Éclairage électrique

19:31 in génie électrique

Éclairage électrique

1. Généralités.

 

   Pour le physicien, la lumière est un rayonnement visible. Ce rayonnement est un ensemble de radiations caractérisées par leur longueur d’onde. Ces longueurs d’onde sont normalement exprimées en nanomètres (1 nm = 10^–9 m) et vont sensiblement de = 400 nm (début du violet) à = 750 nm (extrême rouge). En deçà de cette zone visible, les radiations prennent le qualificatif d’ultraviolettes, au-delà, d’infrarouges.

   Pendant les années 90, le matériel d’éclairage n’a pas, dans son ensemble, donné lieu à des modifications importantes. L’évolution, qui a connu dans le passé des périodes actives, est entrée dans une phase de relative stabilité et les textes précédemment rédigés sont toujours valables. On peut simplement faire quelques remarques.

   Comme il était prévisible, les lampes à incandescence aux halogènes occupent une place grandissante. Il en est de même des lampes fluorescentes dites compactes.

   Les accessoires de stabilisation et d’amorçage à base de systèmes électroniques se vulgarisent.

   En éclairage public, les lampes à vapeur de sodium à haute pression ont supplanté définitivement les lampes à vapeur de mercure. Un modèle à haute pression majorée donne une lumière que l’on peut considérer comme blanche. La seule innovation technique, dont il est encore trop tôt pour apprécier le rôle qu’elle jouera, est celle de lampes fluorescentes très compactes et sans électrodes.

   Les lampes pour projecteurs d’automobile (et, notamment, la lampe dite code) ne sont plus, en France, obligatoirement jaunes comme signalé. La réglementation actuelle admet les lampes blanches utilisées dans tous les pays de la Communauté Économique Européenne.

2. Rappel de quelques notions de photométrie.

2.1 Courbe de répartition spectrale Énergétique.

  La variation du flux rayonné Φe en fonction de la longueur d’onde constitue une information indispensable à qui veut définir complètement une source de lumière. Un exemple est donné par la figure 1, où l’on porte, en abscisse, la longueur d’onde λ et, en ordonnée, la quantité :

Que l’on peut appeler densité spectrale énergétique pour l’unité d’aire ou excitance spectrique, le flux Φe étant rayonné dans le petit intervalle dλ autour de λ.

Dans ces conditions, on voit que le flux rayonné dans un intervalle fini :

est exprimé par l’aire de la surface (en grisé sur la figure 1) comprise entre la courbe et l’axe des abscisses.

Suivant que l’émission spectrale est continue ou discontinue (spectre de raies), la représentation est très différente. La figure 2 donne le graphique relatif à un spectre de raies. Par convention, l’énergie correspondant aux petits rectangles du diagramme est égale à celle qui est rayonnée autour de chaque raie λ, le plus souvent pour un intervalle Δλ = 10 nm ou, pour des questions de colorimétrie, pour un intervalle Δλ = 5 nm. Les courbes fournies par les laboratoires de photométrie indiquent, généralement, la densité spectrale énergétique en microwatts pour l’intervalle spécifié, en supposant une émission lumineuse totale de 1 lumen  de la source étudiée.

   Dans les catalogues des fabricants, on ne considère, en général, que des courbes d’émission spectrale relative S (λ), donnant une information sur la qualité spectrale de la lumière émise. La figure 3 représente deux courbes relatives à la lumière naturelle, qui est variable avec la hauteur du soleil et l’état du ciel. La valeur 100 est attribuée à l’émission pour λ = 555 nm.

2.2 Flux lumineux.

   La photométrie moderne assimile l’œil à un récepteur physique, caractérisé par une sensibilité déterminée aux différentes radiations du spectre visible. Il est évident que cette assimilation ne peut se faire qu’entre certaines limites et qu’il y a des circonstances où elle n’est pas vérifiée ; ces difficultés, qui concernent les spécialistes, seront, ici, laissées de côté.

  La sensibilité du récepteur est exprimée, en valeurs relatives, par une fonction dite efficacité lumineuse relative V (λ). Elle définit l’observateur de référence photométrique CIE. En effet, la CIE (Commission internationale de l’éclairage) a proposé, après consultation des meilleurs spécialistes mondiaux, des valeurs de la fonction V (λ), qui ont été approuvées en 1933 par le Comité international des poids et mesures. La figure 4 montre la courbe de cette fonction qui présente un maximum pour la radiation λ = 555 nm dans le jaune-vert.

   Compte tenu de ce qui précède, le flux lumineux s’exprime, en lumens, par la relation:

Les limites de l’intégration sont celles du spectre visible et sont données par V (λ) =0.

Le lumen (lm), unité de flux lumineux, correspond au 1/683 du rayonnement de 1 W sous forme de la radiation de longueur d’onde λ = 555 nm.

La constante 683 s’explique par le fait que l’unité d’intensité lumineuse, la candela, a pris historiquement la suite de la bougie, sans modification sensible de la valeur lumineuse de celle-ci, pour ne pas perturber l’ensemble de la photométrie.

On remarque que le lumen, comme le watt auquel il est rattaché, est une unité de débit. Les sources d’éclairage ont, en général, un débit constant, à l’exception des lumières brèves (celles des lampes flashs pour la photographie ou celles de certaines lampes de signalisation). On exprimera alors la quantité Q de lumière qu’elles émettent en lumens-secondes (lm · s). On s’intéresse quelquefois, dans les calculs économiques, au prix comparé du lumen-heure (lm · h) fourni par différentes lampes.

2.3 Intensité lumineuse.

À partir d’un point P supposé représenter une source de lumière et dans chaque direction, on peut porter l’intensité lumineuse I dans cette direction, telle que (figure 5) :

  dΦ étant le flux lumineux émis dans l’angle solide élémentaire d Ω entourant cette direction.

  Rappelons que l’unité d’angle solide est le stéradian, correspondant à un cône dont le sommet est le centre d’une sphère de rayon 1 m et qui découpe sur cette sphère une surface dont l’aire est 1 m². Si, dans un tel cône, l’intensité est constante et le flux émis égal à 1 lumen, l’intensité lumineuse est égale à 1 candela (cd).

  La candela est définie comme l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 · 10 12 hertz (soit λ = 555 nm) et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

  La plupart des sources admettent un axe de révolution ; un diagramme polaire plan comme celui de la figure6 renseigne complètement sur la distribution de la lumière dans l’espace.

Nota : par convention, les diagrammes donnent les intensités lumineuses pour une source supposée de 1 000 lm. Si F_n est le flux nominal réel de la lampe, les intensités lumineuses doivent être multipliées par F_n/ 1 000.

En fait, les diagrammes des intensités lumineuses qui intéressent l’éclairagiste sont ceux qui correspondent à l’emploi de la lampe dans un luminaire déterminé, celui-ci ayant pour fonction d’assurer la distribution de la lumière. Il faut mettre à part les lampes dites à réflecteur incorporé qui constituent, en elles-mêmes, de véritables appareils d’éclairage.

2.4 Luminance.

La luminance permet de rattacher la lumière émise par une source à l’aire de sa surface apparente.

Si l’on considère, autour d’un point P, un élément lumineux d’aire dA (figure7) et l’intensité dI due à cet élément dans la direction indiquée, la luminance, exprimée en candelas par mètre carré (cd · m^–2), de dA dans cette direction est :

Avec :  γ  angle caractérisant la direction par rapport à la normale N à la surface lumineuse en P.

On constate que de nombreuses surfaces rayonnent à luminance presque constante, c’est-à-dire indépendamment de la direction. On dit que l’émission est orthotrope ou qu’elle satisfait à la loi de Lambert. Dans ce cas, la luminance d’une source peut être caractérisée par un nombre unique. Notons que l’on recherche une luminance élevée pour les sources destinées à prendre place au foyer d’un miroir ou d’une lentille. En revanche, une luminance modérée a, en éclairage général, l’avantage de diminuer le risque d’éblouissement des usagers.

2.5 Efficacité lumineuse.

Le rapport entre le flux lumineux émis et la puissance électrique consommée définit l’efficacité lumineuse η, exprimée en lumens par watt (lm · W^–1), d’une source de lumière. Dans ce rapport interviennent la transformation de l’énergie électrique en rayonnement (qui comprend souvent, en plus du visible, l’infrarouge et l’ultraviolet) et l’efficacité propre aux radiations lumineuses, conformément à la fonction V(λ).

Il est évident qu’une source émettant dans la partie centrale du spectre visible a plus de chance d’atteindre une efficacité élevée qu’une source émettant dans tout le spectre. L’efficacité de rayonnement K de 683 lm · W^–1 correspondant à l’émission, sans perte, de la radiation de longueur d’onde λ= 555 nm, donne un plafond à toutes les réalisations possibles.

En imaginant une source donnant de la lumière blanche à partir d’une émission dΦ_e/dλ=Cte (spectre d’égale énergie), sans ultraviolet ni infrarouge, le calcul montre que η= 185 lm · W^–1.

.