Une lampe est un convertisseur d'énergie. Bien qu'il puisse remplir des fonctions secondaires, sa vocation première est la transformation de l'énergie électrique en rayonnement électromagnétique visible. Il existe de nombreuses façons de créer de la lumière. La méthode standard pour créer un éclairage général est la conversion de l'énergie électrique en lumière.

Types de lumière

Incandescence

Lorsque les solides et les liquides sont chauffés, ils émettent un rayonnement visible à des températures supérieures à 1,000 XNUMX K ; c'est ce qu'on appelle l'incandescence.

Un tel chauffage est à la base de la génération de lumière dans les lampes à incandescence : un courant électrique traverse un fin fil de tungstène, dont la température s'élève à environ 2,500 3,200 à XNUMX XNUMX K, selon le type de lampe et son application.

Il y a une limite à cette méthode, qui est décrite par la loi de Planck pour les performances d'un radiateur à corps noir, selon laquelle la répartition spectrale de l'énergie rayonnée augmente avec la température. À environ 3,600 2,700 K et plus, il y a un gain marqué d'émission de rayonnement visible et la longueur d'onde de puissance maximale se décale dans la bande visible. Cette température est proche du point de fusion du tungstène, qui est utilisé pour le filament, la température limite pratique est donc d'environ XNUMX XNUMX K, au-dessus de laquelle l'évaporation du filament devient excessive. Une des conséquences de ces décalages spectraux est qu'une grande partie du rayonnement émis n'est pas émise sous forme de lumière mais sous forme de chaleur dans le domaine infrarouge. Les lampes à incandescence peuvent donc être des dispositifs de chauffage efficaces et sont utilisées dans des lampes conçues pour le séchage des impressions, la préparation des aliments et l'élevage des animaux.

Décharge électrique

La décharge électrique est une technique utilisée dans les sources lumineuses modernes pour le commerce et l'industrie en raison de la production plus efficace de lumière. Certains types de lampes combinent la décharge électrique avec la photoluminescence.

Un courant électrique traversant un gaz excitera les atomes et les molécules pour émettre un rayonnement d'un spectre caractéristique des éléments présents. Deux métaux sont couramment utilisés, le sodium et le mercure, car leurs caractéristiques donnent des rayonnements utiles dans le spectre visible. Aucun des deux métaux n'émet de spectre continu et les lampes à décharge ont des spectres sélectifs. Leur rendu des couleurs ne sera jamais identique aux spectres continus. Les lampes à décharge sont souvent classées comme haute pression ou basse pression, bien que ces termes ne soient que relatifs, et une lampe au sodium haute pression fonctionne en dessous d'une atmosphère.

Types de luminescence

Photoluminescence se produit lorsque le rayonnement est absorbé par un solide et est ensuite réémis à une longueur d'onde différente. Lorsque le rayonnement réémis se situe dans le spectre visible, le processus est appelé fluorescence or phosphorescence.

Electroluminescence se produit lorsque la lumière est générée par un courant électrique traversant certains solides, tels que les matériaux phosphoreux. Il est utilisé pour les enseignes auto-éclairantes et les tableaux de bord mais ne s'est pas avéré être une source lumineuse pratique pour l'éclairage des bâtiments ou des extérieurs.

Évolution des lampes électriques

Bien que le progrès technologique ait permis de produire différentes lampes, les principaux facteurs qui ont influencé leur développement ont été les forces extérieures du marché. Par exemple, la production de lampes à incandescence utilisées au début de ce siècle n'a été possible qu'après la disponibilité de bonnes pompes à vide et le tréfilage du fil de tungstène. Cependant, ce sont la production et la distribution à grande échelle d'électricité pour répondre à la demande d'éclairage électrique qui ont déterminé la croissance du marché. L'éclairage électrique offrait de nombreux avantages par rapport à l'éclairage au gaz ou au mazout, tels qu'une lumière stable nécessitant un entretien peu fréquent ainsi qu'une sécurité accrue en l'absence de flamme exposée et d'absence de sous-produits locaux de combustion.

Pendant la période de reprise après la Seconde Guerre mondiale, l'accent a été mis sur la productivité. La lampe tubulaire fluorescente est devenue la source lumineuse dominante car elle a rendu possible l'éclairage sans ombre et relativement sans chaleur des usines et des bureaux, permettant une utilisation maximale de l'espace. Les exigences de rendement lumineux et de puissance pour une lampe tubulaire fluorescente typique de 1,500 1 mm sont indiquées dans le tableau XNUMX.

Tableau 1. Rendement lumineux amélioré et exigences de puissance de certaines lampes à tube fluorescent typiques de 1,500 XNUMX mm

Dans les années 1970, les prix du pétrole ont augmenté et les coûts énergétiques sont devenus une part importante des coûts d'exploitation. Les lampes fluorescentes produisant la même quantité de lumière avec une consommation électrique moindre étaient demandées par le marché. La conception de la lampe a été raffinée de plusieurs manières. À la fin du siècle, on assiste à une prise de conscience croissante des problèmes environnementaux mondiaux. Une meilleure utilisation des matières premières en déclin, le recyclage ou l'élimination sûre des produits et les préoccupations persistantes concernant la consommation d'énergie (en particulier l'énergie générée à partir de combustibles fossiles) ont un impact sur les conceptions actuelles des lampes.

Critère de performance

Les critères de performance varient selon l'application. En général, il n'y a pas de hiérarchie particulière d'importance de ces critères.

Sortie de la lumière: Le flux lumineux d'une lampe déterminera son adéquation par rapport à l'échelle de l'installation et à la quantité d'éclairement nécessaire.

Aspect des couleurs et rendu des couleurs: Des échelles et des valeurs numériques distinctes s'appliquent à l'apparence et au rendu des couleurs. Il est important de se rappeler que les chiffres ne sont fournis qu'à titre indicatif et que certains ne sont que des approximations. Dans la mesure du possible, les évaluations d'adéquation doivent être faites avec des lampes réelles et avec les couleurs ou les matériaux qui s'appliquent à la situation.

Vie de la lampe: La plupart des lampes devront être remplacées plusieurs fois au cours de la durée de vie de l'installation d'éclairage, et les concepteurs doivent minimiser les inconvénients pour les occupants des pannes et de l'entretien. Les lampes sont utilisées dans une grande variété d'applications. La durée de vie moyenne prévue est souvent un compromis entre coût et performance. Par exemple, la lampe d'un projecteur de diapositives aura une durée de vie de quelques centaines d'heures car le rendement lumineux maximal est important pour la qualité de l'image. En revanche, certaines lampes d'éclairage de voirie peuvent être changées tous les deux ans, ce qui représente environ 8,000 XNUMX heures de fonctionnement.

De plus, la durée de vie de la lampe est affectée par les conditions de fonctionnement, et il n'y a donc pas de chiffre simple qui s'appliquera dans toutes les conditions. En outre, la durée de vie effective de la lampe peut être déterminée par différents modes de défaillance. Une défaillance physique telle qu'une rupture de filament ou de lampe peut être précédée d'une réduction de la puissance lumineuse ou de changements d'apparence des couleurs. La durée de vie de la lampe est affectée par les conditions environnementales externes telles que la température, les vibrations, la fréquence de démarrage, les fluctuations de la tension d'alimentation, l'orientation, etc.

Il convient de noter que la durée de vie moyenne indiquée pour un type de lampe est le temps pour 50 % de défaillances d'un lot de lampes de test. Cette définition de la durée de vie ne s'appliquera probablement pas à de nombreuses installations commerciales ou industrielles ; ainsi, la durée de vie pratique de la lampe est généralement inférieure aux valeurs publiées, qui ne doivent être utilisées qu'à titre de comparaison.

Efficacité: En règle générale, l'efficacité d'un type de lampe donné s'améliore à mesure que la puissance nominale augmente, car la plupart des lampes ont une perte fixe. Cependant, différents types de lampes ont une variation marquée de l'efficacité. Les lampes les plus efficaces doivent être utilisées, à condition que les critères de taille, de couleur et de durée de vie soient également respectés. Les économies d'énergie ne doivent pas se faire au détriment du confort visuel ou de la capacité de performance des occupants. Quelques efficacités typiques sont données dans le tableau 2.

Tableau 2. Efficacité typique des lampes

Principaux types de lampes

Au fil des ans, plusieurs systèmes de nomenclature ont été élaborés par des normes et des registres nationaux et internationaux.

En 1993, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a publié un nouveau système international de codage des lampes (ILCOS) destiné à remplacer les systèmes de codage nationaux et régionaux existants. Une liste de certains codes abrégés ILCOS pour diverses lampes est donnée dans le tableau 3.

Tableau 3. Système de codage abrégé du système international de codage des lampes (ILCOS) pour certains types de lampes

Lampes incandescentes

Ces lampes utilisent un filament de tungstène dans un gaz inerte ou sous vide avec une enveloppe en verre. Le gaz inerte supprime l'évaporation du tungstène et diminue le noircissement de l'enveloppe. Il existe une grande variété de formes de lampes, qui sont en grande partie décoratives. La construction d'une lampe typique du service d'éclairage général (GLS) est donnée à la figure 1.

Figure 1. Construction d'une lampe GLS

Les lampes à incandescence sont également disponibles dans une large gamme de couleurs et de finitions. Les codes ILCOS et certaines formes typiques incluent ceux indiqués dans le tableau 4.

Tableau 4. Couleurs et formes courantes des lampes à incandescence, avec leurs codes ILCOS

Les lampes à incandescence sont toujours populaires pour l'éclairage domestique en raison de leur faible coût et de leur taille compacte. Cependant, pour l'éclairage commercial et industriel, la faible efficacité génère des coûts d'exploitation très élevés, de sorte que les lampes à décharge sont le choix normal. Une lampe de 100 W a une efficacité typique de 14 lumens/watt contre 96 lumens/watt pour une lampe fluorescente de 36 W.

Les lampes à incandescence sont simples à atténuer en réduisant la tension d'alimentation et sont toujours utilisées lorsque la gradation est une fonction de contrôle souhaitée.

Le filament de tungstène est une source lumineuse compacte, facilement focalisée par des réflecteurs ou des lentilles. Les lampes à incandescence sont utiles pour l'éclairage des écrans lorsqu'un contrôle directionnel est nécessaire.

Lampes halogènes au tungstène

Celles-ci sont similaires aux lampes à incandescence et produisent de la lumière de la même manière à partir d'un filament de tungstène. Cependant, l'ampoule contient un gaz halogène (brome ou iode) qui est actif dans le contrôle de l'évaporation du tungstène. Voir figure 2.

Figure 2. Le cycle halogène

Le principe fondamental du cycle halogène est une température minimale de la paroi de l'ampoule de 250 °C pour garantir que l'halogénure de tungstène reste à l'état gazeux et ne se condense pas sur la paroi de l'ampoule. Cette température signifie des ampoules en quartz à la place du verre. Avec le quartz, il est possible de réduire la taille de l'ampoule.

La plupart des lampes halogènes au tungstène ont une durée de vie améliorée par rapport aux équivalents incandescents et le filament est à une température plus élevée, créant plus de lumière et une couleur plus blanche.

Les lampes halogènes au tungstène sont devenues populaires là où la petite taille et les hautes performances sont la principale exigence. Des exemples typiques sont l'éclairage de scène, y compris le cinéma et la télévision, où le contrôle directionnel et la gradation sont des exigences courantes.

Lampes halogènes au tungstène basse tension

Ceux-ci ont été initialement conçus pour les projecteurs de diapositives et de films. À 12 V, le filament pour la même puissance que 230 V devient plus petit et plus épais. Cela peut être focalisé plus efficacement, et la plus grande masse de filament permet une température de fonctionnement plus élevée, augmentant le rendement lumineux. Le filament épais est plus robuste. Ces avantages ont été réalisés comme étant utiles pour le marché de l'affichage commercial, et même s'il est nécessaire d'avoir un transformateur abaisseur, ces lampes dominent maintenant l'éclairage des vitrines. Voir figure 3.

Figure 3. Lampe à réflecteur dichroïque basse tension

Bien que les utilisateurs de projecteurs de film veuillent autant de lumière que possible, trop de chaleur endommage le support transparent. Un type spécial de réflecteur a été développé, qui reflète uniquement le rayonnement visible, permettant au rayonnement infrarouge (chaleur) de passer à travers l'arrière de la lampe. Cette fonctionnalité fait désormais partie de nombreuses lampes à réflecteur basse tension pour l'éclairage des écrans ainsi que des équipements de projection.

Sensibilité à la tension: Toutes les lampes à incandescence sont sensibles aux variations de tension, et le rendement lumineux et la durée de vie sont affectés. La démarche « d'harmonisation » de la tension d'alimentation en 230 V dans toute l'Europe passe par l'élargissement des tolérances auxquelles les autorités productrices peuvent opérer. Le mouvement est vers ± 10%, ce qui correspond à une plage de tension de 207 à 253 V. Les lampes halogènes à incandescence et au tungstène ne peuvent pas fonctionner raisonnablement sur cette plage, il sera donc nécessaire de faire correspondre la tension d'alimentation réelle aux valeurs nominales de la lampe. Voir figure 4.

Figure 4. Lampes à incandescence GLS et tension d'alimentation

Les lampes à décharge seront également affectées par cette large variation de tension, de sorte que la spécification correcte du ballast devient importante.

Lampes fluorescentes tubulaires

Ce sont des lampes au mercure à basse pression et sont disponibles en versions « cathode chaude » et « cathode froide ». Le premier est le tube fluorescent classique pour les bureaux et les usines ; « cathode chaude » concerne l'amorçage de la lampe en préchauffant les électrodes pour créer une ionisation suffisante du gaz et de la vapeur de mercure pour établir la décharge.

Les lampes à cathode froide sont principalement utilisées pour la signalisation et la publicité. Voir figure 5.

Figure 5. Principe de la lampe fluorescente

Les lampes fluorescentes nécessitent un appareillage de commande externe pour démarrer et contrôler le courant de la lampe. En plus de la faible quantité de vapeur de mercure, il existe un gaz d'amorçage (argon ou krypton).

La basse pression de mercure génère une décharge de lumière bleu pâle. La majeure partie du rayonnement se situe dans la région UV à 254 nm, une fréquence de rayonnement caractéristique du mercure. À l'intérieur de la paroi du tube se trouve un mince revêtement de phosphore, qui absorbe les UV et rayonne l'énergie sous forme de lumière visible. La qualité de la couleur de la lumière est déterminée par le revêtement de phosphore. Une gamme de luminophores est disponible avec une apparence de couleur et un rendu des couleurs variables.

Au cours des années 1950, les luminophores disponibles offraient le choix d'une efficacité raisonnable (60 lumens/watt) avec une lumière déficiente en rouges et bleus, ou un rendu des couleurs amélioré à partir de luminophores "de luxe" d'efficacité inférieure (40 lumens/watt).

Dans les années 1970, de nouveaux luminophores à bande étroite avaient été développés. Celles-ci rayonnaient séparément de la lumière rouge, bleue et verte mais, combinées, produisaient de la lumière blanche. L'ajustement des proportions a donné une gamme d'apparences de couleurs différentes, toutes avec un excellent rendu des couleurs similaire. Ces tri-phosphores sont plus efficaces que les types précédents et représentent la meilleure solution d'éclairage économique, même si les lampes sont plus chères. L'efficacité améliorée réduit les coûts d'exploitation et d'installation.

Le principe tri-phosphore a été étendu aux lampes multi-phosphores lorsqu'un rendu critique des couleurs est nécessaire, comme pour les galeries d'art et la correspondance des couleurs industrielle.

Les luminophores modernes à bande étroite sont plus durables, ont un meilleur maintien du flux lumineux et augmentent la durée de vie de la lampe.

Lampes fluocompactes

Le tube fluorescent n'est pas un remplacement pratique de la lampe à incandescence en raison de sa forme linéaire. De petits tubes à alésage étroit peuvent être configurés à peu près de la même taille que la lampe à incandescence, mais cela impose une charge électrique beaucoup plus élevée sur le matériau luminophore. L'utilisation de tri-phosphores est essentielle pour obtenir une durée de vie acceptable de la lampe. Voir figure 6.

Figure 6. Fluocompacte à quatre pattes

Toutes les lampes fluorescentes compactes utilisent des tri-phosphores, donc, lorsqu'elles sont utilisées avec des lampes fluorescentes linéaires, ces dernières doivent également être tri-phosphores pour assurer la cohérence des couleurs.

Certaines lampes compactes incluent le dispositif de commande de fonctionnement pour former des dispositifs de rattrapage pour lampes à incandescence. La gamme s'élargit et permet une mise à niveau facile des installations existantes vers un éclairage plus économe en énergie. Ces unités intégrales ne conviennent pas à la gradation là où cela faisait partie des commandes d'origine.

Ballast électronique haute fréquence: Si la fréquence normale d'alimentation de 50 ou 60 Hz est augmentée à 30 kHz, on obtient un gain de 10 % sur l'efficacité des tubes fluorescents. Les circuits électroniques peuvent faire fonctionner des lampes individuelles à de telles fréquences. Le circuit électronique est conçu pour fournir le même rendement lumineux qu'un appareillage bobiné, à partir d'une puissance de lampe réduite. Cela offre une compatibilité du flux lumineux avec l'avantage qu'une charge réduite de la lampe augmentera considérablement la durée de vie de la lampe. Les ballasts électroniques sont capables de fonctionner sur une plage de tensions d'alimentation.

Il n'y a pas de norme commune pour les ballasts électroniques et les performances des lampes peuvent différer des informations publiées par les fabricants de lampes.

L'utilisation d'équipements électroniques à haute fréquence supprime le problème normal de scintillement, auquel certains occupants peuvent être sensibles.

Lampes à induction

Des lampes utilisant le principe de l'induction sont apparues récemment sur le marché. Ce sont des lampes au mercure à basse pression avec un revêtement tri-phosphore et, en tant que producteurs de lumière, elles sont similaires aux lampes fluorescentes. L'énergie est transférée à la lampe par rayonnement à haute fréquence, à environ 2.5 MHz à partir d'une antenne positionnée au centre de la lampe. Il n'y a pas de connexion physique entre l'ampoule de la lampe et la bobine. Sans électrodes ou autres connexions filaires, la construction de l'enceinte de décharge est plus simple et plus durable. La durée de vie de la lampe est principalement déterminée par la fiabilité des composants électroniques et le maintien du flux lumineux du revêtement de phosphore.

Lampes au mercure à haute pression

Les décharges à haute pression sont plus compactes et ont des charges électriques plus élevées ; par conséquent, ils nécessitent des tubes à arc en quartz pour résister à la pression et à la température. Le tube à arc est contenu dans une enveloppe extérieure en verre avec une atmosphère d'azote ou d'argon-azote pour réduire l'oxydation et la formation d'arcs. L'ampoule filtre efficacement le rayonnement UV du tube à arc. Voir figure 7.

Figure 7. Construction de la lampe au mercure

A haute pression, la décharge de mercure est principalement un rayonnement bleu et vert. Pour améliorer la couleur, un revêtement de phosphore de l'ampoule extérieure ajoute de la lumière rouge. Il existe des versions de luxe avec une teneur en rouge accrue, qui donnent un rendement lumineux plus élevé et un meilleur rendu des couleurs.

Toutes les lampes à décharge à haute pression mettent du temps à atteindre leur pleine puissance. La décharge initiale se fait via le remplissage de gaz conducteur et le métal s'évapore à mesure que la température de la lampe augmente.

À la pression stable, la lampe ne redémarrera pas immédiatement sans équipement de commande spécial. Il y a un délai pendant lequel la lampe refroidit suffisamment et la pression diminue, de sorte que la tension d'alimentation normale ou le circuit d'allumage est suffisant pour rétablir l'arc.

Les lampes à décharge ont une caractéristique de résistance négative, et donc le dispositif de commande externe est nécessaire pour contrôler le courant. Il y a des pertes dues à ces composants d'appareillage de commande, l'utilisateur doit donc tenir compte des watts totaux lors de l'examen des coûts d'exploitation et de l'installation électrique. Il existe une exception pour les lampes à mercure à haute pression, et un type contient un filament de tungstène qui agit à la fois comme dispositif de limitation de courant et ajoute des couleurs chaudes à la décharge bleu/vert. Cela permet le remplacement direct des lampes à incandescence.

Bien que les lampes au mercure aient une longue durée de vie d'environ 20,000 55 heures, le rendement lumineux tombera à environ XNUMX % du rendement initial à la fin de cette période, et par conséquent la durée de vie économique peut être plus courte.

Lampes aux halogénures métalliques

La couleur et le rendement lumineux des lampes à décharge au mercure peuvent être améliorés en ajoutant différents métaux à l'arc au mercure. Pour chaque lampe, la dose est faible et, pour une application précise, il est plus pratique de manipuler les métaux sous forme de poudre sous forme d'halogénures. Cela se décompose lorsque la lampe se réchauffe et libère le métal.

Une lampe aux halogénures métalliques peut utiliser un certain nombre de métaux différents, chacun dégageant une couleur caractéristique spécifique. Ceux-ci inclus:

• dysprosium—large bleu-vert
• indium - bleu étroit
• lithium—rouge étroit
• scandium—large bleu-vert
• sodium—jaune étroit
• thallium—vert étroit
• étain - large rouge orangé

Il n'y a pas de mélange standard de métaux, de sorte que les lampes aux halogénures métalliques de différents fabricants peuvent ne pas être compatibles en termes d'apparence ou de performances de fonctionnement. Pour les lampes avec les puissances nominales inférieures, de 35 à 150 W, il existe une compatibilité physique et électrique plus étroite avec une norme commune.

Les lampes aux halogénures métalliques nécessitent un appareillage de commande, mais le manque de compatibilité signifie qu'il est nécessaire d'adapter chaque combinaison de lampe et d'appareillage pour garantir des conditions de démarrage et de fonctionnement correctes.

Lampes au sodium basse pression

Le tube à arc est de taille similaire au tube fluorescent mais est fait de verre spécial avec un revêtement intérieur résistant au sodium. Le tube à arc est formé en forme de « U » étroit et est contenu dans une enveloppe extérieure sous vide pour assurer la stabilité thermique. Lors du démarrage, les lampes ont une forte lueur rouge provenant du remplissage de gaz néon.

Le rayonnement caractéristique de la vapeur de sodium à basse pression est un jaune monochromatique. C'est proche de la sensibilité maximale de l'œil humain, et les lampes au sodium à basse pression sont les lampes les plus efficaces disponibles à près de 200 lumens/watt. Cependant, les applications sont limitées aux endroits où la discrimination des couleurs n'a pas d'importance visuelle, comme les routes principales et les passages souterrains, et les rues résidentielles.

Dans de nombreuses situations, ces lampes sont remplacées par des lampes au sodium à haute pression. Leur petite taille offre un meilleur contrôle optique, en particulier pour l'éclairage des chaussées où l'on s'inquiète de plus en plus de la lueur excessive du ciel.

Lampes au sodium haute pression

Ces lampes sont similaires aux lampes au mercure à haute pression mais offrent une meilleure efficacité (plus de 100 lumens/watt) et un excellent maintien du flux lumineux. Le caractère réactif du sodium impose de fabriquer le tube à arc en alumine polycristalline translucide, le verre ou le quartz ne convenant pas. L'ampoule extérieure en verre contient un vide pour éviter la formation d'arc et l'oxydation. Il n'y a pas de rayonnement UV provenant de la décharge de sodium, de sorte que les revêtements de phosphore n'ont aucune valeur. Certaines ampoules sont dépolies ou enrobées pour diffuser la source lumineuse. Voir figure 8.

Figure 8. Construction de la lampe au sodium haute pression

Au fur et à mesure que la pression de sodium augmente, le rayonnement devient une large bande autour du pic jaune et l'apparence est d'un blanc doré. Cependant, à mesure que la pression augmente, l'efficacité diminue. Il existe actuellement trois types distincts de lampes au sodium à haute pression disponibles, comme indiqué dans le tableau 5.

Tableau 5. Types de lampes au sodium haute pression

Généralement, les lampes standard sont utilisées pour l'éclairage extérieur, les lampes de luxe pour les intérieurs industriels et les White SON pour les applications commerciales/d'affichage.

Gradation des lampes à décharge

Les lampes à haute pression ne peuvent pas être atténuées de manière satisfaisante, car la modification de la puissance de la lampe modifie la pression et donc les caractéristiques fondamentales de la lampe.

Les lampes fluorescentes peuvent être atténuées à l'aide d'alimentations haute fréquence générées généralement dans le dispositif de commande électronique. L'aspect de la couleur reste très constant. De plus, le rendement lumineux est approximativement proportionnel à la puissance de la lampe, avec une économie d'énergie électrique conséquente lorsque le rendement lumineux est réduit. En intégrant la sortie de lumière de la lampe avec le niveau dominant de lumière naturelle du jour, un niveau d'éclairement presque constant peut être fourni dans un intérieur.

Retour

L'être humain possède une extraordinaire capacité d'adaptation à son environnement et à son environnement immédiat. De tous les types d'énergie que les humains peuvent utiliser, la lumière est la plus importante. La lumière est un élément clé de notre capacité à voir, et il est nécessaire d'apprécier la forme, la couleur et la perspective des objets qui nous entourent dans notre vie quotidienne. La plupart des informations que nous obtenons par nos sens nous les obtenons par la vue, soit près de 80 %. Très souvent, et parce que nous sommes tellement habitués à l'avoir à disposition, nous le tenons pour acquis. Nous ne devons cependant pas oublier que des aspects du bien-être humain, comme notre état d'esprit ou notre niveau de fatigue, sont affectés par l'illumination et la couleur des choses qui nous entourent. Du point de vue de la sécurité au travail, la capacité visuelle et le confort visuel sont extrêmement importants. En effet, de nombreux accidents sont dus, entre autres, à des défauts d'éclairage ou à des erreurs commises par le travailleur parce qu'il a du mal à identifier les objets ou les risques associés aux machines, aux moyens de transport, aux contenants dangereux, etc.

Les troubles visuels associés à des déficiences du système d'éclairage sont fréquents sur le lieu de travail. En raison de la capacité de la vue à s'adapter à des situations d'éclairage déficient, ces aspects ne sont parfois pas pris aussi au sérieux qu'ils devraient l'être.

La conception correcte d'un système d'éclairage doit offrir les conditions optimales pour le confort visuel. Pour atteindre cet objectif, une première ligne de collaboration entre les architectes, les éclairagistes et les responsables de l'hygiène sur le chantier devrait être établie. Cette collaboration doit précéder le début du projet, afin d'éviter des erreurs qui seraient difficiles à corriger une fois le projet terminé. Parmi les aspects les plus importants à garder à l'esprit figurent le type de lampe qui sera utilisé et le système d'éclairage qui sera installé, la répartition de la luminance, les efficacités d'éclairage et la composition spectrale de la lumière.

Le fait que la lumière et la couleur affectent la productivité et le bien-être psycho-physiologique du travailleur doit inciter les éclairagistes, physiologistes et ergonomes à prendre des initiatives pour étudier et déterminer les conditions de lumière et de couleur les plus favorables à chaque poste de travail. La combinaison de l'éclairement, le contraste des luminances, la couleur de la lumière, la reproduction de la couleur ou la sélection des couleurs sont les éléments qui déterminent le climat de couleur et le confort visuel.

Facteurs qui déterminent le confort visuel

Les conditions préalables qu'un système d'éclairage doit remplir pour fournir les conditions nécessaires au confort visuel sont les suivantes :

• éclairage uniforme
• luminosité optimale
• pas d'éblouissement
• conditions de contraste adéquates
• couleurs correctes
• absence d'effet stroboscopique ou lumière intermittente.

Il est important de considérer la lumière au travail non seulement par des critères quantitatifs, mais aussi par des critères qualitatifs. La première étape consiste à étudier le poste de travail, la précision requise des tâches effectuées, la quantité de travail, la mobilité du travailleur, etc. La lumière doit comprendre à la fois des composantes de rayonnement diffus et de rayonnement direct. Le résultat de la combinaison produira des ombres plus ou moins intenses qui permettront au travailleur de percevoir la forme et la position des objets au poste de travail. Les reflets gênants, qui rendent plus difficile la perception des détails, doivent être éliminés, ainsi que les reflets excessifs ou les ombres profondes.

L'entretien périodique de l'installation d'éclairage est très important. Le but est d'éviter le vieillissement des lampes et l'accumulation de poussière sur les luminaires qui se traduira par une perte constante de lumière. Pour cette raison, il est important de sélectionner des lampes et des systèmes faciles à entretenir. Une ampoule à incandescence conserve son efficacité jusqu'aux instants précédant la panne, mais ce n'est pas le cas des tubes fluorescents, qui peuvent baisser leur rendement jusqu'à 75 % après mille heures d'utilisation.

Niveaux d'éclairage

Chaque activité nécessite un niveau d'éclairage spécifique dans la zone où l'activité se déroule. En général, plus la difficulté de perception visuelle est élevée, plus le niveau d'éclairement moyen doit également être élevé. Des directives pour les niveaux minimaux d'éclairage associés à différentes tâches existent dans diverses publications. Concrètement, celles listées dans la figure 1 sont issues des normes européennes CENTC 169, et reposent davantage sur l'expérience que sur les connaissances scientifiques.

Figure 1. Niveaux d'éclairement en fonction des tâches effectuées

Le niveau d'éclairement est mesuré avec un luxomètre qui convertit l'énergie lumineuse en un signal électrique, qui est ensuite amplifié et offre une lecture facile sur une échelle calibrée de lux. Lors de la sélection d'un certain niveau d'éclairage pour un poste de travail particulier, les points suivants doivent être étudiés :

• la nature du travail
• réflexion de l'objet et de l'environnement immédiat
• les différences avec la lumière naturelle et le besoin d'éclairage diurne
• l'âge du travailleur.

Unités et grandeurs d'éclairement

Plusieurs grandeurs sont couramment utilisées dans le domaine de l'éclairage. Les basiques sont :

Flux lumineux: Énergie lumineuse émise par unité de temps par une source lumineuse. Unité : lumen (lm).

Intensité lumineuse: Flux lumineux émis dans une direction donnée par une lumière inégalement répartie. Unité : candela (cd).

Niveau d'éclairage: Niveau d'éclairement d'une surface d'un mètre carré lorsqu'elle reçoit un flux lumineux d'un lumen. Unité : lux = lm/m².

Luminance ou brillance photométrique: Se définit pour une surface dans une direction particulière, et est le rapport entre l'intensité lumineuse et la surface vue par un observateur situé dans la même direction (surface apparente). Unité : cd/m².

Contraste: Différence de luminance entre un objet et son environnement ou entre différentes parties d'un objet.

réflectance: Proportion de lumière réfléchie par une surface. C'est une grandeur sans dimension. Sa valeur est comprise entre 0 et 1.

Facteurs affectant la visibilité des objets

Le degré de sécurité avec lequel une tâche est exécutée dépend, en grande partie, de la qualité de l'éclairage et des capacités visuelles. La visibilité d'un objet peut être modifiée de plusieurs façons. L'un des plus importants est le contraste des luminances dues aux facteurs de réflexion, aux ombres, ou aux couleurs de l'objet lui-même, et aux facteurs de réflexion de la couleur. Ce que l'œil perçoit réellement, ce sont les différences de luminance entre un objet et son environnement, ou entre différentes parties d'un même objet. Le tableau 1 répertorie les contrastes entre les couleurs par ordre décroissant.

La luminance d'un objet, de son environnement et de la zone de travail influence la facilité avec laquelle un objet est vu. Il est donc d'une importance capitale que la zone où la tâche visuelle est effectuée, et ses environs, soient soigneusement analysés.

Tableau 1. Contrastes de couleurs

La taille de l'objet à observer, qui peut être adéquate ou non selon la distance et l'angle de vision de l'observateur, est un autre facteur. Ces deux derniers facteurs déterminent l'agencement du poste de travail, en classant différentes zones selon leur aisance de vision. Nous pouvons établir cinq zones dans la zone de travail (voir figure 2).

Figure 2. Répartition des zones visuelles au poste de travail

Un autre facteur est le laps de temps pendant lequel la vision se produit. Le temps d'exposition sera plus ou moins long selon que l'objet et l'observateur sont statiques, ou que l'un ou les deux sont en mouvement. La capacité d'adaptation de l'œil à s'adapter automatiquement aux différents éclairements des objets peut également avoir une influence considérable sur la visibilité.

Répartition lumineuse ; éblouissement

Les facteurs clés des conditions qui affectent la vision sont la distribution de la lumière et le contraste des luminances. En ce qui concerne la répartition de la lumière, il est préférable d'avoir un bon éclairage général plutôt qu'un éclairage localisé pour éviter l'éblouissement. Pour cette raison, les accessoires électriques doivent être répartis le plus uniformément possible afin d'éviter les différences d'intensité lumineuse. Le passage constant dans des zones qui ne sont pas uniformément éclairées provoque une fatigue oculaire et, avec le temps, cela peut entraîner une réduction du rendement visuel.

L'éblouissement est produit lorsqu'une source brillante de lumière est présente dans le champ visuel; le résultat est une diminution de la capacité de distinguer les objets. Les travailleurs qui subissent constamment et successivement les effets de l'éblouissement peuvent souffrir de fatigue oculaire ainsi que de troubles fonctionnels, même s'ils n'en sont souvent pas conscients.

L'éblouissement peut être direct lorsqu'il provient de sources lumineuses vives directement dans la ligne de vision, ou par réflexion lorsque la lumière est réfléchie sur des surfaces à forte réflectance. Les facteurs impliqués dans l'éblouissement sont :

1. Luminance de la source lumineuse: La luminance maximale tolérable par observation directe est de 7,500 XNUMX cd/m². La figure 3 montre certaines des valeurs approximatives de luminance pour plusieurs sources de lumière.
2. Emplacement de la source de lumière: Ce type d'éblouissement se produit lorsque la source de lumière se trouve dans un angle de 45 degrés par rapport à la ligne de visée de l'observateur et sera minimisé dans la mesure où la source de lumière est placée au-delà de cet angle. Les manières et les méthodes d'éviter l'éblouissement direct et réfléchi peuvent être vues dans les figures suivantes (voir figure 4).

Figure 3. Valeurs approximatives de luminance

Figure 4. Facteurs affectant l'éblouissement

En général, il y a plus d'éblouissement lorsque les sources de lumière sont montées à des altitudes inférieures ou lorsqu'elles sont installées dans de grandes pièces, car les sources de lumière dans les grandes pièces ou les sources de lumière trop basses peuvent facilement tomber dans l'angle de vision qui produit l'éblouissement.

3. Répartition de la luminance entre différents objets et surfaces : plus les différences de luminance sont importantes entre les objets dans le champ de vision, plus l'éblouissement créé sera important et plus la capacité de voir se détériorera en raison des effets. sur les processus adaptatifs de la vue. Les écarts de luminance maximum recommandés sont :

• tâche visuelle—surface de travail : 3:1
• tâche visuelle—environnement : 10:1

4. Période d'exposition: Même les sources lumineuses à faible luminance peuvent provoquer un éblouissement si la durée d'exposition est trop prolongée.

Éviter l'éblouissement est une proposition relativement simple et peut être réalisé de différentes manières. Une façon, par exemple, consiste à placer des grilles sous les sources d'éclairage, ou en utilisant des diffuseurs enveloppants ou des réflecteurs paraboliques qui peuvent diriger correctement la lumière, ou en installant les sources de lumière de manière à ce qu'elles n'interfèrent pas avec l'angle de la vision. Lors de la conception du chantier, la bonne répartition de la luminance est aussi importante que l'éclairement lui-même, mais il est également important de considérer qu'une répartition de la luminance trop uniforme rend plus difficile la perception tridimensionnelle et spatiale des objets.

d'éoliennes

L'intérêt pour l'éclairage naturel a augmenté récemment. Cela tient moins à la qualité d'éclairage qu'il procure qu'au bien-être qu'il procure. Mais comme le niveau d'éclairage des sources naturelles n'est pas uniforme, un système d'éclairage artificiel est nécessaire.

Les systèmes d'éclairage les plus couramment utilisés sont les suivants :

Éclairage uniforme général

Dans ce système, les sources lumineuses sont réparties uniformément sans tenir compte de l'emplacement des postes de travail. Le niveau d'éclairement moyen doit être égal au niveau d'éclairement requis pour la tâche qui sera effectuée. Ces systèmes sont principalement utilisés dans les lieux de travail où les postes de travail ne sont pas fixes.

Il doit répondre à trois caractéristiques fondamentales : La première est d'être équipé de dispositifs anti-éblouissants (grilles, diffuseurs, réflecteurs, etc.). La seconde est qu'elle doit diffuser une fraction de la lumière vers le plafond et la partie supérieure des murs. Et le troisième est que les sources lumineuses doivent être installées aussi haut que possible, pour minimiser l'éblouissement et obtenir un éclairage aussi homogène que possible. (Voir figure 5)

Figure 5. Systèmes d'éclairage

Ce système tente de renforcer le schéma d'éclairage général en plaçant des lampes à proximité des surfaces de travail. Ces types de lampes produisent souvent de l'éblouissement, et les réflecteurs doivent être placés de manière à bloquer la source de lumière de la vue directe du travailleur. L'utilisation d'un éclairage localisé est recommandée pour les applications où les exigences visuelles sont très critiques, telles que des niveaux d'éclairage de 1,000 6 lux ou plus. Généralement, la capacité visuelle se détériore avec l'âge du travailleur, ce qui oblige à augmenter le niveau d'éclairement général ou à le seconder par un éclairement localisé. Ce phénomène peut être clairement apprécié sur la figure XNUMX.

Figure 6. Perte d'acuité visuelle avec l'âge

Eclairage général localisé

Ce type d'éclairage consiste en des sources plafonnières réparties en tenant compte de deux éléments : les caractéristiques d'éclairage de l'équipement et les besoins d'éclairage de chaque poste de travail. Ce type d'éclairage est indiqué pour les espaces ou les zones de travail qui nécessiteront un niveau d'éclairage élevé, et il nécessite de connaître l'emplacement futur de chaque poste de travail avant la phase de conception.

Couleur : Concepts de base

Choisir une couleur adéquate pour un chantier contribue grandement à l'efficacité, à la sécurité et au bien-être général des employés. De la même manière, la finition des surfaces et des équipements se trouvant dans l'environnement de travail contribue à créer des conditions visuelles agréables et un environnement de travail agréable.

La lumière ordinaire est constituée de rayonnements électromagnétiques de différentes longueurs d'onde qui correspondent à chacune des bandes du spectre visible. En mélangeant la lumière rouge, jaune et bleue, nous pouvons obtenir la plupart des couleurs visibles, y compris le blanc. Notre perception de la couleur d'un objet dépend de la couleur de la lumière avec laquelle il est éclairé et de la façon dont l'objet lui-même réfléchit la lumière.

Les lampes peuvent être classées en trois catégories selon l'aspect de la lumière qu'elles émettent :

• couleur d'aspect chaud : une lumière blanche et rougeâtre recommandée pour un usage résidentiel
• couleur d'aspect intermédiaire : une lumière blanche recommandée pour les chantiers
• couleur d'aspect froid : une lumière blanche et bleutée recommandée pour les tâches nécessitant un haut niveau d'éclairement ou pour les climats chauds.

Les couleurs peuvent également être classées comme chaudes ou froides selon leur tonalité (voir figure 7).

Figure 7. Tonalité des couleurs "chaudes" et "froides"

Contraste et température des différentes couleurs

Les contrastes de couleurs sont influencés par la couleur de la lumière sélectionnée, et pour cette raison la qualité de l'éclairage dépendra de la couleur de la lumière choisie pour une application. La sélection de la couleur de la lumière à utiliser doit être faite en fonction de la tâche qui sera effectuée sous celle-ci. Si la couleur est proche du blanc, le rendu des couleurs et la diffusion de la lumière seront meilleurs. Plus la lumière se rapproche de l'extrémité rouge du spectre, plus la reproduction de la couleur sera mauvaise, mais l'environnement sera plus chaud et plus invitant.

L'aspect coloré de l'éclairage dépend non seulement de la couleur de la lumière, mais également du niveau d'intensité lumineuse. Une température de couleur est associée aux différentes formes d'éclairage. La sensation de satisfaction de l'éclairement d'un environnement donné dépend de cette température de couleur. Ainsi, par exemple, une ampoule à filament incandescent de 100 W a une température de couleur de 2,800 4,000 K, un tube fluorescent a une température de couleur de 10,000 XNUMX K et un ciel couvert a une température de couleur de XNUMX XNUMX K.

Kruithof a défini, à partir d'observations empiriques, un diagramme de bien-être pour différents niveaux d'éclairement et de températures de couleur dans un environnement donné (voir figure 8). Il a ainsi démontré qu'il est possible de se sentir à l'aise dans certains environnements avec de faibles niveaux d'éclairage si la température de couleur est également faible - si le niveau d'éclairage est d'une bougie, par exemple, avec une température de couleur de 1,750 XNUMX K.

Figure 8. Diagramme de confort en fonction des températures d'éclairement et de couleur

Les couleurs des lampes électriques peuvent être subdivisées en trois groupes liés à leurs températures de couleur :

• blanc lumière du jour - environ 6,000 XNUMX K
• blanc neutre - environ 4,000 XNUMX K
• blanc chaud - environ 3,000 XNUMX K

Combinaison et sélection de couleurs

La sélection des couleurs est très pertinente lorsque nous la considérons avec les fonctions où l'identification des objets à manipuler est importante. Il est également pertinent lors de la délimitation des voies de communication et dans les tâches qui nécessitent un contraste net.

La sélection de la tonalité n'est pas une question aussi importante que la sélection des qualités réfléchissantes appropriées d'une surface. Plusieurs recommandations s'appliquent à cet aspect des surfaces de travail :

Plafonds: La surface d'un plafond doit être la plus blanche possible (avec un facteur de réflexion de 75 %), car la lumière s'y reflétera alors de manière diffuse, dissipant l'obscurité et réduisant l'éblouissement des autres surfaces. Cela se traduira également par une économie d'éclairage artificiel.

Murs et sols: Les surfaces des murs au niveau des yeux peuvent produire des reflets. Les couleurs pâles avec des facteurs de réflexion de 50 à 75 % ont tendance à être adéquates pour les murs. Alors que les peintures brillantes ont tendance à durer plus longtemps que les couleurs mates, elles sont plus réfléchissantes. Les murs doivent donc avoir une finition mate ou semi-brillante.

Les sols doivent être finis dans des couleurs légèrement plus foncées que les murs et les plafonds pour éviter les reflets. Le facteur de réflexion des sols doit être compris entre 20 et 25 %.

Matériel: Les surfaces de travail, les machines et les tables doivent avoir des facteurs de réflexion compris entre 20 et 40 %. L'équipement doit avoir une finition durable de couleur pure - marron clair ou gris - et le matériau ne doit pas être brillant.

L'utilisation appropriée des couleurs dans l'environnement de travail facilite le bien-être, augmente la productivité et peut avoir un impact positif sur la qualité. Elle peut également contribuer à une meilleure organisation et à la prévention des accidents.

Il existe une croyance généralisée selon laquelle blanchir les murs et les plafonds et fournir des niveaux d'éclairage adéquats est tout ce qui peut être fait en ce qui concerne le confort visuel des employés. Mais ces facteurs de confort peuvent être améliorés en combinant le blanc avec d'autres couleurs, évitant ainsi la fatigue et l'ennui qui caractérisent les environnements monochromes. Les couleurs ont également un effet sur le niveau de stimulation d'une personne ; les couleurs chaudes ont tendance à s'activer et à se détendre, tandis que les couleurs froides sont utilisées pour inciter l'individu à libérer ou libérer son énergie.

La couleur de la lumière, sa répartition et les couleurs utilisées dans un espace donné sont, entre autres, des facteurs clés qui influencent les sensations ressenties par une personne. Compte tenu des nombreux facteurs de couleurs et de confort qui existent, il est impossible de fixer des directives précises, d'autant plus que tous ces facteurs doivent être combinés en fonction des caractéristiques et des exigences d'un poste de travail particulier. Un certain nombre de règles pratiques de base et générales peuvent cependant être énumérées, qui peuvent aider à créer un environnement vivable :

• Les couleurs vives produisent des sensations confortables, stimulantes et sereines, tandis que les couleurs sombres ont tendance à avoir un effet déprimant.
• Les sources de lumière aux couleurs chaudes aident à bien reproduire les couleurs chaudes. Les objets aux couleurs chaudes sont plus agréables à l'œil sous une lumière chaude que sous une lumière froide.
• Les couleurs claires et ternes (comme les pastels) sont très appropriées comme couleurs de fond, tandis que les objets doivent avoir des couleurs riches et saturées.
• Les couleurs chaudes excitent le système nerveux et donnent la sensation que la température monte.
• Les couleurs froides sont préférables pour les objets. Ils ont un effet calmant et peuvent être utilisés pour produire l'effet de courbure. Les couleurs froides aident à créer la sensation que la température baisse.
• La sensation de couleur d'un objet dépend de la couleur de fond et de l'effet de la source lumineuse sur sa surface.
• Les environnements qui sont physiquement froids ou chauds peuvent être tempérés en utilisant respectivement un éclairage chaud ou froid.
• L'intensité d'une couleur sera inversement proportionnelle à la partie du champ visuel normal qu'elle occupe.
• L'aspect spatial d'une pièce peut être influencé par la couleur. Une pièce semblera avoir un plafond plus bas si ses murs sont peints d'une couleur vive et que le sol et le plafond sont plus sombres, et elle semblera avoir un plafond plus haut si les murs sont plus sombres et le plafond est clair.

Identifier les objets par la couleur

Le choix des couleurs peut influencer l'efficacité des systèmes d'éclairage en influençant la fraction de lumière qui est réfléchie. Mais la couleur joue également un rôle clé lorsqu'il s'agit d'identifier des objets. Nous pouvons utiliser des couleurs brillantes et accrocheuses ou des contrastes de couleurs pour mettre en évidence des situations ou des objets qui nécessitent une attention particulière. Le tableau 2 énumère certains des facteurs de réflexion pour différentes couleurs et matériaux.

Tableau 2. Facteurs de réflexion de différentes couleurs et matériaux éclairés à la lumière blanche

Dans tous les cas, l'identification par couleur ne doit être utilisée que lorsqu'elle est vraiment nécessaire, car l'identification par couleur ne fonctionnera correctement que s'il n'y a pas trop d'objets mis en évidence par la couleur. Voici quelques recommandations pour identifier les différents éléments par couleur :

• Matériel d'incendie et de sécurité: Il est conseillé d'identifier cet équipement en apposant un visuel reconnaissable sur le mur le plus proche afin de le retrouver rapidement.
• Machinerie: La coloration des dispositifs d'arrêt ou d'urgence avec des couleurs vives sur toutes les machines est critique. Il est également conseillé de marquer en couleur les zones nécessitant une lubrification ou un entretien périodique, ce qui peut ajouter de la facilité et de la fonctionnalité à ces procédures.
• Tubes et tuyaux: S'ils sont importants ou transportent des substances dangereuses, le meilleur conseil est de les colorer complètement. Dans certains cas, il peut suffire de ne colorer qu'une ligne sur leur longueur.
• Escaliers: Afin de faciliter la descente, une bande pour chaque pas est préférable à plusieurs.
• Risques: La couleur doit être utilisée pour identifier un risque uniquement lorsque le risque ne peut pas être éliminé. L'identification sera beaucoup plus efficace si elle est réalisée selon un code couleur prédéterminé.

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