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Notions d’éclairage

Cours Durée 4h

Objectifs visés : - comprendre le principe général de fonctionnement des différentes sources de lumière. connaître l’ensemble des grandeurs permettant de réaliser un avant projet d’éclairage. savoir décoder les tableaux de valeurs, et documents techniques relatifs aux sources lumineuses.

1. Les sources de lumière. Emission thermique

Emission luminescente

Photoluminescence

Sources naturelles

Sources électriques

2. Caractérisation de la lumière : La lumière est un rayonnement visible. Ce rayonnement est un ensemble de radiations caractérisées par leur longueur d’onde λ (lambda). La vitesse de la lumière est de 300 000 km/s environ dans le vide (célérité ; 299 792 458 m/s ;)

La longueur d’onde est donnée par la relation suivante :

λ=

ν F

λ : longueur d’onde (m) υ : célérité (m/s) F : fréquence (Hz)

Domaine de la lumière visible La sensibilité de l’œil est différente selon les couleurs 380 ηm < Lumière visible < 780 ηm

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2Notions d’éclairage Classification des radiations électromagnétiques :

Intensité lumineuse :

I

C’est la mesure de l’éclat perçu par l’œil humain d’une source lumineuse . C’est à partir de l’intensité lumineuse que l’on définit toutes les autres unités. Définition :

Densité d’énergie lumineuse rayonnée par seconde dans une direction donnée. Unité : le CANDELA (cd) Remarque : 1 Candela correspond approximativement à l’intensité lumineuse d’une chandelle (grandeur fixée arbitrairement)

Flux lumineux :

Φ

Le flux lumineux (Φ) indique la quantité d’énergie (lumière) émise par une source lumineuse dans un angle solide de 1 sr ; (Caractéristique notée sur la source lumineuse) Unité : Lumen (lm)

Φ =Ι .Ω

1 lm représente le flux lumineux (Φ) émis par une source d’intensité lumineuse de 1 candela (I) dans un angle solide de 1 stéradian (Ω) L’angle solide de 1 stéradian est défini par une surface sphérique de 1 m2 placée à 1 m de la source.

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3Notions d’éclairage

Eclairement lumineux :

E

E=

Il correspond au flux lumineux sur une surface donnée. Unité : Lux (lx) L’éclairement se mesure à l’aide d’un luxmètre ;

Φ S

E : éclairement en lux (lx) Ф : flux lumineux en lumen (lm) S : surface en m2

Application : On désire un éclairement de 250 lux sur une surface de 3 m2,

indiquer

le

flux

lumineux de la source. Ф=E×S = 250 × 3 Ф = 750 lumens

Efficacité lumineuse :

fe

Elle représente le rendement lumineux de la source (aussi appelé efficience lumineuse)

fe =

Φ P

fe : efficacité lumineuse en lumen / watt P : puissance absorbée en watt Ф : flux lumineux en lumen (lm)

Application : Sur l'emballage d’une lampe à incandescence on relève : 100 W – 1600 lm. Quelle est l’efficacité lumineuse de cette lampe ? fe = Ф / P = 1600 / 100 ; fe = 16 lumens / W

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4Notions d’éclairage Indice de Rendu des Couleur (IRC) : L’IRC caractérise l’aptitude de la source lumineuse à ne pas déformer l’aspect coloré habituel des surfaces qu’elle éclaire.

3

Rendu des couleurs :

Valeur d’IRC :

Médiocre Moyen Bon Très bon

40<IRC<60 60<IRC<85 85<IRC<90 IRC>90

Les différentes technologies de lampes : Les lampes à incandescence : Elles sont surtout utilisées dans le domestique. La production de lumière est réalisée par élévation de température d'un filament en tungstène porté à incandescence dans le vide ou une atmosphère neutre empêchant sa combustion. Elles sont vouées à disparaître progressivement jusqu'en 2013...

Les ampoules standards : • •

Filament : tungstène Gaz : azote, argon

Les ampoules halogènes : • • •

Filament : tungstène Ampoule : quartz (à ne pas toucher avec les mains) Gaz : gaz halogéné (iode et brome)

Variation de la luminosité : Elle est obtenue par variation de la tension appliquée à la lampe. Cette variation de tension est réalisée par un dispositif du type gradateur à triac dont on fait varier l’angle d’amorçage

Avantages : Bon IRC. L’ampoule halogène autorise également une température de filament plus élevée et donc une luminosité supérieure dans des ampoules de petites tailles Inconvénients : Forte dissipation thermique et donc faible rendement lumineux Lycée Victor Duruy


5Notions d’éclairage Pour choisir une lampe à incandescence il faut fixer : • • • • •

Sa puissance (W) Sa tension (V) Son type de culot (E14, E27, B22 …) Sa forme (pour entrer dans le luminaire) Son type de verre (clair, opalisé …)

Les lampes fluorescentes :

Le tube est rempli de gaz rare (argon, néon …) Une décharge électrique provoque la collision d’électrons avec des d’atomes de mercure, d’où un rayonnement ultraviolet. Le matériau fluorescent, dont est recouvert l’intérieur des tubes, transforme alors ce rayonnement en lumière visible.

Les lampes fluorescentes disposent d’un dispositif d’allumage permettant de créer une surtension nécessaire à l’amorçage du tube : Utilisation d’un ballast magnétique : Le starter est un petit tube rempli de gaz, muni d'un contact (bilame). Lors de la mise sous tension, il s'amorce. L'arc électrique produit échauffe le bilame qui se déforme : le contact se ferme et l'arc électrique disparaît. Cette phase permet le préchauffage des électrodes du tube. Au bout d'une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact s'ouvre, coupant ainsi le courant du circuit. Le ballast magnétique crée alors une surtension qui amorce le tube

Problème : L’introduction d’une inductance dans le circuit provoque une dégradation du facteur de puissance (entre 0,4 et 0,5) :

Starter

Ballast magnétique

Dans les installations comportant un grand nombre de tubes, il est nécessaire de prévoir une compensation pour améliorer le facteur de puissance. (il existe aussi des tubes déjà compensés)

.

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6Notions d’éclairage Utilisation d’un ballast électronique : Ballast électronique Les ballasts électroniques sont utilisés en remplacement des ballasts magnétiques pour l’alimentation des tubes fluorescents ou des lampes fluo compactes. Ils assurent également la fonction de starter et ne nécessitent pas de condensateur de compensation.

Papillotement : Le papillotement est une variation rapide et répétitive de l'intensité d'éclairage de la source lumineuse. Les tubes alimentés en 50 Hz produisent un scintillement à une fréquence de 100 Hz. L'oeil humain ne peut pas détecter ces fréquences, mais le papillotement est perçu par son effet stroboscopique et peut être responsable de malaises ou de fatigue mais aussi d'accidents sur les machines outils tournantes. •

Les ballasts électroniques qui alimentent les tubes à des fréquences élevées (de 20 000 à 60 000 Hz) éliminent le scintillement.

Le montage " duo " utilisant des ballasts magnétiques atténue aussi ce phénomène dans la mesure ou un condensateur, en série avec un des tubes, impose un dépahasage :

En série avec un tube, on monte un condensateur qui décale le courant d' 1/4 de période ce qui décale aussi les variations lumineuses. Le déphasage des deux circuits l'un par rapport à l'autre assure une compensation de l'effet stroboscopique (et un relèvement du facteur de puissance).

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7Notions d’éclairage Variation de la luminosité : •

Les variateurs de lumière de type gradateur ne sont pas compatibles avec les ballasts magnétiques. •

L’utilisation de ballasts électroniques rend possible la variation de luminosité des tubes fluorescents. Il existe plusieurs possibilités suivant la technologie des ballasts :

 Ballast alimenté par un gradateur à variation de tension par angle de phase

 Ballast commandé par un signal extérieur de 0 à 10 V. Le ballast alimente alors le tube par une tension à fréquence variable qui permet de faire varier la luminosité. C’est la solution actuellement la plus employée

 Ballast commandé par un signal de commande numérique. Pour choisir un tube fluorescent il faut fixer : • • • •

Sa puissance (W) Sa longueur, son diamètre Son dispositif d’allumage Son IRC, la teinte de la lumière.

Autres lampes à décharge : Lampes à vapeur de sodium basse pression Elles possèdent le meilleur rendement lumineux, mais leur rendu des couleurs est très mauvais puisque leur rayonnement est monochromatique d’une couleur orangée. Applications : éclairage d’autoroutes, tunnels. Lampes à vapeur de sodium haute pression Elles émettent une lumière de couleur blanche légèrement orangée. Applications : éclairage urbain, monuments.

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8Notions d’éclairage Lampes à vapeur de mercure haute pression La décharge est produite dans une ampoule en quartz ou en céramique à des pressions supérieures à 100 kPa. Ces lampes sont appelées "ballons fluorescents". Elles émettent une lumière de couleur blanche bleutée Applications : parkings, hypermarchés, entrepôts. Lampes à halogénures métalliques Technologie la plus récente. Elles émettent une couleur ayant un spectre large. Applications : stades, commerces, projecteurs. Les lampes à LED : Une lampe constituée de LED produit de la lumière par électroluminescence d’un semiconducteur – Pour augmenter la quantité de lumière on regroupe plusieurs LED (associations série/parallèle). Les lampes à leds nécessitent une alimentation DC (module d’alimentation (AC/DC))

Comparaison / Utilisation

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9Notions d’éclairage

4

Caractérisation des luminaires :

Classes et catégories : La norme NFC 71-121 donne pour les luminaires une répartition en 20 classes repérées de A à T

La catégorie du luminaire est définie par la répartition du flux lumineux selon 5 cônes repérés de F1 à F5

Equation photométrique d’un luminaire :

Elle définit la répartition du flux lumineux

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10Notions d’éclairage

Application : Rendement et classe d’un plafonnier ODS – 2 lampes Rendement : 68% ; Classe B – Aucune caractéristique supérieure car plafonnier

APPLICATION : Calculez l’économie réalisée en remplaçant une lampe de 100W à incandescence (prix 1,05 Euros, durée de vie 1000 h) par une lampe de 20 W type compacte fluorescente, alimentation électronique (prix 13,7 euros, durée de vie 10000 h). Sachant que le prix du kWh est de 0,11 Euros, calculez l’économie réalisée au bout de 10000 h de fonctionnement. Maintenance préventive : Avec un fonctionnement de 8h/jour et 200j/an, prévoir les échéances de remplacement pour les 2 types d’éclairage Lampe 10000 h de fonctionnement Incandescence 10 lampes

Achat

Consommation

Coût à la consommation

Cout total :

1.05 x 10 10,5€

100 x 10000 = 1 110 € 120.5 € 000 000 Wh = 1000 kWh Fluorescente 13.7 € 20 x 10000 = 22 € 35.7 € 1 seule lampe 200 000Wh = 200 kWh Economie de 84.8 € (120.5 – 35.7) ; économie de 70,4% par rapport à l’investissement initial. ((120.5-35.7 )/ 120.5) = 0.704 env 70 % Maintenance préventive : Fonctionnement : 8h /jour Lampe fluorescente : 10000 / 8 = 1250 1250 jours Bureau 200jours de travail par an : 1250 / 200 = 6.25 ans Durée de vie : 6 ans et 3 mois (3 mois =1/4= 0.25 an) Lampe incandescente : 1000 / 8 = 125 125 jours Bureau 200jours de travail par an : 125 / 200 = 0.625 ans Durée de vie : 228 jours (0.625x365) soit un peu plus d’un an (200 jours par an)

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