Éclairage : les fondamentaux

Le secteur de l'éclairage a subi une profonde mutation. La production de lumière à partir du « tout solide », ou « Solide State lighting » en anglais, a changé la donne. Certaines catégories de lampes ont disparu du marché alors que d'autres ont émergé.

Les technologies de lampes peuvent être grossièrement classées en trois catégories :

• les lampes à incandescence ;

• les lampes à décharge ;

• les LEDs (Light Emitted Diodes).

Le principe de fonctionnement de la première catégorie de lampes, repose sur l'incandescence d'un filament de tungstène porté à une température proche de son seuil de fusion, soit environ 3 000 K. Cette technologie, vielle de plus d'un siècle, a été bannie du marché européen de l'éclairage, car son efficacité de conversion de l'énergie électrique en lumière est intrinsèquement très limitée. Notons, qu'il subsiste encore des lampes à incandescence de faible puissance et des lampes spécifiques (fours, congélateurs, etc). Malgré la très bonne qualité esthétique de leur lumière, ces lampes sont dorénavant obsolètes, car énergivores.

La technologie des lampes à décharge est quant à elle plus sophistiquée. Cette catégorie comprend, par exemple, les lampes à halogénures métalliques utilisées abondamment et pendant longtemps en éclairage extérieur. Mais aussi, les tubes fluorescents et leur miniaturisation en lampes fluocompactes. L'efficacité de conversion énergétique de ces lampes est nettement meilleure, parfois dix fois mieux que celle des lampes à incandescence. Aussi, ont-elles envahi tout le secteur tertiaire de l'éclairage sous formes d'encastrés et de plafonniers, par exemple.

Enfin, l'arrivée sur le marché des composants LEDs de puissance qui émettent en lumière blanche, permet pour la première fois de disposer de très bonnes sources lumineuses d'une efficacité intrinsèquement supérieure à celle des lampes à décharge, tout en gardant une qualité de lumière remarquable.

Dans cet article, après avoir abordé les principes physiques de la propagation des ondes lumineuses dans les milieux matériels, nous présentons les principes fondamentaux de la production de lumière par la matière. Nous décrivons d'abord l'émission de lumière à partir du rayonnement du « corps noir », milieu gazeux ionisé, ou plasma, porté à haute température. Puis, nous exposons le principe de la production de photons par l'état solide de la matière : les jonctions semi-conductrices, i.e. la technologie LEDs.

Nous rappelons ensuite les définitions de base de la photométrie, principalement :

• le flux ;

• l'intensité ;

• l'éclairement ;

• la luminance ;

• le facteur de maintenance ;

• le facteur d'utilisation d'une installation.

Puis, nous établissons quelques formules de base de l'éclairagisme, qui permettent de dimensionner simplement le flux lumineux à installer dans un local de géométrie donnée, tout en évaluant l'éfficience énergétique de l'installation.

Enfin, pour conclure, nous présentons les deux systèmes d'unités, radiométriques (W, W.m⁻², W.sr⁻¹...) et photométriques (lumen, lux candela...), ainsi que les relations mathématiques qui permettent le passage entre ces deux systèmes pour toutes les grandeurs.