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Lampes fluorescentes > Principale composante du vieillissement
Il existe deux types de vieillissement, qui conduisent finalement à la fin de vie d'une lampe. Le premier que l'on qualifie de vieillissement physique est dû principalement à l'érosion des électrodes et a pour conséquence en fin de vie, une impossibilité d'amorçage de la lampe. Le deuxième type appelé vieillissement économique, correspond à une baisse du flux lumineux, et à pour origine une altération des propriétés du verre, du gaz et des luminophores.
Il est également nécessaire de distinguer le vieillissement proprement dit, phénomène lent entraînant une altération des propriétés de la lampe, des conséquences aléatoires de ce vieillissement, comme, par exemple, une rupture de filament ou un arcage (phénomène rare sur le réseau européen). Ce deuxième type de phénomènes ne pouvant guère être prévu. Du point de vue de la baisse du flux lumineux en fonction du temps, l’équation de Lowry et Butler [BUT] montre que la différence entre l'efficacité initiale ?o et l'efficacité ?t au temps t (en heure), pouvait être représentée par une somme de trois termes de la forme A×(1-e-at/100) :
ηo-ηt = A1×(1-e-a1t/100) + A2×(1-e-a2t/100) + A3×(1-e-a3t/100)
ηo-ηt ≈ 0,5×(1-e-4t/100) + 3×(1-e-0,2t/100) + 15×(1-e-0,02t/100)
ηo-ηt ≈ 0,5×(1-e-4t/100) + 3×(1-e-0,2t/100) + 15×(1-e-0,02t/100)
Les évolutions les plus rapides, 100 ou 200 premières heures, seraient liées à des phénomènes de dégazage et/ou feraient intervenir des impuretés gazeuses (vapeur d'eau, hydrocarbure.) pouvant dégager de l'hydrogène atomique susceptible d'agir sur les luminophores.
Les deux autres types d'évolution font intervenir la pollution des luminophores et du verre par le mercure ainsi que l'action du rayonnement ultra violet, en particulier à 185 nm, sur les luminophores et sur le verre (solarisation).
Il faut noter qu'après sa fabrication, une lampe peut être soumise à un traitement de stabilisation, ou vieillissement. Ce traitement, de quelques minutes, diminue assez considérablement l'émission (équivalent à un vieillissement lent sur 3000h) mais la stabilise. Vrenken et all [VRE] ont montré que ce "vieillissement" rapide (6mn), conduisant à une diminution relative du flux de 10%, serait dû à l'action combinée des raies 253,7 et 185 nm pour 8% environ, à l'action de la raie 253,7 nm seule pour 0,5% et pour le reste à l'action des ions mercure.
La raie 253,7 nm, en dehors de son action faiblement négative, peut avoir une action régénérante en apportant aux électrons, créés par le rayonnement à 185 nm et qui contaminent le luminophore, l'énergie nécessaire pour les libérer.
Le vieillissement des électrodes est surtout lié à la disparition progressive, par pulvérisation et évaporation, des oxydes (Ba-Sr-Ca) qui constituent le matériau émissif de l'électrode. A haute température (1000-1300K) ces matériaux (au moins le baryum) se combinent avec le tungstène pour donner des métaux libres fortement émissifs. Le baryum neutre est extrait de l'électrode chaude qui opère à 1300-1450K. Le chauffage de l'électrode est réalisé par l'effet Joule dû au courant de chauffage (extérieur et de décharge), par la puissance dissipée à l'anode et par le bombardement ionique.
Ces phénomènes ont été depuis longtemps étudiés mais c'est seulement depuis une dizaine d'année qu'une analyse plus poussée a été entreprise.
En ce qui concerne la modification du gaz de remplissage, si des études ont été conduites sur l'influence de différents polluants, nous n'avons rien trouvé jusqu'à maintenant sur l'analyse du gaz de remplissage en fonction du temps d'exploitation.
Au total, même si les autres phénomènes ont des conséquences importantes, la durée de vie des électrodes reste le phénomène caractéristique le plus net et déterminant de la durée de vie. Il est gouverné dans la plupart des cas par l'évaporation des matériaux émissifs (ceci n'est pas le cas lors des démarrages à froid).
Influence de différents paramètres d’utilisation sur la durée de vie
A travers les phénomènes cités, divers facteurs pratiques d'utilisation influent sur la durée de vie. Nous allons rappeler l'influence des plus connus.
Les valeurs données dans les courbes suivantes correspondent à un ordre de grandeur, chaque fabrication particulière pouvant présenter sa dispersion propre.
Variation de l'efficacité lumineuse et de la mortalité avec la durée de vie
Les courbes de la Figure I-12 et de la Figure I-13 sont sans doute les plus connues. La Figure I-12 indique le nombre de lampes restantes après une fraction donnée de la durée de vie. Rappelons que cette grandeur, la durée de vie, est définie comme le nombre d’heures au bout duquel la moitié des lampes sont arrivées en fin de vie. La courbe présentée ici est une indicatrice de l’allure. Il est bien entendu que chaque type de lampes combiné à un type d’alimentation ainsi qu’à un cycle de fonctionnement donné donne des résultats très différents. Pour fixer les idées, on peut généralement s’attendre à une durée de vie de l’ordre de 20000 heures pour une lampe tubulaire fonctionnant sur un ballast électronique avec préchauffage sur un cycle de fonctionnement de trois heures. Les lampes fluocompactes montrent en général une durée de vie un peu plus faible de l’ordre de 15000 heures sur le même cycle et le même ballast.
La courbe de la Figure I-13 indique la diminution progressive de l'efficacité lumineuse au cours de la vie de la lampe. La courbe continue représente la moyenne autour de laquelle on peut observer des dispersions, liées au type de lampe et de fabricant, délimitées par des traits pointillés.
Figure I-12 : Influence de la durée de vie et sur le nombre de lampes survivantes
Figure I-13 : Influence de la durée de fonctionnement sur l'efficacité lumineuse
Variation de la durée de vie avec le nombre de démarrage à froid
L'influence des démarrages à froid, c'est-à-dire sans préchauffage ou avec un préchauffage insuffisant des électrodes, est donnée dans la Figure I-14. Cet effet est plus directement lié au fonctionnement des électrodes. La lampe va cesser de fonctionner par impossibilité d'allumage.
Figure I-14 : Influence des démarrages à froid sur la durée de vie
Variation de la durée de vie avec le facteur de crête
La Figure I-15 donne l'influence de la forme du courant. Là encore l'effet sur les électrodes intervient directement mais il est très vraisemblable que d'autres effets agissent. On sait en effet que l'augmentation du facteur de crête tend à dépeupler le coeur de la décharge en atomes neutres et à augmenter la température électronique. Il doit en résulter une augmentation relative de l'émission de la radiation à 185nm préjudiciable à la conservation des luminophores.
Figure I-15 : Influence du facteur de crête sur la durée de vie
Variation de la durée de vie avec le rapport fonctionnement-allumage
Enfin la Figure I-16 donne l'influence du temps de fonctionnement par allumage. Là encore le fonctionnement des électrodes est à mettre en cause de façon préférentielle.
Le point nominal correspond ici à la procédure de la publication n°81 de la CIE (1987), 1 allumage chaque 3h.
Figure I-16 : Influence du nombre d'heures de fonctionnement par allumage sur la durée de vie
Consommation du mercure
Au cours du fonctionnement de la lampe une partie du mercure est consommée. Bien que la lampe fluorescente fonctionne en pression de vapeur saturante, cet effet, s'il est prononcé, peut modifier le fonctionnement de la lampe en fin de vie. Par ailleurs ce mercure va, en partie, se fixer dans le verre et dans les luminophores et diminuer la transparence du verre et l'efficacité des poudres.
La Figure I-17 résume les principaux mécanismes de disparition du mercure.
Figure I-17 : Principaux mécanismes de disparition du mercure
Dans une lampe 36W de diamètre 26mm les taux de disparition du mercure sont compris entre 3 et 6 mg/5000h dans le cas d'une lampe à halophosphate, entre 0,5 et 4 mg/5000h dans le cas d'une lampe "trois bandes".
Interaction avec le verre
Actuellement on considère généralement [DOU] que les ions de mercure pénètrent dans le verre en prenant la place des ions sodium qui diffusent de la surface du verre vers la masse vitreuse selon le schéma suivant :
- Diffusion de Na+ de la surface vers le centre de la masse vitreuse
- Appauvrissement de la surface en ions sodium
- Passage de Hg* et Hg+ de la décharge dans le verre
- Réduction de Hg+ en Hg et stockage définitif dans le verre
Figure I-18 : Influence de la décharge sur un verre sodocalcique non protégé
Interaction avec les impuretés gazeuses
Les réactions du mercure avec les impuretés présentes dans une lampe fluorescente sont aussi un mécanisme de consommation important. Les principales impuretés sont CO2, H2O et des espèces carbonées. Dans la décharge, ces espèces se dissocient facilement en créant une grande variété d'espèces différentes.
La présence d'oxygène favorisera par ailleurs la consommation en mercure causée par la formation de HgO.
Dans le cas des oxydes de carbone (résidus de formation des électrodes), la formation de HgO est accompagnée de la formation de carbone, donnant les réactions globales :
CO2+2Hg→2HgO+C,
CO+Hg→HgO+C.
CO+Hg→HgO+C.
Un cas spécial de l'interaction du mercure avec les impuretés est la formation de taches noires spécialement dans les lampes fluo-compactes. Ces taches noires sont composées de carbone, de mercure et de sodium.
Interaction avec les électrodes
Durant le fonctionnement d'une lampe fluorescente, le mélange émissif qui recouvre les électrodes s'évapore. Cette évaporation est responsable de la formation d'amalgames Ba- Hg et HgO. Ces composés volatils se déposent sur la couche de luminophores périphérique aux électrodes, entraînant un noircissement de cette partie.
Interaction avec les luminophores
Les phénomènes sont complexes et dépendent en particulier des caractéristiques de la décharge et de la nature des luminophores. Le Tableau I-1 donne quelques ordres de grandeurs sur ce phénomène.
| Type de luminophore | Verre sodique Qté de Hg en μg/cm²/15000h | Verre boraté Qté de Hg en μg/cm²/15000h |
|---|---|---|
| Halophosphate | 7,5 | 0,5 |
| BAM (bleu) | 1,5 | 1,5 |
| CAT (vert) | 5,5 | 0,2 |
| Y2O3:Eu (rouge) | 1 | < 0,1 |
| Tableau I-1 : Quantités de mercure dans différents luminophores après 15000h de fonctionnement et pour deux types de tubes | ||
Les interactions entre le mercure et les luminophores restent encore mal comprises. On pense qu'une fine couche de mercure se déposerait sur ces luminophores. Des essais prouvent que ce phénomène contribue à la dépréciation des phosphores.