Ampoule à incandescence : durée de vie

La tension d'alimentation est primordiale, mais, contrairement à une idée reçue, le fait d'éteindre et d'allumer souvent une ampoule ne joue guère sur sa durée de vie.

Comment augmenter la durée de vie des ampoules à incandescence ?

En réduisant un peu la tension à leurs bornes. En réduisant la tension, on réduit la température, ce qui augmente considérablement la durée de vie.

En augmentant de +1% la tension d'alimentation (230 V vers 232,3 V), on obtient :

• +3.4% de flux lumineux (lumens)
• +1.6% de puissance consommée (+1,4% à +1,55% selon d'autres sources)
• +0,6% de courant consommé (+0.4% à +0.55% selon d'autres sources)
• +0.42% de température de couleur
• -16% de durée de vie

(source : Wikipedia "incandescent light bulb")

+1% de tension en plus fait diminuer de 16% la durée de vie d'une ampoule à incandescence !

La durée de vie d'une ampoule à incandescence est environ doublée avec 5% de tension en moins (218,5 V au lieu de 230 V) mais la luminosité est aussi diminuée de 17 % (= 5 x 3,4) environ.

Comparaison en économie : l'élasticité

Ces variations relatives sont exactes localement autour de la tension nominale. Ce sont des rapports de variations relatives, donc des rapports de deux rapports. Cette définition est à comparer, en économie, à l'élasticité (notée e) de la demande.

Si le prix augmente de 1 %, de combien de % varie la demande ?

Remarque mathématique : différentielle logarithmique

On reconnait que l'augmentation relative de puissance consommée est la somme des augmentations relatives de la tension (+1 %) et du courant (+0,6 %), ce qui donne +1,6 % de puissance. C'est un raisonnement sur des variations infinitésimales. La transformation du produit (P=UI) en somme (de variations) se retrouve par différentielle logarithmique.

Théorie du rayonnement : loi de Stefan

La loi de Stefan donne le rayonnement du corps noir. Le flux total émis (rayonné) est proportionnel à la puissance quatrième de la température.

On peut en déduire que la variation relative de température du corps noir est égale à 4 fois la variation relative de flux émis.

On utilise l'approximation :

Si on assimile le filament d'une ampoule à incandescence à un corps noir théorique, on retrouve bien qu'une variation de puissance (absorbée électriquement, donc émise sous forme de rayonnement) de 1,6 % entraîne une variation de température de 1,6 / 4 = 0,4 %. Ici, la littérature donne une variation de 0,42 % en température de couleur.

La température et la température de couleur sont quasi égales puisqu'on est dans le cas d'un corps noir. La lumière émise est liée à la température (et au verre de l'ampoule, mais il n'est pas teinté).

En pratique : diode en série

On peut insérer une diode en série avec l'ampoule. Le courant ne peut plus passer que la moitié du temps. La puissance consommée par l'ampoule est réduite d'environ 40 % (pas 50 % puisque le filament est plus froid : sa résistance est plus faible). La luminosité est réduite de 70 %. L'efficacité lumineuse est réduite. Cette situation est intéressante pour des ampoules à incandescence situées dans des endroits difficiles d'accès.

Filament d'ampoule halogène sous tension très réduite (5 V au lieu de 12 V)

Démarrage en douceur (softstart)

Peu utile. Il existe des composants électroniques qui permettent de réduire l'appel de courant à l'allumage de l'ampoule (résistances NTC).

Ces résistances valent 10 ou 20 Ohms à froid lors de l'allumage et chutent à quelques Ohms en fonctionnement (à chaud).

En réalité, cela n'augmente guère la durée de vie de l'ampoule à incandescence. Cela permet de réduire les pointes de courant, mais le filament sur le point de sauter est déjà très usé. On peut espérer quelques % tout au plus.

Alimentation avec une tension continue ?

Tout à fait possible à condition d'avoir une valeur efficace identique. Une ampoule 230 V alternatifs peut être alimentée par du 230 V continus si on dispose d'une telle source de tension. De même pour les ampoules halogène 12 V qui connaissent le 12 V continu (voitures), le 12 V 50 Hz (transfo ferromagnétique) et le 12 V efficaces haute fréquence (transfo électronique).

L'alimentation en continu a l'avantage de ne pas faire vibrer le filament à la fréquence secteur. Dans certains cas, cette vibration peut réduire la durée de vie de l'ampoule. Cependant, cela est rare.

L'alimentation en continu a aussi l'avantage de ne pas faire varier la température du filament autour de sa température moyenne. Il vaut mieux qu'un filament soit à 2500°C en permanence plutôt qu'alterner entre 2400°C et 2600°C. La perte de durée de vie à 2600°C est supérieure au gain à 2400°C.

Filament d'ampoule 230 V alimentée par 60 V. L'ampoule pourra durer des années...