Instalaciones Eléctricas I.pdf

UMSS FCyT -Indice-__________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________Instalaciones Elctricas I

INDICE

Captulo 1 Pagina

LA LUZ Y EL SENTIDO DE LA VISION

1.1 INDTRODUCCION 11.2 LA LUZ 11.3 EL SENTIDO DE LA VISION 21.4 CARACTERISTICAS VISUALES DEL OJO 41.5 FACTORES OBJETIVOS DEL PROCESO VISUAL 81.6 CONCEPTOS Y UNIDADES 91.7 RELACION ENTRE CONCEPTOS 131.8 TEMPERATURA DEL COLOR 151.9 FOTOMETRIA 16

Captulo 2

FUENTES LUMINOSAS

2.1 INTRODUCCION 12.2 LAMPARAS INCANDESCENTES 12.3 PARTES DE UNA LAMPARA INCANDESCENTE 42.4 TIPOS DE LAMPARAS INCANDESCENTES 72.5 APLICACIONES CON LAMPARAS INCANDESCENTES 102.6 LAMPARAS DE DESCARGA EN GAS 132.7 OTROS TIPOS DE LAMPARAS 672.8 RENDIMIENTO LUMINOSO Y LUMINANCIA MEDIA DE

ALGUNOS TIPOS DE LAMPARAS 70

Captulo 3

DISEO DE UN SISTEMA DE ILUMINACION

3.1 INTRODUCCION 13.2 CANTIDAD 13.3 CALIDAD 23.4 SELECCIN DEL SISTEMA DE ALUMBRADO 93.5 DISEO DEL SISTEMA DE ILUMINACION EN

AREAS DE TRABAJO 113.6 LUMINARIAS 193.7 RENDIMIENTO DE LA LUMINARIA 253.8 COMPONENTES DE LAS LUMINARIAS 253.9 TIPOS DE LUMINARIAS 263.10 ASPECTOS IMPORTANTES PARA EL DISEO DE UN

SISTEMA DE ILUMINACION 333.11 ERRORES MAS COMUNES QUE HAY QUE EVITAR

EN EL DISEO DE UN SISTEMA DE ILUMINACION 35

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Captulo 4 Pagina

NIVELES DE ILUMINACION

4.1 INTRODUCCION 14.2 NIVEL DE ILUMINACION MINIMO PARA ZONAS DE

CIRCULACION 14.3 NIVEL DE ILUMINACION MINIMO PARA LOCALES

DE TRABAJO 14.4 NIVEL DE ILUMINACION OPTIMO PARA LOCALES

DE TRABAJO 14.5 ILUMINANCIAS RECOMENDADAS 24.6 VALORES DE SERVICIO DE ILUMINACION RECOMENDADA

PARA DIVERSAS CLASES DE TAREA VISUAL 34.7 RELACION ENTRE ILUMINACION GENERAL Y

LOCALIZADA 34.8 NIVELES DE ILUMINACION REQUERIDOS POR

DISTINTOS TIPOS DE AMBIENTES 3

Captulo 5

METODO DE LOS LUMENES

5.1 INTRODUCCION 15.2 APLICACIN DEL METODO DE LOS LUMENES 15.3 CALCULO DEL NMERO DE LUMINARIAS 55.4 EJEMPLO DE APLICACION 7

Captulo 6

METODO DE LAS CAVIDADES ZONALES

6.1 INTRODUCCION 16.2 VENTAJAS DEL METODO DE LAS CAVIDADES ZONALES 16.3 PROCESO DE CALCULO 26.4 EJEMPLO DE APLICACIN 15

Captulo 7

ALUMBRADO DE EDIFICIOS Y AREAS CON PROYECTORES

7.1 INTRODUCCION 17.2 PROYECTORES 17.3 APLICACIN DE LA ILUMINACION CON PROYECTORES 37.4 CALCULO DE LUMINANCIA 117.5 EJEMPLO DE APLICACIN 127.6 ILUMINACION DE FACHADAS CON PROYECTORES 13

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Captulo 8 Pagina

METODO PUNTO POR PUNTOILUMINACION PUBLICA (ALUMBRADO DE CALLES Y CARRETERAS)

8.1 INTRODUCCION 18.2 CLASIFICACION DE LAS VIAS PUBLICAS 18.3 NIVELES DE ILUMINACION RECOMENDADOS 28.4 CONDICIONES DE UNA BUENA ILUMINACION 38.5 CONSIDERACIONES ECONOMICAS 78.6 LAMPARAS Y LUMINARIAS 88.7 RECOMENDACIONES PARA EL ALUMBRADO PBLICO 178.8 CALCULOS DE ALUMBRADO EXTERIOR 178.9 EJEMPLOS DE APLICACIN 228.10 CURVAS ISOLUX Y DIAGRAMAS DE FACTOR

DE UTILIZACION 27

Captulo 9

GENERALIDADES DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS

9.1 INTRODUCCION 19.2 CLASIFICACION DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS 19.3 PLANIFICACION DE UN PROYECTO 19.4 TENSIONES 29.5 SIMBOLOGIA 6

Captulo 10

REQUERIMIENTOS PARA PRESENTACION DE PROYECTOS DEINSTALACIONES ELECTRICAS INTERIORES

10.1 INTRODUCCION 110.2 INFORMACION REQUERIDA 110.3 APROBACION DE PROYECTOS 8

Captulo 11 Pagina

PROCEDIMIENTOS PARA LA REALIZACION DE TRAMITES

11.1 INTRODUCCION 111.2 PROCEDIMIENTOS PARA LA REALIZACION DE

TRAMITES 1

Captulo 12

INTRODUCCION A LA PROTECCION

12.1 ASPECTOS FUNDAMENTALES 112.2 ATERRAMIENTO O PUESTA A TIERRA 212.3 CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS 4

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12.4 RANGOS DE TENSION EN INSTALACIONESELECTRICAS 8

Captulo 13

SIMBOLOGIA

13.1 SIMBOLOGIA 1

Captulo 14

ESQUEMAS DE CONEXIONADO

14.1 CABLEADO DE CIRCUITOS DE ILUMINACION 114.2 CABLEADO DE CIRCUTOS DE TOMA CORRIENTES 1114.3 CABLEADO DE CIRCUTOS DE FUERZA 11

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UMSS FCyT La Luz y el Sentido de la Visin________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________Instalaciones Elctricas I Cap.1 / 1

CAPITULO 1

LA LUZ Y EL SENTIDO DE LA VISION

1.1 INTRODUCCION

Luz y el sentido de la visin, las dos caras de la misma moneda. Sin una la otra no tienesentido. Sin luz los ojos no podran percibir las formas, los colores de los objetos y, en definitiva, elmundo que nos rodea. Sin una visin que interpretara la luz, esta no servira de nada.

1.2 LA LUZ

La luz, que llega a nuestros ojos y nos permite ver, es un pequeo conjunto de radiacioneselectromagnticas de longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm. y los 770 nm.

1.2.1 El Espectro electromagntico

La luz forma parte del espectro electromagntico que comprende tipos de ondas tandispares como los rayos csmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los infrarrojos y las ondas deradio o televisin entre otros. Cada uno de estos tipos de onda comprende un intervalo definido poruna magnitud caracterstica que puede ser la longitud de onda (l) o la frecuencia (f). Recordemosque la relacin entre ambas es:

Donde c es la velocidad de la luz en el vaco (c = 3108 m/s).

(Fig. 1.1) Longitud de onda en metros

El ojo humano slo es sensible a las radiaciones pertenecientes a un pequeo intervalo delespectro electromagntico. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribucinespectral aproximada es:

fc

=l (1.1)

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TIPO DERADIACIN

LONGITUDES DE ONDA(NM)

Violeta 380-436Azul 436-495

Verde 495-566Amarillo 566-589Naranja 589-627

Rojo 627-720

(Tab. 1.1) Longitudes de onda de los colores del espectro electromagntico

Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen sonabsorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las quedeterminan el color que percibimos. Si las refleja todas es blanco y si las absorbe todas es negro. Unobjeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las dems componentes de la luz blanca. Siiluminamos el mismo objeto con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe estacomponente y no refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objetodepende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.

1.3 EL SENTIDO DE LA VISION

El propsito del alumbrado es hacer posible la visin, cualquier estudio del mismo debeempezar con unas consideraciones sobre el ojo y el proceso visual. Solo cuando el ingenieroentiende el mecanismo del ojo y la forma en que este opera, puede llevar a cabo satisfactoriamentesu funcin principal, cual es la de proporcionar luz para la realizacin de las tareas visuales con unmximo de velocidad, exactitud, facilidad y comodidad y con un mnimo de esfuerzo y fatiga.

El ojo humano es un rgano sensitivo muy complejo que recibe la luz procedente de losobjetos, la enfoca sobre la retina formando una imagen y la transforma en informacincomprensible para el cerebro. La existencia de dos ojos nos permite una visin panormica ybinocular del mundo circundante y la capacidad del cerebro para combinar ambas imgenesproduce una visin tridimensional o estereoscpica.

1.3.1 El mecanismo visual

El ojo humano suele compararse con una cmara fotogrfica, a la que se parece en muchosaspectos. Ambos tienen una lente, que enfoca una imagen invertida sobre una superficie sensible ala luz: la pelcula en una maquina fotogrfica, la retina en el ojo. El prpado corresponde alobturador de la cmara. Enfrente de la lente fotogrfica hay un diafragma, que puede abrirse ocerrarse para regular la cantidad de luz que debe ingresar a la cmara. Delante de la lente, en el ojo,esta el iris, que lleva acabo la misma funcin.

(Fig. 1.2) Formacin de la imagen en el ojo

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Sin embargo, hay cierto riesgo en llevar esta analoga demasiado lejos, dadas lasimportantes diferencias entre el ojo y la cmara. El ojo es un rgano viviente extraordinariamenteadaptable, y opera en un campo de niveles de iluminacin variables entre limites que guardan entres una relacin de ms de un milln a uno. Adems, los continuos cambios necesarios para unabuena visin en condiciones continuamente variables se efectan automticamente, sin esfuerzoconsciente. Debido a este hecho, es muy fcil abusar del ojo. Si se toman fotografas con escasa luzo con un foco deficiente, no se daa la cmara, pero si se utilizan los ojos con una luz insuficiente ode baja calidad se produce, como mnimo, una fatiga innecesaria, pudiendo dar lugar a lainflamacin de los mismos y a dolores de cabeza. El uso indebido y constante de los ojos puedeincluso ser causa de malestar en otras partes del cuerpo.

1.3.2 Par tes del ojo y sus funciones

a) Prpado. Pliegue de piel que protege el ojo y que, en condiciones de luz muy brillante, ayuda aregular la cantidad de luz que llega a l.

b) Cornea. Porcin transparente de la membrana exterior que rodea al ojo; sirve como parte delsistema refractor.

c) Iris. Parte coloreada del ojo que funciona como un diafragma, controlando la cantidad de luzque ingresa a l.

d) Pupila. Abertura en el centro del iris, por la que entra la luz en el ojo. El tamao de la aberturase controla por la accin de msculos involuntarios.

e) Cristalino. Cpsula transparente situada detrs del iris, cuya forma puede cambiar para enfocarobjetos a distintas distancias.

f) Msculo ciliar. Msculo en forma de anillo que ajusta la tensin aplicada al cristalino,cambiando as su curvatura y enfocando objetos cercanos o lejanos.

g) Retina. Superficie sensible a la luz, situada en la parte posterior del globo ocular. Contiene unadelicada pelcula de fibras nerviosas que parten del nervio ptico y que terminan en unapequeisimas estructuras en forma de conos y bastoncillos.

h) Conos. Receptores de la retina que hacen posible la discriminacin de los detalles finos y lapercepcin del color. Son insensibles a los niveles bajos de iluminacin; se encuentranprincipalmente cerca del centro de la retina, con mayor concentracin en la Fvea, zona de 0,3mm. De dimetro aproximadamente, que solo esta compuesta de conos. Es en la Fvea donde elojo enfoca, involuntariamente, la imagen de un objeto que deba ser examinado minuciosamente.

(Fig. 1.3) Partes del ojo y sus funciones

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i) Bastones. Receptores de la retina, sensibles a niveles bajos de iluminacin. No responden alcolor y existen solamente fuera de la regin Fveana, aumentando su nmero a medida queaumenta su distancia a la Fveana, La parte ms superficial de la retina, compuestaprincipalmente de bastoncillos, no ofrece una visin precisa, pero es muy sensible almovimiento y a las oscilaciones luminosas.

j) Prpura retiniana (rhodopsin). Es un liquido purpreo que se encuentra en los bastones,sensible a la luz, y se decolora rpidamente cuando es expuesto a ella. Su regeneracin es unfactor importante en la adaptacin a la oscuridad.

k) Punto ciego. Es el punto de la retina por donde entra en el ojo el nervio ptico, el cual conducelas sensaciones de luz al cerebro. En este punto no hay bastones ni conos y por consiguiente unestimulo de luz no provoca sensacin alguna.

l) Fvea o mancha amarilla. Es una pequea depresin, poco profunda, situada en la retina dondesolo hay un tipo de clulas nerviosas: los conos. Es el rea de mayor agudeza visual ya que aquse concentran las imgenes procedentes del centro del campo visual.

1.3.3 Defectos estructurales del ojo

a) Astigmatismo

(Fig. 1.4) Defecto visual astigmatismo

Incapacidad de enfocar lneas horizontales y verticales al mismo tiempo. La distancia focaldel ojo astigmtico es diferente para dos planos perpendiculares. Esta condicin resulta deirregularidades en la curvatura de la cornea y del cristalino.

b) Miopa

(Fig. 1.5) Defecto visual miopa

La distancia focal del ojo miope es demasiado corta, por lo que los rayos paralelosconvergen delante de la retina y no en ella. Las personas miopes ven los objetos cercanosclaramente, pero los distantes aparecen borrosos.

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c) Hipermetropa

(Fig. 1.6) Defecto visual hipermetropa

En este caso, la distancia focal del ojo es demasiado grande y el foco esta detrs de la retina.Las personas que sufren de hipermetropa no ven con claridad los objetos cercanos.

d) Presbicia

(Fig. 1.7) Defecto visual presbicia

(Perdida del poder de acomodacin del cristalino). En personas de edad media o avanzada,el cristalino se vuelve progresivamente menos elstico, y el proceso para una acomodacin mscercana se va haciendo ms difcil. El resultado es una condicin parecida a la hipermetropa.

1.4 CARACTERISTICAS VISUALES DEL OJO

1.4.1 Acomodacin

Cuando el cristalino presenta su forma ms aplanada, el ojo normal esta enfocado sobreobjetos en el finito. Para enfocar un objeto ms cercano, particularmente dentro de los 6 metros, espreciso aumentar la convexidad del cristalino mediante la contraccin de los msculos ciliares.Cuanto ms cercano este el objeto, ms convexo debe hacerse el cristalino; esto es parte del procesoconocido por acomodacin.

La acomodacin incluye tambin cambios en el dimetro de la pupila. Cuando el ojo seenfoca sobre objetos distantes la pupila es relativamente grande. Cuando la atencin se fija en unobjeto visual cercano la pupila se contrae algo, logrando as una apreciacin ms penetrante, peroadmitiendo menos luz en el ojo.

1.4.2 Adaptacin

El ojo es capaz de trabajar en un amplio campo de niveles de iluminacin, mediante unproceso conocido como adaptacin, que incluye un cambio en el tamao de la abertura de la pupila,al mismo tiempo que unas variaciones fotoqumicas en la retina.

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(Fig.1.8) Tiempo de acomodacin del ojo

El tamao de la abertura de la pupila obedece principalmente a la cantidad de luz recibidaen el ojo. En una luz muy tenue la pupila se dilata, pero a medida que la luz aumenta la abertura secontrae. Esto es particularmente perceptible cuando se pasa de una zona bien iluminada a otra msoscura, o cuando una fuente de luz muy brillante entra dentro del mbito de la visin. El cambio enla retina implica un equilibrio del grado de regeneracin de las sustancias fotoqumicas presentes enaquella frente a las necesidades del ojo en una situacin dada.

El tiempo requerido para el proceso de adaptacin depende del previo estado de adaptaciny de la magnitud del cambio. En general la adaptacin a un nivel ms alto de iluminacin se lleva acabo ms rpidamente que en sentido contrario. La mayor intensidad de adaptacin suele tenerlugar durante el primer minuto, mientras que el proceso de adaptacin a la oscuridad se verificamuy lentamente en los 30 primeros minutos y para la completa adaptacin a la oscuridad puede sernecesaria una hora. Estos son hechos que los ingenieros deben considerar en la iluminacin decines, tneles o cualquier lugar en donde la gente pase bruscamente de un nivel de luz a otro.

1.4.3 Curva de sensibilidad del ojo

El ojo no es igualmente sensible a la energa de todas las longitudes de onda o colores.Experimentos en un gran nmero de personas sometidas a la observacin han establecido una curvade sensibilidad del ojo que da la respuesta del ojo normal a iguales cantidades de energa condistintas longitudes de onda. La mxima sensibilidad esta en el amarillo verdoso, con una longitudde onda de aproximada de 5550 Angstroms, mientras que comparativamente la sensibilidad en losextremos azul y rojo del espectro es muy baja. Esto quiere decir, que se necesitan unas 9 unidadesde energa roja de una longitud de onda de 6500 Angstroms para producir el mismo efecto visualque una unidad de amarillo verdoso. Es obvio que la curva de sensibilidad se debe tener siempre encuenta para evaluar la energa visual en funcin de la sensacin.

(Fig. 1.9) Curva de sensibilidad del ojo

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1.4.4 Efecto Purkinje

La curva normal (Fotpica) de sensibilidad del ojo esta basada en la visin de conos, estoes, en los niveles ordinarios durante el da, en los que la sensacin de la visin incumbeprincipalmente a los conos. En niveles de iluminacin muy bajos, donde el brillo es del orden de0.00000107 lamberts o menos, los conos no pueden operar y los bastones se cargan de todo elproceso visual. La visin mediante los bastones, denominada, visin Escotpica, se verifica deacuerdo con una nueva curva de la misma forma que la Fotpica, pero desplazada 480 Angstromshacia el extremo azul de espectro. Esta traslacin, que es conocida como efecto Purkinje, desplazala sensibilidad mxima del ojo de los 5.550 a los 5.070 Angstroms.

(Fig. 1.10) Efecto Purkinje

El resultado es que en la oscuridad, a pesar de que la visin carece por completo de color, elojo se vuelve relativamente muy sensible a la energa del extremo azul del espectro y casi ciego ala del rojo. Si un rayo de luz roja y un rayo de luz azul, de intensidades iguales a niveles en que eltrabajo visual esta a cargo de los conos, se reducen en la misma proporcin hasta niveles en que eltrabajo visual corresponde a los bastones, la luz azul aparecer mucho ms brillante que la roja. Lasimplicaciones del efecto Purkinje son importantes en las instalaciones de alumbrado que presentanniveles muy bajos de iluminacin, y el hecho de no tenerlo en cuenta puede conducir a serioserrores en la medida de los valores del brillo e iluminacin.

1.4.5 El Campo visual

El campo visual normal se extiende aproximadamente 180 en el plano horizontal y 130 enel plano vertical, 60 por encima de la horizontal y 70 por debajo, La Fvea, donde tiene lugar lamayor parte de la visin y todas las discriminaciones de detalles finos, subtiende un ngulo demenos de un grado a partir del centro. Los lmites de lo que puede ser llamado campo central elcampo visual su fondo- varan con el tipo de trabajo.

VisinFotpicaVisin

Escotpica

(Fig. 1.11) Campo visual horizontal y vertical

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1.5 FACTORES OBJETIVOS DEL PROCESO VISUAL

Las investigaciones han demostrado que la visin depende de cuatro variables primarias,asociadas al objeto visual: tamao, luminancia, contraste de luminancia entre el objeto u susalrededores y tiempo disponible para verlo.

1.5.1 Tamao

El tamao del objeto es el factor que generalmente tiene ms importancia en el procesovisual. Cuanto ms grande es un objeto en relacin con el ngulo visual (o ngulo subtendido por elobjeto desde el ojo) ms rpidamente puede ser visto.

(Fig. 1.12) Efecto del tamao en funcin del ngulo visual

1.5.2 Luminancia (br illo fotomtr ico)

Uno de los factores primordiales para la visibilidad es la luminancia. La de un objetodepende de la intensidad de la luz que incide sobre l y de la proporcin de sta que se refleja endireccin al ojo. Una superficie blanca tendr un brillo mucho mayor que la misma iluminacin. Sinembargo, aadiendo suficiente luz a una superficie oscura, es posible hacerla tan brillante como unablanca. Cuanto ms oscuro es un objeto o una labor visual, ms grande es la iluminacin necesariapara conseguir igual brillo, en circunstancias parecidas, para la misma visibilidad.

1.5.3 La Agudeza visual

Es la capacidad de distinguir entre objetos muy prximos entre s. Es una medida del detallems pequeo que podemos diferenciar y est muy influenciada por el nivel de iluminacin. Si estees bajo como ocurre de noche cuesta mucho distinguir cosas al contrario de lo que ocurre de da.

(Fig. 1.13) Influencia del nivel de iluminacin sobre la agudeza visual.

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1.5.4 Contraste

Tan importante para la visin es el nivel general de luminancia como el contraste deluminancia o color entre el objeto visual y su fondo. La diferencia en el esfuerzo visual requeridopara leer las dos mitades de la tarjeta, es una simple demostracin de la efectividad del contraste.

(Fig. 1.14) Contraste de colores

Los altos niveles de iluminacin compensan parcialmente los contrastes de bajo brillo yresultan de gran ayuda cuando no pueden evitarse las condiciones de deficiencia de contrastes.

1.5.5 Tiempo

La visin no es un proceso instantneo; requiere tiempo. De nuevo puede recurrirse a lacmara fotogrfica para ilustrarlo. Es posible tomar una fotografa con una luz muy tenue si laexposicin es suficientemente larga, pero para una exposicin rpida es necesario emplear una grancantidad de luz.

El ojo puede ver detalles muy pequeos con niveles bajos de iluminacin, si se da tiemposuficiente y se prescinde de la fatiga visual. Pero para una visin rpida se requiere ms luz.

1.6 CONCEPTOS Y UNIDADES

La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o los Gamma es una forma de energa. Sila energa se mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para qu necesitamos nuevas unidades.La razn es ms simple de lo que parece. No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo yproduce sensacin luminosa, ni toda la energa que consume, por ejemplo, una lmparaincandescente se convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ellodefiniremos nuevas magnitudes: el flujo luminoso, la intensidad luminosa, la iluminancia, laluminancia, el rendimiento o eficiencia luminosa y la cantidad de luz.

1.6.1 Flujo Luminoso

Para hacernos una primera idea consideraremos dos lmparas incandescentes, una de 25 Wy otra de 60 W. Est claro que la de 60 W dar una luz ms intensa. Pues bien, esta es la idea: culluce ms? dicho de otra forma cunto luce cada lmpara incandescente?

(Fig. 1.15) Efecto del flujo luminoso de una lmpara de 25 (W) y 60(W)

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Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos slo a la potencia consumida por lalmpara incandescente de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujoluminoso. Podramos medirlo en watts (W), pero parece ms sencillo definir una nueva unidad, ellumen, que tome como referencia la radiacin visible.

El flujo luminoso es la cantidad total de luz emitida por segundo. Se define tambin comola unidad de potencia de 1/ 683 (W) emitidos en la longitud de onda de 555 (nm) con unafrecuencia de 540 x 1012 (Hz).

Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiacin luminosa ala que el ojo humano es sensible. Su smbolo es F y su unidad es el lumen (lm). A la relacin entrewatts y lmenes se le llama equivalente luminoso de la energa y equivale a:

1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

1.6.2 Intensidad Luminosa

El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, porejemplo una lmpara, en todas las direcciones del espacio. Por el contrario, si pensamos en unproyector es fcil ver que slo ilumina en una direccin. Parece claro que necesitamos conocercmo se distribuye el flujo en cada direccin del espacio y para eso definimos la intensidadluminosa.

(Fig. 1.16) Diferencia entre flujo e intensidad luminosa.

Se conoce como intensidad luminosa de una fuente al flujo luminoso emitido por unidad dengulo slido que contiene la direccin dada.

[ ]cdLmSlidoAngulo

luminosoFlujoI 1)(1)(1

==F

==ww

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La candela es la cantidad fsica bsica internacional en todas las medidas de luz. Su valoresta determinado por la luz emitida por un patrn de laboratorio llamado cuerpo negro, trabajando auna temperatura especifica.La intensidad luminosa es una propiedad caracterstica de una fuente de luz, y de la informacinrelativa al flujo luminoso en su origen.

Angulo Slido

La unidad de ngulo slido es el estereoradian, que puede definirse como:En la superficie de una esfera de R (cm) de radio, cabe imaginarse un rea de R2 (cm2). Si el

radio de la esfera se mueve, siguiendo el contorno de esa rea, describir un cono que contiene unaunidad de ngulo slido, o sea, un estereoradian. La medida del ngulo slido se obtiene dividiendoel rea por el cuadrado del radio, esto es:

Considerando que el rea de toda la superficie de una esfera es 4pR2, tendramos que elngulo slido alrededor del centro es:

1.6.3 Iluminancia

Quizs haya jugado alguna vez a iluminar con una linterna objetos situados a diferentesdistancias. Si se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por uncrculo pequeo y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz dbil. Esta sencillaexperiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.

(Fig. 1.17) Concepto de iluminancia

Se define iluminancia como el flujo luminoso recibido por una superficie.

Un lux es la iluminacin en un punto (A) sobre una superficie que dista, en direccinperpendicular, un metro de una fuente puntual uniforme de una candela.

(Fig.1.18) Definicin grfica de la unidad lux

ianestereoradRA

cmRcmA

==222

2

)()(

w

ianestereoradRR

== ppw 44 22

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De la definicin de lumen se deduce que un Lumen uniformemente distribuido en un metrocuadrado de superficie produce una luminancia de un Lux. (Si un flujo de 1 lumen incide en un reade 1m2, la iluminancia en esta rea es de 1 lux).

1.6.4 Luminancia

Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de las fuentesde luz (flujo luminoso o intensidad luminosa) o sobre la luz que llega a una superficie(iluminancia). Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de cuentas es la quevemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso que veamos un foco luminoso como en el queveamos luz reflejada procedente de un cuerpo la definicin es la misma.

Se llama luminancia a la relacin entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vistapor el ojo en una direccin determinada. Su smbolo es L y su unidad es la cd/m2. Tambin esposible encontrar otras unidades como el stilb (1 sb = 1 cd/m2) o el nit (1 nt = 1 cd/cm2).

La luminancia se expresa de dos formas en candelas por unidad de superficie o en lmenespor unidad de superficie.

1.6.5 Rendimiento Luminoso Eficiencia Luminosa

Ya mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energa elctrica consumidapor una lmpara (incandescente, fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se pierdepor calor, parte en forma de radiacin no visible (infrarrojo o ultravioleta), etc.

(Fig. 1.19) Energa elctrica consumida para producir luz visible

Para hacernos una idea de la porcin de energa til definimos el rendimiento luminosocomo el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia elctrica consumida, que viene con

LuxAarea

LmenesE F==

A

F

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las caractersticas de las lmparas (25 W, 60 W..). Mientras mayor sea mejor ser la lmpara ymenos gastar. La unidad es el lumen por watt (lm/W).

1.6.6 Cantidad de luz

Esta magnitud slo tiene importancia para conocer el flujo luminoso que es capaz de dar unflash fotogrfico o para comparar diferentes lmparas segn la luz que emiten durante un ciertoperiodo de tiempo. Su smbolo es Q y su unidad es el lumen por segundo (lms).

1.7 RELACION ENTRE CONCEPTOS

La relacin entre conceptos es clara si imaginamos que, en el centro de una esfera de radioR = 1m. hay un foco o fuente de luz en forma de punto, de modo que la superficie esfrica interiorest iluminada uniformemente.

(Fig. 1.20) Ejemplo grfico de la relacin entre conceptos

Si esta fuente de luz tiene una intensidad luminosa en todas las direcciones de 1 candela, unngulo slido de 1 estereoradian, transmitir un flujo luminoso de 1 lumen, por lo que el rea de lasuperficie esfrica delimitada por el ngulo slido de 1m2 tendr una iluminacin de 1 lux.

La luminiscencia de una superficie reflectora depende de la iluminacin y del factor dereflexin de la mencionada superficie.

1.7.1 La iluminacin media de una superficie

Es igual al flujo luminoso total incidente en ella, dividido por el rea.

O sea iluminacin en lux = lmenes / m2AFE m =

R = 1m

A = 1mE = 1 lux

1 metro

1 (lm)E =--------------= 1 (lux) 1 (m )

2

(1.2)

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Ejemplo:

Si un flujo luminoso de 40.000 lmenes incide en una superficie de 5m2, la iluminacinmedia es:

1.7.2 La iluminacin en un punto

La iluminacin de un punto perteneciente a un plano perpendicular a la direccin de laintensidad es igual a la intensidad luminosa en la direccin de ese punto, dividida por el cuadradode la distancia entre la fuente de luz y el punto de referencia.

(Fig. 1.21) Representacin grfica de la ley de la inversa de los cuadrados

Este criterio se conoce tambin como Ley de la inversa de los cuadrados y expresa que:La iluminacin es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente de

luz y la superficie iluminada.La ley de la inversa del cuadrado constituye la base del clculo por el mtodo Punto por

Punto para proyectos de alumbrado.

1.7.3 Ley del Coseno

La iluminacin es proporcional al coseno del ngulo de incidencia (ngulo formado por ladireccin del rayo incidente y la perpendicular a la superficie).

)(8005000.40 lxE m ==

2DCosIE j= 2D

IE =

Para un ngulo deincidencia de 0, setiene. Cos 0 =1

E : Iluminacin en luxI : Intensidad luminosa en candelasD : Distancia en metrosj : Angulo de incidencia

3 metros

Fuente de luz1candela

E = 1 luxE = 1/4 lux

E = 1/9 lux

1 metro2 metros

(1.3)

Fuente

D j

Superficie

Fuente

Superficie

DI IZe

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DF D

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Dada la curva normal de distribucin luminosa, el ngulo ms conveniente es el que formanla vertical y la direccin de la luz incidente que se puede determinar a partir de las relacionessiguientes:

1.8 TEMPERATURA DEL COLOR

La temperatura del color es un trmino que se utiliza para describir el color de una fuenteluminosa comparndola con un cuerpo negro, que es el tericamente radiante perfecto. Comocualquier cuerpo incandescente, un cuerpo negro cambia de color al aumentar su temperatura,ponindose primero rojo oscuro y despus rojo claro, naranja, amarillo y, finalmente blanco, blancoazulado y azul.

(Fig. 1.22) Espectro de frecuencias

Se ha de tener en cuenta que la temperatura del color no es una medida de la temperaturareal, ya que define solamente el color, y que se puede aplicar nicamente a fuentes que se parezcanmucho al cuerpo negro.

2

3

3

2

:

HCosI

E

DHI

E

DH

Cos

ComoDCosI

E

H

H

H

j

j

j

=

=

=

=

2

2

3

2

:

HSenCosIE

DRIE

ComoDSenIE

V

V

V

jj

j

=

=

=

Superficie

Fuente

.

SuperficieFuente

jD j

D

H H

R

(1.4)(1.5)

II

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1.9 FOTOMETRIA

Cuando se habla en fotometra de magnitudes y unidades de media se definen una serie detrminos y leyes que describen el comportamiento de la luz y sirven como herramientas de clculo.Pero no hemos de olvidar que las hiptesis utilizadas para definirlos son muy restrictivas (fuentepuntual, distribucin del flujo esfrica y homognea, etc.). Aunque esto no invalida los resultados yconclusiones obtenidas, nos obliga a buscar nuevas herramientas de trabajo, que describan mejor larealidad, como son las tablas, grficos o programas informticos. De todos los inconvenientesplanteados, el ms grave se encuentra en la forma de la distribucin del flujo luminoso que dependede las caractersticas de las lmparas y luminarias empleadas.

(Fig. 1.23) Influencia de la luminaria en la forma del haz de luz.

A menudo no le daremos mucha importancia a este tema, como pasa en la iluminacin deinteriores, pero ser fundamental si queremos optimizar la instalacin o en temas como lailuminacin de calles, decorativa, de industrias o de instalaciones deportivas.

A continuacin veremos los grficos ms habituales en luminotcnia:

Diagrama Polar o curva de distribucin luminosa.

Diagramas Isocandela

Alumbrado por proyeccin. Alumbrado pblico. Proyeccin azimutal de Lambert.

Curvas Isolux.

1.9.1 Diagrama Polar o Curvas de distr ibucin luminosa

Para luminar ias en inter iores

(Fig. 1.24)Curva de Intensidad luminosade luminarias para interiores

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La intensidad luminosa I, viene dada bajo la forma de un diagrama polar en candelas por 1.000lmenes (cd / 1.000 lm) de flujo nominal de la lmpara, el diagrama proporciona la distribucin de la luz dela luminaria en dos planos:

En un plano vertical segn el eje longitudinal de la luminaria, el plano C90 C270, indicado como:

(Fig. 1.25) Plano vertical segn el eje longitudinal de la luminaria

Si la distribucin de la luz de una luminaria es rotatoriamente simtrica, slo se da ladistribucin de la luz en un plano C. El diagrama de la intensidad luminosa da una idea aproximadade la forma de la distribucin de la luz de una luminaria.

Para distribuciones asimtricas de la luz, dos planos no son suficientes a efectos de clculos.No obstante, en el diagrama de intensidades luminosas slo se dan dos planos, ya que esto a sidointernacionalmente aceptado.

Para luminar ias en exter iores

En estos grficos la intensidad luminosa se representa mediante un sistema de trescoordenadas (I, C,g). La primera de ellas I representa el valor numrico de la intensidad luminosaen candelas e indica la longitud del vector mientras las otras sealan la direccin. El ngulo C nosdice en qu plano vertical estamos y mide la inclinacin respecto al eje vertical de la luminaria. Eneste ltimo, 0 seala la vertical hacia abajo, 90 la horizontal y 180 la vertical hacia arriba. En estecaso, los ngulos entre 0 y 180 quedan en el lado de la calzada y los comprendidos entre 180 y360 en la acera; 90 y 270 son perpendiculares al bordillo y caen respectivamente en la calzada yen la acera.

(Fig. 1.26) Sistema polar para la iluminacin

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Con un sistema de tres coordenadas es fcil pensar que ms que una representacin planatendramos una tridimensional. De hecho, esto es as y si representamos en el espacio todos losvectores de la intensidad luminosa en sus respectivas direcciones y uniramos despus susextremos, obtendramos un cuerpo llamado slido fotomtrico. Pero como trabajar en tresdimensiones es muy incmodo, se corta el slido con planos verticales para diferentes valores de C(suelen ser uno, dos, tres o ms dependiendo de las simetras de la figura) y se reduce a larepresentacin plana de las curvas ms caractersticas.

En la curva de distribucin luminosa, los radios representan el ngulo g y lascircunferencias concntricas el valor de la intensidad en candelas. De todos los planos verticalesposibles identificados por el ngulo C, solo se suelen representar los planos verticalescorrespondientes a los planos de simetra y los transversales a estos (C = 0 y C = 90) y aquel enque la lmpara tiene su mximo de intensidad. Para evitar tener que hacer un grfico para cadalmpara cuando solo vara la potencia de esta, los grficos se normalizan para una lmpara dereferencia de 1000 lm. Para conocer los valores reales de las intensidades bastar con multiplicar elflujo luminoso real de la lmpara por la lectura en el grfico y dividirlo por 1000 lm.

(Fig. 1.27) Curva polar de intensidades luminosas

1.9.2 Matr iz de Intensidades luminosas

Tambin es posible encontrar estos datos en unas tablas llamadas matriz de intensidadesluminosas donde para cada pareja de valores de C y g obtenemos un valor de I normalizado parauna lmpara de flujo de 1000 lm.

g \ C 90 120 150 180 210 240 270

0 140 140 140 140 140 140 14010 120 130 130 135 160 200 23020 110 120 120 125 210 290 31030 100 110 115 160 300 320 33040 90 100 110 180 400 330 26050 70 80 100 200 450 190 11060 60 70 120 280 470 90 6070 30 20 60 230 300 60 2080 5 8 10 15 35 40 1590 0 0 0 0 0 0 0

(Fig.1.28) Matriz de intensidades luminosas

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1.9.3 Diagrama Isocandela

A pesar de que las curvas de distribucin luminosa son herramientas muy tiles y prcticas,presentan el gran inconveniente de que slo nos dan informacin de lo que ocurre en unos pocosplanos meridionales (para algunos valores de C) y no sabemos a ciencia cierta qu pasa en el resto.

Para evitar estos inconvenientes y conjugar una representacin plana con informacin sobrela intensidad en cualquier direccin se definen las curvas isocandela.

En los diagramas isocandelas se representan en un plano, mediante curvas de nivel, lospuntos de igual valor de la intensidad luminosa. Cada punto indica una direccin del espaciodefinida por dos coordenadas angulares. Segn cmo se escojan estos ngulos, distinguiremos doscasos:

Proyectores para alumbrado por proyeccin. Luminarias para alumbrado pblico. Proyeccin azimutal de Lambert.

En los proyectores se utiliza un sistema de coordenadas rectangulares con ngulos en lugarde las tpicas x e y. Para situar una direccin se utiliza un sistema de meridianos y paralelos similaral que se usa con la Tierra. El paralelo 0 se hace coincidir con el plano horizontal que contiene ladireccin del haz de luz y el meridiano 0 con el plano perpendicular a este. Cualquier direccin,queda pues, definida por sus dos coordenadas angulares. Conocidas estas, se sitan los puntossobre el grfico y se unen aquellos con igual valor de intensidad luminosa formando las lneasisocandelas.

(Fig. 1.29) Diagrama Isocandela de proyeccin

En las luminarias para alumbrado pblico, para definir una direccin, se utilizan losngulos C y usados en los diagramas polares. Se supone la luminaria situada dentro de una esfera ysobre ella se dibujan las lneas isocandelas. Los puntos de las curvas se obtienen por interseccin delos vectores de intensidad luminosa con la superficie de esta. Para la representacin plana de lasuperficie se recurre a la proyeccin azimutal de Lambert.

En estos grficos, los meridianos representan el ngulo C, los paralelos y las intensidades,lneas irregulares , se reflejan en tanto por ciento de la intensidad mxima. Como en este tipo deproyecciones las superficies son proporcionales a las originales, el flujo luminoso se calcula comoel producto del rea en el diagrama (en estereorradianes) por la intensidad luminosa en esta rea.Ze

on P

DF D

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(Fig. 1.30) Diagrama isocandela de luminaria de alumbrado pblico

Adems de intensidades y flujos, este diagrama informa sobre el alcance y la dispersin dela luminaria. El alcance da una idea de la distancia longitudinal mxima que alcanza el haz de luzen la calzada mientras que la dispersin se refiere a la distancia transversal.

1.9.4 Curvas Isolux

Las curvas vistas en los apartados anteriores (diagramas polares e isocandelas) se obtienen apartir de caractersticas de la fuente luminosa, flujo o intensidad luminosa, y dan informacin sobrela forma y magnitud de la emisin luminosa de esta. Por contra, las Curvas Isolux hacen referenciaa las iluminancias, flujo luminoso recibido por una superficie, datos que se obtienenexperimentalmente o por clculo a partir de la matriz de intensidades usando la frmula:

Estos grficos son muy tiles porque dan informacin sobre la cantidad de luz recibida encada punto de la superficie de trabajo y son utilizadas especialmente en el alumbrado pblico dondede un vistazo nos podemos hacer una idea de como iluminan las farolas la calle.

Lo ms habitual es expresar las curvas isolux en valores absolutos definidas para unalmpara de 1000 lm y una altura de montaje de 1m.

(Fig. 1.31) Curva Isolux

(1.6)

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Los valores reales se obtienen a partir de las curvas usando la expresin:

Tambin puede expresarse en valores relativos a la iluminancia mxima (100%) para cadaaltura de montaje. Los valores reales de la iluminancia se calculan entonces como:

(Fig. 1. 32) Curva Isolux de Philips

Ereal = Ecurva E mx

con:

H : siendo a un parmetro suministrado con las grficas.

(1.7)

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UMSS FCyT Fuentes Luminosas________________________________________________________________________________________


CAPITULO 2

FUENTES LUMINOSAS

2.1 INTRODUCCION

Existen dos tipos de fuentes luminosas:

Naturales (sol, cometas) Artificiales (Lmparas incandescentes y de descarga en gas)

Para iluminar espacios carentes de luz es necesaria la presencia de fuentes de luzartificiales, las lmparas, y aparatos que sirvan de soporte y distribuyan adecuadamente la luz, lasluminarias. De esta forma es posible vencer las limitaciones que la naturaleza impone a lasactividades humanas.

La primera finalidad de una fuente de luz consiste en producirla, y la eficacia con que unalmpara realiza este cometido se expresa en lmenes emitidos por vatios consumidos, relacinllamada eficacia luminosa.

2.2 LMPARAS INCANDESCENTES

Las lmparas incandescentes fueron la primera forma de generar luz a partir de la energaelctrica. Desde que fueran inventadas, la tecnologa ha cambiado mucho producindosesustanciosos avances en la cantidad de luz producida, el consumo y la duracin de las lmparas. Suprincipio de funcionamiento es simple, se pasa una corriente elctrica por un filamento metlicomuy fino y de gran resistencia hasta que este alcanza una temperatura tan alta que emite radiacionesvisibles para el ojo humano. El filamento toma por efecto Joule una temperatura aproximada de500C, por lo que la radiacin emitida contiene una gran proporcin de rayos infrarrojos (energacalorfica), en consecuencia el rendimiento luminoso es muy bajo oscilando entre 10 y 20 (lm/W).

2.2.1 La Incandescencia

Todos los cuerpos calientes emiten energa en forma de radiacin electromagntica.Mientras ms alta sea su temperatura mayor ser la energa emitida y la porcin del espectroelectromagntico ocupado por las radiaciones emitidas. Si el cuerpo pasa la temperatura deincandescencia una buena parte de estas radiaciones caern en la zona visible del espectro yobtendremos luz.

(Fig. 2.1) Espectro electromagntico

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La incandescencia se puede obtener de dos maneras. La primera es por combustin dealguna sustancia, ya sea slida como una antorcha de madera, lquida como en una lmpara deaceite o gaseosa como en las lmparas de gas. La segunda es pasando una corriente elctrica atravs de un hilo conductor muy delgado como ocurre en las lmparas incandescentes corrientes.Tanto de una forma como de otra, obtenemos luz y calor (ya sea calentando las molculas de aire opor radiaciones infrarrojas). En general los rendimientos de este tipo de lmparas son bajos debido aque la mayor parte de la energa consumida se convierte en calor.

(Fig. 2.2) Consumo de energa para producir luz visible incandescente

La produccin de luz mediante la incandescencia tiene una ventaja adicional, y es quela luz emitida contiene todas las longitudes de onda que forman la luz visible o dicho deotra manera, su espectro de emisiones es continuo. De esta manera se garantiza una buenareproduccin de los colores de los objetos iluminados.

2.2.2 Caracter sticas de una lmpara incandescente

Entre los parmetros que sirven para definir una lmpara tenemos las caractersticasfotomtricas: la intensidad luminosa y el rendimiento o eficiencia. Adems de estas, existen otrosque nos informan sobre la calidad de la reproduccin de los colores y los parmetros de duracin delas lmparas.

2.2.3 Caracter sticas Cromticas

Los colores que vemos con nuestros ojos dependen en gran medida de las caractersticascromticas de las fuentes de luz. Por poner un ejemplo, no se ve igual una calle de noche a la luz delas farolas iluminadas por lmparas de luz blanca que con lmparas de luz amarilla.

A la hora de describir las cualidades cromticas de las fuentes de luz hemos de considerardos aspectos. El primero trata sobre el color que presenta la fuente. Y el segundo describe cmo sonreproducidos los colores de los objetos iluminados por esta. Para evaluarlos se utilizan dosparmetros: la temperatura de color y el rendimiento de color que se mide con el IRC.

La temperatura de color hace referencia al color de la fuente luminosa. Su valor coincidecon la temperatura a la que un cuerpo negro tiene una apariencia de color similar a la de la fuenteconsiderada. Esto se debe a que sus espectros electromagnticos respectivos tienen una distribucinespectral similar. Conviene aclarar que los conceptos temperatura de color y temperatura defilamento son diferentes y no tienen porque coincidir sus valores.

El ndice de rendimiento en color (IRC), por contra, hace referencia a cmo se ven loscolores de los objetos iluminados. Nuestra experiencia nos indica que los objetos iluminados por unfluorescente no se ven del mismo tono que aquellos iluminados por lmparas incandescentes. En elprimer caso destacan ms los tonos azules mientras que en el segundo lo hacen los rojos. Esto sedebe a que la luz emitida por cada una de estas lmparas tiene un alto porcentaje de radiacionesmonocromticas de color azul o rojo.

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(Fig. 2.3) Efecto del color de la fuente sobre el color de los objetos

Las lmparas incandescentes tienen una temperatura del color del orden de 2.700 (K) y unIRC de 100.

2.2.4 Caracter sticas de duracin

La duracin de una lmpara viene determinada bsicamente por la temperatura de trabajodel filamento. Mientras ms alta sea esta, mayor ser el flujo luminoso pero tambin la velocidad deevaporacin del material que forma el filamento. Las partculas evaporadas, cuando entren encontacto con las paredes se depositarn sobre estas, ennegreciendo la ampolla. De esta manera sever reducido el flujo luminoso por ensuciamiento de la ampolla. Pero, adems, el filamento sehabr vuelto ms delgado por la evaporacin del tungsteno que lo forma y se reducir, enconsecuencia, la corriente elctrica que pasa por l, la temperatura de trabajo y el flujo luminoso.Esto seguir ocurriendo hasta que finalmente se rompa el filamento. A este proceso se le conocecomo depreciacin luminosa.

Para determinar la vida de una lmpara disponemos de diferentes parmetros segn lascondiciones de uso definidas.

La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lmpara seestropea, trabajando en unas condiciones determinadas.

La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la mitadde las lmparas de un lote representativo de una instalacin, trabajando en unascondiciones determinadas.

La vida til es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir unconjunto de lmparas de una instalacin a mantenerlas. Esto se hace por motivoseconmicos y para evitar una disminucin excesiva en los niveles de iluminacin enla instalacin debido a la depreciacin que sufre el flujo luminoso con el tiempo.Este valor sirve para establecer los periodos de reposicin de las lmparas de unainstalacin.

La vida media es el tiempo medio que resulta tras el anlisis y ensayo de un lote delmparas trabajando en unas condiciones determinadas.

La duracin de las lmparas incandescentes est normalizada; siendo de unas 1.000 horaspara las normales, para las halgenas es de 2.000 horas para aplicaciones generales y de 4.000 horaspara las especiales.

2.2.5 Factores externos que influyen en el funcionamiento de las lmparas incandescentes

Los factores externos que afectan al funcionamiento de las lmparas son la temperatura delentorno dnde est situada la lmpara y las desviaciones en la tensin nominal en los bornes.

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La temperatura ambiente no es un factor que influya demasiado en el funcionamiento de laslmparas incandescentes, pero s se ha de tener en cuenta para evitar deterioros en los materialesempleados en su fabricacin. En las lmparas normales hay que tener cuidado de que la temperaturade funcionamiento no exceda de los 200 C para el casquillo y los 370 C para el bulbo en elalumbrado general. Esto ser de especial atencin si la lmpara est alojada en luminarias con malaventilacin. En el caso de las lmparas halgenas es necesario una temperatura de funcionamientomnima en el bulbo de 260 C para garantizar el ciclo regenerador del tungsteno. En este caso lamxima temperatura admisible en la ampolla es de 520 C para ampollas de vidrio duro y 900 Cpara el cuarzo.

Las variaciones de la tensin se producen cuando aplicamos a la lmpara una tensindiferente de la tensin nominal para la que ha sido diseada. Cuando aumentamos la tensinaplicada se produce un incremento de la potencia consumida y del flujo emitido por la lmpara perose reduce la duracin de la misma. Anlogamente, al reducir la tensin se produce el efectocontrario.

(Fig. 2.4) Efecto de las variaciones de tensin (%) sobre las caractersticasde funcionamiento de las lmparas incandescentes

2.3 PARTES DE UNA LMPARA INCANDESCENTE

Las lmparas incandescentes estn formadas por un hilo de tungsteno que se calienta porefecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz visible. Para evitar queel filamento se queme en contacto con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le hahecho el vaco o se ha rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos elementos confunciones de soporte y conduccin de la corriente elctrica y un casquillo normalizado que sirvepara conectar la lmpara a la luminaria.

(Fig. 2.5) Partes de una Lmpara Incandescente

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a) Ampolla

La ampolla es una cubierta de vidrio que da forma a la lmpara y protege el filamento delaire exterior evitando que se queme. Si no fuera as, el oxgeno del aire oxidara el material delfilamento destruyndolo de forma inmediata.

Las ampollas pueden ser de vidrio transparente, de vidrio blanco translcido o de coloresproporcionando en este ltimo caso una luz de color monocromtica en lugar de la tpica luz blanca.

(Fig. 2.6) Algunas formas tpicas de ampollas

Es una cubierta de vidrio sellada, fabricada con vidrio Cal-soda (el vidrio ms comn y elms econmico).

Para lmparas de altas temperaturas (halgenas) se emplean vidrios de mayor resistencia,por ejemplo de cuarzo (dixido de silicio fundido).

La ampolla puede ser sometida a diferentes acabados:

De color Espejada Mate Opalina

1) La coloracin, se logra aplicando una capa de pintura en la parte interna de la ampolla; ya las lmparas reflectoras de color se les aplica una capa de laca opalina en su parte externa.

2) El espejado plateado se obtiene aplicando una capa de pintura de color plata, aunqueactualmente se logra el mismo efecto aplicando aluminio evaporado al vaco. Por otra parte, elespejado dorado se obtiene mediante la evaporacin al vaco de una aleacin de cobre y aluminio.

3) El acabado mate se realiza por medio del grabado con cido de la parte interna de laampolla, lo que produce una terminacin satina y una moderada difusin de la luz que emite lalmpara, casi sin disminucin durante la transmisin.

4) La opalinizacin produce mejor difusin que el acabado mate, pero a costa de una mayorabsorcin de la luz. Se logra revistiendo la parte interior con slice en polvo fino dixido de titanio.

Algunos tipos de lmparas poseen unas terminaciones de espejos dicroicos o de vidrios decolor, esto se obtiene construyendo un nmero variado de capas alternadas de dos materiales condiferentes ndices de refraccin, de esta manera se consigue que se reflejen algunas longitudes deonda y se transmitan otras.

5) El tamao y forma de la ampolla de las lmparas se designan por una letra o letrasseguidas de un nmero. Las letras indican la forma de la ampolla.

S Lado recto F Llama

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G Redondo o globular T Tubular PS De cuello recto PAR Parablico R Reflector A Designacin Arbitraria

El nmero de designacin de la ampolla indica el dimetro del bulbo en octavos depulgada. Por ejemplo T-10 indica una ampolla que tiene un dimetro de 10/8 1 pulgadas.

El tamao y la forma de la ampolla vienen determinados por la aplicacin en que va autilizarse la lmpara.

b) Casquillo

El casquillo cumple dos importantes funciones en la lmpara. Por un lado, sirve paraconectar el filamento a la corriente elctrica proveniente del portalmparas. Y por el otro, permite lasujecin de la lmpara a la luminaria evitando su deterioro. En su fabricacin se usan habitualmenteel latn, el aluminio o el nquel.

Los casquillos empleados en alumbrado general son de dos tipos: Edison (E) y Bayoneta(B). Para su nomenclatura se utiliza la inicial de la clase seguida del dimetro en milmetros. Porejemplo, E25 quiere decir que tenemos una lmpara con casquillo Edison de 25 mm de dimetro.

Casquillo de rosca Casquillo de bayoneta

(Edison) (Swan)

(Fig. 2.7) Roscas clsicas

c) Filamento

Para que una lmpara incandescente emita luz visible, es necesario calentar el filamentohasta temperaturas muy elevadas. Esto se consigue pasando una corriente elctrica a travs de unmaterial conductor por efecto Joule.

Como la temperatura depende de la resistencia elctrica es necesario que esta ltima seamuy elevada. Para conseguirlo podemos actuar de dos formas. En primer lugar que el filamento estcompuesto por un hilo muy largo y delgado; de esta manera los electrones tendrn ms dificultadpara pasar por el cable y aumentar la resistencia. Y la segunda posibilidad es emplear un materialque tenga una resistividad elctrica elevada.

Tambin es muy importante que el filamento tenga un punto de fusin alto y una velocidadde evaporacin lenta que evite un rpido desgaste por desintegracin del hilo. De esta manera sepueden alcanzar temperaturas de funcionamiento ms altas y, por tanto, mayores eficacias.

Para mejorar la eficacia luminosa de las lmparas se arrolla el filamento en forma de dobleespiral triple espiral. De esta manera se consigue que emitiendo la misma cantidad de luz, elfilamento presente una menor superficie de intercambio de calor con el gas que rellena la ampolla,por lo que las prdidas por este motivo se reducen al mnimo.

En la actualidad el material ms empleado para los filamentos es el tungsteno por suselevadas prestaciones que se ajustan a los requisitos exigidos adems de ser una materia primaasequible. El tungsteno tiene una temperatura de fusin alrededor de 3.400 C.

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Las formas de filamento de uso comn hoy da se designan por una o ms letras que indicansi el hilo es recto o arrollado, seguidas de un nmero que especifica la forma general del filamento,y algunas veces de otra letra que indica la disposicin de los soportes.

S Filamento de hilo recto no arrollado C Hilo arrollado en espiral CC Doblemente arrollado en espiral R Hilo plano o en forma de cinta

Los nmeros y, eventualmente, otras letras asignadas a las diversas formas de filamentosson arbitrarias.

d) Gas Relleno

Aunque antiguamente se haca el vaco en el interior de la ampolla, en la actualidad serellena con un gas inerte por las ventajas que presenta. Con el gas se consigue reducir laevaporacin del filamento e incrementar la temperatura de trabajo de la lmpara y el flujo luminosoemitido. Los gases ms utilizados son el Nitrgeno en pequeas proporciones que evita laformacin de arcos y el Argn que reduce la velocidad de evaporacin del material que forma elfilamento, en algunos tipos especiales el Kriptn. Las proporciones empleadas varan segn laaplicacin de la lmpara y la tensin de trabajo. Aumentando la presin del gas se consigue,adems, disminuir la evaporacin del filamento y aumentar la eficacia luminosa y vida de lalmpara.

e) Sopor te para el filamento

El filamento est fijado a la lmpara por un conjunto de elementos que tienen misiones desujecin y conduccin de la electricidad.

Los hilos conductores transportan la electricidad desde el casquillo a los hilos de soporte atravs del vstago. Para evitar el deterioro de las varillas de soporte es necesario un material,normalmente se usa el molibdeno, que aguante las altas temperaturas y no reaccione qumicamentecon el tungsteno del filamento.

El vstago es de vidrio con plomo, un material con excelentes propiedades de aislanteelctrico, que mantiene separada la corriente de los dos conductores que lo atraviesan. Adems, ygracias a su interior hueco sirve para hacer el vaco en la ampolla y rellenarla de gas (cuando serequiera).

Los soportes conductores de las lmparas comnmente se dividen en tres partes:

Parte superior: en la cual se engancha o se suelda el filamento. Parte central: que forma un sellado con el vidrio conductor de la base. Parte inferior: frecuentemente posee un punto de fusin mas bajo, de tal manera

que acta como un fusible incorporado.

2.4 TIPOS DE LMPARAS INCANDESCENTES

Existen dos tipos de lmparas incandescentes: las que contienen un gas halgeno en suinterior y las que no lo contienen.

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2.4.1 Lmparas no Halgenas

Entre las lmparas incandescentes no halgenas podemos distinguir las que se han rellenadocon un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vaco en su interior. La presencia del gas suponeun notable incremento de la eficacia luminosa de la lmpara dificultando la evaporacin delmaterial del filamento y permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Laslmparas incandescentes tienen una duracin normalizada de 1.000 horas, una potencia entre 25 y2000 W y unas eficacias entre 7.5 y 11 lm/W para las lmparas de vaco y entre 10 y 20 (lm/W)para las rellenas de gas inerte. En la actualidad predomina el uso de las lmparas con gas,reducindose el uso de las de vaco a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potenciasde hasta 40 W.

CARACTERISTICAS LMPARAS CON GAS LMPARAS DE VACO

Temperatura del filamento 2500C 2100CEficacia luminosa de la lmpara 10 - 20 lm/W 7,5 11 lm/WDuracin 1.000 horas 1.000 horasPerdidas de calor Conveccin y radiacin Radiacin

(Tab. 2.1) Caractersticas de lmparas no halgenas

a) Ambito de aplicacin

Las lmparas incandescentes tienen bajo rendimiento luminoso, pero son econmicas yexiste gran variedad de tipos, tamaos y formas, por lo tanto su empleo no es adecuado en;iluminacin general, sobre todo si se trata de superficies grandes, pero si en iluminacin localizadapara actividades que no requieran ambos tipos de iluminacin artificial.

Estas lmparas son adecuadas en todas las aplicaciones que requieran una buenareproduccin de colores como domicilios, restaurantes, estudios, teatros, etc.

b) Nuevos desar rollos

Entre las aportaciones mas recientes, destacamos las siguientes:

Lmpara de Neodimio

La lmpara contiene oxido de neodimio, que tiene la propiedad de absorber gran parte de laradiacin amarillo-naranja y fundamentalmente del rojo del espectro visible. Este tipo de lmparasacenta la reproduccin de los colores fros (azul, verde).

Se utiliza mayormente en carniceras, fruteras, floreras y joyeras.Hay tambin nuevas lmparas reflectoras que concentran ms el haz y nuevas formas de

ampollas y recubrimiento.

c) Perspectivas de futuro

Los perfeccionamientos ms espectaculares de la lmpara incandescente ya han tenidolugar, llegando a duplicar la eficacia luminosa a lo largo de su historia. No obstante, lainvestigacin continua con vistas a conseguir mejorarla, en las siguientes lneas de accin:

Aplicacin de materiales ms emisores que el tungsteno y de caractersticas defuncionamiento estables.

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Formas esfricas de la ampolla y filtros selectivos incorporados al vidrio quepermitan reflejar sobre el filamento la radiacin infrarroja, de modo que seprecise una potencia ms reducida para mantener el filamento a la temperaturade trabajo.

La sustitucin de la lmpara incandescente, en razn de su reducido costo, por otras fuentesde luz, no parece probable a medio plazo en el sector domestico, si bien esta sufriendo lacompetencia de lmparas halgenas, fluorescentes compactas o miniaturizadas. En el resto de lossectores esta siendo claramente desplazada por otras fuentes de luz ms eficaces, permaneciendoeconmicamente como iluminacin localizada o iluminacin complementaria de tipo decorativo.

2.4.2 Lmparas Halgenas de alta y baja tensin

En las lmparas incandescentes normales, con el paso del tiempo, se produce unadisminucin significativa del flujo luminoso. Esto se debe, en parte, al ennegrecimiento de laampolla por culpa de la evaporacin de partculas de tungsteno del filamento y su posteriorcondensacin sobre la ampolla.

Agregando una pequea cantidad de un compuesto gaseoso con halgenos (cloro, bromo oyodo), normalmente se usa el CH2Br2, al gas de relleno se consigue establecer un ciclo deregeneracin del halgeno que evita el ennegrecimiento. Cuando el tungsteno (W) se evapora seune al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla estnmuy calientes (ms de 260 C) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso. Cuando elbromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que est muy caliente, se descompone entungsteno que se deposita sobre el filamento y bromo que pasa al gas de relleno. Y as, el ciclovuelve a empezar.

(Fig. 2.8) Ciclo del Halgeno

El funcionamiento de este tipo de lmparas requiere de temperaturas muy altas para quepueda realizarse el ciclo del halgeno. Por eso, son ms pequeas y compactas que las lmparasnormales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo que impide manipularla con losdedos para evitar su deterioro. Su temperatura de funcionamiento alcanza los 3.000K.

Tienen una eficacia luminosa de 22 (lm/W) con una amplia gama de potencias de trabajo150 a 2.000 (W) segn el uso al que estn destinadas. Las lmparas halgenas se utilizannormalmente en alumbrado por proyeccin y cada vez ms en iluminacin domstica.

a) Elementos pr incipales de una lmpara de Halgeno

1. Gas de llenado

Las reducidas dimensiones de este tipo de lmparas permiten la utilizacin de gases inertesde mayor precio, bsicamente Kriptn y Xenn (tambin se emplea el Argn como en lasconvencionales).

En la doble envoltura se emplea Nitrgeno como gas de relleno entre las dos ampollas.

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2. Casquillo

Los ms frecuentes son:

Cermica (R) en la de cuarzo-yodo Edison (E) en la de doble envoltura Bayoneta (G) en las de baja tensin

b) Caracter sticas de funcionamiento

En cuanto al encendido son similares a las convencionales, una alimentacin continuada detensin reduce sensiblemente la vida de la lmpara al no verificarse correctamente el ciclo delhalgeno. Su duracin es de una vida media de 2.000 a 3.000 horas, temperatura de color de 3.000 a3.200 K y un ndice de rendimiento de color de 100.

2.5 APLICACIONES CON LMPARAS INCANDESCENTES

2.5.1 Lmparas Reflectoras

Las lmparas con reflector incorporado tienen un acabado de espejo, aplicado a una parte dela superficie interior de la ampolla. Este reflector, por ser interior, no sufre corrosin oensuciamiento alguno; por consiguiente, reduce gastos de mantenimiento luminoso durante toda lavida til de la lmpara. Hay dos grupos principales de lmparas reflectoras:

Las de vidrio prensado Las de vidrio soplado Las de luz indirecta

2.5.2 Vidr io Prensado

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Son fabricadas en vidrio duro, resistente al calor. La parte frontal acta como lente que,segn su acabado, emite haces de luz de diferente abertura:

Estrecho (spot) Ancho (flood) Muy ancho (wide-flood)

Cuando estas lmparas de vidrio prensado se instalan al aire libre resisten choques trmicosy pueden, de hecho, usarse sin proteccin contra la intemperie en la mayora de los casos.

2.5.3 Vidr io Soplado

Al igual que las de vidrio prensado, se las fabrican con haces spot, flood, y en colores. Enestos tipos la parte frontal es esmerilada y el ancho del haz depende de la posicin del filamentodentro de la lmpara reflectora. La intensidad luminosa de estas lmparas es menor que las devidrio prensado de la misma potencia. Por su tamao y peso ms reducidos, adems de que sefabrican en potencias inferiores, hacen de las lmparas de vidrio soplado una fuente ideal para ungran nmero de aplicaciones en interiores.

2.5.4 Lmparas de Luz Indirecta

Existe un tercer grupo de lmparas reflectoras, las denominadas de luz indirecta que secaracterizan por tener la capa reflectora interior en la parte frontal de la ampolla. Estas lmparas seusan con un reflector separado para obtener la distribucin luminosa deseada.

Lmparas para iluminacin por proyeccin (flooligth) y lmparas para proyeccin deimgenes. La caracterstica esencial de todas las lmparas que se usan para la iluminacin porproyeccin y proyectores de imgenes es el filamento concentrado, colocada con gran precisin enrelacin con el casquillo. Esto asegura la alineacin exacta del filamento con el eje del sistemaptico en que se va a utilizar.

Hay tambin lmparas halgenas para proyectores de imgenes. Las que tienen formaelipsoidal, con reflector incorporado, han sido diseadas para uso en proyectores de cine de pelculaestrecha y diapositivas.

Se fabrican tambin lmparas para estudios y teatros con un filamento muy concentrado,para lograr la mxima intensidad luminosa dentro del haz. Para fotografa fabricada con ampollaesmerilada que tiene una alta intensidad luminosa.

2.5.5 Lmparas Incandescentes Especiales

A continuacin se citan a titulo ilustrativo algunas de las lmparas incandescentesespeciales y sus aplicaciones ms notables:

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a) Lmpara Dicrica o de haz fr o

Son lmparas halgenas reflectoras que constan de un emisor halgeno de bajo voltaje,pticamente centrado en un reflector dicroico dotado de un recubrimiento especial, transmisor decalor y reflector de la luz. Esta combinacin de emisor y reflector consigue un haz de ata intensidad,con una distribucin

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