Lampe fluorescente et principe de fonctionnement de la lampe fluorescente

Qu'est-ce qu'une lampe fluorescente?

Une lampe fluorescente est une lampe à vapeur de mercure de faible poids qui utilise la fluorescence pour produire de la lumière visible. Un courant électrique dans le gaz énergise la vapeur de mercure, ce qui produit des radiations ultraviolettes par un processus de décharge. Ces radiations ultraviolettes font rayonner la couche de phosphore sur la paroi intérieure de la lampe, produisant ainsi de la lumière visible.

Une lampe fluorescente transforme l'énergie électrique en lumière utile beaucoup plus efficacement que les lampes incandescentes. L'efficacité lumineuse moyenne des systèmes d'éclairage fluorescent est de 50 à 100 lumens par watt, ce qui est plusieurs fois l'efficacité des lampes incandescentes avec une sortie lumineuse équivalente.

Comment fonctionne une lampe fluorescente?

Avant d'exposer le principe de fonctionnement d'une lampe fluorescente, nous montrerons d'abord le circuit d'une lampe fluorescente, autrement dit le circuit d'une lampe tubulaire.

Ici, nous connectons un ballast et un interrupteur, et l'alimentation est en série comme indiqué. Ensuite, nous connectons la lampe fluorescente et un starter à travers elle.

• Lorsque nous mettons l'alimentation sous tension, la tension totale s'applique sur la lampe et également sur le starter via le ballast. Mais à cet instant, aucune décharge ne se produit, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de sortie lumineuse de la lampe.

• À cette tension maximale, la décharge lumineuse est d'abord établie dans le starter. Cela est dû au fait que l'écart entre les électrodes dans la lampe néon du starter est beaucoup plus petit que celui de la lampe fluorescente.

• Ensuite, le gaz à l'intérieur du starter se ionise en raison de cette tension maximale et chauffe la bande bimétallique. Cela provoque le pliage de la bande bimétallique pour se connecter au contact fixe. Le courant commence alors à circuler à travers le starter. Bien que le potentiel d'ionisation du néon soit supérieur à celui de l'argon, en raison de l'écart réduit entre les électrodes, un gradient de tension élevé apparaît dans la lampe néon, et donc la décharge lumineuse commence d'abord dans le starter.

• Dès que le courant commence à circuler à travers les contacts touchés de la lampe néon du starter, la tension à travers la lampe néon diminue car le courant cause une chute de tension à travers l'inducteur(ballast). À une tension réduite ou nulle à travers la lampe néon du starter, il n'y aura plus de décharge de gaz et donc la bande bimétallique se refroidit et se sépare du contact fixe. Au moment de la rupture des contacts dans la lampe néon du starter, le courant est interrompu, et à ce moment, une forte poussée de tension apparaît à travers l'inducteur (ballast).

  

• Cette haute valeur de poussée de tension s'applique aux électrodes de la lampe fluorescente (lampe tubulaire) et frappe le mélange de pénétration (mélange de gaz argon et de vapeur de mercure).

• Le processus de décharge gazeuse commence et continue, et donc le courant trouve à nouveau un chemin pour circuler à travers la lampe tubulaire elle-même. Pendant la décharge du mélange de pénétration, la résistance offerte par le gaz est inférieure à la résistance du starter.

• La décharge de mercure d'atomes produit des radiations ultraviolettes qui, à leur tour, excitent la poudre de phosphore pour rayonner de la lumière visible.

• Le starter devient inactif pendant la luminescence de la lampe fluorescente (lampe tubulaire) car aucun courant ne passe à travers le starter dans cette condition.

Physique derrière la lampe fluorescente

Lorsqu'une tension suffisamment élevée est appliquée entre les électrodes, un champ électrique fort est mis en place. Un faible courant à travers les filaments des électrodes chauffe le filament en spirale. Comme le filament est recouvert d'oxyde, une quantité suffisante d'électrons est produite, et ils se précipitent de l'électrode négative ou cathode vers l'électrode positive ou anode en raison de ce champ électrique fort. Pendant le mouvement des électrons libres, le processus de décharge s'établit.

Le processus de décharge de base suit toujours trois étapes:

1. Des électrons libres sont extraits des électrodes, et ils sont accélérés par le champ électrique appliqué.

2. L'énergie cinétique des électrons libres est convertie en énergie d'excitation des atomes de gaz.

3. L'énergie d'excitation des atomes de gaz est convertie en radiation.

Dans le processus de décharge, une seule ligne spectrale ultraviolette de 253,7 nm est produite à une faible pression de vapeur de mercure. Pour générer le rayonnement ultraviolet de 253,7 nm, la température de l'ampoule est maintenue entre 105 et 115oF.
Le rapport longueur/diamètre du tube doit être tel que la perte de puissance fixe se produise aux deux extrémités. Là où cette perte de puissance ou la lueur des électrodes se produit, on appelle cela la région de chute cathodique et anodique. Cette perte de puissance est très faible.
De plus, les cathodes doivent être revêtues d'oxyde. La cathode chaude fournit une abondance d'électrons libres. Les cathodes chaudes, signifient celles qui sont chauffées par un courant circulant, et ce courant circulant est fourni par un bobinage ou un dispositif de commande. Certaines lampes ont aussi des cathodes froides. Les cathodes froides ont une surface effective plus grande et une tension plus élevée, telle que 11 kV, est appliquée à travers elles pour obtenir des ions. Le gaz commence à se décharger en raison de cette application de haute tension. Mais à 100 à 200 V, la lueur cathodique se sépare de la cathode, on l'appelle la chute cathodique. Cela fournit un grand nombre d'ions qui sont accélérés vers l'anode pour produire des électrons secondaires à l'impact, qui à leur tour produisent plus d'ions. Mais la chute cathodique dans la décharge à cathode chaude n'est que de 10 V.

Histoire et invention de la lampe fluorescente

• En 1852, Sir George Stokes avait découvert la transformation du rayonnement ultraviolet en lumière visible.

• De cette époque jusqu'en 1920, diverses expériences ont été menées pour développer les décharges électriques à basse et haute pression dans la vapeur de mercure et de sodium. Mais tous ces circuits développés étaient inefficaces pour transformer le rayonnement ultraviolet en lumière visible. C'était parce que les électrodes ne pouvaient pas émettre suffisamment d'électrons pour établir le phénomène de décharge d'arc. De plus, de nombreux électrons entraient en collision avec les atomes de gaz de manière élastique, donc l'excitation ne créait pas de ligne spectrale utilisable. Mais très peu de travail a été fait sur les lampes fluorescentes.

• Mais dans les années 1920, une avancée majeure a eu lieu. Il a été découvert que le mélange de vapeur de mercure et de gaz inerte à basse pression est 60% efficace pour convertir la puissance électrique d'entrée en une seule ligne spectrale à 253,7 nm.
  Les rayons ultraviolets sont convertis en rayons lumineux visibles en utilisant un matériau fluorescent approprié à l'intérieur de la lampe. À partir de ce moment, la lampe fluorescente a commencé à être introduite dans la vie quotidienne des gens.

• Plus tard, en 1934, le Dr W. L. Enfield a reçu un rapport du Dr A. H. Crompton concernant l'utilisation de lampes revêtues de fluorescéine. Immédiatement, Enfield a créé une équipe de recherche et a commencé à créer une lampe fluorescente commerciale. En 1935, leur équipe a produit un prototype de lampe fluorescente verte dont l'efficacité était d'environ 60%.

• Deux ans et demi plus tard, les lampes fluorescentes ont été introduites en blanc et six autres couleurs sur le marché. Différents mélanges de poudre de phosphore sont utilisés pour produire différentes couleurs à partir des lampes fluorescentes. La première lampe a été introduite avec 15, 20 et 30 W en longueurs de 18, 25 et 36 pouces.

• Peu de temps après, la lampe T12 de 40 W, 4 pieds, a été introduite et largement utilisée pour l'éclairage des bureaux, des écoles et de l'industrie. Les premières lampes donnaient une lumière quelque peu jaunâtre à 3500K. Par la suite, des lampes de 6500K simulant la lumière du jour ont été développées de manière à produire une lumière similaire à celle d'un ciel nuageux moyen au nord.

• Généralement, les lampes de 4 pieds, avec 1,5 pouce de diamètre, 40 W, étaient disponibles sur le marché en 1940. Mais progressivement, la conception a été modifiée pour une meilleure utilisation. Dans la partie de décharge d'arc des lampes, des changements ont été apportés. Cependant, l'argon est toujours utilisé, bien que la pression soit légèrement inférieure à la pression précédente. La vapeur de mercure est maintenue à la même pression que précédemment. Cette lampe nécessite 425 mA avec une chute de tension de 100 à 105 V tension.

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