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Les lampes, du Code européen au xénon

Publié le 20 novembre 2014
Par Jean-Marc Felten
6 min de lecture
Si les LED prennent une place croissante, les lampes traditionnelles comme l’ampoule “xénon” occupent encore une place majeure sur le marché. Leur technique évolue encore et conduit à des particularités pas si évidentes à comprendre.
Les lampes à bulbe sont encore majoritaires sur le marché et le seront pour un bon moment encore, profitant de progrès importants.
Les lampes à bulbe sont encore majoritaires sur le marché et le seront pour un bon moment encore, profitant de progrès importants.

A l’exception des LED, les lampes d’éclairage automobile sont de trois types, à incandescence classique, halogène et à décharge, sous atmosphère de xénon. Si la première devient rare, la dernière est encore peu répandue car elle exige une électronique coûteuse.

La lampe est un objet de précision. La lumière émise est redirigée à l’avant du véhicule par un dispositif optique qui concentre l’ensemble du faisceau. La géométrie étant parfaitement définie, le point émetteur de lumière, le filament de la lampe, doit être bien positionné dans la lampe, et celle-ci dans le phare. Dans une lampe classique ou halogène, le filament qui est porté à incandescence doit être très résistant. C’est la propriété principale de la lampe halogène. Quant à la lampe à décharge, elle est plus fiable, avec une durée de vie qui approche celle du véhicule, et elle peut procurer un éclairage beaucoup plus puissant grâce à un rendement très important.

Les défis de la puissance et de la longévité

Les ampoules traditionnelles utilisent l’élévation de température d’un filament en incandescence (en limite de combustion) pour fournir une émission de “photons” lumineux. On sait, depuis le développement des diodes électroluminescentes, que la température n’est pas le seul moyen d’émettre de la lumière. On peut également l’obtenir par une réaction physique de matériaux. Les LED émettent de la lumière quand un courant traverse un cristal. Une troisième technique existe, qui utilise les propriétés des gaz traversés par un important courant qui crée un arc électrique, une décharge, qui émet une lumière très vive.

Dans une lampe à filament, l’énergie fournie est convertie en chaleur et en lumière. La chaleur est une perte, que les autres modes d’éclairage limitent, permettant un meilleur rendement. Dans la lampe à incandescence, la chaleur est indispensable pour porter le filament à la température d’émission lumineuse. Dans la lampe à décharge, l’énergie nécessaire à l’allumage de la lampe provient d’une très haute tension au démarrage de l’arc électrique, mais également ensuite pour entretenir cet arc. La température émise par une lampe à arc est moindre, mais la source est plus intense.

Un travail de précision

Pour fournir un éclairage précis, la source lumineuse doit être positionnée parfaitement dans le projecteur. C’est donc au centième de millimètre que la lampe est ajustée. La fabrication est une étape importante dans l’efficacité d’une lampe. Les techniques ont considérablement évolué et permettent de réaliser des lampes de qualités variées, principalement les lampes halogène, soit plus lumineuses, soit plus durables, tout en respectant les normes imposées. Les fabricants, pour ajuster l’efficacité, jouent sur les types et les matériaux des filaments (des alliages de tungstène), sur la pression du gaz contenu dans l’ampoule (5 à 10 bars), sur la matière de l’ampoule et sur les revêtements appliqués sur l’ampoule.

Le filament est en général constitué de tungstène. La température de fusion du tungstène est la plus élevée de tous les métaux (3 400 °C) et permet l’émission de lumière avec une détérioration lente du filament. La température du verre de l’ampoule est d’environ 300 °C à 600 °C.

Dans les lampes traditionnelles, le filament de tungstène se détériore en se vaporisant et en projetant sur le verre des particules noires qui diminuent progressivement l’efficacité d’éclairage. Pour limiter cet effet, les lampes, qui étaient initialement vides d’air, sont remplies d’un gaz inerte.

La lampe halogène

Elle utilise les propriétés des halogènes, généralement de la vapeur d’iode ou du brome. Dans une atmosphère inerte de gaz krypton, le tungstène du filament se vaporise (à 3 100 °C) et tend à se déposer sur les parois de l’ampoule. Le tungstène se combine alors avec l’iode pour donner un iodure de tungstène (WI2) qui diffuse vers le filament. Il se redécompose alors en tungstène et en iode, en reconstituant le filament. Le cycle n’est pas immuable car les dépôts de métal ne se font pas forcément là où le tungstène se vaporise. Une des faiblesses de la lampe halogène est constituée par l’ampoule en quartz. Celui-ci est très sensible à la pollution par les matières grasses. Les contraintes des graisses sur l’ampoule la cassent dès que la température de fonctionnement est atteinte. C’est la raison pour laquelle on ne touche jamais l’ampoule de la lampe halogène avec les doigts.

Contraintes de montage et de règlement

Pour reproduire les deux faisceaux lumineux des feux de croisement et des feux de route dans la même ampoule, on place deux filaments (lampes H4), l’un des deux étant partiellement masqué par un cache qui reproduit la coupure d’éclairage du Code européen. Dans les autres cas, il faut utiliser deux projecteurs différents.

La puissance des lampes est réglementée. Les lampes traditionnelles sont limitées à 45 watts pour le filament route et 40 watts pour les feux de croisement. Les lampes halogène ont une puissance maximum consommée de 60 watts (soit une consommation électrique de 5 ampères – 10 ampères pour deux –, qui n’est pas négligeable sur le réseau de bord) en feux de route et de 55 watts en croisement. Compte tenu du rendement de ces lampes, le flux lumineux des lampes halogène est au moins double de celui des lampes classiques.

Les lampes à décharge

Les lampes à décharge à gaz xénon produisent une forte lumière pour un volume utile minimal. Cette propriété s’accorde bien avec l’aérodynamique des véhicules. La lumière est générée par une décharge électrique dans un plasma gazeux à l’intérieur d’une chambre confinée.

L’arc d’une lampe de 35 W est deux fois plus intense que celui d’une lampe halogène (H1), et la température de la lumière est beaucoup plus élevée (4 200 K), presque identique à la lumière du jour. La puissance lumineuse est atteinte dès que la température de fonctionnement (900 °C) est obtenue. Le courant de mise en route peut atteindre 2,6 ampères, pour un courant de maintien de 0,4 A. La durée de vie d’une lampe à décharge est donnée pour 2 000 heures (comparé à 300 heures pour une lampe traditionnelle).

La puissance d’éclairage des lampes à décharge 35 W impose l’installation de correcteurs de niveau asservis à la suspension pour éviter l’éblouissement des autres usagers. L’arrivée d’une gamme de lampes à décharge de 25 W dispense de cette installation. Depuis 2012, de nouvelles générations de lampe à décharge (D3 et D4) sont dépourvues de métaux lourds (suppression du mercure, 1 mg dans les précédentes lampes). Les lampes D2 et D4 fonctionnent sous haute tension et présentent des revêtements anti-UV. Une gestion électronique amplifie le courant de mise en marche des lampes à décharge de 10 à 20 kV (23 kV pour la troisième génération Hella), puis stabilise à 85 V pour le maintien.

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ZOOM

La durée de vie des lampes
Une lampe classique présente une durée de vie de 200 heures environ.
Une lampe halogène peut durer de 150 à 500 heures suivant l’usage et la qualité.
Une lampe à décharge présente une durée de vie de 2 000 heures (durée estimée de l’usage de nuit d’un véhicule).
Une lampe LED n’est pas soumise à une usure en correspondance avec l’usage d’un véhicule.
Nota :
Sur une lampe à filament tungstène ou halogène, une hausse de tension d’alimentation accroît l’intensité lumineuse, mais divise la durée de vie. Par exemple, pour une surtension de 5 %, la puissance augmente de 20 % et la durée de vie décroît de 50 %.

Les caractéristiques de la lampe
Puissance (en watt) : définit la quantité d’énergie (en courant électrique) consommée par la lampe, en joule par seconde (1 W = 1 J/s). La puissance électrique n’est qu’indicative de l’énergie utilisée, non de l’énergie restituée en lumière.
La puissance d’éclairage s’exprime en lumen. Cette valeur sert à quantifier l’énergie d’éclairage produite par la lampe. C’est le flux lumineux. L’énergie lumineuse produite par le phare est donnée en lux. C’est l’énergie lumineuse émise dans le spectre visible par l’œil humain. Un lux représente un lumen par m2.

Le rapport de la puissance absorbée (W électriques) à l’énergie lumineuse émise (W lumens) donne le rendement de la lampe. Elle est donnée en lumens par watt. Pour une lampe à incandescence classique, le rapport est d’environ 10 à 18 lumens/W. Pour les lampes halogène classiques, le rapport s’établit entre 22 à 26 lumens/W. Les lampes à décharge ont un rendement beaucoup plus important. Il atteint 85 lumens/W (lampes à décharge D2S ou D2R). Les LED voient leur puissance augmenter régulièrement, située actuellement entre 50 lumens/W et 100 Lumens/W.

La température de la lumière
Suivant les rayonnements lumineux émis par les lampes, la couleur peut varier de la dominante jaune au bleu. Chaque type de lampe émet un rayonnement spécifique. Les couleurs sont classées par “température”, chaude ou froide. Le classement est spécifié en degrés Kelvin. Le spectre visible par l’œil humain s’étend à peu près de 2 500 à 5 500 K.
De 2 500 à 3 000 K, la couleur est chaude (blanc reposant, plus de jaune et de rouge). De 3 000 à 4 200 K, la lumière est blanc brillant, adaptée à la vision normale. De 4 300 à 5 500 K, lumière adaptée aux lieux de travail (blanc vif tirant sur le bleu, lumière du jour).
Une lampe classique émet dans les spectres bas, jusqu’à 2 700 K, elle émet une lumière qui tire sur le jaune. Les lampes halogène ont des températures lumineuses qui atteignent 3 200 K. Avec la lampe à décharge, la lumière atteint 4 000 K, on se rapproche de la lumière blanche du jour, mais ce sont les LED

Les lampes et les déchets
Les lampes à filaments et les lampes halogène ne contiennent pas de substances dangereuses. Elles peuvent être jetées aux ordures normales (métaux et verres spéciaux).
Les lampes xénon à décharge font parties des déchets spéciaux. Le mélange contient du gaz, avec du mercure pour les D1 et D2 (pas pour les D3 et D4 qui contiennent de l’iodure de zinc, non toxique). Le code déchet pour les lampes à décharge de première génération est 060404.
 

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