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Sistema Eletrônicos para Iluminação Dia 1 Conceitos Básicos: Radiometria, Fotometria e Colorimetria Docente: Marco Antonio Dalla Costa 19 a 23 de Novembro de 2012

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Sistema Eletrônicos para Iluminação

Dia 1 Conceitos Básicos: Radiometria, Fotometria e Colorimetria

Docente: Marco Antonio Dalla Costa

19 a 23 de Novembro de 2012

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OBJETIVO DEL CURSO:

1.- DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ELECTRÓNICA PARA LÁMPARAS.(BALASTOS ELECTRÓNICOS)

2.- CONOCER COMO SE COMPORTAN LAS LÁMPARAS COMO CARGAS DE POTENCIA. CONOCER LOS TIPOS DE LÁMPARAS EXISTENTES.

3.- EXPLICACIÓN DE CONCEPTOS DE FOTOMETRÍA Y COLORIMETRÍA.

LÁMPARA COMOCARGA DE POTENCIA

LÁMPARA COMOFUENTE DE LUZ

VATIOS LÚMENES

¿ARRANQUE, CALENTAMIENTO, ENVEJECIMIENTO, MODELO ELÉCTRICO,....?

¿LÚMENES, CANDELAS, LUX, ESPECTRO, DIAGRAMAS RADIACIÓN, COLOR,......?

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FUENTEPRIMARIA

DE ENERGÍATOPOLOGÍA

DE POTENCIA

CARGA DE POTENCIA

ETAPA DECONTROL

ALIMENTACIÓN

GOBIERNO

INFORMACIÓN

USUARIO

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TÉCNICAS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA:APORTACIONES A LA ILUMINACIÓN

1.- Aumento de la eficiencia luminosa: Obtener la misma luz con menor consumo.

2.- Mejorar las características del consumo: Mejor Factor de Potencia, Limitar picos de conexión, cumplir normativas.

3.- Mejorar las características de funcionamientoArranque y rearranque controlados: vida de filamentos.Reducir o eliminar fluctuación de la luz ("Flicker")

4.- Mejorar peso y volumen del equipo de alimentación.

5.- Incorporar nuevas prestaciones.Regulación del nivel de luz ("Dimming")Introducir inteligencia, capacidad de test, comunicaciones, facilidades de mantenimiento, etc

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SUMARIO

Concepto de Luz;

Radiometría;

Fotometría;

Unidades Fotométricas;

Instrumentos de Medida Fotométrica;

Colorimetría;

Ejemplos de Lámparas Comerciales;

Conclusión.

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CONCEPTO DE LUZ:

Energía Radiante que es capaz de excitar la retina del ojo humano y crear una sensación visual.(380 nm 770 nm)

ENERGÍA RADIANTE = ENERGÍA EN FORMA DE ONDA ELECTROMAGNÉTICA

POTENCIAELÉCTRICA(vatios)

POTENCIARADIADA

POTENCIALUMINOSA

POTENCIANO LUMINOSA

CALOR

POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)

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CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTROELECTROMAGNÉTICO AL SER EXCITADA ADECUADAMENTE.

(100-280 nm) (280-315 nm)(315-400 nm)

OZONO GERMICIDA

UV-C UV-B UV-A

UV LEJANO UV CERCANO

ULTRAVIOLETA

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LA RADIOMETRÍA Y LA FOTOMETRÍA DESCRIBEN LA PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA RADIANTE A TRAVÉS DEL ESPACIO.

LA RADIOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DE UNA FORMA PURAMENTE FÍSICA.

LA FOTOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL EFECTO QUE ESTA ENERGÍA RADIANTE PRODUCE EN EL OJO HUMANO

FOTOMETRÍA

RADIOMETRÍA

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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

- LONGITUD DE ONDA (wavelength) en nm

- FRECUENCIA ESPECTRAL (frequency) f en Hz

c = 2.998 108 m/s velocidad de la luz en el vacío

- ENERGÍA DEL FOTÓN (photon energy) E en J

h = 6.63 x 10-34 J.S Constante de Planck

1 eV = 1.6 10-19 J

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

c

f

ch

E

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350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

INCANDESCENTE - HALÓGENA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN

VM

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN

LPS

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

FLUORESCENTE (VAPOR DE MERCURIO BAJA PRESIÓN)LUZ 927 BLANCO CÁLIDO

ESPECTROS DEDISTINTOS TIPOS

DE LÁMPARAS

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CONECTOR SMA DE ENTRADA

DETECTOR CCDESPEJOS COLIMADORES

¿COMO SE OBTIENE EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA?

SE APROVECHA LA VARIACIÓN DE LA REFRACCIÓN CON LA LONGITUD DE ONDA

GRATING

LOS MODERNOS MONOCROMADORESUTILIZAN REDES DE DIFRACCIÓN (GRATINGs)PARA DISPERSAR LA LUZ Y OBTENER SU ESPECTRO

ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ESPECTROFOTÓMETRO

INCIDENTE DIFRACTADA

GRATING

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¿COMO OBTENEMOS LA LUZ QUE OBTENEMOS DE UNA LÁMPARA CUANDO LE APLICAMOS UNA DETERMINADA POTENCIA EN W?

¿QUE UNIDADES DE UTILIZAN Y COMO SE INTERPRETAN?

POTENCIAELÉCTRICA(vatios)

POTENCIARADIADA

POTENCIALUMINOSA

POTENCIANO LUMINOSA

CALOR

POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)

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100 10.000380 770

50

100

0

[nm]

P()

Wnm

EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W

ZONA VISIBLE 10%

POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W

¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!

W1000d)P(Peλ

W100)P(Pλ

380λLSC

d

770

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100 10.000380 770

50

100

0

[nm]

P()

Wnm

LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W:CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO

luz"-vatios"30d)V()P(λ

380λ

770

V() P()

EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm).1 vatio-luz = 683 Lúmenes30 vatios-luz = 20.490 Lúmenes

FLUJO LUMINOSO ()

MODELO DE OJO

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350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

0

1

V()

2)555.0(42.2570.1)( eV

MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA – FOTÓPICO(Experimental)

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20.490 Lúmenes1000 W

21 lm/WRendimiento =

RENDIMIENTO DE LA CONVERSIÓN

EL MAYOR RENDIMIENTO HIPOTÉTICO QUE PODRÍA TENER UNA LÁMPARA ES DE 683 lm/W

LA LÁMPARA CONOCIDA DE MAYOR RENDIMIENTO ES LA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN CON 180 lm/W

UN FLUORESCENTE TUBULAR DE 36 W TIENE UN RENDIMIENTO DE UNOS 70 lm/W.(LOS MODERNOS T5 PUEDEN LLEGAR A LOS 100 lm/W)

Pe

Φη

λλ

780

380

λ dVP683

Ejemplo en MathCad

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LA CANDELA (cd) ES UNIDAD BÁSICA DEL SI

* Unidad de intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección específica.

*Es unidad base del S.I. y se define como "Intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*1012 Hz (en el aire 555 nm) y cuya intensidad energética en dicha dirección es de 1/683 W por estereorradián"

LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS)

El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

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LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS)

EJEMPLO: PUNTO UNIFORME DE 1 CANDELA EN CUALQUIER DIRECCIÓN

r

1 cd

Normalmente las lámparas no emiten por igual en todas las direcciones

SE EMPLEA EL CONCEPTO DE ESTEREORRADIÁN,EXTENSIÓN DEL CONCEPTO DE ANGULO AL ESPACIO (ANGULO SÓLIDO)

En realidad, no existen fuentes como un punto uniforme. Sin embargo, si el diámetro de la fuente de luz es menor que 20% de la distancia a la que se mide, se considera que la fuente es puntual.

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EL ÁNGULO SÓLIDO: ESTEREORRADIÁN

Geometría plana: Ángulos y radianes(rd)

radio

arco

radio

arco

"La circunferencia completa son 2 rd"

Geometría de sólidos (estereometría):Superficie y estereorradián (sr)

radio

área

2radio

area

ángulo

ángulosólido

"La esfera completa son 4 sr"

radio

arcodd

2radio

areadd Formas diferenciales

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NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES

DIAGRAMA DE RADIACIÓNGeneralmente tiene geometría axial(Se obtiene con un Goniofotómetro)

LA INTENSIDAD LUMINOSA (I) ES LA MEDIDA DE LA LUZ EN UNA

DETERMINADA DIRECCIÓN

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RELACIÓN ENTRE LA INTENSIDAD LUMINOSA I (Cd) Y EL FLUJO LUMINOSO (lm)

d

dI dI

r

1 cd

DEL EJEMPLO ANTERIOR:

La fuente uniforme de 1 cd emite 4 lm

"Si la fuente no es uniforme debemos integrar en toda la superficie de la esfera"(Posteriormente haremos un ejemplo)

"La intensidad luminosa es el flujo luminoso en una dirección dada"

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EL FLUJO LUMINOSO QUE VIAJA DESDE UNA FUENTE DE LUZ, SE RECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SE REFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUEN NÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS.

En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poner algunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura

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CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN

POTENCIA RADIANTEFLUJO RADIANTERADIANT POWER

RADIANT FLUX[W]

FLUJO LUMINOSOLUMINOUS FLUX

[lm]

INTENSIDAD RADIANTERADIANT INTENSITY

[W/sr]

INTENSIDAD LUMINOSALUMINOUS INTENSITY

[cd]

IRRADIANCIAIRRADIANCE

[W/m2]

ILUMINACIÓNILUMINANCE

[lx] lm/m2

EXCITANCIAEXITANCE

[W/m2]

EXCITANCIA LUMINOSALUMIOUS EXCITANCE

[lm/m2]

RADIANCIARADIANCE[W/(sr m2)]

LUMINANCIA O BRILLOLUMINANCE

[cd/m2]

TOTAL DE ENERGÍA

ENERGÍA EN UNA DIRECCIÓN

ENERGÍA RECIBIDA EN UNA SUPERFICIE

ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIE

ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIEEN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE

RADIOMETRÍA FOTOMETRÍA

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UN EJEMPLO:

Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe

Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4 lm que recibe el interior de la esfera.

La esfera transmite 0.8 x4 lm

Se llama Excitancia Luminosa (H) al Flujo Luminoso por unidad de superficie que sale de una Superficie Iluminada

La superficie de la esfera es de 4 m2.

2/8.04

48.0mlmH

r

1 cd

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Se llama Luminancia o brillo (L) al Flujo Luminoso que sale de una Superficie Iluminada en una determinada dirección y por unidad de superficie

r

1 cd

EJEMPLO: Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe

2/8.04

48.0mlmH

Como habíamos visto antes

El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de m2.

2/8.0

mcdL

En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminoso por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie.

LUMINANCIAES BRILLO

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EJEMPLO CON LUMINANCIATenemos un proyector situado en el techo, de 0.04 m2 de superficie, que ilumina con una intensidad de 100 cd en cualquier dirección una mesa de 0.5 m2 de superficie. La mesa se puede considerar una superficie especular de factor de reflexión de 0.8. Calcular la luminancia de la fuente y la luminancia de la mesa para el observador de la figura.

Solución

Luminancia de la fuente:

Como la mesa no es una superficie reflectante perfecta una parte de la intensidad luminosa que le llega es absorbida por esta. Esto quiere decir que en la fórmula de la luminancia el valor de I estará afectado por el factor de reflexión

La Luminancia es un concepto que se emplea bastante en el diseño (deslumbramiento, molestias en la visión,

efectos artísticos, etc)

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EN INGENIERÍA LA MAGNITUD MAS USUAL ES LA ILUMINACIÓN (E)

La unidad empleada en iluminación es el LUX (lx)

"LA ILUMINACIÓN DE UNA SUPERFICIE ES LA DENSIDAD DE FLUJO LUMINOSO INCIDENTE EN ELLA"

d

dE

Se usa también otra unidad, el foot-candle (fc), utilizada en países de habla inglesa cuya relación con el lux es:  1 fc aproximadamente 10 lx

Si  se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.

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r

1 cd

EJEMPLO:

Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4 lm

La Iluminación del interior de la esfera vale 1 lx

El interior de la esfera recibe una Iluminación uniforme y como su superficie es de 4 m2.

Nota:Si la fuente es uniforme, midiendo la iluminación en cualquier punto, podemos estimar el flujo luminoso del punto de luz.

Este concepto, aunque es hipotético (no existe ninguna fuente de luz uniforme) tendrá su utilidad en los "Fotómetros de esfera"

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0.8 m

PROBLEMA TÍPICO: ¿CUANTAS LÁMPARAS, DE QUE TIPO, DONDE SE COLOCAN, PARA ASEGURARUN DETERMINADO NIVEL DE ILUMINACIÓN EN EL PLANO DE TRABAJO?

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LA ILUMINACIÓN ES UNA MAGNITUD IMPORTANTE EN ILUMINACIÓN.LEYES IMPORTANTES QUE DEBEN DE TENERSE EN CUENTA.

1ª LEY: LA ILUMINACIÓN DECRECE CON EL CUADRADO DE LA DISTANCIA

2d

IE

0.5 m0.5 m

40 Lx

10 Lx"Si medimos 10 Lx a 1 m de distancia,a 0.5 m mediremos 40 Lx"

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2ª LEY: LA ILUMINACIÓN CON INCIDENCIA OBLICUA

cos2d

IE

d

I

"LA ILUMINACIÓN (Horizontal) ES PROPORCIONAL AL ÁNGULO DE INCIDENCIA"

Realmente hay 2 componentes, una horizontal y otra vertical.

Normalmente se trabaja con la horizontal

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ILUMINACIÓN:Realmente si el rayo no es perpendicular hay que descomponer la iluminancia recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la superficie.

A la componente horizontal de la iluminancia (EH) se le conoce como la ley del coseno.

En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total es la suma de las iluminancias recibidas:

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EJEMPLO:Una superficie está iluminada por una fuente luminosa puntual de 80 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura. Calcular la iluminancia horizontal y vertical para los siguientes valores del ángulo alfa: 0, 30º, 45º, 60º, 75º y 80º.SoluciónComo vimos al hablar de magnitudes fotométricas, las componentes de la iluminancia, se pueden calcular empleando las fórmulas:

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Si representamos el diagrama isolux de la superficie podemos observar que las curvas son circunferencias, debido a que la intensidad es constante en todas direcciones, que la iluminancia disminuye a medida que los puntos se alejan del foco y que la máxima iluminancia se encuentra en la proyección de la fuente sobre la superficie (0º).

Existen programas de diseño (p.e. el CALCULUX de PHILIPS) que nos proporcionan ayuda al diseño a partir de las lámparas y colocación de las mismas.

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Desafortunadamente las lámparas no emiten luz igual en todas las direcciones (ni son fuentes de luz puntuales).

La obtención de la intensidad luminosa de una lámpara en una determinada dirección o el total de lúmenes emitidos puede llegar a ser un problema.

Diagrama de radiación

X

y

Los diagramas de radiación suelen estar en los catálogos de los fabricantes.(información útil para el ingeniero de proyecto).

En Electrónica de Potencia nos interesan mas los lúmenes que emite la lámpara, como una medida de aprovechamiento energético.

Lúmenes emitidos respecto a vatios aportados.

COMENTARIO:

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OBTENCIÓN DEL FLUJO LUMINOSO DE UNA LÁMPARA CONOCIDO EL DIAGRAMA DE RADIACIÓN.

dr

dA

I()

Diagrama de radiación

Esfera de radio r

En todo el área dA la intensidad de la lámpara es constante y de valor I()

22

)sen2(

r

rdr

r

dAd

Tomamos como diferencial de ángulo sólido una cintaalrededor de la esfera de espesor r d y de longitud2r

De donde podemos obtener el diferencial de flujo luminoso

dIdId sen)(2)(

180

0

sen)(2 dI

Integrando se obtiene el flujo luminoso

p.e.GEOMETRÍAAXIAL

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EJEMPLO

Lámpara de 10 W

10 cd

20 cd

30 cd

Preguntas:

1.- De cuantos lúmenes es la lámpara?

2.- ¿Cual es el rendimiento luminoso?

30º

60º

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dsen

r

drsenr

r

dAd

2

)2(22 d

rd

Obtención del Angulo sólido con simetría axial.

(Muy usual en iluminación)

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330 cd

220 cd

110 cd

srdsen 14.3236

0

srdsen 3.2)13(2262

6

srdsen 84.0)32(212

62

lmIII 6.1483014.3203.21084.0332211

Wlm86.14

10

6.148

62

6

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MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA UTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL Y COMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO.

REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHO ESPACIO.

SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SE COMPLICA.

SE PUEDE OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA (FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990)

COMENTARIO:

24 RI IDEA BASE:Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera.

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IDEA A IMPLEMENTAR EN UN FOTÓMETRO DE ESFERA:

Hacer que la emisión de nuestra lámpara se asemeje a una fuente de luz puntual que emite igual en todas las direcciones

MEDIDA DEL FLUJO LUMINOSO CON UNA ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT

- LÁMPARA EN EL CENTRO DE UNA ESFERA DE RADIO MAYOR QUE 4 VECES EL TAMAÑO DE LA LÁMPARAS. (Para poder considerarla una fuente puntual).

- SE MIDE LA ILUMINACIÓN EN UNA PEQUEÑA SUPERFICIE (VENTANA) DE LA ESFERA (FOTÓMETRO CON FILTRO V().

-SE EVITA LA ILUMINACIÓN DIRECTA DESDE LA FUENTE DE LUZ HASTA EL FOTÓMETRO.

-EL INTERIOR DE LA ESFERA ES UNIFORMEMENTE DIFUSO. NO ABSORBE, NO TRANSMITE, SOLO REFLEJA.

-EL FACTOR DE REFLEXIÓN DEBE SER IGUAL PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA.

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FOTÓMETRO

ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT

VENTANA

PANTALLA24

1R

E

241

RE

n

Luz recibida en reflexión 1

Luz recibida reflexión n

La suma de todas las reflexiones será:

n

n

REiE

1

2

4)...(2

Se obtiene la expresión:

cteR

E24)1(

LA ILUMINACIÓN MEDIDA EN EL FOTÓMETRO ES PROPORCIONAL AL FLUJO LUMINOSO DE LA LÁMPARA.SE REQUIERE UNA LÁMPARA PATRÓN PARA OBTENER LA CONSTANTE.LAS MEDIDAS POR ESTE PROCEDIMIENTO SON MUY RÁPIDAS

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ESFERA INTEGRADORA Y GONIOFOTOMETROS (IMÁGENES)

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COLORIMETRÍAEs la ciencia y la tecnología usada para cuantificar y describir matemáticamente las percepciones humanas del color

RETINAHUMANA

6.8 MILLONES DE CONOS (DIA Y COLOR)

115 MILLONES DE BASTONES(NOCTURNA Y PERIFÉRICA)

Los conos están concentrados en la Fóvea ( 15º )

Los bastones solo contienen un fotopigmento (Rhodopsin) y no permite el reconocimiento de colores.

Los conos contienen 3 clases de fotopigmentos:L-CONE Long wavelength sensitive, vulgarmente ROJO (R)M-CONE Medium wavelength sensitive, vulgarmente VERDE (V)S-CONE Short wavelength sensitive, vulgarmente AZUL (B)

La abundancia relativa de los conos es: R=40 G=20 B=1

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350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

0

1

SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ)

V()92 lx59%

47 lx30%

17 lx11%

100 lx100%

LUMINOSIDADAZUL 17 absoluta (11%)ROJO 47 absoluta (30%)VERDE 92 absoluta (59%)TOTAL 156

COMENTARIO:

4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo.

Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx.

En un televisor: Luminancia = 0.30 rojo + 0.59 verde + 0.11 azul

2)555.0(42.2570.1)( eV

MÁXIMO EN 555 nm(AMARILLO-VERDOSO)

Publicada en 1923 por K.S.Gibson y E.P.T. Tyndall (National Bureau of Standards)52 observadores en los años 1921 hasta 1923

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350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

MÁXIMO EN 505 nm(VERDE-AZULADO)

2)505.0(7.351` 0.1)( eV

0

1

SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN ESCOTOPICA (SCOTOPIC) (BAJOS NIVELES DE LUZ

Aproximación matemática

ESTÁNDAR DEFINIDO EN 1931

"De noche la sensibilidad se desplaza hacia el azul"

V'()

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Estructura Visual HumanaCeldas fotorreceptoras

Celdas que constituyen la camada de la retina sensorial.

Sensibles a la estimulación visible.

Celdas Fotorreceptoras

Conos

Bastones

Visión diurna

Visión nocturna

FOTÓPICA

ESCOTÓPICA

Escotópica Mesópica Fotópica

Luminancia (cd/m²) ≤ 0,034 0,034 < Mesópica < 3,4 ≥ 3,4

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Curvas Vλ y V’λ Asociadas a la Eficiencia Visual

Patrón de Visión Humana

Padronizado por la CIE (Commission Internationale de l'Eclairage).

Determinación de la sensibilidad espectral a la luz

V’λ (508, 1700)

Vλ (555, 683)

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ALTOS NIVELESDE LUZ(FOTÓPICA)

BAJOS NIVELESDE LUZ(ESCOTÓPICA)

Proceso de adaptación

NIVELES DE LUZ INTERMEDIOSVISIÓN MESOTÓPICA (MESOPIC)

"Trabajan los conos fotorreceptores de la retina del ojo".

Reconocimiento de colores.

"Trabajan los bastones ("rods") fotorreceptores de la retina del ojo".

No permiten reconocimiento decolor

DIANOCHE

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MODELOS MATEMÁTICOS PARA IGUALAR COLORES

El primer modelo procede directamente del análisis de la fisiología del ojo

MEZCLA DETRES COLORESINDEPENDIENTES

ROJO SATURADO (R). MONOCROMÁTICO DE 700 nm(Lámpara incandescente con un filtro de banda estrecha)

VERDE SATURADO (G). MONOCROMÁTICO DE 546.1 nm(Obtenida del espectro de mercurio)

AZUL SATURADO (B). MONOCROMÁTICO DE 435.8 nm(Obtenida del espectro de mercurio)

"CIE 1931 RGBPRIMARY SYSTEM"

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

R

GB

RATIOS DEPOTENCIARADIANTERELATIVAUTILIZADA

R=72.0962G=1.3791B=1

"Color-matching" experimentos realizados en 1920 por W.D. Wright, J. Guild y D. Judd

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EL ESTÍMULO R SE SELECCIONA CON UN FILTRO DE INTERFERENCIA Y LOS ESTÍMULOS G Y B SON LÍNEAS DE EMISIÓN DE LA DESCARGA DE MERCURIO

LAS UNIDADES DE RGB HAN SIDO TOMADAS DE FORMA QUE LA MEZCLA DE 1 UNIDAD DE R, CON 1 UNIDAD DE G, CON UNA UNIDAD DE B PROPORCIONE UN COLOR IGUAL QUE EL ESTÍMULO BLANCO DE TEST

1 UNIDAD DE R

1 UNIDAD DE G

1 UNIDAD DE B

BLANCO DE5.6508 cd/m2

"CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM"

1 UNIDAD DE R APORTA 1.000 cd/m2

1 UNIDAD DE G APORTA 4.5907 cd/m2

1 UNIDAD DE B APORTA 0.0601 cd/m2

RATIOS DEPOTENCIARADIANTERELATIVAUTILIZADA

R=72.0962G=1.3791B=1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTIMULO EP( ) =1360 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"ESTIMULO BLANCO DE TEST

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IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA

1.- CUALQUIER ESTÍMULO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA SUMA DE ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS

P()

P()

P()

P()

= + ........

P()

"LEYES DE GRASSMAN"

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IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA

2.- SI TODOS LOS COLORES MONOCROMÁTICOS ENTRE 38O nm Y 780 nm SE IGUALAN CON UNA MEZCLA DE LOS COLORES RGB SE OBTIENEN LAS LLAMADAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b().

r()g()

b()

[nm]

Las "color matching functions"son muy importantes. nos permitenobtener el RGB de cualquier lámpara

FUNCIONES DE AJUSTE DE COLOR = COLOR MATCHING FUNCTIONS

17 observadores

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r()g()

b()

[nm]

i

=

[nm]

B

R

G

i

EXPERIMENTO PARA OBTENER LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS"

ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍAA TODAS LAS

"Este procesose repite con todoslos i"

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i

R

r()g()

b()

[nm]

i

=

[nm]

B

R

G

i

INTERPRETACIÓN VALORES NEGATIVOS EN LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS"

ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍAA TODAS LAS

No es posible igualar la luz de i mezclando

RGB

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Las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b() son importantes, conocido el Espectro de una lámpara podemos conocer la cantidad de R, G y B que necesitamos para describir matemáticamente su color.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

780

380

)()( drPR

780

380

)()( dgPG

780

380

)()( dbPB

LA LUMINANCIA DE UN COLOR DADO POR SU RGB SERÁ:

L = 1.0000 R + 4.5907 G + 0.601 B [cd/m2]

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COMENTARIO:

La sensación de color de un estímulo cualquiera definido por su espectro P(), será igual a la suma de sensaciones de cada una de sus componentes.

NORMALMENTE SE NORMALIZA EL RESULTADO

BGR

Rr

BGR

Gg

BGR

Bb

OBVIAMENTE: r+g+b = 1

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REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO:TRIÁNGULO DE COLOR DE MAXWELL

g

r1

1

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

NUESTRA LÁMPARA

BR

G

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTÍMULOSMONOCROMÁTICOS

600

510

450

0.33

0.33 E

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTIMULO EP() =1360 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"ESTIMULO BLANCO DE TEST

"CIE 1931 RGBPRIMARY SYSTEM"

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g

r1

1

R

G

B 0.33

LÁMPARA 1

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

LÁMPARA 2

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P()

Wnm

P()

Wnm

IMPORTANTE:PUEDEN EXISTIR DOS LÁMPARAS CON DISTINTO ESPECTRO PERO EL MISMO COLOR. (COLORES METAMÉRICOS)

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EL SISTEMA RGB NO SE UTILIZA POR LA DIFICULTAD DE REALIZAR "COLORÍMETROS FOTOELÉCTRICOS" CON CANTIDADES POSITIVAS Y NEGATIVAS

EL CIE EN 1931 ADOPTO UN NUEVO CONJUNTO DE ESTÍMULOS PRIMARIOS QUE SE DENOMINAN X, Y, Z.

ESTOS ESTÍMULOS SON IMAGINARIOS Y NO SE CORRESPONDEN CON NINGÚN COLOR REAL. SON PURAS TRANSFORMACIONES MATEMÁTICAS.

SE HA TOMADO DE FORMA QUE LAS COORDENADAS CROMÁTICAS DEL ESTIMULO BLANCO DE TEST EN RGB Y EN XYZ SEAN LAS MISMAS.

UNA DE LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" SE HA TOMADO V() (ESTÁNDAR FOTÓPICO DEL OJO HUMANO). SE HA TOMADO y() = V().

LAS COORDENADAS DE TODOS LOS COLORES REALES DEBEN DE SER POSITIVAS

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LA TRANSFORMACIÓN ADOPTADA POR LA CIE XYZ 1931 FUE:

X = 2.76888 R + 1.75175 G + 1.13016 BY = 1.00000 R + 4.59070 G + 0.06010 BZ = 0.00000 R + 0.05651 G + 5.59427 B

"NOTAR QUE LA Y DE LA TRANSFORMACIÓN ES LA LUMINANCIA"

LA TRANSFORMACIÓN INVERSA PUEDE OBTENERSE (INVIRTIENDO LA MATRIZ):

R = 0.41846 X - 0.15866 Y - 0.08283 ZG = -0.09117 X + 0.25243 Y + 0.01571 ZB = 0.00092 X - 0.00255 Y + 0.17860 Z

RGB XYZ

RGBXYZ

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x() = 2.76888 r() + 1.75175 g() + 1.13016 b()y() = 1.00000 r() + 4.59070 g() + 0.06010 b()z() = 0.00000 r() + 0.05651 g() + 5.59427 b()

LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z() PUEDEN OBTENERSE MATEMÁTICAMENTE

recordar que se ha preparado todo para que y() = V()

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

x()y()z()

Se pueden aproximar matemáticamente:

2

2

)600.0(450

)445.0(1200

060.1

34.0)(

e

ex

2)555.0(42.2570.1)()( eVy2)450.0(8007741.1)( ez

en m

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Utilizando las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z() pueden obtenerse las coordenadas cromáticas XYZ de una lámpara

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

780

380

)()( dxPX

780

380

)()( dyPY

780

380

)()( dzPZ

NOTAR QUE AHORA Y ES DIRECTAMENTE LA LUMINANCIA (L) DE LA LÁMPARA

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ZYX

Xx

ZYX

Yy

ZYX

Zz

OBVIAMENTE: x+y+z = 1

IGUAL QUE ANTES, SE NORMALIZA EL RESULTADO

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REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO:CIE 1931 XYZ

y

x1

1

"CIE 1931 XYZPRIMARY SYSTEM"

ESTIMULO EP() =1360 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"ESTIMULO BLANCO DE TEST

0.33

0.33 E

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]ESTÍMULOSMONOCROMÁTICOS

620

540

500

460

R

G

B

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

NUESTRA LÁMPARA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

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MEZCLA DE 2 COLORES

COLORA

COLORB

PROPORCIÓN DE BPROPORCIÓN

DE A

COLOR OBTENIDO

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CASO PARTICULAR MEZCLA DE EXTREMOS DEL ESPECTRO VISIBLE: LÍNEA DE PÚRPURAS

COLORA

LÍNEA DE PÚRPURAS

COLORPÚRPURA

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IMÁGENES DE TELEVISIÓN "El color A puede considerarse una mezcla de blanco (LUMINANCIA)con el color monocromáticocorrespondiente (CROMINANCIA)

LONGITUD DE ONDA DOMINANTE

LONGITUD DE ONDA COMPLEMENTARIA

BLANCO

A

B

"El color B puede obtenerse de filtrardel color blanco el color monocromáticocorrespondiente

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MEZCLA SUBSTRACTIVA DE COLORES (PINTURA, FOTOGRAFÍA Y ARTES GRÁFICAS)

MEZCLA DE COLORES FILTRADO DE COLORES

CYAN (AZUL-VERDOSO)BLANCO

FILTROS

BLANCO MAGENTA (AZUL-ROJO)

BLANCOAMARILLO

(VERDE-ROJO)

AZUL

ROJO

VERDE

FILTROS

NEGRO

NEGRO

NEGRO

FILTROS

CYAN (AZUL-VERDOSO)BLANCO

FILTROS

BLANCO MAGENTA (AZUL-ROJO)

BLANCOAMARILLO

(VERDE-ROJO)

AZUL

ROJO

VERDE

FILTROS

NEGRO

NEGRO

NEGRO

FILTROS

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MEZCLA DE TRES COLORES: MONITORES

X

COLORES QUE PUEDEN SER REPRESENTADOS POR EL MONITOR

FÓSFOROS

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OTROS ESTÁNDARES PARA DEFINIR EL COLOR HAN SIDO INTRODUCIDOS POR EL CIE

CIE 1960 (u,v) (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U, V, W)

3212

4

xy

xu

3212

6

xy

yv

24

5.1

vu

ux

24

vu

vy

ESTE DIAGRAMA ES INTERESANTE PARA EL TEMA DE LA TEMPERATURA DE COLOR

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CIE 1976 (u',v') (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U', V', W')

3212

4'

xy

xu

3212

9'

xy

yv

3'4'

'25.2

vu

ux

3'4'

'

vu

vy

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TEMPERATURA DE COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

EL MODELO MATEMÁTICO DEL CUERPO NEGRO SIRVE PARA APROXIMAR LA EMISIÓN DE UNA LÁMPARA INCANDESCENTE Y TAMBIÉN LA LUZ SOLAR

OBVIAMENTE, LAS LÁMPARAS NO RESPONDEN AL ESPECTRO DEL CUERPO NEGRO

"LA TEMPERATURA DE COLOR DE UNA LÁMPARA ES LA TEMPERATURA A LA QUE TENGO QUE PONER EL CUERPO NEGRO PARA QUE LA APARIENCIA DE COLOR DE AMBOS SEA LA MISMA"

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P()

Wnm

P()

Wnm

NUESTRALÁMPARA

CUERPO NEGRO A 3000 K

TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA

LÁMPARA 3000 K

T

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DIAGRAMA CIE 1931 XY:TEMPERATURA DE CUERPO NEGRO Y POSICIÓN DE LOS ILUMINANTES ESTÁNDAR DE LA CIE

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ILUMINANTES ESTANDARIZADOS POR LA CIE

ILUMINANTE A: LÁMPARA INCANDESCENTE DE TUNGSTENO A 2.790 K (CUERPO NEGRO A 2.856 K)

ILUMINANTE B: LUZ SOLAR DIRECTA CON TEMPERATURAS DE COLOR 4.874 K

ILUMINANTE C: LUZ SOLAR DÍA NUBLADO CON TEMPERATURAS DE COLOR 6.774 K

ILUMINANTE D65: LUZ NATURAL A TEMPERATURA DE COLOR 6.504 K

ILUMINANTE E: ESTÍMULO EQUI-ENERGÉTICO

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EVOLUCIÓN DEL COLOR DEL CUERPO NEGRO EN DISTINTOS DIAGRAMAS

CIE 1931 XYZ

CIE 1960 (u,v)

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350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

NUESTRALÁMPARA

¿TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA ?

T

SE USA LA "TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA" PARA CASO EN QUE EL COLOR DE LA LÁMPARA ESTÉ ALEJADO DEL LUGAR DE COLOR DEL CUERPO NEGRO

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CIE 1960 (u,v)

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

P() [W/nm]

NUESTRALÁMPARA

90º

TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

T = 3000 K

TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

DE NUESTRALÁMPARA 3000 K

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ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC)

LA CAPACIDAD PARA RECONOCER EL COLOR DE OBJETOS ILUMINADOS POR UNA FUENTE DE LUZ SE MIDE POR MEDIO DEL IRC

EL IRC VARIA DE 0 HASTA 100.

BUEN IRC 85NORMAL ENTRE 70 Y 85MALO 70

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AZUL

ROJOAMARILLO

VERDE

SODIO DE ALTA PRESIÓN (IRC 25) FLUORESCENTE TRIFOSFORO (IRC 85)

MUESTRA DE TEST

EJEMPLO DE UN MAL Y DE UN BUEN IRC

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

Lámpara Incandescente: 14 - 30 lm/W, IRC = 100%, CCT = 3300 K

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

INCANDESCENTE - HALÓGENA

P()

Wnm

Eficiencia y CCT limitados por el punto de fusión del tungsteno.

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

Lámpara Fluorescente: 40 - 100 lm/W, IRC = 70 – 90%, CCT = 3000 - 6500 K

Características definidas por la capa de fósforo utilizada.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

Lámpara HPS: 70 - 120 lm/W, IRC = 25%, CCT = 2000 K

Iluminación de Exteriores – rendimiento elevado y IRC bajo.Causa del rendimiento: visión fotópica.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

VSAPIRC=20

T=2.000K

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

Lámpara LPS: 150 – 180 lm/W, IRC = 0%, CCT = 1700 K

Lámpara más eficiente entre todas (visión fotópica).IRC 0%, sólo se ve amarillo o gris.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

LPS

VSBP

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

Lámpara Halogenuros Metálicos: 100 lm/W, IRC = 90%, CCT = 3000 - 6000 K

Lámpara para aplicaciones de estudio y televisión.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

TALIO E TERRAS RARAS

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EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES

LEDs: hasta 120 lm/W, IRC = 70 - 90%, CCT = 3000 - 6500 K

Tecnología en desarrollo – Futuro de la Iluminación.Características dependen de la capa de fósforo y temperatura.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)

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CONCLUSIONES

Conceptos Básicos – esenciales para entender la clasificación de las lámparas comerciales.

Radiometría, Fotometría y Colorímetría.

Fisiología del Ojo Humano – características de color, visión fotópica, mesópica y escotópica.

Cálculos luminotécnicos.

Diagramas del CIE.

Características importantes: rendimiento, IRC y CCT.

Características de lámparas comerciales.

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F i l t r oE M I

C a p a c i t o r+

F i l t r o

C o r r e ç ã oF a t o r

P o t ê n c i a I n v e r s o r F i l t r o

R e s s o n a n t e1 1 0 / 2 2 0 V

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