Inconvénients des lampes à incandescence comme source lumineuse
Malgré tous leurs avantages, toutes les lampes à incandescence, commençant par un vide avec un filament de carbone et se terminant par des lampes remplies de gaz de tungstène, présentent deux inconvénients importants en tant que sources lumineuses :
- faible rendement, c'est-à-dire faible efficacité du rayonnement visible par unité sous la même puissance;
- une forte différence dans la répartition spectrale de l'énergie de l'éclairage naturel (lumière du soleil et lumière du jour diffuse), caractérisée par un faible rayonnement visible en ondes courtes et une prédominance des ondes longues.
La première circonstance rend l'utilisation de lampes à incandescence non rentable d'un point de vue économique, la seconde a pour conséquence de déformer la couleur des objets. Les deux inconvénients sont causés par la même circonstance : obtenir un rayonnement en chauffant un solide à une température de chauffage relativement basse.
Il n'est pas possible de corriger la répartition énergétique dans le spectre d'une lampe à incandescence, au sens de sa convergence importante avec la répartition dans le spectre solaire, puisque le point de fusion du tungstène est d'environ 3700°K.
Mais même une légère augmentation de la température de travail du corps du filament, par exemple d'une température de couleur de 2800 ° K à 3000 ° K, entraîne une réduction significative de la durée de vie de la lampe (d'environ 1000 heures à 100 heures) en raison à une accélération significative du processus d'évaporation du tungstène.
Cette évaporation conduit principalement au noircissement de l'ampoule de la lampe revêtue de tungstène et, par conséquent, à la perte de lumière émise par la lampe et finalement à la combustion du filament.
La faible température de fonctionnement du boîtier du filament est également la raison du faible rendement lumineux et du faible rendement des lampes à incandescence.
La présence d'un remplissage de gaz, qui réduit l'évaporation du tungstène, permet d'augmenter légèrement la fraction d'énergie émise dans le spectre visible du fait d'une augmentation de la température de couleur. L'utilisation de filaments enroulés et le remplissage avec des gaz plus lourds (krypton, xénon) permettent une légère augmentation supplémentaire de la fraction de rayonnement tombant sur la région visible, mais mesurée seulement en quelques pour cent.
Le plus économique, c'est-à-dire avec l'efficacité lumineuse la plus élevée, sera une source qui convertit toute la puissance d'entrée en rayonnement de cette longueur d'onde. L'efficacité lumineuse d'une telle source, c'est-à-dire le rapport du flux lumineux créé par celle-ci au flux maximal possible à la même puissance d'entrée, est égale à l'unité. Il s'avère que la puissance lumineuse maximale est de 621 lm / W.
Il en ressort clairement que l'efficacité lumineuse des lampes à incandescence sera nettement inférieure aux chiffres caractérisant le rayonnement visible (7,7 - 15 lm / W).Les valeurs correspondantes peuvent être trouvées en divisant la puissance lumineuse de la lampe par la puissance lumineuse d'une source d'efficacité lumineuse égale à l'unité. En conséquence, nous obtenons une efficacité lumineuse de 1,24% pour une lampe à vide et de 2,5% pour une lampe à gaz.
Une façon radicale d'améliorer les lampes à incandescence serait de trouver des matériaux de corps de filament qui peuvent fonctionner à des températures nettement plus élevées que le tungstène.
Cela augmenterait l'efficacité et améliorerait la saturation de leur émission. Cependant, la recherche de tels matériaux n'a pas été couronnée de succès, à la suite de quoi des sources lumineuses plus économiques avec une meilleure répartition spectrale ont été construites sur la base d'un mécanisme complètement différent pour convertir l'énergie électrique en lumière.
Autre inconvénient des lampes à incandescence :
Pourquoi les lampes à incandescence s'éteignent le plus souvent au moment de l'allumage
Malgré leur supériorité économique, aucun des types de lampes à décharge ne s'est avéré capable de remplacer les lampes à incandescence pour l'éclairage, sauf lampes fluorescentes… La raison en est la composition spectrale insatisfaisante du rayonnement, qui déforme complètement la couleur des objets.
Les lampes à haute pression à gaz inertes ont un rendement lumineux élevé. Un exemple typique est Lampe au sodium, qui a le rendement lumineux le plus élevé de toutes les lampes à décharge de gaz, y compris les lampes fluorescentes. Son rendement élevé est dû au fait que la quasi-totalité de la puissance d'entrée est convertie en rayonnement visible.Une décharge dans la vapeur de sodium n'émet qu'une couleur jaune dans la partie visible du spectre ; par conséquent, lorsqu'ils sont éclairés par une lampe au sodium, tous les objets prennent une apparence complètement artificielle.
Toutes les différentes couleurs vont du jaune (blanc) au noir (une surface de n'importe quelle couleur qui ne réfléchit pas les rayons jaunes). Ce type d'éclairage est extrêmement désagréable à l'œil.
Ainsi, les sources lumineuses à décharge, par la méthode même de création de rayonnement (excitation d'atomes individuels), s'avèrent être, du point de vue des propriétés de l'œil humain, un défaut fondamental consistant dans la structure linéaire de la spectre.
Cet inconvénient ne peut être complètement surmonté en utilisant directement la décharge comme source lumineuse. Une solution satisfaisante a été trouvée lorsque le bit ne recevait que la fonction excitation de la lueur des luminophores (lampes fluorescentes).
Les lampes fluorescentes ont une propriété défavorable par rapport aux lampes à incandescence, qui consiste en de fortes fluctuations du flux lumineux lorsqu'elles fonctionnent sur courant alternatif.
La raison en est l'inertie nettement inférieure de la lueur des luminophores par rapport à l'inertie des filaments des lampes à incandescence, à la suite de quoi, à toute tension passant par zéro, ce qui conduit à l'arrêt de la décharge, le luminophore parvient à perdre une partie importante de sa luminosité avant que la décharge dans la direction opposée ne se produise. Il s'avère que ces fluctuations du flux lumineux des lampes fluorescentes dépassent 10 à 20 fois.
Ce phénomène indésirable peut être fortement atténué en allumant deux lampes fluorescentes adjacentes de sorte que la tension de l'une d'elles soit en retard d'un quart de période sur la tension de la seconde.Ceci est réalisé en incluant un condensateur dans le circuit de l'une des lampes, ce qui crée le déphasage souhaité. L'utilisation d'un conteneur améliore et Facteur de puissance toute l'installation.
Des résultats encore meilleurs sont obtenus lors de la commutation avec déphasage de trois et quatre lampes. Avec trois lampes, vous pouvez également réduire les fluctuations du flux lumineux en les allumant en trois phases.
Malgré un certain nombre de défauts notés ci-dessus, les lampes fluorescentes, en raison de leur rendement élevé, se sont généralisées et, à une certaine époque, sous la forme de conceptions de lampes fluorescentes compactes, les lampes à incandescence ont été remplacées partout. Mais l'ère de ces lampes est également révolue.
Actuellement, les sources lumineuses à LED sont principalement utilisées dans l'éclairage électrique :
L'appareil et le principe de fonctionnement de la lampe à LED