Les lampes à vapeur de sodium sous haute pression
Présentation
La « lampe à vapeur de sodium sous haute pression », ou lampe HPS (High Pressure Sodium), est une lampe à décharge généralement recouverte par une ampoule translucide de forme tubulaire. Certaines sont recouvertes par une ampoule ovoïde opale, de même aspect que celles des ballons fluorescents. Elle émet une lumière blanche avec des teintes orangées. Elle a été très utilisée en France pour l'éclairage public du début des années 1970 au milieu des années 2000.
Historique
La première lampe à vapeur de sodium sous haute pression est apparue en 1965 aux États-Unis et en 1967 en Europe, respectivement commercialisées par GENERAL ELECTRIC et PHILIPS. 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 d'une part, et celle de la décharge dans de la vapeur de sodium sous basse pression d'autre part.
La décharge dans un milieu gazeux sous haute pression permet d'obtenir une lumière plus diffuse que dans un même milieu sous basse pression. Cette propriété s'est avérée très intéressante dans le cas du mercure, qui, sous basse pression, émet un rayonnement dont la quasi-totalité est non-visible (raies de résonnances respectivement situées à 185 et 253,7 nanomètres, dans l'ultraviolet). Augmenter la pression du gaz permet de diversifier le rayonnement. Sous haute-pression, la vapeur de mercure émet toujours une grande quantité de rayons ultraviolets, mais également 30% de lumière visible environ, dont une majorité de rayons bleus et verts. Des lampes à vapeur de mercure sous haute pression sont commercialisées à partir de 1932. Cependant, le rendement de celles-ci est bas (une partie de la puissance consommé produisant un rayonnement ultraviolet, donc non-visible). De plus, l'IRC (Indice de rendu des couleurs) est médiocre (Ra < 25), la lumière bleuâtre produite par ces lampes est blafarde, donnant notamment aux visages un aspect « cadavérique ».
Dans le cas du sodium, la problématique est différente. Sous basse pression, il émet un rayonnement dont la quasi-intégralité est visible (raies de résonnance respectivement situées à 589 et 589,6 nanomètres, soit dans l'orangé). Des lampes à vapeur de sodium sous basse pression sont commercialisées, à partir de 1932 également. Le rendement de ces lampes est cette fois-ci excellent. Toutefois, ces lampes produisent une lumière monochromatique, avec un IRC médiocre (Ra < 20), ne permettant pas une bonne discrimination des couleurs des endroits éclairés.
La lampe à vapeur de sodium sous haute pression est censée combiner les avantages respectifs des deux technologies. Le sodium permet d'obtenir plus de lumière que le mercure à puissance consommée égale. L'augmentation de la pression diversifie le rayonnement, contribuant à une lumière polychromatique, plus diffuse. Dans la lampe à vapeur de mercure sous haute pression, le gaz est placé dans un tube à décharge en quartz terminé par deux électrodes, protégés par une ampoule en verre. Dans la lampe à vapeur de sodium sous basse pression, le gaz est directement inséré à l'intérieur de l'ampoule en verre, de plus grande dimension qu'un le tube à décharge. L'idée de départ est donc de partir de la constitution de la lampe à vapeur de mercure sous haute pression en remplaçant le mercure par du sodium. Cependant, contrairement à la vapeur de mercure, la vapeur de sodium, portée sous haute pression, réagit chimiquement avec le quartz, aboutissant une détérioration rapide du tube à décharge. Après des années de recherche, un tube à décharge en alumine polycristalline aggloméré par frittage est mis au point. L’alumine polycristalline est peu réactive à la vapeur de sodium et supporte une température plus élevée (environ +1200°C) que le quartz (environ +1000°C). Cette technologie est utilisée pour la fabrication des lampes à vapeur de sodium sous haute pression.
En France, dès 1967, ces lampes qui produisent une lumière blanche à reflets orangés, parfois dite « dorée », sont immédiatement appréciés par les différents acteurs de l'éclairage public. L'IRC de ces lampes reste inférieur à celui des ballons fluorescents en vigueur à cette époque. Elles sont toutefois bien plus économiques. De plus, la couleur chaude émise par les lampes HPS est souvent préférée à la couleur froide des ballons fluorescents. Elles se généralisent au cours des décennies qui suivent dans tous les pays du monde.
Utilisation contemporaine
La lampe à vapeur de sodium sous haute pression reste de très loin, aux alentours de 2010, la source lumineuse la plus utilisée pour l'éclairage public, dans la quasi-totalité des pays du monde. Plus économique que les ballons fluorescents et les lampes aux halogénures métalliques, elle est quasi systématiquement choisie pour tout projet d'éclairage public fonctionnel. En France, entre 1970 et 2010, la plupart des installations d'éclairage public qui équipées d'un ballon fluorescent sont remplacées par des installations équipées de lampes à vapeur de sodium sous haute pression.
Cependant, depuis le milieu des années 2000, cette lampe est de plus en plus concurrencée par de nouvelles technologies. L'invention de la lampe aux halogénures métalliques à brûleur céramique, en 1994, donne aux lampes MH une durée de vie quasi-équivalente à celle des lampes HPS. Ceci provoque une généralisation des lampes MH dans l'éclairage public, au détriment des lampes HPS. La lampe HPS reste une source lumineuse très économique, c'est également une de celle qui fournit le bon moins rendu des couleurs (IRC < 25). De nombreuses lampes MH fournissant un éclairage « blanc chaud » mettent bien plus en valeur de nuit les couleurs décor. Celles-ci sont aujourd'hui largement préférées aux lampes HPS dans le cadre de projets d'éclairage où il s'agit de mettre de nouvelles réalisations urbaines en valeur. L'apparition des lampes à LED à la fin des années 2000, beaucoup plus économiques que les lampes à décharge tout en fournissant un excellent rendu des couleurs, pourrait définitivement faire de la lampe à vapeur de sodium sous haute pression une source obsolète dans les années à venir.
Constitution
La lampe à vapeur de sodium sous haute pression est constituée :
Principe de fonctionnement
La lampe à vapeur de sodium sous haute pression contient généralement du xénon en tant que gaz d’emprisonnement et un amalgame de sodium et de mercure sous haute pression en tant que gaz de travail. Le fonctionnement de la lampe à vapeur de sodium sous haute pression est celui d'une lampe à décharge. Comme toute lampe à décharge, une lampe à vapeur de sodium sous haute pression ne peut fonctionner en étant directement branché sur le secteur (230V / 50 Hz). Il doit être accompagné d'un amorceur et d’un ballast dédiés.
A la fin des années 1980, sous l’impulsion de la société PHILIPS qui met au point la lampe « SDW-T », apparaissent des lampes à vapeur de sodium sous « très haute pression », généralement appelées « lampes à vapeur de sodium blanches » ou tout simplement « lampes à sodium blanc ». La pression de la vapeur de sodium atteint environ 95 kilopascal contre 10 kilopascal pour les lampes HPS traditionnelles. Le gaz d’emprisonnement (le xénon) est également inséré à plus haute pression. Des tubes à décharge utilisant des matières spéciales sont spécifiquement mis au point pour résister aux très hautes températures qui règnent dans le tube. Cette pression extrêmement élevée permet à ces lampes de fournir une lumière bien plus blanche que les lampes HPS traditionnelles. L’IRC atteint 85, contre 20 en moyenne pour les autres lampes HPS. Toutefois, en raison des fortes températures qui règnent au sein du tube, la durée de vie de ces lampes est environ deux fois inférieure à celles des lampes HPS traditionnelles. De plus, les effets d'auto-absorption de la lumière dans le tube à décharge donnent à cette lampe un rendement lumineux de 50 lm/W, ce qui correspond à moins de la moitié de celui des autres lampes HPS. L’apparition des lampes à hallogénures métalliques à brûleur céramique en 1994, donnant une lumière similaire pour une durée de vie de lampe deux fois supérieure et un rendement lumineux bien meilleur, rend ces lampes obsolètes.
L’utilisation d’un amalgame de sodium et de mercure et non de sodium uniquement s’explique par la nécessité de maintenir une conductivité électrique en dessous d’un certain seuil, au-delà duquel une augmentation de la température (ou de la pression) ferait baisser le rendement lumineux de la lampe. La conductivité électrique du sodium étant plus élevée que celle du mercure, on utilise un amalgame de sodium (environ 80%) et de mercure (environ 20%) pour maintenir une tension électrique proche de 100 Volts aux extrémités de la lampe. Dans les lampes HPS, le mercure joue ainsi un rôle de gaz d’emprisonnement. Toutefois, l’influence du mercure sur la couleur de la lumière émise n’est pas complètement neutre. Sa présence fournit quelques composantes bleues-vertes de faibles intensités au spectre lumineux de la lampe, donnant une couleur qui tire vers le blanc-orangé au lieu de tirer vers le blanc-jaune. Durant les années 2000 sont apparues des lampes à vapeur de sodium sous haute pression sans mercure, au moyen de l’utilisation d’un tube à décharge plus fin (pour augmenter la résistance électrique du milieu gazeux) et d’un accroissement de la pression du xénon. Ces lampes émettent une lumière tirant légèrement plus vers le jaune que les lampes HPS traditionnelles tirant majoritairement vers l’orangé.
Performances
Dans le commerce
Les lampes à vapeur de sodium sous haute pression ne sont généralement pas commercialisées pour le grand public. Pour les professionnels de l'éclairage, elle est proposée avec les puissances suivantes :
Les lampes PHILIPS « SON-T » et GE LIGHTING « Lucalox » sont les plus connues. En ce qui concerne l’aspect général, deux grandes familles de lampes HPS coexistent :
Dans l'éclairage public
Lampe HPS avec ampoule tubulaire claire
Lampe HPS de type ballon diffusant
Lampe HPS avec ampoule tubulaire claire
Lampe HPS avec ampoule tubulaire claire
Photos d'installations utilisant des lampes HPS
Quelques photos d'installations d'éclairage public avec des lampes à vapeur de sodium sous haute pression :
