adaptation à la lampe (électrodes ou couplage) et à la mise en régime. Enfin une meilleure modélisation de l'interaction réseau-source et du vieillissement des lampes pourrait très vraisemblablement diminuer le coût de la gestion (maintenance en particulier) des réseaux urbains d'éclairage. Augmenter la durée de vie de la lampe, améliorer son rendu de couleur, miniaturiser la source et le système, supprimer le mercure et autres éléments toxiques sans perte d'efficacité, obtenir une mise en régime instantanée…, voilà des objectifs intéressants pour le futur. La réalisation de ces objectifs ne sera pas atteinte en se basant uniquement sur la physique de la seule lampe, isolée de son environnement et de son application. L'enjeu consistera surtout à comprendre et à modéliser de façon détaillée un "système" complexe afin de pouvoir l'optimiser en fonction de son application. La figure 10 illustre le "système" à étudier et énumère quelques-unes des disciplines nécessaires à sa compréhension. RecepteurRecepteurLampeLampe hνSourceSource de puissancede puissance RéseauRéseau EnvironnementEnvironnement Energetique Architecture... Physiologie Ergonomie Psychologie... Physique de plasmas Chimie Materiaux... Génie électrique Electronique... Figure 10 : La lampe est un élément d'un système complexe Littérature générale Cayless, M.A., Brit. J. Appl. Phys., 11, 2, 1960. Cayless, M.A., A.M. Marsden, Lamps and Lighting, Edward Arnold Pub., London, 1983. Chang, P.Y., W. Shyy, K.T. Dakin, Int. J. Heat Mass Transfer, 33, 483, 1990. Article_Zissis Page 12/12 Damelincourt, J.J., L’arc electrique et ses applications, 2, 217, Ed. CNRS, Paris 1985. Elenbaas, W., The high pressure mercury vapor discharge, North Holland Pub., Amsterdam, 1951 De Groot, J.J., J.A.J.M. van Vliet, J. Phys. D, 8, 653, 1975. Jack, A.G., M. Koedam, J. of IES, 323, July 1974. Kenty, C., J. Appl. Phys. 21, 1309, 1950. Koedam, M., A.A. Kruithof, J. Riemens, Physica, 29, 565, 1963. Lister, G.G., Advanced technologies based on wave and beam generated plasmas, Kluwer Acad. Pub., Amsterdam, 1999. Maya, J., R. Lagushenko, Molecular and Optical Phys., 26, 321, 1990. Verweij, W. Philips Res. Rep. Sup., 2, 1, 1961. Vriens, L. R.A.J. Keijser, A.S. Ligthart, J. Appl. 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