Lampe à décharge luminescente sous haute pression - Définition
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Les lampes à vapeur de sodium
L'intérêt de l'emploi du sodium est connu depuis les années 1930, quand les premières lampes fonctionnant à cette vapeur sous basse pression ont vu le jour. Si ces lampes ont bien aujourd'hui le meilleur rendement possible, leur très mauvais rendu des couleurs et leurs dimensions assez larges limitent leurs applications à l'éclairage de voies publiques. De ce fait, il a été très tôt envisagé d'accroître la pression de vapeur afin de dissiper plus de puissance par unité de longueur, et d'enrichir le spectre émis afin de rendre la lumière plus agréable à l'œil.
Les lampes aux halogénures métalliques
Historique
La lampe à vapeur de mercure ne s'est jamais vraiment imposée en dehors de l'éclairage industriel et routier, car la lumière émise reste médiocre en termes de qualité, même avec l'emploi de poudres fluorescentes. Différentes solutions ont été étudiées afin d'améliorer ces lampes. Dès 1912, C. Steinmetz propose l'addition de cadmium et de zinc dans les arcs au mercure afin de fournir un spectre plus riche, notamment dans le rouge, mais se traduisait invariablement par une diminution considérable de l'efficacité lumineuse.
Ce n'est qu'à la fin des années cinquante que des études indépendantes montrent que l'ajout de sels métalliques permet soit d'accroître l'efficacité lumineuse, soit d'améliorer la qualité de la lumière émise, mais pas les deux. En 1961, General Electric présente la première lampe aux halogénures métalliques commerciale, qui est, en fait, une lampe à vapeur de mercure avec du iodure de sodium, dont le rayonnement rouge-orange complète le spectre du mercure. Cette nouvelle lampe n'était pas entièrement satisfaisante car, si le rendu des couleurs était meilleur, la lumière émise avait une teinte assez rose. Ce n'est qu'à partir de 1965 que l'on réussit à obtenir une bonne teinte de lumière tout en doublant voire triplant l'efficacité lumineuse.
Depuis les années 1970 il y a eu relativement peu d'améliorations de cette technologie. Les exceptions majeures sont l'introduction des lampes compactes en 1981, sources utilisées pour l'éclairage commercial (boutiques, vitrines etc.), et l'emploi, en 1994, de tubes à arc (brûleur) en alumine fritté, permettant un gain de 30-50 % sur l'efficacité lumineuse avec un meilleur rendu des couleurs. Une variante de cette technologie est aussi apparue en 1991 : les phares au xénon qui équipent dorénavant les véhicules automobiles haut de gamme et remplaceront certainement à terme les lampes halogène pour l'éclairage de puissance des véhicules.
Aujourd'hui, les sources aux halogénures métalliques fournissent le meilleur compromis entre la qualité de lumière et l'efficacité lumineuse. Cependant, le prix de ces lampes est plus élevé que les sources au mercure, et nécessitent aussi un appareillage plus complexe. De plus, les sels métalliques corrodent le matériau du tube à arc, ce qui fait que la durée de vie est plus courte. Malgré ces inconvénients, ces lampes se sont très largement imposées dans l'éclairage commercial et sportif où une grande qualité de lumière est nécessaire, tout en garantissant de substantielles économies d'énergies face aux lampes à incandescence. La constante amélioration et miniaturisation des lampes à brûleur céramique et de leur alimentation électronique, font que ces lampes vont s'imposer encore plus, et ce dans des domaines jusque-là réservés aux lampes halogènes compactes.
Technologie
Lampes
La majorité des lampes aux halogénures métalliques ont une construction similaire à celle des lampes à vapeur de mercure haute pression. Un tube à décharge en quartz, muni de deux électrodes en tungstène, est enfermé dans une ampoule externe. En plus d'argon et du mercure, le tube à décharge est dosé avec différents sels métalliques, dont la composition et la quantité dépendent du type de lumière et des performances voulus. La distance entre les électrodes est plus courte que pour les lampes à vapeur de mercure afin de permettre une plus grande dissipation de puissance par centimètre d'arc. Les extrémités du tube à décharge sont aussi recouvertes d'un dépôt blanc d'oxyde de zirconium ou d'aluminium afin d'accroître la température du point le plus froid. Toutes ces mesures permettent d'obtenir un pression de vapeur de sels métalliques aussi élevée que possible afin de maximiser l'émission lumineuse.
Une autre technologie de tube à décharge emploi de l'alumine polycristallin fritté au lieu du quartz. Ce changement de matériau permet une plus grande température de fonctionnement et un gain de 20 à 30% sur l'efficacité lumineuse. La géométrie de ces tubes est aussi bien mieux contrôlée que celle des tubes en quartz, il en résulte que la dispersion de la température de couleur dans un groupe de lampes est considérablement réduite.
La présence de sels métalliques dans ces lampes a pour conséquence la pronation progressive d'halogénure de mercure gazeux dans le tube à décharge. Ce gaz étant électronégatif, la tension d'amorçage tend à croître avec le temps. Si en Europe et dans la plupart des autres pays on emploie de la haute tension pour amorcer ces lampes, celles d'Amérique du Nord sont pourvues d'électrodes auxiliaires, similaires à celles des lampes au mercure, et amorcées avec des tensions plus faibles.
Alimentations électriques
Les lampes aux halogénures métalliques des pays dont la tension secteur est supérieure à 200 V sont alimentées par une self-inductance connectée en série avec la lampe. Un amorceur électronique est connecté en série ou en parallèle et génère des impulsions de 3-4 kV afin de faire démarrer la lampe. Les pays dont la tension secteur est de l'ordre de 100-120 V emploient des autotransformateurs à dispersion de flux, dont la tension à vide est de l'ordre de 350 V. Ce voltage est suffisamment élevé pour permettre aux lampes munies d'électrodes auxiliaires de s'amorcer correctement.
L'emploi de ballasts électronique devient maintenant de plus en plus courant, et est quasiment systématique dans les luminaires des magasins et de centres commerciaux. L'emploi de l'électronique permet d'améliorer les performances des lampes, et offre des options comme la variation de l'intensité lumineuse ou la détection automatique de fin de vie de la lampe.
Gamme de produits
Il existe toute une gamme de lampes aux halogénures métalliques dont le remplissage correspond à une lumière particulière et donc un usage spécifique. La température de couleur s'échelonne de 2700 K (blanc chaud) jusqu'à 6500 K (lumière du jour) et plus pour des usages spéciaux. En termes de puissance, la gamme s'étend de 10 Watts, pour des torche de plongée sous-marine, jusqu'à 3500 watts pour l'éclairage de stades et de grands espaces.
Remarques
Les lampes aux halogénures métalliques présentent l'avenir des lampes à décharge haute pression, car leur évolution en termes de performance ne cesse de s'accroître; chaque mois il y a une nouvelle lampe de ce type, ou une amélioration qui est introduite, alors que dans les autres technologies l'évolution a atteint un plateau. Si aucune innovation majeure ne survient dans le domaine des lampes à vapeur de sodium et de mercure, alors les sources aux halogénures métalliques s'imposeront sans partage dans l'éclairage urbain de centre ville, et peut-être même dans l'éclairage domestique.
