Lampe à plasma

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Lampe plasma deuxieme generation - simulation solaire
Une lampe à plasma décorative vue du dessus

Lampe plasma (dispositif d’éclairage)[modifier | modifier le code]

Principe physique de fonctionnement[modifier | modifier le code]

La lampe plasma fonctionne par excitation radiofréquence de différent élément du tableau périodique.

Les éléments constituant une lampe plasma sont les suivants :

  1. Une alimentation haute tension
  2. Un système radiofréquence
  3. Un guide onde pour amener l’énergie dans l’ampoule.
  4. Une cavité résonante aux radiofréquence.
  5. Une sphère en quartz avec des atomes à l’état solide (ampoule éteinte et a température ambiante).
  6. Un moteur pour garder l’ampoule en rotation durant le fonctionnement pour la 1ère génération seulement.
Chaîne éléments lampe plasma

Une alimentation haute tension converti la tension alternatif du 230[V] en haute tension (~4’000[V]) pour exciter le système radiofréquence. Le système radiofréquence convertis la haute tension en  une onde électromagnétique à 2,45 GHz (fréquence similaire aux ondes Wifi). Cette onde électromagnétique est injectée dans une cavité résonnante afin d’obtenir le claquage du gaz dans l’ampoule. La décharge générée dans l’ampoule chauffe les éléments solides qui se vaporisent pour se stabiliser thermiquement à l’état de plasma froid (entre 2’000°C et 3’000°C). Ces atomes portés à haute température émettent un spectre lumineux. Ce phénomène se déroule à haute pression (plusieurs bars).

Un grand nombre de types d’atomes peuvent être introduits dans la sphère en quartz pour produire des photons. Le changement du type d’atome provoque l’émission de spectre lumineux différent.

Les lampes plasma produisent un spectre lumineux continu, qui ne possède pas de trou d’énergie sur toute la gamme des longueurs d’onde du spectre visible. Si on effectue la décomposition de la lumière au moyen d’un prisme, on constate que toutes les couleurs sont présentes dans l’arc-en-ciel.

La lampe plasma est un dispositif qui ne possède pas d’électrode dans l’ampoule. Cette avantage permet d’atteindre une très grande durée de vie (>40'000 heures), de ne pas subir de modification spectrale, ni de réduction du flux lumineux durant le fonctionnement.

Historique scientifique[modifier | modifier le code]

Les premiers travaux réalisés par les physiciens sur ce principe datent des années 1970 aux USA. Le soufre a été rapidement identifié comme émetteur de rayonnement visible possédant un très haut rendement énergétique. La conversion entre les radios fréquences et le rayonnement lumineux visible est 170lm/W.

Historique commercial[modifier | modifier le code]

Première génération de lampe plasma (ampoule rotative)[modifier | modifier le code]

La première lampe plasma commercialisée fût une lampe ultra-violet pour la désinfection, c’est la société UV-Fusion qui commercialisa se produit.

Dans les années 1990, une société américaine du nom de Fusion Lighting fût crée afin de commercialiser ce principe, cette société a fait faillite en 2003. Ils mirent au point un dispositif d’éclaire industriel (lampe de 1’000[W]) pour éclairer des halls ou des entrepôts. Un défaut de conception du produit a précipité l’avenir de cette société.

Dans les années 2000, d’autres sociétés ont amélioré le dispositif afin de continuer l’aventure de la lampe plasma. De nouveau modèle sont apparu sur le marché avec des caractéristiques très spécifique. Par exemple, la lampe plasma est devenue le meilleur dispositif pour une reproduction fidèle du spectre solaire. Des versions dédiées à l’éclairage agronomique sont aussi apparue sur le marché afin de profiter de ce haut rendement énergétique.

La plus part des fabricants de lampe plasma utilise le principe de la première génération de lampe plasma.

Deuxième génération de lampe plasma (ampoule statique)[modifier | modifier le code]

En 2012, une seconde génération de lampe plasma est née. Cette seconde génération supprime un grand nombre de contrainte technique de la première génération tout en gardant les avantages de la première génération. La différence principale se trouve au niveau de l’ampoule, la première génération requière une ampoule en rotation alors que la seconde génération utilise une ampoule statique. Ce saut technologique permet de rendre beaucoup plus compact le système et réduit fortement le taux de panne en supprimant le moteur dédié à la rotation de l’ampoule.

Type de lampe plasma[modifier | modifier le code]

Modèle dédié à la simulation solaire[modifier | modifier le code]

Lampe plasma de première génération.[modifier | modifier le code]
Lampe plasma premiere generation - simulation solaire

Caractéristiques techniques :

  • Spectre solaire class A selon la norme IEC60904-9 et JIS-8912
  • Rendement énergétique : 100 lm/W (ampoule)
  • Rendement énergétique : 70 lm/W (dispositif complet)
  • Durée de vie : >40'000 heures
  • Puissance : 1000 W
  • Rendu de couleur (CRI) : 98
  • Indice de protection : IP20
  • Ampoule rotative
Lampe plasma de deuxième génération[modifier | modifier le code]
Lampe plasma deuxieme generation - simulation solaire

Caractéristiques techniques :

  • Spectre solaire class A selon la norme IEC60904-9
  • Rendement énergétique : 100 lm/W (ampoule)
  • Rendement énergétique : 70 lm/W (dispositif complet)
  • Durée de vie : >40'000 heures
  • Puissance : 1'000 W
  • Rendu de couleur (CRI) : 98
  • Indice de protection : IP20
  • Ampoule statique

Modèle dédié à l'agronomie[modifier | modifier le code]

Lampe plasma de deuxième génération[modifier | modifier le code]
Lampe plasma - secteur agronomique

Caractéristiques techniques :

  • Spectre solaire class A selon la norme IEC60904-9
  • Rendement énergétique : 100 lm/W (ampoule)
  • Rendement énergétique : 70 lm/W (dispositif complet)
  • Durée de vie : >40'000 heures
  • Puissance : 1'000 W
  • Rendu de couleur (CRI) : 98
  • Indice de protection : IP56 (lampe)
  • Indice de protection : IP20 (alimentation électrique)
  • Distance entre la lampe et l’alimentation électrique : 10m.

Spectre lumineux[modifier | modifier le code]

Spectre lampe plasma - simulation solaire[modifier | modifier le code]

Les lampes plasma permettent une reproduction très fidèle du spectre du soleil.

Spectre lampe plasma - simulation solaire

Correspondance spectrale entre le soleil et les lampes plasma[modifier | modifier le code]

Correspondance entre le spectre du soleil et une lampe plasma.

Rendement énergétique[modifier | modifier le code]

Le rendement énergétique d’une lampe plasma de deuxième génération se calcul selon schéma suivant :

Rendement énergétique des élément constituant une lampe plasma de deuxième génération

Les lampes plasma de deuxième génération se base sur des éléments qui possèdent un rendement intrinsèque élevé. L’élément qui possède le rendement le plus bas est le magnétron, avec un rendement de 70% environ. Un rendement énergétique de 70 lm/W pour un dispositif complet est comparable au dispositif complet à LED vendue dans le commerce en 2014.

Il existe des dispositifs qui utilisent des éléments semi-conducteurs pour la génération des radios fréquences. Les éléments semi-conducteur haute fréquence ont un rendement de 50% environ, ce qui péjore grandement le rendement total du dispositif. De nombreux fabricant donnent le rendement énergétique de leur dispositif entre les radios fréquences et le flux lumineux, ceci rend la comparaison difficile pour un non initié.

Boule plasma (Décoration)[modifier | modifier le code]

Une boule à plasma est généralement un objet de décoration, qui fut très à la mode dans les années 1980.

Constitution[modifier | modifier le code]

La lampe à plasma est généralement une grande sphère creuse transparente d'une trentaine de centimètres de diamètre. Elle est remplie de gaz noble sous basse pression et est pourvue d'une petite boule pleine au centre jouant le rôle d'électrode. Une forte tension électrique alternative est appliquée aux deux sphères. La fréquence est comprise entre 10 kHz et 60 kHz

Le gaz à l’intérieur est le plus souvent un mélange de gaz inertes, souvent du néon et du xénon. Suivant le mélange les couleurs obtenues sont différentes, mais les lampes vendues dans le commerce sont le plus souvent bleu-lavande-rose orangé.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Électrode centrale d'une lampe à plasma

Basé sur l'effet corona, le principe de fonctionnement d'une lampe à plasma s'apparente à celui d'une décharge électrique à barrière diélectrique. La haute tension appliquée à l'électrode centrale va générer un champ électrique élevé dans le volume de gaz sous basse pression entre les deux sphères de verre. Le milieu environnant, dont le potentiel est de zéro volt, joue le rôle de deuxième électrode.

Le champ électrique créé grâce à la grosse boule de plasma accélère les électrons libres présents dans l'enceinte de la lampe, ce qui va causer une avalanche électronique due à l'ionisation des atomes de gaz par impact électronique. Cette avalanche croît exponentiellement en densité de charges, donnant finalement naissance à une décharge électrique entre les surfaces des sphères de verre. Ce phénomène de claquage transforme le gaz isolant en plasma conducteur (gaz ionisé) et lumineux.

La présence d'interfaces diélectriques (le verre) entre les électrodes fait que la décharge électrique n'est que momentanée. Les ions et les électrons ne pouvant directement atteindre les électrodes, ils s'accumuleront progressivement à la surface de chacune des deux sphères (les ions positifs vers la cathode et les électrons vers l'anode). Il arrive un moment où la densité surfacique de charge écrante le potentiel de l'électrode centrale, ce qui aura pour conséquence la chute du champ électrique dans la lampe, et finalement l'extinction de la décharge en quelques microsecondes.

L'application d'une tension alternativement positive et négative à l'électrode centrale permet une inversion périodique du champ électrique dans l'enceinte de la lampe. Ceci permet en effet le maintien soit d'une décharge électrique continue alternative ou pulsée, couplée capacitivement aux électrodes (celle de la lampe, au centre, et la terre environnante). Les parois de verre de la lampe se comportent ainsi comme des condensateurs, dont l'impédance est inversement proportionnelle à la fréquence de la tension appliquée. Toutes choses égales, le courant circulant entre l'électrode centrale et l'environnement (au potentiel de la terre) étant inversement dépendant de l'impédance des globes de verre, plus la fréquence appliquée est élevée et plus la décharge électrique est intense.

Arcs produits par contact avec le verre

Lorsque l'on touche la sphère, on accroît localement le couplage capacitif de l’environnement à la sphère de verre, faisant ainsi chuter l'impédance du système à l'endroit du contact. Il en résulte que le courant (de déplacement et de conduction) est plus élevé et donne lieu à une décharge électrique plus intense.

Couleurs[modifier | modifier le code]

Les couleurs et la saturation colorimétrique des arcs électriques varient suivant la pression dans la sphère, la fréquence électrique et le ou les gaz utilisés :

  • Hélium : bleu-pourpre, jaune-orange
  • Néon : rouge-orange
  • Argon : à de basses tension la couleur est pourpre-lavande et à des hautes tensions orange
  • Krypton : gris, jaune
  • Xénon : bleu
  • Air : pourpre très profond avec pointe bleu-rose. Des pressions plus élevées forment les flammes faibles, de plus basses pressions forment un nuage tout comme l'hélium
  • Azote : pourpre
  • Dioxyde de carbone : blanc
  • Mercure ou vapeur de métal : ultraviolet extrêmement dangereux pour les yeux et invisible. Bleu à de basses tensions et vert en hautes tension
  • Aluminium : vert-bleu
  • Oxygène : bleu clair-vert
  • Plasma : anneau vert

Il est possible d'observer différentes couleurs du plasma avec des vapeurs métalliques en employant une intensité plus élevée (comme avec un transformateur de four à micro-ondes), mais ces manipulations peuvent être dangereuses.

La combinaison de différents gaz modifie également la couleur :

  • Néon (95 %) et xénon (5 %) : rose et bleu
  • Néon (95 %), xénon (2,5 %) et krypton (2,5 %) : vert et orange
  • Argon et azote : pourpre
  • Argon, azote et krypton : pourpre lavande, avec des pointes bleues
  • Hélium et néon : rouge et orange
  • Xénon, krypton et argon : bleu profond
  • Néon (99,5 %) et argon (0,5 %) : violet et orange

Sécurité[modifier | modifier le code]

La tension électrique délivrée au centre est approximativement 10 000 V(moyenne tension) mais l'intensité du courant électrique reste très faible.

Une lampe à plasma peut se révéler dangereuse si elle est manipulée sans respecter les règles de sécurité. C'est pourquoi seul un professionnel équipé du matériel adéquat peut pratiquer un démontage du transformateur et un remplissage de gaz en toute sécurité.

De plus, il est important de :

  • ne pas toucher en même temps du métal. Risque de choc.
  • ne pas toucher en continu la sphère, elle chauffe et peut céder.
  • ne pas toucher si vous êtes en possession d'un stimulateur cardiaque.
  • maintenir éloigné de haut-parleurs et d'équipements électroniques.
  • maintenir éloigné des enfants non accompagnés et des animaux.
  • ne pas la couvrir avec quoi que ce soit durant son fonctionnement.
  • deux personnes ne doivent pas toucher la sphère en même temps. Risque de choc.

Liens externes[modifier | modifier le code]

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