Une ampoule à incandescence, également appelée lampe à incandescence ou globe lumineux à incandescence, fonctionne comme une source de lumière électrique qui génère un éclairage par le chauffage Joule d'un filament jusqu'à ce qu'il soit incandescent. Ce filament est enfermé dans une ampoule en verre, qui est soit évacuée, soit remplie d'un gaz inerte pour empêcher l'oxydation. Le courant électrique atteint le filament via des bornes ou des fils intégrés dans le verre, tandis qu'une douille d'ampoule offre à la fois un support structurel et une connectivité électrique.
Une ampoule à incandescence, également connue sous le nom de lampe à incandescence ou globe lumineux à incandescence, est une lumière électrique qui produit un éclairage en chauffant un filament par Joule jusqu'à ce qu'il brille. Le filament est enfermé dans une ampoule en verre qui est soit sous vide, soit remplie de gaz inerte pour protéger le filament de l'oxydation. Le courant électrique 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.
Les ampoules à incandescence sont produites dans une large gamme de dimensions, de flux lumineux et de spécifications de tension, allant généralement de 1,5 à environ 300 volts. Ces dispositifs ne nécessitent pas d'appareil de régulation externe, présentent des dépenses de production minimes et fonctionnent efficacement avec des sources d'alimentation à courant alternatif (AC) et à courant continu (DC). Par conséquent, l'ampoule à incandescence a été largement adoptée dans l'éclairage résidentiel et commercial, dans les applications d'éclairage portables telles que les lampes de table, les phares automobiles et les lampes de poche, ainsi qu'à des fins d'éclairage ornemental et promotionnel.
Les ampoules à incandescence démontrent une efficacité nettement inférieure à celle des technologies d'éclairage électrique alternatives. Moins de 5 % de leur consommation énergétique est transformée en lumière visible, le reste étant dissipé sous forme d'énergie thermique. L'efficacité lumineuse d'une ampoule à incandescence standard mesure 16 lumens par watt (lm/W) pour une unité de 120 V et 13 lm/W pour une unité de 230 V. Cela contraste fortement avec les 60 lm/W obtenus par les ampoules fluorescentes compactes et les 100 lm/W caractéristiques des lampes LED blanches typiques.
L'énergie thermique générée par les filaments trouve son utilité dans des applications spécifiques, notamment les lampes chauffantes pour incubateurs, les lampes à lave, les ampoules à effet Edison et le jouet Easy-Bake Oven. De plus, les radiateurs infrarouges halogènes à enveloppe de quartz sont utilisés dans les processus industriels, notamment pour le durcissement de la peinture et le chauffage des locaux.
Les ampoules à incandescence présentent généralement une durée de vie opérationnelle comparativement plus courte que les technologies d'éclairage alternatives, en moyenne environ 1 000 heures pour les applications résidentielles, contre des durées typiques de 10 000 heures pour les lampes fluorescentes compactes et de 20 000 à 30 000 heures pour les lampes à diodes électroluminescentes (DEL). La majorité 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). Certains organismes gouvernementaux ont interdit les ampoules à incandescence afin de réduire la consommation d'énergie.
Historique
Les historiens Robert Friedel et Paul Israel identifient plusieurs inventeurs de lampes à incandescence précédant Joseph Swan et Thomas Edison de General Electric. Leur analyse suggère que la conception d'Edison représentait la première mise en œuvre pratique, surpassant les tentatives antérieures en raison de la confluence de quatre éléments critiques : un matériau incandescent efficace ; un vide supérieur, obtenu via une pompe Sprengel, dépassant celui des autres conceptions contemporaines ; une résistance électrique élevée facilitant une distribution d'énergie économiquement viable à partir d'une source centralisée ; et le développement simultané des composants requis pour une infrastructure d'éclairage complète et à grande échelle. Néanmoins, l'ampoule à incandescence de Joseph Swan était antérieure à celle d'Edison et s'est révélée suffisamment pratique pour être installée et utilisée quotidiennement à Londres en 1881.
L'historien Thomas Hughes a postulé que le triomphe commercial d'Edison découlait de son développement pionnier d'un système d'éclairage électrique complet et intégré.
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 réseau principal et d'alimentation Edison et le système de distribution parallèle. D'autres inventeurs de générateurs et de lampes à incandescence, dotés d'une ingéniosité et d'une excellence comparables, ont longtemps été oubliés parce que leurs créateurs n'ont pas présidé à leur introduction dans un système d'éclairage.
Premières recherches pré-commerciales
En 1761, Ebenezer Kinnersley démontra l'incandescence d'un fil chauffé. Néanmoins, ces fils présentaient une propension à fondre ou à s'oxyder (combustion) rapidement lorsqu'ils étaient exposés à l'air. Au début du XIXe siècle, la lumière du jour est apparue comme une forme répandue d'éclairage de scène, obtenue en chauffant de l'oxyde de calcium à incandescence à l'aide d'une torche à oxyhydrogène.
En 1802, Humphry Davy a utilisé ce qu'il a qualifié de « batterie de taille immense » — comprenant 2 000 cellules situées dans le sous-sol de la Royal Institution of Great Britain — pour générer une lumière incandescente en dirigeant le courant à travers une fine bande de platine, sélectionnée pour son point de fusion exceptionnellement élevé. Bien que cet éclairage manquait de luminosité et de durabilité pour une application pratique, il a créé un précédent crucial qui a inspiré de nombreuses tentatives expérimentales au cours des 75 années suivantes. Davy a également démontré l'arc électrique, obtenu en transmettant un courant élevé entre deux électrodes de charbon de bois.
Au cours des quatre décennies suivantes, des recherches approfondies se sont concentrées sur le développement de la lampe à arc au carbone pour en faire une solution d'éclairage viable. Alors que l'arc de carbone lui-même semblait sombre et violet, émettant principalement de l'énergie ultraviolette, son électrode positive, chauffée jusqu'à un point de fusion proche du carbone, produisait une brillante incandescence semblable à celle de la lumière du soleil. Cependant, les lampes à arc consommaient rapidement des tiges de carbone, libéraient du monoxyde de carbone dangereux et généraient généralement des dizaines de kilowatts, limitant leur utilité à l'éclairage de vastes espaces. Par conséquent, les scientifiques ont persisté dans leur quête de lampes adaptées aux applications domestiques.
Au cours des trois premiers quarts du XIXe siècle, de nombreux expérimentateurs ont exploré diverses configurations impliquant des fils de platine ou d'iridium, des tiges de carbone et des enceintes évacuées ou partiellement évacuées. Un nombre important de ces appareils ont été démontrés publiquement et plusieurs ont reçu une protection par brevet.
En 1835, James Bowman Lindsay a présenté une lumière électrique continue lors d'une assemblée publique à Dundee, en Écosse. Il revendiquait la capacité de « lire un livre à une distance d'un pied et demi » grâce à son invention. Néanmoins, Lindsay n'a pas poursuivi le développement de cette technologie d'éclairage électrique.
En 1838, Marcellin Jobard, un lithographe belge, a conçu une ampoule à incandescence comportant un filament de carbone dans un environnement sous vide.
En 1840, le scientifique britannique Warren De la Rue a construit un appareil en enfermant un filament de platine enroulé dans un tube à vide et en l'alimentant avec un courant électrique. Cette conception exploite le point de fusion élevé du platine pour un fonctionnement à haute température et le nombre réduit de molécules de gaz de la chambre sous vide pour minimiser les réactions avec le platine, améliorant ainsi sa durée de vie. Malgré son efficacité fonctionnelle, le coût prohibitif du platine a rendu cette conception non viable commercialement.
En 1841, Frederick de Moleyns d'Angleterre a obtenu le brevet inaugural pour une lampe à incandescence, qui incorporait des fils de platine logés dans une ampoule à vide. Sa conception utilisait également des composants en carbone.
En 1845, l'inventeur américain John W. Starr a breveté une ampoule à incandescence utilisant des filaments de carbone. Cependant, son invention n'a jamais abouti à une production commerciale.
En 1851, Jean Eugène Robert-Houdin a exposé publiquement des ampoules à incandescence dans son domaine de Blois, en France. Ces ampoules originales sont aujourd'hui exposées au musée du Château de Blois.
En 1859, Moses G. Farmer construisit une ampoule électrique à incandescence comportant un filament de platine. Thomas Edison a ensuite rencontré une de ces ampoules dans un magasin de Boston, dans le Massachusetts, et a demandé conseil à Farmer concernant l'industrie de l'éclairage électrique.
En 1872, l'inventeur russe Alexander Lodygin a développé une ampoule à incandescence, obtenant un brevet russe pour celle-ci en 1874. Sa conception incorporait deux tiges de carbone de section réduite servant de brûleur, enfermées dans un récepteur en verre hermétiquement fermé et rempli d'azote. La configuration électrique permettait au courant d'être redirigé vers la deuxième tige de carbone lors de la consommation de la première. Plus tard, résidant aux États-Unis, il adopta le nom d'Alexander de Lodyguine et breveta avec succès des lampes à incandescence utilisant des filaments fabriqués à partir de chrome, d'iridium, de rhodium, de ruthénium, d'osmium, de molybdène et de tungstène.
Le 24 juillet 1874, Henry Woodward et Mathew Evans déposèrent un brevet canadien pour une lampe comprenant des tiges de carbone logées dans un cylindre de verre rempli d'azote. Leurs tentatives de commercialisation de cette lampe se sont révélées infructueuses, les conduisant à vendre les droits de brevet à Thomas Edison en 1879. L'acquisition d'Edison était en partie motivée par la nécessité de garantir la nouvelle revendication des lampes connectées en circuit parallèle. Le gouvernement canadien attribue officiellement l'invention de l'ampoule électrique à Woodward et Evans.
Commercialisation
Filament de carbone et technologie du vide
Joseph Swan (1828-1914), physicien et chimiste britannique, a lancé des expériences en 1850 avec des filaments de papier carbonisé dans une ampoule de verre sous vide. En 1860, il démontra avec succès un appareil fonctionnel ; cependant, l'absence d'un vide supérieur et d'une alimentation électrique suffisante ont conduit à une brève durée de vie opérationnelle de l'ampoule et à un rendement lumineux inefficace. Avec l'avènement de la technologie améliorée des pompes à vide au milieu des années 1870, Swan reprit son travail expérimental.
En 1878, Joseph Swan, avec l'aide de Charles Stearn, expert en pompes à vide, a développé une méthode de traitement qui a réussi à empêcher le noircissement prématuré des premières ampoules. Cette innovation a obtenu un brevet britannique en 1880. Le 18 décembre 1878, une lampe utilisant une fine tige de carbone a été présentée lors d'une réunion de la Newcastle Chemical Society, bien que son fonctionnement ait été limité à quelques minutes. Swan répéta la démonstration avec succès le 17 janvier 1879, lors d'une autre réunion. La lampe a ensuite été présentée à 700 participants lors d'une réunion de la Société littéraire et philosophique de Newcastle upon Tyne le 3 février 1879, faisant du bâtiment de la société la première structure publique à être éclairée à l'électricité. Les lampes présentées par Swan utilisaient une tige de carbone dérivée d'une lampe à arc plutôt qu'un filament fin, ce qui entraînait une faible résistance. Par conséquent, ces lampes nécessitaient des conducteurs importants pour fournir le courant nécessaire, ce qui les rendait commercialement peu pratiques. Néanmoins, ils ont démontré efficacement le potentiel de l’éclairage à incandescence, doté d’un vide relativement poussé, d’un conducteur en carbone et de fils d’entrée en platine. Cette ampoule particulière a atteint une durée de vie opérationnelle d'environ 40 heures.
Par la suite, Swan a orienté ses efforts vers la création d'un filament de carbone amélioré et la conception de méthodes efficaces pour sa fixation terminale. Au début des années 1880, il inventa une technique de traitement du coton pour produire du « fil parcheminé », obtenant le brevet britannique 4933 la même année. À partir de cette période, Swan a commencé à installer des ampoules dans les résidences et les monuments importants à travers l'Angleterre. Sa propre maison, Underhill, située à Low Fell, Gateshead, est devenue la première au monde à être éclairée par une ampoule électrique. Swan a créé son entreprise au début des années 1880. En 1881, le Savoy Theatre de la ville de Westminster, à Londres, était entièrement éclairé par des ampoules à incandescence Swan, ce qui en faisait le premier théâtre et bâtiment public au monde à bénéficier d'un éclairage entièrement électrique. Mosley Street à Newcastle upon Tyne, au Royaume-Uni, a la particularité d'être la première rue au monde à être éclairée par des lampes à incandescence, un événement survenu en 1880.
Thomas Edison a lancé des recherches sérieuses sur le développement d'une lampe à incandescence pratique en 1878. Le 14 octobre 1878, Edison a déposé sa première demande de brevet pour « l'amélioration des lumières électriques ». Après de nombreuses expériences, d’abord avec le carbone au début des années 1880, puis avec le platine et d’autres métaux, Edison revient finalement au filament de carbone. Le premier test réussi, réalisé le 22 octobre 1879, a démontré une durée de vie de 13,5 heures. Edison a constamment peaufiné cette conception et, le 4 novembre 1879, il a déposé un brevet américain pour une lampe électrique incorporant « un filament ou une bande de carbone enroulé et connecté… à des fils de contact en platine ». Alors que le brevet décrivait diverses méthodes de fabrication du filament de carbone, y compris l'utilisation de « fils de coton et de lin, d'attelles de bois, de papiers enroulés de diverses manières », Edison et son équipe ont découvert plus tard qu'un filament de bambou carbonisé pouvait atteindre une durée de fonctionnement supérieure à 1 200 heures. En 1880, le bateau à vapeur de l'Oregon Railroad and Navigation Company, Columbia, représenta la première application commerciale des lampes électriques à incandescence d'Edison, le marquant également comme le premier navire à utiliser une dynamo.
En 1878, Albon Man, un avocat de New York, fonda l'Electro-Dynamic Light Company pour exploiter ses brevets et ceux de William Sawyer. Quelques semaines plus tard, la United States Electric Lighting Company était créée. Cette société a réalisé sa première installation commerciale de lampes à incandescence à l'automne 1880 à la Mercantile Safe Deposit Company à New York, environ six mois après le déploiement des lampes à incandescence d'Edison sur le Columbia. Hiram S. Maxim a été ingénieur en chef de la US Electric Lighting Company. Après son succès significatif aux États-Unis, l'ampoule à incandescence brevetée d'Edison a également été largement adoptée en Europe. Notamment, les premières ampoules Edison des pays nordiques ont été installées dans la salle de tissage de l'usine textile de Finlayson à Tampere, en Finlande, en mars 1882.
Le 4 mars 1880, cinq mois seulement après l'invention de l'ampoule électrique par Edison, Alessandro Cruto a conçu une méthode pour produire de fins filaments de carbone. Ce processus impliquait de chauffer de minces filaments de platine dans un environnement gazeux d'alcool éthylique pour les recouvrir de graphite pur, suivi de la sublimation du platine à des températures élevées. Lors de l'exposition électrique de Munich en 1882, en Bavière, en Allemagne, Cruto a présenté des ampoules qui surpassaient celles d'Edison en termes d'efficacité et émettaient une lumière supérieure et plus blanche.
Alors qu'il était employé par Edison, Lewis Latimer a conçu une méthodologie améliorée de traitement thermique pour les filaments de carbone, qui a considérablement réduit leur risque de rupture et a permis leur formation dans des conceptions innovantes, telles que la configuration distinctive en « M » caractéristique des filaments Maxim. Le 17 janvier 1882, Latimer obtint un brevet pour le « Processus de fabrication des carbones », une technique avancée de production de filaments d'ampoules, qui fut ensuite acquise par la United States Electric Light Company. Ses contributions comprenaient également des améliorations brevetées permettant de fixer plus solidement les filaments à leurs supports métalliques.
En Grande-Bretagne, les sociétés Edison et Swan ont fusionné pour former la Edison and Swan United Electric Company, qui est devenue plus tard connue sous le nom d'Ediswan et a finalement été incorporée dans Thorn Lighting Limited. Même si Edison s'est initialement opposé à cette consolidation, il a finalement été obligé de coopérer, ce qui a conduit à la finalisation de la fusion. Par la suite, Edison a acquis tous les intérêts de Swan au sein de la nouvelle entité. Parallèlement, Swan vendit ses droits de brevet américains à la Brush Electric Company en juin 1882.
Le 8 octobre 1883, l'Office des brevets des États-Unis a rendu une décision invalidant les brevets d'Edison, affirmant qu'ils reposaient sur l'art antérieur développé par William Sawyer. Cette décision a déclenché plusieurs années de litige. Finalement, le 6 octobre 1889, un juge confirma la validité de la demande d'Edison concernant une amélioration de l'éclairage électrique, reconnaissant spécifiquement « un filament de carbone de haute résistance ».
En 1893, Heinrich Göbel a affirmé qu'il avait conçu la première ampoule à incandescence en 1854. Sa prétendue conception incorporait un mince filament de bambou carbonisé à haute résistance, des fils de plomb en platine dans une enveloppe entièrement en verre et un vide poussé. Bien que les juges de quatre tribunaux distincts aient exprimé des réserves sur l'invention antérieure revendiquée par Göbel, une décision définitive lors d'une audience finale n'a jamais été rendue, principalement en raison de l'expiration du brevet d'Edison. Des recherches publiées en 2007 ont par la suite déterminé que le récit des lampes de Göbel datant des années 1850 était fictif.
Un défi important dans l'évacuation des lampes à incandescence provenait de la présence d'humidité à l'intérieur de l'ampoule, qui se décomposerait lors de l'éclairage, provoquant l'attaque de l'oxygène sur le filament. Au cours des années 1880, l’anhydride phosphorique était utilisé conjointement avec des pompes à vide à mercure coûteuses pour atténuer ce problème. Néanmoins, vers 1893, l'inventeur italien Arturo Malignani (1865-1939), qui ne possédait pas ces pompes, constata que les vapeurs de phosphore pouvaient lier chimiquement efficacement les quantités résiduelles d'eau et d'oxygène. En 1896, il a breveté un procédé d'introduction de phosphore rouge comme « getter » interne dans l'ampoule, ce qui a facilité la fabrication d'ampoules économiques capables de durer 800 heures. Edison a ensuite acquis ce brevet en 1898.
En 1897, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst a conçu la lampe Nernst, un dispositif d'éclairage à incandescence qui utilisait une boule en céramique et ne nécessitait pas d'encapsulation dans un vide ou un gaz inerte. Ces lampes ont démontré deux fois l'efficacité de leurs homologues à filament de carbone et ont connu une brève période de popularité avant d'être supplantées par des lampes utilisant des filaments métalliques.
Innovations en matière de filaments métalliques et de gaz inertes
Le brevet américain 575002A, accordé le 1er décembre 1897 à Alexander Lodyguine (Lodygin, Russie), détaille les filaments fabriqués à partir de métaux rares, notamment le tungstène. Lodygin a développé un procédé par lequel des métaux rares, tels que le tungstène, pouvaient être traités chimiquement, puis vaporisés à chaud sur un fil filiforme chauffé électriquement (par exemple, platine, carbone, or), qui fonctionnait comme une base temporaire ou une forme squelettique. Lodygin a ensuite transféré ces droits de brevet à General Electric.
En 1902, Siemens a développé un filament de lampe au tantale, qui a démontré une efficacité supérieure par rapport aux filaments de carbone même graphitisés, en raison de sa capacité à fonctionner à des températures plus élevées. En raison de la plus faible résistivité du tantale métallique par rapport au carbone, le filament de la lampe au tantale était particulièrement long et nécessitait plusieurs supports internes. Pendant le fonctionnement, le filament métallique s'est progressivement raccourci ; par conséquent, les filaments ont été initialement installés avec des boucles de mou importantes. Les lampes qui avaient cumulé plusieurs centaines d’heures d’utilisation devenaient considérablement fragiles. Une propriété distinctive de ces filaments métalliques était leur propension à se casser puis à se ressouder, bien que ce phénomène conduise généralement à une diminution de la résistance et à une réduction de la durée de vie opérationnelle du filament. General Electric a ensuite acheté les droits d'utilisation des filaments de tantale et les a produits aux États-Unis jusqu'en 1913.
Entre 1898 et 1905 environ, l'osmium a également été utilisé comme matériau de filament dans les lampes produites par Carl Auer von Welsbach. Le coût prohibitif de ce métal permettait de restituer les lampes usagées en échange d'un crédit partiel. Étant donné que les filaments d'osmium ne pouvaient pas être fabriqués pour fonctionner directement à 110 V ou 220 V, plusieurs lampes ont été connectées en série pour fonctionner sur des circuits à tension standard. Ces produits étaient principalement distribués en Europe.
Filaments de tungstène
Le 13 décembre 1904, Sándor Just (hongrois) et Franjo Hanaman (croate) ont obtenu un brevet hongrois (n° 34541) pour une lampe à filament de tungstène, qui offrait une durabilité et une luminosité améliorées par rapport à ses prédécesseurs à filament de carbone. La société hongroise Tungsram a lancé la commercialisation des lampes à filament de tungstène en 1904, ce qui a conduit à leur désignation commune « ampoules Tungsram » dans de nombreux pays européens. L'introduction d'un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote, dans l'ampoule retarde considérablement le taux d'évaporation du filament de tungstène par rapport au fonctionnement sous vide. Cette innovation facilite des températures de fonctionnement plus élevées, améliorant ainsi l'efficacité lumineuse tout en minimisant la dégradation du filament.
En 1906, William D. Coolidge, alors qu'il était employé chez General Electric Company, a conçu un procédé pour produire du « tungstène ductile » à partir de tungstène fritté, permettant sa formation en filaments. En 1911, General Electric a commencé à vendre des ampoules à incandescence intégrant du fil de tungstène ductile.
En 1913, Irving Langmuir a découvert que le remplacement du vide dans une lampe par un gaz inerte (initialement de l'azote, puis de l'argon) doublait son efficacité lumineuse et atténuait le noircissement de l'ampoule. Il a obtenu un brevet pour cette invention le 18 avril 1916.
En 1917, Burnie Lee Benbow a obtenu un brevet pour le filament enroulé en bobine, une conception dans laquelle un filament enroulé primaire est ensuite enroulé dans une bobine secondaire à l'aide d'un mandrin. Junichi Miura, travaillant pour Hakunetsusha (un précurseur de Toshiba), a développé la première ampoule à double bobine utilisant un filament de tungstène enroulé en bobine en 1921. Malgré cette innovation, les machines de production de masse de filaments enroulés en bobine n'étaient pas disponibles à l'époque. Hakunetsusha a ensuite développé une technique de production de masse de filaments enroulés en 1936.
De 1924 jusqu'au début de la Seconde Guerre mondiale, le cartel Phoebus s'est efforcé d'établir des prix fixes et des quotas de vente entre les fabricants d'ampoules opérant en dehors du marché nord-américain.
En 1925, le chimiste américain Marvin Pipkin a breveté une méthode pour dépolir l'intérieur des ampoules sans compromettre leur intégrité structurelle. Par la suite, en 1947, il a breveté un procédé permettant d'appliquer un revêtement de silice sur les surfaces intérieures des lampes.
En 1930, l'inventeur hongrois Imre Bródy a innové en remplissant les lampes avec du krypton au lieu de l'argon et a simultanément conçu une méthode pour extraire le krypton de l'air atmosphérique. La production commerciale de lampes remplies de krypton, basée sur l'invention de Bródy, a commencé en 1937 à Ajka, en Hongrie, dans une installation co-conçue par Polányi et le physicien d'origine hongroise Egon Orowan.
En 1964, les progrès dans l'efficacité et les processus de fabrication des lampes à incandescence avaient divisé par trente le coût de fourniture d'une quantité spécifique de lumière, par rapport aux coûts initiaux associés à l'éclairage d'origine d'Edison. système.
La consommation d'ampoules à incandescence a connu une croissance rapide aux États-Unis. En 1885, environ 300 000 lampes d'éclairage général, exclusivement composées de filaments de carbone, ont été vendues. Lors de l’introduction des filaments de tungstène, le marché américain contenait environ 50 millions de douilles de lampe. En 1914, l’utilisation atteignait 88,5 millions de lampes, dont seulement 15 % utilisaient encore des filaments de carbone. Les ventes annuelles de lampes ont encore grimpé jusqu'à 795 millions en 1945, ce qui équivaut à plus de cinq lampes par personne et par an.
Efficacité et efficience
Une ampoule à incandescence au tungstène typique convertit moins de 5 % de sa puissance consommée en lumière visible ; la majorité est dissipée sous forme de rayonnement infrarouge invisible. Les ampoules se caractérisent par leur efficacité lumineuse, définie comme le rapport entre la lumière visible émise (flux lumineux) et la puissance électrique consommée. Cette métrique est quantifiée en lumens par watt (lm/W).
L'efficacité lumineuse d'une source lumineuse est établie comme le quotient de son efficacité lumineuse et de l'efficacité lumineuse maximale théorique, qui s'élève à 683 lm/W. Une source de lumière blanche optimale pourrait théoriquement générer environ 250 lumens par watt, ce qui se traduirait par une efficacité lumineuse de 37 %.
Pour produire une quantité spécifique de lumière, une ampoule à incandescence nécessite une plus grande consommation d'énergie et génère plus de chaleur que la plupart des technologies d'éclairage électrique alternatives. Dans les structures climatisées, la puissance thermique des lampes à incandescence augmente la charge sur le système de refroidissement. Bien que la chaleur générée par l'éclairage puisse diminuer les besoins en système de chauffage d'un bâtiment, ce dernier fournit généralement une énergie thermique équivalente à un coût de fonctionnement réduit par rapport à l'éclairage à incandescence.
Des informations concernant l'efficacité lumineuse et l'efficience de plusieurs types d'ampoules à incandescence sont fournies. Une comparaison plus approfondie de l'efficacité lumineuse sur un spectre plus large de sources lumineuses est également disponible.
Rendu des couleurs
La puissance spectrale d'une lampe à incandescence ressemble beaucoup à celle d'un radiateur à corps noir fonctionnant à une température équivalente. Par conséquent, une lampe à incandescence au tungstène, maintenue à une température définie avec précision, sert de source lumineuse fondamentale pour une perception standardisée des couleurs.
Les technologies d'éclairage alternatives, notamment les lampes fluorescentes, à décharge de haute intensité et les lampes LED, présentent une efficacité lumineuse supérieure. Ces dispositifs génèrent de la lumière par luminescence, caractérisée par des bandes distinctes de longueurs d'onde plutôt que par le spectre continu et la « queue » infrarouge invisible associée aux sources thermiques. Grâce à une sélection méticuleuse de revêtements de phosphore fluorescent ou de filtres de modification spectrale, le spectre émis peut être ajusté avec précision pour reproduire les caractéristiques visuelles des sources incandescentes ou atteindre diverses températures de couleur de lumière blanche. Pour les applications critiques en matière de couleur, telles que la production de films cinématographiques, ces sources luminescentes peuvent nécessiter des méthodologies spécialisées pour obtenir une apparence cohérente avec un éclairage incandescent. Le phénomène de métamérie explique comment différentes distributions de puissance spectrale peuvent aboutir à des couleurs perçues identiques.
Considérations économiques de l'éclairage
Le coût d'acquisition initial d'une lampe à incandescence est généralement négligeable par rapport à sa consommation d'énergie cumulée tout au long de sa durée de vie opérationnelle. Les lampes à incandescence possèdent généralement une durée de fonctionnement plus courte que la plupart des autres technologies d'éclairage, un facteur essentiel lorsque les procédures de remplacement sont peu pratiques ou coûteuses. De plus, certains types de lampes, notamment à incandescence et fluorescentes, connaissent une diminution de leur rendement lumineux au fil du temps, ce qui peut conduire à un remplacement prématuré avant une panne complète, réduisant ainsi leur durée de vie effective. Une analyse économique complète comparant les lampes à incandescence avec des sources lumineuses alternatives doit prendre en compte plusieurs facteurs : les besoins d'éclairage, le coût unitaire de la lampe, les dépenses de main-d'œuvre associées au remplacement de la lampe (tenant compte de la durée de vie effective), les coûts de consommation d'électricité et l'impact du fonctionnement de la lampe sur les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC). Dans les applications de bâtiments résidentiels et commerciaux, la chaleur importante générée par les lampes à incandescence peut augmenter considérablement la demande énergétique des systèmes de climatisation. Même si cette chaleur n'est pas entièrement gaspillée pendant les saisons de chauffage, il est généralement plus efficace d'un point de vue économique de tirer la chaleur de l'infrastructure de chauffage principale d'un bâtiment. Par conséquent, sur un cycle annuel, un système d'éclairage plus économe en énergie génère systématiquement des économies d'énergie dans presque toutes les conditions climatiques.
Interdictions réglementaires
Étant donné que les ampoules à incandescence consomment plus d'énergie que les alternatives contemporaines comme les lampes fluorescentes compactes (CFL) et les lampes LED, de nombreux gouvernements ont adopté des réglementations pour les éliminer progressivement. Ces mesures impliquent généralement l'établissement de normes d'efficacité minimales qui dépassent les capacités de la technologie à incandescence. De telles interdictions ont été mises en œuvre dans diverses juridictions, notamment dans l'Union européenne, aux États-Unis, en Russie, au Brésil, en Argentine, au Canada et en Australie. La Commission européenne estime que cette interdiction génère des avantages économiques allant de 5 milliards d'euros à 10 milliards d'euros par an, ainsi qu'une économie annuelle d'électricité de 40 TWh, ce qui correspond à une réduction de 15 millions de tonnes (33 milliards de livres) des émissions de CO§89§.
L'opposition à l'interdiction des ampoules à incandescence provient de plusieurs facteurs, notamment le coût initial élevé des technologies alternatives, la qualité de la lumière perçue comme inférieure des lampes fluorescentes et la résistance générale aux interventions réglementaires gouvernementales. De plus, des problèmes de santé associés aux lampes fluorescentes ont été soulevés. Une évaluation réalisée en 2008 par le Comité scientifique des risques sanitaires émergents et nouvellement identifiés de la Commission européenne a indiqué que certaines lampes fluorescentes compactes alors disponibles émettaient des niveaux plus élevés de lumière ultraviolette et bleue que les lampes à incandescence, exacerbant potentiellement les symptômes chez les personnes photosensibles. Une étude de 2017 publiée dans le World Journal of Biological Psychiatry a en outre rapporté qu'un éclairage LED blanc riche en bleu peut supprimer la production de mélatonine et perturber le sommeil et les rythmes circadiens, ce qui peut avoir des implications sur la santé mentale.
Progrès dans l'amélioration de l'efficacité
Des recherches approfondies ont été menées pour améliorer l'efficacité des lampes à incandescence commerciales. En 2007, General Electric a annoncé une initiative de lampes à incandescence à haute efficacité (HEI), prévoyant une éventuelle multiplication par quatre de l'efficacité par rapport aux modèles à incandescence existants, bien que l'objectif de production initial était d'environ le double de l'efficacité actuelle. Le programme HEI a été interrompu en 2008 en raison de progrès insuffisants. Les premières enquêtes menées par le ministère américain de l'Énergie auprès des laboratoires nationaux Sandia ont suggéré que des améliorations significatives de l'efficacité étaient possibles grâce à un filament à réseau photonique. Cependant, des analyses ultérieures ont révélé que ces premiers résultats prometteurs étaient erronés.
En réponse aux mandats législatifs de divers pays visant à améliorer l'efficacité des ampoules, Philips a introduit des ampoules à incandescence hybrides. Les lampes à incandescence Halogena Energy Saver atteignent environ 23 lm/W, ce qui représente une augmentation d'environ 30 % de l'efficacité par rapport aux lampes à incandescence conventionnelles. Ceci est accompli en utilisant une capsule réfléchissante qui redirige le rayonnement infrarouge précédemment gaspillé vers le filament, où une partie est réémise sous forme de lumière visible. Ce principe a été commercialisé pour la première fois par Duro-Test en 1980, donnant un produit de 29,8 lm/W. Théoriquement, des réflecteurs plus avancés utilisant des filtres interférentiels ou des cristaux photoniques pourraient atteindre des efficacités encore plus élevées, pouvant atteindre jusqu'à 270 lm/W (40 % de l'efficacité maximale possible). Des expériences de validation de principe en laboratoire ont démontré des efficacités allant jusqu'à 45 lm/W, proches de celles des ampoules fluorescentes compactes, bien qu'elles restent inférieures à celles des ampoules LED.
Construction
Les ampoules à incandescence comprennent une enceinte en verre hermétique, appelée enveloppe ou ampoule, qui contient un filament en fil de tungstène à travers lequel circule un courant électrique. Les connexions électriques au filament sont facilitées par des fils de contact et une embase équipée d'au moins deux conducteurs. En règle générale, les ampoules à incandescence intègrent une tige ou un support en verre ancré à la base de l'ampoule, permettant aux contacts électriques de traverser l'enveloppe sans compromettre son étanchéité à l'air. De petits fils intégrés dans cette tige fournissent un support au filament et à ses fils conducteurs.
Un courant électrique chauffe le filament à des températures allant généralement de 2 000 à 3 300 K (1 730 à 3 030 °C ; 3 140 à 5 480 °F), ce qui est considérablement inférieur au point de fusion du tungstène de 3 695 K (3 422 °C ; 6 191). °F). La température du filament dépend du matériau du filament, de sa géométrie, de ses dimensions et de l'ampleur du courant consommé. Le filament chauffé émet une lumière se rapprochant d’un spectre continu. Bien que la lumière visible constitue la partie utile de l'énergie émise, la majorité de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur dans les longueurs d'onde du proche infrarouge.
Enveloppes d'ampoules
La plupart des ampoules sont dotées d'enveloppes en verre transparent ou à revêtement. Les ampoules en verre à revêtement sont produites en soufflant de l'argile kaolinique à l'intérieur, où elle est déposée électrostatiquement. Cette couche de poudre sert à diffuser la lumière émanant du filament. Des pigments peuvent être incorporés à l'argile pour modifier la couleur de la lumière émise. Les ampoules à diffusion de kaolin sont largement utilisées dans l’éclairage intérieur en raison de leur éclairage relativement doux. D'autres types d'ampoules colorées sont également fabriqués, notamment celles destinées aux « ampoules de fête », aux lumières des arbres de Noël et à diverses applications décoratives. Ceux-ci sont créés en dopant le verre avec des agents colorants, souvent des métaux comme le cobalt pour le bleu ou le chrome pour le vert. Du verre contenant du néodyme est parfois utilisé pour produire un aspect lumineux plus naturel.
L'enveloppe en verre d'une lampe de service standard peut atteindre des températures comprises entre 200 et 260 °C (392 et 500 °F). Les lampes conçues pour un fonctionnement à haute puissance ou des applications de chauffage comportent généralement des enveloppes en verre dur ou en quartz fondu.
Si l'enveloppe d'une ampoule devait présenter une fuite, le filament de tungstène chaud réagit avec l'air atmosphérique, générant un aérosol composé de nitrure de tungstène brun, de dioxyde de tungstène brun, de pentoxyde de tungstène bleu-violet et de trioxyde de tungstène jaune. Ces composés se déposent ensuite sur les surfaces adjacentes ou à l'intérieur de l'ampoule.
Remplissage de gaz
La majorité des ampoules contemporaines sont remplies d'un gaz inerte pour atténuer l'évaporation du filament et empêcher l'oxydation. Ce gaz est généralement maintenu à une pression d'environ 70 kPa (0,7 atm).
L'introduction d'un remplissage de gaz atténue l'évaporation du filament ; cependant, le choix de ce remplissage nécessite une réflexion minutieuse pour éviter des pertes thermiques importantes. Les propriétés optimales du gaz comprennent l’inertie chimique et un poids atomique ou moléculaire élevé. En maintenant le filament de tungstène en dessous de sa pression de vapeur, le gaz permet un fonctionnement à des températures élevées sans compromettre sa durée de vie, ou bien prolonge sa durée de vie à une température constante. À l'inverse, le gaz introduit une dissipation thermique du filament par conduction et convection, diminuant ainsi l'efficacité de l'incandescence.
Au départ, les lampes à incandescence utilisaient un vide pour protéger le filament de l'oxygène. Alors que le vide accélère l’évaporation du filament, il élimine simultanément deux principaux mécanismes de transfert de chaleur. Certaines lampes compactes contemporaines utilisent également cette technologie du vide.
Les remplissages de gaz prédominants comprennent :
- Vide : utilisé dans les conceptions de lampes compactes, il offre une isolation thermique supérieure au filament mais ne parvient pas à empêcher son évaporation. De plus, le vide est utilisé dans les lampes plus grandes nécessitant des températures de surface externes limitées.
- Argon (93 %) et azote (7 %) : l'argon est sélectionné pour son inertie chimique, sa faible conductivité thermique et sa viabilité économique, tandis que l'azote est incorporé pour élever la tension de claquage et atténuer les arcs électriques entre les composants du filament.
- Azote : utilisé dans des applications spécifiques à haute puissance, telles que les lampes de projection, en particulier lorsqu'une tension de claquage élevée est critique en raison de la proximité immédiate d'éléments filamentaires ou de fils d'alimentation.
- Krypton : offre des avantages par rapport à l'argon en raison de son poids atomique plus élevé et de sa conductivité thermique réduite, ce qui facilite également l'utilisation de conceptions d'ampoules plus compactes. Cependant, son coût nettement plus élevé limite son application principalement aux ampoules de plus petite taille.
- Krypton mélangé à du xénon : le xénon améliore encore les propriétés du gaz en raison de son poids atomique supérieur. Son application est néanmoins limitée par son coût prohibitif. Les améliorations de performances obtenues avec le xénon sont généralement considérées comme modestes par rapport à son coût.
- Hydrogène : utilisé dans les lampes clignotantes spécialisées nécessitant un refroidissement rapide du filament, où sa conductivité thermique élevée est avantageuse.
- Halogène : une quantité mineure est mélangée à un gaz inerte pour être utilisée dans les lampes halogènes, qui constituent une catégorie distincte d'éclairage à incandescence.
Le remplissage de gaz doit être méticuleusement exempt de toute trace d'eau, car l'humidité accélère considérablement le noircissement de l'ampoule.
La couche de gaz immédiatement adjacente au filament, connue sous le nom de couche de Langmuir, reste stagnante, facilitant le transfert de chaleur exclusivement par conduction. Le transfert de chaleur par convection vers l'enveloppe de l'ampoule ne commence qu'à une certaine distance radiale du filament.
L'orientation du filament exerce une influence sur l'efficacité opérationnelle. Par exemple, une ampoule orientée verticalement abritant un filament vertical (ou axial) favorise le flux de gaz parallèlement au filament, atténuant ainsi les pertes de chaleur par convection.
L'efficacité de la lampe est positivement corrélée à un diamètre de filament accru. À l'inverse, les ampoules à filament fin et de faible consommation ne tirent que peu d'avantages d'un remplissage de gaz et sont par conséquent souvent simplement évacuées.
Les premières ampoules à incandescence comportant des filaments de carbone incorporaient du monoxyde de carbone, de l'azote ou de la vapeur de mercure comme gaz de remplissage. Néanmoins, étant donné que les filaments de carbone fonctionnent à des températures plus basses que celles du tungstène, l'impact du gaz de remplissage était négligeable, car les pertes thermiques annulaient effectivement tout avantage potentiel.
Processus de fabrication
La production initiale des ampoules à incandescence impliquait un assemblage manuel laborieux. Le développement ultérieur des machines automatisées a conduit à une réduction des coûts de fabrication. Avant 1910, avant l'introduction de la machine Westlake de Libbey, les ampoules étaient généralement fabriquées par une équipe de trois personnes, comprenant deux cueilleurs et un maître gaffer, qui soufflaient manuellement le verre dans des moules en bois ou en fonte enduits de pâte. Au cours des années 1880, environ 150 ampoules par heure étaient produites via cette méthode de soufflage manuel à Corning Glass Works.
La machine Westlake, une innovation de Libbey Glass, est issue d'une adaptation de l'appareil de soufflage de bouteilles Owens-Libbey. Par la suite, Corning Glass Works a lancé le développement de machines automatisées de soufflage d'ampoules concurrentes, la E-Machine étant la première à entrer en production.
La machine à ruban
Corning a persisté à faire progresser les technologies de production automatisée d'ampoules, en déployant la machine à ruban dans son usine de Wellsboro, en Pennsylvanie, en 1926. Cette machine a largement surpassé tous les efforts antérieurs en matière de fabrication automatisée d'ampoules et est restée déterminante dans la production d'ampoules à incandescence jusqu'au 21e siècle. En 1939, son inventeur, William Woods, en collaboration avec son collègue de Corning Glass Works, David E. Gray, avait conçu une machine capable de produire 1 000 ampoules par minute.
La machine à ruban fonctionne en transportant un ruban continu de verre le long d'une bande transporteuse, ensuite chauffé dans un four, puis soumis à la pression de l'air provenant de buses d'air précisément alignées qui dirigent l'air à travers les ouvertures de la bande transporteuse vers les moules. Ce procédé facilite la formation d'ampoules ou d'enveloppes en verre. Une machine standard est capable de produire de 50 000 à 120 000 ampoules par heure, en fonction des dimensions de l'ampoule. Dans les années 1970, quinze machines à ruban fournissaient dans le monde la totalité des ampoules à incandescence. Le filament et ses structures de support sont assemblés sur une tige en verre, qui est ensuite fusionnée à l'ampoule. L'air est évacué du bulbe et le tube d'évacuation à l'intérieur de la presse à tige est hermétiquement fermé à l'aide d'une flamme. Ensuite, l'ampoule est insérée dans le culot de la lampe et l'ensemble complet est soumis à des tests. La fermeture de l'usine d'Osram-Sylvania à Wellsboro, en Pennsylvanie, en 2016, a entraîné la mise hors service de l'une des dernières machines à ruban opérationnelles aux États-Unis.
Filament
Le carbone possède le point de fusion le plus élevé parmi tous les éléments, et sa capacité à générer une incandescence se rapprochant étroitement de la lumière du soleil a été démontrée dans les lampes à arc au carbone. Néanmoins, le carbone présente une propension à se sublimer en dessous de son point de fusion, en fonction de la pression ambiante, ce qui entraîne historiquement un noircissement rapide des ampoules évacuées. Les premiers filaments d’ampoules commercialement viables étaient fabriqués à partir de papier carbonisé ou de bambou. Les filaments de carbone présentent un coefficient de résistance à la température négatif ; par conséquent, leur résistance électrique diminue avec l'augmentation de la température. Cette caractéristique rendait la lampe sensible aux fluctuations de l'alimentation électrique, car une légère augmentation de tension élèverait la température du filament, diminuant ainsi sa résistance et induisant une augmentation supplémentaire de la consommation d'énergie et de la génération de chaleur.
Les filaments de carbone subissaient un processus de « flashage », impliquant un chauffage dans une vapeur d'hydrocarbure (généralement de l'essence), pour améliorer leur résistance mécanique et leur uniformité. Les filaments métallisés ou « graphitisés » étaient initialement soumis à des températures élevées pour les convertir en graphite, une modification qui augmentait leur résistance et la douceur de leur surface. Ces filaments possèdent un coefficient de température positif, semblable à celui des conducteurs métalliques, qui a contribué à stabiliser les caractéristiques opérationnelles de la lampe face aux fluctuations mineures de la tension d'alimentation.
Les filaments métalliques ont été expérimentés pour la première fois en 1897 et ont commencé à remplacer les filaments de carbone vers 1904. Le tungstène possède le point de fusion le plus élevé connu ; cependant, sa fragilité inhérente représentait un obstacle important. En 1910, William D. Coolidge de General Electric a mis au point une méthode pour produire une forme ductile de tungstène. Ce processus impliquait de presser de la poudre de tungstène en barres, suivi d'étapes séquentielles de frittage, d'emboutissage et de tréfilage. La recherche a révélé que les filaments de tungstène très purs s'affaissaient pendant le fonctionnement. À l'inverse, un minuscule traitement de « dopage » impliquant des oxydes de potassium, de silicium et d'aluminium, à des concentrations de quelques centaines de parties par million (appelé tungstène AKS), a considérablement amélioré la durée de vie et la robustesse des filaments de tungstène.
Le principal mécanisme de défaillance des filaments de tungstène, même dans les applications contemporaines, implique un glissement des joints de grains facilité par le fluage diffusionnel. Pendant les périodes de fonctionnement, le fil de tungstène subit des contraintes dues à son poids propre et, en raison de la diffusion à haute température, ses grains constitutifs commencent à tourner et à glisser. Cette contrainte, exacerbée par les variations inhérentes au filament, induit un affaissement non uniforme, qui à son tour génère un couple supplémentaire sur le filament. A terme, cet affaissement progressif conduit à la rupture inévitable du filament, rendant ainsi l'ampoule à incandescence inutilisable.
Filament enroulé en bobine
Pour améliorer l'efficacité de la lampe, le filament comprend généralement plusieurs bobines de fil finement enroulé, communément appelé bobine enroulée. Les lampes incorporant des filaments enroulés sont parfois appelées ampoules à double bobine. Dans une lampe typique de 60 watts et 120 volts, le filament de tungstène déroulé mesure environ 580 millimètres (22,8 pouces) de longueur et un diamètre de 0,046 millimètres (0,0018 pouces). Le principal avantage de la configuration de la bobine enroulée est que le taux d'évaporation du filament de tungstène se rapproche de celui d'un cylindre de tungstène avec un diamètre équivalent à la dimension globale de la bobine enroulée. Par conséquent, le filament enroulé présente un taux d'évaporation plus lent par rapport à un filament droit possédant une surface et une puissance lumineuse identiques. Cette caractéristique permet au filament de fonctionner à des températures plus élevées, ce qui conduit à une source de lumière plus efficace avec une durée de vie prolongée par rapport à un filament droit fonctionnant à la même température.
Les filaments électriques remplissent de multiples fonctions, notamment leur application dans les cathodes chaudes des lampes fluorescentes et des tubes à vide. Dans ces contextes, ils fonctionnent comme une source directe d’électrons ou fournissent de la chaleur à une électrode émettrice d’électrons dans des tubes à vide. Lorsqu'ils sont spécifiquement utilisés pour la génération d'électrons, ces filaments sont souvent traités avec des revêtements spécialisés pour améliorer l'efficacité de l'émission d'électrons.
Stratégies pour atténuer l'évaporation des filaments
Dans des conditions de fonctionnement standard, le matériau en tungstène composant le filament subit une évaporation, un processus accéléré dans les filaments plus chauds et plus efficaces. Par conséquent, la durée de vie opérationnelle d’une lampe à incandescence représente un compromis technique critique entre efficacité énergétique et durabilité. Pour les applications d'éclairage général, cette balance est généralement calibrée pour atteindre une durée de vie de 1 000 à 2 000 heures. En revanche, les lampes spécialisées destinées au théâtre, à la photographie et à la projection présentent souvent une durée de vie utile beaucoup plus courte, parfois seulement quelques heures, ce qui donne la priorité à un rendement lumineux élevé dans une conception compacte plutôt qu'à une longévité prolongée. Historiquement, les lampes à longue durée de vie, malgré leur moindre efficacité, se sont révélées utiles dans les scénarios où le remplacement des ampoules était difficile, en particulier avant l'adoption généralisée des technologies fluorescentes compactes et LED.
Les recherches d'Irving Langmuir ont révélé que l'introduction d'un gaz inerte, plutôt que de maintenir un vide, pouvait effectivement empêcher l'évaporation du filament. Ce principe est appliqué dans les ampoules à incandescence modernes d'usage général dépassant environ 25 watts, qui sont généralement remplies d'un mélange gazeux composé principalement d'argon et d'azote, ou occasionnellement de krypton. Bien que le gaz inerte atténue avec succès l’évaporation du filament, il facilite en même temps le transfert de chaleur hors du filament, entraînant un refroidissement et une réduction de l’efficacité lumineuse. La conductivité thermique d'un gaz, à pression et température constantes, est influencée par son poids moléculaire et la surface de la section transversale de ses molécules. Les gaz ayant des poids moléculaires plus élevés présentent généralement une conductivité thermique plus faible en raison de leur poids moléculaire accru et de leur plus grande section transversale. Le gaz xénon, en raison de son poids moléculaire élevé, améliore l'efficacité, mais son coût plus élevé limite son application à des lampes plus petites.
L'encoche du filament résulte de l'évaporation non uniforme du matériau du filament. Des variations mineures de la résistivité électrique sur la longueur du filament conduisent à la formation de « points chauds » dans les régions de résistivité élevée ; par exemple, un simple écart de 1 % dans le diamètre peut entraîner une réduction de 25 % de la durée de vie. Étant donné que la résistance des filaments dépend de manière significative de la température, ces régions les plus chaudes présentent une résistance accrue, dissipant par conséquent plus d'énergie et devenant encore plus chaudes, établissant ainsi une boucle de rétroaction positive. Ces points chauds s’évaporent à un rythme accéléré par rapport au filament environnant, entraînant une augmentation permanente de la résistance à ces points spécifiques. Ce processus dégénératif aboutit finalement à la formation d'un minuscule espace dans un filament apparemment intact.
Lorsque les lampes fonctionnent au courant continu, la surface du filament développe des irrégularités aléatoires, semblables à des marches d'escalier, un phénomène qui peut réduire la durée de vie opérationnelle jusqu'à 50 % par rapport au fonctionnement en courant alternatif. Cet effet néfaste peut être atténué grâce à l'incorporation d'alliages spécifiques de tungstène et de rhénium.
Un filament cassé dans une ampoule à gaz présente un risque important de formation d'un arc électrique, qui peut se propager entre les bornes et tirer un courant trop élevé. Pour contrecarrer ce risque, les ampoules intègrent souvent des fils d'alimentation intentionnellement fins ou des mécanismes de protection plus sophistiqués qui fonctionnent comme des fusibles intégrés. De plus, les lampes à haute tension utilisent une proportion accrue d'azote pour réduire le risque d'arc électrique.
Phénomène de noircissement des ampoules
Dans les lampes à incandescence classiques, le tungstène évaporé du filament se dépose sur la surface intérieure de l'enveloppe en verre, entraînant un assombrissement caractéristique. Dans les ampoules remplies sous vide, cet assombrissement est uniformément réparti sur toute la surface de l'enveloppe. À l’inverse, lorsqu’un gaz inerte est utilisé, le tungstène évaporé est transporté par des courants de convection thermique au sein du gaz, conduisant à son dépôt préférentiel sur la partie supérieure de l’enveloppe, localisant ainsi le noircissement sur cette zone spécifique. Les recherches sur le problème du noircissement des ampoules ont joué un rôle déterminant dans la découverte de l'émission thermoionique, l'invention ultérieure du tube à vide et le développement de techniques de dépôt par évaporation utilisées dans la fabrication de miroirs et d'autres revêtements optiques.
Même des quantités infimes de vapeur d'eau dans une ampoule peuvent considérablement exacerber l'assombrissement de la lampe. Au niveau du filament incandescent, la vapeur d'eau se dissocie en hydrogène et oxygène. L'oxygène libéré réagit ensuite avec le tungstène métallique, formant des particules d'oxyde de tungstène qui migrent ensuite vers les régions plus froides de la lampe. Parallèlement, l'hydrogène dérivé de la vapeur d'eau réduit ces oxydes de tungstène, régénérant la vapeur d'eau et perpétuant ce cycle de l'eau. Pour illustrer la puissance de cet effet, la quantité d’eau équivalente à une seule goutte, si elle était distribuée sur 500 000 lampes, intensifierait considérablement l’assombrissement. Pour contrecarrer cela, de petites quantités de substances comme le zirconium sont incorporées dans la lampe comme getter, conçues pour réagir chimiquement avec tout oxygène qui pourrait être libéré par les composants de la lampe pendant le fonctionnement.
Historiquement, certaines lampes à incandescence de haute puissance utilisées dans les applications de théâtre, de projection, de projecteur et de phare comportaient des filaments robustes et contenaient de la poudre de tungstène libre dans leurs enveloppes. Périodiquement, les opérateurs retiraient ces ampoules et les agitaient, permettant à la poudre de tungstène d'abraser et d'éliminer les dépôts de tungstène accumulés à l'intérieur de l'enveloppe, atténuant ainsi le noircissement et rétablissant la luminosité de la lampe.
Lampes halogènes
Les lampes halogènes atténuent l'évaporation inégale du filament et empêchent le noircissement de l'enveloppe en incorporant un gaz halogène basse pression aux côtés d'un gaz inerte dans l'ampoule. Ce cycle halogène prolonge la durée de vie opérationnelle de l'ampoule et maintient sa clarté en facilitant la redéposition du tungstène évaporé de la surface intérieure de l'enveloppe sur le filament. Par conséquent, les lampes halogènes peuvent supporter des températures de filament plus élevées que les lampes à incandescence à gaz classiques de puissance comparable sans compromettre leur durée de vie. Ces ampoules sont considérablement plus compactes que les lampes à incandescence standard et sont largement utilisées dans les applications nécessitant un éclairage de haute intensité dans des zones confinées. Une application représentative comprend les systèmes d'éclairage à fibre optique pour la microscopie optique.
Lampes à arc à incandescence
Une variante distincte de la lampe à incandescence fonctionnant sans filament de fil chaud, générant à la place de la chaleur via un arc frappé sur une électrode à billes sphériques. Cette électrode est ensuite devenue incandescente, l'arc lui-même n'apportant qu'une contribution mineure au rendement lumineux global. Ces lampes ont trouvé leur utilité dans les systèmes de projection et comme sources d'éclairage pour les instruments scientifiques, notamment les microscopes. Fonctionnant à des tensions relativement basses, ces lampes à arc intégraient des filaments de tungstène pour initier l'ionisation dans leurs enveloppes. Elles offraient la lumière intense et concentrée caractéristique des lampes à arc tout en offrant une simplicité opérationnelle améliorée. Introduites vers 1915, ces lampes ont finalement été remplacées par les technologies de lampes à arc au mercure et au xénon.
Caractéristiques électriques
Puissance
Les lampes à incandescence fonctionnent comme des charges résistives presque pures, présentant un facteur de puissance de 1. Contrairement aux lampes à décharge ou à LED, la puissance réelle consommée par une lampe à incandescence est équivalente à la puissance apparente dans le circuit. Les ampoules à incandescence sont généralement commercialisées en fonction de leur consommation électrique. Cette consommation est principalement déterminée par la résistance de fonctionnement du filament. Étant donné deux ampoules de tension et de type identiques, celle dont la consommation électrique est la plus élevée produira un rendement lumineux plus élevé.
Le tableau ci-joint illustre le rendement lumineux typique approximatif, mesuré en lumens, pour des ampoules à incandescence standard de 120 volts dans différentes puissances nominales. Le rendement lumineux des ampoules comparables de 230 V est généralement légèrement inférieur, malgré l'observation inverse à 25 W dans ce tableau spécifique. Les filaments conçus pour un fonctionnement à faible courant (tension plus élevée) sont plus fins et doivent être maintenus à une température légèrement réduite pour obtenir une durée de vie équivalente, ce qui diminue par conséquent l'efficacité énergétique.
Les valeurs de lumens des ampoules à incandescence « blanc doux » sont généralement légèrement inférieures à celles des ampoules transparentes de consommation électrique identique.
Courant et résistance
La résistance électrique d'un filament incandescent dépend intrinsèquement de la température. La résistance au froid des lampes à filament de tungstène est d'environ 1⁄15 de leur résistance opérationnelle. Par exemple, une lampe de 100 watts et 120 volts présente une résistance de fonctionnement de 144 ohms, alors que sa résistance au froid est nettement inférieure, soit environ 9,5 ohms. Étant donné que les lampes à incandescence constituent des charges résistives, leur luminosité peut être régulée efficacement à l'aide de gradateurs TRIAC à contrôle de phase de base. Les contacts électriques peuvent porter le symbole « T », indiquant leur aptitude à la conception de circuits caractérisés par le courant d'appel important typique des lampes au tungstène. Pour une lampe standard de 100 watts et 120 volts, le courant se stabilise généralement en 0,10 seconde environ, la lampe atteignant 90 % de sa pleine intensité lumineuse après environ 0,13 seconde.
Caractéristiques physiques
Sécurité
Le filament de tungstène contenu dans une ampoule à incandescence présente une résilience considérable à froid ; cependant, sa vulnérabilité augmente considérablement à chaud, en raison de la rigidité réduite du métal incandescent. Les impacts externes sur l'enveloppe de l'ampoule peuvent entraîner une rupture du filament ou induire une surtension électrique, provoquant potentiellement une fusion ou une vaporisation localisée du matériau du filament. Dans la majorité des ampoules à incandescence contemporaines, un segment du câblage interne fonctionne comme un fusible : si un filament fracturé crée un court-circuit électrique interne, cette section fusible fondra, interrompant le flux de courant et protégeant ainsi les lignes d'alimentation contre tout dommage.
Une ampoule en verre chauffée est susceptible de se briser au contact d'objets plus froids. Lors de la rupture de l'enveloppe de verre, l'ampoule subit une implosion, exposant ainsi le filament incandescent à l'air ambiant. Cette exposition à l'air entraîne généralement la destruction rapide du filament chaud par oxydation.
Configurations des lampes
Les normes nationales précisent les désignations des formes et des tailles des lampes. Ces désignations comprennent généralement une ou plusieurs lettres indiquant la forme, suivies d'un ou plusieurs chiffres représentant une dimension caractéristique, telle que A55 ou PAR38.
Une terminologie normalisée pour les formes de lampes est établie par diverses normes nationales, notamment ANSI C79.1-2002, IS 14897:2000 et JIS C 7710:1988.
Classifications standardisées des formes de lampes
- Lampes du service général/du service d'éclairage général (GLS)
- Ces lampes émettent de la lumière de manière omnidirectionnelle ou presque omnidirectionnelle et sont disponibles avec des finitions transparentes ou givrées.
- Les types courants incluent général (A), elliptique (E), champignon (M), signe (S) et tubulaire (T).
- Pour les systèmes 120 V, les tailles disponibles incluent A17, A19 et A21.
- Pour les systèmes 230 V, les tailles courantes sont A55 et A60.
- Lampes d'usage général à haute puissance
- Cette catégorie englobe les lampes d'une puissance nominale supérieure à 200 watts.
- Le type principal est en forme de poire (PS).
- Lampes décoratives
- Ces lampes sont généralement utilisées dans des luminaires décoratifs tels que des lustres. Les variantes plus petites, de la taille d'une bougie, peuvent nécessiter une taille de douille réduite.
- Les exemples incluent une bougie (B), une bougie torsadée, une bougie à pointe courbée (CA et BA), une flamme (F), un globe (G), une cheminée-lanterne (H) et des bougies rondes fantaisie (P).
- Pour les applications 230 V, les tailles courantes sont P45 et G95.
- Lampes à réflecteur (R)
- Un revêtement réfléchissant interne à l'intérieur de ces lampes dirige la lumière principalement vers l'avant. Les variantes Flood (FL) distribuent largement la lumière, tandis que les types spot (SP) la concentrent intensément. Les lampes à réflecteur (R) fournissent environ deux fois plus d'éclairement (mesuré en pieds-bougies) à la zone frontale centrale par rapport aux lampes de service général (A) de puissance équivalente.
- Les types courants incluent le réflecteur standard (R), le réflecteur bombé (BR), le réflecteur elliptique (ER) et le réflecteur argenté.
- Pour les systèmes 120 V, les tailles disponibles sont R16, R20, R25 et R30.
- Pour les systèmes 230 V, les tailles courantes incluent R50, R63, R80 et R95.
- Lampes à réflecteur parabolique aluminisé (PAR)
- Les lampes à réflecteur parabolique aluminisé (PAR) offrent une précision accrue dans le contrôle de la lumière. Elles génèrent environ quatre fois l'intensité lumineuse concentrée des lampes à usage général (A) et sont fréquemment utilisées dans les applications d'éclairage encastré et sur rail. Des boîtiers résistants aux intempéries sont également disponibles pour les luminaires extérieurs de spot et d'inondation.
- Pour les systèmes 120 V, les tailles courantes incluent PAR 16, PAR 20, PAR 30, PAR 38, PAR 56 et PAR 64.
- Pour les systèmes 230 V, les tailles disponibles sont PAR 16, PAR 20, PAR 30, PAR 38, PAR 56 et PAR 64.
- Ces lampes sont proposées avec différentes répartitions de faisceaux spot et large. Conformément aux autres désignations de lampes, la composante numérique signifie le diamètre de l'ampoule en 1⁄8 de pouce. Par conséquent, une lampe PAR 16 mesure 51 mm (2 po) de diamètre, une PAR 20 mesure 64 mm (2,5 po), une PAR 30 mesure 95 mm (3,75 po) et une PAR 38 mesure 121 mm (4,75 po) de diamètre.
- Lampes à réflecteur multifacettes (MR)
- Les lampes à réflecteur à multiples facettes se caractérisent généralement par leur taille compacte et leur tension de fonctionnement inférieure, souvent 12 V.
- Lampes HIR/IRC
- La désignation « HIR » (Heat-Infrared Reflective) fait référence à une lampe General Electric (GE) dotée d'un revêtement réfléchissant les infrarouges. Ce revêtement réduit les pertes de chaleur, ce qui permet un fonctionnement du filament plus chaud et plus efficace. Osram utilise la désignation « IRC » pour une technologie de revêtement comparable.
Bases de lampe
Les lampes plus grandes comportent généralement soit un culot à vis, soit un culot à baïonnette, chacun équipé d'un ou plusieurs contacts électriques. La coque de base peut fonctionner comme conducteur électrique ou uniquement comme support mécanique. Les bases à baïonnette sont couramment utilisées dans l'éclairage automobile en raison de leur résistance au desserrage vibratoire. Certaines lampes tubulaires intègrent un contact électrique à chaque extrémité. Les lampes miniatures utilisent souvent une base en coin avec des contacts filaires, tandis que certaines lampes automobiles et spécialisées comportent des bornes à vis pour les connexions filaires. Pour les très petites lampes, les fils de support du filament peuvent s'étendre directement à travers le culot de la lampe pour les connexions électriques. Les culots Bipin sont fréquemment associés aux lampes halogènes ou à réflecteur.
À la fin du 19e siècle, de nombreux fabricants ont introduit une gamme diversifiée de culots de lampes incompatibles. Cependant, les tailles de culot standard « Mazda » de General Electric ont ensuite été largement adoptées aux États-Unis.
Les culots de lampe peuvent être fixés à l'ampoule en verre soit par application de ciment, soit par sertissage mécanique dans des empreintes moulées sur l'ampoule elle-même.
Les lampes conçues pour les systèmes optiques intègrent des bases avec des caractéristiques d'alignement spécifiques pour garantir un positionnement précis du filament au sein de l'ensemble optique. À l'inverse, une lampe à culot à vis peut présenter une orientation aléatoire du filament lors de son installation dans sa douille.
Les contacts électriques à l'intérieur de la douille de la lampe facilitent la circulation du courant de la base au filament. La douille sert à fournir à la fois une connectivité électrique et un support mécanique, permettant le remplacement de la lampe en cas de panne.
Puissance lumineuse et durée de vie
Les lampes à incandescence présentent une sensibilité significative aux fluctuations de la tension d'alimentation. Ces caractéristiques opérationnelles ont des implications pratiques et économiques substantielles.
Lorsque la tension d'alimentation V se rapproche de la tension nominale de la lampe :
- La sortie lumineuse est approximativement proportionnelle à V 3,4.
- La consommation d'énergie présente une proportionnalité approximative à V 1,6.
- La durée de vie opérationnelle démontre une proportionnalité approximative à V −16.
- La température de couleur est approximativement proportionnelle à V 0,42.
Une simple diminution de 5 % de la tension peut multiplier par deux la durée de vie d'une ampoule, tout en diminuant simultanément son rendement lumineux d'environ 16 %. Ce compromis inhérent est exploité dans la conception d’ampoules longue durée, en particulier pour des applications telles que les feux de signalisation. Étant donné que le coût opérationnel de l’énergie électrique dépasse souvent le prix d’achat initial de l’ampoule, les lampes à usage général privilégient l’efficacité énergétique plutôt que la longévité opérationnelle prolongée. L'objectif principal est de minimiser le coût global de l'éclairage, plutôt que le seul coût des lampes elles-mêmes. Historiquement, les premières ampoules à incandescence offraient une durée de vie allant jusqu'à 2 500 heures ; cependant, en 1924, le cartel Phoebus a imposé de manière controversée une réduction de la durée de vie de l'ampoule à 1 000 heures. Suite à la révélation de cet accord en 1953, il a été légalement interdit à General Electric et à d'autres fabricants américains de premier plan d'imposer de telles limitations de durée de vie.
Ces relations susmentionnées ne sont applicables que dans une plage étroite de pourcentage de fluctuation de tension autour des conditions de fonctionnement nominales standard. Néanmoins, ils suggèrent qu’une lampe fonctionnant à une tension réduite pourrait atteindre une durée de fonctionnement nettement plus longue par rapport à sa tension nominale, bien qu’avec une diminution substantielle du rendement lumineux. La « Lumière du Centenaire » constitue un exemple notable, reconnu par le Livre Guinness des records du monde pour son éclairage presque continu dans une caserne de pompiers de Livermore, en Californie, depuis 1901. Malgré sa longévité, cette ampoule particulière produit une puissance lumineuse équivalente à une simple ampoule de quatre watts. Un récit comparable concerne une ampoule de 40 watts au Texas, qui est restée allumée depuis le 21 septembre 1908. Cette ampoule illuminait à l'origine un opéra, attirant de nombreuses célébrités, avant d'être transférée dans un musée régional en 1977.
Les lampes Photoflood, spécialement conçues pour l'éclairage photographique, donnent la priorité à la puissance lumineuse sur la durée de vie opérationnelle, certains modèles ne durent que deux heures. La température de fonctionnement maximale autorisée pour le filament est dictée par le point de fusion du métal qui le constitue. Le tungstène, possédant le point de fusion le plus élevé connu à 3 695 K (3 422 °C ; 6 191 °F), est couramment utilisé. Par exemple, une ampoule de projection conçue pour une durée de vie de 50 heures est conçue pour fonctionner à seulement 50 °C (122 °F) en dessous de ce seuil de fusion. Une telle lampe peut atteindre une efficacité allant jusqu'à 22 lumens par watt, contrastant avec 17,5 lumens par watt pour une lampe d'usage général d'une durée de 750 heures.
Les lampes possédant des puissances nominales identiques mais conçues pour des tensions disparates présentent des efficacités lumineuses variables. Par exemple, une lampe de 100 watts, 1 000 heures et 120 volts produit généralement environ 17,1 lumens par watt. En revanche, une lampe comparable conçue pour 230 V ne générerait qu'environ 12,8 lumens par watt, alors qu'une lampe configurée pour 30 volts (par exemple, pour l'éclairage des trains) pourrait atteindre une efficacité allant jusqu'à 19,8 lumens par watt. Les lampes à basse tension, tout en conservant la même puissance nominale, intègrent un filament plus épais. Cette conception leur permet de fonctionner à des températures plus élevées pendant une durée de vie équivalente avant que l'évaporation du filament ne se produise.
Les fils de support de filament améliorent la robustesse mécanique tout en dissipant simultanément la chaleur, introduisant ainsi un compromis supplémentaire entre efficacité énergétique et durée de vie opérationnelle prolongée. Alors que de nombreuses lampes de 120 volts d'usage général renoncent à des fils de support supplémentaires, les lampes spécialement conçues pour les applications de « service intensif » ou de « service de vibration » peuvent incorporer jusqu'à cinq de ces fils. À l'inverse, les lampes basse tension comportent des filaments fabriqués à partir de fils de plus gros calibre, éliminant ainsi la nécessité de structures de support supplémentaires.
Le fonctionnement à des tensions extrêmement basses s'avère inefficace en raison d'une conduction thermique excessive du filament par les fils conducteurs ; par conséquent, la tension minimale pratique pour les lampes à incandescence est établie à 1,5 volts. À l’inverse, les filaments exceptionnellement longs requis pour les applications haute tension sont intrinsèquement fragiles et l’isolation des culots de lampes devient de plus en plus difficile. Par conséquent, les lampes à incandescence destinées à l'éclairage général ne sont pas fabriquées avec des tensions nominales supérieures à 300 volts. Bien que certains éléments chauffants infrarouges soient conçus pour des tensions plus élevées, ceux-ci utilisent généralement des ampoules tubulaires dotées de bornes largement espacées.
- Lampe à 3 voies
- Abat-jour
- Blagues sur les ampoules
- Ampoules les plus durables
- Photométrie (optique)
- Spectromètre
Références
- Spectres de sources lumineuses Spectres d'ampoules à incandescence de 60 W à 100 W, du programme d'infographie de l'Université Cornell
- Machine à ruban en fonctionnement chez Osram-Sylvania en 2016