Présentation
RÉSUMÉ
L'éclairage a vécu une véritable mutation technologique ces dernières années. L'arrivée des composants LEDs efficaces a drastiquement bouleversé le catalogue des fabricants de luminaires. Dans ce bref article, sont présentés les éléments fondamentaux de l'éclairagisme, la notion de propagation de la lumière, ainsi que les principes de base des sources lumineuses actuelles, les diverses formules de photométrie et leurs applications à l'éclairage des locaux.
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Lighting has been involved in a strong technological change in recent years. The emergence of highly efficient LED components completely changed the catalog of lighting manufacturers. We present in this short article the fundamentals of the lighting technology. We discuss the concept of light propagation and the basic principles of the present light sources. Then, we develop basic formula of photometry and their applications to indoor lighting.
Auteur(s)
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Christophe CACHONCINLLE : Chercheur à Polytech Orléans/GREMI
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Georges ZISSIS : Professeur des universités Directeur de recherche au Centre de physique des plasmas et de leurs applications (CPAT, UMR CNRS 5002) de l'université Paul-Sabatier Toulouse-III
INTRODUCTION
Le secteur de l'éclairage a subi une profonde mutation. La production de lumière à partir du « tout solide », ou « Solide State lighting » en anglais, a changé la donne. Certaines catégories de lampes ont disparu du marché alors que d'autres ont émergé.
Les technologies de lampes peuvent être grossièrement classées en trois catégories :
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les lampes à incandescence ;
-
les lampes à décharge ;
-
les LEDs (Light Emitted Diodes).
Le principe de fonctionnement de la première catégorie de lampes, repose sur l'incandescence d'un filament de tungstène porté à une température proche de son seuil de fusion, soit environ 3 000 K. Cette technologie, vielle de plus d'un siècle, a été bannie du marché européen de l'éclairage, car son efficacité de conversion de l'énergie électrique en lumière est intrinsèquement très limitée. Notons, qu'il subsiste encore des lampes à incandescence de faible puissance et des lampes spécifiques (fours, congélateurs, etc). Malgré la très bonne qualité esthétique de leur lumière, ces lampes sont dorénavant obsolètes, car énergivores.
La technologie des lampes à décharge est quant à elle plus sophistiquée. Cette catégorie comprend, par exemple, les lampes à halogénures métalliques utilisées abondamment et pendant longtemps en éclairage extérieur. Mais aussi, les tubes fluorescents et leur miniaturisation en lampes fluocompactes. L'efficacité de conversion énergétique de ces lampes est nettement meilleure, parfois dix fois mieux que celle des lampes à incandescence. Aussi, ont-elles envahi tout le secteur tertiaire de l'éclairage sous formes d'encastrés et de plafonniers, par exemple.
Enfin, l'arrivée sur le marché des composants LEDs de puissance qui émettent en lumière blanche, permet pour la première fois de disposer de très bonnes sources lumineuses d'une efficacité intrinsèquement supérieure à celle des lampes à décharge, tout en gardant une qualité de lumière remarquable.
Dans cet article, après avoir abordé les principes physiques de la propagation des ondes lumineuses dans les milieux matériels, nous présentons les principes fondamentaux de la production de lumière par la matière. Nous décrivons d'abord l'émission de lumière à partir du rayonnement du « corps noir », milieu gazeux ionisé, ou plasma, porté à haute température. Puis, nous exposons le principe de la production de photons par l'état solide de la matière : les jonctions semi-conductrices, i.e. la technologie LEDs.
Nous rappelons ensuite les définitions de base de la photométrie, principalement :
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le flux ;
-
l'intensité ;
-
l'éclairement ;
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la luminance ;
-
le facteur de maintenance ;
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le facteur d'utilisation d'une installation.
Puis, nous établissons quelques formules de base de l'éclairagisme, qui permettent de dimensionner simplement le flux lumineux à installer dans un local de géométrie donnée, tout en évaluant l'éfficience énergétique de l'installation.
Enfin, pour conclure, nous présentons les deux systèmes d'unités, radiométriques (W, W.m−2, W.sr−1...) et photométriques (lumen, lux candela...), ainsi que les relations mathématiques qui permettent le passage entre ces deux systèmes pour toutes les grandeurs.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
lighting | LED | discharge lamp
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
1. Lumière, propriétés et propagation
La « lumière » est un sous-ensemble du spectre électromagnétique capable d’impressionner l’œil humain. Par définition, « lumière » fait donc référence à la partie visible du spectre. Le terme « lumière visible » est un pléonasme. Il n'y a aucune limite exacte au spectre visible : généralement, on considère que la réponse de l'œil couvre les longueurs d'ondes de 380 nm à 780 nm, bien qu'une gamme de 400 nm à 800 nm soit plus commune dans la littérature. Les parties, ultraviolette (λ < 380 nm) et infrarouge (λ > 780 nm), du spectre électromagnétique ne sont pas visibles au sens stricte du terme par l’œil humain, mais elles peuvent être perçues par d’autres espèces animales.
On appelle spectre électromagnétique, la courbe donnant la distribution de l'énergie du rayonnement, considérée selon les longueurs d'onde. Bien souvent, on n'a pas besoin de connaître les valeurs absolues sur l'axe des ordonnées du spectre. La connaissance de cette courbe en unité arbitraire suffit à traiter bien des problèmes.
En toute rigueur, pour caractériser une source de lumière, les unités de son spectre sont celles de la luminance spectrique définie ci-après.
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Rappel historique
La nature de la lumière fit débat pendant plusieurs siècles. Ainsi, Christian Huygens a proposé une théorie ondulatoire de la lumière, publiée en 1690 dans son Traité de la Lumière. De son coté, Newton avait développé une théorie purement corpusculaire de la lumière qui ne pouvait pas expliquer le phénomène de diffraction. En 1850, Léon Foucault fait prévaloir la théorie ondulatoire sur la théorie corpusculaire newtonienne, avec son expérience sur la vitesse de propagation de la lumière.
Il a fallu attendre le 20e siècle pour conclure ce débat. La lumière est une onde électromagnétique, mais l’énergie transportée est « quantifiée ». En effet, selon la mécanique quantique, une particule est associée à chaque onde : c’est le principe de la dualité « onde-particule ». La particule élémentaire associée à la propagation de la lumière est le photon. Sa masse est strictement égale à zéro et l’énergie...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KITSINELIS (S.) - The Rigth Light : Matching technologie to the needs ans applications - CCR press Taylor & Francis Group (2012).
-
(2) - GASKA (R.), ZUKAUSKAS (A.), SHUR (M.S.) - « Introduction to Solid-State Lighting » - John Wiley & Sons Inc (2002).
-
(3) - SANIAL (W.) - * - . – Les sources de lumière artificielle, éditions Cépaduès (2011).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Congrès bisannuel « journées nationales de la lumière » organisé par l'Association Française de l'Éclairage.
HAUT DE PAGE
NF EN 13032 : - Photométrie (elle remplace la normes NF C 71-121) : partie 1 : Mesurage et format des données & partie 2 : Présentation des données. - -
NF EN 12 464 : - Éclairage des lieux de travail : partie 1 : Intérieur & partie 2 : Extérieur. - -
NF X 53-103 - Principe d'ergonomie visuelle pour les lieux de travail. - -
NF 12193 : - Éclairage des installations sportives. - -
NF EN 13201 : - Éclairage public : partie 1 : Classe d'éclairage. Partie 2 : Exigence de performances. Partie 3 : Calcul des performances. Partie 4 : Méthode...
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