Des alternatives aux lampes à incandescence. Bac S Nlle Calédonie 2016.



20% de la consommation d'énergie électrique mondiale sont consacrés à l'éclairage.
Ainsi, depuis 2012, l'Union Européenne réglemente la vente des lampes à incandescence.
L'objectif de cet .exercice est de justifier cette réglementation et d'étudier des alternatives possibles aux lampes à incandescence.

Questions préliminaires.
1. Calculer la puissance électrique nécessaire à une lampe blanche à DEL avec luminophore pour fournir la même puissance lumineuse qu'une lampe à incandescence d'une puissance électrique de 60 W. Montrer que le pourcentage d'économie réalisée est de l'ordre de 93 %.
Efficacité lumineuse d'une lampe à incandescence : 10 lm W-1.
Puissance lumineuse perçue par l'oeil : 60 x10 = 600 lm.
Efficacité lumineuse d'une lampe  à DEL avec luminophores : 150 lm W-1.
A puissance lumineuse égale, puissance électrique correspondante : 600 / 150 = 4 W.
Economie : 60-4 = 56 W soit 56 / 60 = 0,93 ( 93 %).
2. Associer chacun des spectres d'émission suivants à celui d'une lampe à incandescence dont le filament a une température de l'ordre de 3000 K, à celui d'une DEL ou à celui d'une lampe blanche à DEL bleue avec luminophore. Justifier.
Le spectre de la lampe à incandescence  ( filament  chauffé à 3000 K) présente un maximum vers 1000 nm ( IR). Le rayonnement thermique s'étend de 400 nm à  plus de 2000 nm.
Le spectre de la DEL avec luminophore présente un maximum  vers 450 nm et un autre compris entre 550 et 600 nm.
Le spectre de la DEL est quasi monochromatique.




Problème.
On souhaite remplacer une lampe à incandescence destinée à l'éclairage domestique en utilisant au moins deux constituants parmi les suivants:
le YAG ;
une ou plusieurs DEL décrites précédemment.
Il existe deux solutions de remplacement utilisant deux techniques différentes.
 Indiquer les constituants à utiliser pour fabriquer chacune des deux lampes.
 Justifier par des calculs numériques le choix des semi-conducteurs à employer.

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Une première consiste à associer des DEL de couleurs différentes.
Le spectre d'une DEL est quasi monochromatique et doit présenter un maximum dans le domaine visible.
Semi-conducteur
GaSb
GaAs
AlGaAs
GaP
InGaN
Energie des photons émis  : E( J) 
0,68 x1,6 10-19
~1,1 10-19
2,3 10-19
2,8 10-19
3,6 10-19
4,3 10-19
Longueur d'onde (m) l = hc / E
6,63 10-34 x3 108 /(1,1 10-19)
=1,8 10-6 m
8,6 10-7
7,0 10-7
5,5 10-7
4,7 10-7
Domaine
IR ( ne convient pas)
IR ( ne convient pas)
Visible
(rouge)
Visible
(vert)
Visible
(bleu)
La synthèse additive du bleu, du vert et du rouge donne le blanc.
Une deuxième consiste à recouvrir une DEL bleue d'un luminophore. Dans ce cas, une partie des photons émis
par la DEL excite les molécules du luminophore. Lors de leur désexcitation, ces molécules émettent alors de
la lumière dans une large gamme de longueurs d'onde. Le YAG (Grenat d'Yttrium et d'Aluminium) peut être
employé comme luminophore.

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