Monografía - Luminotecnia

LUMINOTECNIA

Por: Gutiérrez D, Bruno L,

Gallo P, Nepote E

Luminotecnia desde un punto descriptivo para interiores.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al Ing. Olivero Luis Francisco por los consejos y orientación al desarrollo de la presente monografía.

ÍNDICE GENERAL

Introducción General……… pág. 3 Historia de evolución de las lámparas……….. pág. 4 Fundamentos y conceptos de luminotecnia……….. pág. 7 Luminotecnia……… pág. 7 Definiciones útiles en luminotecnia………..pág. 9 Magnitudes fotométricas……….. pág. 11 Ley del cuadrado de las distancias………pág. 14 Ley del coseno………...pág. 15 Curvas de distribución luminosa………..……….pág. 16 Curvas Isolux………...………..pág. 17 Fuentes luminosas………..pág. 19 Lámparas Incandescentes……….. pág. 20 Lámparas Fluorescentes……… pág. 22 Lámparas Fluorescentes de bajo consumo………...…………..pág. 23 Lámparas de vapor de Mercurio………pág. 25 Lámparas de Vapor de Sodio……….pág. 27 Lámparas de Inducción Magnética………pág. 29 Lámparas LED………...pág. 30 Fisiología del ojo humano………..pág. 33 El ojo humano como receptor de luz………..pág. 33 Estructura del ojo humano………..pág. 33 Formación de las imágenes en el ojo………..pág. 35 Factores que influyen en la percepción visual………pág. 36

Salud visual ocupacional………pág. 39 Iluminación de interiores………pág. 45 Iluminación de emergencia……..………...pág. 45 Factor de mantenimiento y coeficiente de utilización………pág. 48 Instrumento de medición……… pág. 52 Metodología de medición……….. pág. 54 Carteles y colores………....pág. 56 El color………pág. 56 Colores y señales de seguridad………pág. 58 Apéndice………..pág. 64 Apéndice A: Síntomas ametrópicos…..………..……….pág. 64 Apéndice B: Protocolo de medición de la iluminación en el Ambiente Laboral… pág. 67 Anexo………...pág. 71 Anexo 1: Hoja de datos diodo LED………...pág. 71 Anexo 2: Anexo IV de Decreto Reglamentario 351/79 de la Ley 19587……..…..pág. 74 Bibliografía………pág. 75

INTRODUCCIÓN GENERAL

La luz es la parte de la energía radiante evaluada visualmente, es decir, la energía que, al interactuar con alguna superficie, se refleja o se trasmite hacia el sistema visual y produce la respuesta de los fotoreceptores, dotando al ser humano del sentido de la visión. Una comprensión integral de la luz implica, además de una aproximación desde la física, la consideración de la respuesta del ser humano, tanto psicológica como fisiológica, ya que la iluminación tiene un propósito más amplio que el de asegurar que los objetos sean vistos.

En este trabajo, se trató de reunir diversos temas, que van desde la parte legal, la

influencia psicológica y en la persona de las falencias de los sistemas de iluminación, además de la parte física y los cálculos.

En resumen, de tratará de buscar una buena solución en el diseño de un sistema de iluminación que asegure la eficiencia visual, confort visual y un medio ambiente apropiado a las personas que utilizarán ese espacio, así como consideraciones energéticas, condiciones térmicas, acústicas y visuales, ya que todas en conjunto conducirán a una mayor productividad en los usuarios de ese espacio.

HISTORIA DE EVOLUCIÓN DE LAS LÁMPARAS

Se describe brevemente a continuación la línea temporal evolutiva de las lámparas, desde las primeras formas fuentes luminosas artificiales, hasta las más modernas lámparas presentes en la actualidad.

Las primeras formas de iluminación se dieron con las fogatas utilizadas para calentarse y protegerse de los animales salvajes. Las chispas que saltaban de estas fogatas se convirtieron en las primeras antorchas de larga duración, constituidas por astillas de madera resinosa atada y empapada en sebo o aceite para mejorar sus cualidades de combustión. Durante muchos milenios la antorcha continuo como una importante fuente de iluminación.

Se desconoce el origen exacto de la lámpara de aceite, la primera lámpara auténtica, pero ya se empleaba de forma generalizada en Grecia en el siglo IV a.C. Las primeras lámparas de este tipo eran recipientes abiertos fabricados con piedra, arcilla, hueso o concha, en los que se quemaba sebo o aceite. Más tarde pasaron a ser depósitos de sebo o aceite parcialmente cerrados, con un pequeño orificio en el que se colocaba una mecha de lino o algodón. El combustible ascendía por la mecha por acción capilar y ardía en el extremo de la misma. Este tipo de lamparilla también se denomina candil. Algunas lámparas grandes griegas y romanas tenían numerosas mechas con el fin de brindar una luz más brillante. En la Europa septentrional la forma de lámpara más común era una vasija abierta de piedra llena de sebo, en la que se introducía una mecha. Sin embargo, los inuit (esquimales) aún emplean lámparas de ese tipo.

En el siglo XVIII se produjo un gran avance en las lámparas cuando las mechas redondas fueron sustituidas por mechas planas, que proporcionaban una llama mayor. El químico suizo Aimé Argand inventó una lámpara que empleaba una mecha tubular encerrada entre dos cilindros metálicos, alimentada a petróleo. El cilindro interior se extendía hasta más abajo del depósito de combustible y proporcionaba un tiro interno.

Argand también descubrió el principio del quinqué, en el que un tubo de vidrio mejora el tiro de la lámpara, permitiendo que arda con más brillo y no produzca humo, además de proteger la llama del viento. El tiro cilíndrico interior se adaptó después para utilizarlo en lámparas de gas inventadas por Clayton. Después de que se introdujera el gas del alumbrado a principios del siglo XIX este combustible empezó a usarse para la iluminación de las ciudades. Se empleaban tres tipos de lámpara de gas: el quemador de tipo Argand, los quemadores de abanico, en los que el gas salía de una rendija o de un par 11 de agujeros en el extremo del quemador y ardía formando una llama plana, y la lámpara de gas incandescente, en la que la llama de gas calentaba una redecilla o camisa muy fina de óxido de torio, hasta el rojo blanco. En los lugares a los que no llegaba el suministro de gas se seguían empleando quinqués de aceite. Hasta mediados del siglo XIX el principal combustible para esas lámparas era el aceite de ballena.

La historia de las lámparas eléctricas tuvo comienzo en 1650 cuando Otto von Guerike de Alemania descubrió que la luz podía ser producida por excitación eléctrica. Encontró que cuando

un globo de sulfuro era rotado rápidamente y frotado, se producía una emanación luminosa. En 1706, Francis Hawsbee inventó la primera lámpara eléctrica al introducir sulfuro dentro de un globo de cristal al vacío. Después de rotarla a gran velocidad y frotarla, pudo reproducir el efecto observado por von Guerike.

William Robert Grove en 1840, encontró que cuando unas tiras de platino y otros metales se calentaban hasta volverse incandescentes, producían luz por un cierto periodo de tiempo. En 1809, uso una batería de 2000 celdas para producir una llama de luz brillante, de forma arqueada. Es por este experimento que nació el término "lámpara de arco".

La primera patente para una lámpara incandescente la obtuvo Frederick de Moleyns en 1841, Inglaterra. Aun cuando esta producía luz por el paso de electricidad entre sus filamentos, era de vida corta. Durante el resto del siglo XIX, muchos científicos se esforzaron para producir lámparas eléctricas.

Finalmente, Thomas A. Edison produjo una lámpara incandescente con un filamento carbonizado que se podía comercializar. Aunque esta lámpara producía luz constante durante un periodo de dos días, continúo sus investigaciones con materiales alternos para la construcción de un filamento más duradero. Su primer sistema de iluminación incandescente la exhibió en su laboratorio en 21 de diciembre de 1879.

Edison hizo su primera instalación comercial para el barco Columbia. Esta instalación con 115 lámparas fue operada sin problemas durante 15 años. En 1881, su primer proyecto comercial fue la iluminación de una fábrica de Nueva York. Este proyecto fue un gran éxito comercial y estableció a sus lámparas como viables. Durante los siguientes dos años se colocaron más de 150 instalaciones de alumbrado eléctrico y en 1882 se construyó la primera estación para generar electricidad en Nueva York. En ese mismo año, Inglaterra monto la primera exhibición de alumbrado eléctrico.

Cuando la lámpara incandescente se introdujo como una luminaria pública, la gente expresaba temor de que pudiese ser dañina a la vista, particularmente durante su uso por largos períodos. En respuesta, el parlamento de Londres pasó legislación prohibiendo el uso de

lámparas sin pantallas o reflectores. Uno de los primeros reflectores comerciales a base de cristal plateado fue desarrollado por el E. L. Haines e instalado en los escaparates comerciales de Chicago.

Hubo numerosos esfuerzos por desarrollar lámparas más eficientes. Welsbach inventó la primera lámpara comercial con un filamento metálico, pero el osmio utilizado era un metal sumamente raro y caro. Su fabricación se interrumpió en 1907 cuando la aparición de la lámpara de tungsteno.

En 1904, el norteamericano Willis R. Whitney produjo una lámpara con filamento de carbón metalizado, la cual resulto más eficiente que otras lámparas incandescentes previas. La preocupación científica de convertir eficientemente la energía eléctrica en luz, pareció ser

satisfecha con el descubrimiento del tungsteno para la fabricación de 12 filamentos. La lámpara con filamento de tungsteno representó un importante avance en la fabricación de lámparas incandescentes y rápidamente reemplazaron al uso de Tántalo y carbón en la fabricación de filamentos metálicos.

La primera lámpara con filamento de tungsteno, qué se introdujo a los Estados Unidos en 1907, estaba hecha con tungsteno prensado. William D. Coolidge, en 1910, descubrió un proceso para producir filamentos de tungsteno "drawn" mejorando enormemente la estabilidad de este tipo de lámparas. En 1913, Irving Langmuir introdujo gases inertes dentro del cristal de la lámpara logrando retardar la evaporación del filamento y mejorar su eficiencia. Al principio se usó el nitrógeno puro para este uso, posteriormente otros gases tales el argón se mezclaron con el nitrógeno en proporciones variantes. El bajo costo de producción, la facilidad de mantenimiento y su flexibilidad dio a las lámparas incandescentes con gases tal importancia, que las otras lámparas incandescentes prácticamente desaparecieron.

Durante los próximos años se crearon una gran variedad de lámparas con distintos tamaños y formas para usos comerciales, domésticos y otras funciones altamente especializadas. Remontándose nuevamente hacia el inicio de la era de iluminación eléctrica, Jean Picard en 1675 y Johann Bernoulli en 1700, fueron los primeros en estudiar las lámparas de descarga eléctrica y descubrieron que la luz puede ser producida al agitar el mercurio. En 1850 Heinrich Geissler, un físico Alemán, inventó el tubo Geissler, por medio del cual demostró la producción de luz por medio de una descarga eléctrica a través de gases nobles. John T. Way, demostró el primer arco de mercurio en 1860.

Los tubos se usaron inicialmente solo para los experimentos. Utilizando los tubos Geissler, Daniel McFarlan Moore entre 1891 y 1904 introdujeron nitrógeno para producir una luz amarilla y bióxido de carbón para producir luz rosado-blanca, color que aproxima luz del día. Estas lámparas eran ideales para comparar colores. La primera instalación comercial con los tubos Moore, se hizo en un almacén de Newark, N.J., durante 1904. El tubo Moore era difícil de instalar, reparar, y mantener. Peter Moore Hewitt comercializó una lámpara de mercurio 1901, con una eficiencia que dos o tres veces mayor que la de la lámpara incandescente. Su limitación principal era que su luz carecía totalmente de rojo.

La introducción de otros gases fracaso en la producción de un mejor balance del color, hasta Hewitt ideó una pantalla fluorescente que convertía parte de la luz verde, azul y amarilla en rojo, mejorando así el color de la luz. Peter Moore Hewitt coloco su primera instalación en las oficinas del New York Post en 1903. Debido a su luz uniforme y sin deslumbramiento, la lámpara fluorescente inmediatamente encontró aceptación en Norteamérica.

La investigación del uso de gases nobles para le iluminación era continua. En 1910 Georges Claude, Francia estudio lámparas de descarga con varios gases tales como el contienen neón, argón, helio, criptón y xenón, resultando en las lámparas de neón. El uso de las lámparas de neón fue rápidamente aceptado para el diseño de anuncios, debido a su flexibilidad,

luminosidad y sus brillantes colores. Pero debido a su baja eficiencia y sus colores particulares nunca encontró aplicación en la iluminación general.

En 1931, se desarrolló una lámpara de alta presión de sodio en Europa. A pesar de su alta eficiencia no resulto satisfactoria para el alumbrado de interiores debido al color amarillo de su luz. Su principal aplicación es el alumbrado público donde su color no se considera un factor crítico. A mediados del siglo XX las lámparas de sodio de alta presión aparecieron en las calles, carreteras, túneles y puentes de todo el mundo.

El fenómeno fluorescente se había conocido durante mucho tiempo, pero las primeras lámparas fluorescentes se desarrollaron en Francia y Alemania en la década de los 30. En 1934 se desarrolló la lámpara fluorescente en los Estados Unidos. Esta ofrecía una fuente de bajo consumo de electricidad con una gran variedad de colores. La luz de las lámparas fluorescentes se debe a la fluorescencia de ciertos químicos que se excitan por la presencia de energía

ultravioleta.

La primer lámpara fluorescente era a base de un arco de mercurio de aproximadamente 15 watts dentro de un tubo de vidrio revestido con sales minerales fluorescentes (fosforescentes). La eficiencia y el color de la luz eran determinados por la presión de vapor y los químicos fosforescentes utilizados. Las lámparas fluorescentes se introdujeron comercialmente en 1938, y su rápida aceptación marcó un desarrollo importante en el campo de iluminación artificial. No fue hasta 1944 que las primeras instalaciones de alumbrado público con lámparas fluorescentes se hicieron. A partir de la segunda guerra mundial se han desarrollado nuevas lámparas y

numerosas tecnologías que además de mejorar la eficiencia de la lámpara, permitió adecuarlas a las tareas del usuario y su aplicación. Entre los desarrollos de las lámparas fluorescentes, se incluyeron los balastros de alta frecuencia que eliminan el parpadeo de la luz, logrando su aceptación en ambientes domésticos.

Luminotecnia:

La Luminotecnia es la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, los medios de control de la misma, y sus distintas aplicaciones en ámbitos domésticos, industriales y artísticos.

Como primer punto, para introducirse al estudio de la luminotecnia es necesario definir conceptualmente a la luz. La Física afirma que la luz tiene una naturaleza dual, es decir que es una onda y corpúsculo a la vez, aunque quizás no sea ni una cosa ni la otra, por lo que se puede estudiar a la luz como onda cuando se estudia su propagación y como cuantos de energía cuando se trata de intercambio energético. Este es un concepto genérico, sin embargo en luminotecnia se busca una definición de la luz más práctica, claro sin que presente oposición a los fundamentos físicos que la definen. De esta manera se define a la luz como una radiación producida por los

cuerpos luminosos, capaz de impresionar retina del ojo humano.

En Física se define a la Radiación, de carácter genérico, como la transmisión de la

energía por medio de ondas electromagnéticas a través del espacio. Se presenta la ventaja de que no importa que tan complicada sea el tipo de radiación que se tenga, será posible considerarla, bajo ciertas condiciones, como un conjunto de radiaciones más simples gobernadas por

expresiones matemáticas que incluyen senos o cosenos únicamente. Esto último permite definir los siguientes elementos:

LONGITUD DE ONDAS, λ: Es la longitud que tiene la onda entre dos puntos que se encuentran en el mismo lugar relativo.

PERIODO, T: Es el tiempo que tarda la onda en ocupar dos posiciones idénticas.

FRECUENCIA, f: Es el número de períodos por segundo. El periodo y la frecuencia son magnitudes inversamente proporcionales.

T =1/f

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN, v: es la velocidad con que se propaga la onda a través del espacio. La velocidad de propagación de la luz, como onda electromagnética se representa universalmente mediante la letra c, y su valor en el vacío es de c=3∗108[m/s ] .

Es importante remarcar que las distintas radiaciones, ya sea de rayos x, rayos ultravioletas, radiaciones luminosas, y demás, todas presentan el mismo carácter

electromagnético. Lo que permite diferenciar entre dos tipos de radiación es por medio de sus longitudes de onda y velocidades de propagación característica de cada una.

En luminotecnia, se estudia particularmente las radiaciones luminosas. Estas radiaciones son aquellas que son captadas por el ojo humano produciendo la sensación de visibilidad o percepción del color. Donde cada tonalidad de color que existe depende de las distintas

longitudes de onda que un cuerpo refleja. Sin embargo, el espectro de luz visible, sensible al ojo humano, ocupa sólo un 40% del espectro de radiación luminosa producida por el sol,

extendiéndose desde 3500 (color violeta) hasta 7600 (color rojo). A su derecha se encuentra Ȧ Ȧ las radiaciones ultravioleta, representando un 54% del total del espectro, que si bien no son

sensibles al ojo humano son muy útiles para llevar a cabo reacciones químicas. A la izquierda del espectro de luz visible se encuentra con un 6% la radiación infrarroja, que también es invisible al ojo humano pero cuenta con importantes propiedades caloríficas, siendo este el principio

fundamental de las lámparas incandescentes. En la Figura 1, se muestra el espectro electromagnético completo de radiación luminosa.

Figura 1 – Espectro electromagnético de radiación luminosa

Definiciones útiles en luminotecnia:

A continuación se define de manera breve algunos conceptos físicos clave utilizados en luminotecnia, con sus unidades de medida correspondiente.

RADIACIÓN: Es el fenómeno correspondiente a la emisión y transporte de energía sin medio material, bajo forma de ondas electromagnéticas o fotones.

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS: Es la forma de la energía que se manifiesta como

oscilación espacial de un campo magnético y eléctrico simultáneo. La misma se propaga con la velocidad de la luz (300.000 km/seg), y le corresponde una frecuencia y una longitud de onda. ENERGÍA RADIANTE: Es la energía emitida, transportada o recibida como radiación [joule] RADIACIÓN COMPLEJA: Es la radiación compuesta por emisiones de distinta frecuencia. Por ejemplo, la radiación de luz blanca compuesta por todas las longitudes de onda de los distintos colores.

RADIACIÓN MONOCROMÁTICA: Es la radiación de una sola frecuencia. Por ejemplo la radiación del color rojo.

ESPECTRO RADIANTE: Es la imagen producida por la dispersión de una radiación en sus componentes monocromáticos. También se denomina así a la composición de una radiación compleja.

ESPECTRO CONTINUO: Es el espectro que tiene radiaciones en todas las frecuencias comprendidas entre dos frecuencias consideradas.

ESPECTROS DE LÍNEAS: Es el espectro producido por radiaciones monocromáticas de frecuencia distintas.

CURVAS DE DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL: Es la curva que representa la potencia de una radiación en función de la longitud de onda o de la frecuencia.

FLUJO RADIANTE: Es la potencia emitida, transportada o recibida en forma de radiación

Φ=dQ

dt [W ]

RENDIMIENTO DE RADIACIÓN DE UNA FUENTE: Es la relación entre el flujo radiante emitido y la potencia absorbida para producirlo.

η=Φ p

SENSIBILIDAD SUPERFICIAL DE RADIACIÓN: Es la relación entre el flujo radiante emitido en un elemento de superficie y dicha superficie elemental.

E=d Φ dS [

W m2]

INTENSIDAD DE RADIACIÓN EN UNA DIRECCIÓN: Es la relación entre el flujo radiante emitido en un elemento de ángulo espacial y dicho ángulo elemental.

I=d Φ dw [

W sr]

RADIANCIA EN UNA DIRECCIÓN: Es la relación entre la intensidad de radiación y la superficie aparente de emisión, vista en una dirección considerada.

E=d I

dS∗cos ⁡(α)

FUENTE PRIMARIA: Es un generador de radiación electromagnética. Por ejemplo, el Sol. FUENTE SECUNDARIA: Es una superficie o cuerpo que refleja o transmite la radiación electromagnética incidente sin que se produzca incandescencia ni luminiscencia.

INCANDESCENCIA: Es la radiación térmica que produce radiación luminosa.

- Fuente puntual: Sus dimensiones son despreciables respecto a la distancia al receptor. - Fuente lineal: Tiene una sola dimensión de magnitud que no es despreciable respecto a la

distancia al receptor

- Fuente superficial: Su superficie radiante presenta dimensiones que no son despreciables en comparación con la distancia al receptor.

CUERPO NEGRO: Es aquel que absorbe completamente todas las radiaciones que inciden sobre él, o bien es el que mayor potencia emite a una temperatura determinada.

TEMPERATURA DEL COLOR: Es la temperatura absoluta, en Kelvin, del cuerpo negro, a la cual su color es igual a la radiación considerada.

IRRADIACIÓN: Es la energía radiante recibida, por unidad de superficie.

DENSIDAD DEL FLUJO IRRADIADO: Es la relación entre el flujo incidente sobre un elemento de superficie y la superficie misma.

Magnitudes Fotométricas:

Básicamente son 4 las magnitudes de mayor interés en las fuentes emisoras de luz. A continuación de describe detalladamente cada una de ellas.

Flujo Luminoso: Se define como la potencia lumínica total emitida en todas las direcciones por

una fuente luminosa, a la que el ojo humano es sensible según su curva de sensibilidad, Figura 16. Se representa universalmente mediante la letra griega



Lumen, lm.

Si la fuente de iluminación es una lámpara, se presentan ciertos puntos de interés respecto al flujo luminoso. Primeramente, una parte del flujo total emitido es absorbido por el mismo aparato de iluminación, considerándose esta pérdida como una pérdida de naturaleza invisible. Existe un segundo tipo de pérdidas que depende de manera directa del tipo de generación de luz empleado por la lámpara, por radiación térmica o por descargas eléctricas. Estos dos tipos de pérdidas recién mencionados reducen el rendimiento o eficiencia lumínica de la lámpara. La eficiencia lumínica, Figura 2, se define como el cociente entre el flujo luminoso emitido por la lámpara, y la potencia total consumida por la misma.

Figura 2 – Eficiencia Lumínica de una lámpara

En segundo lugar, el flujo luminoso emitido por una lámpara no se distribuye uniformemente en todas direcciones, ya que disminuye si sobre ésta se depositan partículas de polvo y otras

sustancias.

A continuación, en las Tablas 1 y 2 se representan algunos valores comunes de flujo luminoso y eficiencia luminosa en distintos tipos de lámparas, véase Fuentes Luminosas.

Tabla 1 – Flujos luminosos de distintas lámparas

Tabla 2 – Eficiencia Luminosa de distintas lámparas

Intensidad luminosa: Es el flujo luminoso contenido en una dirección determinada por un

ángulo solido expresado en estereorradianes, como se observa en la Figura 3. La intensidad luminosa se representa mediante el símbolo I, y su unidad de medida en el SI es el Candela, Cd.

El instrumento utilizado para medir la intensidad luminosa de una lámpara es el

fotogoniómetro, véase Instrumentos de medición. Sin embargo, como complemento de éste

también se suele implementar las curvas fotométricas que representan gráficamente la

distribución de la intensidad de luz emitida por una lámpara, dado que ésta no se distribuye de manera uniforme en el espacio debido a que la fuente no es puntiforme, y que por diseño propio se producen desviaciones e intercepciones de algunos rayos.

Figura 3 – Intensidad luminosa

En la Tabla 3, se mencionan algunos ejemplos de intensidad de luz para distintas lámparas.

Tipos de lámparas Intensidad luminosa en Cd

Lámpara para bicicleta (sin reflector) 1

Lámpara para bicicleta (con reflector) 250

Lámpara de incandescencia de 100 w 110

Lámpara fluorescente de 40 w 320

Tabla 3 – Intensidad luminosa para distintas lámparas

Luminancia: Es la intensidad luminosa emitida en una dirección determinada por una superficie

luminosa o por una superficie iluminada que refleja luz. En otras palabras, expresa el efecto de la luminosidad o brillo que una superficie, como ser una lámpara o una mesa que refleja luz, produce sobre la retina del ojo humano.

Cuando la luminancia L se debe a la reflexión de una superficie iluminada, ésta se define como el cociente entre la intensidad luminosa en una dirección dada y la superficie aparente proyectada, vista por el ojo humano sobre la superficie real iluminada. Entonces la unidad de medida de la luminancia es [

cd m2 ].

En la Tabla 4, se indican algunos valores de luminancia de fuentes luminosas típicas.

Fuentes Luminosas Luminancia en cd m2 Lámpara fluorescente 0,5 – 4 Lámpara incandescente 200 – 100

Lámpara de arco hasta 50000

El sol 150000

Iluminancia o Iluminación: Es la densidad flujo luminoso que incide sobre una superficie por

unidad de superficie. Se representa mediante la letra E, y su unidad de medida es el lux. El lux, se define como la iluminación de una superficie de 1 m2 cuando sobre ella incide un flujo luminoso de 1 lumen uniformemente repartido.

El Instrumento empleado para medir la iluminancia de una lámpara, es el luxómetro. En adición, como dato relevante, se dice que de todas las unidades definidas es ésta la que resulta más implementada en luminotecnia.

En la Tabla 5, se mencionan algunos valores a modo de ejemplo para niveles de iluminación.

Tabla 5 – Valores típicos de iluminación.

Ley inversa del cuadrado de las distancias:

El nivel de iluminación es directamente proporcional a la intensidad de una fuente luminosa en una dirección determinada, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la que se encuentra la fuente respecto al plano considerado, véase Figura 4.

2 d I E Dónde: E

= Nivel de iluminación, lux.

I

= Intensidad luminosa de la fuente en la dirección considerada, cd.

2

d

Figura 4 - Ley inversa del cuadrado de las distancias

Ley del coseno:

La iluminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de los rayos luminosos en el punto iluminado, véase Figura 5.

 

= Nivel de la iluminación puntual.

I

= Intensidad luminosa de la fuente en la dirección considerada, cd. 

= Ángulo formado por el plano de trabajo con el plano perpendicular a la dirección del flujo de luz.

Figura 5 – Ley del coseno

Curvas de distribución luminosa:

Las curvas de distribución luminosa o curvas fotométricas, muestran la distribución de las intensidades luminosas emitidas por una lámpara tipo estándar para un valor flujo luminoso normalizado de 1000 lúmenes, Figura 6. Para cualquier otro valor de flujo luminoso deberá normalizarse usando la fórmula:

I_real=Φ_lamparaIgrafico 1000

Figura 6 – Curvas Fotométricas

A modo de ejemplo en la Figura 7, se presentan las curvas fotométricas para distintas fuente luminarias.

Figura 7 – Curvas fotométricas de lámparas

Curvas Isolux:

Son curvas que unen los puntos sobre una superficie que presentan los mismos niveles de iluminación. La mayoría de las empresas constructoras de lámparas y luminarias, proveen estas

curvas normalizadas para un flujo luminoso de 1000 lúmenes a 1 metro de distancia. Del mismo modo que en las curvas fotométricas, ya sea que necesite corregirse el flujo o la distancia en metros, éstas pueden ser normalizadas mediante la siguiente fórmula.

E= E1Φ

FUENTES LUMINOSAS:

De acuerdo a las NORMAS IRAM-AADL, “uno de los problemas que se presentan en

cualquier aplicación práctica de iluminación es elegir adecuadamente la fuente de la luz que se va a utilizar”.

Básicamente existen dos tipos de fuentes luminosas por excelencia, la fuente de luz natural y la artificial.

Fuente de iluminación natural:

El Sol suministra la luz diurna y presenta indudables ventajas sobre la iluminación artificial, como ser:

- Permite definir perfectamente los colores, y en horas de máxima iluminación pueden existir valores de iluminación superiores a 100.000 lux.

- Más económica.

- Produce menos fatiga visual.

No obstante presenta el inconveniente de ser variable, dependiendo de la capa atmosférica, de los edificios, entre otros a lo largo de la jornada. Por lo que deberá completarse con la iluminación artificial.

Fuentes de iluminación artificial:

Las fuentes de iluminación artificial o lámparas, se dividen en dos grandes grupos, basándose cada una en principios físicos tales como la incandescencia y la descarga o

fotoluminiscencia.

Sin embargo, actualmente existen otro tipo de fuentes de luz mucho más innovadoras que no tienen lugar dentro de esta clasificación, pues se trata de una emisión de luz de un material

semiconductor, se trata de los diodos LED, y se hará una descripción más exhaustiva ya que

LÁMPARAS INCANDESCENTES:

Dentro de la familia de las lámparas incandescentes sobresalen dos grandes tipos, las lámparas incandescentes comunes y halógenas.

Lámparas incandescentes comunes:

Su principio de funcionamiento se basa en la circulación de una corriente eléctrica por un filamento metálico en determinadas condiciones ambientales, envuelto por una ampolla de vidrio, lo que lo lleva a la incandescencia, obteniéndose así una fuente luminosa. Dentro de este tipo de fuentes luminosas podemos hacer la siguiente clasificación:

1- Inclusión de gas halógeno en la ampolla: Se incorporan gases tales como yodo o boro y se

consigue un ciclo de regeneración del tungsteno evaporado, que vuelve a depositarse en el filamento. Con ello es posible aumentar el rendimiento lumínico, prolongar la vida útil e impedir el ennegrecimiento de la lámpara.

2- Filamento tungsteno: El tungsteno es un material con elevado punto de fusión, con un

proceso de evaporación lento y genera radiaciones luminosas calorimétricamente. En un

principio fue uno de los tipos de lámparas más utilizadas pero en la actualidad están entrando en desuso. Presentan la ventaja de disponer de un amplio intervalo de potencias de consumo, yendo desde 15 a 300 W.

3- Filamento de tungsteno en atmósfera gaseosa: Se incorpora un gas inerte a la ampolla con

el objeto de disminuir la evaporación del tungsteno, aumentando la temperatura del filamento y un mayor rendimiento lumínico, por ende un aumento notable de su vida útil. Los gases más utilizados son mezclas de argón con nitrógeno, de tal forma que la ampolla tiene una presión del orden de una atmósfera.

Descripción constructiva:

En la Figura 8, se representa cada uno de los componentes de la una lámpara incandescente.

1 Atmósfera gaseosa: Hasta los 40 w el filamento está en vacío, para potencia mayores la ampolla esta rellena de gases de características químicas neutras.

2 Filamentos.

3 Soporte para el filamento 4 Entradas de corriente 5 Vástago del vidrio. 6 Ampolla.

7 Casquillo: se une a la ampolla mediante una resina artificial. 8 Botón de vidrio.

9 Varilla de vidrio. 10 Tubo de evacuación.

Ventajas:

- No requiere de servicios auxiliares. - Fácil instalación.

- Bajo costo inicial.

- Puede operar en cualquier tipo de tensión, corriente, potencia (15 a 1500 W). - Pueden funcionar con caídas de tensión muy pronunciadas.

- Encienden y reencienden instantáneamente, por lo que son aptas para iluminación de emergencia o seguridad.

- El espectro luminoso es continuo y reproducen muy bien los colores. - No producen efecto estroboscópico.

- Operan con un factor de potencia unitario.

- Pueden funcionar en cualquier posición, con excepción de las lámparas halógenas.

Lámparas incandescentes halógenas:

Como se mencionó anteriormente, en las lámparas incandescentes, al aumentar la

temperatura del filamento de tungsteno, se produce una evaporación progresiva de sus partículas, las cuales luego condensan sobre la superficie más fría del bulbo de vidrio, provocando un debilitamiento del filamento y un ennegrecimiento de la ampolla. Las lámparas halógenas tratan de minimizar este problema con el agregado en su interior, además de los gases de argón y nitrógeno, sustancias halógenas como cloro, bromo, flúor y yodo. Esta sustancias lo que producen es una combinación con el tungsteno evaporado, formando un compuesto volátil que en lugar de depositarse en la ampolla se difunde en la atmósfera de la lámpara. La molécula volátil alcanza al filamento a muy elevada temperatura, descomponiéndose nuevamente en la partícula de tungsteno que se deposita sobre el filamento y la sustancia halógena.

Físicamente las lámparas halógenas son cilíndricas, alargadas y de pequeño diámetro, deben instalarse en forma horizontal ya que de otra manera la sustancia halógena puede acumularse en el extremo inferior de la ampolla. Estas lámparas tienen mayor rendimiento lumínico que las incandescentes comunes, variando entre 21 a 25 lm/W y también mayor vida útil, aproximadamente unas 2000 horas.

LÁMPARAS DE DESCARGA:

Lámparas de descarga dentro de un gas:

Su principio de funcionamiento se basa, en la circulación de corriente eléctrica por un gas bajo con ciertas condiciones de presión, librando una cantidad de energía lumínica capaz de excitar la sensibilidad del ojo humano. Sin embargo, debido al creciente avance tecnológico, se incluye dentro de esta categoría, las lámparas de inducción magnética, que si bien también emplean gas como medio de descarga, la técnica de producción de luz es un tanto distinta e innovadora al resto.

Básicamente la clasificación de los distintos tipos de lámparas de descarga, se basa en el tipo de presión que presente el gas, de alta o baja presión y en el tipo de gas.

Lámparas fluorescentes:

Son lámparas a descarga en vapor de mercurio a baja presión. La energía eléctrica se transforma, en gran parte en energía ultravioleta dentro del tubo, y en una proporción más pequeña en energía visible. El recubrimiento interno del tubo se realiza con polvos fluorescentes que transforman parte de esta energía ultravioleta en energía visible con diferentes tonalidades, de acuerdo a la composición del polvo utilizado.

Los tubos fluorescentes disponen en ambos extremos, dos terminales emisoras de electrones llamados ánodo y cátodo. Además el tubo esta relleno con una cierta cantidad de argón a baja presión que facilita la formación del arco eléctrico entre los terminales. En adición a estas lámparas, para su operación y arranque se necesitan equipos auxiliares, tales como el

balasto y arrancador.

Puesto que las lámparas de descarga tienen la propiedad de disminuir su resistencia al paso de la corriente ante un aumento de temperatura. Existe un dispositivo eléctrico que se encarga de limitar esta corriente en exceso, se trata del balastro, que en sí es una reactancia inductiva. El balastro debe disponerse en serie con la lámpara de descarga. Por otro lado, el encendido del tubo se realiza por medio de un arrancador. Éste dispositivo consiste en dos electrodos, donde el bimetal está encerrado dentro de una ampolla de vidrio rellena de una mezcla de argón y helio, además se adiciona un capacitor en paralelo a los electrodos que permiten eliminar ondas de radio interferencias.

Inicialmente los terminales del tubo y el arrancador están separados, al aplicarle tensión se produce una descarga eléctrica luminiscente de muy bajo valor de corriente, con lo cual aumenta la temperatura del gas relleno. Esto provoca que los dos electrodos se toquen quedando energizado el circuito constituido por el balasto y los electrodos del tubo los cuales comienzan a emitir electrones. Paralelamente a ellos, la descarga luminiscente se elimina, con lo que se enfría el gas provocando finalmente una separación de los electrodos bimetálicos. Esto provoca una interrupción brusca de la corriente y por lo tanto genera una fuerza electromotriz que se suma a la de la línea provocando el encendido inmediato del tubo, quedando el arrancador fuera de servicio hasta que se requiera encender nuevamente el tubo. Generalmente el conjunto

lámpara-balasto tiene un bajo factor de potencia, por lo cual se suele colocar un capacitor en paralelo con la red de alimentación.

Lámparas fluorenscentes de bajo consumo CFL:

Las Lámparas Fluorescentes Compacta, por sus siglas en ingles CFL (Compact

Fluorescent Lamp), son lámparas ahorradores de energía. Surgen como mejorada de las lámparas de tubos rectos fluorescentes.

Este impulso vino de la mano del ingeniero Edward Hammer, que en 1976, ante la problemática de que las lámparas o tubos rectos fluorescentes conocidos eran por lo general voluminosos y pesados, desarrolló una lámpara fluorescente de reducido tamaño al doblar en forma de espiral aquel tubo largo. Ésta lámpara fluorescente presentaba el tamaño aproximado de una bombilla común, Figura 9, cuyas propiedades de iluminación eran muy similares a las de una lámpara incandescente, pero con un consumo mucho menor y una reducida disipación de calor hacia el medio ambiente.

Figura 9 – Lámparas de bajo consumo de 9 y 11 Watt

Debido a la tecnología limitada de aquella época, su producción quedó inconclusa. No es hasta, unos años más tarde que nuevos fabricantes apostaron por estas lámparas innovadoras, pero con un precio de venta elevado. Sin embargo, debido a los grandes pedidos realizados por parte del gobierno norteamericano a los fabricantes, y tras la notable aceptación por estas nuevas lámparas ahorradoras de energía dentro de los amplios círculos económicos y de la población, fueron motivos más que suficientes para que los fabricantes hicieran las inversiones necesarias y comenzaran una producción masiva, teniendo como consecuencia una precio de venta mucho más barato al público.

Descripción constructiva:

Figura 10 – Componentes de lámpara CFL

Tubo fluorescente: Tiene 6 mm de diámetro aproximadamente, y presenta una forma de U

invertida, cuya longitud depende de la potencia en Watt que tenga la lámpara. En cualquier lámpara CFL existen dos filamentos de tungsteno o wolframio ubicados en los extremos libres del tubo con el propósito de calentar los gases inertes, como el neón (Ne), el kriptón (Kr) o el argón (Ar), mezclados con vapor de mercurio (Hg) en su interior. Las paredes se encuentran recubiertas por dentro con una fina capa de fósforo.

Balasto electrónico: Se halla encerrado en la base que separa la rosca del tubo de la lámpara, y

suministra niveles necesarios de tensión o voltaje que permiten encender el tubo de la lámpara y regular la intensidad de corriente que circula por dentro del propio tubo después del encendido. Estructuralmente, se compone de un circuito rectificador de diodos de onda completa y un oscilador, éste último se encarga de elevar la frecuencia de la corriente de trabajo de la lámpara a niveles de 20 000 y 60 000 Hertz aproximadamente.

Base o casquillo: Se compone de un receptáculo de material plástico, en cuyo interior hueco se

aloja el balasto electrónico. Unido a la base se encuentra un casquillo con rosca normal E-27, conocida también como rosca Edison. Se puede encontrar también lámparas CFL con rosca E-14 de menor diámetro, conocida como rosca candelabro. Existen variantes con otros tipos de

conectores, de presión por ejemplo, en lugar de casquillos con rosca, que funcionan con un balasto electrónico externo.

Características:

- Presentan compatibilidad con los portalámparas, zócalos o sockets de las lámparas incandescentes de uso común.

- Presenta tonalidades luz de día (daylight) y luz fría (cool light), que no distorsiona la percepción de los colores.

- Encendido inmediato tan pronto se acciona el interruptor, pero con una luz débil por breves instantes antes que alcancen su máxima intensidad de iluminación.

- Precio de venta al público un poco mayor que el de una lámpara incandescente de igual potencia, pero esto se compensa con el ahorro de energía eléctrica y por un tiempo de vida útil más prolongado.

Ventajas de las lámparas CFL frente a las incandescentes:

Resulta interesante establecer una comparación entre los dos tipos de lámparas más empleadas a nivel mundial.

- Ahorro en el consumo eléctrico. Consumen sólo la 1/5 parte de la energía eléctrica que requiere una lámpara incandescente para alcanzar el mismo nivel de iluminación. En otras palabras, consumen un 80% menos para igual eficacia en lúmenes por watt de consumo (lm/W).

- Tiempo de vida útil aproximado entre 8000 y 10000 horas, en comparación con las 1000 horas que ofrecen las lámparas incandescentes.

- No requieren inversión en mantenimiento.

- Generan 80% menos calor que las incandescentes, siendo prácticamente nulo el riesgo de provocar incendios por calentamiento, si es que por cualquier motivo llegaran a

encontrarse muy cerca de materiales combustibles.

- Ocupan prácticamente el mismo espacio que una lámpara incandescente.

- Tienen un flujo luminoso mucho mayor en lúmenes por watt (lm/W) comparadas con una lámpara incandescente de igual potencia.

- Presentan diferentes formas, bases, tamaños, potencias y tonalidades de blanco.

Lámparas de Vapor de Mercurio:

Estas lámparas constan de un tubo de cuarzo en el que se produce la descarga eléctrica, Figura 11. Interiormente, este tubo contiene una pequeña cantidad de mercurio y un gas inerte de relleno (argón), para facilitar su arranque. Exteriormente consta de dos electrodos principales, uno en cada extremo entre los cuales opera el arco eléctrico y un electrodo auxiliar próximo a uno principal que contribuye con el arranque.

Figura 11 – Lámpara de Vapor de Mercurio

Este tipo de lámparas operan a alta presión, una vez que encienden eléctricamente el mercurio comienza a evaporarse lentamente hasta alcanzar el valor final del flujo luminoso y sus valores eléctricos nominales. Este proceso de encendido lleva normalmente unos 4 minutos. Cuando se apaga la lámpara, la presión interna es muy alta por lo que la tensión de la red es insuficiente para lograr su reencendido, por lo cual debe esperarse su enfriamiento para encenderlas nuevamente. Esto último excluye el uso de estas lámparas para iluminar lugares donde sea necesario encender y apagar con cierta frecuencia.

Dentro de las lámparas de vapor de mercurio de alta presión, se distinguen cuatro tipos de lámparas derivadas distintas:

- lámparas de mercurio claras - lámparas de color corregido - lámparas mezcladoras

- lámparas de mercurio halogenadas

Lámparas de mercurio claras:

Estas lámparas tienen el tubo recubierto por una ampolla de color transparente o esmerilado, sin ningún revestimiento. La luz que emite tiene un color azulado, esto permite destacar los objetos de ese color, empalideciendo los de color rojo.

Ventajas y aplicaciones:

- Tienen una vida de útil promedio de 16000 horas. - Rendimiento luminoso de 40 a 50lm/W.

- Presentan distintos niveles de potencia, desde 250W hasta 1000W.

- Sus principales aplicaciones son en alumbrados de playas de estacionamiento, áreas de maniobras, depósitos, alumbrado urbano, etc.

Lámparas de color corregido:

A diferencia de las lámparas de mercurio claras, en éstas el tubo se encuentra rodeado por una ampolla ovoidal con un recubrimiento interior fluorescente. Éste recubrimiento tiene la finalidad de transformar gran parte de la radiación ultravioleta en luz visible, mejorando el rendimiento luminoso y la reproducción de colores.

Ventajas y aplicaciones:

- Vida útil promedio de 16000 horas.

- Amplio rango de potencias disponible, desde 50W hasta 2000W.

- Se aplican en casi todos los terrenos de alumbrado, como por ejemplo industrias, comercio y oficinas con techos elevados, alumbrado público, etc.

Lámparas mezcladoras:

Como su nombre lo indica, estas lámparas surgen como una mezcla de las lámparas de vapor de mercurio de alta presión de color corregido y de las lámparas incandescentes. Constan de un pequeño tubo de cuarzo con vapor de mercurio y otros gases en su interior. Se conecta en serie con el tubo un filamento de tungsteno, que hace las veces de limitador de corriente

(balastro), esto es, no emplea un equipo auxiliar. La emisión de luz, como es de esperarse será una mezcla, en partes iguales, de luz de mercurio y luz incandescente.

Ventajas y aplicaciones:

- Vida útil promedio de 6000 horas.

- Emite una luz más blanca, con un mayor flujo luminoso.

- Rango de potencias disponible, desde 160W hasta 500W.

- Puesto que no requiere de un equipo auxiliar, siendo su reemplazo directo, las hace muy utilizadas en algunos talleres de tamaño medio, alumbrado público, etc.

Lámparas Halogenadas:

Estas lámparas constan con un tubo de descarga de cuarzo, cuyo interior, además de vapor de mercurio, se encuentran distintos tipos de halógenos que dotan de ciertas características de emisión a la lámpara. A continuación se describirá tres grupos de mezclas de halógenos que acompañan al vapor de mercurio.

- Compuestos halógenos de sodio, talio e indio. Estos halógenos permiten conseguir un rendimiento luminoso más elevado y mejores propiedades de reproducción cromática. Aquí, el mercurio actúa como regulador de la tensión de arco y del color, quedando el papel de generación de luz para los halógenos, los cuales emiten luz blanca de excelentes propiedades cromáticas, con una eficiencia luminosa superior a las otras lámparas. - Compuestos con ioduros de tierras raras, especialmente escandio, disprosio, tulio y

holmio.

- Compuestos con ioduro de estaño y cloruro de estaño.

Las lámparas de mercurio halogenadas requieren de un dispositivo electrónico para su encendido, llamado ignitor. Este se encarga de producir una elevada tensión transitoria de

arranque que oscila entre los 1,5 kV a 5 kV, según los modelos y potencia. Durante el proceso de encendido el arco se forma inicialmente en el mercurio, a medida que aumenta la temperatura del arco se van vaporizando los compuestos halógenos, que comienzan a actuar como emisores de luz. El proceso de encendido dura aproximadamente 3 minutos y para producir un reencendido hay que esperar que se enfríe.

Lámparas de Vapor de Sodio:

De acuerdo a las características constructivas y tecnológicas empleadas, este tipo de lámparas se clasifican en dos grupos importantes, las lámparas de baja presión y las de alta

presión.

Como punto en común a estos dos tipos de lámparas de vapor de sodio, es que ambos presentan un espectro luminoso característico donde los colores amarillo-naranja son los más resaltantes.

Lámparas de Vapor de Sodio de Baja Presión:

Emite una radiación visible monocromática de color amarillo, cuya longitud de onda es de 5890 . Puesto que la curva de sensibilidad del ojo humano, acusa que la Ȧ sensibilidad máxima tiene lugar en el amarillo verdoso, Figura 16. Es posible afirmar entonces que la eficacia de estas lámparas es muy elevada, entre 160 y 180 lm/W.

La vida media de estas lámparas, comercialmente conocidas bajo el nombre de SOX, es muy elevada, alrededor de unas 15000 horas y la depreciación de flujo luminoso que sufren a lo

largo de su vida es muy baja, por lo tanto esto indica que su vida útil es de entre 6000 y 8000 horas aproximadamente. Esto sumado a su alta eficiencia y las ventajas visuales que ofrece, la hacen muy adecuada para usos de alumbrado público, Figura 12, aunque también se utilizan con fines decorativos. El fin de su vida útil, se ve marcado por el agotamiento de la sustancia emisora de electrones, tal y como ocurre en las lámparas de descarga explicadas anteriormente. Sin embargo, también esto se puede producir por el deterioro del tubo de descarga o de la ampolla exterior.

Figura 12 – Lámparas de vapor de sodio de baja presión

Constructivamente, estas lámparas presentan un tubo de descarga en forma de U para disminuir las pérdidas por calor y reducir el tamaño de la lámpara. Está fabricado con un vidrio especial resistente al ataque químico del sodio, pues éste es un material muy corrosivo. Cuenta además, con unas pequeñas hendiduras que facilitan la concentración del gas y permite que se vaporice a la menor temperatura posible. El tubo está encerrado en una ampolla al vacío, con el objeto de aumentar el aislamiento térmico. De esta manera se ayuda a mantener la elevada temperatura de funcionamiento necesaria en la pared del tubo (270 °C). El tiempo de arranque de una lámpara de este tipo, ronda aproximadamente en diez minutos. En ese lapso de tiempo, desde que se inicia la descarga, ocurre una mezcla de gases inertes (neón y argón) hasta que se vaporiza todo el sodio y comienza a emitir luz. Visualmente esto se traduce a pasar de una luz roja, propia del neón, a la amarilla característica del sodio, (se procede de esta manera para reducir la tensión de encendido).

Por último para la operación de estas lámparas, se necesita un equipo auxiliar constituido por un transformador que suministra la tensión elevada en el arranque, para luego alimentar con la tensión y corriente nominal. También se puede instalar para su utilización balastos e ignitores electrónicos.

Lámparas de Vapor de Sodio de Alta Presión:

A diferencia de las lámparas de sodio de baja presión, éstas mejoran el tono de luz y la reproducción de colores, puesto que producen un color de luz blanco dorado que permite distinguir nítidamente todos los colores de la radiación visible, presentando así un espectro continuo.

Constructivamente estas lámparas de alto rendimiento luminoso, comercialmente conocido como SON, constan de un tubo de descarga construido de material cerámico, alúmina policristalina sintetizada, transparente a la luz de sodio, donde éste último se mantiene en posición mediante un sistema de muelles e hilos de soporte. En su interior, se encuentra una amalgama sodio-mercurio (20% sodio), que se vaporiza parcialmente cuando la lámpara alcanza su temperatura de trabajo. Para facilitar el arranque, dentro del tubo, se coloca una cierta

cantidad de Xenón.

La ampolla exterior está rellena de un gas inerte o vacío, en su superficie interna, cerca de la base, tiene una sustancia llamada getter, cuya función es captar los gases liberados por los diversos componentes de la lámpara. Ésta ampolla, puede tener una forma ovoidal o tubular. El primero consta de una superficie clara o con un recubrimiento interior blanco difusor, mientras que las tubulares son transparentes y de vidrio duro.

Los niveles de tensión de arranque son del orden de 2,8 a 5 KV. Si se encuentran en estado frío o inicial, su tiempo de encendido es de 3 a 4 minutos, mientras que el encendido en caliente requiere solamente 1 minuto. De manera muy similar a las lámparas de sodio de baja presión, para su arranque requieren de un equipo auxiliar, constituido por un ignitor (en algunos casos se halla incorporado dentro de la propia lámpara), un balasto y un capacitor para corregir el factor de potencia.

Las aplicaciones de este tipo de lámparas son varias, pues pueden ser usadas tanto en iluminación de interiores como de exteriores. Algunos ejemplos son, iluminación de naves industriales, alumbrado público o iluminación decorativa.

Lámparas de inducción magnética:

Son lámparas innovadoras de descarga constituidas por una bobina de inducción

magnética y una antena acopladora. En la Figura 13, se muestra de manera clara cada uno de los componentes de ésta lámpara.

Figura 13 – Lámpara de Inducción Magnética

Específicamente su funcionamiento se basa en la descarga producida en la bobina de inducción, tras aplicar un generador de alta frecuencia. El ensamble de vidrio circundante contiene un material electrón-ion plasma y está rellenado con un gas inerte. La porción interior

del vidrio está recubierta con un recubrimiento de fósforo (similar al usado en las lámparas fluorescentes). La antena transmite la energía generada por el primario de la bobina al gas encubado dentro de la lámpara, generando una radiación ultravioleta, la cual es transformada en luz visible por medio del recubrimiento de fósforo en la superficie de vidrio.

Ventajas:

A continuación se enumeran algunas características y ventajas de las lámparas de inducción magnética.

- Elimina los parpadeos.

- Encendido de la lámpara inmediato, produciendo todo su flujo luminoso desde el primer instante.

- No utiliza balasto, pues cuenta con un generador de frecuencia. - No necesita mantenimiento, ni cambios de foco.

- No se ve afectada por las vibraciones dado que no cuenta con filamento. - Poca pérdida de energía, ahorrando un 70% de consumo energético. - Tiene 100.000 horas de vida útil.

- Factor de potencia de 95%.

- Bajos niveles de emisión de luz Ultravioleta e Infrarroja, menor al 0,4%. - Genera poco calor, pues su máxima temperatura es de 110°C.

- Al general poco calor y consumir poca energía contribuye al no calentamiento global, disminuyendo la producción del dióxido de carbono.

LED:

Un Diodo Emisor de Luz LED, por sus siglas en inglés, (Light-Emitting Diode), es un

dispositivo electrónico semiconductor que emite luz.

Estos diodos tienen una estructura, simple, pequeña y sólida. En la Figura 14, puede visualizarse cada uno de los componentes internos de un LED.

Figura 14 – Componentes de diodo LED

Diodo: Es un microchip incrustado en un circuito eléctrico, que hace las veces de filamento en

las lámparas incandescentes. Consistente en 2 capas de semiconductores dopados, portadores mayoritarios y minoritarios, que emiten luz únicamente al polarizarse de manera correcta.

Electrodos: Presenta dos electrodos, con el nombre de cátodo K (-) y ánodo A (+). Debe

respetarse esta nomenclatura y signos, pues designa la polarización directa con la que el diodo emitirá luz.

Lente EPOXY: Este lente protege al diodo y determina el brillo de la luz.

Principio de funcionamiento:

Su funcionamiento se basa exclusivamente en los materiales semiconductores, cuya característica principal es que permite la circulación de la corriente en una determinada dirección y no en otra. Cuando un electrón, que se encuentra inicialmente en la banda de conducción, cae a la banda de valencia pierde energía. Esta energía en perdida puede manifestarse en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, dirección y fase aleatoria. Esta acción depende

intrínsecamente del tipo de material semiconductor que se empleé.

Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona P se mueven hacia la zona N y los electrones de la zona N hacia la zona P, es decir se produce un desplazamiento de portadores de carga entre las capas semiconductores, este movimiento de cargas constituye la corriente que circula por el diodo. Así los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones, denominándose a este efecto como electroluminiscencia, y el color de luz emitido dependerá de la energía del fotón desprendido del semiconductor.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de resina EPOXI, un plástico con mayor resistencia que el vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Si bien, éste plástico tiene diferentes colores, debe quedar claro que se trata de una fachada pues ello no influye ni define el color de luz emitida.

Los diodos LED tienen un patrón de intensidad luminosa bastante complejo, debido a que está compuesto por diferentes partes. Es por ello que los fabricantes de LED’s, como todos los demás dispositivos electrónicos, documentan estas características junto con otras

especificaciones técnicas en su correspondiente hojas de datos, Véase Anexo I.

Conocer la hoja de datos de un LED, es sumamente importante, de hecho es la primera acción a realizar al momento de querer implementarlos para alguna aplicación específica. Sin embargo, puede darse una idea de los valores de tensión y corriente que los polarizan. Los niveles de tensión van desde 1,8V hasta 3,8V aproximadamente, y están íntimamente

relacionados con el material de fabricación y el color de la luz emitido. Mientras que los valores típicos de corriente están comprendidos entre los 10 y los 40mA. En la Tabla 6 se muestran los distintos materiales empleados para su fabricación y los colores de luz que emiten.

Tabla 6 – Materiales de fabricación y colores de luz emitidos por un LED.

En general, los LED´s suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, esto quiere decir, que para su óptima operación, se buscará siempre un compromiso entre la intensidad luminosa que producen y su eficiencia.

Evolución de los LED’s:

En 1960 se creó el primer diodo LED de color rojo, aparecieron después el de color verde y en 1990 el de color azul. La combinación de estos colores permitía obtener una luz blanca. Sus aplicaciones se limitaban a las señalizaciones únicamente, dado que presentaban bajos niveles de iluminación. Sin embargo, a fines de la década de 1990, tras el creciente avance en las diferentes tecnologías de electrónica, ha sido posible expandir sus fronteras dentro del campo de

aplicaciones de iluminación.

Actualmente formamos parte de la era de los LED´s de alta luminosidad o SMD. Éstos proporcionan un mayor flujo luminoso, con intensidades lumínicas entre 5 y 20 veces mayores. Poseen colores intensos sin necesidad del uso de filtros, permitiendo desde el color blanco ajustable, producir digitalmente cualquier color. Las numerosas ventajas del LED de alta luminosidad como fuente de iluminación, hacen que progresivamente vayan sustituyendo cualquier otra tecnología convencional para generar luz, como las lámparas incandescentes, fluorescentes o descarga, consiguiendo diseños de nuevos productos y aplicaciones para iluminación nunca antes posibles.

A continuación en la Figura 15, se muestra una línea temporal que marca el notable avance en la tecnología de los diodos LED’s.

Figura 15 – Evolución del LED.

Ventajas:

- Pequeño tamaño: Un LED puede ser sumamente pequeño y proporcionar un haz de luz

de altas prestaciones lumínicas.

- Bajo consumo de electricidad: Están diseñados para funcionar con niveles bajos los

niveles de corriente y tensión, (0.02-0.03A y 2-3.6V), lo que significa que no necesita consumir más de 0.1W para funcionar.

- Larga vida útil: Con funcionamiento a una tensión nominal, la corriente y el ambiente

adecuados, los LED tienen una larga vida aproximadamente 100,000 horas.

- Alta eficacia: Puesto que convierte casi toda la energía consumida en luz, presenta un

alto nivel de eficacia luminosa y baja dispersión de calor. Uno de los mejores LED en el mercado actual emite 321m/w, que es casi dos veces tan eficiente como una bombilla de filamento de tungsteno equivalente.

- Protección de medio ambiente: Están fabricados con materiales no tóxicos a diferencia

de las lámparas fluorescentes, que usan mercurio.

- Mantenimiento reducido: Las lámparas de LED tienen al menos 10 veces mayor tiempo

de vida útil que una luz convencional, por lo que se reduce costos de mantenimiento. Sin embargo, muchas de las críticas aplicaciones de iluminación como salidas de emergencia, e iluminación para seguridad requieren un mantenimiento periódico para corroborar su correcto funcionamiento o reemplazo con los LED´s se ahorra este mantenimiento. - Flexibilidad de diseño: Debido a su pequeño tamaño, permite diferentes y variados

diseños de lámparas de iluminación.

- Colores más vivos sin el uso de filtros: No requieren del uso de filtros para crear

múltiples colores. A diferencia de las lámparas incandescentes, que para un color especifico debe agregarse un filtro que permite solo el paso del color deseado. - Color instantáneo: Luz instantánea sin parpadeos y sin la necesidad de un

precalentamiento.

- Mejor Radiación: Los LED´s solo generan iluminación sensible al ojo humano, sin

producir radiación ultravioletas o infrarroja

- Bajo Voltaje de operación: A diferencia de la luz convencional los LED’s utilizan un

Aplicaciones:

Hoy en día, gracias a su diseño compacto, los LED´s se incorporan en más del 90% de todas las distintas tecnologías de iluminación. Algunos ejemplos son: en casas, oficinas, industrias, edificios, conciertos, discotecas, hoteles, semáforos, señalamientos viales,

universidades, en linternas de mano, para crear pantallas electrónicas de LED, tanto informativas como publicitarias, y para cuestiones arquitectónicas especiales o de arte culturales.

Los LED’s presentan la ventaja de encenderse muy rápido, aproximadamente en dos segundos, en comparación de las lámparas incandescentes. La excelente variedad de colores que producen ha permitido el desarrollo de nuevas pantallas electrónicas de textos monocromáticos, bicolores, tricolores y RGB (pantallas a todo color) con la habilidad de reproducción de vídeo para fines publicitarios, informativos o tipo indicadores.

Los LED´s infrarrojos, se usan en unidades inalámbricas tales como el control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores, cámaras de monitoreo, reproductores de DVD, entre otras aplicaciones domésticas.

FISIOLOGÍA DEL OJO HUMANO

Comprender el proceso de formación de imágenes en el ojo, su percepción, la

sensibilidad del mismo frente al estímulo de distintos colores es un tema sumamente interesante que debe tratarse, para comprender las limitaciones y capacidades del ser humano ante la

iluminación. Es por ello que en esta sección se describirá de manera simple y directa la fisiología del ojo humano y su respuesta a la radiación luminosa.

El ojo humano como receptor de luz

El ojo es el órgano fisiológico del sentido de la vista. Para que se realice el proceso de la iluminación, como acción y efecto de iluminar y ver, se requieren incondicionalmente tres agentes:

1. La fuente productora de luz o radiación luminosa. 2. Un objeto a iluminar, para que sea visible.

3. El ojo, que recibe la energía luminosa y la transforma en imágenes que son enviadas al cerebro para su interpretación.

El ojo no es igualmente sensible a la energía de todas las longitudes de onda o colores. En la Figura 16 se representa la curva de sensibilidad del ojo humano a las radiaciones monocromáticas de longitud de onda, que se extiende desde 3800 , hasta 7600 .Ȧ Ȧ

Figura 16 – Curva de sensibilidad del ojo humano

La curva de la Figura 16 pone de manifiesto que la sensibilidad máxima tiene lugar en el amarillo verdoso (5500 ), mientras que la sensibilidad en los extremos violeta, azul (3800 -Ȧ 4500 ) y rojo (6500 - 7600 ) es muy baja. Es evidente que fuera de este espectro el ojo es ciegoȦ Ȧ y no percibe nada.

Estructura del ojo humano

Figura 17 – Estructura del ojo humano

- CORNEA: Es una membrana situada en la parte anterior del ojo, al cual lo protege, junto con los párpados, pestañas, etc.

- ESCLERÓTICA: Es la prolongación de la córnea hacia la parte interior del ojo, que cierra el globo ocular.

- IRIS: Se encuentra detrás de la córnea y es la encargada de graduar automáticamente la entrada de luz al ojo.

- PUPILA: Es la perforación interior del iris por la cual penetra la luz al interior del ojo. - CRISTALINO: Se encuentra detrás del iris, es una membrana transparente, cuyo

objetivo es enfocar los rayos luminosos sobre la retina.

- RETINA: Es una delgadísima membrana, sobre ella se forman las imágenes luminosas. - MÚSCULOS CILIARES: Son los encargados de variar la curvatura del cristalino, de

manera de poder adaptar la visión para diferentes distancias.

- COROIDES: Es la prolongación del cristalino en la parte interior del ojo, destinada a mantener la parte más sensible a la luz, la retina.

- NERVIO ÓPTICO: Son los encargados de trasmitir al cerebro las imágenes

impresionadas en la retina, en el cerebro es donde tiene lugar la verdadera percepción luminosa.

- HUMOR ACUOSO: Es un líquido transparente, contenido en la cámara anterior, comprendido entre la córnea y el iris.

- HUMOR VITRIO: Es un líquido de aspecto gelatinoso, contenido en la cámara posterior, comprendido entre el cristalino y la retina.

Si bien las imágenes se forman en los ojos, pero es el cerebro que se encarga de interpretarlas. El nervio óptico conduce hasta el globo del ojo un gran número de pequeñas

fibras nerviosas, que al llegar a la retina se extienden sobre su superficie exterior. Las

terminaciones de estas fibras nerviosas son células nerviosas de dos tipos especiales: -BASTONCILLOS, de forma cilíndrica

En toda la retina existen aproximadamente 130 millones de bastoncillos y unos 8 millones de conos, es decir una distribución de aproximadamente 100 bastoncillos y 8 conos por fibra nerviosa. Esta distribución es bastante irregular, puesto que en el borde exterior de la retina predominan los bastoncillos y casi no hay conos. En el punto de entrada del nervio óptico no existen ni conos ni bastoncillos, lo que lo hacen insensibles a las impresiones luminosas, es por esto que se le concede el nombre de punto ciego. Por último, en el centro de la retina existe una región llamada mancha amarilla, debido a su color, donde se concentra una gran cantidad de conos (aproximadamente 4000 conos), y ningún bastoncillo.

Tanto lo bastoncillos como los conos son los órganos sensibles a los estímulos

luminosos, y en ellos es donde se transforma la energía luminosa en energía nerviosa que se conduce al cerebro por el nervio óptico. Cada uno de estos elementos tiene su función bien determinada, las cuales se detalla a continuación:

-BASTONCILLOS: Órgano muy sensible a la energía luminosa y casi insensible al color. Con los bastoncillos puede distinguirse la mayor o menor claridad con la que están iluminados los objetos.

-CONOS: Órgano muy sensible al color y prácticamente insensibles a la energía luminosa. Con los conos puede apreciarse el color de cada objeto.

Entonces, en base a lo definido se puede decir, que en la visión a la luz del día o visión fotópica intervienen bastoncillos y conos, mientras que en la visión nocturna o visión

escotópica intervienen los bastoncillos casi exclusivamente, razón por la cual de noche vemos los objetos de color gris.

Formación de imágenes en el ojo

La percepción visual tiene lugar cuando, de los objetos iluminados o con luz propia parten rayos luminosos que atraviesan la córnea y llegan al interior del ojo. El iris refleja una parte de estos rayos, dándole un color característico propio. Por otra parte, los rayos que ingresan por la pupila pasan al cristalino donde se refractan y se dirigen hacia la retina, Figura 18. Allí, la imagen formada es pequeña e invertida, que posteriormente se transformará en una señal

nerviosa, y a través del nervio óptico pasará al cerebro, encargándose de interpretar y procesar los datos recibidos.

Figura 18 – Formación de imagen en el ojo

Factores que influyen en la percepción visual

Durante el proceso de percepción visual, se destacan importantes factores, los cuales se describen detalladamente a continuación.

Acomodación:

Es la capacidad que tiene el ojo humano para acomodarse de manera automática a las diversas distancias en la que se encuentran los objetos. De este modo, la imagen que recibe la retina siempre estará bien enfocada, debido a la actuación de los nervios ciliares sobre el cristalino, forzándolo a hacerse más o menos convexo según sea la distancia a la que se encuentra el objeto enfocado.

Adaptación:

Es la capacidad del ojo humano para ajustarse automáticamente a los distintos niveles de iluminación. Dicho de otra manera, el ojo regula la intensidad de las sensaciones luminosas sobre la retina permitiendo que la imagen formada siempre tenga nitidez.

De esta manera, se explica que cuando el ojo se encuentra sometido a una luz intensa la pupila se contrae, reduciendo el paso de los rayos al interior del ojo. Contrariamente cuando la intensidad luminosa es débil la pupila se dilata tratando de captar la mayor cantidad de luz.

Las propiedades de acomodación y de adaptación se realizan simultáneamente permitiendo una visión clara de lo objetos que nos rodean.

Tiempo de adaptación:

La completa adaptación del ojo del paso de la visión fotópica a la escotópica es lenta, aproximadamente de 30 minutos, mientras que la adaptación en sentido contrario es mucho más rápida. Debe tenerse en cuenta que el ojo puede ver pequeños detalles, con bajos niveles de iluminación si se le da tiempo suficiente.