Lumière et éclairage : principes et technologies

Lumière et éclairage

Définitions

Éclairage

L'éclairage est la science qui étudie les formes majeures de la production de lumière, son contrôle et ses applications.

Lumière

La lumière est une des nombreuses façons de manifester de l'énergie. Elle peut être définie comme l'énergie produite par une gamme de rayonnements électromagnétiques perceptibles à l'œil humain.

Concepts liés à la lumière

Rayonnement

C'est le phénomène par lequel l'énergie est transmise à travers l'espace. Le rayonnement forme un très large spectre de différents types d'ondes, dont seule une infime partie est visible et se situe dans une gamme de longueur d'onde très petite.

Longueur d'onde

La longueur d'onde est définie comme la distance parcourue par l'onde en une période. Par analogie avec le courant alternatif, on peut dire que la période est la distance entre deux maxima consécutifs.

Fréquence

La fréquence d'une onde électromagnétique est le nombre de périodes qui se produisent en une seconde.

Nature, production et transmission de la lumière

Nature de la lumière

À première vue, il semble que la lumière que nous recevons au cours de la journée soit blanche et composée d'un rayonnement électromagnétique unique. C'est faux. Un faisceau de lumière blanche est composé d'un ensemble de bandes de fréquences de rayonnement couvrant l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel.

Production de la lumière

La lumière peut être produite de différentes manières. Les plus courantes sont la piroluminescence, l'incandescence, la luminescence et la technologie LED.

Piroluminescence

Ce terme désigne la production de lumière par la combustion de certaines substances.

Incandescence

La lumière est produite par le chauffage de solides à incandescence. Ces corps ont la propriété d'émettre de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique lorsque leur température augmente.

Luminescence

La lumière est produite par une décharge électrique entre deux plaques ou électrodes placées dans un gaz ou une vapeur métallique. Cela est possible grâce à la propriété de certaines substances d'émettre de la lumière lorsqu'elles sont soumises à l'action d'un champ électrique.

Technologie LED

Basée sur la lumière émise par une diode semi-conductrice lorsqu'elle est traversée par un courant électrique, au lieu d'un gaz.

Transmission de la lumière

Il s'agit du passage d'un faisceau lumineux à travers un milieu sans modifier la fréquence du rayonnement monochromatique qui le compose. Il existe trois types de transmission selon la nature du milieu :

• Ordinaire : Quand le faisceau incident traverse le milieu et ressort sans être dévié. Les corps qui remplissent cette propriété sont les corps transparents.
• Diffuse : Transmission dans laquelle le faisceau incident est dispersé dans le milieu dans de multiples directions.
• Mixte : Une forme de transmission intermédiaire entre les transmissions ordinaire et diffuse. Exemples : cristaux, surfaces de verre sculpté.

Grandeurs photométriques

Flux lumineux

Grandeur qui mesure le flux d'énergie ou la puissance du rayonnement lumineux. Il est défini comme la quantité de lumière visible aux yeux humains émise par une source de lumière dans toutes les directions pendant une seconde.

Efficacité et rendement lumineux

Le rendement lumineux est défini comme le rapport entre le flux lumineux émis par une source lumineuse et la puissance électrique nécessaire pour le produire.

Puissance lumineuse

Elle est définie comme la quantité de flux lumineux émis par une source lumineuse dans un espace et un temps donnés.

Intensité lumineuse

L'intensité lumineuse d'une source de lumière est la quantité de flux lumineux émis dans une direction par unité d'angle solide dans cette direction particulière. Elle donne une idée de la concentration de la lumière dans une certaine direction.

Éclairement

Le niveau d'éclairement ou éclairement d'une surface est le rapport entre le flux lumineux qu'elle reçoit et sa surface.

Luminance

Effet de luminosité produit par une surface sur la rétine de l'œil, que ce soit à partir d'une source primaire qui produit de la lumière ou d'une source secondaire, une surface qui réfléchit la lumière.

Caractéristiques des sources de lumière

Durée de vie d'une lampe

Deux critères peuvent être utilisés :

• Durée de vie moyenne : Temps écoulé jusqu'à ce que 50% des lampes d'un lot tombent en panne.
• Durée de vie utile : C'est le critère le plus utilisé. C'est le nombre d'heures estimées après lequel la lampe n'est plus rentable.

Amortissement du flux

Désigne la diminution du flux lumineux émis par une lampe au cours du temps.

Température de couleur

Permet d'indiquer la couleur de la lumière émise par une source.

Lampes à incandescence

Fonctionnement

Basé sur l'émission de rayonnements visibles à l'œil nu en raison de l'augmentation de la température subie par un mince fil de très haute résistance lorsqu'il est traversé par un courant électrique.

Composants

• Ampoule : Enveloppe en verre qui donne forme à la lampe et protège le filament de l'atmosphère extérieure en empêchant sa destruction et en permettant l'évacuation de la chaleur dégagée.
• Filament : Filament conducteur en tungstène de petit diamètre qui a une valeur de résistivité électrique élevée et une température de fusion élevée.
• Support du filament : Le filament est fixé à l'intérieur de la lampe avec une tige de verre creuse, deux fils et une tige de support.
• Gaz de remplissage : L'ampoule est remplie d'un gaz inerte, en particulier de l'argon et de l'azote, afin de réduire l'évaporation du métal.
• Culot : A deux fonctions principales : fixer la lampe et connecter le filament au circuit électrique.

Lampes halogènes

Les lampes halogènes sont des lampes à incandescence. Leur ampoule contient une atmosphère gazeuse formée par un gaz inerte et un halogénure métallique (iode, chlore ou brome). L'halogène peut réparer automatiquement la perte de particules de tungstène et diminuer les effets de la sublimation. Cela permet :

• D'atteindre des températures plus élevées avec des dimensions plus petites.
• D'augmenter l'efficacité lumineuse.
• De prolonger la durée de vie de la lampe.

Lampes à décharge

Fonctionnement

La différence de potentiel entre les deux électrodes provoque un flux d'électrons à l'intérieur du tube. Lors de collisions avec les atomes du gaz contenu dans l'ampoule, les électrons déplacent les électrons des orbites du gaz, ionisant ce dernier et absorbant de l'énergie. Après un court instant, les électrons déplacés retournent à leur position initiale en libérant l'énergie absorbée sous forme de rayonnement, principalement ultraviolet.

Classification des lampes à décharge

• Lampes à vapeur de mercure :
  • Basse pression : lampes fluorescentes.
  • Haute pression : lampes à vapeur de mercure, lampes à lumière mixte, lampes à halogénures métalliques.
• Lampes à vapeur de sodium :
  • Basse pression : lampes à vapeur de sodium.
  • Haute pression : lampes à vapeur de sodium haute pression.

Sources de lumière LED

Basées sur la lumière émise par un objet solide, au lieu d'un gaz comme les lampes à décharge.

Lorsque le courant traverse la diode, l'énergie est libérée sous forme de photons. La lumière émise peut être ultraviolette, visible, infrarouge ou proche infrarouge. La couleur désirée est obtenue en combinant différents types de diodes.

Luminaires

Un luminaire est un ensemble d'éléments qui divisent, filtrent ou transforment la lumière émise par une ou plusieurs lampes. Il comprend toutes les pièces nécessaires pour les maintenir, les fixer et les protéger.

Classification des luminaires

Degré de protection électrique

Le câblage de l'éclairage doit avoir une isolation adéquate afin d'assurer la protection des personnes contre les chocs électriques. Selon ce critère, les luminaires peuvent être :

• Classe 0 : Avec isolation fonctionnelle et sans connexion à la terre.
• Classe I : Avec isolation fonctionnelle et borne de mise à la terre.
• Classe II : Avec double isolation ou isolation renforcée et sans mise à la terre.
• Classe III : Luminaires conçus pour fonctionner à basse tension.

Degré d'inflammation de la surface de montage

Selon l'inflammabilité de la surface de montage, les luminaires sont classés comme suit :

• Convient pour le montage direct sur des surfaces non combustibles.
• Convient pour le montage direct sur des surfaces inflammables.