Lampes à décharge : types, fonctionnement, comment bien choisir les meilleures

Vous souhaitez acheter des lampes à décharge pour créer une ambiance particulière dans la pièce ? Ou cherchez-vous des ampoules pour stimuler la croissance des plantes en serre ? Équiper de sources lumineuses économiques rendra non seulement l'intérieur plus avantageux et aidera la culture des plantes, mais permettra également d'économiser de l'électricité, n'est-ce pas ?

Nous vous aiderons à vous familiariser avec la gamme d'appareils d'éclairage de type à décharge. L'article examine leurs caractéristiques, spécifications et domaines d'application des ampoules haute pression et basse pression. Des illustrations et des vidéos sont sélectionnées pour vous aider à trouver la meilleure option de lampes économes en énergie.

Structure et caractéristiques des lampes à décharge

Toutes les pièces principales de la lampe sont enfermées dans une ampoule en verre. C'est là que se produit la décharge de particules électriques. À l'intérieur, on peut trouver des vapeurs de sodium ou de mercure, ainsi que l'un des gaz inertes.

Comme remplissage gazeux, on utilise des options telles que l'argon, le xénon, le néon, le krypton. Les produits remplis de vapeur de mercure sont plus populaires.

Les principaux composants d'une lampe à décharge sont : un condensateur (1), un stabilisateur de courant (2), des transistors de commutation (3), un dispositif de suppression des interférences (4), un transistor (5).

Le condensateur assure un fonctionnement sans scintillement. Le transistor possède un coefficient de température positif qui permet un démarrage instantané de la lampe à décharge sans scintillement. Le fonctionnement de la structure interne commence après la génération d'un champ électrique dans le tube à décharge.

Au cours du processus, des électrons libres apparaissent dans le gaz. En heurtant les atomes de métal, ils les ionisent. Lors de la transition de certains d'entre eux, une énergie excessive apparaît, générant des sources lumineuses — des photons. L'électrode, qui est la source de lumière, se trouve au centre de la lampe à décharge. L'ensemble du système est réuni par le culot.

La lampe peut émettre différentes nuances de lumière que l'homme peut voir — des ultraviolets aux infrarouges. Pour rendre cela possible, la partie intérieure de l'ampoule est recouverte d'une solution fluorescente.

Domaines d'application des lampes à décharge

Les lampes à décharge sont utilisées dans de nombreux domaines différents. On les trouve le plus souvent dans les rues des villes, les ateliers de production, les magasins, les bureaux, les gares, les centres commerciaux. Elles sont également utilisées pour l'éclairage des panneaux publicitaires et des façades d'immeubles.

Les lampes à décharge sont également utilisées dans les phares de voitures. Le plus souvent, ce sont des lampes à haute efficacité lumineuse — les modèles au néon. Certains phares automobiles sont remplis de sels métallohalogénures, de xénon.

Les premiers appareils d'éclairage à décharge pour véhicules étaient désignés D1R, D1S. Les suivants — D2R et D2S, où S indique un schéma optique de projecteur et R un schéma réflecteur. Les ampoules à décharge sont également utilisées en photographie.

Sur la photo, des lampes à décharge impulsionnelles utilisées en photographie : IFK120 (a), IKS10 (b), IFK2000 (v), IFK500 (g), ISSH15 (d), IFP4000 (g)

Lors de la photographie, ces lampes permettent de contrôler le flux lumineux. Elles sont compactes, lumineuses et économiques. L'inconvénient est l'incapacité de gérer visuellement les ombres portées créées par la source lumineuse elle-même.

Dans le domaine agricole, les lampes à décharge sont utilisées pour l'irradiation des animaux, des plantes, ainsi que pour la stérilisation et la désinfection des produits. À cette fin, les lampes doivent avoir une longueur d'onde dans la gamme appropriée.

La concentration de la puissance de rayonnement est également très importante dans ce cas. C'est pourquoi les produits puissants sont les plus adaptés.

Types de lampes à décharge

Les lampes à décharge sont divisées en types selon le type d'éclairage, selon des paramètres tels que la pression, en fonction de l'objectif d'utilisation. Toutes produisent un flux lumineux spécifique. Sur la base de ces caractéristiques, elles se subdivisent en :

• appareils fluorescents;
• lampes à gaz luminescentes ;
• variantes à induction.

Dans les premiers, la source de lumière est constituée d'atomes, de molécules ou de leurs combinaisons, excités par une décharge dans un milieu gazeux.

Dans les deuxièmes – des luminophores, la décharge gazeuse active la couche photoluminescente recouvrant l'ampoule, de sorte que le dispositif d'éclairage commence à émettre de la lumière. Les lampes du troisième type fonctionnent grâce à l'incandescence des électrodes chauffées par la décharge gazeuse.

Les lampes au xénon destinées aux phares automobiles surpassent les homologues halogènes de plus du double en termes d'efficacité lumineuse et de luminosité.

En fonction du remplissage, les appareils à décharge d'arc sont divisés en lampes au mercure, au sodium, au xénon, lampes métallohalogénures et autres. Leur classification ultérieure dépend de la pression à l'intérieur de l'ampoule.

À partir d'une pression de 3×10⁴ Pa jusqu'à 10⁶ Pa, elles sont classées comme lampes à haute pression. Dans la catégorie basse pression, les appareils se situent lorsque la valeur du paramètre est comprise entre 0,15 et 10⁴ Pa. Au-delà de 10⁶ Pa, il s'agit de très haute pression.

Type n°1 — lampes à haute pression

Les RLVD se distinguent par le fait que le contenu de l'ampoule est soumis à une haute pression. Elles se caractérisent par un flux lumineux important combiné à une faible consommation d'énergie. Il s'agit généralement de modèles à vapeur de mercure, c'est pourquoi elles sont le plus souvent utilisées pour l'éclairage public.

Ces lampes à décharge offrent un rendement lumineux solide et fonctionnent efficacement par mauvais temps, mais elles supportent mal les basses températures.

Il existe plusieurs catégories de base de lampes à haute pression : DRT et DRL (à arc au mercure), DRI — similaires aux DRL, mais avec des iodures et une série de modifications créées à partir de celles-ci. Cette même série comprend également les lampes à arc au sodium (DNAT) et DKST — les lampes à arc au xénon.

Le premier développement est le modèle DRT. Dans le marquage, D signifie « à arc », le symbole R signifie « au mercure », et la lettre T dans le marquage indique que ce modèle est tubulaire. Visuellement, c'est un tube droit en verre de quartz. De chaque côté se trouvent des électrodes en tungstène. Elle est utilisée dans les installations d'irradiation. À l'intérieur, on trouve un peu de mercure et d'argon.

Sur les bords de la lampe DRT se trouvent des colliers avec des supports. Une bande métallique les relie, conçue pour faciliter l'allumage de la lampe.

Le raccordement de la lampe au réseau se fait en série avec un ballast à l'aide d'un circuit résonnant. Le flux lumineux de la lampe DRT est composé de 18 % de rayonnement ultraviolet, de 15 % de rayonnement infrarouge. Le même pourcentage correspond à la lumière visible. Le reste représente des pertes (52 %). Son utilisation principale est comme source fiable de rayonnement ultraviolet.

Pour l'éclairage de zones où la qualité du rendu des couleurs n'est pas très importante, on utilise les appareils d'éclairage DRL (à arc au mercure). Ici, il n'y a pratiquement pas de rayonnement ultraviolet. L'infrarouge représente 14%, la lumière visible 17%. Les pertes thermiques représentent 69%.

Les caractéristiques de conception des lampes DRL permettent de les allumer à partir de 220 V sans utiliser de dispositif d'amorçage à impulsion haute tension. En raison de la présence d'un ballast et d'un condensateur dans le circuit, les fluctuations du flux lumineux sont réduites et le facteur de puissance augmente.

Lorsque la lampe est connectée en série avec le ballast, une décharge luminescente se produit entre les électrodes auxiliaires et les électrodes principales adjacentes. L'intervalle de décharge s'ionise et il en résulte une décharge entre les électrodes principales en tungstène. Le fonctionnement des électrodes d'amorçage cesse.

La lampe DRL se compose de : l'ampoule (1), les électrodes principales (2), les électrodes auxiliaires (3), les résistances (4), le brûleur (tube en quartz) (5), le culot (6).

Les brûleurs DRL ont généralement quatre électrodes : deux de travail, deux d'amorçage. Leur intérieur est rempli de gaz inertes auxquels on ajoute une certaine quantité de mercure.

Les lampes aux halogénures métalliques DRI appartiennent également à la catégorie des appareils à haute pression. Leur efficacité lumineuse et leur qualité de rendu des couleurs sont supérieures à celles des précédentes. La composition des additifs influence l'aspect du spectre d'émission. La forme de l'ampoule, l'absence d'électrodes supplémentaires et de revêtement de luminophore sont les principales différences entre les lampes DRI et DRL.

Le schéma de branchement des lampes DRL au réseau comprend un IZU — dispositif d'allumage par impulsion. Les tubes des lampes contiennent des composants appartenant au groupe des halogènes. Ceux-ci améliorent la qualité du spectre de la lumière visible.

Le gaz inerte dans l'ampoule de la lampe MGL sert de tampon. Pour cette raison, le courant électrique traverse le brûleur même lorsque celui-ci est à basse température.

Au fur et à mesure du chauffage, le mercure et les additifs s'évaporent, modifiant ainsi la résistance de la lampe, le flux lumineux et le spectre émis. Sur la base de ces appareils ont été créés les modèles DRIZ et DRICh. La première lampe est utilisée dans les locaux poussiéreux et humides, ainsi que dans les locaux secs. La seconde sert à éclairer les tournages de télévision en couleur.

Les lampes au sodium DNaT sont les plus efficaces. Cela est dû à la longueur d'onde émise — 589 – 589,5 nm. Les appareils au sodium à haute pression fonctionnent avec une valeur de ce paramètre d'environ 10 kPa.

Un matériau spécial est utilisé pour les tubes à décharge de ces lampes : une céramique translucide. Le verre silicaté ne convient pas à cet usage car les vapeurs de sodium sont très dangereuses pour lui. Les vapeurs de sodium actif introduites dans l'ampoule ont une pression comprise entre 4 et 14 kPa. Elles sont caractérisées par de faibles potentiels d'ionisation et d'excitation.

Les caractéristiques électriques des lampes au sodium dépendent de la tension du réseau et de la durée de fonctionnement. Pour une combustion prolongée, un appareillage de commande et de démarrage est nécessaire.

Pour compenser les pertes de sodium inévitables lors de la combustion, un certain excès est nécessaire. Cela entraîne une relation proportionnelle entre les indicateurs de pression du mercure, du sodium et la température du point froid. Dans ce point froid, l'excès d'amalgame se condense.

Lorsque la lampe brûle, des produits de vaporisation se déposent à ses extrémités, ce qui provoque un noircissement des bouts de l'ampoule. Ce processus s'accompagne d'une augmentation de la température de la cathode et d'une hausse de la pression du sodium et du mercure. En conséquence, le potentiel et la tension de la lampe augmentent. Lors de l'installation des lampes au sodium, les ballasts des lampes DRL et DRI ne conviennent pas.

Type n°2 — lampes à basse pression

Dans la cavité interne de ces appareils se trouve un gaz à une pression inférieure à la pression externe. On les divise en LL et KLL et on les utilise non seulement pour l'éclairage des points de vente, mais aussi pour l'aménagement domestique. Les lampes fluorescentes dans cette série sont les plus populaires.

La conversion de l'énergie électrique en lumière se fait en deux étapes. Le courant entre les électrodes provoque un rayonnement dans les vapeurs de mercure. Le principal composant de l'énergie radiante ainsi produite est le rayonnement UV à ondes courtes. La lumière visible ne représente qu'environ 2%. Ensuite, le rayonnement de l'arc dans le luminophore se transforme en lumière.

Le marquage des lampes fluorescentes contient à la fois des lettres et des chiffres. Le premier symbole est la caractéristique du spectre d'émission et les caractéristiques de construction, le second est la puissance en watts.

Décodage des lettres :

• LD — lampe fluorescente à lumière du jour ;
• LB — lampe à lumière blanche ;
• LKhB — également lumière blanche, mais froide ;
• LTBS — lumière blanche chaude.

Certains appareils d'éclairage ont une composition spectrale améliorée pour obtenir un rendu des couleurs plus parfait. Leur marquage comporte le symbole « TS ». Les lampes fluorescentes fournissent aux pièces une lumière uniforme et douce.

L'avantage des lampes LL est qu'elles nécessitent une puissance plusieurs fois inférieure pour produire le même flux lumineux que les lampes à incandescence. Leur durée de vie est également plus longue et leur spectre d'émission est bien plus favorable.

La surface d'émission des LL est assez grande, il est donc difficile de contrôler la répartition spatiale de la lumière. Dans des conditions non standard, notamment en cas de forte poussière, on utilise des lampes réflectrices. Dans ce cas, la surface intérieure de l'ampoule n'est pas entièrement recouverte par une couche réfléchissante diffuse, mais seulement aux deux tiers.

Le luminophore recouvre 100% de la surface intérieure. La partie de l'ampoule sans revêtement réfléchissant laisse passer un flux lumineux bien supérieur à celui d'un tube ordinaire de même volume — environ 75%. On peut reconnaître ces lampes à leur marquage : il comporte la lettre « R ».

Dans certains cas, la caractéristique principale des lampes fluorescentes est la température de couleur T_c. On l'assimile à la température du corps noir émettant la même chromaticité. Par leur forme, les lampes fluorescentes peuvent être linéaires, en U, en forme de W, annulaires. La désignation de ces lampes inclut une lettre correspondante.

Les appareils les plus populaires ont une puissance de 15 à 80 W. Avec un rendement lumineux de 45 à 80 lm/W, la durée de combustion des LL est d'au moins 10 000 heures. La qualité de fonctionnement des LL est fortement influencée par l'environnement. La température extérieure de travail est considérée comme étant de 18 à 25°C.

En cas d'écart, le flux lumineux, l'efficacité lumineuse et la tension d'amorçage diminuent. À basse température, la probabilité d'amorçage est proche de zéro.

Le ballast de la lampe fluorescente compacte (LFC) est beaucoup plus compact que celui d'un tube fluorescent. Grâce au ballast électronique, la lumière est devenue plus uniforme et le bourdonnement a disparu.

Les lampes à basse pression comprennent également les lampes fluorescentes compactes (LFC).

Leur structure est similaire à celle des tubes fluorescents classiques :

1. Une haute tension passe entre les électrodes.
2. Les vapeurs de mercure s'enflamment.
3. Une lumière ultraviolette apparaît.

Le luminophore à l'intérieur du tube rend les rayons ultraviolets invisibles à l'œil humain. Seule la lumière visible devient perceptible. La conception compacte de l'appareil est devenue possible après la modification de la composition du luminophore. Les LFC, tout comme les lampes à incandescence classiques, ont des puissances différentes, mais les valeurs des premières sont nettement inférieures.

Les données de puissance des LFC sont intégrées dans le marquage de l'appareil lumineux. On y trouve également des informations sur le type de culot, la température de couleur, le type de ballast électronique (intégré ou externe) et l'indice de rendu des couleurs.

La mesure de la température de couleur s'effectue en kelvins. Une valeur de 2700 à 3300 K indique une couleur chaude avec une teinte jaune. 4200 à 5400 correspond à un blanc normal, 6000 à 6500 à un blanc froid avec une teinte bleutée, 25000 à un violet. La tonalité chromatique est ajustée en modifiant les composants du luminophore.

L'indice de rendu des couleurs caractérise un paramètre tel que la conformité de la couleur naturelle avec la norme, aussi proche que possible de la lumière solaire. Le noir absolu correspond à 0 Ra, la valeur maximale à 100 Ra. Les luminaires LFC se situent dans une plage de 60 à 98 Ra.

Les lampes au sodium, appartenant au groupe basse pression, ont une température élevée au point le plus froid — 470 K. Une température plus basse ne permettrait pas de maintenir le niveau de concentration requis des vapeurs de sodium.

Le rayonnement de résonance du sodium atteint son pic à une température de 540 à 560 K. Cette valeur est comparable à une pression de vapeur de sodium de 0,5 à 1,2 Pa. Le rendement lumineux des lampes de cette catégorie est le plus élevé par rapport aux autres luminaires d'usage général.

Avantages et inconvénients des lampes à décharge

On trouve des lampes à décharge aussi bien dans les équipements professionnels que dans les instruments destinés à la recherche scientifique.

Les principaux avantages des luminaires de ce type sont généralement les caractéristiques suivantes :

• Un rendement lumineux élevé. Même un verre épais réduit très peu cet indicateur.
• Pratiques, grâce à leur longévité, ce qui permet de les utiliser pour l'éclairage extérieur.
• Résistance aux conditions climatiques difficiles. Jusqu'à la première baisse de température, on les utilise avec des luminaires ordinaires, et en hiver avec des lanternes et des phares spéciaux.
• Coût abordable.

Les inconvénients de ces lampes ne sont pas très nombreux. Une caractéristique désagréable est le niveau assez élevé de fluctuation du flux lumineux. Le deuxième inconvénient majeur est la difficulté d'allumage. Pour une combustion stable et un fonctionnement normal, elles ont simplement besoin d'un ballast qui limite la tension aux limites nécessaires aux appareils.

Le troisième inconvénient réside dans la dépendance des paramètres de combustion par rapport à la température atteinte, ce qui influence indirectement la pression de la vapeur de service dans l'ampoule.

C'est pourquoi la plupart des appareils à décharge atteignent leurs caractéristiques de combustion standard après un certain temps après la mise en marche. Leur spectre d'émission est limité, donc le rendu des couleurs des lampes à haute tension comme à basse tension n'est pas parfait.

Le tableau présente les informations principales sur les lampes DRL (à décharge de mercure fluorescentes) les plus populaires et sur la lampe au sodium. Les DRL à quatre électrodes ont un flux lumineux plus élevé que celles à deux électrodes.

Le fonctionnement des appareils n'est possible qu'en courant alternatif. Ils sont activés à l'aide d'une self ballast. Un certain temps est nécessaire pour le préchauffage. En raison de la présence de vapeur de mercure, ils ne sont pas totalement sûrs.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo #1. Informations sur les lampes à décharge. Qu'est-ce que c'est, principe de fonctionnement, avantages et inconvénients dans la vidéo suivante :

Vidéo #2. Tout savoir sur les lampes fluorescentes :

Malgré l'apparition de lampes de plus en plus performantes, les lampes à décharge ne perdent pas leur pertinence. Dans certains domaines, elles sont tout simplement irremplaçables. Avec le temps, les lampes à décharge trouveront forcément de nouvelles applications.

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