LES SOURCES
Généralité sur les sources électriques
La lumière issue des sources électriques est produite :
- soit par incandescence par un filament traversé par un courant électrique, dans une ampoule sous vide avec ajout d'azote ou de krypton
- soit par luminescence dans un gaz (mercure, sodium ou xénon) avec ajout, si nécessaire de terres rares dans une ampoule (ou un tube) recouvert ou non de luminophores,
- soit par électroluminescence.
Caractéristiques :
Les caractéristiques qui permettent de différencier les unes des autres sont :
- la tension de service de la source, qui s'exprime en volt, c'est-à-dire 230 V pour la tension du secteur ou en très basse tension comme 24V et 12V pour les plus nombreuses ;
- la puissance électrique consommée par la source en Watt, par exemple 50 W ;
- le flux lumineux qui est la quantité de rayonnement visible fournit par la source dans l'unité de temps, son unité est le le lumen (lm).
- l'intensité lumineuse qui est en fait la totalité du flux lumineux concentré, sous un certain angle, dans une seule direction, son unité est la candela (cd) ;
- l'efficacité lumineuse qui se définie comme le quotient du flux lumineux, en lumen, d'une source, par sa consommation électrique en watt, son unité s'exprime en lumen par watt (lm/W). C'est la faible efficacité des sources à incandescence à filament de tungstène (15 à 18 lm/W) qui a abouti à leur "bannissement".
- la durée de vie d'une source ou plus exactement, aujourd'hui, le taux de mortalité est une notion due aux avancées technologies. hier elle s'énonçaient en heures (soient 1000 h pour une lampe tungstène, 2000 à 4000 h pour une source tungstène-halogène, 10 000 à 20 000 pour les tubes fluorescents, etc.) avec l'arrivée des diodes électroluminescentes ou utilisera la notion du taux de mortalité ou plus justement le taux de déperdition, nommé B, de sources ayant perdu plus d'un pourcentage du flux initial (noté L) après un certain nombre d'heures (50 000 heures si pas précisé). Par exemple L70B10 indiquera qu'après 50 000 h, 10% des source ont un flux diminué de plus de 70%.
- la température de couleur qui s'exprime en kelvin et traduit "l'impression d'ambiance chaude ou froide" d'une source de lumière blanche ;
- soit par incandescence par un filament traversé par un courant électrique, dans une ampoule sous vide avec ajout d'azote ou de krypton
- soit par luminescence dans un gaz (mercure, sodium ou xénon) avec ajout, si nécessaire de terres rares dans une ampoule (ou un tube) recouvert ou non de luminophores,
- soit par électroluminescence.
Caractéristiques :
Les caractéristiques qui permettent de différencier les unes des autres sont :
- la tension de service de la source, qui s'exprime en volt, c'est-à-dire 230 V pour la tension du secteur ou en très basse tension comme 24V et 12V pour les plus nombreuses ;
- la puissance électrique consommée par la source en Watt, par exemple 50 W ;
- le flux lumineux qui est la quantité de rayonnement visible fournit par la source dans l'unité de temps, son unité est le le lumen (lm).
- l'intensité lumineuse qui est en fait la totalité du flux lumineux concentré, sous un certain angle, dans une seule direction, son unité est la candela (cd) ;
- l'efficacité lumineuse qui se définie comme le quotient du flux lumineux, en lumen, d'une source, par sa consommation électrique en watt, son unité s'exprime en lumen par watt (lm/W). C'est la faible efficacité des sources à incandescence à filament de tungstène (15 à 18 lm/W) qui a abouti à leur "bannissement".
- la durée de vie d'une source ou plus exactement, aujourd'hui, le taux de mortalité est une notion due aux avancées technologies. hier elle s'énonçaient en heures (soient 1000 h pour une lampe tungstène, 2000 à 4000 h pour une source tungstène-halogène, 10 000 à 20 000 pour les tubes fluorescents, etc.) avec l'arrivée des diodes électroluminescentes ou utilisera la notion du taux de mortalité ou plus justement le taux de déperdition, nommé B, de sources ayant perdu plus d'un pourcentage du flux initial (noté L) après un certain nombre d'heures (50 000 heures si pas précisé). Par exemple L70B10 indiquera qu'après 50 000 h, 10% des source ont un flux diminué de plus de 70%.
- la température de couleur qui s'exprime en kelvin et traduit "l'impression d'ambiance chaude ou froide" d'une source de lumière blanche ;
- l'indice du rendu des couleurs (IRC Ra), qui est censé caractériser la qualité d'une source pour son rendu des couleurs;
Ci contre les 8 couleurs test choisies (R1 à R8) par la CIE (R1 à R14) pour le calcul de l'IRC Ra.
Cet indice, vue les couleurs proposées, est loin de nous informer sur le rendu réel des couleurs. En attendant la prise en compte d'un indice de qualité on peut exiger des fabricants la valeur de la référence R9 (rouge saturé - notation Munsell : 4R4/13) dont la valeur doit être supérieure à 60 pour un IRC > 85. Cette demande concerne essentiellement les lampes à décharge et les LEDs [diodes électroluminescentes]. Aujourd'hui un grand nombre de fabricants proposent des ensembles LEDs avec un IRC>90 avec R9 du même ordre.
Cet indice, vue les couleurs proposées, est loin de nous informer sur le rendu réel des couleurs. En attendant la prise en compte d'un indice de qualité on peut exiger des fabricants la valeur de la référence R9 (rouge saturé - notation Munsell : 4R4/13) dont la valeur doit être supérieure à 60 pour un IRC > 85. Cette demande concerne essentiellement les lampes à décharge et les LEDs [diodes électroluminescentes]. Aujourd'hui un grand nombre de fabricants proposent des ensembles LEDs avec un IRC>90 avec R9 du même ordre.
- l'indice de fidélité Rf et d'étendue (Gamut) Rg CIE 2017
Les grands changements par rapport à l'IRC :
- un nombre plus important de couleurs tests (99), répartis sur tous le spectres, de plus grande saturation.
- l'observateur standard n'est plus celui de 1931 (2°) mais celui de 1964 (10°)
- basé sur le model d'apparence des couleurs CIECAM02
Les grands changements par rapport à l'IRC :
- un nombre plus important de couleurs tests (99), répartis sur tous le spectres, de plus grande saturation.
- l'observateur standard n'est plus celui de 1931 (2°) mais celui de 1964 (10°)
- basé sur le model d'apparence des couleurs CIECAM02
- la composition spectrale,
Véritable indicateur qui nous renseigne sur la qualité chromatique d'une source (spectre continu ou non) ainsi que sur sa température de couleur (par la proportion des grandes et courtes longueurs d'ondes émises).
Ci contre la courbe spectrale de la lumière du jour, à un moment donné de la journée (et de l'année). Sa température de couleur de couleur est proche de 6500 K (jour gris). On remarque que les "bleus" sont en plus grande quantité que les "rouges". Dans le cas inverse, soleil couchant, elle aurait été aux environs de 3000 K. Si la quantité de "bleus" et de "rouges" aurait été semblable, la température de couleur serait voisine de 5000 K (blanc neutre).
Ci contre la courbe spectrale de la lumière du jour, à un moment donné de la journée (et de l'année). Sa température de couleur de couleur est proche de 6500 K (jour gris). On remarque que les "bleus" sont en plus grande quantité que les "rouges". Dans le cas inverse, soleil couchant, elle aurait été aux environs de 3000 K. Si la quantité de "bleus" et de "rouges" aurait été semblable, la température de couleur serait voisine de 5000 K (blanc neutre).
Typologie des sources
Les lampes halogènes
Caractéristiques :
Les lampes halogène sont des lampes à incandescence, améliorées dans les années 60 (doublement de la durée de vie, soit 2000 heures, augmentation de la température de couleur d'environ 300-400 K [kelvins], non noircissement de l'ampoule avec le temps et efficacité accrue : 18-20 lm/W - [lumens/watt]). Dans les années 70 ce sont les lampes halogène TBT [très basse tension : 24, 12 et 6 volts] où l'on dépasse les 20 lm/W, puis dans les années 80 les lampes TBT à réflecteur dichroïque. Aujourd'hui ces lampes peuvent atteindre une efficacité proche de 25 lm/w et une durée de vie de 4000 heures. Le spectre de ces lampes étant continu leur qualité dans le rendu des couleurs est excellent et naturellement leur IRC [indice du rendu des couleurs] est compris entre 98 et 100.
Ces lampes équipent plus généralement des projecteurs consacrés à l'éclairage localisé.
Les lampes halogène sont des lampes à incandescence, améliorées dans les années 60 (doublement de la durée de vie, soit 2000 heures, augmentation de la température de couleur d'environ 300-400 K [kelvins], non noircissement de l'ampoule avec le temps et efficacité accrue : 18-20 lm/W - [lumens/watt]). Dans les années 70 ce sont les lampes halogène TBT [très basse tension : 24, 12 et 6 volts] où l'on dépasse les 20 lm/W, puis dans les années 80 les lampes TBT à réflecteur dichroïque. Aujourd'hui ces lampes peuvent atteindre une efficacité proche de 25 lm/w et une durée de vie de 4000 heures. Le spectre de ces lampes étant continu leur qualité dans le rendu des couleurs est excellent et naturellement leur IRC [indice du rendu des couleurs] est compris entre 98 et 100.
Ces lampes équipent plus généralement des projecteurs consacrés à l'éclairage localisé.
- Les lampes halogènes (Muséofiche DMF)
les_lampes_halognes.pdf | |
File Size: | 1343 kb |
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Les néons
Tube luminescent à l'Argon
Caractéristiques :
Les néons ou plutôt les tubes luminescents à cathodes froides sous haute tension (de 2000 à 15000V) sont des lampes constituées d'un tube de verre au plomb (cristal) dans un premier temps, puis des verres de type sodocalcique et aujourd'hui en borosilicate (Pyrex) de faible diamètre (de 6 à 25mm). la mise en forme de manière artisanale, est le fruit d'un souffleur de verre. Le gaz est soit du néon (couleur rouge orangé ) ou de l'argon (bleu), plus rarement d'hélium (jaune) ou de krypton (blanc argent). Lorsque le tube est recouvert intérieurement de luminophores (poudres fluorescentes) et avec un ajout de mercure, de nombreuses teintes de blancs et de couleurs peuvent être obtenues. Ces tubes sont de fabrications industrielles vendus sous des longueurs de 150 cm (pour les diamètre les plus fins) et de 220 et 350 cm. Le verre tendre (sodocalcique) peut être teinté dans la masse pour donner des couleurs plus profondes (notamment avec le néon pour un excellent rouge). Ces tubes sont plus consacrés à la signalétique (enseignes) qu'à l'éclairage. Ils constituent aussi un matériau d'expression pour de nombreux artistes.
Les néons ou plutôt les tubes luminescents à cathodes froides sous haute tension (de 2000 à 15000V) sont des lampes constituées d'un tube de verre au plomb (cristal) dans un premier temps, puis des verres de type sodocalcique et aujourd'hui en borosilicate (Pyrex) de faible diamètre (de 6 à 25mm). la mise en forme de manière artisanale, est le fruit d'un souffleur de verre. Le gaz est soit du néon (couleur rouge orangé ) ou de l'argon (bleu), plus rarement d'hélium (jaune) ou de krypton (blanc argent). Lorsque le tube est recouvert intérieurement de luminophores (poudres fluorescentes) et avec un ajout de mercure, de nombreuses teintes de blancs et de couleurs peuvent être obtenues. Ces tubes sont de fabrications industrielles vendus sous des longueurs de 150 cm (pour les diamètre les plus fins) et de 220 et 350 cm. Le verre tendre (sodocalcique) peut être teinté dans la masse pour donner des couleurs plus profondes (notamment avec le néon pour un excellent rouge). Ces tubes sont plus consacrés à la signalétique (enseignes) qu'à l'éclairage. Ils constituent aussi un matériau d'expression pour de nombreux artistes.
Les tubes fluorescents
Type 950 (IRC>95 et T°C 5000K)
Principe :
Lors d'une alternance du courant électrique, une des électrode joue le rôle de cathode, l'autre d'anode et vice et versa, qui crée un champ électrique engendrant ainsi un flux d'électrons entrant en collision avec les atomes de vapeur de mercure (excitation) avec pour résultat la création de photons à des longueurs d'onde bien précises (183, 253, 313, 334, 365, 405, 436,456 et 578). Ces différentes radiations, surtout celle de 253nm vont exciter les atomes des poudres, déposées sur les parois du tubes, pour réémettre un grand nombre de radiations dans le visible, ce que nous appelons la fluorescence ,
Historique et caractéristiques :
Après les tubes luminescents à cathodes froides sous haute tension (les néons) apparus dès 1910 mais essentiellement pour la signalétique, les tubes luminescents à cathodes chaudes sous tension secteur voient le jour vers 1938 pour une forte commercialisation en Europe dès 1950. Ces premiers tubes furent produit dans différentes puissances (20, 40, 65, 105W) avec les tailles correspondantes (60, 120, 150, 205cm) sous un diamètre de 38mm, pour une durée de vie 7000 heures et une efficacité d'environ 65 lm/W. Grâce aux poudres fluorescentes utilisées en proportions diverses on les trouvent avec plusieurs températures de couleur (2700, 3400, 3700, 5000, 5500, 6500 K).
En 1980 apparaissent sur le marché les tubes T8 d'un diamètre plus réduit (26mm) beaucoup plus performant (100lm/W) mais d'un IRC beaucoup moins satisfaisant (80) et d'une durée de vie théorique du double et cela grâce à de nouvelles poudres fluorescentes dont les spectres très étroits ont une efficacité lumineuse importante aux mêmes sommets que celles de nos cônes, Il faudra attendre quelques années de plus pour obtenir un spectre plus complet, par l'ajout de nouvelles poudres, c'est-à-dire, un IRC supérieur à 95 mais d'une efficacité moindre (65 lm/W). Enfin au début des années 2000 de nouveaux tubes, T5, apparaissent avec un diamètre réduit à 16mm, mais non interchangeables avec les précédents par leur taille réduite de quelques centimètres (54.9, 114.9, et 144.9cm). Ils existent avec un IRC > 95 mais de manière réduite à quelques teintes (930, 940 et 950). Ci dessous 3 spectres qui montrent l'évolution en qualité : le premier des années 80 avec un IRC 85, le second, plus ancien avec un IRC 70 et enfin le plus récent avec un IRC >95. La première photo montre les trois diamètres et les deux autres un exemple de fluocompactes.
Lors d'une alternance du courant électrique, une des électrode joue le rôle de cathode, l'autre d'anode et vice et versa, qui crée un champ électrique engendrant ainsi un flux d'électrons entrant en collision avec les atomes de vapeur de mercure (excitation) avec pour résultat la création de photons à des longueurs d'onde bien précises (183, 253, 313, 334, 365, 405, 436,456 et 578). Ces différentes radiations, surtout celle de 253nm vont exciter les atomes des poudres, déposées sur les parois du tubes, pour réémettre un grand nombre de radiations dans le visible, ce que nous appelons la fluorescence ,
Historique et caractéristiques :
Après les tubes luminescents à cathodes froides sous haute tension (les néons) apparus dès 1910 mais essentiellement pour la signalétique, les tubes luminescents à cathodes chaudes sous tension secteur voient le jour vers 1938 pour une forte commercialisation en Europe dès 1950. Ces premiers tubes furent produit dans différentes puissances (20, 40, 65, 105W) avec les tailles correspondantes (60, 120, 150, 205cm) sous un diamètre de 38mm, pour une durée de vie 7000 heures et une efficacité d'environ 65 lm/W. Grâce aux poudres fluorescentes utilisées en proportions diverses on les trouvent avec plusieurs températures de couleur (2700, 3400, 3700, 5000, 5500, 6500 K).
En 1980 apparaissent sur le marché les tubes T8 d'un diamètre plus réduit (26mm) beaucoup plus performant (100lm/W) mais d'un IRC beaucoup moins satisfaisant (80) et d'une durée de vie théorique du double et cela grâce à de nouvelles poudres fluorescentes dont les spectres très étroits ont une efficacité lumineuse importante aux mêmes sommets que celles de nos cônes, Il faudra attendre quelques années de plus pour obtenir un spectre plus complet, par l'ajout de nouvelles poudres, c'est-à-dire, un IRC supérieur à 95 mais d'une efficacité moindre (65 lm/W). Enfin au début des années 2000 de nouveaux tubes, T5, apparaissent avec un diamètre réduit à 16mm, mais non interchangeables avec les précédents par leur taille réduite de quelques centimètres (54.9, 114.9, et 144.9cm). Ils existent avec un IRC > 95 mais de manière réduite à quelques teintes (930, 940 et 950). Ci dessous 3 spectres qui montrent l'évolution en qualité : le premier des années 80 avec un IRC 85, le second, plus ancien avec un IRC 70 et enfin le plus récent avec un IRC >95. La première photo montre les trois diamètres et les deux autres un exemple de fluocompactes.
- Les lampes fluorescentes (Muséofiches DMF)
les_lampes_fluorescentes.pdf | |
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les lampes aux halogénures métalliques
composition spectrale d'une lampe à iodures métalliques
Principe
Les lampes aux halogénures (iodures) métalliques font partie des lampes à vapeur de mercure haute pression (les tubes fluorescents de la même famille sont,eux, en basse pression) émergent après 1960. Elles sont appelées HMI ou MSR. En plus de la vapeur de mercure, le gaz de remplissage contient sous forme d'halogénures différentes "terres rares" comme le dysprosium, l'holmium ,le thulium et d'autres encore notamment de l'étain. Les lampes à bruleur céramique offrent une plus grande stabilité des caractéristiques spectrales.
Caractéristiques
Existent sous différentes températures de couleur (3000, 4200, 5500 K ), avec un IRC > 95 et une efficacité lumineuse de l'ordre de 90lm/W. La lumière produite contient une forte proportion d'ultraviolets, il faut donc que l'enveloppe soit traitée anti-UV. Les puissances les plus communes pour l'éclairage d'exposition sont celles de 35 et 70W.
Les lampes aux halogénures (iodures) métalliques font partie des lampes à vapeur de mercure haute pression (les tubes fluorescents de la même famille sont,eux, en basse pression) émergent après 1960. Elles sont appelées HMI ou MSR. En plus de la vapeur de mercure, le gaz de remplissage contient sous forme d'halogénures différentes "terres rares" comme le dysprosium, l'holmium ,le thulium et d'autres encore notamment de l'étain. Les lampes à bruleur céramique offrent une plus grande stabilité des caractéristiques spectrales.
Caractéristiques
Existent sous différentes températures de couleur (3000, 4200, 5500 K ), avec un IRC > 95 et une efficacité lumineuse de l'ordre de 90lm/W. La lumière produite contient une forte proportion d'ultraviolets, il faut donc que l'enveloppe soit traitée anti-UV. Les puissances les plus communes pour l'éclairage d'exposition sont celles de 35 et 70W.
- Les lampes aux halogénure métalliques (Christian Rioux - Muséofiche DMF)
les_lampes_aux_halognures_mtalliques.pdf | |
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Les diodes électroluminescentes - LEDs
Principe
Consiste en un semi-conducteur avec de deux parties de conductivité différentes de type P et N et une zone de recombinaison radiative des atomes N porteurs d'électrons supplémentaires des atomes en manque d'électron P (trous). A l'interface de ces deux parties la recombinaison des électrons et des trous donne naissance à des photons de longueur d'onde qui sont fonction du type de semi-conducteur. Toutes les diodes électroluminescentes sont des diodes de couleur (les premières furent les diodes rouges il y a plus de 30 ans, puis vinrent les vertes et enfin les bleus et autres couleurs). Pour l'éclairage il faut non une lumière colorée mais une lumière blanche. Il existe actuellement deux manières pour réaliser cette lumière blanche :
- un ensemble de diodes colorées, au minimum 3 soit : rouges, verts et bleus, ou mieux d'un plus grand nombre de couleurs (6-7),
- une diode émettant, dans le bleu (technologie InGaN 450nm),ou pour les plus récentes, dans le violet (technologie GaN/GaN 420 et 415nm), couplée a un ou plusieurs luminophores afin d'obtenir différentes températures de couleur comme ci-dessous comme la composition spectrale d'une diode électroluminescente proche de 4000K à gauche et d'une diode électroluminescente proche de 3000K au centre. Un même lot peut contenir des températures différentes de plus de 100K d'écart !
Le dernier graphique, à droite, représente la composition spectrale d'une LED sous forme MR16 de 9,5W, d'un très bon IRC (Ra=93 et R9=93) pouvant remplacer une MR16 halogène de 50W pour un même éclairement. L'efficacité lumineuse est aujourd'hui supérieur à 120 lm/W.
Consiste en un semi-conducteur avec de deux parties de conductivité différentes de type P et N et une zone de recombinaison radiative des atomes N porteurs d'électrons supplémentaires des atomes en manque d'électron P (trous). A l'interface de ces deux parties la recombinaison des électrons et des trous donne naissance à des photons de longueur d'onde qui sont fonction du type de semi-conducteur. Toutes les diodes électroluminescentes sont des diodes de couleur (les premières furent les diodes rouges il y a plus de 30 ans, puis vinrent les vertes et enfin les bleus et autres couleurs). Pour l'éclairage il faut non une lumière colorée mais une lumière blanche. Il existe actuellement deux manières pour réaliser cette lumière blanche :
- un ensemble de diodes colorées, au minimum 3 soit : rouges, verts et bleus, ou mieux d'un plus grand nombre de couleurs (6-7),
- une diode émettant, dans le bleu (technologie InGaN 450nm),ou pour les plus récentes, dans le violet (technologie GaN/GaN 420 et 415nm), couplée a un ou plusieurs luminophores afin d'obtenir différentes températures de couleur comme ci-dessous comme la composition spectrale d'une diode électroluminescente proche de 4000K à gauche et d'une diode électroluminescente proche de 3000K au centre. Un même lot peut contenir des températures différentes de plus de 100K d'écart !
Le dernier graphique, à droite, représente la composition spectrale d'une LED sous forme MR16 de 9,5W, d'un très bon IRC (Ra=93 et R9=93) pouvant remplacer une MR16 halogène de 50W pour un même éclairement. L'efficacité lumineuse est aujourd'hui supérieur à 120 lm/W.
A droite LED de SEOUL-Toshiba (2017) d'un Ra=98 et R9=92
pass_prsent_et_futur.ppt | |
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Nota
Les photos des sources historiques ont été, pour la plupart, réalisées par Anne Maigret photographe au C2RMF
Les photos des sources historiques ont été, pour la plupart, réalisées par Anne Maigret photographe au C2RMF