Tout sur les illuminants et l'efficacité lumineuse

Comparer les éclairages :
Tout sur les différents types d´ampoules et l'efficacité lumineuses

En électronique, il existe une large gamme de lampes qui sont utilisées pour la signalisation optique. Les différents types des lampes diffèrent en termes de consommation électrique, d'efficacité lumineuse ou d'angle de rayonnement.

Les éclairages suivants sont installés dans les appareils de signalisation optique d'Auer Signal :

• LED
• Lampe flash au xénon
• Lampe à incandescence
• Lampe halogène

Les types d´ampoules LED comptent parmi les ampoules les plus modernes. Au fil du temps, elles se sont imposées comme technologie de pointe. Les lampes de signalisation d'Auer Signal utilisent principalement la technologie LED la plus moderne avec une luminosité particulièrement élevée et une longue durée de vie.

La lumière au xénon est présente dans certains feux à éclats d'Auer Signal. Le tube flash au xénon génère un effet de signalisation élevé grâce à des impulsions lumineuses intenses.

De nos jours, la lampe à incandescence classique n’est plus utilisée que rarement dans la signalisation optique. En raison de sa faible efficacité lumineuse et de sa faible résistance, ce type d´ampoule est inadaptée à la plupart des applications comparé à d'autres technologies d'éclairage telles que la technologie LED.

Les lampes halogènes fonctionnent de manière similaire aux lampes à incandescence, cependant comme elles sont remplies d'halogènes, elles ont une température de combustion plus élevée et donc une meilleure efficacité. Les dispositifs de signalisation avec lampes halogènes se retrouvent dans les feux clignotants, fixes et les gyrophares de la série M d’Auer Signal.

LA STRUCTURE D'UNE LAMPE A LED

Une lampe LED se compose généralement de 6 éléments :

• Une puce LED
• Une anode (+)
• Une cathode (-)
• Une cavité réfléchissante
• Une encapsulation
• Un fil d'or

La puce LED est montée sur la cavité réfléchissante. Cette cavité se trouve sur la cathode. Pour permettre le passage du courant entre la cathode et l'anode, un fil d'or (également appelé fil de liaison) relie l'anode à la puce LED sur la cathode. Cette construction est protégée par une lentille en plastique ou en résine époxy.

COMMENT FONCTIONNE UNE AMPOULE DE TYPE LED ?

La puce d'une LED est un élément semi-conducteur. Un semi-conducteur est constitué de deux cristaux de silicium, dont chacun est mélangé (doté) avec d'autres atomes étrangers. Dès que ces cristaux différemment dotés sont réunis, une "jonction pn" se produit au niveau de leur couche limite, l'une des parties du cristal présentant alors un excès d'électrons (cristal n), tandis que l'autre partie présente un manque d'électrons (cristal p). Les atomes auxquels il manque un électron pour cette raison sont appelés électrons défaillants ou "trous". La couche n est reliée à la cathode, la couche p à l'anode.

Pour créer un flux de courant entre la cathode (-) et l'anode (+), il faut les mettre sous tension. Cela crée un flux de courant à travers le fil d'or de la couche n à la couche p. Les électrons de la couche avec un excès d'électrons passent dans la couche avec un manque d'électrons, où ils se recombinent avec les "trous".

Lors de ce complètement de l'atome, de l'énergie est libérée sous la forme d'une onde électromagnétique (photon). L'énergie et donc la longueur d'onde de cette onde électromagnétique est déterminée par le type de dotation. Si le réglage est correct, la longueur d'onde se situe dans le domaine visible de l'œil humain, ce qui permet de régler différentes couleurs, puisque la perception des couleurs par l'œil humain se fait par le biais de la longueur d'onde de la lumière (= rayonnement électromagnétique).

La lumière atteint la moitié supérieure de la diode électroluminescente à travers la cuvette réfléchissante. L'encapsulation protège le semi-conducteur, assure un bon angle de faisceau et une meilleure efficacité lors du couplage de la lumière. Les formes spéciales de l'enrobage ou des lentilles en plastique fixées peuvent influencer l'angle du faisceau. Grâce à sa conception compacte, le type d´ampoule LED est résistante aux chocs et aux vibrations.

La durée de vie des LED est très longue et est généralement estimée à plus de 100 000 heures. Cela correspond à une période d'éclairage ininterrompu de douze ans. Après cela, la diode électroluminescente n'est pas "sombre", mais tombe en dessous du flux lumineux normal d'environ 30 %. Le rendement lumineux diminue simplement. La durée de vie dépend des conditions d'utilisation, notamment de la température ambiante. En règle générale, les LED ayant un rendement plus élevé ont également une durée de vie un peu plus courte (au moins 30 000h ou 50 000h).

Outre la durée de vie, les principaux arguments en faveur de l'utilisation de types de lampes LED sont qu'elles ne nécessitent aucun entretien, qu'elles résistent aux vibrations et aux chocs et qu'elles ne consomment que très peu d'énergie.

QUE SONT L'ANGLE DU FAISCEAU ET L'EFFICACITE LUMINEUSE DES LAMPES LED ?

L'angle du faisceau indique la taille du cône de lumière produit par une source lumineuse. L'angle du faisceau est donné en degrés.
Les LED sont des sources lumineuses punctiformes et sont des spots dits lambertiens. Elles n'émettent donc pas de lumière de manière uniforme comme les lampes à incandescence, par exemple. Il existe différentes techniques pour rendre la lumière des LED uniforme, par exemple pour créer un luminaire dont l'intensité lumineuse est uniforme dans toutes les directions ou pour estomper le caractère punctiforme des LED. Par exemple, les LED peuvent simplement être disposées en cercle.

Des lentilles placées sur les LED peuvent influencer positivement l'angle du faisceau. Des nervures sur les calottes des lampes dévient la lumière dans différentes directions souhaitées pour créer une lumière uniforme. Il est également courant de diviser les points lumineux d’une LED en une multitude de points plus petits. Une couche diffuse, par exemple une feuille, peut réfracter la lumière. Un matériau diffus de la calotte peut également être utilisé afin d’obtenir une surface uniformément éclairée.

Cependant, pour les luminaires de signalisation, il est souhaité de diriger le flux de lumière. Les luminaires ont souvent un type de visibilité prépondérant. Par exemple, les feux de signalisation sont fortement orientés vers l'avant, les luminaires des barrières ou des colonnes de signalisation doivent être bien vus de côté, tandis que les luminaires sur les grues ou pour le montage en hauteur doivent avoir une forte visibilité axiale.

L'efficacité lumineuse fournit des informations sur l'efficacité d'une source de lumière. Lorsque de la lumière est générée par des sources lumineuses telles que les ampoules LED, les ampoules à incandescence ou les lampes à décharge au xénon, de l'énergie électrique est convertie. Selon le luminaire, plus ou moins d'énergie électrique est convertie en chaleur. Plus l'énergie électrique peut être convertie en lumière, plus l'efficacité lumineuse est élevée. Une efficacité lumineuse élevée est synonyme de haut rendement. L'efficacité lumineuse est exprimée en lumens par watt (lm/W).

Les LED d'Auer Signal émettent jusqu'à 200 lumens par watt, les LED standard jusqu'à 50 lumens par watt. En comparaison, l'efficacité lumineuse des lampes à incandescence est de 10 lm/W, celle des lampes halogènes de 25 lm/W et celle des tubes flash au xénon de 100 lm/W. Les lampes LED font donc partie des sources de lumière les plus efficaces et les plus respectueuses de l'environnement du marché.

Qu'est-ce qu'un tube flash au xénon ?

Un tube flash au xénon est une lampe à décharge de gaz dans laquelle un tube de verre est rempli de xénon, un gaz rare, et qui produit une lumière flash intense sous haute tension. Une lampe à décharge au xénon est utilisée partout où les signaux lumineux les plus puissants sont nécessaires. Aucun autre type de lampe ne peut produire une intensité lumineuse aussi élevée en si peu de temps.

En termes de bonne perception, on peut comparer une source lumineuse au xénon et au LED. Le rendement lumineux plus faible des LED peut être compensé par un séquençage plus rapide des impulsions lumineuses.

LA STRUCTURE D'UN TUBE FLASH AU XENON

Le tube flash au xénon se compose d'une ampoule de verre en quartz, remplie de xénon, un gaz rare. En plus du gaz, l'ampoule de verre est enrichie d'une petite quantité de mercure et d'halogénures métalliques. Les halogénures métalliques sont nécessaires pour la teinte de la lumière.

Deux électrodes en tungstène sont fusionnées à l'intérieur du tube à flash. La cathode est soudée sur une fine tige de tungstène, l'anode est de forme cylindrique. Pour déclencher l'allumage, il y a également une électrode d'allumage, qui, dans certains tubes, est déposée à la vapeur ou enroulée autour du tube sous la forme d'un simple fil.

COMMENT FONCTIONNE UNE AMPOULE DE TYPE LAMPE AU XENON?

Une tension continue de plusieurs centaines de volts est appliquée entre l'anode et la cathode, qui est fournie au préalable par un condensateur connecté en parallèle. Dès qu’une impulsion d'allumage de plusieurs kV est effectuée sur l'électrode d'allumage, le gaz à l'intérieur du tube s'ionise et un flux de courant s’effectue entre l'anode et la cathode. L'énergie électrique contenue dans le condensateur connecté en parallèle se décharge de ce fait instantanément via la lampe flash au xénon. Ceci produit des courants de plusieurs centaines d'ampères. La luminance est donc élevée, mais aussi très courte. La décharge se produit en quelques millisecondes.

Les lampes de xénon d’Auer Signal fonctionnent avec une fréquence de flash de 1 Hz à 1,4 Hz, le condensateur étant chargé pendant les pauses. Par conséquent, la première impulsion après l'allumage de la lumière est retardée car le condensateur doit d’abord être chargé une fois.

Qu'est-ce qu'une lampe à incandescence?

Une lampe à incandescence est un type d´ampoule dans lequel un mince fil métallique, généralement en tungstène, est amené à briller. En raison de sa forme, la lampe à incandescence est également appelée ampoule électrique.

Pendant longtemps, les lampes à incandescence ont été considérées comme la source de lumière standard pour de nombreuses applications. Beaucoup de gens connaissent encore l'ampoule à incandescence comme moyen d'éclairage pour le salon. En raison de leur forte consommation d'énergie, toutes les lampes à incandescence qui n'ont pas au moins la classe d'efficacité énergétique B sont désormais interdites dans l'Union Européenne et dans certains autres pays. Sont exclues de cette réglementation les lampes spéciales dont le but premier n'est pas d'éclairer. Cela inclut les luminaires pour la signalisation (règlement de l'UE 2015/1428).

Les premières lampes à incandescence ont été développées au milieu du 19e siècle. L'invention du socle à vis par Thomas Alva Edison a été particulièrement décisive dans ce développement. Ce fil, également appelé fil Edison, ressemble encore aujourd'hui au fil de tôle d'une ampoule classique. Une autre étape importante du développement de la lampe à incandescence fut l’utilisation du fil en tungstène au lieu des fils de carbone fabriqués en fibres de bois et de plantes qui étaient utilisés auparavant. Le fil de tungstène était de loin plus résistant à la chaleur que les autres filaments.

Une nouvelle évolution des types d'ampoule dans les années 1960 conduisit au développement des ampoules halogènes. En ajoutant un halogène à l'intérieur de la lampe, l'ampoule en verre ne se décolore plus et la paroi de l'ampoule reste transparente. L'efficacité lumineuse des lampes halogènes est donc supérieure à celle des lampes à incandescence.

STRUCTURE D'UNE LAMPE A INCANDESCENCE

Une ampoule à incandescence se compose de trois parties principales :

• Le culot
• L’ampoule en verre
• Le filament

Le culot d'une lampe à incandescence est constitué d'un fil de tôle. Il est utilisé pour mettre l'ampoule en contact avec une tension électrique.

La lampe en verre protège non seulement le filament à l'intérieur de la lampe, mais elle est également remplie de gaz inerte (généralement un mélange d'argon et d'azote). Le mélange gazeux est nécessaire pour éviter une évaporation trop rapide du filament.

Le filament, ou le fil incandescent, est produit en tungstène. Le tungstène est un matériau particulièrement résistant à la chaleur. Il atteint son point de fusion à 3422 °C et ne s'évapore que très lentement à haute température.

COMMENT FONCTIONNE UNE AMPOULE DE TYPE LAMPE A INCANDESCENCE ?

Le courant électrique circule dans la lampe à incandescence. Le flux de courant chauffe le fil de tungstène à des températures très élevées, supérieures à 2000 °C. L'énergie est ainsi rayonnée sur de larges longueurs d'onde. La majeure partie de l'énergie électrique est convertie en chaleur, le reste en lumière. Un inconvénient majeur des lampes à incandescence est que seule une très faible partie (environ 2,2 %) de l'énergie est convertie en lumière.

Lorsque le filament de tungstène s'est évaporé, l’ampoule est inutilisable. En moyenne, une ampoule à incandescence a une durée de vie de 1000 heures.

L'efficacité lumineuse d'une lampe à incandescence est d'environ 10 lm/W à une température de filament de 2800 K (Kelvin). À des températures plus élevées du fil de tungstène, l'efficacité lumineuse augmente, mais cela a un effet négatif sur la durée de vie de l'ampoule.

Qu'est-ce qu'une lampe halogène ?

Une lampe halogène utilise en principe la même technologie que la lampe à incandescence, c'est pourquoi les types de lampes halogènes sont également appelées lampes tungstène-halogène. Cependant, des gaz halogènes sont ajoutés aux gaz de remplissage. Ces halogènes permettent d’augmenter la température de combustion du fil de tungstène, ce qui améliore le rendement. En outre, l'ampoule en verre peut être rendue plus compacte.

Les lampes halogènes doivent être distinguées des lampes aux halogénures métalliques. La lumière d'une lampe aux halogénures métalliques est générée par une décharge de gaz et n'utilise donc pas le même principe de fonctionnement qu'une lampe halogène.

STRUCTURE D'UNE LAMPE HALOGENE

Une lampe halogène se compose, comme dans une lampe à incandescence, des trois mêmes éléments : Un socle, une ampoule en verre et un filament.

Contrairement aux lampes à incandescence, le culot des lampes halogènes est généralement un culot à broche et non un culot à visser. La petite ampoule de quartz est remplie de gaz brome. En raison de sa petite taille, il se réchauffe très rapidement et favorise ainsi la circulation du gaz avec le bromure de tungstène. À l'intérieur de l'ampoule en verre de quartz se trouve un filament en tungstène, qui se combine avec le brome pour former du bromure de tungstène.
En fonction de la tension électrique, un transformateur ou un ballast électronique est nécessaire.

COMMENT FONCTIONNENT LES AMPOULES DE TYPE HALOGENE ?

En termes de fonctionnement, les lampes halogènes et les lampes à incandescence ne diffèrent guère les unes des autres. Cependant, il existe une différence importante qui distingue les deux sources de lumière : du brome est ajouté à l’intérieur des ampoules de verre en quartz halogènes. Le brome, gaz de remplissage, appartient au groupe chimique des halogènes. C'est de là que vient le nom de lampe halogène.

L'avantage du brome est que ce gaz allonge la courte durée de vie d'un fil de tungstène. Comme pour les lampes à incandescence, le fil de tungstène est mis sous tension, convertissant l'énergie électrique en chaleur et en lumière.

Dans les lampes à incandescence, une petite quantité de tungstène se vaporise sur le fil de tungstène incandescent. Au fil du temps, cela conduit à un amincissement du fil de tungstène. C’est la raison de la durée de vie relativement courte des lampes à incandescence. D’autre part, le tungstène vaporisé se dépose sur la paroi de l'ampoule de verre des lampes à incandescence normales, ce qui explique leur noircissement. Plus la température du fil de tungstène est élevée, plus le tungstène s'évapore. C'est pourquoi la température de combustion du fil de tungstène est limitée dans les lampes à incandescence normales, ce qui limite leur efficacité.

Dans les lampes halogènes, en revanche, le brome se combine avec le tungstène qui s'évapore pour former du bromure de tungstène, qui ne se dépose pas sur la paroi de l'ampoule de verre. La température élevée de combustion du fil de tungstène décompose le bromure de tungstène et le tungstène libéré se précipite sur le fil de tungstène. Cela signifie que le fil de tungstène ne s'amincit pas. Pour cette raison, les lampes halogènes peuvent être utilisées à une température de combustion plus élevée. Cela améliore leur efficacité par rapport aux lampes à incandescence normales sans pour autant réduire leur durée de vie. En règle générale, dans les mêmes conditions de fonctionnement, les lampes halogènes ont une durée de vie au moins deux fois plus longue, que les lampes à incandescence classiques.