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Dossier éclairage
Sommaire :
- La lumière – Spectre d'une source lumineuse.
- L'éclairage électrique: présentation.
- Les caractéristiques des lampes: Puissance, flux lumineux, éclairement, efficacité lumineuse, durée de vie moyenne, température de couleur, indice de rendu des couleurs.
- Niveau d'éclairement minimum à respecter en fonction du type de local.
- L'éclairage par incandescence: ampoule classique, ampoule krypton, lampe aux halogènes.
- Lampes à décharge: présentation des différents types utilisés.
- Lampe à décharge à cathode froide: tube luminescent.
- Lampe à décharge à cathode chaude: principe général.
- Lampe à décharge à cathode chaude: tube fluorescent.
- Lampe à décharge à cathode chaude: tube fluorescent à allumage instantané - Compensation.
- Lampe à décharge à cathode chaude: 2 tubes fluorescents en montage duo.
- Caractéristiques des différents types de lampes. Guide de choix.
- Calcul simplifié d'éclairage.
- Dépannage des luminaires équipés de tubes fluorescents.
1) La lumière – Spectre d'une source lumineuse :
La lumière est un rayonnement de même nature que les ondes radio et de télévision dont elle ne diffère que par la ‘‘longueur d'onde''. La bande de rayonnement visible se situe entre 0,4 micron et 0,7 micron environ. Entre ces deux limites, chaque longueur d'onde produit pour l'œil un effet coloré différent.
Chaque source lumineuse (soleil, lampe, métal en fusion, etc.) fournit en fait un ensemble de radiations différentes.
La décomposition de la lumière en plusieurs couleurs s'appelle un spectre.
Exemple de spectre de tubes fluorescents :
2) L'éclairage électrique: présentation :
Chaque source lumineuse (soleil, lampe, métal en fusion, etc.) fournit en fait un ensemble de radiations différentes.
Les lampes électriques vont donc transformer de l'énergie électrique en énergie rayonnante dont une partie (plus ou moins grande) est visible : énergie lumineuse.
En éclairage, on recherche l'appareillage qui produit le plus de lumière visible et donc le moins de radiations annexes : ultraviolet ou infrarouge.
Exemples de spectres lumineux :
Le choix du type d'éclairage se fera en fonction :
- Du rendement lumineux de la lampe. Le rendement lumineux influe sur la consommation d'énergie électrique, donc sur le coût d'utilisation,
- Du type de lumière désirée (coloration, grande puissance, etc.),
- Du coût de l'appareillage,
- Du coût de la maintenance (durée de vie et coût des lampes).
3) Les caractéristiques des lampes: Puissance, flux lumineux, éclairement, efficacité lumineuse, durée de vie moyenne, température de couleur, indice de rendu des couleurs :
- La puissance P :
- C'est la puissance électrique consommée par une lampe en Watts (W).
- Flux lumineux émis par la source F ou Φ :
- C'est la quantité de lumière émise par la source ou la puissance du rayonnement visible en lumen (lm).
- L'éclairement E :
- C'est la densité de lumière sur une surface en lux (lx).
C'est la quantité de lumière par m² (unité de surface) E = F (en lm) / S (en m²). - L'efficacité lumineuse :
- Efficacité = F / P en lumens / watt (lm/W).
Elle permet de caractériser le rendement énergétique d'une lampe. - Durée de vie moyenne :
- II existe une durée de vie moyenne en fonction du type de source de lumière.
Exemple : 1000 à 2000 heures pour une lampe à incandescence. - Température de couleur :
- E en degré Kelvin °K.
Un matériau chauffé à haute température émet de la lumière dont la longueur d'onde et donc la couleur dépendent de la température. Le filament de tungstène des lampes à incandescence est chauffé à une température de 2700 °K et donne une lumière à dominante jaune. Les tubes fluorescents utilisent des températures de 3000 °K à 6000 °K. Ils sont capables de fournir une couleur proche de celle du soleil. - Indice de rendu des couleurs IRC :
- La température de couleur ne suffit pas à déterminer la qualité d'une source lumineuse. Elle doit avoir un spectre suffisamment complet pour restituer correctement les nuances de couleurs des objets qu'elle éclaire. Cette capacité est indiquée par "l'indice de rendu des couleurs" (exprimé en %).
IRC de 50 à 100 = de mauvais à très bon.
4) Niveau d'éclairement minimum à respecter en fonction du type de local :
| Éclairement | Activité |
| <100 lux | orientation, circulation, «stationnement» occasionnel de personnes |
| 200-300 lux | travaux avec peu d'attention visuelle |
| 500-700 lux | travaux avec attention visuelle moyenne |
| 1000-1500 lux | travaux avec attention visuelle sur de petits détails |
| 2000-3000 lux | travaux avec attention visuelle prolongée sur de très petits détails |
| >5000 lux | travaux délicats et minutieux |
| Extrait du décret 8372'1 du 2 août 1983, article R 232-6-2 : «Pendant la présence du personnel (...) les niveaux d'éclairement mesurés au plan de travail ou, à défaut, au sol, doivent être au moins égaux aux valeurs ci-après(...). En cas d'infraction les pénalités seront comprises entre 2000 et 500.000 F, et en cas de récidive jusqu'à 6 mois d'emprisonnement». |
|
| Locaux affectés au travail et leurs dépendances | Valeur minimale d'éclairement |
| - Voies de circulation intérieure - Escaliers et entrepôts - Locaux de travail, vestiaires, sanitaires - Locaux aveugles affectés à un travail permanent |
40 lux 60 lux 120 lux 200 lux |
| Espaces extérieurs | |
| - Zones et voies de circulation extérieures - Espaces extérieurs où sont effectués des travaux à caractère permanent |
10 lux 40 lux |
| Type d'activité | |
| - Mécanique moyenne, dactylographie, travaux de bureau - Travail de petites pièces, bureaux de dessin, mécanographie - Mécanique fine, gravure, comparaison de couleurs, dessins difficiles, indus. vêtement - Mécanique de précision, électronique fine, contrôles divers - Tâches très difficiles dans l'industrie ou les laboratoires |
200 lux 300 lux 400 lux 600 lux 800 lux |
| Exemples d'éclairements recommandés : | |||
| Bâtiments agricoles | 150 lux | Salles d'attente, accueil | 300-500 lux |
| Locaux techniques | 100-150 lux | Paliers, couloirs | 200 lux |
| Docks et quais | 100-200 lux | Salles de réunion, conférence | 300-500 lux |
| Entrepôts et expédition | 200 lux | Salles de repos | 200 lux |
| Salles de fabrication | 200 lux | Bureaux de direction | 300 lux |
| Travail sur machine | 500 lux | Bureaux travaux généraux | 500 lux |
| Ateliers | 300-500 lux | Bureaux paysagés informatiques | 750 lux |
| Contrôle | 750-1000 lux | Dessin industriel | 750-1000 lux |
| Travaux fins | 1000 lux | Comparaison de couleur | 1000 lux |
| Travaux très fins (horlogerie, montage composants électroniques) | 1500 lux | Réception | 200 lux |
| Restaurants | 200-300 lux | Cuisines | 500 lux |
| Cantines | 200 lux | Cafés | 300 lux |
| Vestiaires, toilettes | 150 lux | Douches | 200 lux |
| Ateliers de réparation, carrosseries | 500 lux | Magasins | 200-500 lux |
| Vitrines | 1000-5000 lux | ||
5) L'éclairage par incandescence: ampoule classique, ampoule krypton, lampe aux halogènes :
L'éclairage par lampes à incandescence est une application de l' Effet Joule, sous l'effet du passage d'un courant électrique, un conducteur s'échauffe, à l'intérieur d'une ampoule se trouve un filament de tungstène qui rougit et devient incandescent lorsqu'il est traversé par un courant électrique.
Pour éviter la détérioration du filament, on le met à l'abri de l'oxygène de l'air : ampoule vide d'air ou remplie de gaz (Argon, Azote, Krypton, Iode, etc...).
Les lampes à incandescence produisent une couleur chaude mais n'ont qu'un faible rendement lumineux (10 à 15 lumens/Watt) et une courte durée de vie (1000h).
Les lampes au Krypton produisent plus de lumière et une lumière plus blanche.
Les lampes aux halogènes ont une plus grande efficacité lumineuse, une durée de vie double des lampes à incandescence normales (2000h) sans diminution notable du flux lumineux. Ampoule en quartz, fragile et chère.
L'efficacité lumineuse des lampes à incandescence classique diminue d'au moins 20% en cours de vie.
Les culots des lampes sont le plus souvent de type B22 (baïonnette) ou E27 (à vis).
6) Lampes à décharge: présentation des différents types utilisés :
Les lampes à décharge ont un bon rendement lumineux (40 à 60 lumens/Watt) et ont une très longue durée de vie (6000 à 20000h).
7) Lampe à décharge à cathode froide: tube luminescent :
Pour que le gaz contenu dans le tube soit lumineux, il faut maintenir entre les électrodes une tension élevée. L'alimentation du tube se fait en courant alternatif haute tension à l'aide d'un transformateur spécial : transformateur à fuite.
Le courant traversant le tube est faible : de 20 à 100mA.
La tension nécessaire varie avec la nature du gaz, la longueur et le diamètre du tube. Elle est comprise entre 500 et 10000V.
Exemple : tension de 1250 V pour un tube au néon de 6 m X 25 mm de diamètre.
Les électrodes et la colonne gazeuse luminescente restent à température assez basse : d'où le nom de tube à cathode froide.
La couleur de lumière obtenue varie selon les gaz utilisés : néon - rouge, argon - bleu pâle très lumineux ou mélange néon (75%) + argon (25%).
Une gamme de teintes plus étendue est obtenue par poudrage des tubes : procédé combinant la luminescence et la fluorescence (avec argon et vapeurs de mercure).
C'est le procédé actuellement le plus répandu.
8) Lampe à décharge à cathode chaude: principe général :
Dans les lampes à décharge à cathode chaude, on provoque une décharge très forte (plusieurs milliers de volts) entre les 2 électrodes.
Sous l'effet de ce champ électrique intense et des vapeurs de mercure (ou de sodium) présentes dans le tube, le gaz devient conducteur et remet un rayonnement riche en U-V (ultraviolet invisible à l'œil). C'est un régime d'arc avec cathode chaude.
Des poudres fluorescentes déposées à l'intérieur de la lampe ont pour effet de transformer ces radiations émises (ultraviolet) en lumière visible.
En fonctionnement, un ballast (inductance) en série dans le circuit stabilise le courant.
La technique d'amorçage de l'arc électrique, puis sa stabilisation diffèrent suivant le type de lampe.
Les allumages répétés réduisent la durée de vie de ces lampes (utilisation avec une minuterie, etc.).
Donc ces lampes sont réservées à un usage prolongé (éclairage public, magasins, bureaux, salles de classe, etc).
9) Lampe à décharge à cathode chaude: tube fluorescent :
Amorçage puis stabilisation à l'aide d'un starter et d'un ballast.
| Constitution d'un starter : | ||
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| Démarrage d'un tube fluorescent : | ||
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Au repos, le starter est ouvert. | |
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Fermeture de l'interrupteur. | |
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Dans le starter le néon devient luminescent et chauffe les électrodes. | |
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Les électrodes se déforment et viennent se toucher. | |
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Dans le tube fluorescent, les électrodes sont formées d'un fil spiralé en tungstène. Le courant passe et chauffe les électrodes (comme le filament d'une lampe à incandescence). Cela a pour effet d'élever la température du gaz argon et de vaporiser le mercure contenu dans le tube. | |
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Les électrodes du starter se refroidissent et se séparent. Cette coupure du circuit provoque un extra-courant de rupture (due au ballast) donc une surtension. Cette surtension entre les 2 extrémités du tube rend conducteur les vapeurs de mercure contenues dans le tube. Cela shunte le circuit du starter. |
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Un rayonnement ultraviolet invisible est émis. Des poudres fluorescentes déposées à l'intérieur du tube ont pour effet de transformer ces radiations émises par les vapeurs de mercure (ultraviolet) en lumière visible. | |
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Le tube devient lumineux. | |
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Le ballast limite alors le courant (risque de surintensité). | |
10) Lampe à décharge à cathode chaude: tube fluorescent à allumage instantané - Compensation :
Amorçage puis stabilisation.
Les tubes à allumage instantané n'ont qu'une électrode à chaque extrémité.
Une bande résistante étroite est disposée à l'intérieur du tube. Elle part d'une électrode et s'arrête au voisinage de l'autre électrode.
A la mise sous tension, une effluve jaillit entre le bout libre de la bande et l'électrode voisine. L'arc s'amorce alors entre les électrodes principales.
La compensation des tubes fluorescents :
Le ballast (impédance de stabilisation) provoque un déphasage entre le courant et la tension . La compensation de ce déphasage se fait par un condensateur.
En plaçant un condensateur en série dans le circuit, on améliore le facteur de puissance : cos phi » 1 (montage duo).
En plaçant un condensateur en parallèle dans le circuit, on améliore aussi le facteur de puissance : cos phi » 0,9.
11) Lampe à décharge à cathode chaude: 2 tubes fluorescents en montage duo :
La lumière des tubes fluorescents (arc électrique + poudres fluorescentes) s'annule 100 fois par seconde en alternatif 50 Hz.
Ces variations ne sont pas perceptibles à l'œil.
Dans certains cas, par exemple l'éclairage des pièces en rotation, on peut observer des effets stroboscopiques gênants.
Pour éviter cet inconvénient, on monte les tubes fluo par 2 (montage DUO).
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 en même temps que du facteur de puissance.
Cos phi » 1
12) Caractéristiques des différents types de lampes. Guide de choix :
| Catégorie | Appareillage excepté la douille | Utilisation | lm/W | Rendu des couleurs IRC | Durée de vie | Avantages | Inconvénients |
| Lampe à incandescence | néant | éclairage décoratif, éclairage localisé | 10 à 15 lm/W | Bon à très bon | 1000h | Appareillage minimum, investissement peu élevé | Faible efficacité lumineuse, dissipation de chaleur, cher |
| Lampe halogène (incandescence) | néant | éclairage par projecteur, éclairage décoratif en TBT | 20 à 30 lm/W | Très bon rendu des couleurs | 2000h | Appareillage minimum, Excellent IRC | Faible efficacité lumineuse, dissipation de chaleur |
| Lampes Fluorescentes | Ballast , starter, condensateur | éclairage extérieur, magasins, bureaux, ateliers | 40 à 90 lm/W | Divers t° de couleur, divers IRC | 7000h | Exploitation économique, | Investissement plus élevé que pour l'incandescence |
| Lampes Fluocompactes | néant | éclairage localisé, éclairage d'appoint | 37 à 60 lm/W | Bon rendu des couleurs | 5000h | Appareillage minimum | Investissement plus élevé que pour l'incandescence |
| Lampe mixte : vapeur de mercure HP + incandescence | néant | Cours d'usine, aires de stockage, ateliers de grande hauteur, halls, hangars, éclairage public | 20 à 25 lm/W | Rendu des couleurs acceptable en industrie, IRC moyen | 4500h | Bonne IRC, durée de vie élevée, pas d'appareillage auxiliaire | Temps de rallumage de quelques minutes à chaud |
| Lampe à vapeur de mercure haute pression | Ballast, condensateur | Cours d'usine, aires de stockage, ateliers de grande hauteur, halls, hangars | 36 à 55 lm/W | Rendu des couleurs acceptable en industrie, IRC moyen | 8000h | Bonne efficacité lumineuse, durée de vie élevée | Temps d'allumage et de rallumage de quelques minutes |
| Lampe aux iodures métalliques | Ballast, amorceur, condensateur | éclairage de grands espaces : Stades, parkings, échangeurs, gare de triage, etc. | 75 à 100 lm/W | Rendu des couleurs acceptable | 4000h à 6000h | Bonne efficacité lumineuse, durée de vie élevée | Temps d'allumage et de rallumage de plusieurs minutes |
| Lampe à vapeur de sodium basse pression | Ballast, condensateur | Anciennes installations, de moins en moins utilisé | 66 à 180 lm/W | Lumière jaune monochromatique, IRC mauvais | 8000h | Haute efficacité lumineuse, exploitation économique | Impossibilité de reconnaître les couleurs, Temps d'allumage de 5 minutes |
| Lampe à vapeur de sodium haute pression | Ballast, amorceur, condensateur | Installations sportives, éclairage public, grands espaces | 52 à 100 lm/W | Lumière doré, agréable, IRC médiocre | 8000h | Haute efficacité lumineuse | Temps d'allumage et de rallumage de plusieurs minutes |
13) Calcul simplifié d'éclairage :
Formule pour le calcul de l'éclairement :
Formule pour le calcul du flux lumineux total nécessaire à l'éclairement d'un local :
E = éclairement en Lux.
F = flux total en lumens.
S = surface totale du plan à éclairer en m².
u = coefficient d'utilisation de l'installation.
d = facteur de compensation de la dépréciation =1,4 en moyenne.
Tableau déterminant le coefficient d'utilisation :
| Éclairage direct | Éclairage indirect | |||
| Couleur des murs : | Couleur du plafond : | Couleur du plafond : | ||
| clair | moyen | foncé | clair | |
| clair | 0,65 | 0,65 | 0,65 | 0,43 |
| moyen | 0,57 | 0,57 | 0,50 | 0,35 |
| foncé | 0,50 | 0,50 | 0,43 | 0,29 |
14) Dépannage des luminaires équipés de tubes fluorescents :
Changer systématiquement tube et starter en cas de défaut.
Tube et starter récupérés seront ensuite testés sur un autre appareil d'éclairage ou avec des appareils de mesure en atelier.
| Seules les extrémités du tube s'allument | Starter défectueux | Remplacer le starter |
| Les extrémités du tube noircissent | Tube usagé | Remplacer le tube |
| Pas d'allumage à la mise sous tension ou clignotement du tube | Vérifier successivement le tube, le starter, la présence de tension, le ballast, les contacts, le condensateur. |
Test d'un tube :
-vérifier à l'Ohmmètre la continuité entre les 2 broches à chaque culot du tube.
-vérifier que les extrémités du tube n'ont pas noircies (détérioration du filament).
Test d'un ballast :
-vérifier à l'Ohmmètre la continuité entre les 2 extrémités du ballast.
-vérifier à l'Ohmmètre qu'il n'y a pas de continuité avec la masse du ballast.
Test d'un starter :
-vérifier à l'Ohmmètre qu'il n'y a pas de continuité entre les 2 extrémités du starter.
Manipulation des tubes et destruction des tubes usagés Attention !
Les lampes fluorescentes contiennent du mercure qui est un produit toxique.
Pour éviter tout risque d'accident (éclatement, blessure par coupure ou par contact avec des produits nocifs), prendre des précautions particulières lors de leur manipulation ou de leur destruction.
Avec l'aimable autorisation de Laurent Besset, formateur en électricité - électrotechnique GRETA.