Chapitres 3 4 - PowerPoint PPT Presentation

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Chapitres 3 4

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Chapitres 3 4 – PowerPoint PPT presentation

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Title: Chapitres 3 4


1
Chapitres 3 - 4
Sources de Lumière artificielle Présent et future
Georges Zissis georges.zissis_at_cpat.ups-tlse.fr
2
Comment produire de la lumièresans électricité
  • Feu
  • Torches
  • Chandelles
  • Lampes à huile
  • Lampes à gaz
  • Bio-luminescence
  • Phosphorescence
  • Tribo Thermo-luminescence
  • Foudre

3
Comment produire de la lumièreavec électricité
4
La famille des lampesélectriques
5
Les lampes sont partout !
Eclairage des Monuments
Panneaux d'affichage
6
Quelques chiffres
  • 33 milliards de lampes fonctionnent chaque jour
  • 10 milliards de lampes nouvelles par an

7
Lindustrie de léclairage,un secteur à
croissance rapide
Les secteurs technologiques avec le plus de
croissance (Hagler Bailly, Idc)
8
Question
Qu'est-ce la lampe idéale ? ?
La réponse est plutôt complexe !
9
Que signifie "Voir" ?
Voir Utiliser un photorécepteur afin de
détecter, localier et identifier un
objet éclairé par une source de lumière
10
Une première réponse
La qualité d'une source de lumière ne peut être
définie qu'en fonction de l'application pour
laquelle a été réalisée
Eclairage routier
Eclairage intérieur
200 lm/W IRC0
12-15 lm/W IRC100
11
Les "10 commandements"d'une bonne lampe
Cette lampe n'existe pas
12
Question
Bien ! Quels sont les objectifs futurs ? ?
On cherche une source efficace, performante pour
assurer une fonction
13
Evolution de l'efficacité lumineusedes sources
L'industrie des lampes a-t-elle atteint une
quelconque limite thermodynamique ?
14
La limite théorique pourla lumière blanche
15
Question
Comment fonctionne la lampe ?
La réponse dépend de la famille de la lampe
16
La lampe n'est qu'un élémentd'un système complexe
Complexité pluridiciplinarité
Physiologie Ergonomie Psychologie...
Physique Chimie Matériaux...
Génie électrique Electronique de
puissance Traitement Signal ...
17
Production de la lumière
Interactions Fortes
Interactions Faibles
18
Lampes à Incandescence
Un courant électrique traverse un
filament métallique et le chauffe par effet
Joule La quantité de la lumière dépend de la
Température du filament le spectre est continu
19
Lampes à IncandescenceLes lois de base
Le concept du  corps noir 
Loi de Planck
Loi de Stefan-Boltzmann
20
Une sérieuse limitation
Fraction visible du spectre
Fusion du W
On peut très difficilement obtenir une très bonne
efficacité avec une lampe à incandescence !
21
Quelques progrès
La lampe à halogène
La lampe à filtre sélectif
Lumière Visible
Lumière IR
22
Les lampes à décharge
Lénergie électrique est injectée dans un plasma.
Elle est transformée en chaleur et rayonnement
23
Avez-vous dit plasma ?
PlasmasQu'es aquò ?
La foudre En bouteille
Le mot
Définition
Milieu ionisé électriquement neutre dans lequel
les particules chargées peuvent se déplacer plus
ou moins librement
PLASMA
Du grec "?????" mouler
24
Plasma le 4e état de la matière
Solide
Liquide
Gaz
Plasma
Pas de charges électriques libres
Charges électriques libres
Très chaud
froid
tiède
chaud
Ajouter de l'énergie
Quelques exemples Matière Interstellaire
Cur des étoiles Ionosphère
Eclairs Flammes
4ème état de la matière 99.8 de l'Univers
25
Pourquoi un plasma est conducteur ?Lionisation
Orbites
Ion chargé positivement (He) (1.6x10-19 Cb)
Energie
électron lié
noyau
électrons liés
noyau
Électron libre (-1.6x10-19 Cb)
Atome électriquement neutre (He)
Orbites
26
Les collisions,un moyen pour apporter de
l'énergie
Atome neutre (Insensible au champ électrique)
Elastiques L'état interne de chaque corps
reste inchangé après la collision
Champ électrique E
Inélastiques L'état interne de chaque corps
est modifié après la collision
V(t)Vo eE/met
Electron libre (il est accéléré sous l'effet du
champ)
27
Les collisions élastiquesProduction de chaleur
m M et v V
après
v
m
v
m
V
M
V
M
avant
  • Après chaque collision

alors V gt V
  • Après plusieurs collisions l'énergie cinétique
    moyenne des particules "bleues" augmente, mais

alors T gt T
28
Un type de collision inélastiqueL'excitation
Orbites vides
Energie
Orbite vide
Dernière orbite peuplée
Orbites peuplées
électrons
électrons
Atome avant non perturbé
Atome après l'interaction
29
Pourquoi un plasma produitde la lumière ?
TEMPS
L'énergie se conserve Efin- Eini h?
30
Un exemple la lampe fluo
Efficacité Energétique 25
31
Diodes électroluminescentes
En polarisant électriquement une jonction p-n
dun semi-conducteur les charges électriques
(électrons trous) peuvent se recombiner
radiativement
32
Diodes Electroluminescentes LEDs 
33
La couleur des LEDs
  • Une diode ne peut être que monochromatique
  • La largeur spectrale est très faible
  • La couleur dérive avec la température de la
    jonction

34
Comment fait-on une LED blanche ?
Efficacité lumineuse 25-30 lm/W
LED Blanche 5 W
(LumiLeds)
Osram GmbH
Le congres US a voté en 2002 un programme de 470
millions Objectif LEDs Blanche pour
léclairage, 120 lm/W dici 2011 !
35
La lampe n'est qu'un élémentd'un système complexe
36
A chaque type de lampe sonalimentation
  • Lalimentation doit être adaptée à la charge à
    chaque instant
  • Elle doit assurer le fonctionnement nominal
  • Elle doit assurer l'amorçage
  • Elle doit assurer les fonctions de gradation
  • Elle doit obéir aux contraintes de sécurité, aux
    normes
  • Lampe à incandescence
  • Eléments linéaires, pas de contraintes
    damorçage
  • Elles peuvent être directement branchées au
    secteur
  • Sources  Solides  (LEDs)
  • Nécessitent une polarisation, faibles courants
  • Elles fonctionnent essentiellement en courant
    continu
  • Lampes à décharge avec ou sans électrodes
  • Eléments non-linéaires, fortes contraintes
    damorçage,
  • Large gamme de puissance, sensibles à la
    fréquence
  • Elles nécessitent un  ballast  ou une source
    de courant

37
Le cas des lampes à décharge
Une décharge électrique est une résistance
 ohmique  non linéaire
RdA ? RdB
38
Claquage dans un gazde lisolant (gaz)
39
au conducteur (plasma)
40
Leffet davalanche
Champs électrique
Libre parcours moyen
Gain dénergie
si U gt Uion Alors lionisation est possible
Nouveaux électrons dans le volume dV
avec ? (E/p)
41
Lémission secondaire
Zone sans collisions
Lueur
Impact Ionique sur la cathode
Les ions positifs s'accélèrent
Emission des électrons secondaires
Décharge  Autonome 
Ion
Les électrons secondaires sont injectés de la
cathode
Chauffage Cathodique
émission  thermionique 
Les ions positifs sont créer par collision
Electron
Cathode
42
Tension de claquage Vs
cathode
gaz
anode
exp(?d)-1 paires e/ion produits
exp(?d) électrons arrivent
Cycle 1
1 électron sort
exp(?d)-1 ions arrivent ?exp(?d)-1 électrons
injectés
?exp(?d)-12 paires e/ion produits
?exp(?d)-1exp(?d)) électrons arrivent
Cycle 2
?exp(?d)-12 ions arrivent ?2exp(?d)-12
électrons injectés
?2exp(?d)-13 paires e/ion produits
?2exp(?d)-12exp(?d)) électrons arrivent
Cycle 3
Claquage si
Tension de Claquage
43
La courbe de Paschenet quelques ordres de
grandeur
44
Retard de claquage(breakdown lag time)
Retard de claquage Retard entre
lapplication de la la tension de claquage et le
claquage effectif
45
Aide au démarrageLélectrode auxiliaire
Ballast Inductif
  • Ballast ferromagnétique
  • Lampes HID (Hg)
  • Lampes MHL (silice)

Electrodes principales
Electrode Auxiliaire
46
Aide au démarrageLe bilame
  • Ballast ferromagnétique
  • Lampes Sodium
  • Lampes Fluorescentes

47
Aide au démarrageStarter Electronique
  • Ballast ferromagnétique
  • Lampes Sodium
  • Lampes MHL (céramiques)

48
Fonctionnement en régimeBallast ferromagnétique
B
C
A
A
  • Consomme de lénergie (15)
  • Impose cos? ? 1et nécessite une capa
  • Ne peut pas suivre lévolution de la lampe
  • Contient du plomb

49
Fonctionnement en régimeBallast électronique
Sinusoïdal Haute fréquence Lampes
fluorescentes Lampes Haute pression Créneaux
Basse fréquence Lampes Haute pression
  • Ne nécessite ni capacité ni starter
  • Il peut être  gradable   et  contrôlable 
  • Consomme moins de lénergie (7-8)
  • Il est léger et compact
  • Il  respecte  la lampe (durée de vie
  • maintenance du flux)

50
Le caractère non-linéairede la  charge 
51
La lampe n'est qu'un élémentd'un système complexe
52
La chaîne de control
53
Le protocole DALI
DALI Digital Addressable Lighting Interface
Est un protocole ouvert (non-propriétaire)
spécifique pour léclairage. Assure une
compatibilité entre les fabricants des ballasts
et des contrôleurs Assure une grande flexibilité
pour le concepteur, le gestionnaire et
lutilisateur final
DALI devient un standard universel
DALI est standardisé pour léclairage interieur
IEC60929 et ANSI C82.11
54
Le système LDDC
  • Contrôleur uniquement
  • Communication avec station Courant porteur
  • Communication avec ballast DALI
  • Gradation continue (si le ballast le permet)
  • Récupération des données de fonctionnement

Dimensions 35 x 45 x 105 mm
55
Système DynaVision
  • Contrôleur centralisé pour Ballast Electroniques
  • Communication avec ballast bus Analogique (ZT
    0-10V)
  • Gradation max 50 (lampes MHL)
  • Il peut gérer jusquà 3 000 ballasts
  • Interactif (sondes)

56
Système Detectr_at_l
  • Contrôleur uniquement
  • Communication avec station Radio-Frequences
    (portée 200m)
  • Communication avec ballast DALI ou I2C
  • Gradation continue (si le ballast le permet)
  • Récupération des données de fonctionnement
  • Interactif (sondes)
  • Services supplémentaires possibles

57
Système Induxi
  • Ballast Eln (créneaux BF) en 2 pièces
  • Contrôleur
  • Puissances 70 - 150 W
  • Lampes MHL et SHP
  • Gradation max 50 (paliers 75 et 50)
  • Starter intégré
  • Communication avec un module centrale
  • Isolation galvanique de la lampe

Convertisseur
Générateur
Contrôleur
58
Système AltronBipall
  • Ballast Eln (HF)
  • Puissances 70 - 400 W
  • Lampes MHL et SHP
  • Contrôleur optionnel (contacts secs)
  • Gradation max 50 (paliers 75 et 50)
  • Starter intégré
  • Autonome
  • Pas de communication(sauf LEDs de visu)

4 cycles (1 user defined)
59
Lampes Basse Pression
60
Lampes fluorescentes linéaires
Type de lampe Puissances courantes Flux lumineux
Longueurs T12 20 40 65 W de 1 050 à 4 800 lm
59 120, 150 cm T8 18 36 58 W de 1 350 à 5
200 lm 59 120 150 cm T5 14 21 28 35
49 W de 1 350 à 4 900 lm 55 85 115, 145
145 cm
61
Lampes fluorescentes linéairesFormes et couleurs
Cool White (6000 K)
Neutral White (5000 K)
Warm White (4000 K)
Ultra Warm White (3000 K)
62
Lampes fluo compactes(CFL)
Meilleure efficacité Meilleure stabilité Encombrem
ent poids réduits Pas d'interaction avec le
réseau
Ventes Energie
Ventes Energie
Consommation Energétique (TWh)
Ventes de CFL (millions)
63
Variantes de la lampe fluo compacte
64
Une  équivalence  simplemais économique
13 W CFL 60 lm/W
60 W GLS 13 lm/W
  • Prix moyen CFL 8 , GLS 0,70
  • Durée de vie CFL 12 000 h, GLS 1 250 h
  • 1 CFL de 13 W remplace une GLS de 60W
  • Temps dutilisation moyen 2500 h/an
  • 150 000 000 de maisons en Europe

Economies dénergie en Europe (résidentiel)
(60-13)W x 2500h x 150000000 17,6 TWh ou 3,5
MTEP (millions de Tonnes eq. Pétrole)
65
Lampes Fluo Compactesà Cathode Froide (CCFL)
  • Diamètre 1.8 - 4.0 mm
  • Ballast Electronique (HF)
  • Durée de vie 40 000 h
  • Luminance 20 000 cd/m2

66
Lampes fluorescentesPrincipaux challenges
Comment éviter 50 de pertes dues aux phosphores
? - quantum splitting phosphores 2 photons
visibles pour chaque photon
UV - Produire directement de la lumière
visible en utilisant des molécules
volatiles ou dautres gaz (moléculaires) Comment
éviter lutilisation de Hg ? - Xe faible
efficacité mais lumière instantanée - Ne
faible efficacité - Ba Lumière visible
(verte) problème des matériaux - MoO3
faible efficacité (37 lm/W) faible tension de
vapeurs - OH- Technologie
complexe Comment contrôler la couleur ? -
Electronique - Mélanges de gaz -
Phosphores - Transport de masse
67
Lampes basse pression Contrôler la couleur
  • Eclairage publicitaire
  • Automobile

mélange
Alimentation
Segregation
Mélange Hg (qq µbar) Gaz-rare(s) (qq mbar)
68
Lampe blanche au Néon
Remplissage Néon pur (20 à 220 mbar)
Efficacité 20 lm/W
Osram-Sylvania (US)
69
Lampe Sodium Basse pression(LPS, SOX, SO/H, SOI)
  • Puissance 18 - 180 W
  • Efficacité 98 - 200 lm/W
  • Eff. Energétique 40
  • Durée de vie 12 000 - 14 000 h
  • IRC N/A
  • Tcp 1 700 - 1 800 K
  • Temps de m-à-régime 15 min

Produit en declin
SOX 35W
70
Lampes Haute Pression
71
Lampes Hg HP (HID)
Version avec réflecteur (PAR)
Produit en declin
  • Puissance 50 - 400 W
  • Efficacité 25 - 50 lm/W
  • IRC 15 - 60
  • Tcp 3000 - 5500 K
  • Durée de vie 7000-20000 h

72
Variante  self-ballasted 
  • Puissance 100 - 1250 W
  • Flux 1100 - 41000 lm
  • Durée de vie 6000-16000 h

73
Lampes Na HP
  • Puissance 35 - 1000 W
  • Efficacité 55 - 120 lm/W
  • IRC 30 - 65
  • Tcp 2000 - 2300 K
  • Durée de vie 7000-25000 h
  • Temps de m-à-régime 3 - 5 min

Produit mature
74
Variantes de la lampe Sodium
WhiteSON mini
Sodium Twin
SHP 400W IRC 60 Efficacité 98 lm/W
Cette lampe a deux brûleurs (Sodium) Identiques
Un seul fonctionne à la fois Fiabilité
accrue, coût de maintenance amélioré
Variation de la quantité de la lumière Différents
(température de couleur) Variations de la
couleur possibles
75
Lampes SHP sans mercure
Philips Lighting (NL)
  • Eclairage public
  • Eclairage routier

Lampe HID, brûleur en PCA Na (amalgame) Xe
(plusieurs bars)
La technologie PIA "Philips Integrated
Antenna" La présence d'une antenne permet un
allumage de la lampe fiable, quelles que soient
les conditions, assurant un ré-allumage
quasi-immédiat (moins de 30 secondes). Puissances
50W, 70W, 100 - 600 W Efficacité gt 100 lm/W
76
Lampes MHL (à enveloppe quartz)
  • Puissance 50 - 2000 W
  • Efficacité 54 - 120 lm/W
  • IRC 65-93
  • Tcp 3 700 - 6 100 K
  • Durée de vie 4 000 - 8 000 h
  • Temps de m-à-régime 5-10 min

Philips MASTER MHN-LA
MASTER MHN-SA 1800W/956 230V
Philips MASTER MHN-SA
Philips MASTERC White CDO-TT 100W E40
77
Lampes C-MHL(à enveloppe céramique)
  • Puissance 20 - 400 W
  • Efficacité 70 -100 lm/W
  • IRC 86 - 95
  • Tcp 3000 - 4500 K
  • Durée de vie 7000-16000 h
  • Temps de m-à-régime 3-5 min

Produit en expansion
GE Lighting (HU)  NumeLiTe 
78
Lampes C-MHLDifférentes technologies
Osram Powerball HCI-TS
Philips Mastercolour CDM-TD
CE-Lighiting Constantcolor
Philips Mastercolour CDM-R111
CE-Lighiting Constantcolor PAR
79
Lampes C-MHLLa fin de vie
80
Lampe UHP
Caractéristiques
  • 1.0mm longueur darc
  • 100W ou 150W
  • 8000 h durée le vie (100W)
  • 8500K CCT point de couleur stable
  • Maintenance facile
  • Réflecteurs fermés parabole ou ellipse
  • control par µ-processeur
  • 200 bar de Hg quelques Torr dAr

Avantages Très grandes images Excellent
Qualité de l'image Faible volume et
poids Applications Projection
professionnelle Home TV
Philips Lighting (NL)
81
Lampes HID sans mercure
Philips NaI-ScI3-ZnI2
Applications automobile
Matsushita Electric Industrial Co.,
LTD ScI3-NaI-InI3-Xe
82
Comment Choisir ?
83
Lampes Sans Electrodes
84
Lampes à induction
Philips MASTER QL
Bulbe
  • Puissance 55, 85, 165 W
  • IRCgt 80
  • Tcp 2 700 - 4 000 K
  • Durée de vie gt 16000 h
  • Temps de m-à-régime 1 min

Plasma
Bobine
Ferrite
85
Variantes de la lampe à induction
GE Lighting Geniura
Osram-Sylvania Icetron
86
Lampe au S2
Puissance (W) 1385 3400 Intensité (lm) 134
000 410 000 Efficacité (lm/W) 97 120 Tcp
(K) 5400 6500 IRC 79 86
87
Lampes à Excimer
  • Applications industrielles
  • Photochimie/Polymérisation
  • Traitement de surface
  • Purification
  • Dermatologie
  • Photo-catalyse

Xeradex
Géométrie flexible
CPAT-Dermoptics
88
Lampes à excimère pouréclairage et signalisation
  • Eclairage général
  • Signalisation
  • Retro-éclairage

Le plus grand panneau daffichage (3 000 m2, 900
PLANON) Dutch telecommunications company, KPN, à
Rotterdam.
Osram
Gaz Xe (pas de Hg) Pression gt 100
Torr Epaisseurlt 10mm Durée de vie gt 10 000 h
Planon DBD et son ballast
89
La lampe à agrégats"La chandelle du 21e siècle"
Philips (NL)
Balance Energétique
100 W
Gaz Ar ou Xe Halogénures métalliques Volume
0.25 cm3 Puissance µ-ondes 100 W Fréquence
2.45 GHz (TM010) Tcoul 3500 K Efficacité 62
lm/W (Re) 56 lm/W (W) IRC 95
Spectre
90
Diodes Electroluminescantes
91
Diodes Electro-luminescentes
La source de lumière du future Rève ou réalité ?
LED versus Incandescence
Marché
92
Quelques points positifs
Loi de Craford
Forte luminosité Bons couleurs Bonne efficacité
lumineuse Petites dimensions faible
poids Longue durée de vie (gt25 000 h)
Améliorations à lextraction de la lumière
93
Problèmes Challenges
Maintenance du flux (LED blanche)
Challenges 1 améliorer la maintenance du
flux 2 Fermer le gap entre vert et jaune 3
Augmenter lefficacité de 50 pour tout ? 4
Améliorer la qualité de production en série 5
Augmenter la surface émettrice
Faible puissance (5 W max) Lumière
directionnelle Coût élevé pour une
installation La couleur change avec
tension/courant Sensibles à la température/humidit
é Systèmes très complexes
94
Les LEDs pourquoi faire ?
95
Lampes à LED
96
O-LEDs
GE Global Research Center
OLEDs for Lighting
  • Haute Résolution
  • Haute qualité de couleurs
  • Flexible, Pliable
  • Propriétés mécaniques excellentes
  • Faible poids
  • Faibles dimensions

97
Dans un monde sans lampes...
98
Field Emitting Device Lamps
20 mm
A lamp operating as "electron gun"
This is the first Application of Nano-tubes
  • High power projectors
  • Aviation

Intensity 30 000 cd
NEC RD Group (JPN)
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