Les ballons fluorescents

Présentation

Le « Ballon Fluorescent » est une lampe à décharge recouverte par une ampoule opale de forme ovoïde. Elle émet une lumière blanche relativement vive, avec des teintes généralement violacées. Elle a été très utilisée en France pour l'éclairage public et industriel dans les années 1950 et 1960.

Historique

Les premiers ballons fluorescents sont apparus en 1950. Cette technologie combine deux techniques maîtrisées depuis le début des années 1930, celle de la décharge dans de la vapeur de mercure sous haute pression et celle de la fluorescence :

La première technique est mise en œuvre dans la « Lampe à vapeur de mercure », commercialisée depuis 1932. La décharge est produite dans un tube à quartz qui contient de la vapeur de mercure sous haute pression, recouvert par une ampoule ovoïde en verre translucide. Une grande partie du rayonnement émis par la vapeur de mercure sous haute pression se situe dans l'ultraviolet (non visible), mais celui-ci contient également une partie de lumière visible. Cependant, la lumière émise contient une majorité de bleu avec une minorité de vert, soit une lumière blanche à teint bleutés, donnant une lumière froide et blafarde.
La seconde technique est mise en œuvre dans le tube fluorescent, commercialisé depuis 1938. La décharge est cette fois produite dans de la vapeur de mercure sous basse pression. La quasi-totalité du rayonnement produit par la décharge se situe dans l'ultraviolet, mais ce rayonnement est converti en lumière visible par fluorescence, grâce à l'application de poudres fluorescentes à l'intérieur de la paroi du tube.

Après la seconde guerre mondiale, les ingénieurs de l’époque cherchent à mettre au point une lampe à vapeur de mercure (sous haute pression) de forme ovoïde, avec application d'une poudre fluorescente à l'intérieur de l'ampoule. La poudre fluorescente permettrait d'augmenter la quantité de lumière émise par conversion de la partie ultraviolette du rayonnement en lumière visible. En convertissant les rayons ultraviolets en lumière visible de couleur chaude (orange et rouge par exemple), la poudre fluorescente permettrait aussi de compenser la lumière froide émise par la vapeur de mercure pour obtenir une lumière blanche plus esthétique.

Le problème qui se pose concerne la température à l'intérieur de la lampe à vapeur de mercure sous haute pression. Celle-ci est bien plus élevée que celle dans le tube fluorescent, à l'intérieur duquel la poudre fluorescente est appliquée. C'est en 1950 que des poudres fluorescentes efficaces, qui supportent le rayonnement et la température de la lampe à vapeur de mercure sous haute pression, sont mises au point.

Utilisation contemporaine

Omniprésent dans les rues durant les années 1960 et 1970, le ballon fluorescent est aujourd'hui considéré comme une source lumineuse obsolète. D'un point de vue économique, il a vite été dépassé par la lampe à vapeur de sodium sous haute pression, apparu en 1967 (meilleur rendement lumineux). D'un point de vue esthétique, de nombreuses sources apparues à partir du début des années 1990, telles que les lampes à iodures métalliques de nouvelle génération et plus récemment les LEDs, peuvent offrir une teinte plus agréable avec un meilleur IRC (indice de rendu des couleurs). Au début des années 2000, les nouvelles installations équipées de ballons fluorescents sont devenues marginales, pour devenir quasi-inexistantes quelques années plus tard. En 2009, un décret prévoit d'interdire à la vente les ballons fluorescents dans l'Union Européenne. Celui-ci entre en application le 13 avril 2015.

Constitution

Le ballon fluorescent est constitué :

D'une enveloppe ovoïde (ampoule) en verre.
D'une poudre fluorescente, déposé sur les parois intérieures de l'ampoule.
D'un tube à décharge en quartz, situé à l'intérieur de l'ampoule.
De deux électrodes principales, respectivement placées aux extrémités du tube à décharge.
D'une électrode auxiliaire, placée à proximité de l'électrode principale côté culot.
De vapeur de mercure sous haute pression, mélangé à un gaz d'emprisonnement, à l'intérieur du tube à décharge.

Principe de fonctionnement

Le ballon fluorescent contient généralement de l’argon en tant que gaz d’emprisonnement et du mercure sous haute pression en tant que gaz de travail. Le fonctionnement du ballon fluorescent est celui d'une lampe à décharge. Comme toute lampe à décharge, un ballon fluorescent ne peut fonctionner en étant directement branché sur le secteur (230V / 50 Hz). Il doit être accompagné d'un ballast dédié. Une fois mis sous tension et en régime établi, l'émission de lumière se produit en deux temps :

Le courant électrique qui circule dans la vapeur de mercure sous haute pression, au sein du tube à décharge, provoque une décharge (le gaz neutre ne participe pas directement à l'émission de lumière). Cette décharge provoque l'émission d'un rayonnement à l'intérieur du tube à décharge. Celui-ci contient environ 40% de rayons ultraviolets, 30% de rayons visibles et 30% de rayons infrarouges. La lumière visible contient une majorité de bleu et une minorité de vert.

La poudre fluorescente déposée sur les parois de l'ampoule permet de convertir le rayonnement ultraviolet en rayonnement visible, par fluorescence.

À la différence du tube fluorescent, la poudre fluorescente n'est pas responsable à elle seule de l'émission de la lumière visible. Dans le cas du tube fluorescent, un rayonnement quasi-exclusivement ultraviolet (non-visible) est converti en lumière visible par la poudre fluorescente. Cette dernière influe quasiment à elle seule sur la couleur résultante. Dans le cas du ballon fluorescent, un rayonnement ultraviolet majoritaire mélangé à un rayonnement visible (bleu-vert) est émis. La poudre fluorescente permet de convertir une partie des rayons ultraviolets en lumière visible, contenant une majorité de rayons orangés et rouges (lumière chaude). Cette opération permet principalement de compenser le rayonnement bleu-vert du mercure (lumière froide) pour obtenir une lumière majoritairement blanche, plus esthétique (dans la plupart des cas, celle-ci présente des reflets de couleur violacée). Le flux lumineux n'est quant à lui augmenté qu'à hauteur de 10 à 20%, d'une part parce que l'œil humain est peu sensible aux couleurs oranges et rouges, d'autre part parce qu'une partie du rayonnement visible du mercure est absorbé par la poudre fluorescente.

Dans les années 1950 et 1960, les fabricants de poudres fluorescentes ont souvent du jongler entre quantité et qualité de lumière. Certaines poudres permettaient de générer beaucoup de rouge et orangé pour compenser la couleur froide du mercure, mais peu de lumière, d’autres généraient plus d’orange et de jaune (auxquels l’œil humain est plus sensible) et fournissaient ainsi plus de lumière mais de moins bonne qualité. À cette époque, on distinguait notamment les lampes avec une poudre de germanate de magnésium et celles avec une poudre de phosphate de zinc (et strontium). Les premières apportent aux lampes une contribution importante en énergie dans le rouge mais peu de lumière, les secondes rayonnent dans la partie centrale du spectre (jaune-vert) apportant plus de lumière mais peu de rouge. En France, où le facteur qualité de lumière a toujours bénéficié d'une attention particulière, les lampes au germanate étaient pratiquement les seules utilisées. Au fil des années, de nombreuses améliorations ont été apportées sur les poudres fluorescentes, quant à la couleur de la lumière apparente, à l'IRC de celles-ci. Les recherches sur les poudres fluorescentes se sont notamment intensifiées dans les années 1960, sous l'influence grandissante de la télévision en couleurs (lesquelles utilisaient des poudres fluorescentes pour créer et combiner de la lumière rouge, verte et bleue). Le phosphate de vanadate d'yttrium a beaucoup été utilisé à partir du début des années 1970.

Mise au point des lampes au vanadate d'yttrium

Dans les années 1950, les ballons fluorescents avaient une durée de vie environ 3 fois inférieure à ceux des années 2000. Surtout, leur revêtement fluorescent était bien moins performant. Celui-ci fournissait peu de composantes rouges au spectre lumineux de la lampe, donnant une lumière majoritairement bleutée. Les travaux opérés dans le cadre de la télévision couleur ont permis la mise au points de nouvelles poudres fluorescentes permettant d'obtenir une lumière d'un blanc plus pur. Les anciennes télévisions cathodiques fonctionnaient par l'illumination d'un écran sur lequel étaient déposée une mosaïque de points minuscules. Chaque groupe de trois offrait une fluorescence rouge, verte et bleue (très vite appelée « système RVB », toujours en vigueur aujourd'hui sur les écrans LCD et à LED). Les poudres à fluorescence rouge antérieurement connues (sulfure de zinc, cadmium activé à l'argent...) exigeaient un bombardement électrique relativement plus intense que les poudres à fluorescence verte et bleue. Il était nécessaire de trouver une poudre à fluorescence rouge qui pouvait fournir une lumière aussi intense que le vert et le bleu afin qu’un même bombardement de trois points donne une lumière blanche. Le vanadate d'yttrium activé à l'europium apportât la solution désirée. Le vanadate d'yttrium présente deux raies faibles à 580 nanomètres (jaune-orangé), deux raies intenses à 615 nanomètres (rouge-orangé) dues à l'europium et une raie à 700 nm (rouge). Le vanadate d'yttrium fut ainsi utilisé pour la conception du ballon fluorescent. Il permit d’accroitre les composantes orangées et rouges du spectre lumineux de la lampe, donnant, par synthèse additive avec les composantes vertes et bleutées du mercure, une lumière d’un blanc plus pur. Il permit également d’augmenter le rendement lumineux de la lampe :

Ballon fluorescent au germanate de magnésium : de 7 à 8,5% de rouge, rendement lumineux de 45 à 53 lm/W.

Ballon fluorescent au vanadate d'yttrium : de 12 à 14% de rouge, rendement lumineux de 50 à 58 lm/W.

Performances

Son rendement lumineux était d'environ 55 lm/W en 1980 (contre 40 lm/W en 1950). Il pouvait atteindre 60 lm/W pour les lampes à forte puissance (400W) à partir du milieu des années 1980.
Son IRC (Indice de Rendu des Couleurs) atteint aujourd'hui 55% (contre environ 40% en 1950).
Sa durée de vie est d'environ 12000 heures.

Dans le commerce

Les ballons fluorescents ne sont généralement pas commercialisées pour le grand public. Pour les professionnels de l'éclairage, ils sont proposées avec les puissances suivantes :

Puissances lampes BF : 80W, 125W, 250W, 400W, 700W et 1000W.

La lampe OSRAM « HQL Super De Luxe » utilise un poudrage doré. Elle était très utilisée avant l’apparition des lampes à vapeur de sodium sous haute pression en 1967 pour éclairer les passages piétons. La lumière jaune produite par ces lampes permettait de les mettre en évidence dans une rue éclairée par des ballons fluorescents traditionnels.

Dans l'éclairage public

Éclairage moderne pour une rue étroite

Éclairage avec un appareil des années 1950

Éclairage d'un lotissement

Éclairage à l'intérieur d'une résidence