Luminotecnia

Prof. Luz Stella Moreno Martín

Tema IIFotometría

• Luminotecnia

Es la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su control y aplicación

Atenas-Grecia

Denver

Petersburg

Paris

Niagara

Las Vegas

Chicago

Londres

Moscú

Washington

Singapore

Vienna

Colonia

Venezuela

• Angulo Sólido

Es la zona del espacio limitada por unasuperficie cónica.

ω = SR2

Estereoradian sr

• Flujo Luminoso

Es la cantidad total de luz emitida o radiada, En un segundo, en todas las direcciones. Por consiguiente, el flujo luminoso de una fuente es la energía radiada que recibe el ojo medio humano según su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo.

1 watt-luz a 555nm = 683 lm

Φ = Flujo Luminoso (lm)

Lámpara de incandescencia de 60W 730 lm

Lámpara fluorescente de 65W, “Blanca” 5.100 lm

Lámpara halógena de 1000W 22.000 lm

Lámpara de vapor de mercurio 125W 5.600 lm

Lámpara de sodio de 1000W 120.000 lm

• Intensidad Luminosa

Es el flujo emitido en una dirección dada por unidad de ángulo sólido (esteroradián). Es la cantidad en la cual se describe la potencia de una fuente o superficie iluminada para emitir luz en una dirección determinada.

I = Intensidad Luminosa (cd) = Φω

• Iluminancia

Es la densidad de flujo luminoso en un punto de una superficie, en otras palabras, es el flujo luminoso recibido por una superficie

E = Iluminancia (lx) =ΦS

Mediodía en verano 100.000 Lux

Mediodía en invierno 20.000 Lux

Oficina bien iluminada 400 a 800 Lux

Calle bien iluminada 20 Lux

Luna llena con cielo claro 0,25 a 0,50 Luz

• Luminancia

Es la intensidad de la luz emitida en una dirección dada por área proyectada de una superficie luminosa o reflectante. O también, es la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada.

L = Luminancia (cd/m2) = = I _Sapar

I _S*cosα

• Superficie aparente

Se conoce por superficie aparente Saparente vista desde una dirección determinada a la proyección de una superficie S sobre un plano perpendicular a dicha dirección.

Saparente= S*cosα

• Rendimiento luminoso o eficiencia luminosa

El rendimiento luminoso expresa el rendimiento energético de una lámpara y mide la calidad de la fuente como un instrumento destinado a producir luz por la transformación de energía eléctrica en energía radiante visible.

ε = = Lumen/Watio = lm/WФ_P

Tipo de Lámpara Potencia (W)

Rendimiento Luminoso (lm/W)

Incandescente común 40W/220V 40 11

Fluorescente L 40W/220V 40 80

Mercurio de alta presión 400W 400 58

Halogenuros metálicos 400W 360 78

Sodio a alta presión 400W 400 120

Sodio a baja presión 180W 180 183

• Cantidad de Luz

Es denominada también energía luminosa, es la energía radiante producida por un manantial de luz, o el flujo luminoso que es capaz de dar un flash fotográfico o para comparar diferentes lámparas según la luz que emiten durante un cierto periodo de tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el lumen por segundo (lm·s).

Q = Cantidad de luz (lm*h) = Ф * t

• Coeficiente de utilización

Es la relación entre el flujo luminoso recibido por un cuerpo o superficie ΦS y el flujo emitido por la luminosa Φ.

η =Фs

Ф

• Reflectancia

Es la relación entre el flujo luminoso reflejado por una superficie Φr y el flujo recibido en la superficieΦS.

ρ =Фr

ФS

• Absortancia

Es la relación entre el flujo luminoso absorbido por una superficie Φa y el flujo recibido en la superficieΦS.

α =Фa

ФS

• Transmitancia

Es la relación entre el flujo luminoso transmitido por una superficie Φt y el flujo recibido en la superficieΦS.

τ =Фt

ФS

• Factor de uniformidad media

Es la relación entre la iluminación mínima y la media,medidas en la superficie iluminada por una instalaciónde alumbrado

Um =Emin

Emed

• Factor de uniformidad extrema

Es la relación entre la iluminación mínima y la máxima,medidas en la superficie iluminada por una instalaciónde alumbrado

Ue =Emin

Emax

• Factor de uniformidad longitudinal

Es la relación entre la luminancia mínima y la máximalongitudinal, medidas en la superficie iluminada por una instalación de alumbrado

Ul =Lmaxlongitudinal

Lminlongitudinal

• Factor de uniformidad global

Es la relación entre la luminancia mínima y la media,medidas en la superficie iluminada por una instalación de alumbrado

Uo=Lmin

Lmed

• Factor de mantenimiento

Es coeficiente que determina el grado de conservaciónde una instalación de alumbrado.

Fm= Fpl*Fdl*Ft*Fe*Fc

De donde:- Fpl: factor posición lámpara.- Fdl: factor depreciación lámpara.- Ft: factor temperatura.- Fe: factor equipo de encendido.- Fc: factor conservación de la instalación.

• Magnitudes y Fórmulas

Magnitud Fórmula Unidad

Flujo Luminoso Φ Lm

Intensidad Luminosa

I = Φ/ω Cd

Iluminancia(nivel deIluminación)

E = Φ/S lux

Luminancia L = I/(S*cosα) cd/m2

Eficacia luminoso

ε = Φ/W lm/W

Magnitud Fórmula Unidad

Reflectancia %

Absortancia %

Transmitancia %

Factor uniformidadMedia

%

Factor uniformidad extrema

%

ρ =Фr

ФS

α =Фa

ФS

τ =Фt

ФS

Um =Emin

Emed

Ue =Emin

Emax

Magnitud Fórmula Unidad

Factor uniformidad longitudinal

%

Factor uniformidad global

%

Factor de mantenimiento

%

Ul =Lminlongitudinal

Lmin

Lmed

Fm = Fpl*Fdl*Ft*Fe*Fc

Lmaxlongitudinal

Uo =

• Leyes Básicas en Luminotecnia

• Ley de la inversa de los cuadrados:

"La iluminación en un punto de un plano perpendicular a la línea que une el punto y la fuente, es igual a la intensidad luminosa de la fuente en la dirección del punto, dividida por el cuadrado de la distancia entre punto y fuente".

E =I_

r2

Demostración

I = E1*r12

I = E2*r22

E2*r22 = E1*r1

2 E1 = r22

E2 r12

• Ley del coseno del ángulo de incidencia:

La luminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcionalal coseno del ángulo de incidencia de los rayos luminosos en el puntoiluminado

Ep = *cos3αIh2

Ep = *cosαIr2

Demostración

• Iluminancia normal, horizontal y vertical:

Iluminancia normal:

Iluminancia horizontal:

Iluminancia vertical:

EH = *cos3αIh2

Ev = *senα*cos2αIh2

E N = Ir2

Demostración

• Relaciones de iluminancia:

a) Vertical/Horizontal

≥ 0,25EV

EH

b) Vectorial/esférica

EES

ES = Φ .4*π*r2

E = Φ .π*r2

c) Cilíndrica/horizontal

≤ 3EC

EH

0,3 ≤

d) Vertical/Semicilindrica

≤ 1,3Ev

Esemicil

0,8 ≤

0 modelado muy duroπ/2=1,57 modelado muy suave

ω

Φ

ω

Φ

• Ley de Lambert:

“Esta Ley considera que una superficie luminosaconsiderada como un punto, presenta un brilloconstante (luminancia constante), cualquiera seala dirección de observación”.

I1 = Imáx*cosα1 I2 = Imáx*cosα2

I = Imáx*cosα

L = Ids*cosα

L1 = = = I1

ds*cosα1

Imáx*cosα1 Imáx

ds*cosα1 ds

L2 = = = I2

ds*cosα2

Imáx*cosα2 Imáx

ds*cosα2 ds

L = Imáx

ds

• Representación gráfica de las magnitudes luminosas

• Sistema de coordenadas cartesianas:

y

x

• Sistema de coordenadas polares:

• Plano o corte longitudinal y transversal

• Plano o corte de Imax o principal

• Centro óptico de la luminaria

• Apertura del haz de luz

• Angulo de inclinación de la luminaria:

• Curvas polares:

Son gráficos que expresan el reparto de intensidades en un plano determinado. Estos gráficos son los más usados, en ellos se indican los repartos de intensidades en planos que pasan por el eje vertical de la luminaria; se representa en un solo plano si la distribución es simétrica rotacional.

Ireal = Φlámpara* Igráfico

1000

De haz extensivo De haz intensivo

Cuando hay simetría a uno o dos ejes, o no la hay, se acostumbran a representar las curvas de los planos del corte longitudinal y transversal de la luminaria.

Dependiendo de su dirección, puede ser:

Omnidireccionales

Bidireccionales

Unidireccionales

• Sólidos fotométricos:

Es el volumen formado mediante diversas curvas polares, correspondiente a distintos planos, la cual determina la distribución en el espacio de toda la luminaria.

• Matrix de intensidades:

También es posible encontrar estos datos en unastablas llamadas matriz de intensidades luminosas donde para cada pareja de valores de C y

obtenemos un valor de I normalizado para una lámpara de flujo de 1000 lm.

Matrix del tipo C-γ de una luminaria de alumbrado público

Matrix del tipo V-H de un reflector

• Curvas isolux:

Son un conjunto de curvas que unen puntos de una superficie con el mismo valor de iluminación. Son análogas a las curvas de nivel de los planos topográficos, pero en lugar de expresarse en metros indican lux.

K =Φ

1000*h2

EH =I(C,)

h2*cos3α

Demostración

• Diagramas Cartesianos:

También denominado diagrama rectangular. Se utiliza cuando se trata de expresar gráficamentelas características de los proyectores. Los planos utilizados son los mismos que se indican en el caso de las curvas polares.

• Diagramas isocandelas:

Es la representación gráfica del conjunto de valores de intensidades que se suministran en la matriz de intensidades, se efectúa mediante las curvas resultantes de la unión de los puntos de igualintensidad.

Diagrama isocandelas de alumbrado público

Diagrama isocandelas rectangular de un reflector

• Curvas del coeficiente de utilización:

El coeficiente de utilización es el cociente entre el flujo útil y el flujo emitido por la lámpara.El coeficiente de utilización es de gran ayuda, para el cálculo aproximado. Las curvas del coeficiente de utilización, son el porcentaje del flujo luminoso de la luminaria que incide en una determinada superficie. Se aplican a las luminarias de alumbrado público, y se obtienen a partir de las curvas isolux unitarias, integrando el flujo en zonas paralelas al eje longitudinal de la calzada.

Emed =η*Ф*fm

A*d

Equipos usados en luminotecnia

• Goniofotómetro

Es un equipo para realizar las medidas de las intensidades en cualquier dirección en el espacio. Proporciona información en dos coordenadas angulares.

Equipos para medición

• Goniofotómetro tipo A

• Goniofotómetro tipo B

• Goniofotómetro tipo C

• Luxómetro

Es un instrumento de medición que permite medir simpley rápidamente la iluminancia real y no subjetiva de un ambiente. La unidad de medida es lux (lx). Contiene una célula fotoeléctrica que capta la luz y la convierte en impulsos eléctricos

• Luminancimetro

Es un instrumento capaz de medir luminancias en cualquierambiente. La unidad de medida es cd/m2. La medida en este equipo no depende sólo del punto a medir, sino de la dirección, es por esto que el aparato se debe orientar en la dirección a la superficie que se desea medir.

• Espectroscopio

Es un instrumento que sirve para medir las propiedadesde la luz en una determinada porción del espectro electromagnético.

• Esfera de Ulbrich

Es un equipo que tiene la función de medir el flujo luminoso. Consiste en una esfera hueca pintada de blanco opaco con índice de reflexión del 80%, con un orificio para realizar lamedida del flujo luminoso.

http://www.yfu.com/images/YFU-Labo-01.jp

• Máquina Vibratoria

Es un equipo diseñado con la finalidad de determinar la resistencia de las luminarias sometidas a esta prueba. Es un equipo que tiene la función de crear vibración controlada con el propósito de simular las presiones y vibraciones debido a las cargas a la que será sometida la luminaria en el poste por la acción del viento y los movimientos del poste por tráfico pesado a su alrededor (puentes elevados).

Equipos para Pruebas

• Cámara de Polvo

Es una caja metálica hermética diseñada para realizar pruebas a la luminaria y determinar si esta es totalmente hermética o únicamente está protegida contra ingreso limitado de polvo, esta prueba generalmente se realiza a las luminarias de alumbrado público.

• Cámara de Lluvia

Este equipo permite determinar el grado de hermeticidadde las luminarias al agua, está compuesto por un sistema de regaderas que suministran agua a la luminaria a prueba a una presión adecuada.

• Péndulo de Impacto

Este equipo se utiliza para determinar el grado de protección que presenta la luminaria contra daños mecánicos o resistencia a los impactos.

Índice de Protección IPXXX

Número Primer Número: Grado de protección contra los elementos externos

Segundo Número: Grado de protección contra la entrada de

humedad

Tercer Número: Grado de resistencia

a los impactos

0 No protegido contra el contacto accidental y el

contacto con cuerpos externos

No protegido contra la humedad

____

1 Protegido contra objetos sólidos de diámetro superior a

50 mm

Las gotas de agua no deben tener efectos

perjudiciales

Energía máxima que soporta 0,225 Joule

2 Contra contacto de dedos con partes bajo tensión y contra

penetración de objetos sólidos de diámetro superior a 12 mm

Las gota de agua no deben tener efectos

perjudiciales

Energía máxima que soporta 0,375 Joule

3 Contra contacto con piezas bajo tensión a través de

herramienta, cables u objetos de grosor superior a 2,5mm y contra penetración de objetos sólidos de diámetro superior a

2,5 mm

El agua que cae en un ángulo de hasta 60º no

debe tener efectos perjudiciales

Energía máxima que soporta 0,5 Joule

4 Contra contacto con piezas bajo tensión a través de

herramientas, cables u objetos de grosos superior a 1 mm y

contra penetración de objetos sólidos de diámetro superior a 1

mm

Las salpicaduras de agua procedentes de cualquier dirección no deben tener

efectos perjudiciales

_____

5 Protección completa contra contacto con partes bajo tensión y contra acumulación perjudicial de polvo pero no hasta el punto de afectar el funcionamiento

El agua proyectada por una tobera desde

cualquier dirección no debe tener efectos

perjudiciales (diámetro de la tobera: 6,3 mm, presión

30 KPa)

Energía máxima que soporta 2 Joule

6 Protección completa contra contacto con partes bajo tensión

y contra penetración de polvo

El agua proyectada por una tobera desde

cualquier dirección no debe tener efectos

perjudiciales (diámetro de la tobera: 12,5 mm;

presión 100 KPa)

_____

7 _____ _____ Energía máxima que soporta 6 Joule

9 _____ _____ Energía máxima que soporta 20 Joule