Une histoire des révolutions dans l'éclairage
En 2011, le Royaume-Uni et les Pays-Bas ont cessé de vendre des ampoules à incandescence. Auparavant, l'Australie, l'Argentine et l'Italie avaient ouvert la voie en 2010. Par la suite, la liste des pays ayant interdit la vente s'est étendue à l'UE, au Canada et aux États-Unis. En 2017, la Chine continentale a également éliminé les ampoules à incandescence, et dès lors, il n'y aurait plus d'ampoules à incandescence dans le pays.
Il y a plus d'un siècle, en 1879, Edison a mené l'humanité vers une toute nouvelle "ère de la lumière" avec une ampoule à filament de tungstène ; plus d'un siècle plus tard, en 2017, l'ampoule à incandescence, qui aurait atteint le "vénérable âge" de 138 ans, a vieilli, cédant la grande scène au nouveau protagoniste : la lampe LED.
L'ampoule historique à filament de tungstène
La plupart des ampoules à incandescence convertissent 90 % de l'énergie consommée en chaleur inutile, et moins de 10 % de l'énergie devient de la lumière.
« Le 21 octobre 1879, un inventeur américain alluma enfin la première lampe électrique de valeur pratique au monde, grâce à de longs et répétés essais. Dès lors, le nom de l'inventeur, comme la lampe électrique qu'il avait inventée, entra dans d'innombrables foyers. C'était Edison, que la postérité surnomma le « Roi des Inventeurs ». »
Cette histoire se répandit dans d'innombrables foyers. Bien que certaines sources mentionnent un Américain nommé Henry Goebel qui, avant Edison, utilisait des filaments de bambou carbonisé électrifiés pour produire de la lumière, c'est néanmoins Edison qui expérimenta véritablement plus de 1 600 matériaux réfractaires différents et utilisa finalement le filament de tungstène pour produire de la lumière pendant de longues périodes.
L'ampoule à filament de tungstène est ce que l'on appelle traditionnellement la « lampe à incandescence ». En 1906, General Electric inventa une méthode de fabrication de filaments de tungstène pour lampes électriques, résolvant finalement le problème de la production bon marché de filaments de tungstène. Les ampoules à filament de tungstène entrèrent dans les foyers ordinaires et sont toujours utilisées aujourd'hui.
Cependant, l'essor et la chute de la lampe à incandescence tiennent tous deux au filament de tungstène. De subtiles différences de résistance électrique le long du filament entraînent des températures inégales ; là où la résistance est plus élevée, la température monte davantage, ce qui provoque une sublimation plus rapide du tungstène, amincissant le filament, augmentant encore la résistance dans un cycle qui finit par provoquer la rupture du filament. Ce problème a longtemps affecté la durée de vie des ampoules, jusqu'à ce que les ingénieurs découvrent que remplacer le vide par un gaz inerte pouvait ralentir la sublimation du tungstène. Aujourd'hui, la plupart des ampoules sont remplies d'azote, d'argon ou de krypton, avec une durée de vie typique d'environ 1 000 heures.
Un siècle plus tard, les lampes à incandescence durent faire face au dilemme de quitter la scène historique. La plupart des lampes à incandescence convertissent 90 % de l'énergie consommée en chaleur inutile, et moins de 10 % deviennent de la lumière. Un gaspillage aussi considérable a scellé le sort des lampes à incandescence, dont la fin était proche.
Pour économiser l'énergie et protéger l'environnement, divers pays ont établi des calendriers d'élimination des lampes à incandescence : l'Australie, l'Argentine et l'Italie ont été les premiers à cesser la vente de lampes à incandescence en 2010 ; le Royaume-Uni et les Pays-Bas en 2011 ; l'UE et le Canada en 2012 ; les États-Unis en 2014 ; et la Chine continentale sera la dernière à cesser de vendre des ampoules à incandescence en 2017.
La lampe fluorescente qui a suivi
Les lampes fluorescentes ont une efficacité lumineuse élevée et une grande surface d'émission. Leur rendement énergétique est proche de 40 %, et la chaleur qu'elles produisent ne représente que 1/6 de celle d'une lampe à incandescence de même luminosité.
Sur les épaules du « géant » qu'était la lampe à incandescence, l'apparition des lampes fluorescentes semblait être une progression naturelle. En 1910, le Français A. Claude inventa la lampe à décharge au néon. Il remplit la lampe de mercure pour créer un tube émettant de la lumière bleue, puis recouvrit la paroi intérieure du tube de poudre fluorescente pour créer un tube émettant de la lumière blanche.
En 1939, lors des Expositions Universelles de New York et de Los Angeles, la première lampe fluorescente pratique fut présentée. La « lampe fluorescente », une source de lumière électrique qui utilise du phosphore pour convertir les rayons ultraviolets générés lors du processus de décharge de vapeur de mercure à basse pression en lumière visible, est officiellement née. Les lampes fluorescentes sont généralement fabriquées sous forme tubulaire, communément appelées « tubes lumineux ». Elles offrent une efficacité lumineuse élevée et une grande surface d'émission, avec un rendement énergétique proche de 40 %, tout en produisant seulement un sixième de la chaleur d'une lampe à incandescence de même luminosité. De plus, les lampes fluorescentes émettent une lumière douce, ont une longue durée de vie et peuvent s'approcher de la couleur de la lumière du jour ou de diverses autres couleurs de lumière, ce qui en fait une excellente source d'éclairage intérieur.
La réduction du diamètre des tubes des lampes fluorescentes a amélioré l'efficacité lumineuse et a donné naissance à la « lampe à économie d'énergie ». Le nom officiel des lampes à économie d'énergie est lampes fluorescentes compactes à trois bandes de terres rares, nées dans les années 1970 chez Philips aux Pays-Bas. Les lampes à économie d'énergie ont une taille similaire aux lampes à incandescence et utilisent la même interface de culot, elles peuvent donc remplacer directement les lampes à incandescence. Pour une même production de lumière, ces lampes ne consomment que 1/5 à 1/4 de l'électricité des lampes à incandescence ordinaires, ce qui permet d'économiser d'importantes quantités d'énergie et de coûts d'éclairage, d'où leur nom de « lampe à économie d'énergie ».
Les lampes HID qui illuminent la nuit
Une lampe HID standard produit plus de trois fois le flux lumineux d'une lampe ordinaire, avec des températures de couleur allant de 3000K à plus de 12000K. Elle convient à l'éclairage nocturne et à l'éclairage public.
Pendant que les lampes fluorescentes étaient en cours de développement, une autre branche des ampoules évoluait également. En 1932, les lampes à mercure haute pression furent mises en vente, marquant le début des lampes HID (High Intensity Discharge).
En 1961, Gilbert Reiling de General Electric a déposé le premier brevet pour une lampe aux halogénures métalliques – une lampe adaptée à l'éclairage commercial, urbain et industriel. Trois ans plus tard, en 1964, elle fut exposée à l'Exposition universelle, stupéfiant le public.
Peu après, General Electric dévoila en 1965 sa lampe à sodium haute pression. La famille des lampes HID commença à s'étendre considérablement. Les lampes au xénon rompirent avec le principe incandescent à filament de tungstène inventé par Edison : du xénon, gaz inerte à haute pression, est rempli dans des tubes à arc en quartz à la place du filament traditionnel, avec du mercure et des composés carbonés aux deux électrodes. Un ballast délivre un courant haute tension de 23 000 volts pour stimuler le xénon à émettre de la lumière.
Le flux lumineux d'une lampe HID standard est plus de trois fois supérieur à celui d'une lampe ordinaire, et la température de couleur des lampes HID va de 3000K à plus de 12000K. La couleur de la lumière aux alentours de 6000K est la plus proche de celle de la lumière solaire à midi, offrant la meilleure acceptation et le plus grand confort pour l'œil humain. Lorsqu'un tel éclairage est utilisé pour l'éclairage nocturne des véhicules et l'éclairage public, il réduit efficacement la fatigue visuelle du conducteur, et l'augmentation de la luminosité des feux du véhicule élargit considérablement le champ de vision devant le véhicule, créant ainsi des conditions de conduite plus sûres.
LED – la source lumineuse de quatrième génération
Certains ont souligné que les LED haute luminosité compteront parmi les plus grandes inventions de l'histoire de l'humanité depuis l'ampoule à incandescence d'Edison.
Au début du XXIe siècle, un nouveau protagoniste a commencé à émerger sur la scène de l'éclairage : la lampe LED.
Qu'est-ce qu'une LED ? LED signifie Light Emitting Diode, abréviation anglaise de diode électroluminescente. En fait, elle est apparue très tôt : en 1964, la diode électroluminescente rouge a vu le jour pour la première fois, suivie de la LED jaune. Ce n'est qu'en 1994 que les LED bleues et vertes ont été développées avec succès. En 1996, l'entreprise japonaise Nichia a réussi à développer la LED blanche.
Grâce à ses caractéristiques intrinsèques — telles que l'efficacité énergétique, la longue durée de vie, la résistance aux vibrations, la réponse rapide et la source de lumière froide — la LED est largement utilisée dans les voyants lumineux, les feux de signalisation, les écrans, l'éclairage paysager et d'autres domaines, et est omniprésente dans notre vie quotidienne : appareils électroménagers, téléphones, éclairage du tableau de bord, antibrouillards automobiles, feux de circulation, et bien plus encore.
Au départ, en raison de limitations telles qu'une faible luminosité et un coût élevé, les LED ne pouvaient pas être promues comme source d'éclairage général. Cependant, ces dernières années, grâce à l'approfondissement de la recherche sur les matériaux semi-conducteurs luminescents, à l'amélioration continue des procédés de fabrication des LED et au développement et à l'application de nouveaux matériaux (cristaux de nitrure et phosphores), des progrès révolutionnaires ont été réalisés dans les LED à ultra-haute luminosité de différentes couleurs. Leur efficacité lumineuse a augmenté de près de 1 000 fois, et en termes de chromaticité, toutes les couleurs du spectre visible ont été réalisées. Le plus important est que l'émergence des LED blanches à ultra-haute luminosité a permis aux applications LED de s'étendre au marché des sources d'éclairage à haute efficacité. Il a été dit que les LED haute luminosité seront l'une des plus grandes inventions de l'humanité depuis l'invention de l'ampoule à incandescence par Edison.
« Par rapport à l'éclairage traditionnel, l'éclairage LED actuel présente encore de nombreuses insuffisances. Par exemple, les sources lumineuses LED ont une luminosité de surface élevée, ce qui peut provoquer de l'éblouissement si la conception optique est mauvaise ; les produits d'éclairage LED ont une faible interchangeabilité, les produits de différentes entreprises n'étant pas interchangeables ; les produits d'éclairage LED manquent de normes et les méthodes de test ne sont pas encore complètes ; les produits d'éclairage LED sont très chers et leur rapport qualité-prix n'est pas encore idéal », a souligné le professeur Zhou Taiming du Département des sources lumineuses et de l'ingénierie de l'éclairage de l'Université de Fudan dans son analyse. « Cependant, l'éclairage LED ne produit pas de rayonnement ultraviolet et ne contient pas de mercure ; par rapport à l'éclairage traditionnel, l'éclairage LED est plus écologique et produit moins de pollution lumineuse. »