Principe de fonctionnement d'une lampe fluorescente

La Figure I-2 représente une lampe fluorescente tubulaire classique. Elle se compose d’une enceinte de verre recouverte de phosphores et contenant les gaz de remplissage. Aux deux extrémités, les électrodes permettent de relier la lampe au circuit extérieur.





Les électrons émis à la cathode sont accélérés dans le champ électrique et vont effectuer des collisions au sein d’un mélange gazeux constitué de mercure et de gaz rares. Ils vont exciter les atomes de mercure qui vont émettre un rayonnement dans l’ultra violet. Par la suite le rayonnement UV émis va être converti en rayonnement visible par le biais des phosphores recouvrant la paroi interne du tube à décharge.

Dans ce type de décharge le mercure, à une pression de l’ordre du mtorr, est le gaz actif alors que le gaz rare (ou le mélange de gaz rares), à une pression de l’ordre du torr, a pour fonction principale de limiter le libre parcours moyen des électrons et est appelé gaz tampon. Sans la présence du gaz rare l’énergie injectée dans la décharge serait en grande partie dissipée sur la paroi du tube et l’efficacité lumineuse en serait grandement affectée. De plus, le choix de l’Argon comme gaz rare permet de bénéficier de l’ionisation Penning (Ar*+Hg→Ar+Hg⁺+e).

Il faut noter que le comportement de ce type de lampe est très sensible à la température du point froid qui va conditionner la pression de vapeur saturante de mercure à l’intérieur de l’enceinte. A des basses températures de point froid, le mercure ne sera pas présent en quantité suffisante et par conséquent l’efficacité lumineuse sera médiocre. Ainsi dans des ambiances froides, on peut parfois voir des lampes fluorescentes émettre une teinte rosée, qui correspond au rayonnement du gaz rare. A haute température, la grande quantité de mercure va favoriser le phénomène d’auto absorption de ses raies de résonance, ce qui va avoir pour conséquence d’emprisonner le rayonnement à l’intérieur de la décharge. Il existe donc une température pour laquelle l’efficacité lumineuse est optimale, et pour laquelle on obtient le meilleur compromis entre quantité de gaz de travail et emprisonnement du rayonnement.

Ce type de décharge à basse pression est hors équilibre thermodynamique, car à ces faibles pressions de remplissage les électrons, les ions et les neutres ne peuvent pas se thermaliser. Il en résulte une température électronique (11000 °K) beaucoup plus élevée que celle des particules lourdes (350 °K).

L’efficacité du mercure dans son rôle d’émetteur s’explique par les deux transitions de résonances mises en jeu dans le rayonnement. Malheureusement ces deux raies émettent des radiations dans la gamme de l’ultra violet (185 nm et 254 nm), radiations qui sont invisibles pour l’oeil humain. Une conversion est donc nécessaire pour produire la lumière. Ce rôle est confié à la couche de phosphore recouvrant l’intérieur du tube, mais entraîne en contrepartie une perte d’énergie importante, même si de gros progrès sont sans cesse réalisés dans ce domaine. Il en résulte un rendement de conversion global d’environ 25% (80-100 lm/W) ce qui reste très performant si on compare ces valeurs au rendement d’une lampe à incandescence d’environ 5% (20 lm/W). On peut voir sur la Figure I-3 un bilan de puissance typique d’une lampe fluorescente de 40W.