Principe de l’ampoule à incandescence

Cet article présente l'origine et le principe de l'ancienne ampoule à incandescence (à filament). On pourra comprendre pourquoi les ampoules en fin de vie claquent souvent quand on les allume.

Origine de l'ampoule à incandescence

Avant Thomas Alva Edison qui invente la première ampoule à incandescence basée sur un fil de carbone placé dans le vide, Heinrich Goebel fabriqua un filament de carbone en 1854 à partir de filament de bambou carbonisé. Il mentionna une durée de 400 heures. Goebel est parfois considéré comme l'inventeur de la lampe à incandescence.

Joseph Wilson Swan fit des essais sur les lampes à incandescence basées sur le carbone en 1850 mais leur durée de vie était courte à cause d'un vide pas assez poussé.

Ampoule à incandescence de Edison

Depuis, l'ampoule à incandescence s'est améliorée par l'usage de filaments de tantale puis de tungstène (évaporation plus lente que celle du carbone). Aujourd'hui, les ampoules à incandescence et halogène utilisent toujours le tungstène.

Principe de l'ampoule à incandescence : fonctionnement

Le filament d'une ampoule à incandescence se comporte comme une résistance électrique qui convertit la puissance électrique en chaleur (effet Joule). La température du filament monte et s'établit à une valeur telle que la chaleur dégagée par le filament soit égale à la chaleur générée par l'effet Joule. Idéalement, toute la chaleur est rayonnée. En pratique, une faible partie de la chaleur est aussi évacuée par conduction thermique dans les branches qui tiennent le filament. C'est pour cela qu'il n'est pas intéressant de faire des filament trop épais qui conduiraient trop bien la chaleur vers les cosses en dehors de l'ampoule. C'est pourquoi on ne fabrique pas d'halogène inférieures à 6 V.

La température du filament est très élevée. Dans une ampoule à incandescence classique, elle est de 2500 °C environ (2800 K). Dans les lampes halogènes haut rendement (12 V ou 24 V), elle dépasse 3000 °C (jusqu'à 3400 K).

Le tungstène, quant à lui, fond à 3410 °C. C'est la plus haute température théorique possible pour faire briller une ampoule à incandescence.

Plus un filament est chaud et meilleure est son efficacité lumineuse (émission de lumière en lumen / puissance électrique consommée en Watts). Une ampoule à incandescence traditionnelle (et interdite à la vente aujourd'hui !) de 100 Watts atteint 13,4 lumens par Watt (1340 lumens).

Ampoule à incandescence 100 W et 1340 lm (interdite à la vente depuis 2009)

Ampoules à vide ou à gaz inerte ?

Initialement, un vide poussé doit régner dans les ampoules à incandescence pour éviter l'oxydation ou même la combustion du filament métallique.

Combustion du filament d'une ampoule à incandescence

Pour réaliser ces photos, il faut briser volontairement une ampoule à incandescence neuve ou du moins qui fonctionne. Le filament est à l'air libre. On allume l'ampoule brisée et on prend une photo très peu de temps après. C'est un travail d'artiste en photo... La fumée blanche est formée de particules d'oxyde de tungstène.

Une gaz inerte dans l'ampoule ralentit l'évaporation du filament. Les atomes de tungstène gazéifié peuvent se redéposer sur le filament lui-même, ce qui le reconstitue. Ce gaz peut être de l'argon ou un mélange argon-azote. Le filament peut ainsi être porté à température plus élevée que pour une ampoule à incandescence à vide. L'efficacité lumineuse du filament est ainsi meilleure.

Cependant, le gaz inerte conduit une partie de la chaleur émise par le filament. Cette chaleur évacuée ainsi ne peut pas être rayonnée, d'où une efficacité lumineuse réduite. Si cette perte de chaleur dans le gaz n'est pas compensée par le supplément d'efficacité dû à la température plus élevée du filament, il n'est pas intéressant de remplir les ampoules à incandescence d'un gaz inerte.

La conduction thermique du filament vers le gaz est à peu près proportionnelle à la longueur du filament mais, aussi étonnant que cela paraisse, varie peu avec son diamètre. Cela signifie que les filaments fins (courant faible) et longs sont plus efficaces dans le vide alors que les filaments épais ont avantage à être utilisés dans un gaz inerte. Le seuil se situe autour de 6 à 10 Watts par cm² de filament. Ce seuil dépend un peu de la température du filament et de la taille de l'ampoule. Plus l'ampoule est grande, plus la convection dans l'ampoule augmente l'évacuation indésirable de la chaleur (qui ne sera pas rayonnée).

Ampoule à incandescence au krypton : +10 % de lumière

Une ampoule 100 W Krypton offrait 1450 lm au lieu de 1340 lm.

Comme gaz inerte, le krypton ou le xénon sont utilisés. Leurs atomes sont plus gros et permettent de mieux redéposer les atomes de tungstène évaporé sur le filament. Ces gaz conduisent moins la chaleur que l'argon. Le xénon est plus performant, mais plus cher. Avec le xénon, l'efficacité lumineuse des ampoules à incandescence est augmentée et la durée de vie aussi.

Pourquoi les ampoules à incandescence grillent quand on les allume

A cause de l'évaporation du filament de tungstène. En pratique, le filament ne s'évapore pas de façon uniforme. Certains endroits s'évaporent un peu plus vite que d'autres, c'est inévitable. Le filament devient plus fin par endroits et plus épais à d'autres.

Filament d'ampoule à incandescence au cours du temps

Ces endroits fins présentent une résistance plus élevée localement. Ceci entraîne une échauffement plus important, d'où une évaporation plus importante à cet endroit. C'est un cercle vicieux jusqu'à la rupture du filament.

Quand les ampoules à incandescence grillent-elles ?

Souvent quand on les allume. Les parties fines du filament d'une lampe usée sont plus légères et vont s'échauffer plus rapidement à l'allumage.

Le tungstène présente une résistance 10 à 15 fois plus faible à froid (au démarrage). Un appel de courant traverse le filament lorsqu'on allume l'ampoule. Quand les endroits épais du filament n'ont pas encore atteint leur température, les endroits fins l'ont déjà atteinte. A ce stade, tout le filament n'est pas chaud et le courant qui le traverse est encore un peu plus élevé. Les endroits fins du filament vont donc surchauffer tant que le reste du filament n'a pas atteint sa température. C'est pourquoi les ampoules âgées sautent quand on les allume.

Pourquoi le claquage est parfois spectaculaire ?

Lorsque le filament d'une ampoule à incandescence se casse, un arc électrique se forme parfois. Le courant qui traverse l'arc traverse aussi le filament de l'ampoule. Les extrémités du filament fondent et un arc apparaît avec un vif flash bleuté. La plupart des ampoules ont un fusible incorporé qui saute lorsque l'ampoule saute, à cause de la pointe de courant occasionnée. Les disjoncteurs ne sautent pas mais il arrive que des variateurs de lumières sautent parce que les composants électroniques sont beaucoup plus sensibles. Ainsi l'ampoule, dans sa mort, emporte avec elle son variateur.

Allumer souvent une ampoule : surconsommation ?

NON. Des gens pensent qu'allumer une ampoule fait surconsommer du courant.

En 0,1 seconde typique, le filament de l'ampoule est chaud. La surconsommation parce qu'on allume une ampoule est inférieure à l'économie réalisée si on l'éteint 1 seconde !

Cependant, si le but est d'économiser de l'argent en éteignant quelques secondes, pensez à l'usure de l'interrupteur (10 000 à 100 000 cycles).