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Lundi 24 Avril 2017 9:21 
Les lampes aux halogénures métalliques






Présentation

La « lampe aux halogénures métalliques », ou lampe MH (Metal Halide), est une lampe à décharge généralement recouverte par une ampoule translucide de forme tubulaire. Certaines sont recouvertes par une ampoule ovoïde opale ou translucide. Elle est très souvent appelée « lampe à iodures métalliques ». Elle émet une lumière blanche et vive.

Les lampes MH émettent une lumière d’un blanc plus pur que la plupart des autres lampes. Depuis leur apparition au milieu des années 1960, les lampes MH se sont grandement diversifiées. Ainsi, le terme de « lampes à halogénures métalliques » désigne bien plus aujourd’hui une famille étendue de lampes qu’un produit réellement défini. Il existe aujourd’hui de nombreuses variantes de lampes MH, qui diffèrent en fonction des fabricants et des modèles par le mélange gazeux introduit dans le tube à décharge et la couleur de la lumière émise. Celle-ci varie du « blanc chaud » au « blanc froid », en passant par le « blanc neutre ». La température de couleur des lampes varie de 2500°K à 6000°K environ. Il existe également des lampes MH qui émettent une lumière colorée.


Historique

Les premières lampes à halogénures métalliques apparaissent au début des années 1960. Leur faible rendement et surtout leur courte durée de vie freinent pendant longtemps leur expansion. Elles ont longtemps été réservées à l’événementiel et l’éclairage des terrains de sport. L’invention du bruleur céramique en 1994 marque un virage déterminant et provoque leur généralisation pour l’éclairage public.

L’utilisation d’éléments métalliques spécifiques pour l’éclairage a été imaginée dès le début du 20ème siècle, lorsque les premières lampes à décharge utilisant de la vapeur de mercure ont été conçues. À l’époque, il s’agissait d’introduire des métaux supplémentaires qui pouvaient enrichir la composition spectrale de la lumière émise pas ces lampes. En d’autre terme, mélanger de nouvelles composantes à la lumière bleuâtre très pauvre en couleur du mercure, pour obtenir une lumière plus blanche. Dans les années 1940, l’ajout de cadmium et de zinc dans les lampes à vapeur de mercure sous haute pression est testé, mais le résultat obtenu n’est pas satisfaisant. Bien que la couleur rendue soit globalement blanche, la qualité de la lumière émise reste médiocre. De plus, une opacification du tube à décharge se produit (celle-ci étant due au fait qu’à partir de +800°C, le cadmium et le zinc réagissent chimiquement avec le quartz).

Le développement du raffinage des métaux dans les années 1950 permet l’utilisation d'halogénures métalliques en lieu et place des métaux purs. Ceux-ci se présentent sous la forme de sels résultant d’une liaison entre un ion halogène (négatif) et un ion métallique (positif). La combinaison des métaux avec un halogène (généralement de l’iode, parfois du brome ou du chlore) permet d’une part de neutraliser les effets néfastes de nombreux éléments métalliques sur le quartz et les autres éléments du tube, et d’autre part d’accélérer la vaporisation des éléments métalliques. Des premières lampes à halogénures métalliques sont conçues dès la fin des années 1950. Une première lampe est commercialisée par WESTINGHOUSE aux États-Unis en 1962. Le tube à décharge contient de la vapeur de mercure sous haute pression au sein de laquelle des iodures de thallium sont ajoutés, donnant une lumière verte. Peu adaptée à l’éclairage public, ces lampes ont surtout été utilisées pour l’éclairage décoratif ou sous-marin.

On considère que l’utilisation des lampes à halogénures métalliques remonte à 1964, lorsque GENERAL ELECTRIC commercialise une lampe à vapeur de mercure sous haute pression avec ajout d’iodures de sodium (« Sodium Iodide »). Celles-ci émettent une lumière blanche avec des reflets rosés. En 1965, une nouvelle variante donnant une teinte plus blanche avec un meilleur rendement lumineux est commercialisée. En Europe, les lampes à halogénures métalliques se généralisent sous l’impulsion d’OSRAM, avec la commercialisation de la lampe « HMI » en 1969 faisant suite à une demande des producteurs de télévision dans le cadre des Jeux-Olympiques de Munich de 1972. Cette lampe se présente sous la forme d’un bulbe en quartz avec deux broches disposées de part et d’autre, et émet une lumière blanche avec des reflets bleutés. PHILIPS propose peu après la lampe « MSR » où les deux broches se situent au niveau d’un unique culot.

Bien que la lumière blanche fournie par ces lampes offre un rendu des couleurs bien meilleur que les lampes HPS apparues à la même époque (Ra > 60 contre Ra < 25), elles sont bien moins économiques que ces dernières. Le rendement lumineux des lampes MH est deux fois moins élevé. De plus, les sels métalliques restent un facteur de vieillissement pour le tube à décharge en quartz. Les lampes MH ont ainsi une durée de vie deux fois plus courte que les lampes HPS. L’alumine polycristalline utilisée pour réaliser les premières lampes HPS pose quant à lui des problèmes de réactivité chimique avec les halogénures. L’utilisation des lampes MH reste ainsi restreinte aux lieux pour lesquels un bon rendu des couleurs est important, tels que les terrains de sport ou les lieux de fête. La plupart des lampes MH commercialisées sont des lampes à très forte puissance de 1000 ou 2000 Watts. Elles sont installées dans des projecteurs à plus de 20 mètres de haut.

La généralisation des lampes MH pour l’éclairage public se produit sous l’impulsion de l’invention du brûleur céramique en 1994. Cette année-là, PHILIPS présente une nouvelle lampe « MASTERColour CDM ». Le tube à décharge elliptique en quartz est remplacé par un brûleur cylindrique en céramique. L'utilisation de matériaux de scellement plus résistants, combinée à la forme du brûleur où l'étanchéité est principalement assurée au niveau des extrémités, permet une plus grande résistance dans le temps aux halogénures métalliques. Il supporte également des pressions et températures plus élevées. Cette technologie améliore grandement la durée de vie de ces lampes, qui est aujourd'hui proche de celle des lampes HPS.

Les lampes MH se généralisent ainsi pour l’éclairage public à partir du milieu des années 1990. La lumière blanche proche de la lumière du jour qu’elles émettent est généralement préférée à la lumière blanche avec reflets orangés des lampes HPS. Elles sont tout d’abord utilisées pour l’éclairage des monuments et des nouvelles réalisations architecturales. Leur utilisation pour l’éclairage public fonctionnel et industriel se répand à partir du début des années 2000. L’apparition de lampes MH compatibles avec appareillages pour lampes HPS permet à celles-ci d’être utilisées dans les luminaires pour lampes HPS installés précédemment. La ville de Nogent-sur-Marne est une des premières communes à être quasi-intégralement éclairée par des lampes aux halogénures métalliques, à partir de 2003.


Utilisation contemporaine

La lampe MH est très utilisée pour équiper les installations d'éclairage public à partir du début des années 2000. Bien qu'elle ait un moins bon rendement lumineux que la lampe HPS, la lumière émise par une lampe MH donne et bien meilleur rendu des couleurs (IRC généralement supérieur à 70) et est bien plus appréciée. Longtemps restreintes à l'éclairage des terrains de sport, les lampes MH sont aujourd'hui de plus en plus utilisées pour l'éclairage des centres-villes, des lieux fleuris et des nouvelles réalisations urbaines telles que les lignes de tramway et les nouvelles gares. Elles sont également très utilisées pour les applications fonctionnelles nécessitant une bonne distinction des couleurs, telles que les aéroports et certaines usines. 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 faire de la lampe MH une source obsolète dans les années à venir.


Constitution

La lampe aux halogénures métalliques est constituée :

  • D'une enveloppe (ampoule) en verre tubulaire translucide.
  • D'un tube à décharge elliptique situé à l'intérieur de l'ampoule. Celui-ci est en quartz pour les lampes de type « HPI », commercialisées depuis 1965. La plupart des lampes d'aujourd'hui utilisent un « brûleur céramique », de forme plus compacte (elliptique).
  • De deux électrodes principales, respectivement placées aux extrémités du tube à décharge.
  • D'une électrode auxiliaire pour certains modèles. Le fonctionnement est alors le même que celui décrit pour les lampes « ballons fluorescents ».
  • De vapeur de mercure sous haute pression, mélangée à des halogénures métalliques ainsi qu'un gaz noble à l'intérieur du tube à décharge. Le mélange gazeux dépend du fabricant et de modèle de lampe commercialisé.


Principe de fonctionnement

La lampe à halogénures métalliques contient généralement de l'argon et du mercure en tant que gaz d’emprisonnement et un amalgame d'halogénures métalliques (métaux combinés à des halogènes) sous haute pression en tant que gaz de travail. Le fonctionnement de la lampe à halogénures métalliques est celui d'une lampe à décharge. Comme toute lampe à décharge, une lampe à halogénures métalliques 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 (certains modèles sont conçus pour fonctionner avec des appareillages conçus pour les lampes à vapeur de sodium sous haute pression).




Les halogénures métalliques se présentent sous forme de sels résultant d’une liaison entre un ion halogène (négatif) et un ion métallique (positif). La combinaison entre un élément halogène (généralement de l’iode, parfois du brome ou du chlore) et un élément métallique appartenant à la famille des terres rares (dysprosium, holmium, scandium, thulium, praséodyme…), des métaux pauvres (gallium, indium, étain, thallium, plomb…) ou encore des métaux alcalins (sodium…) permet d’obtenir des molécules de plus grande taille appelées « halogénures métalliques ». Un métal alcalin (généralement du sodium) est ajouté aux terres rares afin d’accroître leur pression de vapeur par le biais de la formation de molécules volatiles complexes. L'élément halogène utilisé est souvent de l'iode (c'est vrai dans la majorité mais pas dans la totalité des cas). Les lampes MH sont ainsi souvent appelées lampes à « iodures métalliques ».

La température de couleur dépend des halogénures métalliques, en particulier des éléments métalliques, qui sont introduits dans le tube à décharge présents. Certains fournissent un rayonnement majoritairement vert, d’autres majoritairement bleu, d’autres majoritairement roses, etc… le rayonnement « blanc » des lampes MH est généralement obtenu par synthèse additives de plusieurs couleurs. Les lampes MH utilisent très souvent :

  • Des iodures de sodium (NaI). Une fois le sodium libéré, il fournit un rayonnement majoritairement « jaune orangé ».
  • Des iodures de thallium (TlI). Une fois le thallium libéré, il fournit un rayonnement majoritairement « vert ».
  • Des iodures d’indium (InI), Une fois l’indium libéré, il fournit un rayonnement majoritairement « bleu ».

D’autres métaux peuvent être utilisés, tels que le dysprosium (spectre large « vert bleu »), le scandium (spectre large « bleu vert »), le lithium (spectre étroit « rouge ») ou encore l’étain (spectre large « orange - rouge »). Les terres rares fournissent un rayonnement riche en composantes (raies) peu absorbées, mais sont aussi plus difficiles à vaporiser, et nécessitent une température très élevée à l’intérieur de la lampe.

En fonction de la couleur de la lumière souhaitée, différents mélanges sont ainsi mis en œuvre. Ceux-ci dépendent aussi des fabricants (et des brevets qu’ils détiennent), mais aussi de l’IRC (rendu des couleurs), de la durée de vie, du rendement lumineux minimaux souhaités. Il existe également des lampes à halogénures métalliques qui émettent une lumière colorée. Les plus connues sont celles qui émettent une couleur « verte », « bleue » et « violettes ». Les deux premières utilisent respectivement des iodures de thallium et d’indium. La troisième utilise des iodures d’indium combinées à des iodures de gallium. Il existe également des modèles qui émettent des rayons ultraviolets. Ceux-ci utilisent des iodure de plomb et de gallium.


Test de flamme
Chaque élément chimique est doté de qualités intrinsèques qui lui permettent d'émettre une lumière d'une certaine couleur quand il est porté à combustion. Cette lumière varie en fonction de la température. Il est possible d'avoir un aperçu de cette propriété à travers un test de flamme. Cette propriété est très largement utilisées pour la conception des lampes à halogénures métalliques et même des lampes à décharge d'une manière générale.


Performances

  • Le rendement lumineux varie en fonction des modèles, mais est généralement compris entre 80 et 100 lm/W.
  • Son IRC varie également en fonction des modèles, mais est généralement compris entre 65 et 95. Il dépend d’une part de la richesse du mélange gazeux (plus il contient d’éléments différents, meilleur est généralement son IRC), et de la température de couleur de la lumière émise (plus elle est élevée, c'est-à-dire plus le « blanc » émis est « froid », meilleur est généralement l’IRC).
  • Sa durée de vie est d’environ 15000 heures.
  • Ci-dessous deux exemples de spectre lumineux de lampes à halogénures métalliques (émettant une lumière respectivement « blanche chaude » et « blanche froide »).





Dans le commerce

Les lampes à halogénures métalliques ne sont généralement pas commercialisées pour le grand public. Pour les professionnels de l'éclairage, elle est proposée avec les puissances suivantes : 35W, 50W, 70W, 100W, 150W, 250W, 400W, 1000W et 2000W.

Les lampes PHILIPS « HPI » et « CDM » sont aujourd’hui les plus connues. En ce qui concerne l’aspect général, deux grandes familles de lampes MH coexistent :

  • Les lampes utilisant un tube à décharge en quartz, commercialisées depuis 1964. Ces lampes ont une durée de vie d’environ 8000 heures.
  • Les lampes utilisant brûleur céramique, commercialisées depuis 1994. Ces lampes ont une durée de vie d’environ 15000 heures, mais n’existent que pour les faibles puissances, généralement jusqu’à 150 Watts.

Il existe plusieurs mélanges gazeux différents. Ceux-ci dépendent des fabricants et des modèles de lampe. Certains mélanges privilégient la qualité de lumière émise, d'autres la durée de vie de la lampe, d'autres le rendement lumineux, tandis que certains modèles offrent un compromis entre ces critères. Le rayonnement combiné de chaque élément du mélange donne une lumière blanche par synthèse additive. Les mélanges les plus courants sont les suivants :





Dans l'éclairage public


Lampe à halogénures métalliques 3000°K
Lampe à halogénures métalliques 4000°K


Lampe à halogénures métalliques 5000°K
Lampe à halogénures métalliques 6000°K




Photos d'installations utilisant des lampes MH


Photos d'installations utilisant des lampes MH blanches

Photo de luminaires à Paris équipés de lampes à halogénures métalliques « blanc froid » (environ 5000°K) :




Photo de luminaires sur le Pont de pierre de Bordeaux équipés de lampes à halogénures métalliques « blanc chaud » :




Photo de Bruges montrant des luminaires équipés de lampes à halogénures métalliques « blanc froid » (environ 6000°K) :




Photo de Liège montrant des luminaires équipés de lampes à halogénures métalliques « blanc chaud » :




Photo de Clamart montrant des luminaires équipés de lampes PHILIPS CDM-T « blanc chaud » :





Photos de terrains de sports éclairés par des lampes MH

Photo du Stade « Camp Nou » de Barcelone éclairé par des lampes à halogénures métalliques « blanc froid » , donnant un excellent rendu des couleurs de nuit :





Photos d'installations utilisant des lampes MH couleur

Photo d'un pont de Liège éclairé avec des lampes à iodures d'indium :




Photo d'une route de Hyères éclairé avec des lampes à iodures de thallium :




Photo d'une route de Hyères éclairé avec des lampes à iodures de gallium et d'indium :




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