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Tema 8 ILUMINACIÓN. Domótica y Edificios Inteligentes. Naturaleza de la luz: espectro electromagnético.
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Tema 8ILUMINACIÓN Domótica y Edificios Inteligentes
Naturaleza de la luz: espectro electromagnético • La luz es una forma de energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas a una velocidad de propagación de c≈2,999·108 m/s en el vacío en una banda de frecuencia que permite sea percibida por el sistema visual humano. • Dicha banda corresponde a la parte del espectro electromagnético comprendida entre las longitudes de onda (λ) de 380 nm y 760 nm, cuya energía es absorbida por los fotorreceptores del sistema visual humano.
Características fotométricas Magnitudes características de las fuentes de luz Magnitudes características del objeto iluminado Magnitudes características de la luminaria
Introducción • La radiación electromagnética se cuantifica por medio de magnitudesradiométricas. • Sin embargo, si interesa cuantificar solamente la radiación a la que es sensible el ojo humano estas magnitudes radiométricas se transforman en magnitudes fotométricas.
Estandarización • Las magnitudes fotométricas por tanto se obtienen a partir de factores de peso que corresponden a la sensibilidad del sistema visual humano. • Debido a las diferencias individuales en la percepción de la claridad para las diferentes longitudes de onda, fue necesario la definición del observador CIE estándar (Comisión internacional de la Iluminación) y las curvas de sensibilidad espectral relativa en condiciones fotópicas (altos niveles de iluminación) y escotópicas (bajos niveles de iluminación).
Flujo radiante • La medida fundamental de la radiación electromagnética es el flujo radiante (Φrad), es decir, la cantidad de energía emitida por unidad de tiempo. Se mide en vatios (w).
Flujo luminoso • Se define el flujo luminoso (F o Φlum) como la potencia emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible. • Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como: 1 lumen = 1 cd · estereorradián • El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de sensibilidad espectral relativa, 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. • Dónde la constante Km representa la máxima eficiencia espectral. Toma el valor de 683,002 lm/w en condiciones fotópicas y de 1699 lm/w para condiciones escotópicas.
Estereorradián y ángulo sólido • El estereorradián es la unidad derivada del SI que mide ángulos sólidos. • Se define como el ángulo sólido sobre la superficie de una esfera correspondiente a un casquete cuya área equivale al cuadrado del radio de la esfera considerada. Su símbolo es sr • El ángulo sólido es la zona del espacio limitada por una superficie cónica, o el ángulo espacial que un objeto abarca, visto desde un punto dado, que mide el tamaño aparente de ese objeto.
Candela • La candela (símbolo cd) es la unidad básica del SI de intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 hercios (longitud de onda de 555 nm) y de la cual la intensidad radiada en esa dirección es 1/683 vatios por estereorradián. • Esta cantidad es equivalente a la que en 1948, en la conferencia general de pesos y medidas, se definió como una sexagésima parte de la luz emitida por un centímetro cuadrado de platino puro en estado sólido a la temperatura de su punto de fusión (2046 K).
Intensidad luminosa • Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd ≈ lumen/sr). • La distribución de la intensidad luminosa se indica mediante gráficas de isocandelas.
Iluminancia • Se denomina iluminancia al flujo luminoso que incide por unidad de área en el objeto iluminado. Tiene por símbolo E y se mide en lux (lx≈lm/m2) • Su aplicación práctica es cuantificar la cantidad de luz que llega a una superficie. • Se mide con el luxímetro
Iluminancia • Para una fuente puntual toma la forma: • I, intensidad luminosa, dónde d es la distancia de la fuente luminosa a la superficie a la que llega el flujo luminoso y θ el ángulo que forma con la dirección de la intensidad. • La iluminancia sigue la ley inversa de los cuadrados si θ =0.
Luminancia • La luminanciaL es la intensidad luminosa que una superficie emite en una dirección determinada por unidad de superficie proyectada (superficie vista desde dicha dirección). La unidad de medición empleada es la candela por metro cuadrado (cd/m²). • Donde Iα es la intensidad de la fuente en la dirección del ángulo αy S·cosα es el área proyectada perpendicular a la dirección de visión.
Luminancia • La luminancia de una determinada superficie está condicionada por la relación entre el flujo luminoso incidente y el flujo luminoso reflejado, ligados ambos por el factor de reflexión característico de cada material, acabado superficial, etc. • Se mide con el luminancímetro.
Características colorimétricas • La temperatura de color de una lámpara es la temperatura media en grados kelvin que tiene que alcanzar un radiador de Plank (cuerpo negro), para que la tonalidad o color (cromaticidad) de la luz emitida sea igual a la de la lámpara considerada. • El índice de rendimiento en color, se corresponde con el aspecto cromático que proporciona una fuente al iluminar un objeto. Compara la reproducción de una muestra de colores normalizada iluminada con nuestra fuente con la reproducción de la misma muestra iluminada con una fuente patrón de referencia.
Características de duración • Para determinar la vida de una lámpara disponemos de diferentes parámetros según las condiciones de uso definidas. • La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lámpara se estropea, trabajando en unas condiciones determinadas. • La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la mitad de las lámparas de un lote representativo de una instalación, trabajando en unas condiciones determinadas. • La vida útil es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir un conjunto de lámparas de una instalación a mantenerlas. • La vida media es el tiempo medio que resulta tras el análisis y ensayo de un lote de lámparas trabajando en unas condiciones determinadas.
Producción de radiación luminosa Incandescencia Luminescencia
Emisión de luz • Las fuentes de luz implican la conversión de alguna forma de energía en radiación electromagnética. • El proceso más empleado es la excitación y posterior desexcitación de átomos o moléculas.
Emisión de luz • El átomo se excita mediante , por ejemplo, el choque con alguna partícula con lo que un electrón girando alrededor del núcleo se mueve a otra órbita de mayor energía. • Cuando pierde su estado de excitación de forma espontánea caerá a su órbita estable emitiendo el exceso de energía por medio de un fotón o unidad de luz. • La frecuencia de la radiación emitida está dada por la ecuación de Planck Q=hc/λ h=6,626 x10-34 J·s c=2,999 x 108 m/s
Incandescencia • Cuando un cuerpo adquiere una temperatura determinada, sus átomos sufren choques que los lleva a estados excitados, con la subsiguiente desexcitación y producción de radiación luminosa. A este proceso se le denomina incandescencia. • En una lámpara de filamento, el calentamiento se debe al paso de la corriente eléctrica. Si se alcanza la temperatura suficiente para excitar los átomos se producirá emisión en el rango visible.
Lámparas incandescentes Lámparas estándar Lámparas halógenas
Lámpara estándar • Las lámparas incandescentes están formadas por un hilo de wolframio (tungsteno) que se calienta por efecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz visible. • Para evitar que el filamento se queme en contacto con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha rellenado con un gas inerte (argón o nitrógeno). • El conjunto se completa con unos elementos con funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.
Lámparas halógenas • Para mejora la eficacia y vida de las lámparas incandescentes se incorporó un gas haluro aditivo (bromo, cloro, flúor y yodo) el cual produce el ciclo regenerativo del filamento y evita el ennegrecimiento de la ampolla.
Lámparas halógenas • Cuando el tungsteno (W) se evapora se une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso. • Cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno.
Luminiscencia Fotoluminiscencia Electroluminiscencia
Luminiscencia • Luminiscencia es el proceso en el cual la energía es absorbida por la materia y posteriormente reemitida en forma de fotones. • La característica fundamental que diferencia este proceso de la incandescencia es que la fuente excitante no es térmica.
Fotoluminiscencia • En la fotoluminiscencia, el elemento excitador son los fotones o la radiación UV. • Si la emisión ocurre inmediatamente a la excitación se denomina fluorescencia, mientras que si existe retardo se denomina fosforescencia
Descarga en gas • Si sobre un gas confinado en un espacio o tubo de descarga con dos electrodos, se aplica un campo eléctrico, la conducción se produce al ionizarse el gas, obteniéndose electrones e iones positivos. • Este flujo de iones y electrones a través del gas se llama descarga.
Funcionamiento general • En el interior del tubo, se producen descargas eléctricas como consecuencia de la diferencia de potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un flujo de electrones que atraviesa el gas. Cuando uno de ellos choca con los electrones de las capas externas de los átomos les transmite energía y pueden suceder dos cosas. • La primera posibilidad es que la energía transmitida en el choque sea lo suficientemente elevada para poder arrancar al electrón de su orbital. Este, puede a su vez, chocar con los electrones de otros átomos repitiendo el proceso. Si este proceso no se limita, se puede provocar la destrucción de la lámpara por un exceso de corriente. • La otra posibilidad es que el electrón no reciba suficiente energía para ser arrancado. En este caso, el electrón pasa a ocupar otro orbital de mayor energía. Este nuevo estado acostumbra a ser inestable y rápidamente se vuelve a la situación inicial. Al hacerlo, el electrón libera la energía extra en forma de radiación electromagnética, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrón no puede tener un estado energético cualquiera, sino que sólo puede ocupar unos pocos estados que vienen determinados por la estructura atómica del átomo. Como la longitud de onda de la radiación emitida es proporcional a la diferencia de energía entre los estados inicial y final del electrón y los estados posibles no son infinitos, es fácil comprender que el espectro de estas lámparas sea discontinuo.
Lámparas de descarga Lámparas de vapor de mercurio Lámparas de vapor de sodio
