Ampoule à incandescence

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Une ampoule à incandescence , une lampe à incandescence ou un globe lumineux à incandescence est une lumière électrique avec un filament chauffé jusqu’à ce qu’il brille. Le filament est enfermé dans une ampoule en verre avec un vide ou un gaz inerte pour protéger le filament de l’Oxydation . Le courant est fourni au filament par des bornes ou des fils intégrés dans le verre. Une douille d’ampoule fournit un support mécanique et des connexions électriques.

Une ampoule à incandescence de 230 volts avec un culot à vis mâle E27 (Edison 27 mm) de taille moyenne . Le filament est visible sous la forme d’une ligne principalement horizontale entre les fils d’alimentation verticaux. Une image au microscope électronique à balayage du filament de tungstène d’une ampoule à incandescence Lumière élaborée à Denver, Colorado

Les ampoules à incandescence sont fabriquées dans une large gamme de tailles, de flux lumineux et de tensions nominales, de 1,5 volts à environ 300 volts. Ils ne nécessitent aucun équipement de régulation externe , ont de faibles coûts de fabrication et fonctionnent aussi bien en courant alternatif qu’en courant continu . En conséquence, l’ampoule à incandescence est devenue largement utilisée dans l’éclairage domestique et commercial, pour l’éclairage portable tel que les lampes de table, les phares de voiture et les lampes de poche , et pour l’éclairage décoratif et publicitaire.

Les ampoules à incandescence sont beaucoup moins efficaces que les autres types d’éclairage électrique, convertissant moins de 5 % de l’énergie qu’elles utilisent en lumière visible. [1] L’énergie restante est perdue sous forme de chaleur. L’ efficacité lumineuse d’une ampoule à incandescence typique pour un fonctionnement en 120 V est de 16 lumens par watt, contre 60 lm/W pour une ampoule fluocompacte ou 150 lm/W pour certaines lampes à LED blanches . [2]

Certaines applications utilisent la chaleur générée par le filament. Les lampes chauffantes sont conçues pour des utilisations telles que les incubateurs , les lampes à lave et le jouet Easy-Bake Oven . Les radiateurs infrarouges halogènes à tube de quartz sont utilisés pour les processus industriels tels que le durcissement de la peinture ou le chauffage des locaux.

Les ampoules à incandescence ont généralement une durée de vie courte par rapport aux autres types d’éclairage ; environ 1 000 heures pour les ampoules domestiques contre généralement 10 000 heures pour les fluocompactes et 20 000 à 30 000 heures pour l’éclairage des LED. La plupart des ampoules à incandescence peuvent être remplacées par des lampes fluorescentes , des lampes à décharge à haute intensité et des lampes à diodes électroluminescentes (DEL). Certaines régions ont mis en place l’élimination progressive de l’utilisation des ampoules à incandescence pour réduire la consommation d’énergie.

Histoire

Les historiens Robert Friedel et Paul Israel énumèrent les inventeurs des lampes à incandescence avant Joseph Swan et Thomas Edison . [3] [ échec de la vérification ] Ils concluent [ la citation nécessaire ] que la version d’Edison a pu surpasser les autres en raison d’une combinaison de trois facteurs : un matériau Incandescent efficace, un vide plus élevé que d’autres ont pu atteindre (en utilisant le Sprengel pompe ) et une résistance élevée qui ont rendu la distribution d’énergie à partir d’une source centralisée économiquement viable.

L’historien Thomas Hughes a attribué le succès d’Edison à son développement d’un système complet et intégré d’éclairage électrique.

La lampe était un petit composant de son système d’éclairage électrique, et pas plus critique pour son fonctionnement efficace que le générateur Edison Jumbo , le principal et l’alimentation Edison et le système de distribution parallèle. D’autres inventeurs de générateurs et de lampes à incandescence, et d’ingéniosité et d’excellence comparables, ont longtemps été oubliés car leurs créateurs n’ont pas présidé à leur introduction dans un système d’ éclairage .

— Thomas P. Hughes, dans Technology at the Turning Point , édité par WB Pickett [4] [5]

Chronologie de l’évolution précoce de l’ampoule [6]

Premières recherches précommerciales

Ampoule à filament de carbone originale de la boutique de Thomas Edison à Menlo Park

En 1761, Ebenezer Kinnersley a démontré le chauffage d’un fil jusqu’à l’incandescence. [7]

En 1802, Humphry Davy a utilisé ce qu’il a décrit comme “une batterie de taille immense”, [8] composée de 2 000 cellules logées dans le sous-sol de la Royal Institution of Great Britain, [9] pour créer une lumière incandescente en faisant passer le courant à travers une fine bande de platine , choisie parce que le métal avait un point de fusion extrêmement élevé . Ce n’était pas assez brillant ni duré assez longtemps pour être pratique, mais c’était le précédent derrière les efforts de dizaines d’expérimentateurs au cours des 75 années suivantes. [dix]

Au cours des trois premiers quarts du XIXe siècle, de nombreux expérimentateurs ont travaillé avec diverses combinaisons de fils de platine ou d’iridium, de tiges de carbone et d’enceintes sous vide ou semi-vide. Beaucoup de ces dispositifs ont fait l’objet de démonstrations et certains ont été brevetés. [11]

En 1835, James Bowman Lindsay a démontré une lumière électrique constante lors d’une réunion publique à Dundee, en Écosse . Il a déclaré qu’il pouvait “lire un livre à une distance d’un pied et demi”. Cependant, il n’a pas développé la lumière électrique plus loin. [12]

En 1838, le lithographe belge Marcellin Jobard invente une ampoule à incandescence à atmosphère sous vide utilisant un filament de carbone. [13]

En 1840, le scientifique britannique Warren de la Rue a enfermé un filament de platine enroulé dans un tube à vide et y a fait passer un courant électrique. La conception était basée sur le concept que le point de fusion élevé du platine lui permettrait de fonctionner à des températures élevées et que la chambre évacuée contiendrait moins de molécules de gaz pour réagir avec le platine, améliorant sa longévité. Bien qu’il s’agisse d’une conception réalisable, le coût du platine le rendait peu pratique pour un usage commercial.

En 1841, Frederick de Moleyns d’Angleterre a obtenu le premier brevet pour une lampe à incandescence, avec une conception utilisant des fils de platine contenus dans une ampoule à vide. Il a également utilisé du carbone. [14] [15]

En 1845, l’Américain John W. Starr fait breveter une ampoule à incandescence utilisant des filaments de carbone. [16] [17] Son invention n’a jamais été produite commercialement. [18]

En 1851, Jean Eugène Robert-Houdin a fait la démonstration publique d’ampoules à incandescence dans son domaine de Blois, en France. Ses ampoules sont exposées au musée du Château de Blois . [un]

En 1859, Moses G. Farmer a construit une ampoule électrique à incandescence en utilisant un filament de platine. [19] Thomas Edison a vu plus tard une de ces ampoules dans un magasin de Boston et a demandé à Farmer des conseils sur le commerce de l’éclairage électrique.

Alexander Lodygin sur le timbre postal soviétique de 1951

En 1872, le russe Alexander Lodygin inventa une ampoule à incandescence et obtint un brevet russe en 1874. Il utilisa comme brûleur deux tiges de carbone de section diminuée dans un récipient en verre, hermétiquement scellé, et rempli d’azote, disposé électriquement de manière à ce que le courant puisse être passé au deuxième carbone lorsque le premier a été consommé. [20] Plus tard, il a vécu aux États-Unis, a changé son nom pour Alexander de Lodyguine et a demandé et obtenu des brevets pour des lampes à incandescence ayant des filaments de chrome , d’iridium , de rhodium , de ruthénium , d’osmium , de molybdène et de tungstène , [21]et une ampoule utilisant un filament de molybdène a été présentée à l’ exposition universelle de 1900 à Paris. [22]

Le 24 juillet 1874, un brevet canadien est déposé par Henry Woodward et Mathew Evans pour une lampe composée de tiges de carbone montées dans un cylindre de verre rempli d’azote. Ils n’ont pas réussi à commercialiser leur lampe et ont vendu les droits de leur brevet (brevet américain 0,181,613 ) à Thomas Edison en 1879. [23] [24]

Le 4 mars 1880, cinq mois seulement après l’ampoule d’Edison, Alessandro Cruto crée sa première lampe à incandescence. Cruto a réalisé un filament par dépôt de graphite sur des filaments fins de platine, en le chauffant avec un courant électrique en présence d’Alcool éthylique gazeux . Le chauffage de ce platine à haute température laisse derrière lui de fins filaments de platine recouverts de graphite pur. En septembre 1881, il avait réalisé une version réussie de ce premier filament synthétique. L’ampoule inventée par Cruto, a duré cinq cents heures par opposition aux quarante de la version originale d’Edison. En 1882, l’exposition électrique de Munich à Bavière, en Allemagne, la lampe de Cruto était plus efficace que celle d’Edison et produisait une meilleure lumière blanche. [25]

Heinrich Göbel en 1893 a affirmé qu’il avait conçu la première ampoule à incandescence en 1854, avec un mince filament de bambou carbonisé de haute résistance, des fils de plomb en platine dans une enveloppe entièrement en verre et un vide poussé. Les juges de quatre tribunaux ont émis des doutes sur la prétendue anticipation de Göbel , mais il n’y a jamais eu de décision lors d’une audience finale en raison de l’expiration du brevet d’Edison. Un travail de recherche publié en 2007 a conclu que l’histoire des lampes Göbel dans les années 1850 est une légende. [26]

Commercialisation

Filament de carbone et vide Lampes à incandescence de carbone, montrant l’assombrissement de l’ampoule Sir Joseph Wilson Cygne

Joseph Swan (1828-1914) était un physicien et chimiste britannique. En 1850, il commence à travailler avec des filaments de papier carbonisé dans une ampoule de verre sous vide. En 1860, il a pu faire la démonstration d’un appareil fonctionnel, mais l’absence d’un bon vide et d’une alimentation électrique adéquate a entraîné une courte durée de vie de l’ampoule et une source de lumière inefficace. Au milieu des années 1870, de meilleures pompes étaient devenues disponibles et Swan retourna à ses expériences. [27]

Plaque historique à Underhill , la première maison à être éclairée par des lumières électriques

Avec l’aide de Charles Stearn , un expert des pompes à vide, en 1878, Swan a développé une méthode de traitement qui a évité le noircissement précoce de l’ampoule. Cela a reçu un brevet britannique en 1880. [28] Le 18 décembre 1878, une lampe utilisant une fine tige de carbone a été présentée lors d’une réunion de la Newcastle Chemical Society , et Swan a fait une démonstration de travail lors de leur réunion le 17 janvier 1879. C’était également montré à 700 personnes qui ont assisté à une réunion de la Literary and Philosophical Society of Newcastle upon Tyne le 3 février 1879. [29]Ces lampes utilisaient une tige de carbone provenant d’une lampe à arc plutôt qu’un filament mince. Ainsi, ils avaient une faible résistance et nécessitaient de très gros conducteurs pour fournir le courant nécessaire, ils n’étaient donc pas commercialement pratiques, bien qu’ils aient fourni une démonstration des possibilités d’éclairage à incandescence avec un vide relativement poussé, un conducteur en carbone et des fils d’alimentation en platine. . Cette ampoule a duré environ 40 heures. [29] Swan a ensuite tourné son attention vers la production d’un meilleur filament de carbone et les moyens d’attacher ses extrémités. Il a conçu une méthode de traitement du coton pour produire du «fil parcheminé» au début des années 1880 et a obtenu le brevet britannique 4933 la même année. [28] À partir de cette année, il a commencé à installer des ampoules électriques dans des maisons et des points de repère en Angleterre. Sa maison,Underhill, Low Fell, Gateshead , a été le premier au monde à être éclairé par une ampoule. Au début des années 1880, il avait fondé son entreprise. [30] En 1881, le Savoy Theatre de la ville de Westminster , à Londres, était éclairé par des ampoules à incandescence Swan, qui étaient le premier théâtre et le premier bâtiment public au monde à être entièrement éclairés à l’électricité. [31] La première rue au monde à être éclairée par une ampoule à incandescence était Mosley Street, Newcastle upon Tyne , Royaume-Uni . Il a été éclairé par la lampe à incandescence de Joseph Swan le 3 février 1879. [32] [33]

Comparaison des ampoules Edison, Maxim et Swan, 1885 Lampes à filament de carbone Edison, début des années 1880 Thomas Alva Edison

Thomas Edison a commencé des recherches sérieuses sur le développement d’une lampe à incandescence pratique en 1878. Edison a déposé sa première demande de brevet pour “Amélioration des lumières électriques” le 14 octobre 1878. [34] Après de nombreuses expériences, d’abord avec du carbone au début des années 1880, puis avec du platine et d’autres métaux, Edison est finalement revenu à un filament de carbone. [35] Le premier test réussi a eu lieu le 22 octobre 1879, [36] [37] et a duré 13,5 heures. Edison a continué à améliorer cette conception et, le 4 novembre 1879, a déposé un brevet américain pour une lampe électrique utilisant “un filament ou une bande de carbone enroulé et connecté … à des fils de contact en platine”. [38]Bien que le brevet décrive plusieurs façons de créer le filament de carbone, y compris l’utilisation de “fils de coton et de lin, d’attelles de bois, de papiers enroulés de diverses manières”, [38] Edison et son équipe ont découvert plus tard qu’un filament de bambou carbonisé pouvait durer plus de 1200 heures. [39] En 1880, le bateau à vapeur de l’ Oregon Railroad and Navigation Company , Columbia , est devenu la première application pour les lampes électriques à incandescence d’Edison (c’était aussi le premier navire à utiliser une dynamo ). [40] [41] [42]

Albon Man , un avocat new-yorkais, a fondé Electro-Dynamic Light Company en 1878 pour exploiter ses brevets et ceux de William Sawyer . [43] [44] Des semaines plus tard, la United States Electric Lighting Company a été organisée. [43] [44] [45] Cette société n’a fait sa première installation commerciale de lampes à incandescence qu’à l’automne 1880 à la Mercantile Safe Deposit Company à New York, environ six mois après l’installation des lampes à incandescence Edison sur la Colombie . Hiram S. Maxim était l’ingénieur en chef de la United States Electric Lighting Company. [46]Après le grand succès aux États-Unis, l’ampoule à incandescence brevetée par Edison a également commencé à gagner en popularité en Europe également ; entre autres, les premières ampoules Edison des pays nordiques ont été installées dans la salle de tissage de l’ usine textile Finlayson à Tampere, en Finlande, en mars 1882. [47]

Lewis Latimer , employé à l’époque par Edison, a développé une méthode améliorée de traitement thermique des filaments de carbone qui a réduit la casse et leur a permis d’être moulés dans de nouvelles formes, telles que la forme caractéristique en “M” des filaments Maxim. Le 17 janvier 1882, Latimer a reçu un brevet pour le “Process of Manufacturing Carbons”, une méthode améliorée de production de filaments d’ampoules, qui a été achetée par la United States Electric Light Company. [48] ​​Latimer a breveté d’autres améliorations telles qu’une meilleure façon de fixer les filaments à leurs supports de fil. [49]

En Grande-Bretagne, les sociétés Edison et Swan ont fusionné pour former la Edison and Swan United Electric Company (plus tard connue sous le nom d’Ediswan, et finalement incorporée dans Thorn Lighting Ltd ). Edison était initialement contre cette combinaison, mais après que Swan l’ait Poursuivi en justice et ait gagné, Edison a finalement été contraint de coopérer et la fusion a été réalisée. Finalement, Edison a acquis toute la participation de Swan dans l’entreprise. Swan a vendu ses droits de brevet américains à la Brush Electric Company en juin 1882.

Brevet américain 0,223,898 de Thomas Edison pour une lampe électrique améliorée, 27 janvier 1880

L’ Office des brevets des États-Unis a rendu une décision le 8 octobre 1883, selon laquelle les brevets d’Edison étaient basés sur l’état de la technique de William Sawyer et étaient invalides. Le litige s’est Poursuivi pendant plusieurs années. Finalement, le 6 octobre 1889, un juge a statué que la demande d’amélioration de la lumière électrique d’Edison pour “un filament de carbone à haute résistance” était valide. [50]

En 1896, l’inventeur italien Arturo Malignani (1865-1939) a breveté une méthode d’évacuation pour la production de masse, qui a permis d’obtenir des ampoules économiques d’une durée de 800 heures. Le brevet a été acquis par Edison en 1898. [27]

En 1897, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst a développé la lampe Nernst , une forme de lampe à incandescence qui utilisait un globe en céramique et ne nécessitait pas d’enceinte sous vide ou de gaz inerte. [51] [52] Deux fois plus efficaces que les lampes à filament de carbone, les lampes Nernst ont été brièvement populaires jusqu’à ce qu’elles soient dépassées par les lampes utilisant des filaments métalliques.

Filament métallique, gaz inerte Hanaman (à gauche) et Just (à droite), les inventeurs des ampoules au tungstène Publicité hongroise de l’ampoule Tungsram de 1906. C’était la première ampoule qui utilisait un filament en tungstène au lieu de carbone. L’inscription se lit comme suit : lampe à fil avec un fil étiré – indestructible . Spectre d’une lampe à incandescence à 2200 K, montrant la majeure partie de son émission sous forme de lumière infrarouge invisible .

En 1902, Siemens a développé un filament de lampe au tantale qui était plus efficace que même les filaments de carbone graphitisés car ils pouvaient fonctionner à des températures plus élevées. Étant donné que le tantale métallique a une résistivité inférieure à celle du carbone, le filament de la lampe au tantale était assez long et nécessitait plusieurs supports internes. Le filament métallique s’est progressivement raccourci en cours d’utilisation; les filaments ont été installés avec de grandes boucles lâches. Les lampes utilisées pendant plusieurs centaines d’heures sont devenues assez fragiles. [53] Les filaments métalliques avaient la propriété de se casser et de se souder à nouveau, bien que cela réduise généralement la résistance et raccourcisse la durée de vie du filament. General Electric a acheté les droits d’utilisation des filaments de tantale et les a produits aux États-Unis jusqu’en 1913. [54]

De 1898 à 1905 environ, l’osmium a également été utilisé comme filament de lampe en Europe. Le métal était si cher que les lampes cassées usagées pouvaient être retournées pour un crédit partiel. [55] Il ne pouvait pas être fabriqué pour 110 V ou 220 V, donc plusieurs lampes ont été câblées en série pour une utilisation sur des circuits de tension standard.

Filament de tungstène

Le 13 décembre 1904, le Hongrois Sándor Just et le Croate Franjo Hanaman ont obtenu un brevet hongrois (n ° 34541) pour une lampe à filament de tungstène qui durait plus longtemps et donnait une lumière plus brillante que le filament de carbone. [27] Les lampes à filament de tungstène ont été commercialisées pour la première fois par la société hongroise Tungsram en 1904. Ce type est souvent appelé ampoules Tungsram dans de nombreux pays européens. [56] Remplissage d’une ampoule avec un gaz inerte tel que l’ argon ou l’azoteralentit l’évaporation du filament de tungstène par rapport à son fonctionnement sous vide. Cela permet des températures plus élevées et donc une plus grande efficacité avec moins de réduction de la durée de vie du filament. [57]

En 1906, William D. Coolidge a développé une méthode de fabrication de “tungstène ductile” à partir de tungstène fritté qui pourrait être transformé en filaments tout en travaillant pour General Electric Company . [58] En 1911, General Electric avait commencé à vendre des ampoules à incandescence avec du fil de tungstène ductile. [59]

En 1913, Irving Langmuir a découvert que le fait de remplir une lampe avec un gaz inerte au lieu d’un vide entraînait une efficacité lumineuse deux fois supérieure et une réduction du noircissement de l’ampoule. [ citation nécessaire ]

En 1917, Burnie Lee Benbow a obtenu un brevet pour le filament enroulé , dans lequel un filament enroulé est ensuite lui-même enroulé dans une bobine à l’aide d’un mandrin . [60] [61] En 1921, Junichi Miura a créé la première ampoule à double bobine en utilisant un filament de tungstène à bobine enroulée tout en travaillant pour Hakunetsusha (un prédécesseur de Toshiba ). À l’époque, les machines permettant de produire en masse des filaments enroulés n’existaient pas. Hakunetsusha a développé une méthode pour produire en masse des filaments de bobines enroulées en 1936. [62]

Entre 1924 et le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale, le cartel Phoebus a tenté de fixer les prix et les quotas de vente pour les fabricants d’ampoules à l’extérieur de l’Amérique du Nord. [63]

En 1925, Marvin Pipkin , un chimiste américain, a breveté un procédé pour givrer l’intérieur des ampoules sans les affaiblir. [64] En 1947, il a fait breveter un procédé pour enduire l’intérieur des lampes avec de la silice . [65]

En 1930, le hongrois Imre Bródy a rempli des lampes avec du gaz krypton plutôt qu’avec de l’argon et a conçu un procédé pour obtenir du krypton à partir de l’air. La production de lampes remplies de krypton basées sur son invention a commencé à Ajka en 1937, dans une usine co-conçue par Polányi et le physicien d’origine hongroise Egon Orowan . [66]

En 1964, les améliorations de l’efficacité et de la production de lampes à incandescence avaient réduit le coût de fourniture d’une quantité donnée de lumière d’un facteur de trente, par rapport au coût lors de l’introduction du système d’éclairage d’Edison. [67]

La consommation d’ampoules à incandescence a augmenté rapidement aux États-Unis. En 1885, environ 300 000 lampes de service d’éclairage général ont été vendues, toutes avec des filaments de carbone. Lorsque les filaments de tungstène ont été introduits, environ 50 millions de douilles de lampe existaient aux États-Unis. En 1914, 88,5 millions de lampes étaient utilisées (seulement 15% avec des filaments de carbone), et en 1945, les ventes annuelles de lampes étaient de 795 millions (plus de 5 lampes par personne et par an). [68]

Efficacité et efficience

Lampe halogène au xénon avec un culot E27, qui peut remplacer une ampoule non halogène

Plus de 95 % de l’énergie consommée par une ampoule à incandescence typique est convertie en chaleur plutôt qu’en lumière visible. [1] D’autres sources lumineuses électriques sont plus efficaces.

Image thermique d’une ampoule à incandescence. 22–175 °C = 71–347 °F.

Pour une quantité de lumière donnée, une ampoule à incandescence consomme plus d’énergie et émet plus de chaleur qu’une lampe fluorescente . Dans les bâtiments où la climatisation est utilisée, la production de chaleur des lampes à incandescence augmente la charge sur le système de climatisation. [69] Alors que la chaleur des lumières réduira la nécessité de faire fonctionner le système de chauffage d’un bâtiment, ce dernier peut généralement produire la même quantité de chaleur à moindre coût que les lampes à incandescence.

Par rapport aux autres types d’éclairage à incandescence (non halogènes), les lampes halogènes à incandescence émettront la même quantité de lumière en utilisant moins d’énergie et une sortie plus constante dans le temps, avec peu de gradation. [70]

L’ efficacité lumineuse d’une source lumineuse est le rapport entre la lumière visible et la puissance d’entrée totale de la source, telle qu’une lampe. [71] La lumière visible est mesurée en lumens , une unité qui est définie en partie par la sensibilité différente de l’œil humain à différentes longueurs d’onde de lumière (voir la fonction de luminosité ). Toutes les longueurs d’onde ne sont pas aussi efficaces pour stimuler l’œil humain. Les unités d’efficacité lumineuse sont les lumens par watt (lpw). Par définition, l’efficacité maximale est de 683 lm/W pour une lumière verte monochromatique. Une source de lumière blanche avec toutes les longueurs d’onde visibles présentes a une efficacité inférieure, environ 250 lumens par watt.

L’ efficacité lumineuse est définie comme le rapport de l’efficacité lumineuse à l’efficacité lumineuse maximale théorique de 683 lpw pour la lumière verte. [72] [73]

Le tableau ci-dessous répertorie les valeurs d’efficacité lumineuse et d’efficacité pour certains services généraux, 120 volts, ampoule à incandescence d’une durée de vie de 1000 heures et plusieurs sources de lumière idéales. Un graphique plus long de l’ efficacité lumineuse compare un éventail plus large de sources lumineuses.

Taper Efficacité lumineuse globale Efficacité lumineuse globale (lm/W)
Incandescence au tungstène de 40 W 1,9 % 12.6 [1]
Incandescence au tungstène de 60 W 2,1 % 14.5 [1]
Incandescence tungstène 100 W 2,6 % 17.5 [1]
Verre halogène 2,3 % 16
Quartz halogène 3,5 % 24
Lampes photographiques et de projection avec des températures de filament très élevées et des durées de vie courtes 5,1 % 35 [74]
Radiateur corps noir idéal à 4000 K 7,0 % 47,5
Radiateur corps noir idéal à 7000 K 14% 95
Source monochromatique idéale de 555 nm (vert) 100% 683

Le spectre émis par un radiateur à corps noir à des températures d’ampoules à incandescence ne correspond pas aux caractéristiques de l’œil humain, la majeure partie du rayonnement étant dans la plage que l’œil ne peut pas voir. Une limite supérieure pour l’efficacité lumineuse des lampes à incandescence est d’environ 52 lumens par watt, la valeur théorique émise par le tungstène à son point de fusion. [67]

Rendu des couleurs

Le spectre de lumière produit par une lampe à incandescence se rapproche étroitement de celui d’un radiateur à corps noir à la même température. [75] La base des sources lumineuses utilisées comme norme pour la perception des couleurs est une lampe à incandescence au tungstène fonctionnant à une température définie. [76]

Répartition spectrale de la puissance d’une ampoule à incandescence de 25 W.

Les sources lumineuses telles que les lampes fluorescentes, les lampes à décharge à haute intensité et les lampes à LED ont une efficacité lumineuse plus élevée. Ces appareils produisent de la lumière par luminescence . Leur lumière a des bandes de longueurs d’onde caractéristiques, sans la “queue” des émissions infrarouges invisibles, au lieu du spectre continu produit par une source thermique. En sélectionnant avec soin des revêtements ou des filtres fluorescents luminophores qui modifient la distribution spectrale, le spectre émis peut être réglé pour imiter l’apparence de sources incandescentes ou d’autres températures de couleur différentes.de lumière blanche. Lorsqu’elles sont utilisées pour des tâches sensibles à la couleur, telles que l’éclairage de films cinématographiques, ces sources peuvent nécessiter des techniques particulières pour reproduire l’apparence d’un éclairage Incandescent. [77] Le métamérisme décrit l’effet de différentes distributions du spectre lumineux sur la perception de la couleur.

Coût de l’éclairage

Le coût initial d’une ampoule à incandescence est faible par rapport au coût de l’énergie qu’elle utilise au cours de sa durée de vie. Les ampoules à incandescence ont une durée de vie plus courte que la plupart des autres éclairages, un facteur important si le remplacement est peu pratique ou coûteux. Certains types de lampes, notamment les lampes à incandescence et les lampes fluorescentes, émettent moins de lumière en vieillissant. cela peut être un inconvénient ou réduire la durée de vie effective en raison du remplacement de la lampe avant une panne totale. Une comparaison du coût de fonctionnement de la lampe à incandescence avec d’autres sources lumineuses doit inclure les exigences d’éclairage, le coût de la lampe et le coût de la main-d’œuvre pour remplacer les lampes (en tenant compte de la durée de vie effective de la lampe), le coût de l’électricité utilisée, l’effet du fonctionnement de la lampe sur les systèmes de chauffage et de climatisation . Lorsqu’il est utilisé pour l’éclairage dans les maisons et les bâtiments commerciaux,système de climatisation . Pendant la saison de chauffage, la chaleur produite par les ampoules n’est pas gaspillée, [78] bien que dans la plupart des cas, il soit plus rentable d’obtenir la chaleur du système de chauffage. Quoi qu’il en soit, au cours d’une année, un système d’éclairage plus efficace permet d’économiser de l’énergie dans presque tous les climats. [79]

Mesures d’interdiction d’utilisation

Étant donné que les ampoules à incandescence consomment plus d’énergie que les alternatives telles que les ampoules fluocompactes et les lampes à LED , de nombreux gouvernements ont introduit des mesures pour interdire leur utilisation, en fixant des normes d’efficacité minimales supérieures à celles pouvant être atteintes par les lampes à incandescence. Des mesures visant à interdire les ampoules électriques ont été mises en œuvre dans l’Union européenne, aux États-Unis, en Russie, au Brésil, en Argentine, au Canada et en Australie, entre autres. En Europe, la CE a calculé que l’interdiction contribue de 5 à 10 milliards d’euros à l’économie et économise 40 TWh d’électricité chaque année, se traduisant par des réductions d’émissions de CO 2 de 15 millions de tonnes. [80]

Les objections à l’interdiction de l’utilisation des ampoules à incandescence incluent le coût initial plus élevé des alternatives et la qualité inférieure de la lumière des lampes fluorescentes. [81] Certaines personnes s’inquiètent des effets des lampes fluorescentes sur la santé.

Des efforts pour améliorer l’efficacité

Certaines recherches ont été menées pour améliorer l’efficacité des lampes à incandescence commerciales. En 2007, General Electric a annoncé un projet de lampe à incandescence à haut rendement (HEI), qui, selon eux, serait finalement jusqu’à quatre fois plus efficace que les lampes à incandescence actuelles, bien que leur objectif de production initial était d’être environ deux fois plus efficace. [82] [83] Le programme HEI a pris fin en 2008 en raison de la lenteur des progrès. [84] [85]

Les recherches du département américain de l’énergie aux Sandia National Laboratories ont initialement indiqué le potentiel d’amélioration spectaculaire de l’efficacité d’un filament de réseau photonique . [82] Cependant, des travaux ultérieurs ont indiqué que les résultats initialement prometteurs étaient erronés. [86]

Incitées par la législation de divers pays exigeant une efficacité accrue des ampoules, les ampoules à incandescence hybrides ont été introduites par Philips . Les ampoules à incandescence Halogena Energy Saver peuvent produire environ 23 lm/W ; environ 30 % plus efficace que les ampoules à incandescence traditionnelles, en utilisant une capsule réfléchissante pour réfléchir le rayonnement infrarouge autrefois perdu vers le filament à partir duquel une partie est réémise sous forme de lumière visible. [81] Ce concept a été lancé par Duro-Test en 1980 avec un produit commercial qui produisait 29,8 lm/W. [87] [88] Réflecteurs plus avancés basés sur des filtres interférentiels ou des cristaux photoniquespeut théoriquement se traduire par une efficacité supérieure, jusqu’à une limite d’environ 270 lm/W (40 % de l’efficacité maximale possible). [89] Des expériences de preuve de concept en laboratoire ont produit jusqu’à 45 lm/W, se rapprochant de l’efficacité des ampoules fluorescentes compactes. [89] [90]

Construction

Les ampoules à incandescence sont constituées d’une enceinte en verre étanche à l’air (l’enveloppe ou l’ampoule) avec un filament de fil de tungstène à l’intérieur de l’ampoule, à travers lequel passe un courant électrique . Des fils de contact et une base avec deux conducteurs (ou plus) fournissent des connexions électriques au filament. Les ampoules à incandescence contiennent généralement une tige ou une monture en verre ancrée à la base de l’ampoule qui permet aux contacts électriques de traverser l’enveloppe sans fuite d’air ou de gaz. De petits fils encastrés dans la tige supportent à leur tour le filament et ses fils conducteurs.

Un courant électrique chauffe le filament à généralement 2000 à 3300 K (1730 à 3030 ° C; 3140 à 5480 ° F), bien en dessous du point de fusion du tungstène de 3695 K (3422 ° C; 6191 ° F). Les températures des filaments dépendent du type, de la forme, de la taille et de la quantité de courant consommé. Le filament chauffé émet une lumière qui se rapproche d’un spectre continu . La partie utile de l’énergie émise est la lumière visible , mais la plus grande partie de l’énergie est émise sous forme de chaleur dans les longueurs d’onde du proche infrarouge .

Ampoules

La plupart des ampoules ont du verre clair ou enduit. Les ampoules en verre enduit ont de l’argile de kaolin soufflée et déposée électrostatiquement à l’intérieur de l’ampoule. La couche de poudre diffuse la lumière du filament. Des pigments peuvent être ajoutés à l’argile pour ajuster la couleur de la lumière émise. Les ampoules diffuses au kaolin sont largement utilisées dans l’éclairage intérieur en raison de leur lumière relativement douce. D’autres types d’ampoules colorées sont également fabriquées, y compris les différentes couleurs utilisées pour les “ampoules de fête”, les lumières d’ arbre de Noël et d’autres éclairages décoratifs. Ceux-ci sont créés en colorant le verre avec un dopant ; qui est souvent un métal comme le cobalt (bleu) ou le chrome (vert). [91]Le verre contenant du néodyme est parfois utilisé pour fournir une lumière d’apparence plus naturelle.

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  1. Aperçu de l’ampoule en verre
  2. Gaz inerte basse pression ( argon , azote , krypton , xénon )
  3. Filament de tungstène
  4. Fil de contact (va dans la tige)
  5. Fil de contact (sort de la tige)
  6. Fils de support (une extrémité intégrée dans la tige ; ne conduit pas de courant)
  7. Tige (monture en verre)
  8. Fil de contact (sort de la tige)
  9. Mancherons)
  10. Isolation ( vitrite )
  11. Contact électrique

L’ampoule en verre d’une lampe incandescente peut atteindre des températures comprises entre 200 et 260 °C (392 et 500 °F). Les lampes destinées à un fonctionnement à haute puissance ou utilisées à des fins de chauffage auront des enveloppes en verre dur ou en quartz fondu . [67]

Si l’enveloppe d’une ampoule fuit, le filament de tungstène chaud réagit avec l’air, produisant un aérosol de nitrure de tungstène brun, de dioxyde de tungstène brun, de pentoxyde de tungstène bleu-violet et de trioxyde de tungstène jaune qui se dépose ensuite sur les surfaces voisines ou à l’intérieur de l’ampoule.

Remplissage de gaz

Destruction d’un filament de lampe par pénétration d’air

La plupart des ampoules modernes sont remplies d’un gaz inerte pour réduire l’ évaporation du filament et empêcher son Oxydation . Le gaz est à une pression d’environ 70 kPa (0,7 atm). [92]

Le gaz réduit l’évaporation du filament, mais le remplissage doit être choisi avec soin pour éviter d’introduire des pertes de chaleur importantes. Pour ces propriétés, une inertie chimique et un poids atomique ou moléculaire élevé sont souhaitables. La présence de molécules de gaz repousse les atomes de tungstène libérés vers le filament, [ citation nécessaire ] réduisant son évaporation et lui permettant de fonctionner à une température plus élevée sans réduire sa durée de vie (ou, pour un fonctionnement à la même température, prolonge la durée de vie du filament) . D’autre part, la présence du gaz entraîne une perte de chaleur du filament – et donc une perte d’efficacité due à une incandescence réduite – par conduction thermique et convection thermique .

Les premières lampes n’utilisaient qu’un vide pour protéger le filament de l’oxygène. Le vide augmente l’évaporation du filament mais élimine deux modes de perte de chaleur. Certaines petites lampes modernes utilisent également le vide.

Les remplissages les plus couramment utilisés sont : [93]

  • Vide , utilisé dans les petites lampes. Fournit la meilleure isolation thermique du filament mais ne protège pas contre son évaporation. Utilisé également dans les grandes lampes où la température de surface extérieure de l’ampoule doit être limitée.
  • Argon (93%) et azote (7%), où l’argon est utilisé pour son inertie, sa faible conductivité thermique et son faible coût, et l’azote est ajouté pour augmenter la tension de claquage et éviter la formation d’arc entre les parties du filament [92]
  • Azote , utilisé dans certaines lampes de puissance supérieure, par exemple les lampes de projection, et lorsqu’une tension de claquage plus élevée est nécessaire en raison de la proximité des pièces de filament ou des fils d’alimentation
  • Le krypton , qui est plus avantageux que l’argon en raison de son poids atomique plus élevé et de sa conductivité thermique plus faible (ce qui permet également l’utilisation d’ampoules plus petites), mais son utilisation est entravée par un coût beaucoup plus élevé, le confinant principalement à des ampoules de plus petite taille.
  • Krypton mélangé avec du xénon , où le xénon améliore encore les propriétés du gaz en raison de son poids atomique plus élevé. Son utilisation est cependant limitée par son coût très élevé. Les améliorations apportées par l’utilisation du xénon sont modestes par rapport à son coût.
  • Hydrogène , dans les lampes à éclats spéciales où un refroidissement rapide du filament est requis ; sa conductivité thermique élevée est ici exploitée.
  • De petites quantités de gaz halogènes , mélangés à un gaz inerte, sont utilisées dans les lampes halogènes, un type distinct de lampe à incandescence.

Le remplissage de gaz doit être exempt de traces d’eau, ce qui accélère fortement le noircissement du bulbe (voir ci-dessous).

La couche de gaz proche du filament (appelée couche de Langmuir) est stagnante, le transfert de chaleur se produisant uniquement par conduction. Ce n’est qu’à une certaine distance que la convection se produit pour transporter la chaleur vers l’enveloppe de l’ampoule.

L’orientation du filament influence l’efficacité. Un flux de gaz parallèle au filament, par exemple une ampoule orientée verticalement avec un filament vertical (ou axial), réduit les pertes par convection.

L’efficacité de la lampe augmente avec un diamètre de filament plus grand. Les ampoules à filament fin et à faible consommation bénéficient moins d’un gaz de remplissage, elles sont donc souvent uniquement évacuées.

Les premières ampoules à filaments de carbone utilisaient également du monoxyde de carbone , de l’azote ou de la vapeur de mercure . Cependant, les filaments de carbone fonctionnent à des températures plus basses que ceux de tungstène, de sorte que l’effet du gaz de remplissage n’était pas significatif car les pertes de chaleur annulaient les avantages.

Fabrication

L’ ampoule à filament de tantale de 1902 a été la première à avoir un filament métallique. Celui-ci date de 1908.

Les premières ampoules étaient laborieusement assemblées à la main. Après le développement des machines automatiques, le coût des ampoules a chuté. Jusqu’en 1910, date à laquelle la machine Westlake de Libbey est entrée en production, les bulbes étaient généralement produits par une équipe de trois ouvriers (deux cueilleurs et un maître gaffer) soufflant les bulbes dans des moules en bois ou en fonte, enduits d’une pâte. [94] Environ 150 ampoules par heure ont été produites par le processus de soufflage à la main dans les années 1880 à Corning Glass Works. [94]

La machine Westlake, développée par Libbey Glass , était basée sur une adaptation de la souffleuse de bouteilles Owens-Libbey. Corning Glass Works a rapidement commencé à développer des machines de soufflage d’ampoules automatisées concurrentes, dont la première à être utilisée dans la production était la E-Machine. [94] Corning a continué à développer des machines de production d’ampoules automatisées, installant la machine à ruban en 1926 dans son usine de Wellsboro , en Pennsylvanie. [95]La machine à ruban a dépassé toutes les tentatives précédentes d’automatisation de la production d’ampoules et a été utilisée pour produire des ampoules à incandescence au 21e siècle. L’inventeur, William Woods, avec son collègue de Corning Glass Works, David E. Gray, avait créé une machine qui, en 1939, produisait 1 000 ampoules par minute. [94]

La machine à ruban fonctionne en faisant passer un ruban de verre continu le long d’une bande transporteuse , chauffé dans un four, puis soufflé par des buses d’air alignées avec précision à travers des trous dans la bande transporteuse dans des moules. Ainsi, les ampoules ou enveloppes de verre sont créées. Une machine typique de ce type peut produire entre 50 000 et 120 000 ampoules par heure, selon la taille de l’ampoule. [96] [97] Dans les années 1970, 15 machines à ruban installées dans des usines du monde entier produisaient la totalité de l’offre d’ampoules à incandescence. [98]Le filament et ses supports sont assemblés sur une tige en verre, qui est ensuite fusionnée à l’ampoule. L’air est pompé hors de l’ampoule et le tube d’évacuation dans la presse à tige est scellé par une flamme. L’ampoule est ensuite insérée dans le culot de la lampe et l’ensemble est testé. La fermeture en 2016 de l’usine d’ Osram-Sylvania à Wellsboro, en Pennsylvanie, a entraîné la fermeture de l’une des dernières machines à ruban restantes aux États-Unis. [98]

Filament

File:Light-Bulb-Filament-engineerguy.ogv File:Light-Bulb-Filament-engineerguy.ogv Lire des médias Comment est fabriqué un filament de tungstène

Les premiers filaments d’ampoules à succès commercial étaient fabriqués à partir de papier carbonisé ou de bambou . Les filaments de carbone ont un coefficient de température de résistance négatif – à mesure qu’ils chauffent, leur Résistance électrique diminue. Cela rendait la lampe sensible aux fluctuations de l’alimentation électrique, car une petite augmentation de tension ferait chauffer le filament, réduisant sa résistance et l’amenant à tirer encore plus de puissance et de chaleur encore plus loin.

Les filaments de carbone ont été « flashés » par chauffage dans une vapeur d’hydrocarbure (généralement de l’essence), pour améliorer leur résistance et leur uniformité. Les filaments métallisés ou “graphitisés” étaient d’abord chauffés à haute température pour les transformer en graphite , ce qui renforçait et lissait davantage le filament. Ces filaments ont un coefficient de température positif, comme un conducteur métallique , qui stabilise les propriétés de fonctionnement des lampes contre les variations mineures de la tension d’alimentation.

Les filaments métalliques ont déplacé le carbone à partir de 1904 environ. Le tungstène a le point de fusion le plus élevé disponible. En 1910, un procédé a été développé par William D. Coolidge chez General Electric pour la production d’une forme ductile de tungstène. Le processus nécessitait de presser de la poudre de tungstène en barres, puis plusieurs étapes de frittage, d’emboutissage, puis de tréfilage. Il a été constaté que le tungstène très pur formait des filaments qui s’affaissaient à l’usage, et qu’un très petit traitement de “dopage” avec des oxydes de potassium, de silicium et d’aluminium au niveau de quelques centaines de parties par million améliorait considérablement la durée de vie et la durabilité du tungstène. filaments. [99]

Filament de bobine enroulée

Pour améliorer l’efficacité de la lampe, le filament se compose généralement de plusieurs bobines de fil fin enroulé, également appelé bobine enroulée . Les ampoules utilisant des filaments enroulés sont parfois appelées «ampoules à double bobine». Pour une lampe de 60 watts 120 volts, la longueur non enroulée du filament de tungstène est généralement de 580 millimètres (22,8 pouces), [67]et le diamètre du filament est de 0,046 millimètre (0,0018 pouce). L’avantage de la bobine enroulée est que l’évaporation du filament de tungstène se fait à la vitesse d’un cylindre de tungstène ayant un diamètre égal à celui de la bobine enroulée. Le filament enroulé s’évapore plus lentement qu’un filament droit de même surface et puissance d’émission de lumière. En conséquence, le filament peut alors fonctionner plus chaud, ce qui se traduit par une source de lumière plus efficace tout en durant plus longtemps qu’un filament droit à la même température.

Les fabricants désignent différentes formes de filament de lampe avec un code alphanumérique. [100]

Filament de bobine enroulée d’une ampoule à incandescence de 200 watts fortement agrandie Filament d’une ampoule à incandescence grillée de 50 watts dans un SEM en mode stéréoscopique, présenté comme une image anaglyphe . 3d glasses red cyan.svg 3d glasses red cyan.svg Des lunettes 3D rouge cyan sont recommandées pour visualiser correctement cette image. Filament d’une ampoule à incandescence de 50 watts dans un MEB en mode stéréoscopique, présenté sous la forme d’une image anaglyphe . 3d glasses red cyan.svg 3d glasses red cyan.svg Des lunettes 3D rouge cyan sont recommandées pour visualiser correctement cette image.

Les filaments électriques sont également utilisés dans les cathodes chaudes des lampes fluorescentes et des tubes à vide comme source d’ électrons ou dans les tubes à vide pour chauffer une électrode émettrice d’électrons. Lorsqu’ils sont utilisés comme source d’électrons, ils peuvent avoir un revêtement spécial qui augmente la production d’électrons.

Réduction de l’évaporation du filament

Lors d’un fonctionnement ordinaire, le tungstène du filament s’évapore ; des filaments plus chauds et plus efficaces s’évaporent plus rapidement. [101] Pour cette raison, la durée de vie d’une lampe à incandescence est un compromis entre efficacité et longévité. Le compromis est généralement défini pour fournir une durée de vie de 1 000 à 2 000 heures pour les lampes utilisées pour l’éclairage général. Les lampes théâtrales, photographiques et de projection peuvent avoir une durée de vie utile de quelques heures seulement, échangeant l’espérance de vie contre un rendement élevé sous une forme compacte. Les lampes à usage général à longue durée de vie ont une efficacité inférieure, mais avant le développement des lampes à incandescence et à LED, elles étaient utiles dans les applications où l’ampoule était difficile à changer.

Irving Langmuir a découvert qu’un gaz inerte, au lieu du vide, retarderait l’évaporation. Les ampoules à incandescence à usage général de plus d’environ 25 watts sont maintenant remplies d’un mélange principalement d’ argon et d’un peu d’azote , [102] ou parfois de krypton . [103] Alors que le gaz inerte réduit l’évaporation du filament, il conduit également la chaleur du filament, refroidissant ainsi le filament et réduisant l’efficacité. A pression et température constantes, la conductivité thermique d’un gaz dépend du poids moléculaire du gaz et de la section transversale des molécules de gaz. Les gaz de poids moléculaire plus élevé ont une conductivité thermique plus faible, car le poids moléculaire et la section transversale sont plus élevés.Le gaz xénon améliore l’efficacité en raison de son poids moléculaire élevé, mais il est également plus cher, de sorte que son utilisation est limitée aux lampes plus petites. [104]

L’entaille du filament est due à une évaporation inégale du filament. De petites variations de résistivité le long du filament provoquent la formation de «points chauds» aux points de résistivité plus élevée; [68] une variation de diamètre de seulement 1 % entraînera une réduction de 25 % de la durée de vie. [67] Étant donné que la résistance du filament dépend fortement de la température, les points à température plus élevée auront une résistance plus élevée, les obligeant à dissiper plus d’énergie, les rendant plus chauds – une boucle de rétroaction positive . Ces points chauds s’évaporent plus rapidement que le reste du filament, augmentant de façon permanente la résistance à ce point. Le processus se termine par le petit espace familier dans un filament d’apparence saine.

Les lampes fonctionnant au courant continu développent des irrégularités aléatoires en escalier sur la surface du filament, ce qui peut réduire de moitié la durée de vie par rapport au fonctionnement en courant alternatif ; différents alliages de tungstène et de rhénium peuvent être utilisés pour contrecarrer l’effet. [105] [106]

Étant donné qu’une rupture de filament dans une ampoule remplie de gaz peut former un arc électrique , qui peut se propager entre les bornes et tirer un courant très important, des fils d’alimentation intentionnellement fins ou des dispositifs de protection plus élaborés sont donc souvent utilisés comme fusibles intégrés à l’ampoule . . [107] Plus d’azote est utilisé dans les lampes à haute tension pour réduire la possibilité d’arc. [102]

Noircissement de l’ampoule

Dans une lampe conventionnelle, le tungstène évaporé finit par se condenser sur la surface intérieure de l’enveloppe de verre, l’assombrissant. Pour les ampoules contenant du vide, l’assombrissement est uniforme sur toute la surface de l’enveloppe. Lorsqu’un remplissage de gaz inerte est utilisé, le tungstène évaporé est entraîné dans les courants de convection thermique du gaz, et se dépose préférentiellement sur la partie la plus haute de l’enveloppe, ne noircissant que cette partie de l’enveloppe. Une lampe à incandescence qui donne 93 % ou moins de sa puissance lumineuse initiale à 75 % de sa durée de vie nominale est considérée comme insatisfaisante, lorsqu’elle est testée conformément à la publication CEI 60064. La perte de lumière est due à l’évaporation du filament et au noircissement de l’ampoule. [108] L’étude du problème du noircissement des bulbes a conduit à la découverte de laEffet Edison, émission thermionique et invention du tube à vide . [109] [110]

Une très petite quantité de vapeur d’eau à l’intérieur d’une ampoule peut augmenter considérablement l’assombrissement de la lampe. La vapeur d’eau se dissocie en hydrogène et en oxygène au niveau du filament chaud. L’oxygène attaque le tungstène métallique et les particules d’oxyde de tungstène qui en résultent se déplacent vers les parties plus froides de la lampe. L’hydrogène de la vapeur d’eau réduit l’oxyde, reformant la vapeur d’eau et continuant ce cycle de l’eau . [68] L’équivalent d’une goutte d’eau répartie sur 500 000 lampes augmentera considérablement l’assombrissement. [67] De petites quantités de substances telles que le zirconium sont placées dans la lampe en tant que getter pour réagir avec tout oxygène susceptible de cuire des composants de la lampe pendant le fonctionnement. [citation nécessaire ]

Certaines vieilles lampes à haute puissance utilisées dans les services de théâtre, de projection, de projecteur et de phare avec des filaments lourds et robustes contenaient de la poudre de tungstène en vrac dans l’enveloppe. De temps en temps, l’opérateur retirait l’ampoule et la secouait, permettant à la poudre de tungstène de frotter la majeure partie du tungstène qui s’était condensé à l’intérieur de l’enveloppe, supprimant le noircissement et éclaircissant à nouveau la lampe. [111]

Lampes halogènes

Gros plan d’un filament de tungstène à l’intérieur d’une lampe halogène . Les deux structures annulaires gauche et droite sont des supports de filaments.

La lampe halogène réduit l’évaporation inégale du filament et élimine l’assombrissement de l’enveloppe en remplissant la lampe avec un gaz halogène à basse pression, ainsi qu’un gaz inerte. Le cycle halogène augmente la durée de vie de l’ampoule et empêche son assombrissement en redéposant le tungstène de l’intérieur de l’ampoule sur le filament. La lampe halogène peut faire fonctionner son filament à une température plus élevée qu’une lampe à gaz standard de puissance similaire sans perte de durée de vie. Ces ampoules sont beaucoup plus petites que les ampoules à incandescence normales et sont largement utilisées lorsqu’un éclairage intense est nécessaire dans un espace limité. Les lampes à fibre optique pour la microscopie optique sont une application typique.

Lampes à arc incandescentes

Une variante de la lampe à incandescence n’utilisait pas de filament à fil chaud, mais utilisait à la place un arc frappé sur une électrode à billes sphériques pour produire de la chaleur. L’électrode est alors devenue incandescente, l’arc contribuant peu à la lumière produite. Ces lampes étaient utilisées pour la projection ou l’éclairage d’instruments scientifiques tels que les microscopes . Ces lampes à arc fonctionnaient à des tensions relativement basses et incorporaient des filaments de tungstène pour démarrer l’ ionisation à l’intérieur de l’enveloppe. Ils fournissaient la lumière concentrée intense d’une lampe à arc mais étaient plus faciles à utiliser. Développées vers 1915, ces lampes ont été remplacées par des lampes à arc au mercure et au xénon . [112] [113] [114]

Caractéristiques électriques

Comparaison efficacité par puissance

Lampes 120 volts [115] Lampes 230 volts [116]
Puissance (W) Sortie ( lm ) Efficacité (lm/W) Sortie ( lm ) Efficacité (lm/W)
5 25 5
15 110 7.3
25 200 8.0 230 9.2
40 500 12.5 430 10.8
60 850 14.2 730 12.2
75 1 200 16.0
100 1 700 17.0 1 380 13.8
150 2 850 19.0 2 220 14.8
200 3 900 19.5 3 150 15.8
300 6 200 20.7 5 000 16.7
500 8 400 16.8

Pouvoir

Les lampes à incandescence sont des charges résistives presque pures avec un facteur de puissance de 1. Contrairement aux lampes à décharge ou aux lampes à LED, la puissance consommée est égale à la puissance apparente dans le circuit. Les ampoules à incandescence sont généralement commercialisées en fonction de la puissance électrique consommée. Cela dépend principalement de la résistance de fonctionnement du filament. Pour deux ampoules de même tension et de même type, l’ampoule la plus puissante donne plus de lumière.

Le tableau montre la sortie typique approximative, en lumens , des ampoules à incandescence standard de 120 volts à différentes puissances. Le rendement lumineux des ampoules 230 V similaires est légèrement inférieur. Le filament à faible courant (tension plus élevée) est plus fin et doit fonctionner à une température légèrement inférieure pour la même espérance de vie, ce qui réduit l’efficacité énergétique. [117] Les valeurs de lumen pour les ampoules “blanc doux” seront généralement légèrement inférieures à celles des ampoules claires à la même puissance.

Courant et résistance

La résistance du filament dépend de la température. La résistance au froid des lampes à filament de tungstène est d’environ 1/15 de la résistance en fonctionnement. Par exemple, une lampe de 100 watts et 120 volts a une résistance de 144 ohms lorsqu’elle est allumée, mais la résistance à froid est beaucoup plus faible (environ 9,5 ohms). [67] [b] Étant donné que les lampes à incandescence sont des charges résistives, de simples gradateurs TRIAC à contrôle de phase peuvent être utilisés pour contrôler la luminosité. Les contacts électriques peuvent porter un symbole de classification “T” indiquant qu’ils sont conçus pour contrôler des circuits avec la caractéristique de courant d’appel élevé des lampes au tungstène. Pour une lampe à usage général de 100 watts, 120 volts, le courant se stabilise en environ 0,10 seconde et la lampe atteint 90 % de sa pleine luminosité après environ 0,13 seconde.[118]

Caractéristiques physiques

Sécurité

Le filament d’une ampoule au tungstène n’est pas facile à casser lorsque l’ampoule est froide, mais les filaments sont plus vulnérables lorsqu’ils sont chauds car le métal Incandescent est moins rigide. Un impact sur l’extérieur de l’ampoule peut provoquer la rupture du filament ou subir une surtension électrique qui en fait fondre ou vaporiser une partie. Dans la plupart des ampoules à incandescence modernes, une partie du fil à l’intérieur de l’ampoule agit comme un fusible : si un filament cassé produit un court-circuit électrique à l’intérieur de l’ampoule, la section fusible du fil fondra et coupera le courant pour éviter d’endommager les lignes d’alimentation.

Une ampoule de verre chaude peut se briser au contact d’objets froids. Lorsque l’enveloppe de verre se brise, l’ampoule implose , exposant le filament à l’air ambiant. L’air détruit alors généralement le filament chaud par Oxydation .

Formes d’ampoules

Les ampoules à incandescence sont disponibles dans une gamme de formes et de tailles.

Les désignations de forme et de taille d’ampoule sont données dans les normes nationales. Certaines désignations sont constituées d’une ou plusieurs lettres suivies d’un ou plusieurs chiffres, par exemple A55 ou PAR38, où les lettres identifient la forme et les chiffres une taille caractéristique.

Les normes nationales telles que ANSI C79.1-2002, IS 14897:2000 [119] et JIS C 7710:1988 [120] couvrent une terminologie commune pour les formes d’ampoules.

Exemples

La description SI Pouce Des détails
Ampoule “standard” A60 E26 A19 E26 Ampoule série A ⌀ 60 mm (~⌀19/8 po) , vis Edison ⌀26 mm
Ampoule à flamme de bougie CA35E12 CA11 E12 ⌀35 mm (~⌀11/8 po) en forme de flamme de bougie, vis Edison ⌀12 mm
Projecteur BR95 E26 BR30 E26 Projecteur ⌀95 mm (~⌀30/8 po), vis Edison ⌀26 mm
Ampoule halogène sur rail MR50 GU5.3 MR16 GU5.3 Réflecteur multifacettes ⌀50 mm (~⌀16/8 po) , connecteur bi-broches 12 V espacés de 5,33 mm

Codes de forme communs

Service général Lumière émise dans (presque) toutes les directions. Disponible en clair ou givré. Types : Général (A), Champignon, elliptique (E), signe (S), tubulaire (T) Tailles 120 V : A17, 19 et 21 Tailles 230 V : A55 et 60 [c] Service général à haute puissance Lampes supérieures à 200 watts. Types : En forme de poire (PS) Décoratif lampes utilisées dans les lustres, etc. Les petites ampoules de la taille d’une bougie peuvent utiliser une douille plus petite. Types : bougie (B), bougie torsadée, bougie à pointe courbée (CA & BA), flamme (F), globe (G), lanterne cheminée (H), fantaisie ronde (P) Tailles 230 V : P45, G95 Réflecteur (R) Le revêtement réfléchissant à l’intérieur de l’ampoule dirige la lumière vers l’avant. Les types d’inondation (FL) diffusent la lumière. Les types de spots (SP) concentrent la lumière. Les ampoules à réflecteur (R) mettent environ le double de la quantité de lumière (pieds-bougies) sur la zone centrale avant que le service général (A) de même puissance. Types : réflecteur standard (R), réflecteur bombé (BR), réflecteur elliptique (ER), couronne argentée Tailles 120 V : R16, 20, 25 et 30 Tailles 230 V : R50, 63, 80 et 95 [c] Réflecteur parabolique aluminisé (PAR) Les ampoules à réflecteur parabolique aluminisé (PAR) contrôlent la lumière avec plus de précision. Ils produisent environ quatre fois l’intensité lumineuse concentrée du service général (A) et sont utilisés dans l’éclairage encastré et sur rail. Des boîtiers résistants aux intempéries sont disponibles pour les projecteurs extérieurs et les projecteurs anti-inondation. Tailles 120 V : PAR 16, 20, 30, 38, 56 et 64 Tailles 230 V : PAR 16, 20, 30, 38, 56 et 64 Disponible dans de nombreux faisceaux ponctuels et diffus. Comme toutes les ampoules, le nombre représente le diamètre de l’ampoule en 1 ⁄ 8 de pouce. Par conséquent, un PAR 16 mesure 51 mm (2 po) de diamètre, un PAR 20 mesure 64 mm (2,5 po) de diamètre, PAR 30 mesure 95 mm (3,75 po) et un PAR 38 mesure 121 mm (4,75 po) de diamètre. . Un paquet de quatre ampoules de 60 watts Réflecteur multifacettes (MR) Les ampoules à réflecteur à multiples facettes sont généralement de plus petite taille et fonctionnent à une tension plus faible, souvent 12 V. De gauche à droite : MR16 avec culot GU10, MR16 avec culot GU5.3, MR11 avec culot GU4 ou GZ4 HIR/IRC “HIR” est une désignation GE pour une lampe avec un revêtement réfléchissant infrarouge. Puisque moins de chaleur s’échappe, le filament brûle plus chaud et plus efficacement. [121] La désignation Osram pour un revêtement similaire est “IRC”. [122]

Pieds de lampe

Ampoules de 40 watts avec culot à vis standard E10, E14 et E27 Edison Le capuchon à baïonnette à double contact sur une ampoule à incandescence

Les grandes lampes peuvent avoir un culot à vis ou un culot à baïonnette , avec un ou plusieurs contacts sur le culot. La coque peut servir de contact électrique ou seulement de support mécanique. Les lampes à culot à baïonnette sont fréquemment utilisées dans les lampes automobiles pour résister au desserrage dû aux vibrations. Certaines lampes tubulaires ont un contact électrique à chaque extrémité. Les lampes miniatures peuvent avoir une base en coin et des contacts de fil, et certaines lampes automobiles et à usage spécial ont des bornes à vis pour la connexion aux fils. Les très petites lampes peuvent avoir les fils de support du filament prolongés à travers la base de la lampe pour les connexions. Un culot bipolaire est souvent utilisé pour les lampes halogènes ou à réflecteur. [123]

À la fin du XIXe siècle, les fabricants ont introduit une multitude de culots de lampes incompatibles. Les tailles de base standard « Mazda » de General Electric ont rapidement été adoptées aux États-Unis.

Les culots de lampe peuvent être fixés à l’ampoule avec un ciment ou par sertissage mécanique à des indentations moulées dans l’ampoule en verre.

Les lampes destinées à être utilisées dans des systèmes optiques ont des bases avec des caractéristiques d’alignement de sorte que le filament est positionné avec précision dans le système optique. Une lampe à culot à vis peut avoir une orientation aléatoire du filament lorsque la lampe est installée dans la douille.

Les contacts dans la douille de l’ampoule permettent au courant électrique de passer à travers la base jusqu’au filament. La douille assure les connexions électriques et le support mécanique, et permet de changer la lampe lorsqu’elle grille.

Flux lumineux et durée de vie

Les lampes à incandescence sont très sensibles aux variations de la tension d’alimentation. Ces caractéristiques sont d’une grande importance pratique et économique.

Pour une tension d’alimentation V proche de la tension nominale de la lampe :

  • La puissance lumineuse est approximativement proportionnelle à V 3,4
  • La consommation d’ énergie est approximativement proportionnelle à V 1,6
  • La durée de vie est approximativement proportionnelle à V −16
  • La température de couleur est approximativement proportionnelle à V 0,42 [101]

Une réduction de 5 % de la tension doublera la durée de vie de l’ampoule, mais réduira son rendement lumineux d’environ 16 %. Les ampoules longue durée tirent parti de ce compromis dans des applications telles que les feux de signalisation. Étant donné que l’énergie électrique qu’elles utilisent coûte plus cher que le coût de l’ampoule, les lampes à usage général mettent l’accent sur l’efficacité par rapport à la longue durée de vie. L’objectif est de minimiser le coût de la lumière, pas le coût des lampes. [67] Les premières ampoules avaient une durée de vie allant jusqu’à 2500 heures, mais en 1924, le cartel Phoebus a accepté de limiter la durée de vie à 1000 heures. [124] Lorsque cela a été révélé en 1953, General Electric et d’autres grands fabricants américains se sont vu interdire de limiter la durée de vie. [125]

Les relations ci-dessus ne sont valables que pour un changement de tension de quelques pour cent autour des conditions nominales standard, mais elles indiquent qu’une lampe fonctionnant à basse tension pourrait durer beaucoup plus longtemps qu’à la tension nominale, bien qu’avec un rendement lumineux considérablement réduit. La « lumière du centenaire » est une ampoule qui est acceptée par le livre Guinness des records du monde comme ayant brûlé presque continuellement dans une caserne de pompiers à Livermore, en Californie , depuis 1901. Cependant, l’ampoule émet la lumière équivalente d’une ampoule de quatre watts. . Une histoire similaire peut être racontée à propos d’une ampoule de 40 watts au Texas qui est allumée depuis le 21 septembre 1908. Elle résidait autrefois dans un opéra .où des célébrités notables se sont arrêtées pour profiter de son éclat et ont été transférées dans un musée de la région en 1977. [126]

Les lampes Photoflood utilisées pour l’éclairage photographique favorisent le rendement lumineux tout au long de la vie, certaines ne durant que deux heures. La limite de température supérieure pour le filament est le point de fusion du métal. Le tungstène est le métal avec le point de fusion le plus élevé, 3 695 K (3 422 ° C; 6 191 ° F). Une ampoule de projection d’une durée de vie de 50 heures, par exemple, est conçue pour fonctionner à seulement 50 °C (122 °F) en dessous de ce point de fusion. Une telle lampe peut atteindre jusqu’à 22 lumens par watt, contre 17,5 pour une lampe à usage général de 750 heures. [67]

Des lampes de même puissance mais conçues pour des tensions différentes ont des efficacités lumineuses différentes. Par exemple, une lampe de 100 watts, 1000 heures, 120 volts produira environ 17,1 lumens par watt. Une lampe similaire conçue pour 230 V ne produirait qu’environ 12,8 lumens par watt, et une autre conçue pour 30 volts (éclairage de train) produirait jusqu’à 19,8 lumens par watt. [67] Les lampes à basse tension ont un filament plus épais, pour la même puissance nominale. Ils peuvent fonctionner plus chauds pendant la même durée de vie avant que le filament ne s’évapore.

Les fils utilisés pour supporter le filament le rendent mécaniquement plus solide, mais éliminent la chaleur, créant un autre compromis entre efficacité et longue durée de vie. De nombreuses lampes de 120 volts à usage général n’utilisent pas de fils de support supplémentaires, mais les lampes conçues pour un « service brutal » ou un «service de vibration» peuvent en avoir jusqu’à cinq. Les lampes à basse tension ont des filaments faits de fil plus lourd et ne nécessitent pas de fils de support supplémentaires.

Les très basses tensions sont inefficaces car les fils conducteurs conduiraient trop de chaleur loin du filament, de sorte que la limite inférieure pratique pour les lampes à incandescence est de 1,5 volts. Les filaments très longs pour les hautes tensions sont fragiles et les culots de lampe deviennent plus difficiles à isoler, de sorte que les lampes d’éclairage ne sont pas fabriquées avec des tensions nominales supérieures à 300 volts. [67] Certains éléments chauffants infrarouges sont conçus pour des tensions plus élevées, mais ceux-ci utilisent des ampoules tubulaires avec des bornes largement séparées.

  • La Centennial Light est l’ampoule qui dure le plus longtemps au monde.

  • Divers spectres d’éclairage vus dans un réseau de diffraction . En haut à gauche : lampe fluorescente, en haut à droite : ampoule à incandescence, en bas à gauche : LED blanche, en bas à droite : flamme de bougie.

Voir également

  • icon iconPortail de l’énergie
  • icon iconPortail de physique
  • lampe 3 voies
  • Flash (photographie)
  • Abat-jour
  • Tube de lumière
  • Blagues sur les ampoules
  • Liste des sources lumineuses
  • Les ampoules les plus durables
  • Sur-éclairage
  • Photométrie (optique)
  • Fil de résistance
  • Spectromètre

Notes d’explication

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Liens externes

Wikimedia Commons a des médias liés aux ampoules à incandescence .
  • Spectres de source lumineuse 60 W-100 W Spectres d’ampoule à incandescence, du programme d’infographie de l’Université Cornell
  • Vidéo au ralenti d’un filament d’ampoule à incandescence
  • Machine à ruban en fonctionnement à Osram-Sylvania en 2016

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