Les lampes à vapeur de sodium sous basse pression
Présentation
La « lampe à vapeur de sodium sous basse pression », ou lampe LPS (Low Pressure Sodium), est une lampe à décharge, généralement allongée en forme de « U ». Elle émet une lumière jaune-orangée, généralement perçue comme « jaune-œuf ». Bien qu'elle ne permette pas une bonne distinction des couleurs de l'environnement qu'elle éclaire (IRC médiocre), sa lumière quasi-monochromatique présente l'avantage d'être très économique et peu éblouissante. Principalement utilisée dans les tunnels en France, elle a surtout été utilisée aux Pays-Bas, en Belgique, au Royaume-Uni et en Irlande.
Historique
La première lampe à vapeur de sodium est apparue en 1932. La première lampe de ce type fut commercialisée par PHILIPS sous le nom de « Philora DC ». Dès le début du 20ème siècle, les fabricants de systèmes d'éclairage souhaitaient mettre au point une lampe à vapeur de sodium. Il était en effet connu, depuis le milieu du 19ème siècle, que la vapeur de sodium offrait un très bon rendement lumineux. Lorsque l'on fait passer un courant électrique dans de la vapeur de sodium sous basse pression, la quasi-totalité du rayonnement émis est constitué de rayons visibles (de couleur jaunes et orangés), contrairement à la vapeur de mercure qui engendre un rayonnement dont une grande partie est non-visible (ultraviolet). Pour une même quantité de courant électrique consommé, le sodium produit une quantité de lumière bien plus importante.
Le principal problème auquel se sont longtemps heurtés les fabricants de lampes était l'altération du verre de l'ampoule. En effet, le sodium attaque le verre ordinaire. Cette attaque est due à l'affinité entre le sodium et l'oxygène, les verres ordinaires contenant de l'oxyde de silicium. La réaction chimique produisait des dépôts métalliques sur le verre, qui se traduisaient par un noircissement de l'ampoule. L'invention de verres au borax a finalement permis d'obtenir une ampoule qui n'était plus altérée par la vapeur de sodium. Ces verres présentaient toutefois l'inconvénient de devenir trouble à l'air libre en raison de leur affinité avec la vapeur d'eau. La question fut résolue par le dépôt du verre au borax en couches minces à l'intérieur d'un tube en verre ordinaire à la chaux.
Dans les années 1930, les lampes à vapeur de sodium deviennent les sources lumineuses les plus économiques de l'époque. La lumière émise par ces lampes n'est toutefois pas idéale pour les lieux où l'on souhaite obtenir un éclairage esthétique. En France, les villages et centre-villes continuent ainsi d'être majoritairement éclairés par des lampes à incandescence, jusqu'à l'avènement des tubes et ballons fluorescents dans les années 1950.
Lampe PHILIPS Philora DC
La lampe « Philora DC » de PHILIPS fut la première lampe à vapeur de sodium. Elle est pour la première fois commercialisée le 28 juin 1932. Trente exemplaires sont installés aux Pays-Bas, entre les communes de Beek et Geleen.
La lampe se présente sous la forme d'une ampoule cylindrique en verre spécial, non attaqué par la vapeur de sodium, d'une longueur de 10 cm et d'un diamètre de 5,8 cm. La température de fonctionnement est d’environ +300°C. La cathode, constituée par un filament boudiné à double spiralage, est placée au centre de l'ampoule. L'anode est en deux parties, disposée de part et d'autre de la cathode à une distance de 3 cm environ.
La lampe consomme 8 Ampères. Une tension continue de 13 à 14 Volts est maintenue entre les deux demi-anodes et la cathode. Au moment de l'amorçage, la tension est de 17 Volts. Il est intéressant de constater qu’à l’époque, le courant continu était préféré au courant alternatif à l’intérieur de la lampe (d’où le terme « DC » dans l’appellation officielle de la lampe). Lorsqu’un courant électrique circule dans la lampe, les atomes de sodium son ionisés (Na+) et une circulation d’électrons libres se produit. En courant continu, ces électrons sont attirés vers la cathode (électrode positive). En courant alternatif, n’étant plus attiré par une des deux électrodes, les électrons, de par leur grande mobilité, se diffusent en grand nombre sur les parois de l’ampoule. Le verre se polarise ainsi négativement par rapport au plasma, ce qui aboutit à l’époque à une détérioration puis à une casse de l’ampoule. Les années qui suivent, on conçoit des verres plus résistants. Les lampes à vapeur de sodium prennent de plus une forme tubulaire en forme de « U » pour avoir plus de lumière produite, la quantité étant proportionnelle au nombre d’unités de longueur de la lampe. Le courant alternatif est alors préféré au courant continu, afin d’éviter un phénomène d’électrophorèse. Il s’agit d’un phénomène de séparation du sodium et des autres gaz – par exemple la vapeur de mercure utilisée en très faible quantité – l’un étant attiré par l’électrode positive et l’autre par l’électrode négative. Ce phénomène donnerait une lampe qui éclairerait jaune-orangée (Na+, sodium) d’un côté du tube (cathode) et qui éclairerait bleue (Hg2+, mercure) à l’autre extrémité (anode). Le courant continu posait peu de problème dans le cas de la lampe Philora DC, où les électrodes sont rapprochées et situées au centre de l'ampoule.
Son très mauvais IRC et ses dimensions plutôt grandes – la longueur atteignait 19,5 centimètres avec l’embase – ont limité son application à l'éclairage de la voie publique et certains espaces industriels. De ce fait, il a été très tôt envisagé d'accroître la pression de vapeur afin de dissiper plus de puissance par unité de longueur, et d'enrichir le spectre lumineux émis afin de rendre la lumière plus agréable à l'œil.
La lampe se présente sous la forme d'une ampoule cylindrique en verre spécial, non attaqué par la vapeur de sodium, d'une longueur de 10 cm et d'un diamètre de 5,8 cm. La température de fonctionnement est d’environ +300°C. La cathode, constituée par un filament boudiné à double spiralage, est placée au centre de l'ampoule. L'anode est en deux parties, disposée de part et d'autre de la cathode à une distance de 3 cm environ.
La lampe consomme 8 Ampères. Une tension continue de 13 à 14 Volts est maintenue entre les deux demi-anodes et la cathode. Au moment de l'amorçage, la tension est de 17 Volts. Il est intéressant de constater qu’à l’époque, le courant continu était préféré au courant alternatif à l’intérieur de la lampe (d’où le terme « DC » dans l’appellation officielle de la lampe). Lorsqu’un courant électrique circule dans la lampe, les atomes de sodium son ionisés (Na+) et une circulation d’électrons libres se produit. En courant continu, ces électrons sont attirés vers la cathode (électrode positive). En courant alternatif, n’étant plus attiré par une des deux électrodes, les électrons, de par leur grande mobilité, se diffusent en grand nombre sur les parois de l’ampoule. Le verre se polarise ainsi négativement par rapport au plasma, ce qui aboutit à l’époque à une détérioration puis à une casse de l’ampoule. Les années qui suivent, on conçoit des verres plus résistants. Les lampes à vapeur de sodium prennent de plus une forme tubulaire en forme de « U » pour avoir plus de lumière produite, la quantité étant proportionnelle au nombre d’unités de longueur de la lampe. Le courant alternatif est alors préféré au courant continu, afin d’éviter un phénomène d’électrophorèse. Il s’agit d’un phénomène de séparation du sodium et des autres gaz – par exemple la vapeur de mercure utilisée en très faible quantité – l’un étant attiré par l’électrode positive et l’autre par l’électrode négative. Ce phénomène donnerait une lampe qui éclairerait jaune-orangée (Na+, sodium) d’un côté du tube (cathode) et qui éclairerait bleue (Hg2+, mercure) à l’autre extrémité (anode). Le courant continu posait peu de problème dans le cas de la lampe Philora DC, où les électrodes sont rapprochées et situées au centre de l'ampoule.
Son très mauvais IRC et ses dimensions plutôt grandes – la longueur atteignait 19,5 centimètres avec l’embase – ont limité son application à l'éclairage de la voie publique et certains espaces industriels. De ce fait, il a été très tôt envisagé d'accroître la pression de vapeur afin de dissiper plus de puissance par unité de longueur, et d'enrichir le spectre lumineux émis afin de rendre la lumière plus agréable à l'œil.
Utilisation contemporaine
Dans la plupart de pays dont la France, l'Allemagne, les États-Unis et le Japon, les lampes LPS sont inexistantes en dehors des tunnels. Le Royaume-Uni, l'Irlande, les Pays-Bas et la Belgique sont les pays qui ont le plus utilisé les lampes LPS pour l'éclairage public. En Belgique, pays qui a fait le choix d'éclairer la plupart de ses grands-axes, les lampes LPS restent les principales sources utilisées pour éclairer les autoroutes et les routes nationales.
Constitution
La lampe LPS est constituée :
Principe de fonctionnement
La lampe à vapeur de sodium sous basse pression contient généralement un amalgame de 99% de néon et d’1% d’argon (formant un mélange de Penning) en tant que gaz d’emprisonnement, et du sodium sous basse pression en tant que gaz de travail. Le fonctionnement de la lampe à vapeur de sodium sous basse pression est celui d'une lampe à décharge. Comme toute lampe à décharge, une lampe LPS ne peut fonctionner en étant directement branché sur le secteur (230V / 50 Hz). Elle doit généralement être accompagnée d'un amorceur et d'un ballast dédiés.
Performances
La quasi-intégralité du rayonnement émis par les lampes LPS comprend des rayons de longueur d'onde comprises entre 580 et 600 nanomètres (couleur jaune-orangée). Étant donné que leur rayonnement n'inclut quasiment que des rayons visibles, les lampes LPS offrent un excellent rendement lumineux. La lumière émise est toutefois quasi-monochromatique et associée à un IRC médiocre.
Le monochromatisme rend la lampe LPS impropre à son utilisation dans les endroits où une bonne discrimination des couleurs est souhaitée, tels que les villages et les centres-villes. C'est la raison pour laquelle les lampes LPS, malgré leur excellent rendement lumineux, ont été peu utilisées pour l'éclairage public en général.
Le monochromatisme peut même être un avantage, notamment à propos de la fatigue visuelle. Il élimine les aberrations chromatiques de l'œil, il en résulte une plus grande netteté des images rétiniennes. Il conduit ainsi à un accroissement de la vitesse de perception par rapport aux autres types de lampes, aussi bien pour les objets immobiles que mobiles. Des essais menés par Pierre Jainski ont montré qu'elle était idéale du point de vue de la durée de réadaptation de la pupille suite à une variation de flux lumineux. Ces essais ont montré qu'à niveau d'éblouissement égal, la durée de réadaptation de la pupille variait peu entre l'incandescence, la fluorescence et le sodium si la lumière est peu éblouissante. En revanche, cette durée varie si la lumière est plus éblouissante. La durée de réadaptation la plus courte est obtenue avec la lumière au sodium, suivi de la fluorescence, suivi de l'incandescence. Ces résultats, combinés au faible éblouissement intrinsèque à la lumière au sodium, révèlent que la lumière produite par les lampes LPS est avantageuse pour les zones où les foyers sont espacés avec intensités élevée, comme une autoroute par exemple. Les lampes LPS sont également adaptés à l'éclairage des tunnels, en particulier de jour. Les transitions entre la lumière du jour et la lumière artificielle des tunnels sont beaucoup moins fatigantes pour l'œil si les lampes utilisées produisent une lumière peu éblouissante.
Pour finir, le monochromatisme est peu gênant pour l'éclairage des autoroutes ou des voies rapides en rase campagne. D'un point de vue psychologique, la couleur de la lumière du sodium ne constitue pas une gêne. Les visages ne se présentent pas avec cette lumière sous un aspect agréable, mais il est rare que l'on ait souvent à dévisager quelqu'un pendant la conduite automobile. Du point de vue de la perception des obstacles sur la route, l'absence de variation de couleurs ne constitue pas une gêne pour une bonne visibilité. La visibilité est analogue à une photo en noir et blanc, qui bien que moins agréable, offre des possibilités de discernement identiques que pour une photo en couleur.
Dans le commerce
Les lampes à vapeur de sodium sous basse pression ne sont généralement pas commercialisées pour le grand public. Pour les professionnels de l'éclairage, elle est proposée avec les puissances suivantes :
Dans l'éclairage public
Éclairage d'une autoroute en Belgique
Éclairage d'une route régionale en Belgique
Éclairage d'un quartier rural à Vidauban (83)
Éclairage d'une ruelle en Belgique
Photos d'installations utilisant des lampes LPS
Quelques photos d'installations d'éclairage public avec des lampes à vapeur de sodium sous basse pression :
