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LUMINOTECNIA
Naturaleza de la luz.‐
Hay dos teorías básicas de la naturaleza de la luz, la fotónica y la electromagnética. De ambas la más aceptada es la teoría electromagnética y es la que se emplea para luminotecnia. Esta teoría sostiene que la luz es una radiación electromagnética proveniente de una fuente luminosa. El espectro electromagnético que nos rodea es muy amplio. Las radiaciones electromagnéticas se pueden clasificar en clases, aunque los límites no están bien definidos.( radiofrecuencias, radiación infrarroja, radiación luminosa, radiación ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos)
El ojo humano es estimulado por las longitudes de onda correspondientes al espectro visible las cuales son convertidas en la sensación de visión que percibe el cerebro. El espectro visible abarca desde las longitudes de onda de 760 mμ 380 mμ (7600 Amstrongs a 3800 Amstrongs) El ojo humano se comporta como una cámara fotográfica. El cristalino se encarga de enfocar las imágenes en la retina. La cantidad de luz que ingresa al ojo se regula con la abertura de la pupila. Esas posibilidades de regulación del ojo permiten al ser humano ver en distintas condiciones de iluminación natural, desde el amanecer hasta el atardecer.
La retina del ojo no produce la misma sensación luminosa para todas las longitudes de onda visibles. Se ha obtenido una curva de eficiencia luminosa espectral admitida internacionalmente en 1924 por la Commisión International de L'Eglariage. En esta curva se puede observar que la mejor respuesta del ojo humano se obtiene para una
longitud de onda de 555 mμ que corrresponde al color verde.
Fuentes luminosas.‐
Para ampliar su visión mas allá de las horas diurnas y de los espacios libres el hombre ha tenido que reemplazar la luz natural por fuentes luminosas artificiales que se clasifican según el cuadro que sigue:
filamento Manantiales incandescentes piroluminiscencia (llama) candoluminiscencia (mechero a gas) arco de carbón
descarga gaseosa
fluorescencia fotoluminiscencia fosforescencia láser de estado sólido
catodoluminiscencia Manantiales luminiscentes electroluminiscencia diodos emisores de Luz.
galvanoluminiscencia cristaloluminiscencia quemiluminiscencia
Magnitudes fotométricas.‐
Existen las llamadas magnitudes radiométricas que se emplean en física y abarcan todo el espectro electromagnético. Aquí se hace referencia a las magnitudes radiométricas aplicadas exclusivamente a la radiación visible. Una fuente luminosa es un conversor que convierte otra forma de energía en energía radiante, aquí se analiza solamente la del espectro visible. Existen dispositivos para medir la energía radiada por un cuerpo o un proceso, para cada longitud de onda. La energía luminosa o cantidad de luz (Q) es una valoración de la energía fotométrica radiada por una fuente luminosa durante todo el intervalo de análisis, según la radiación equivalente relacionada con la sensibilidad espectral del ojo. Esta magnitud depende del intervalo de tiempo de análisis por lo tanto es conveniente definir otra magnitud. Se define como flujo luminoso (φ) de una fuente a la cantidad de luz emitida por la misma en la unidad de tiempo. Sería un equivalente de la potencia (energía/tiempo) que también podría haberse llamado "potencia luminosa" y que sería la potencia radiada en forma de luz visible.
Otra magnitud de mucha importancia es la Luminancia. Esta es una magnitud que tiene mucho que ver con el objeto iluminado y se define como la densidad de intensidad luminosa que una superficie emite en una determinada dirección y se obtiene dividendo la intensidad luminosa por la superficie aparente I/A.cosϕ. (brillo)
I
A
L
I
L=
I
A
La luminancia depende mucho de la textura y del color de la superficie del objeto observado. Otro parámetro de las fuentes eléctricas que puede interesar es el rendimiento y se define como el cociente entre el flujo luminoso y la potencia eléctrica consumida.
Unidades
La unidad de partida o base de todas, es la de intensidad luminosa llamada candela [Cd] que es la intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación
monocromática de frecuencia 54012 Hz y de una intensidad energética en esa dirección de 1/683 W por estereoradián. La unidad de flujo luminoso es el lumen [lm] y se define como el flujo luminoso abarcado por un ángulo sólido de un estereorradián cuando la intensidad luminosa de la fuente, en todas las direcciones dentro de ese ángulo sólido es de 1 candela La unidad de energía luminosa es el lumen hora [lm h] La unidad de iluminancia es el lux [lx]‚ que equivale a un lumen por metro cuadrado. La unidad de luminancia‚ es el stilbert (Sb)‚ que equivale a una candela por cm. Otro parámetro que es de interés para las fuentes luminosas es la eficiencia luminosa que es el cociente entre el flujo luminoso emitido y la potencia consumida y se mide en [lm/W]. Una característica de interés para las fuentes luminosas, es la distribución espectral ‚ en la cual se cuantifica la potencia irradiada para cada intervalo de longitud de onda.
5 .lm
Un parámetro que suele aparecer en los catálogos de fuentes luminosas es la temperatura de color. Este parámetro está referido a las características de emisión del "cuerpo negro" para determinadas temperaturas en grados Kelvin. Según la Ley de Plank el flujo radiante de un "cuerpo negro" es función de la temperatura del mismo y de la longitud de onda. En la medida en que se aumenta la temperatura, aumenta el flujo radiante máximo pero disminuye la longitud de onda para la que se produce la emisión máxima. Para que se tenga una idea de los valores se da a continuación una relación entre la apariencia de color con que se designa a los tubos fluorescentes y la temperatura de color correspondiente: blanco cálido ............... 3000 K blanco frío .................. 4200 K blanco .......................... 3500 K luz de día.. .................. 6500 K Otro término de interés es el rendimiento de color que es una medida de la distribución espectral de la fuente. Para su determinación se sigue el método indicado por la CIE en 1965 y consiste en iluminar con la fuente luminosa ocho colores de prueba y comparar con los valores obtenidos por una fuente patrón que es el "cuerpo negro" a 5000º K. En los catálogos de lámparas figuran a veces las curvas de depreciación luminosa (flujo luminoso vs. tiempo), curvas de mortalidad‚(supervivencia Vs. tiempo), performance de la lámpara con la variación de tensión y para el caso de las lámparas de descarga también suelen acompañar la performance durante el encendido.
Lámparas.‐
Imáx.
Lámparas proyectoras
Las lámparas proyectoras de vidrio moldeado pueden emplearse a intemperie y tienen una mayor precisión en lo referente a la proyección del haz. Se las emplea en iluminación de vidrieras, fachadas de edificios, iluminaciones de acentuación, marquesinas, etc.
Lámparas incandescentes Halógenas.‐
Para evitar la evaporación del filamento se agrega al gas normal que rellena la ampolla un elemento químico de la familia de los halógenos (por ejemplo: yodo, cloro, bromo) estableciéndose un ciclo de regeneración que evita el ennegrecimiento de la ampolla. En estas lámparas alógenas la temperatura de la ampolla es lo suficientemente alta como para que no se produzca condensación. Dado que la temperatura que el ciclo regenerativo del alógeno necesita debe ser alta, las lámparas alógenas son mucho más pequeñas que las lámparas incandescentes normales y por lo tanto la envoltura tubular se fabrica con cristal especial de cuarzo que soporta dichas temperaturas.
Gas halógeno
cuarzo
Se las emplean principalmente en alumbrado de proyección, en proyectores de imágenes así como en faros de automóviles. Son las llamadas lámparas de cuarzo‐iodo. Las lámparas incandescentes halógenas gozan de las siguientes ventajas respecto a las incandescentes comunes: ‐ menores dimensiones ‐ mayor rendimiento luminoso por la temperatura de trabajo ‐ mayor vida útil ‐ constancia del flujo luminoso durante la vida útil de la lámpara.
Lamparas halógenas para proyectores.‐
Flujo luminoso (lm)
Vida útil : 2000 hs
Potencia
Estas lámparas tienen un buen rendimiento de color. La posición de funcionamiento es horizontal. La temperatura máxima admisible en el bulbo es de 900°C y en los casquillos es de 350 °C. Este tipo de lámparas se emplea en interiores para alumbrado de grandes áreas, comercios, vidrieras, stands de exposiciones, espacios deportivos, piscinas etc. y en exteriores para áreas deportivas, para áreas de estacionamiento, estatuas, fachadas, carteles publicitarios.
Lamparas incandescente halógenas para 220 V.‐ Con el criterio de la doble ampolla (una de cuarzo y la otra de vidrio) pero con una disposición distinta del filamento se construyen estas lámparas que pueden funcionar en cualquier posición.
Potencia
color°K
vida promedio: 1500hs.
Estas lámparas ofrecen la ventaja de poder reemplazar cómodamente a las lámparas incandescentes comunes con la ventaja de una mayor eficiencia luminosa, una mayor vida útil, una temperatura de color de 2900K y un excelente rendimiento de color.
Lamparas incandescente halógenas para 12 V.‐ Son las conocidas como "bipin" por la forma de su zócalo. Como es una lámpara de baja tensión hay que instalarlas con transformador pero como posee un filamento concentrado (casi puntual) permite un buen enfoque y además es de gran robustez y se puede elevar la temperatura de color a 3000K, mejorar tanto el rendimiento como la eficiencia luminosa y aumentar la vida útil a 2000 horas. Potencia
color°K
vida promedio: 2000hs.
Lámparas incandescente halógenas para 12 V con reflector metálico.‐
Este tipo de lámparas es ideal para iluminar objetos que pueden ser afectados por el calor,
p.e.: Cuadros, alimentos, telas etc. Son muy usadas en exposiciones de arte y museos.
También se las usa para luminarias de mesa o escritorio.
La vida útil promedio de este tipo de lámparas es de unas 3000 hs. y la temperatura de color
3100K.
Lámparas de descarga.‐
En las lámparas de descarga gaseosa la corriente circula por una masa gaseosa mediante la ionización del gas. Al arrancar los electrones de sus órbitas o al moverlos entre órbitas de distintos niveles de energia se produce emisiónes de radiación asociadas con distintas longitudes de onda según el gas y las condiciones del mismo.
Lámparas fluorescentes.‐
En una lámpara fluorescente el tubo de descarga está relleno de un gas inerte y una pequeña cantidad de mercurio en ambas formas: líquida y vapor a muy baja presión. En cada extremo del tubo va alojado un electrodo sellado herméticamente. El interior del tubo esta recubierto por una mezcla de polvos fluorescentes. Estos convierten la radiación ultravioleta de la descarga en mercurio en otras longitudes de onda más largas dentro del intervalo visible. Se dispone para este fin de una gran variedad de polvos fluorescentes (fósforos) que mezclados adecuadamente pueden producir luz de distintas temperaturas de color. Para facilitar el arranque los electrodos se precaldean antes de su ignición. Para la ignición se emplea un impulso de alta tensión. Por las características de la descarga gaseosa el tubo fluorescente no puede funcionar conectado directamente a la red, debe llevar un limitador de corriente que es la reactancia o balasto. Para el arranque también debe preveerse un dispositivo ignitor o arrancador.
Potencia [W]
Longitud [mm]
Flujo luminoso [lm] Los valores de flujo 15 437 810 luminoso están dados 20 590 1.150 para los tubos de 30 895 2.300 color blanco standard 40 1.200 2. 65 1.500 4.200 La vida útil promedio 110 2.385 7.500 es mayor que 7.500 hs.
Además de las lámparas tubulares rectas básicas existe un gran número de tipos especiales de forma más compacta. en este grupo se incluyen las circulares, en forma de U y W, estas últimas suelen incluir el balasto integral (electrónico) con una rosca E‐27. Son las llamadas lámparas de bajo consumo que poseen una vida útil del orden de las 7000 hs.
Lámparas de descarga de alta intensidad.‐
El principio de emisión de luz de la lámpara de descarga de alta intensidad es el mismo que el de las lámparas fluorescentes, lo que cambia son las condiciones de trabajo. Las lámparas de descarga de alta intensidad se fabrican en 4 tipos básicos: ‐ de vapor de mercurio ‐ de mercurio halogenado ‐ mezcladoras ‐ de vapor de sodio
Lámparas de vapor de mercurio.‐
Las lámparas de vapor de mercurio poseen un gran renidmiento y una extraordinaria vida útil. Esto hace que se empleen en alumbrado público, iluminación de exteriores e iluminación de grandes naves industriales. Las lámparas de vapor de mercurio están formadas por un tubo de descarga de cuarzo contenido en una ampolla ovoidal internamente recubierta de material fluorescente cuya finalidad es convertir la radiación ultravioleta de la descarga, especialmente en la parte roja del espectro en radiación visible. El tubo de descarga es de cuarzo posee los electrodos de funcionamiento en sus extremos y un electrodo auxiliar para el arranque cercano a uno de los anteriores. Cuando se somete la lámpara a tensión se comienza a producir ionización en la zona cercana al electrodo de arranque cuando hay suficiente cantidad de gas ionizado y suficiente temperatura se produce la descarga a través de los electrodos extremos que ofrece menor resistencia, ya que el electrodo de arranque posee una resistencia limitadora.
tubo de descarga electrodos principales
resistencia electrodo auxiliar limitadora de arranque
350 400 450 500 550 600 650 700 m
20
10
Potencia
[W]
Flujo luminoso
[lm]
Rend. de
color (%) 400 31.500 70 vida útil prom. 1000 81.000 67 6000 hs 2000 189.000 70
Lámparas de vapor de mercurio halogenadas para interiores.‐
Debido al gran rendimiento de color y a su alta eficiencia la lámpara de vapor de mercurio halogenada se ha adaptado a su uso en interiores construyéndose en potencias más bajas y con una disposición distinta especialmente en lo que respecta a su envoltura exterior que es de cuarzo con contactos en sus extremos. Estas lámparas (conocidas comercialmente en una marca como Metalite) se emplean en alumbrado decorativo y de acentuación, iluminación de vidrieras, salones de exposición y ventas, etc.
Potencia
[W]
Flujo luminoso [lm]
Eficiencia luminosa [lm/W}
Temperatura de color [ º K]
Vida útil promedio: 6.000 hs. 70 5000 71,4 3000 Vida nominal 150 11250 75 4200 promedio: 250 20000 80 4200 8.000 hs.
Lámparas de vapor de sodio de baja presión.‐
El tubo de descarga de una lámpara de sodio a baja presión es de forma de "U" y está encerrado dentro de una envoltura de cristal tubular a la que se le ha hecho el vacío y que tiene revestida la pared interna con óxido de Indio. La Lámpara de sodio a baja presión se caracteriza por su radiación casi monocromática, alta eficiencia luminosa que puede alcanzar los 200 Lm/W y larga vida. Otra característica de esta lampara es una muy baja depreciación luminosa.
Se utiliza cuando no es importante la reproducción de colores pero sí la percepción del contraste, por ejemplo en autopistas, puertos y playas de maniobra.
Potencia [W]
Flujo luminoso [lm]
Eficiencia luminosa [lm/W]
Vida útil promedio: 10.000 hs.
18 1.800 100 Luz monocromática 55 7.700 140 Tensión nominal: 220 V 135 21.500 160 Tensión de encendido 180 32.000 178 de 400 a 580 V
Lámparas de vapor de sodio de alta presión.‐
El tubo de descarga de estas lámparas contiene sodio, algo de mercurio como gas corrector de color y se incluye una pequeña cantidad de xenón para facilitar el encendido. El tubo de descarga es de óxido de aluminio sinterizado, que resiste la intensa actividad química del vapor de sodio a la temperatura de funcionamiento de 700 °C, y se aloja en el interior de una ampolla protectora de vidrio duro (borosilicato) en la que se ha hecho el vacío. El tubo de descarga es translúcido para un 95 % de la radiación visible. La lámpara no posee electrodo auxiliar de arranque por lo tanto requiere de un ignitor que provee cortos pulsos de alta tensión. Los pulsos tienen suficiente amplitud y duración como para ionizar el gas xenón.
Estas lámparas se emplean con balastos de mayor potencia, p.e. la lampara de sodio de 210 W se usa con balasto de Hg de 250W. Estas lámparas son aproximadamente el doble de eficientes que las de Hg de allí su diseño para el reemplazo directo.
Lámparas de vapor de sodio de alta presión blancas.‐
Estas lámparas constan de un tubo de descarga de óxido de aluminio sinterizado que contiene una mezcla de sodio, mercurio y alogenuros de forma tal de obtener una luz blanca (2500K). Estas lámparas por sus características están diseñadas para iluminación de interiores, especialmente iluminación de acentuación.
Diseño de iluminación de interiores.‐
En un diseño de iluminación hay que tener en cuenta varios aspectos:
‐ Rendimiento visual Tamaño aparente ‐ contraste ‐ iluminación ‐ Comodidad y agradabilidad visuales El alumbrado debe ayudar a la decoración y no interferir con ella. Lo que interesa es el grado de satisfacción visual. ‐ Eficacia en energía y costo Considerar el costo real, no solo los Kwh y el costo inicial.
Los parámetros que definen la cantidad y calidad del alumbrado de un local:
‐ Nivel de iluminación ‐ Distribución de luminarias en el campo visual ‐ Deslumbramiento ‐ Modelado ‐ Color ‐ Estética del equipamiento.
La luminancia de los alrededores de la tarea visual debe ser menor que la luminancia de la tarea misma pero nunca inferior a 1/3 de dicho valor.
Escala de luminancias para iluminación de interiores.‐
En iluminación de interiores hay que distinguir lo que es diseño de lo que es cálculo. El cálculo es parte del diseño.
Cálculo de iluminación de interiores.‐
Parámetros que intervienen en el cálculo de iluminación : ‐ tarea visual ‐ sistema de iluminación ‐ tipo de iluminación ‐ fuente elegida ‐ artefacto elegido
El sistema de iluminación puede ser: ‐ alumbrado general ‐ alumbrado general localizado ‐ alumbrado localizado
Es muy usado el sistema de alumbrado general con un nivel y luego el refuerzo con iluminación localizada. El alumbrado general es muy usado en oficinas y en plantas industriales de distribución homogénea. El alumbrado general localizado se emplea en plantas industriales o talleres con líneas o zonas bien identificadas de trabajo. El alumbrado localizado es la iluminación de la tarea en sí misma. Cuando esto se complementa con alumbrado general hay que tener en cuenta las molestias de adaptación visual.
tipo de iluminación flujo luminoso dirigido al hemisferio inferior (%) ‐ directo entre 90 y 100 ‐ semi‐directo entre 60 y 90 ‐ directo‐indirecto entre 40 y 60 ‐ semi‐indirecto entre 10 y 40 ‐ indirecto entre 0 y 10
Cálculo por iluminación media.‐
El primer y más importante dato que se requiere cuando se va a efectuar un cálculo de iluminación es el nivel de iluminación requerido en lux.
Visión ocasional solamente 100
para permitir movimientos seguros , por ejemplo en lugares de poco tránsito, sala de calderas, depósitos de materiales toscos y voluminosos, placares y armarios
Tareas intermitentes ordinarias
y fáciles, con contrastes fuertes
100 a 300 trabajos toscos, intermitentes y mecánicos, inspección general y contado de partes de stock, colocación de maquinaria pesada
Tareas moderadamente críticas
y prolongadas, con detalles
medianos
300 a 750 trabajos medianos, mecánicos y manuales, inspección y montaje; trabajos comunes de oficina tales como: lectura, escritura, archivo
Tareas severas y prolongadas y
de poco contraste
700 a 1500 trabajos finos, mecánicos y manuales, montaje e inspección, pintura extrafina, sopleteado, costura de ropa oscura
Clase de tarea visual Iluminación sobre el
plano de trabajo [lux]
Ejemplos típicos de tareas visuales
Tareas muy severas y
prolongadas, con detalles
minuciosos o de muy poco
contraste
1500 a 3000 montaje e inspección de mecanismos delicados, fabricación de herramientas y matrices; inspección con calibrador, trabajo de molienda fina
3.000 trabajo fino de relojería y reparación
Tareas Excepcionales, difíciles o
importantes
5000 a 10000 casos especiales, como por ejemplo; iluminación del campo operatorio en una sala de cirugía.
En función del tipo de local se efectúa: ‐ la elección artefacto ‐ la determinación de k a x b k = ⎯⎯⎯⎯ h x (a + b)
‐ coef. de reflec. del techo ‐ coef. de reflec. de paredes ‐ coef. de reflec. del piso
Con todos los elementos mencionados se va a la tabla y se obtiene el rendimiento η
1,25 x E x (a x b) n = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ η x Φ L
1,25 es un coeficiente que tiene en cuenta la depreciación de la lámpara con el uso
Distribución de luminarias.‐ Hay varios criterios según el manual que se emplee, normalmente se hace un prediseño tentativo y luego se lo verifica. En ese prediseño se tiene en cuenta la distancias máximas entre artefactos.
Una vez determinado el número de lámparas y consecuentemente el número de artefactos hay que verificar que en la distribución se cumpla la siguiente relación
d ≤ 0,7 h para tubos fluorescentes
d ≤ 0,5 h para lámparas incandescentes
