Tube fluorescent
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Vous avez de Un tube fluorescent est un type particulier de lampe électrique, qui produit de la lumière, grâce à une décharge électrique dans un tube.
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[modifier] Historique
[modifier] Les débuts
L'idée d'employer la fluorescence pour l'éclairage remonte à la deuxième 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 bien plus longue. Ces performances auraient pu propulser cette lampe sur le marché de l'éclairage... Seulement 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 donc développée selon le schéma de Becquerel, à partir de tubes à décharge sous basse pression.
[modifier] Le tube néon de 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 (inventé par Cooper-Hewitt en 1901), avec des tubes de Claude permettait l'obtention d'une lumière blanche de qualité relativement médiocre. De plus, ces lampes utilisaient des bains de mercure comme électrodes, ce qui donne lieu, comme on le sait aujourd'hui, à un très faible rendement de la source du fait de l'énergie considérable qu'il faut pour extraire les électrons des électrodes...
[modifier] 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 permis de réduire les pertes d'énergie au niveau des électrodes pour l'extraction des électrons. Ceci accroît ainsi énormément 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 afin de générer une lumière blanche. La conception de ces tubes était similaire 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 adéquates permis 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 crucial de design a permis des rendements plus élevés, la durée de vie de ces sources était cependant limitée à 2000 heures du fait de la déterioration 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 améliorant la qualité de la lumière émise. Depuis les années 1950, l'amélioration 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 afin de limiter les dommages causés par le plasma de mercure sur le revêtement fluorescent.
[modifier] 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 grandement 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 puis à 10 mm 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.
De plus, le pliage en deux ou quatre du tube à décharge a ouvert la perspective de lampes encore plus compactes dont la première fut créée par Philips (annoncée en 1976, introduite en 1980), Osram (1981) suivi par les autres fabriquants. 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.
[modifier] Techniques
Toutes les lampes fluorescentes génèrent la lumière visible via deux processus simultanés. D'une part, l'ionisation d'un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression sous l'effet d'un courant électrique génère une lumière dans la gamme des ultraviolets. Les conditions de décharges sont optimisées pour qu'un maximum (60-70%) de la puissance consommée soit rayonnée dans les deux raies de résonance du mercure à 184,9nm et 253,7nm. Ce rayonnement est ensuite converti en lumière visible à la surface du tube par un mélange binaire ou ternaire de poudres fluorescentes dont la composition est spécifique à la teinte de lumière que l'on désire obtenir. Un nom plus simple (mais inexact) leur est attribué par le langage populaire. Par analogie incorrecte avec les tubes contenant du gaz néon (qui lui produit une lumière rouge !), le nom de ce gaz est indûment attaché à l'appellation courante de ce système d'éclairage. En effet, la majorité des tubes fluorescents ne contiennent pas de néon et la couleur émise par ces lampes dépend surtout de la poudre fluorescente qui est employée. La géométrie de ces lampes ainsi que les moyens d'excitation du plasma de mercure peuvent prendre différentes formes selon les besoins.
[modifier] Tubes linéaires
Les tubes linéaires sont, de loin, les lampes fluorescentes les plus utilisées. La longueur de ces tubes varie 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 varie 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 afin de 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 très bon rendu des couleurs employant une poudre fluorescence à base de silicates et d'aluminates, souvant nommées lampes à "trois bandes" en référence à leur spectre d'émission. En plus d'une très bonne qualité de lumière (RCI 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 encore des halophosphates. Ces dernières ont une efficacité moindre (60-75 lm/W) et un 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 UV dont les tubes "lumière noire" employant une poudre fluorescente rayonnant autours 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 UVs générés par le plasma de mercure.
[modifier] Lampes fluocompactes
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 20 mm et 7 mm. En raison de l'emploi de ces lampes et 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 afin de rester au régime optimum de fonctionnement. Certaines lampes emploient des amalgames de mercure-étain ou mercure-bismuth, alors que d'autres sont pourvues d'appendices froids où le mercure se condense.
[modifier] Lampe à induction
Le facteur limitant la durée de vie des lampes fluorescente est l'usure des électrodes. La lampe ne peut plus fonctionner correctement si les électrodes ne peuvent plus fournir suffisamment d'électrons nécessaire 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.
[modifier] Utilisations et avantages
Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l'éclairage industriel, les magasins, grandes surfaces et les bureaux. C'est-à-dire en tout lieu où l'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 système d'éclairage. En effet, ce système d’éclairage, quoi que plus coûteux à l'investissement, se révèle beaucoup plus économique que les lampes à incandescence. Leur rendement de conversion électrique en lumière (efficacité lumineuse) atteint et dépasse souvent les 80 lumens par watt alors que les lampes classiques dépassent péniblement les 15 lumens par watt. Donc pour une même quantité de lumière, la consommation électrique est divisée par 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; en plus comme le tube est interchangeable et qu'il ne représente qu'une partie du système (ballast, starter, support, réflecteur), l'investissement est à long terme intéressant, avec des coûts de maintenance réduits.
