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Universidad Técnica Federico Santa María

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Luminancia

Seminario Profesional

Alumno: Manuel Avalos C.

Prof.: Sergio Fuentes B.

Octubre 2009

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Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 4

Radiación y Visión ............................................................................................................................... 5

Radiación ......................................................................................................................................... 5

Teorías ............................................................................................................................................. 5

Teoría electromagnética. ............................................................................................................ 5

Teoría cuántica. ........................................................................................................................... 5

Radiación del cuerpo negro. ........................................................................................................... 5

Ley de Desplazamiento de Wien. ................................................................................................ 6

Ley de Slefan-Bolzmann. ............................................................................................................. 6

Radiación visible (Luz) ..................................................................................................................... 7

Visión ................................................................................................................................................... 7

Visión Central. ............................................................................................................................. 8

Visión Periférica........................................................................................................................... 8

Visión de Colores ............................................................................................................................. 8

Visión Escotópica. ........................................................................................................................ 8

Visión Fotópica. ........................................................................................................................... 8

Visión Mesotópica. ...................................................................................................................... 8

Sensibilidad Espectral del Ojo ......................................................................................................... 8

Adaptación. ................................................................................................................................. 9

Acomodación ............................................................................................................................... 9

Contraste y Sensibilidad de Contraste ..........................................................................................10

Contraste. ..................................................................................................................................10

Sensibilidad de contraste. .........................................................................................................10

La agudeza visual, o nitidez de visión ........................................................................................10

La velocidad de percepción .......................................................................................................11

Color ..................................................................................................................................................11

Sistemas de Especificación de Color Sistema Munsell ..................................................................11

Sistema CIE ....................................................................................................................................13

Rendimiento del color .......................................................................................................................14

Diagrama espectral .......................................................................................................................15

Temperatura del color ..................................................................................................................16

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Reflectancia ...................................................................................................................................17

Magnitudes y medidas ......................................................................................................................18

Flujo luminoso ...............................................................................................................................18

Lumen ............................................................................................................................................18

Candela ..........................................................................................................................................19

Estereorradián ...............................................................................................................................19

Lux .................................................................................................................................................20

Ley inversa de los cuadrados ........................................................................................................21

Luminancia ....................................................................................................................................22

Principales tipos de lámparas............................................................................................................23

Lámparas incandescentes .............................................................................................................23

Lámpara incandescente normal: ...............................................................................................23

Lámpara incandescente halógena de Tungsteno:.....................................................................23

Lámparas de descarga ...................................................................................................................24

Lámpara de sodio de Baja Presión: ...........................................................................................24

Lámpara de sodio de Alta Presión: ............................................................................................24

Lámpara de mercurio de Baja Presión: .....................................................................................24

Lámparas de mercurio de Alta presión: ....................................................................................25

Lámparas Mezcladoras: .............................................................................................................25

Lámpara de Halogenuros Metálicos:.........................................................................................26

Lámparas de inducción electromagnética ....................................................................................26

Lámparas de LED ...........................................................................................................................26

Proyecto de evaluación lumínica de la sala B114 .............................................................................27

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Introducción

El presente informe corresponde a la finalización de una serie de presentaciones expuestas

durante las clases de la signatura “Seminario Profesional” .

Primero se presentarán los modelos físicos que explican el comportamiento de la luz y el espectro

visible entre los conceptos más generales, luego se hará referencia a la percepción que tienen los

seres humanos de la luz.

Se presentarán algunos conceptos sobre el color como son temperatura, modelos para

representarlo, fuentes luminosas.

Se explicarán las magnitudes físicas relacionadas con luminancia y las normas chilenas que

existen al respecto.

Se verán los tipos de lámparas de luz artificial más comunes que existen en la actualidad.

Para concluir se presentarán las mediciones realizadas en la sala B114 de la casa central de la

UTFSM junto con una evaluación y simulación realizada con el software DiaLux 4.7.

Este informe va acompañado de un video tutorial que ayudará a iniciarse en el uso de DiaLux 4.7 y

y del documento generado por el software al momento de hacer los cálculos de la sala B114.

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Radiación y Visión

Radiación La radiación se define como la emisión o transporte de energía en forma de ondas

electromagnéticas o de partículas.

Teorías Teoría electromagnética. Según esta teoría, se puede considerar a la radiación como ondas

electromagnéticas que recorren el vacío en líneas rectas a una velocidad de 300.000 km/s. Al

pasar al medio de la materia, tal como el aire o vidrio, la velocidad de propagación se reduce por

la cantidad que dependerá del índice de refracción del medio.

Para cualquier tipo de onda, la velocidad de propagación c es igual al producto de la longitud de

onda λ y de la frecuencia v.

c v

La frecuencia no varía según la naturaleza del medio a través del cual se propaga la radiación, sin

embargo cualquier cambio de velocidad producirá un cambio proporcional en el longitud de onda,

por lo tanto la relación c/λ será constante.

Teoría cuántica. Según la teoría cuántica de radiación, la energía es emitida y absorbida en

cuanto (fotones) discreto. La magnitud de cada cuanto es hv, donde h es conocido como

constante de Planck y posee dimensiones de energía x tiempo, y v es la frecuencia de la radiación

electromagnética. El valor actualmente aceptado de h es

Radiación del cuerpo negro. El cuerpo negro, o radiador integral, es un cuerpo que absorbe completamente todas las

radiaciones que inciden sobre él. Las características de radiación de dichos cuerpos se pueden

calcular de manera precisa a cualquier longitud de onda y temperatura.

La distribución espectral de energía de un cuerpo negro es, de acuerdo a la Ley de Planck, una

función de longitud de onda y temperatura absoluta. No solo la energía radiante aumenta

rápidamente con la temperatura, sino que el valor pico de la longitud de onda resulta ser menor.

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Figura 1: La Ley de Desplazamiento de Wien y la ley de Stefan-Bolzmann

Esta conducta obedece a dos leyes: La Ley de Desplazamiento de Wien y la ley de Stefan-

Bolzmann.

Ley de Desplazamiento de Wien. Esta ley, definida por la fórmula

maxT c

donde max = longitud de onda de la energía máxima (metros)

T = temperatura (kelvin)

c = constante (2.8978 x 10 metro * kelvin)

permite calcular la longitud de onda de la radiación máxima. Vale destacar para la observación,

que un cuerpo calentado primero es rojo, luego amarillo y por último azul.

Ley de Slefan-Bolzmann. Esta ley, definida por la fórmula

4E T

donde E = energía radiante (joules/m2)

σ = constante de Stefan-Bolzmann (5.67032 x 10-8 W m-2 k -4)

T4 = temperatura (kelvin)

expresa la energía radiante total emitida por un cuerpo negro, por unidad de superficie por

unidad de tiempo, es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

Esta forma de radiación se denomina radiación térmica, o radiación de cuerpo negro. Ya que las

longitudes de ondas se presentan en el espectro de la radiación térmica, dicho espectro se

denomina espectro continuo.

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El radiador de cuerpo negro generalmente se utiliza como norma de referencia principal al

describir la luz de fuentes luminosas prácticas.

Radiación visible (Luz) La luz se puede definir como cualquier radiación susceptible de producir rectamente una

sensación visual. Las ondas de luz ocupan sólo una pequeña parte del dominio espectral de las

ondas electromagnéticas.

Figura 2: Espectro visible por el hombre

Los límites de la radiación visible son imprecisos y pueden variar según los usuarios el límite

inferior se toma generalmente en 380 nm y el superior en 780nm.

El espectro visible se puede dividir en diferentes rangos de longitudes de ondas, los que producen

ciertas impresiones de color:

Figura 3: Colores más perceptibles del espectro visible.

Visión La luz que entra en el globo ocular llega directamente a la retina, la cual está compuesta por

varias neurona de las cuales las únicas sensibles a la luz son los conos y bastones.

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Figura 4: Distribución de la densidad de bastones y conos sobre la sección horizontal a través de la retina.

Visión Central. Los conos en la fovea producen una imagen nítida, permitiendo ver todos los

detalles de la misma.

Visión Periférica. La periferia de la retina, compuesta principalmente por bastones, no produce

una visión nítida, los objetos observados desde dicha área parecen siluetas borrosas. Sin embargo,

es muy sensitiva al movimiento y al parpadeo.

Visión de Colores Los conos nos permiten distinguir los colores. Existen tres tipos de conos, con pigmentos

sensitivos a las partes rojas, verdes y azules del espectro, respectivamente. La mente interpreta la

estimulación relativa de los tres receptores de color como la impresión de color.

Visión Escotópica. Es aquella percepción visual que se produce con niveles muy bajos de

iluminación (< 0,035 cd/m2). La agudeza visual es baja y la recepción de luz es principalmente con

los bastones de la retina, que son sensibles al color azul del espectro (y por ende, ciego al rojo).

No es posible una discriminación del color en este tipo de visión: es una visión monocromática.

Visión Fotópica. Visión del ojo normal cuando está adaptado a niveles de luminancia superiores

a 3.5 cd/m2. Se considera que los conos de la retina intervienen principalmente en estas

condiciones y el espectro aparece coloreado.

Visión Mesotópica. Visión en condiciones intermedias entre las de la visión fotópica y las de la

visión escotópica. La habilidad para distinguir el color disminuye junto con el nivel de alumbrado,

y debido a un desplazamiento de la curva de sensibilidad espectral relativa, el ojo es más sensible

a los colores del extremo azul del espectro.

Sensibilidad Espectral del Ojo Dentro del rango visible del espectro electromagnético la sensibilidad del ojo varía según las

longitudes de ondas de igual potencia energética. Por ejemplo, según las condiciones de la visión

fotópica el ojo es al menos veinte veces más sensible a la luz con una longitud de onda de 555 nm

(amarillo-verde) que con longitudes de onda de 700 nm (rojo profundo/oscuro) o de 450 nm

(violeta-azul). La sensibilidad máxima para la visión escotópica se encuentra 50 nm más cerca del

extremo azul del espectro que la sensibilidad máxima para la visión fotópica, el llamado efecto

Purkinje.

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En 1924, la "Commission Internationale de L'Eclairage" (CIE) estableció una curva estándar de

sensibilidad espectral del ojo para la visión fotópica, seguida en 1951 por una curva similar para la

visión escotópica. Dichas curvas dan la sensibilidad de la visión fotópica (V) y la sensibilidad de la

visión escotópica (V') relativa como función de la longitud de onda (λ), y generalmente se

denominan curvas V(λ) o V'(λ). Las sensibilidades máximas para la visión fotópica y escotópica se

han definido en 555 nm y 507 nm, respectivamente.

Visión escotópica

Figura 5: Curva estándar de sensibilidad espectral del ojo

para la visión escotópica V’(λ) y la visión fotópica V(λ)

Visión fotópica

Adaptación.

Proceso de modificación de las propiedades del órgano de la visión según los niveles de

iluminancias, comprende (entre otras cosas) una alteración en la pupila con cambios fotoquímicos

en la retina.

Los términos "adaptado a la luz" o "adaptado a la oscuridad" se utilizan generalmente para

describir a un observador cuyos ojos están completamente adaptados a la visión fotópica y

escotópica, respectivamente. Para una total adaptación a la oscuridad luego de una exposición a

altas luminancias se necesita por lo menos una hora; en cambio, la adaptación total a la luz a

continuación de una exposición a luminancias bajas se establece mucho más rápido,

generalmente en menos de un minuto.

Acomodación

Modificación de los elementos ópticos del ojo de acuerdo con la distancia de los objetos

observados. Durante este proceso, el músculo ciliario que rodea la lente ajusta la tensión,

alterando la curvatura y la longitud focal.

Con el aumento de la edad, la potencia de la lente para acomodarse disminuye, debido a un

endurecimiento del material del mismo (condición presbiopia). Los anteojos se utilizan para

modificar el foco, ya sea en los casos donde se pierde la potencia para acomodar o en aquellos

donde la construcción del ojo muestra anormalidades.

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Contraste y Sensibilidad de Contraste Contraste. El factor dominante en la discriminación de un objeto es la diferencia en luminancia o

color entre el objeto observado y su alrededor inmediato. En el sentido subjetivo, contraste es la

evaluación de la diferencia en apariencia de dos partes de un campo de visión vistos simultánea o

sucesivamente. En el sentido objetivo, contraste - especificamente el contraste de iluminancia - se

define como la relación entre la luminancia del objeto y del fondo, expresado por la siguiente

ecuación:

o f

C

f

L LL

L

donde Lo y Lf representan la luminancia del objeto y del fondo respectivamente.

El contraste de color se puede describir especificando los colores mediante un sistema de color

adecuado.

Sensibilidad de contraste. La performance de las tareas visuales resulta más fácil si el contraste

o la luminancia es superior al valor del umbral definido por la sensibilidad del contrate del ojo. La

sensibilidad del contraste se mide ajustando el nivel de luminancia de una tarea, de manera tal

que el contraste resulte perceptible.

Cuantitativamente, la sensibilidad del contraste (SC) es igual a la recíproca del umbral de

contraste (Cu), o a la luminancia de fondo dividida por el umbral de luminancia (Lu).

1 f o

u o f

L LSC

CU L L L

Por lo tanto, cuanto menores sean los valores de dichos umbrales, mayor será la sensibilidad.

La sensibilidad de contraste medida según condiciones de laboratorio es una función de la

luminancia de fondo. Sin embargo, según condiciones de campo, también está influenciada por

los alrededores, la adaptación del ojo, y otros factores secundarios, tal como las fuentes de luz

que reflejan dentro del campo de visión.

Figura 6: Algunos de los contraste de colores más efectivos.

La agudeza visual, o nitidez de visión, se puede definir tanto cualitativamente como

cuantitativamente. Cualitativamente, es la capacidad de percepción distinta de objetos que

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aparecen muy próximos unos a otros. Cuantitativamente, es la inversa del valor en minutos

(sexagesimales) del menor ángulo bajo el cual el ojo puede todavía percibir separados dos objetos

que aparecen muy próximos uno a otro. Por lo tanto, la agudeza visual es una medida del detalle

más pequeño que se pueda percibir. Depende del nivel de luminancia, contrate, y tiempo de

observación.

La velocidad de percepción depende del nivel de luminancia. Se puede definir como la inversa

del intervalo de tiempo entre la presentación de un objeto y la percepción de su forma.

Correspondientemente, la velocidad de la percepción de contraste es la inversa del intervalo de

tiempo entre el instante en el cual se presenta el contraste y el instante en el cual se percibe.

Color Isaac Newton (1642- 1726) fue el primero que ordenó los colores construyendo un convincente círculo cromático sobre el cual se han basado la mayoría de los estudios posteriores. Se han elaborado distintos modelos de color, y existen diferencias en la construcción de los círculos cromáticos que responden a cada modelo. El avance que significaron los estudios de Newton es la posibilidad de identificar objetiva y no subjetivamente un color nominándolo por las mezclas con las que fue creado. Muchos sistemas de nomenclatura usados hoy derivan de este primer intento. Los modos de color son fórmulas matemáticas que se calculan del color. Actualmente, uno de los más aceptados es el modelo de Albert Munsell (1858- 1918) basado en: Tono - Saturación - Valor (HSV). Otro modelo actual destacar, el modelo CMYK (basado en los colores Cyan Magenta Amarillo Negro). El modelo RGB (basado en los primarios luz rojo, verde y azul). El sistema de color Pantone (para definir colores en impresos con tintas). El CIE Color Space. Cada modelo incorpora alguna forma de denominación precisa del color, basándose en la medición específica de sus atributos, ya sea en modelos geométricos, escalas, porcentajes, grados, etc.

Sistemas de Especificación de Color Sistema Munsell El sistema Munsell es uno de los mejores sistemas conocidos para especificar el color de la

superficie en condiciones de luz. Según este sistema el color tiene tres dimensiones: tono, valor y

croma. Cada una de estas tres dimensiones posee una escala de valores. Dichas escalas tienen por

base una serie de chips de colores que forman libros de cuadros de color, cada cuadro con una de

las tres variables se mantiene constante .

La escala de tonos contiene cinco Tonos Principales: Rojo (R), Amarillo (A), Verde (V), Azul (Az) y

Púrpura (P), y cinco Tonos Intermedios, AR, VA, AzV, PAz y RP. El valor que representa la

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luminosidad (o brillo) del tono, se indica sobre una escala de grises, con intervalos desde el 0

(negro) al 10 (blanco). Y por último, croma es la saturación del color, o a la inversa, la libertad para

diluirse con blanco que se indica hasta 14 intervalos (steps) desde un determinado nivel del valor.

Por lo tanto, en el sistema Munsell, cualquier color se puede especificar utilizando tres o cuatro

símbolos. Por ejemplo, algún amarillo con un valor medio ascendente de la escala de grises (5) y

seis intervalos en croma fuera del neutro, se escribe 5A 5/6, el orden de la misma es tono,

valor/croma.

Figura 7: Matiz de Munsell

Figura 8: Esfera del color de Munsell

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Figura 9: Espacio de color de Munsell

Sistema CIE Diagrama de Cromaticidad. El diagrama de cromaticidad, o triángulo de los colores primarios,

adoptado en 1931 por la CIE permite la especificación exacta matemática de cualquier color de luz

mediante dos coordenadas de cromaticidad, x e y. Dichas coordenadas se calculan según la

distribución de energía espectral de la lámpara y la respuesta de un observador patrón

colorimétrico de la CIE a los tres colores primarios rojo, azul y verde. Los colores de luz más

saturados se encuentran a lo largo de los lados del triángulo, los cuales se van diluyendo

gradualmente en "luz blanca" hacia el centro.

Figura 10: Diagrama de cromaticidad CIE

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Rendimiento del color Se dice que un objeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas y absorbe todos los demás colores del espectro. Esto es válido si la fuente luminosa produce la suficiente cantidad de radiaciones en la zona roja del espectro visible. Por lo tanto, para que una fuente de luz sea considerada como de buen “rendimiento de color”, debe emitir todos los colores del espectro visible. Si falta uno de ellos, este no podrá ser reflejado.

Figura 11: Reflexión total de la luz (izquierda). Absorción total de la luz (derecha).

Figura 12: Reflexión de una montaña en un lago.

Las propiedades de una fuente de luz, a los efectos de la reproducción de los colores, se valorizan

mediante el “Indice de Reproducción Cromática” (IRC) ó CRI (“Color Rendering Index”). Este

factor se determina comparando el aspecto cromático que presentan los objetos iluminados por

una fuente dada con el que presentan iluminados por una “luz de referencia”. Los espectros de las

lámparas incandescentes ó de la luz del día se denominan “continuos” por cuanto contienen todas

las radiaciones del espectro visible y se los considera óptimos en cuanto a la reproducción

cromática; se dice que tienen un IRC= 100. En realidad ninguno de los dos es perfecto ni tampoco

son iguales. (al espectro de la lámpara incandescente le falta componente “azul” mientras que a la

luz del día “roja”)

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Figura 13: Distribución espectral de una lámpara de tungsteno

Figura 14: Distribución espectral de un monitor LCD.

Si por el contrario el espectro muestra interrupciones, como por ejemplo el de las lámparas de descarga, se dice que es un espectro “discontinuo”, ya que presenta diversas “lineas espectrales” propias del material emisor.

Diagrama espectral Estos “gráficos o curvas de distribución espectral” permiten al proyectista tener una rápida apreciación de las características de color de una determinada fuente. En base a este criterio se clasifican las fuentes de luz artificial. Se dirá que una lámpara tiene un rendimiento cromático óptimo si el IRC está comprendido entre 85 y 100, bueno si está entre 70 y 85 y discreto si lo está entre 50 y 70. Se debe tener en cuenta que dos fuentes pueden tener el mismo IRC y distinta “Temperatura de color”. Por lo tanto es conveniente, cuando se compare capacidad de reproducción cromática, buscar que las lámparas tengan temperaturas de color aproximadas. Es obvio que, a igualdad de IRC, un objeto rojo se verá más brillante bajo 2800 K que bajo 7500 K.

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Figura 15: Diagramas espectrales de distintas lámparas.

Temperatura del color La temperatura de color se mide en “Grados Kelvin” (K) y es la referencia para indicar el color de

las fuentes luminosas (salvo aquellas que tengan de por sí un color señalado) Cuando un metal es

calentado, pasa por una gama de colores que van desde el rojo al azul, pasando por el rojo claro,

naranja, amarillo, blanco y blanco azulado.

Figura 16: Representación aproximada de la temperatura según ciertos colores

Las lámparas incandescentes tienen una temperatura de color comprendida entre los 2700 y 3200

K. Las lámparas fluorescentes ofrecen una amplia gama de temperaturas de color entre los 2700 K

y los 6500 K.

Algunos ejemplos aproximados de temperatura de color

1700 K: Luz de una cerilla

1850 K: Luz de vela

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2800 K: Luz incandescente o de tungsteno (iluminación doméstica convencional)

3200 K: tungsteno (iluminación profesional)

5500 K: Luz de día, flash electrónico (aproximado)

5770 K: Temperatura de color de la luz del sol pura

6420 K: Lámpara de Xenón

9300 K: Pantalla de televisión convencional (CRT)

28000 – 30000 K: Relámpago

Reflectancia El poder reflectante de las superficies que rodean a un local, juega un papel muy importante en el resultado final del proyecto de iluminación. Las luminarias emiten la luz de diversas formas según su tipo de distribución luminosa. Cuando esta emisión luminosa es del tipo abierta, habrá una gran parte de la luz que llegará en forma directa al plano de trabajo, es decir sin obstáculos; pero habrá también una porción importante de esa emisión que caerá sobre las paredes. Esa parte de la luz emitida por la luminaria, podrá ser reflejada y aprovechada en mayor ó menor grado según el poder reflectante de esas superficies.

Color Refl. % Material Refl. %

Blanco 70-75 Revoque claro 35-55

Crema claro 70-80 Revoque oscuro 20-30

Amarillo claro 50-70 Hormigón claro 30-50

Verde claro 45-70 Hormigón oscuro 15-25

Gris claro 45-70 Ladrillo claro 30-40

Celeste claro 50-70 Ladrillo oscuro 15-25

Rosa claro 45-70 Marmol blanco 60-70

Marrón claro 30-50 Granito 15-25

Negro 4-6 Madera clara 30-50

Gris oscuro 10-20 Madera oscura 10-25

Amarillo oscuro 40-50 Vidrio plateado 80-90

Verde oscuro 10-20 Aluminio mate 55-60

Azul oscuro 10-20 Aluminio pulido 80-90

Rojo oscuro 10-20 Acero pulido 55-65

Tabla 1: Reflectancia de algunos colores.

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Magnitudes y medidas

Flujo luminoso Definición: cantidad de luz visible emitida por una fuente de luz en todas las direcciones. Símbolo: φ ( Phi ) Unidad de medida: LUMEN ( Lm ) 1 lumen = 1 candela (cd) * 1 estereorradián (sr)

Figura 17: Lámpara incandescente.

El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de sensibilidad luminosa, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso. Así, para cualquier punto de luz, si representa el flujo luminoso , simboliza la potencia radiante espectral del punto de luz en cuestión y la función de sensibilidad luminosa, entonces:

Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm (color verde) con un flujo radiante de 1W, genera un flujo luminoso de 683,002 lm, que corresponde con la máxima respuesta del ojo humano. Por otro lado, el mismo flujo de radiación situado en otra longitud de onda diferente de la del pico, generaría un flujo luminoso más pequeño, de acuerdo con la curva .

Lumen 1 lm = 1 cd·sr

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Si una fuente luminosa emite una candela de intensidad luminosa uniformemente en un ángulo sólido de un estereorradián, su flujo luminoso total emitido en ese ángulo es un lumen. Una ampolleta incandescente de 100 W emite aproximadamente 1700 lúmenes, mientras que una lámpara de vapor de sodio de la misma potencia emite alrededor de 15.000 lúmenes, unas nueve veces más.

Candela Definición: es la intensidad luminosa, en una dirección dada, que emite una fuente de radiación

monocromática, de frecuencia 540×1012 Hz, de forma que la intensidad de la radiación emitida, en

la dirección indicada, es de 1/683 W por estereoradián.

Estereorradián Se define haciendo referencia a una esfera de radio r. Si el área de una porción de esta esfera es

r2, un estereorradián es el ángulo sólido comprendido entre esta porción y el centro de la esfera.

El ángulo sólido en estereorradianes, es:

Donde es la superficie cubierta por el objeto en una esfera imaginaria de radio , cuyo centro coincide con el vértice del ángulo.

Por tanto, un estereorradián es el ángulo que cubre una superficie a una distancia del vértice.

Figura 18: Superficies medidas en estereorradián en una esfera de radio r.

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Lux Definición: Es el flujo luminoso por unidad de superficie. ( Densidad de luz sobre una superficie dada ) Símbolo: E Unidad de medida: Lux; 1 Lux = 1 lm/m2

Figura 19: Representación de la densidad de luz sobre una superficie.

La norma chilena Norma NCh. Elec. 4/2003 especifica los siguientes valores de luminancias según el tipo de local o la función de la superficie.

Tabla 2: Tabla N° 11.24 de la norma NCh. Elec. 4/2003

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Tabla 3: Tabla N° 11.25 de la norma NCh. Elec. 4/2003

Ley inversa de los cuadrados La iluminación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre la fuente de luz y la superficie iluminada.

2

IE

D

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NOTA: Esta ley es válida únicamente tratándose de fuentes puntuales, superficies perpendiculares a la dirección del flujo y cuando la distancia es grande en relación al tamaño de la fuente. La distancia debe ser al menos cinco veces la dimensión máxima de la luminaria. No es aplicable a fuentes de iluminación extensas ( ej.: cielorrasos luminosos )

Luminancia Definición: intensidad luminosa emitida en una dirección dada por una superficie luminosa o iluminada. ( efecto de “brillo” que una superficie produce en el ojo ) Símbolo: L Unidad de medida: candela por metro cuadrado ( cd/m²)

Figura 20: Luminancia

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Principales tipos de lámparas

Lámparas incandescentes

Lámpara incandescente normal:

La lámpara incandescente produce luz por medio del calentamiento eléctrico de un alambre (el filamento) a una temperatura alta que la radiación se emite en el campo visible del espectro. Son las más antiguas fuentes de luz conocidas con las que se obtiene la mejor reproducción de los colores, con una luz muy cercana a la luz natural del sol. Su desventaja es la corta vida de funcionamiento, baja eficacia luminosa (ya que el 90% de la energía se pierde en forma de calor) y depreciación luminosa con respecto al tiempo. La ventaja es que tienen un coste de adquisición bajo y su instalación resulta simple, al no necesitar de equipos auxiliares. apariencia de color: blanco cálido

temperatura de color: 2600 ºK reproducción de color: Ra 100 vida util: 1000 h

Lámpara incandescente halógena de Tungsteno:

Las lámparas incandescentes halógenas de tungsteno, tienen un funcionamiento similar al de las lámparas incandescentes normales, con la salvedad de que el halógeno incorporado en la ampolla ayuda a conservar el filamento. Aumenta así la vida útil de la lámpara, mejora su eficiencia luminosa, reduce tamaño, mayor temperatura de color y poca o ninguna depreciación luminosa en el tiempo, manteniendo una reproducción del color excelente. apariencia de color: blanco temperatura de color: 29000 ºK reproducción de color: Ra 100

vida util: 2000 - 5000 h

Figura 21

Figura 22

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Lámparas de descarga

Lámpara de sodio de Baja Presión:

Existe una gran similitud entre el trabajo de una lámpara de sodio de baja presión y una lámpara de mercurio de baja presión. Sin embargo, mientras que en la última, la luz se produce al convertir la radiación ultravioleta de la descarga del mercurio en radiación visible, utilizando un polvo fluorescente en la superficie interna; la radiación visible de la lámpara de sodio de baja presión se produce por la descarga de sodio. La lámpara producirá una luz de color amarillo, ya que en casi la totalidad de su espectro predominan las frecuencias cerca del amarillo. La reproducción de color será la menos valorada de todos los tipos de luminaria, Pero sin embargo es la lámpara de mayor eficiencia luminosa y larga vida.

apariencia de color: amarillo temperatura de color: 1800 ºK reproducción de color: no aplicable vida util: 14000 h

Lámpara de sodio de Alta Presión:

La diferencia de presiones del sodio en el tubo de descarga es la principal y más sustancial variación con respecto a las lámparas anteriores. El exceso de sodio en el tubo de descarga, para dar condiciones de vapor saturado además de un exceso de mercurio y Xenón, hacen que tanto la temperatura de color como la reproducción del mismo mejoren notablemente con las anteriores, aunque se mantienen ventajas de las lámparas de sodio baja presión como son la eficacia energética elevada y su larga vida. apariencia de color: blanco amarillo temperatura de color: 2000 - 2500 ºK reproducción de color: Ra 25 - Ra 80

vida util: 16000 h

Lámpara de mercurio de Baja Presión:

Recordemos que estas lámparas son de descarga de mercurio de baja presión, en la cual la luz se produce predominantemente mediante polvos fluorescentes activados por la energía ultravioleta de la descarga. Tienen mayor eficacia luminosa que las lámparas incandescentes normales y muy bajo consumo energético. Son lámparas más costosas de adquisición y de instalación, pero se compensa por su larga vida de funcionamiento. La reproducción del color es su punto débil, aunque en los últimos años se están consiguiendo niveles aceptables. Caracterizadas también por una tonalidad fría en el color de la luz emitida. apariencia de color: diferentes blancos

Figura 23

Figura 24

Figura 25

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temperatura de color: 2600 - 6500 ºK reproducción de color: Ra 50 - Ra 95 vida util: 10000 h

Lámparas de mercurio de Alta presión:

En estas lámparas la descarga se produce en un tubo de descarga que contiene una pequeña cantidad de mercurio y un relleno de gas inerte para asistir al encendido. Una parte de la radiación de la descarga ocurre en la región visible del espectro como luz, pero una parte también se emite en la región ultravioleta. Cubriendo la superficie interior de la ampolla exterior, con un polvo fluorescente que convierte esta radiación ultravioleta en radiación visible, la lámpara ofrecerá mayor iluminación que una versión similar sin dicha capa. Aumentará así la eficacia lumínica y mejorara la calidad de color de la fuente, como la reproducción del color. apariencia de color: blanco

temperatura de color: 4000 ºK reproducción de color: Ra 45 vida util: 16000 h

Lámparas Mezcladoras:

La lámpara mezcladora deriva de la lámpara convencional de mercurio de alta presión. La diferencia principal entre estas dos es que, la última depende de un balasto externo para estabilizar la corriente de la lámpara, y la lámpara mezcladora posee un balasto incorporado en forma de filamento de tungsteno conectado en serie con el tubo de descarga. La luz de descarga del mercurio y aquella del filamento caldeado se combinan, o se mezclan, para lograr una lámpara con características operativas totalmente diferentes a aquellas que poseen tanto una lámpara de mercurio puro como una incandescente. La principal ventaja es que concentra las ventajas de ambos tipos.

apariencia de color: blanco temperatura de color: 3600 ºK reproducción de color: Ra 60 vida util: 6000 h

Figura 26

Figura 27

26

Lámpara de Halogenuros Metálicos:

Las lámparas de mercurio halogenado son de construcción similar a las de mercurio de alta presión. La diferencia principal entre estos dos tipos, es que el tubo de descarga de la primera, contiene una cantidad de haluros metálicos además del mercurio. Estos haluros son en parte vaporizados cuando la lámpara alcanza su temperatura normal operativa, El vapor de haluros se disocia luego dentro de la zona central caliente del arco en halógeno y en metal, con el metal vaporizado irradia su espectro apropiado. Hasta hace poco estas lámparas han tenido una mala reputación, al tener un color inestable, precios elevados y poca vida. Hoy han mejorado aumentando su eficacia lumínica y mejorando el índice de reproducción del color, punto débil en el resto de lámparas de descarga.

apariencia de color: blanco frio temperatura de color: 4800 - 6500 ºK reproducción de color: Ra 65 - Ra 95 vida util: 9000 h

Lámparas de inducción electromagnética

La lámpara de inducción, introduce un concepto nuevo en la generación de la luz. Basada en el principio de descarga de gas a baja presión, la principal característica del sistema de la lámpara nuevo, es que prescinde de la necesidad de los electrodos de originar la ionización. En cambio utiliza una antena interna, cuya potencia proviene de un generador externo de alta frecuencia para crear un campo electromagnético dentro del recipiente de descarga, y esto es lo que induce la corriente eléctrica en el gas a originar su ionización. La ventaja principal que ofrece este avance es el enorme aumento en la vida útil de la lámpara. apariencia de color: diferentes blancos

temperatura de color: 2700 - 4000 ºK reproducción de color: Ra 80 vida util: 60000 h

Lámparas de LED

Un LED, es un diodo emisor de luz, esto es, un dispositivo semiconductor que emite luz cuando circula por el corriente eléctrica. Su gran ventaja frente a las tradicionales bombillas de filamento de tungsteno, e incluso frente a las bombillas de bajo consumo, radica en su eficiencia energética:

Figura 28

Figura 29

27

Los Diodos LED no poseen un filamento de Tungsteno como las bombillas. Por ello, son más resistentes a los golpes y su duración es mayor ya que no dependen de que el filamente se termine quemando (Cuando las bombillas se funden)

La eficiencia de los LEDs es mucho mayor. Mientras el rendimiento energético de una bombilla es del 10% (Sólo una décima parte de la energía consumida genera luz), los diodos LED aprovechan hasta el 90%.

El equivalente a una bombilla se puede construir con aproximadamente una decena de LEDs. Si alguno se rompe es incluso posible sustituirlo. Son baratos y fáciles de fabricar.

Según el artículo, la ciudad de Raleigh, está llevando a cabo un programa piloto para instalar en las calles una iluminación basada en LEDs, que les permitirá ahorrar hasta el 40% de energía.

Software de iluminación

Existen varias opciones de programas que ayudan a la hora de realizar un proyecto de

iluminación, existen opciones freeware, shareware y de pago.

Dialux

Figura 30: Captura de pantalla del programa DiaLux.

Es el programa es del Instituto Alemán de Luminotecnia Aplicada (Deutsches Institut für

angewandte Lichttechnik) DIAL y es Osram la empresa que más impulso le está dando. El software

DIALux permite el análisis cuantitativo rápido y sin problemas de un proyecto, y cuenta con una

funcionalidad de renderización 3D, permite importar proyectos en formato DWG (AutoCAD).

Evalúa proyectos de interior y exterior con iluminación natural y artificialm, incluye bibliotecas

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con texturas, muebles, polígonos y el usuario puede crear yeditar objetos según lo neceseite. El

formato de datos ULD para luminarias comprende la geometría 3D de la luminaria, la distribución

de intensidad luminosa y la descripción del artículo. Existen varios fabricantes de iluminarias que

ponen a disposición sus catálogos de productos para ser utilizados con este software. Los

paquetes son fácilmente instalables con el sistema de plug-in. Además permite exportar un

informe en formato PDF , hacer render raytrace y calcula todas las variables lumínicas.

El software y manual disponibles en español y varios otros idiomas.

Sitio: www.dial.de

Lumenlux

Figura 31: Captura de pantalla de Lumenlux

De la empresa Lumenac que tiene la capacidad de realizar proyectos en exterior e interior. Los

proyectos se realizan mediante un práctico esquema de pantallas sucesivas. Incluye información

de productos a modo de catálogo electrónico con posibilidad de impresión de la ficha técnica del

mismo (foto, curva fotométrica, modelos, dimensiones, etc). Permite la impresión de informes

detallados con amplia variedad de gráficos y estimar cantidad de luminarias y niveles medios.

Freeware disponible en español, no permite usar catálogos de otros fabricantes.

Sitio: www.lumenac.com/

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Calculux

Figura 32. Captura de pantalla de Calculux

Es desarrollado por Philips, al igual que los anteriores es freeware, es uno de los programas más

conocidos y tradicionales de esta área. Solo trabaja con productos Philips. Saca las curvas de

temperatura de los locales según el tipo e intensidad de luminaria, y vuelca los resultados en

planillas y gráficos. Como plataforma operativa usa MS word, si no tienen este programa no lo

pueden instalar. Incluye el catálogo de la línea Philips en pdf con sus respectivas características.

Sitio: www.lighting.philips.com

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Relux Professional

Figura 33. Captura de pantalla de Relux Professional.

Relux Professional, que cuenta con los datos de luminarias de 51 fabricantes internacionales y

está disponible en una nueva versión que sigue siendo gratuito. Inlcuye Texturas, Representación-

3D del espacio con OpenGL, movimiento en el espacio en tiempo real, proyecciones horizontales

poligonales y amplia biblioteca-3D de muebles. Realiza el cálculo y ubicación automáticos de las

luminarias de emergencia para una vía de evacuación. Permite la Importación/Exportación dxf,

Importación/Exportación 3D.

Relux fue gratis por muchos años, pero ahora cuesta unos cuantos miles de dólares.

Sitio: www.relux.biz

Para el desarrollo de este trabajo se decidió trabajar con DiaLux por las siguientes razones:

Es gratis

Es desarrollado por un instituto alemán experto en luminotecnia.

Permite proyectos de interior y exterior con luz natural y artificial.

Muchos fabricantes disponen sus catálogos como plug-ins para ser utilizados con DiaLux.

Permite la importación y exportación en variso formatos (PDF; DWG, etc)

Software y manual disponibles en varis idiomas incluido español .

Es un programa muy difundido por lo que hay numerosos foros en internet donde se

puede solicitar ayuda y compartir conocimiento.

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Proyecto de evaluación lumínica de la sala B114

A continuación se presentan los datos medidos en la sala B114 de la casa central de la UTFSM.

Figura 34: Superficies de medición. Figura 35: Disposición de lámparas dentro de la sala B114. (1) Representa los equipos alógenos y (2) los

equipos de ahorro de energía.

Las mediciones se hicieron para dos opciones de alumbrado:

A: Todas las luces encendidas1 (Ver figuras 30 y 31).

B: Solo luces de ahorro de energía (2).

Observaciones sobre las mediciones:

El equipo alógeno en la posición (2.67,2.8) se encontraba fuera de servicio en el

momento de la medición.

El luxómetro se situó solo en el centro geométrico de cada superficie.

Mediciones realizadas el 14 de Octubre del 2009 con las cortinas cerradas.

Superficie Opción A (Lux) Opción B (Lux)

1 600 540

1 Las 4 luces alógenas que están más cerca de la pizarra no afectan las mediciones en ninguna de las

superficies de medición.

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2 600 580

3 620 600

4 640 600

5 620 580

6 600 580

7 580 540

8 580 520

9 600 560

10 620 620

11 680 600

12 700 620

13 600 600

Tabla 4: Mediciones lumínicas de la sala B114.

De la tabla N° 3 se puede apreciar que los valores medidos superan en al menos 1,7 veces lo

estipulado por la norma chilena.

Se utilizó el programa DiaLux 4.7 para simular y evaluar la iluminación de la sala B114.

Resultados usando DiaLux

Las diferencias entre los valores medidos y los simulados pueden explicarse por los siguientes

motivos:

En la simulación se consideraron iluminarias marca Philips de aspecto y potencia similar a

las que están instaladas en la sala.

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DiaLux simula y promedia los valores de varios puntos dentro de un plano de medida, en

cambio en la sala se realizó una sola medición ubicando el instrumento en el centro

geométrico de los pupitres.

La lectura del luxómetro es difícil pues cuenta ver la escala sin tapar el sensor.

La mesa del profesor no es rectangular y en este única caso el luxómetro no fue dispuesto

en el centro geométrico. Este escritorio tiene iluminación directa desde varios equipos.

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Bibliografía

Manual de alumbrado; Philips

Física, Serway

www.dial.de

Manual de DiaLux 4.7

http://www.cvrl.org/ Colour & Vision Research laboratory and database

http://www.aadl.org.ar/ Asociación Argentina de Luminotécnia

http://edison.upc.edu/curs/llum/lamparas/lamp0.html Lámparas y luminarias

http://www.cis.rit.edu/mcsl/ Rochester Institute of Technology, Munsell Color Science

Laboratory.

http://www.iluminet.com.mx

http://www.hayluz.com/