Manual de Luminotecnia Indalux 2pp

Captulo 1.

LA LUZ

1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Caractersticas de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Espectro de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Naturaleza dual de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

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1.1. GeneralidadesEs sabido que existen diversos tipos de energa: mecnica, trmica, electrosttica y electromagntica. Si a un cuerpo en reposo se le suministra energa mecnica, ste tiende a ponerse en movimiento transformando la energa suministrada en energa cintica, energa que lleva consigo y que comunica a otros cuerpos si colisiona con ellos. El calor es una forma de energa que se propaga por conveccin, conduccin o radiacin. Cuando encendemos la luz, conectamos el filamento metlico de una lmpara incandescente a travs de una diferencia de potencial, lo cual hace fluir carga elctrica por el filamento de un modo parecido a como la diferencia de presin de una manguera de riego hace fluir el agua por su interior. El flujo de electrones constituye la corriente elctrica. Usualmente asociamos la corriente al movimiento de cargas en cables conductores, pero la corriente elctrica surge de cualquier flujo de carga. Cuando la corriente elctrica se propaga a travs de los conductores y llega a un receptor se transforma en ste en otro tipo de energa. Si el cuerpo o fuente emisora irradia energa, la propagacin se produce por radiacin en forma de ondas* que son las perturbaciones fsicas que se propagan a travs de un determinado medio o en el vaco. Las ondas mecnicas propagan este tipo de energa a travs de un medio material elstico. Son ondas longitudinales porque en ellas coincide la vibracin de las partculas con la direccin de la propagacin. Dos ejemplos son las vibraciones de un muelle y el sonido. En un muelle las vibraciones se propagan en una sola direccin y en el caso del sonido, se propagan tridimensionalmente. Las ondas electromagnticas propagan energa producida por oscilaciones de campos elctricos y magnticos y no necesitan un medio material de propagacin. Por ejemplo, la luz. Dentro de las diferentes formas de propagacin de las ondas se definen diversos regmenes. Desde el punto de vista de la luminotecnia, nos interesa el rgimen peridico, que se define como aquel que se repite a intervalos regulares de tiempo y que se expresa grficamente mediante varias formas de onda. Aqu, la forma de la onda representa oscilaciones como fenmenos en los que la magnitud fsica es funcin peridica de una variable independiente (el tiempo), cuyo valor medio es nulo. Es decir, se trata de funciones armnicas simples o fundamentales, como el seno o el coseno, de una sola variable, unidimensional y transversales (se propagan perpendicularmente a la direccin en que vibran las partculas). En definitiva, existe un conjunto muy amplio de fenmenos fsicos, elctricos y electromagnticos, entre los que se incluye la electricidad, la luz, el sonido, las ondas hertzianas o el oleaje del mar, cuyas caractersticas quedan determinadas mediante el estudio de las ondas sinusoidales. De ah que se utilice el concepto de radiacin de las ondas y las caractersticas que las definen.

La longitud de onda es una caracterstica importante para clasificar el espectro de radiaciones visibles, objeto de estudio en esta LUMINOTECNIA 2002. Este parmetro queda determinado mediante el producto de la velocidad de propagacin ( ), por el tiempo que tarda en realizar un ciclo (Periodo ): = (m/s s = m)

Frecuencia ( f )Se define como el nmero de periodos que tienen lugar en la unidad de tiempo. Como el periodo es inverso de la frecuencia,

= 1 , la ecuacin anterior se transforma en: f =(m/s 1/s-1 = m)

f

y por consiguiente, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de propagacin, e inversamente proporcional a la longitud de onda.

f=

(s-1 = ciclos/segundo = Hz)

La longitud de onda disminuye con el aumento de la frecuencia. La frecuencia es fija e independiente del medio por el que se propaga la onda, y por ello es una caracterstica importante para clasificar las ondas electromagnticas.

Velocidad de propagacin ( )La velocidad de propagacin depende del tipo de onda, de la elasticidad del medio y de su rigidez. Si el medio es homogneo e istropo, la velocidad de propagacin es la misma en todas las direcciones. Por ejemplo, la velocidad de propagacin del sonido en el aire, a 20 C, es de 3435 m/s, mientras que la velocidad de propagacin de las ondas electromagnticas en el vaco es de 300.000 km/s = 3 108 m/s. La ecuacin fundamental que relaciona la velocidad de propagacin con la longitud y frecuencia de la onda es = f (m s-1 = m/s)

1.2. Caractersticas de las ondasLongitud de Onda ( )Se define como la distancia recorrida por la onda en un periodo. En una onda transversal se puede definir como la distancia entre dos mximos consecutivos o entre otros dos puntos cualesquiera que se encuentren en la misma fase (Fig. 1).

1.3. Espectro de frecuenciasDado que las radiaciones electromagnticas son de la misma naturaleza y todas se propagan en el vaco a la misma velocidad ( = 3 108 m/s), las caractersticas que las diferencia es su longitud de onda, o lo que es lo mismo, su frecuencia ( = f). Entre las radiaciones electromagnticas debemos incluir los Rayos Gamma, Rayos X, Radiacin Ultravioleta, Luz, Rayos Infrarrojos, Microondas, Ondas de Radio y otras radiaciones. El ojo humano es sensible a la radiacin electromagntica con longitudes de onda comprendidas entre 380 y 780 nm. aproximadamente, margen que se denomina luz visible. Las longitudes de onda ms cortas del espectro visible corresponden a la luz violeta y la ms larga a la luz roja, y entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris (Fig. 2). Las ondas electromagnticas con longitudes de onda ligeramente inferiores a las de la luz visible se denominan rayos ultravioleta, y las que poseen longitudes de onda ligeramente superiores, se conocen como ondas infrarrojas. La radiacin trmica emitida por los cuerpos a temperaturas ordinarias est situada en la regin infrarroja del espectro electromagntico. No existen lmites en las longitudes de onda de la radiacin electromagntica; es decir, todas las longitudes de onda (o frecuencias) son tericamente posibles. Hay que tener en cuenta que los intervalos de longitud de onda (o de frecuencia) en los que se divide el espectro electromagntico

Figura 1. Longitud de onda .

* Onda: Expresin grfica de una variacin peridica representada en amplitud y tiempo. La amplitud es el valor u ordenada mxima que toma la onda.

no estn a veces bien definidos y frecuentemente se solapan. Por ejemplo, la ondas electromagnticas con longitudes de onda del orden de 0,1 nm. suelen denominarse Rayos X, pero si se originan a partir de la radiactividad nuclear, se llaman Rayos Gamma.

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100 % 80

Luz negra Rayos Ultravioleta 790x1012 Hz Violeta Distribucin espectral segn fabricantes de lmparas Ail Azul Verde - Azul Verde Verde - Amarillo Amarillo Naranja

Rojo

400x1012 Hz 384x1012 Hz 370x1012 Hz Infrarrojos

300 nm. 320 340 360 380 400 nm. 420 440 460 480 500 nm. 520 540 560 580 600 nm. 620 640 660 680 700 nm. 720 740 760 780 800 nm.

% 80

60

60

40

40

20

20

Distribucin espectral de la luz visible

380 nm. 400 nm.

600 nm.

380 nm. 400 nm.

600 nm.

500 nm.

500 nm.

700 nm.

780 nm.

700 nm.

Distribucin espectral de la luz del dia normal

Distribucin espectral de lmpara incandescente

Figura 3

Radiacin de una fuente con espectro discontinuoLa energa radiante de una fuente de descarga gaseosa, como la de vapor de sodio, vapor de mercurio, argn, nen, etc., consiste en una radiacin integrada por pequeos intervalos de longitud de onda que se denominan picos de emisin. Cada gas tiene una longitud de onda caracterstica de su radiacin, que depende de la estructura molecular del gas a travs del cual tiene lugar la descarga. Este tipo de descarga se denomina comnmente luminiscencia y se caracteriza porque son tipos de radiacin independientes de la temperatura. Las fuentes luminosas o lmparas de descarga ms usuales son los tubos fluorescentes, los de vapor de mercurio, los de vapor de sodio y los de induccin. Al igual que con la incandescencia, se obtiene la curva de distribucin espectral mediante el espectrorradimetro. La funcin espectrorradiomtrica que se obtiene se indica en la Fig. 4, indicando en abscisas las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energa respecto a la mxima radiada que se toma como el 100%. Tambin se suele dar en ordenadas la potencia especfica en mW/nm. de longitud de onda.100 100 % 80

Figura 2. Clasificacin del espectro visible. Los fabricantes de lmparas suelen dar las curvas radioespectromtricas con valores comprendidos entre 380 nm. y 780 nm. Como hemos visto, adems del metro, para expresar la longitud de onda se emplea tambin el nanmetro (nm.) y otras unidades como son el Angstrom ()y la micra ( m.). 1 m. = 10-60 m 1 nm. = 10 m-90

% 80

1 .

= 10-10 m

60

60

Radiacin de una fuente con espectro continuoTodo cuerpo, a cualquier temperatura que no sea el cero absoluto, irradia energa segn un amplio campo de longitud de onda. Esta radiacin se denomina incandescencia o radiacin de temperatura. Son fuentes de luz artificial incandescente: - La llama de una combustin, como la vela, candil, etc. - Un lingote o barra de acero caliente al rojo vivo. - El filamento de la lmpara de incandescencia, como fuente ms comn de producir luz artificial. El trmino incandescencia se aplica a los tipos de radiacin asociados con la temperatura. Para saber cmo est distribuida la potencia radiada entre las longitudes de onda, se utiliza el espectrorradimetro. La funcin espectrorradiomtrica o curva de distribucin espectral que se obtiene se indica en la Fig. 3, en la que en abscisas se sitan las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energa respecto a la mxima radiada que se toma como el 100%.

40

40

20

20

380 nm. 400 nm.

600 nm.

500 nm.

700 nm.

Distribucin espectral de una lmpara fluorescente de color blanco fro

Distribucin espectral de una lmpara de vapor de mercurio de color corregido

Figura 4

1.4. Naturaleza dual de la luzLa luz ha intrigando a la humanidad durante siglos. Las teoras ms antiguas consideraban a la luz como algo que era emitido por el ojo. Posteriormente se comprendi que la luz deba proceder de los objetos que se vean y que entraba en el ojo produciendo la sensacin de la visin. La cuestin de si la luz est compuesta por un haz de partculas o si es un cierto tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las ms interesantes en la historia de la ciencia. Entre los proponentes y defensores de la teora corpuscular de la luz el ms influyente fue sin duda Newton. Utilizando esta teora pudo explicar las leyes de la reflexin y de la refraccin. Sin embargo, su

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deduccin de la ley de la refraccin dependa de la hiptesis de que la luz se mueve con ms rapidez en el agua o en el vidrio que en el aire, hiptesis que posteriormente se demostr que era falsa. Los principales proponentes de la teora ondulatoria de la luz fueron Christian Huygens y Robert Hooke. Utilizando su propia teora de la propagacin de las ondas, Huygens fue capaz de explicar la reflexin y la refraccin suponiendo que la luz viaja ms lentamente en el vidrio o el agua que en el aire. Newton se dio cuenta de las ventajas de la teora ondulatoria de la luz, particularmente porque explicaba los colores formados por pelculas delgadas, que haba estudiado a fondo. No obstante, rechaz la teora ondulatoria debido a la aparente propagacin rectilnea de la luz. En su poca no se haba observado an la difraccin, desviacin del haz luminoso que permite rodear obstculos. La teora corpuscular de la luz de Newton fue aceptada durante ms de un siglo. Luego, en 1801, Thomas Young revitaliz la teora ondulatoria de la luz. Fue uno de los primeros en introducir la idea de interferencia como un fenmeno ondulatorio que se presentaba tanto en la luz como en el sonido. Sus observaciones de las interferencias obtenidas con la luz fueron una clara demostracin de su naturaleza ondulatoria. Sin embargo, el trabajo de Young no fue conocido por la comunidad cientfica durante ms de diez aos. Quizs el mayor avance en lo que se refiere a la aceptacin general de la teora ondulatoria de la luz, se debi al fsico francs Augustin Fresnel (1782-1827), que realiz extensos experimentos sobre interferencia y difraccin y desarroll la teora ondulatoria sobre una sana base matemtica. En 1850, Jean Foucault midi la velocidad de la luz en el agua y comprob que es menor que en el aire, acabando as con la teora corpuscular de la luz de Newton. En 1860, James Clerk Maxwell public su teora matemtica del electromagnetismo, que predeca la existencia de ondas electromagnticas que se propagaban con una velocidad calculada mediante las leyes de la electricidad y el magnetismo y que resultaba valer 3 x 108 m/s, el mismo valor que la velocidad de la luz. La teora de Maxwell fue confirmada en 1887 por Hertz, quien utiliz un circuito elctrico sintonizado para generar ondas y otro circuito semejante para detectarlas. En la segunda mitad del siglo XIX, Kirchoff y otros cientficos aplicaron las leyes de Maxwell para explicar la interferencia y difraccin de la luz y de otras ondas electromagnticas y apoyar los mtodos empricos de Huygens de construccin de ondas sobre una base matemtica firme. Aunque la teora ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagacin de la luz (y de otras ondas electromagnticas), falla a la hora de explicar otras propiedades de la luz, especialmente la interaccin de la luz con la materia. Hertz, en un famoso experimento de 1887 que confirm la teora ondulatoria de Maxwell, tambin descubri el efecto fotoelctrico. Este efecto slo puede explicarse mediante un modelo de partculas para la luz, como Einstein demostr slo unos pocos aos despus. As se volvi a introducir un modelo corpuscular de la luz. Las partculas de la luz se denominan fotones y la energa E de un fotn est relacionada con la frecuencia f de la onda luminosa asociada por la famosa relacin de Einstein E = h f (h = constante de Planck). No se logr una comprensin completa de la naturaleza dual de la luz hasta la dcada de los 20 en el siglo XX, cuando los experimentos realizados por los cientficos del momento (Davisson, Germer, Thompson y otros) demostraron que los electrones (y otras partculas) tambin tenan una naturaleza dual y que presentan las propiedades de interferencia y difraccin adems de sus bien conocidas propiedades de partculas. En definitiva, la teora moderna de la mecnica cuntica de la radiacin luminosa acepta el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza; por un lado, los fenmenos de propagacin de la luz encuentran mejor explicacin dentro de la teora electromagntica de Maxwell (naturaleza fundamental ondulatoria electromagntica), y, por otro, la accin mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorcin y emisin, es un fenmeno fotoelctrico (naturaleza corpuscular).

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2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8.

El ojo humano como rgano receptor de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Descripcin estructural del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Formacin de imgenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Curva de sensibilidad del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Acomodacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Adaptacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Deslumbramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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2.1. El ojo humano como rgano receptor de luzEl ojo es el rgano fisiolgico del sentido de la vista, mediante el cual se experimentan las sensaciones de luz y color. Para que se realice el proceso de la iluminacin, como accin y efecto de iluminar y ver, se requieren tres agentes: 1) La fuente productora de luz o radiacin luminosa. 2) Un objeto a iluminar que necesitamos que sea visible. 3) El ojo, que recibe la energa luminosa y la transforma en imgenes que son enviadas al cerebro para su interpretacin. El estudio y descripcin de los componentes del ojo, as como el proceso que se realiza desde que la luz le llega y pasa por las vas y centros visuales hasta que es interpretada por el cerebro, nos llevara al campo de la neurofisiologa. Aqu describiremos y expondremos algunos comportamientos y conceptos del sentido de la vista, cuyo conocimiento es indispensable y contribuye a un mejor diseo de las instalaciones de iluminacin.

g) Conos: Clulas fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran principalmente en la fvea. Son muy sensibles a los colores y casi insensibles a la luz. De ah que cumplan la funcin de discriminar los detalles finos y la de percibir los colores (Fig. 2). h) Bastones o bastoncillos: Clulas fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran slo fuera de la fvea y ms concentrados en la periferia. Son muy sensibles a la luz y al movimiento, y casi insensibles al color. De ah que la misin de los bastones sea la de percibir la mayor o menor claridad con que estn iluminados los objetos (Fig. 2). i) Mcula: Mancha amarilla situada en el polo posterior de la retina, sobre el eje ptico, donde se produce la fijacin ntida y precisa de detalles y colores. En su centro se encuentra la fvea, que slo est formada por conos. j) Punto ciego: Punto de la retina por donde el nervio ptico conduce las imgenes o sensaciones de luz al cerebro. En este punto no hay fotorreceptores.

Consecuencias prcticas de la funcin de conos y bastonesCuando miramos un espacio iluminado con poca luz, por ejemplo, en la penumbra por la noche, la agudeza visual es baja, porque no actan los conos y no se distinguen los colores ni los detalles, de ah el famoso refrn de que de noche todos los gatos son pardos. A esta visin nocturna se le llama escotpica y en ella intervienen esencialmente los bastones que captan con gran sensibilidad la mayor o menor cantidad de luz y el movimiento de los objetos. Ello justifica que en algunos alumbrados pblicos de avenidas, carreteras, y grandes superficies se efecte el alumbrado con lmparas de vapor de sodio que reproducen mal los colores, pero aportan gran cantidad de luz. Por el contrario, con luz diurna o cuando el nivel de iluminacin se eleva lo suficiente, los objetos se ven con precisin y detalle porque actan los bastones y principalmente los conos, con lo cual se pueden distinguir los colores. A la luz diurna se le llama visin fotpica. En este caso la cantidad de luz exige ir acompaada de calidad, pues slo la cantidad producira irritabilidad en los ojos y deslumbramientos muy molestos.Mancha amarilla Msculos oftlmicos Nervio ptico Msculos oftlmicosClula nerviosa Granos de pigmento Bastoncillo Clula pigmentaria

2.2. Descripcin estructural del ojoEn la Fig. 1 se representa un corte longitudinal esquemtico del ojo humano, en el que se puede apreciar su constitucin anatmica.

Humor vtreo Prpado superior Humor acuoso Eje visual Crnea Cristalino Iris Msculo ciliar Prpado inferiorPunto ciego Esclertica Retina Coroides

Globo ocular

Figura 1. Constitucin del ojo humano. El ojo est constituido principalmente por los siguientes elementos: a) Globo ocular: Cmara que tiene como funcin principal la formacin de la imagen en la retina. b) Crnea: Tiene la misin de recibir y transmitir las impresiones visuales y constituye el componente ptico refractor fundamental del ojo. c) Cristalino: Es una lente biconvexa, transparente e incolora situado tras el iris. Esta membrana elstica cambia su forma para enfocar los objetivos. d) Iris: Lmina circular situada frente al cristalino y muy pigmentada. Puede contraer la pupila controlando la cantidad de luz que pasa al cristalino. e) Pupila: Orificio circular situado en el centro del iris y a travs del cual pasan los rayos luminosos. La abertura de este orificio la controla el iris y su constriccin se llama miosis y la dilatacin midriasis. f) Retina: Es la pelcula interna posterior del ojo constituida por una membrana nerviosa, expansin del nervio ptico, que tiene la funcin de recibir y transmitir imgenes o impresiones visuales. Contiene una finsima capa de clulas fotosensibles, conos y bastones, que divergen del nervio ptico y que estn en la parte externa prximas a la capa pigmentada.

Ampliacin de la retina

Cono

Figura 2. Parte fotosensible del ojo. Actuacin de bastoncillos y conos.

2.3. Formacin de imgenesEl campo visual del hombre est limitado por un ngulo de unos 130 en sentido vertical y de unos 180 en sentido horizontal. De los objetos iluminados o con luz propia situados en el campo de visual parten rayos luminosos que atraviesan la crnea y el humor acuoso. El iris, mediante la abertura de la pupila, controla la cantidad de luz que se refracta a travs del cristalino para incidir finalmente en la retina, donde el pigmento fotosensible de los fotorreceptores la registran en imgenes invertidas y mucho ms pequeas de lo natural, al igual que ocurre en la cmara fotogrfica. Una vez recibidas y formadas las imgenes en la retina, a travs del nervio ptico, son enviados al cerebro, que se encarga de interpretarlas y rectificar su posicin (Fig. 3).

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Longitud de onda nm. 500 600

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60

40

NOCHE

DIA

20

0Figura 4. Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromticas. En ella se observa que para la luz blanca del da (fotpica), la mxima sensibilidad del ojo corresponde a la longitud de onda de 555 nm. y al color amarillo. La mnima sensibilidad corresponde a los colores rojo y violeta. De esta forma, las fuentes luminosas cuyas longitudes de onda corresponden al amarillo verde son las que tienen ms eficacia, aunque de peor calidad debido a que tal luz no es apropiada para nuestro ojo, acostumbrado a la luz blanca del Sol. De aqu que en Figura 3. Formacin de imagen y su rectificacin en el cerebro. En la tabla siguiente se hace un smil con la cmara fotogrfica. Ojo humano Cristalino (controla acomodacin) Pupila (controla adaptacin) Pigmento de los fotorreceptores Retina (crea las imgenes) Cmara fotogrfica Objetivo (ajusta distancia entre objetivo y pelcula) Diafragma - obturador (adapta exposicin y cantidad de luz) Emulsin de la pelcula Pelcula (crea las imgenes) Tabla 1 locales con alto nivel de iluminacin se realcen los colores naranja y rojo. En el caso de la luz nocturna (escotpica), el mximo de sensibilidad se desplaza hacia longitudes de onda menores (efecto Purkinje) y, por consiguiente, las radiaciones de menor longitud de onda (azul violeta) producen mayor intensidad de sensacin con baja iluminacin. Este efecto es de gran importancia cuando se proyectan locales con bajo nivel de iluminacin en los que se ven mejor los colores azul y violeta.

2.5. AcomodacinEs la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automticamente a las diferentes distancias de los objetos, y obtener de esta forma imgenes ntidas en la retina. Este ajuste se efecta variando la curvatura del cristalino y con ello la distancia focal por la contraccin o distensin de los msculos ciliares. Si el objetivo se encuentra prximo al ojo, la curvatura del cristalino se hace mayor que cuando est lejos. En la mquina fotogrfica el ajuste se hace variando la distancia entre el objetivo y la pelcula sensible.

2.4. Curva de sensibilidad del ojoLas radiaciones de longitud de onda comprendidas entre 380 nm. (ultravioleta) y 780 nm. (infrarrojos) son transformadas por el ojo en luz. Fuera de esta gama el ojo no ve, es ciego y no percibe nada. Todas las fuentes luminosas tienen su propia radiacin o mezcla de ellas comprendida dentro de dichos lmites. La luz blanca del medio da soleado es suma de todas las longitudes de onda del espectro visible. Si las hacemos llegar al ojo independientemente y con la misma energa, se obtiene una curva como la de la Fig. 4, que ha sido elaborada por la C.I.E.* realizando medidas en gran nmero de personas.

La acomodacin o enfoque es ms fcil con altas luminancias* (iluminaciones) que obligan a una adaptacin de la pupila o modificacin del diafragma en sentido de cierre. El resultado comn de esta accin es el aumento de la profundidad del campo, o lo que es lo mismo, visin ntida de objetos a diferente distancia del ojo o la cmara. La capacidad de acomodacin del ojo disminuye con la edad a consecuencia del endurecimiento del cristalino.

2.6. ContrasteTodos los objetos son percibidos por los contrastes de color y de luminancia que presentan las distintas partes de su superficie entre s y en relacin al fondo en que aparece el objeto.

* C.I.E.: Comisin Internacional de Iluminacin (Commission Internationale de lEclairage).

* Luminancia: Efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria de luz como si procede de una superficie que refleja.

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Para niveles de iluminacin suficientemente elevados, el ojo normal es sensible a los colores, mientras que para bajos niveles de iluminacin los objetos son percibidos fundamentalmente por el contraste de luminancias que presentan con relacin al fondo. La diferencia de luminancia entre objeto que se observa y su espacio inmediato, es lo que se conoce por contraste.

Color del objeto Negro Verde Rojo Azul Blanco Negro

Color del fondo Amarillo Blanco Blanco Blanco Azul Blanco Negro Rojo Verde Negro Tabla 2. Contrastes de colores.

Lo Lf

Amarillo Blanco Blanco Blanco

Figura 5 En la Fig. 5 la superficie del objeto tiene una luminacia L0 y la superficie de fondo una luminancia Lf, por tanto se llama contraste K a la diferencia de estas dos luminancias, divididas por la de fondo, es decir: L0 Lf Lf

Sensibilidad al contrasteSe trata de un concepto derivado del anterior que equivale al mnimo contraste de luminancias que puede ser percibido por el ojo humano. Matemticamente sera el inverso del contraste. G= Lf L0 Lf = 1 K

K= K es, por tanto, un valor relativo entre luminancias.

Por consiguiente, la mayor sensibilidad a los contrates que pueden lograrse es aproximadamente: G= 1 0.01 = 100

Como hemos comentado, la visibilidad de un objeto situado sobre un fondo, depende de la diferencia de luminancias entre el objeto y el fondo. Un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste ser positivo (valores entre 0 e infinito), en cambio un objeto ms oscuro que su fondo se ver en silueta y su contraste ser negativo, variando entre 0 y (-1). El contraste K puede ser positivo o negativo: Si L0 > Lf Si L0 < Lf K > 0 contraste positivo (objeto ms claro que el fondo). K < 0 contraste negativo (objeto ms oscuro que el fondo). 0 IRC * 60 60 > IRC * 40 40 > IRC * 20

Intermedio Fro

Trabajo industrial Industrias bastas

Oficinas, escuelas Trabajo industrial Trabajos bastos, trabajo industrial con bajo requerimiento de rendimiento de color

Tabla 3. Grupos de rendimiento de color de las lmparas.

4.5. Efectos ps quicos de los colores y su armon aEst comprobado que el color del medio ambiente produce en el observador reacciones psquicas o emocionales. Por ello, el emplear los colores de forma adecuada es un tema del mayor inters para los psiclogos, arquitectos, luminotcnicos y decoradores. No se pueden establecer reglas fijas para la eleccin del color apropiado con el fin de conseguir un efecto determinado, pues cada caso requiere ser tratado de una forma particular. Sin embargo, existe una serie de experiencias en las que se ha comprobado las sensaciones que producen en el individuo determinados colores. Una de las primeras sensaciones es la de calor o fro, de aqu que se hable de colores clidos y colores fros. Los colores clidos son los que en el espectro visible van desde el rojo al amarillo verdoso, y los fros desde el verde al azul. Un color ser ms clido o ms fro segn sea su tendencia hacia el rojo o hacia el azul, respectivamente. Los colores clidos son dinmicos, excitantes y producen una sensacin de proximidad, mientras que los colores fros calman y descansan, produciendo una sensacin de lejana. Asimismo, la claridad del color tambin tiene sus efectos psicolgicos. Los colores claros animan y dan sensacin de ligereza, mientras que los colores oscuros deprimen y producen sensacin de pesadez. Cuando se combinan dos o ms colores y producen un efecto agradable, se dice que armonizan. La armona de colores se produce, pues, mediante la eleccin de una combinacin de colores que es agradable y hasta placentera para el observador en una situacin determinada. De todo lo anterior, se deduce que el conocimiento de la curva de distribucin espectral de las fuentes de luz es imprescindible para conseguir el efecto cromtico deseado.

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Captulo 5.

MAGNITUDES LUMINOSAS

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8.

Flujo luminoso (Potencia luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Cantidad de luz (Energa luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Intensidad luminosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Iluminancia (Nivel de iluminacin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Luminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Otras magnitudes luminosas de inters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Representacin grfica de magnitudes luminosas . . . . . . . . . . . . . . . 52 Cuadro resumen de las magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Captulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS


En la tcnica de la iluminacin intervienen dos elementos bsicos: la fuente productora de luz y el objeto que se va a iluminar. En este captulo vamos a ver las magnitudes y unidades de medida fundamentales, empleadas para valorar y comparar las cualidades y los efectos de las fuentes de luz.

5.2. Cantidad de luz (Energ a luminosa)De forma anloga a la energa elctrica que se determina por la potencia elctrica en la unidad de tiempo, la cantidad de luz o energa luminosa se determina por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo. La cantidad de luz se representa por la letra Q, y su unidad es el lumen por hora (lm h).

5.1. Flujo luminoso (Potencia luminosa)La energa transformada por los manantiales luminosos no se puede aprovechar totalmente para la produccin de luz. Por ejemplo, una lmpara incandescente consume una determinada energa elctrica que transforma en energa radiante, de la cual slo una pequea parte (alrededor del 10%) es percibida por el ojo humano en forma de luz, mientras que el resto se pierde en calor. El flujo luminoso que produce una fuente de luz es la cantidad total de luz emitida o radiada, en un segundo, en todas las direcciones. De una forma ms precisa, se llama flujo luminoso de una fuente a la energa radiada que recibe el ojo medio humano seg n su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo. El flujo luminoso se representa por la letra griega F y su unidad es el lumen (lm). El lumen es el flujo luminoso de la radiacin monocromtica que se caracteriza por una frecuencia de valor 540 1012 Hz. y por un flujo de energa radiante de 1/683 W. Un watio de energa radiante de longitud de onda de 555 nm. en el aire equivale a 683 lm aproximadamente.

La frmula que expresa la cantidad de luz es: Q = F t (lm h)

5.3. Intensidad luminosaEsta magnitud se entiende nicamente referida a una determinada direccin y contenida en un ngulo slido w. Al igual que a una magnitud de superficie corresponde un ngulo plano que se mide en radianes, a una magnitud de volumen le corresponde un ngulo slido o estreo que se mide en estereorradianes. El radin se define como el ngulo plano que corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio (Fig. 2).

Medida del flujo luminosoLa medida del flujo luminoso se realiza en el laboratorio por medio de un fotoelemento ajustado segn la curva de sensibilidad fotpica del ojo a las radiaciones monocromticas, incorporado a una esfera hueca a la que se le da el nombre de Esfera de Ulbricht (Fig. 1), y en cuyo interior se coloca la fuente a medir. Los fabricantes dan el flujo de las lmparas en lmenes para la potencia nominal.

=1 = 1 radin r=1

(total) = 2 radianesFigura 2. ngulo plano. El estereorradin se define como el ngulo slido que corresponde a un casquete esfrico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera (Fig. 3).

1cdFigura 1. Esfera de Ulbricht.

r = 1m.

Rendimiento luminoso (Eficacia luminosa)El rendimiento luminoso de una fuente de luz, indica el flujo que emite la misma por cada unidad de potencia elctrica consumida para su obtencin. Se representa por la letra griega e, siendo su unidad el lumen/watio (lm/W). La frmula que expresa la eficacia luminosa es: = (lm/W)

= 1 Lm E = 1 Lux S = 1 m2

1cd (total) = 4 estereorradianesFigura 3. ngulo slido. La intensidad luminosa de una fuente de luz es igual al flujo emitido en una direccin por unidad de ngulo slido en esa direccin. Su smbolo es , su unidad es la candela (cd), y la frmula que la expresa: = (lm/sr)

Si se lograse fabricar una lmpara que transformara sin prdidas toda la potencia elctrica consumida en luz a una longitud de onda de 555 nm., esta lmpara tendra el mayor rendimiento posible, cuyo valor sera 683 lm/W.

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La candela se define como la intensidad luminosa de una fuente puntual que emite un flujo luminoso de un lumen en un ngulo slido de un estereorradi n (sr). Segn el S.I.*, tambin se define candela como la intensidad luminosa, en una direccin dada, de una fuente que emite una radiacin monocromtica de frecuencia 540 1012 Hz y cuya intensidad energtica en dicha direccin es 1/683 watios por estereorradin.

Superficie vista o aparente

Superficie aparente = Superficie real x cos

5.4. Iluminancia (Nivel de iluminacin)

La iluminancia o nivel de iluminacin de una superficie es la relacin entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su rea. Se simboliza por la letra E, y su unidad es el lux (lx). La frmula que expresa la iluminancia es: = S (lx = lm/m2) El rea proyectada es la vista por el observador en la direccin de observacin. Se calcula multiplicando la superficie real iluminada por el coseno del ngulo que forma su normal con la direccin de la intensidad luminosa (Fig. 5). Se representa por la letra L, siendo su unidad la candela/metro cuadrado llamada nit (nt), con un submltiplo, la candela/centmetro cuadrado o stilb, empleada para fuentes con elevadas luminancias. 1nt = 1cd 1m2 ; 1stilb = 1cd 1cm2Superficie real

Figura 5. Luminancia de una superficie.

Se deduce de la frmula que cuanto mayor sea el flujo luminoso incidente sobre una superficie, mayor ser su iluminancia, y que, para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia ser tanto mayor en la medida en que disminuya la superficie. Segn el S.I., el lux se define como la iluminancia de una superficie que recibe un flujo luminoso de un lumen, repartido sobre un metro cuadrado de superficie.

Medida del nivel de iluminacinLa medida del nivel de iluminacin se realiza por medio de un aparato especial denominado luxmetro, que consiste en una clula fotolectrica que, al incidir la luz sobre su superficie, genera una dbil corriente elctrica que aumenta en funcin de la luz incidente. Dicha corriente se mide con un miliampermetro, de forma analgica o digital, calibrado directamente en lux (Fig. 4).

La frmula que la expresa es la siguiente: L= donde: S cos = Superficie aparente. La luminancia es independiente de la distancia de observacin. S cos

Medida de la luminanciaA B

La medida de la luminancia se realiza por medio de un aparato especial llamado luminancmetro o nitmetro. Se basa en dos sistemas pticos, uno de direccin y otro de medicin (Fig. 6). El de direccin se orienta de forma que la imagen coincida con el punto a medir, la luz que llega una vez orientado se ve convertida en corriente elctrica y recogida en lectura analgica o digital, siendo los valores medidos en cd/m2.

1 2 3

Figura 4. Luxmetro.

5.5. LuminanciaSe llama Luminancia al efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria que produce luz, como si procede de una fuente secundaria o superficie que refleja luz. La luminancia mide brillo de las fuentes luminosas primarias y de las fuentes que constituyen los objetos iluminados. Este trmino ha sustituido a los conceptos de brillo y densidad de iluminacin, aunque como concepto nos interesa recordar que el ojo no ve colores sino brillo, como atributo del color. La percepcin de la luz es realmente la percepcin de diferencias de luminancias. Se puede decir, por lo tanto, que el ojo ve diferencias de luminancias y no de iluminacin (a igual iluminacin, diferentes objetos tienen luminancia distinta porque tienen distinto poder de reflexin). La luminancia de una superficie iluminada es el cociente entre la intensidad luminosa de una fuente de luz, en una direccin, y la superficie de la fuente proyectada seg n dicha direccin. Figura 6. Luminancmetro.* S.I. c Sistema Internacional.1 2 3 1 2 3 1 2 3

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5.6. Otras magnitudes luminosas de inter s5.6.1. Coeficiente de utilizacinRelacin entre el flujo luminoso recibido por un cuerpo y el flujo emitido por una fuente luminosa. Unidad Smbolo Relacin c c c % = e

5.6.9. Factor de mantenimientoCoeficiente que indica el grado de conservacin de una instalacin. Unidad Smbolo Relacin c c c % Fm Fm = Fpl Fdl Ft Fe Fc

Fpl = factor posicin lmpara Fdl = factor depreciacin lmpara Ft = factor temperatura Fe = factor equipo de encendido Fc = factor conservacin de la instalacin

5.6.2. ReflectanciaRelacin entre el flujo reflejado por un cuerpo (con o sin difusin) y el flujo recibido. Unidad Smbolo Relacin c c c % = r

5.7. Representacin grfica de magnitudes luminosasEl conjunto de la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones constituye lo que se conoce como distribucin luminosa. Las fuentes de luz utilizadas en la prctica tienen una superficie luminosa ms o menos grande, cuya intensidad de radiacin se ve afectada por la propia construccin de la fuente, presentando valores diversos en las distintas direcciones. Con aparatos especiales (como el Goniofotmetro) se puede determinar la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones del espacio con relacin a un eje vertical. Si representamos por medio de vectores (I) la intensidad luminosa de una fuente de luz en las infinitas direcciones del espacio, engendramos un volumen que representa el valor del flujo total emitido por la fuente, el cual viene definido por la expresin: = d

5.6.3. AbsortanciaRelacin entre el flujo luminoso absorbido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad Smbolo Relacin c c c % = a

5.6.4. TransmitanciaRelacin entre el flujo luminoso transmitido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad Smbolo Relacin c c c % = t

!r

r

El slido que obtenemos recibe el nombre de slido fotomtrico. En la Fig. 7 se puede apreciar el slido fotom trico de una lmpara incandescente.

180

5.6.5. Factor de uniformidad mediaRelacin entre la iluminacin mnima y la media, de una instalacin de alumbrado. Unidad Smbolo Relacin c c c % Um Um = min med

160

140

120

5.6.6. Factor de uniformidad extremaRelacin entre la iluminacin mnima y mxima, de una instalacin de alumbrado. Unidad Smbolo Relacin c c c % Ue Ue = min max

100

80

5.6.7. Factor de uniformidad longitudinalRelacin entre la luminacia mnima y mxima longitudinal, de una instalacin de alumbrado. Unidad Smbolo Relacin c c c % UL UL = Lmin longitudinal Lmax longitudinal

0

60 20 40

Figura 7. Slido fotomtrico de una lmpara incandescente. Si hacemos pasar un plano por el eje de simetra de la fuente luminosa, por ejemplo, un plano meridional, obtenemos una seccin limitada por una curva que se denomina curva fotom trica o curva de distribucin luminosa (Fig. 8).

5.6.8. Factor de uniformidad generalRelacin entre la luminancia mnima y media, de una instalacin de alumbrado. Unidad Smbolo Relacin c c c % U0 U0 = Lmin Lmed

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180 80 60 40 cd 20 40 60 80 100 120 140 0

150 120

El de la Fig.10 es simtrico, y tiene idnticas curvas para cualquiera de los planos meridionales, por lo que una sola curva es suficiente para su identificacin fotomtrica. El ejemplo de la Fig. 11 es asimtrico y cada plano tiene una curva diferente, por lo que es necesario conocer todos los planos.

900 675 450 225

90

60o

60

30oC=90

0oC=45 C=0

30o

Unidad = cd/1000 lm

Figura 10. Curva de distribucin fotomtrica simtrica.

30320 240 80 0

Figura 8. Curva fotomtrica de una lmpara incandescente. Mediante la curva fotomtrica de una fuente de luz se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier direccin, dato necesario para algunos clculos de iluminacin. Las direcciones del espacio por las cuales se radia una intensidad luminosa las podemos determinar por dos coordenadas. Uno de los sistemas de coordenadas ms usado para la obtencin de curvas fotomtricas es el C - que podemos ver en la Fig. 9.eje de rotacin planos "C"

70o

50o

30oC 0 =9

10o 0oC=45 C=0

C=

18 0

Unidad = cd/1000 lmC=90

Figura 11. Curva de distribucin fotomtrica asimtrica. = 180

C=

270

Otro mtodo de representar la distribucin del flujo luminoso es el diagrama de curvas isocandelas (Fig. 12) el cual consiste en imaginar la luminaria en el centro de una esfera en cuya superficie exterior se unen por una lnea los puntos de igual intensidad (curvas = 90

e je

de

C=

inc

0

li n

aci

n = 0

isocandelas). Generalmente las luminarias tienen como mnimo un plano de simetra, por lo que se desarrolla solamente una semiesfera.

La do La cal do ace zada ra

Figura 9. Sistema de coordenadas C - . Las curvas fotomtricas se dan referidas a un flujo luminoso emitido de 1.000 lm. y, como el caso ms general es que la fuente de luz emita un flujo superior, los valores de la intensidad luminosa correspondientes se hallan mediante una regla de tres simple. Cuando alojamos una lmpara en un reflector, se distorsiona su flujo proporcionando un volumen cuya forma es distinta, ya que depende de las caractersticas propias del reflector. Por consiguiente, las curvas de distribucin segn los distintos planos son diferentes. En las dos siguientes figuras podemos ver dos ejemplos en los que se han representado las curvas de distribucin de dos reflectores.

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-90

280 290 300 310 320 330 340 350 C=0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

OBSERVADORES: A, B Y C A B C h 6h 5h 4h1

3h5

2h

h20 30 40 50 60

0

h

2h

3h5

-80

1 5 10 80 60 40

80

LADO ACERA

-7020

90

70

0

80

70 50

-60 -50

30

60 50

h10 5

60

-40 -30 -20 -10 GM=0 10 20 30

2h

40

3hImax=100%

LADO CALZADA Calzada R2 Qo = 0.07

1

Lmax=100% fl=0.152

Figura 12. Curvas isocandelas. Esta forma de representacin es mucho ms completa, pero tiene el inconveniente de que se necesita una mayor experiencia para su interpretacin. El flujo emitido por una fuente luminosa proporciona una iluminacin (iluminancia) en una superficie, cuyos valores se miden en lux. Si proyectamos estos valores sobre un mismo plano y unimos por medio de una lnea los de igual valor, entonces daremos lugar a las curvas isolux (Fig. 13).

Figura 14. Curvas isoluminancias.

5.8. Cuadro resumen de las magnitudesMagnitud Flujo Luminoso Eficacia Luminosa Smbolo F Q L Um Ue UL U0 Fm Unidad Lumen (lm) Lumen por watio (lm/W) Lumen hora (lm h) Candela (cd) (cd = lm/sr) Lux (lx) (lx = lm/m2) Nit = cd/ m2

Relaciones F=I q = S S cos e r a t min med min max

h

LADO ACERA30 40 20 80 70 60 50 5

Cantidad de luz Intensidad luminosa Iluminancia Luminancia

Q=F t = = L=

0

10

h5

Stilb = cd/cm2 % % % % % % % % %

2h1

Coeficiente iluminacin

= = = = Um = Ue = UL =

3h 6h

LADO CALZADA

1

Reflectancia

5h

4h

3h

2h

h

0

h

2h

3h

Lmax=100% fl=0.154Figura 13. Curvas isolux.

Absortancia Transmitancia Factor unifomidad media

Por ltimo tenemos las luminacias, que dependen del flujo luminoso reflejado por una superficie en la direccin del observador. Los valores se miden en candelas por metro cuadrado (cd/m2) y su representacin nos viene dada por las curvas isoluminancias (Fig. 14). Factor unifomidad extrema Factor de uniformidad longitudinal Factor de uniformidad general Factor mantenimiento

Lmin longitudinal Lmax longitudinal Lmin Lmed

U0 =

Fm = Fpl Fdl Ft Fe Fc

Tabla 1. Resumen de las magnitudes luminosas.

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Captulo 6.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.

Ley de la inversa del cuadrado de la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Ley del coseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Iluminacin normal, horizontal, vertical y en planos inclinados . . . . . . 61 Relaciones de iluminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Ley de Lambert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

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Captulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES


6.1. Ley de la inversa del cuadrado de la distanciaLa iluminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcional al coseno del ngulo de incidencia de los rayos luminosos Desde los experimentos primitivos se ha comprobado que las iluminancias producidas por las fuentes de luz disminuyen inversamente con el cuadrado de la distancia desde el plano a iluminar a la fuente. Se expresa por la frmula siguiente: = d2 (lx) en el punto iluminado. En la Fig. 2 se representan dos fuentes de luz F y F con igual intensidad luminosa (I) y a la misma distancia (d) del punto P. A la fuente F con un ngulo de incidencia a igual a cero, corresponde un cos0 = 1, y produce una iluminacin en el punto P de valor:

donde es el nivel de iluminacin en lux (lx), es la intensidad de la fuente en candelas (cd), y d es la distancia de la fuente de luz al plano receptor perpendicular. De esta forma podemos establecer la relacin de iluminancias 1 y 2 que hay entre dos planos separados una distancia d y D de la fuente de luz respectivamente: 1 d2 = 2 D2 1 D2 = 2 = d2

h

F'

d

60 F d

P

S2Figura 2. Iluminancia en un punto desde dos fuentes de luz con diferente ngulo de incidencia. d2 d2 d2

S1

p =

cos 0 =

1 c p =

(lx)

E2 F E1

De la misma forma el F con un ngulo = 60, al que corresponde el cos60 = 05, producir en el mismo punto una iluminacin de valor: p = d2 cos 60 = d2 0 5 c p = 1 2 d2 (lx)

Por lo tanto, p = 05 p, es decir, para obtener la misma iluminacin en el punto P, la intensidad luminosa de la fuente F debe ser

d D

el doble de la que tiene la fuente F. En la prctica, generalmente no se conoce la distancia d del foco al punto considerado, sino su altura h a la horizontal del punto. Empleando una sencilla relacin trigonomtrica y sustituyendo sta en la ecuacin inicial, obtenemos una nueva relacin en la cual interviene la altura h:

Figura 1. Distribucin del flujo luminoso sobre distintas superficies. Esta ley se cumple cuando se trata de una fuente puntual de superficies perpendiculares a la direccin del flujo luminoso. Sin embargo, se puede suponer que la ley es lo suficientemente exacta cuando la distancia a la que se toma la medicin es, por lo menos, cinco veces la mxima dimensin de la luminaria (la distancia es grande con relacin al tamao de la zona fuente de luz). p = d2

cos =

h d

cd=

h cos

cos =

( )h cos p =

2

cos =

h2

cos2 cos

6.2. Ley del cosenoEn el caso anterior la superficie estaba situada perpendicularmente a la direccin de los rayos luminosos, pero cuando forma con sta un determinado ngulo a, la frmula de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia hay que multiplicarla por el coseno del ngulo correspondiente cuya expresin constituye la llamada ley del coseno, que se expresa como: = d2 cos (lx) h2 cos3 (lx)

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6.3. Iluminacin normal, horizontal, vertical y en planos inclinadosEn la Fig. 3 la fuente F ilumina tres planos situados en posiciones normal, horizontal y vertical respecto al mismo. Cada uno de ellos tendr una iluminancia llamada: EN = Iluminancia normal. EH = Iluminancia horizontal. EV = Iluminancia vertical.

Iluminacin verticalEn este caso tambin aplicamos directamente la ley del coseno, y obtenemos que: V = N cos + + 90 = 180 Aplicando relaciones trigonomtricas: cos = cos(90 - ) = cos90 cos + sen90 sen Por lo tanto, cos = sen. Sustituimos este valor en la expresin y obtenemos que: (lx) c = 90 - Entre los ngulos y existe una relacin sencilla, ya que ambos pertenecen a un tringulo rectngulo.

F Id

M2Iluminacin vertical

V = N sen V = d2 sen

(lx) (lx)

h

Podemos expresar la ecuacin en funcin de la altura h que existe entre la fuente F y el punto M.n ci in a l m rm a Ilu n o

V =

h2

cos2 sen

(lx)

M1a

Iluminacin en planos inclinadosEl plano vertical puede cambiar a travs de un ngulo como el que aparece en la Fig. 4. Dicho ngulo es el que forma el plano vertical que contiene al punto P con el plano de incidencia de la luz.

Iluminacin horizontal

Mh

I

Figura 3. Iluminancia normal, horizontal y vertical.

P

Vamos a determinar la iluminancia normal, horizontal y vertical para el punto M de la Fig. 3.

Iluminacin normalAplicamos la ley de la inversa del cuadrado de la distancia: N = d2 Figura 4. Iluminancia en el punto P. (lx) Teniendo esto en cuenta, la expresin anterior se transforma en: PI = h2 cos2 sen cos (lx)

donde I es la intensidad luminosa bajo el ngulo a. Prcticamente, slo se considera la iluminancia normal de un punto en el caso que ste se encuentre situado en la vertical de la fuente sobre el plano horizontal (punto M1), por lo que la frmula anterior se convierte en: N = h2 (lx)

h es la altura vertical de la fuente de luz sobre el plano horizontal que contiene al punto P.

y tambin cuando est situado en lnea recta con la fuente sobre el plano vertical (punto M2), siendo la iluminancia: N = a2 (lx)

6.4. Relaciones de iluminanciaSe han propuesto diferentes conceptos para describir la luz que proviene de otras direcciones que la vertical, entre los que se incluyen los que vamos a ver a continuacin. stos se deben considerar como parmetros de confort junto con otros como el nivel de iluminacin (iluminancia).

Iluminacin horizontalSi aplicamos directamente la ley del coseno, tenemos que: H = N cos = d2

Vertical / Horizontalcos (lx) La experiencia obtenida de las instalaciones de alto nivel de iluminacin con un buen control del deslumbramiento, indica que la relacin entre la iluminancia vertical (EV) y la iluminancia horizontal (EH) para un buen modelado* no debe ser inferior a 025 en las principales direcciones de la visin. V H 0 25

Esta expresin la podemos expresar en relacin con la altura h que existe entre la fuente F y el punto M (d = h / cos): H = h2 cos3 (lx)

* Modelado: Habilidad de la luz para revelar la textura y forma tridimensional de un objeto creando juegos de luces y sombras.

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Vectorial / Esf ricaLos efectos de la iluminacin direccional se pueden describir en parte por la iluminancia vectorial y la relacin entre la iluminancia vectorial y la esfrica. El vector iluminancia en un punto tiene una magnitud igual a la diferencia mxima en iluminancia sobre elementos de superficie diametralmente opuestos en un pequeo disco (Fig. 5) ubicados en un punto, siendo su direccin del elemento de mayor iluminancia hacia el de menor iluminancia.

j la luz proviene de una sola direccin (por ejemplo la luz del Sol), = (es decir, sombras oscuras). Bajo estas condiciones, el ndice j de modelado es / = / s = 4. Por lo tanto, el ndice de modelado puede tener valores entre 0 y 4. j El vector debe tener una direccin descendente (preferentemente entre 45 y 75 a la vertical) para obtener una apariencia natural de las facciones humanas.

Cil ndrica / Horizontal

Ef

Un concepto alternativo para describir el efecto de modelado es la relacin entre iluminancia cilndrica y la iluminancia horizontal en un punto. La iluminancia cilndrica media C en un punto es la iluminancia media sobre la superficie curva de un pequeo cilindro ubicado en el punto (Fig. 7). Salvo indicacin contraria, el eje del cilindro debe ser vertical.

Er EFigura 5. Vector ilumanacia E = Ef Er. La media esfrica en un punto es la iluminancia media sobre toda la superficie de una pequea esfera ubicada en dicho punto (Fig. 6).

ECFigura 7. Iluminacia cilndrica media EC. La iluminancia cilndrica en un punto es igual a la iluminancia vertical media en todas las direcciones en dicho punto. Se logra un buen modelado cuando la relacin es : 0'3 C H 3

Cabe destacar que en general la direccin es tomada en cuenta automticamente, por lo tanto no se necesita especificarla

EsFigura 6. Iluminancia media esfrica ES. La intensidad direccional de la iluminacin se puede indicar por el ndice de modelado dado por la relacin entre la iluminancia vectorial y la iluminancia esfrica media: S Si la medimos utilizando una esfera de radio r que recibe un haz de luz con flujo luminoso F, esta es: S = La iluminancia E en un elemento de la superficie de radio r es: = r2 4 r2

adicionalmente, como en el caso de la relacin vectorial / esfrica: cuando la luz proviene directamente de arriba, C = 0 y C / H = 0; cuando la luz es horizontal, H = 0 y C / H j q.

Vertical / Semicil ndricaLas pruebas que se han llevado a cabo relacionadas con la iluminacin de reas exteriores para peatones (con niveles de iluminacin bajos) han demostrado que la relacin entre la iluminancia vertical y la semicilndrica proporciona una media til de aceptacin de modelado de las facciones humanas, para esta rea de aplicacin. La iluminancia semicilndrica semincil en un punto en una direccin horizontal dada es la iluminancia media sobre una superficie curva de un semicilindro pequeo vertical ubicado en dicho punto con una superficie curva enfocada a la direccin especificada (Fig. 8).

j sombras). Bajo estas condiciones, el ndice de modelado es / sj 0. En cambio, en una habitacin completamente oscura donde

j En una habitacin con luz difusa y con piso, paredes y cielorraso con reflexin difusa, tenemos que j 0 (es decir, no existen

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EsemFigura 8. Iluminancia semicilndrica. La iluminacin de relieve bien equilibrada (ni muy chata ni muy dura) se obtiene a: 08 Las relaciones extremas son: Cero (/2) = 157 modelado muy duro. modelado muy chato. V semincil 13

6.5. Ley de LambertExisten superficies emisoras o difusas que al observarlas desde distintos ngulos se tiene la misma sensacin de claridad. A estas superficies se las denomina emisores o difusores perfectos. Si L0 es la luminancia segn la normal y L la luminancia segn el ngulo de observacin , se verifica que L = L0 para cualquier ngulo . Como L0 = 0 S y L = S cos , se cumple la ecuacin: = 0 cos Esta relacin se conoce como Ley de Lambert y slo la cumplen los emisores o difusores perfectos.

N

Lo L Io I

SuperficieFigura 9. Invariabilidad de la luminancia con el ngulo de incidencia.

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Captulo 7.

LUMINARIAS

7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Clasificacin de luminarias por el grado de proteccin elctrica . . . . . 70 Clasificacin de luminarias por condiciones operativas . . . . . . . . . . . . 70 Grado de inflamabilidad de la superficie de montaje . . . . . . . . . . . . . 71 Clasificacin de las luminarias por sus condiciones de servicio . . . . . 72 Datos bsicos fotomtricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Eficiencia de las luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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Captulo 7. LUMINARIAS


7.1. GeneralidadesDebido a la muy alta luminancia de las lmparas, es preciso aumentar la superficie aparente de emisin para evitar molestias visuales (deslumbramientos). Por otro lado, es necesario apantallar las lmparas para protegerlas de los agentes exteriores y para que dirijan el flujo en la forma ms adecuada a la tarea visual. De esta forma, los distintos estudios e investigaciones contemporneos le dan una importancia capital al conjunto formado por la lmpara y la luminaria. Segn la Norma UNE-EN 60598-1*, se define luminaria como aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias l mparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijacin y la proteccin de l mparas, (excluyendo las propias l mparas) y, en caso necesario, los circuitos auxiliares en combinacin con los medios de conexin con la red de alimentacin. Elementos generales Con independencia de otras definiciones que puedan ser ms o menos descriptivas, podramos definir la luminaria como un objeto formado por un conjunto de elementos destinados a proporcionar una adecuada radiacin luminosa de origen elctrico. La materializacin de esos elementos pasa en cada caso por la conjuncin entre un buen diseo formal y una razonable economa de medios. Al primero corresponde resolver el control luminoso segn las necesidades, que es el fin primordial; un control trmico que haga estable su funcionamiento; y un control elctrico que ofrezca las debidas garantas al usuario. Al segundo corresponde prever un producto de fabricacin slida y eficaz; una relativa sencillez en su instalacin; y un mnimo mantenimiento durante su uso. En cuanto a los elementos genricos ms caractersticos, cabe mencionar la carcasa o armadura, el equipo elctrico, el reflector, la celosa o difusor y el filtro. Todos ellos definen, al mismo tiempo, otras tantas clasificaciones que veremos posteriormente. 1. Armadura o carcasa: Es el elemento fsico mnimo que sirve de soporte y delimita el volumen de la luminaria conteniendo todos sus elementos. Por este concepto pueden distinguirse varios tipos: - Para interiores o exteriores. - De superficie o empotradas. - Suspendidas o de carril. - De pared, para brazo o sobre columna. - Abierta, cerrada o estanca. - Para ambientes normales o de riesgo (de corrosin o explosin). 2. Equipo elctrico: Sera el adecuado a los distintos tipos de fuentes de luz artificial y en funcin de la siguiente clasificacin: - Incandescentes normales sin elementos auxiliares. - Halgenas de alto voltaje a la tensin normal de la red, o de bajo voltaje con transformador o fuente electrnica. - Fluorescentes. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrnicos de encendido y control. - De descarga. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrnicos de encendido y control. 3. Reflectores: Son determinadas superficies en el interior de la luminaria que modelan la forma y direccin del flujo de la lmpara. En funcin de cmo se emita la radiacin luminosa pueden ser: - Simtrico (con uno o dos ejes) o asimtrico. - Concentrador (haz estrecho menor de 20) o difusor (haz ancho entre 20 y 40; haz muy ancho mayor de 40). - Especular (con escasa dispersin luminosa) o no especular (con dispersin de flujo). - Fro (con reflector dicroico) o normal. 4. Difusores: Elemento de cierre o recubrimiento de la luminaria en la direccin de la radiacin luminosa. Los tipos ms usuales son: - Opal liso (blanca) o prismtica (metacrilato traslcido). - Lamas o reticular (con influencia directa sobre el ngulo de apantallamiento). - Especular o no especular (con propiedades similares a los reflectores). 5. Filtros: En posible combinacin con los difusores sirven para potenciar o mitigar determinadas caractersticas de la radiacin luminosa.

7.2. Clasificacin de luminarias por el grado de proteccin el ctricaLas luminarias deben asegurar la proteccin de las personas contra los contactos elctricos. Segn el grado de aislamiento elctrico, las luminarias pueden clasificarse como: Clase 0: Luminaria con aislamiento funcional, pero sin aislamiento doble ni reforzado en su totalidad y sin conexin a tierra. Clase I: Luminaria con al menos aislamiento funcional en su totalidad y con el terminal o contacto de conexin a tierra. Clase II: Luminaria con aislamiento doble y/o aislamiento reforzado en su totalidad y sin provisin para descarga a tierra. Clase III: Luminaria diseada para ser conectada a circuitos de voltaje extra-bajo, y que no tiene circuitos, ni internos ni externos, que operen a un voltaje que no sea el extra-bajo de seguridad.

7.3. Clasificacin de luminarias por condiciones operativasEl sistema IP (International Protection Proteccin Internacional) fijado por la UNE-EN 60598 clasifica las luminarias de acuerdo con el grado de proteccin que poseen contra el ingreso de cuerpos extraos, polvo y humedad. El trmino cuerpos extraos incluye aquellos elementos herramientas y dedos que entran en contacto con las partes que llevan energa. La designacin para indicar los grados de proteccin consiste en las letras caractersticas de IP seguidas por dos nmeros (tres nmeros en Francia) que indican el cumplimiento de las condiciones establecidas en las tablas 1., 2. y 3. El primero de estos nmeros es una indicacin de la proteccin contra el ingreso de cuerpos extraos y polvo, el segundo nmero indica el grado de sellado para evitar el ingreso de agua, mientras que el tercer nmero en el sistema francs indica el grado de resistencia a los impactos. Primer nmero caracterstico 0 1 2 3 4 5 6 No protegida. Protegida contra objetos slidos mayores de 50 mm. Protegida contra objetos slidos mayores de 12 5 mm. Protegida contra objetos slidos mayores de 2 5 mm. Protegida contra objetos slidos mayores de 1 mm. Protegida contra polvo. Hermtica al polvo. Tabla 1. Clasificacin EN-60598 por grado de proteccin contra polvo (1 cifra). Segundo nmero caracterstico 0 1 2 3 4 5 . 6 7 8 Protegida contra fuertes chorros de agua en todas las direcciones. Protegida contra efectos de inmersin temporal en agua. Protegida contra la inmersin continua en agua. Tabla 2. Clasificacin EN-60598 por grado de proteccin contra el agua (2 cifra). -m No tiene No protegida. Protegida contra gotas de agua en cada vertical. Protegida contra cada de agua verticales con una inclinacin mxima de 15 de la envolvente. Protegida contra el agua en forma de lluvia fina formando 60 con la vertical como mximo. Protegida contra proyecciones de agua en todas las direcciones. Protegida contra chorros de agua en todas las direcciones. No tiene Breve descripcin Smbolo No tiene Breve descripcin Smbolo No tiene No tiene No tiene No tiene No tiene

* La Norma UNE-EN 60598-1 adopta la Norma Internacional CIE 598-1.

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Tercera cifra del cdigo Esta cifra hace referencia a ensayos mecnicos a choque. En la siguiente tabla se indican las cifras caractersticas con una breve descripcin.

7.5. Clasificacin de las luminarias por sus condiciones de servicioPor sus condiciones de servicio, las luminarias se pueden clasificar en los siguientes tipos: Breve descripcin Ninguna proteccin Proteccin contra un impacto de 0225 J. de energa Proteccin contra un impacto de 05 J. de energa Proteccin contra un impacto de 2 J. de energa Proteccin contra un impacto de 6 J. de energa Proteccin contra un impacto de 20 J. de energa Tabla 3. Clasificacin EN-60598 contra impactos mecnicos. Smbolo No tiene No tiene No tiene No tiene No tiene No tiene

Tercer nmero caracterstico 0 1 3 5 7 9

7.5.1. Luminarias para instalaciones de iluminacin interiorEntendemos que dentro de este grupo estn las luminarias destinadas a la iluminacin de locales y naves dedicadas a centros comerciales, industrias, oficinas, edificios docentes, instalaciones deportivas cubiertas, etc. Por lo tanto, este tipo de alumbrado trata de dotar de la iluminacin adecuada a aquellos lugares donde se desarrolla una actividad laboral o docente. Las luminarias para la iluminacin general de interiores se encuentran clasificadas por la C.I.E. de acuerdo con el porcentaje de flujo luminoso total distribuido por encima y por debajo del plano horizontal. Clase de luminaria Directa Semi-directa Directa-indirecta General difusa Semi-indirecta Indirecta % distribucin del flujo hacia arriba 00 - 010 10 - 040 40 - 060 40 - 060 60 - 090 90 - 100 Tabla 6. Clasificacin C.I.E. para luminarias de iluminacin general de interiores. % distribucin del flujo hacia abajo 90 - 100 60 - 090 40 - 060 40 - 060 10 - 040 00 - 010

En lugar de esta tercera cifra, tambin es de aplicacin la Norma EN-50102 sobre Grados de Proteccin proporcionados por las envolventes de materiales elctricos contra impactos mecnicos externos (cdigo IK). En dicha Norma, el grado de proteccin proporcionado por una envolvente contra los impactos se indica mediante el cdigo IK de la siguiente forma: - Letras del cdigo (proteccin mecnica internacional): - Grupo de cifras caractersticas: IK De 00 a 10

Cada grupo de cifras caractersticas representa un valor de la energa de impacto, cuya correspondencia se presenta en la Tabla 4. Cdigo IK Energa de impactos en Julios. IK00 * Ik01 0,15 IK02 0,2 IK03 0,35 IK04 0,5 IK05 0,7 IK06 1 IK07 2 IK08 5 IK09 10 IK10 20

Directa0~10%

Semi-directa10~40%

General-difusa40~60%

Tabla 4. Correspondencia entre cdigo IK y la energa de impacto. Generalmente, el grado de proteccin se aplica a la envolvente en su totalidad. Si algunas partes de esta envolvente tienen grados de proteccin diferentes, stos deben indicarse por separado.

90~100%

60~90%

40~60%

7.4. Grado de inflamabilidad de la superficie de montajeLas luminarias no pueden ser montadas sobre cualquier superficie conveniente. La inflamabilidad de esa superficie y la temperatura del cuerpo de la luminaria imponen ciertas restricciones al respecto. Naturalmente, si la superficie es no-combustible, no existe ningn problema. A los fines de la clasificacin, la EN-60598 define a las superficies inflamables como normalmente inflamables o fcilmente inflamables. La clasificacin normalmente inflamable hace referencia a aquellos materiales cuya temperatura de ignicin es de al menos 200 C y que no se debilitan ni deforman a esa temperatura. La clasificacin f cilmente inflamable hace referencia a aquellos materiales que no pueden ser clasificados como normalmente inflamables o no-combustibles. Los materiales de esta categora no pueden ser utilizados como superficie de montaje para luminarias. El montaje suspendido es la nica alternativa en estos casos. En la Tabla 5 se puede observar la clasificacin de montaje que se ha hecho sobre la base de estos requerimientos. Clasificacin Luminarias adecuadas para montaje directo slo sobre superficies no combustibles. Luminarias adecuadas para montaje directo sobre superficies normalmente inflamables. Smbolo Sin smbolo, slo se requiere una nota de advertencia. 2)

Directa-indirecta40~60%

Semi-indirecta60~90% 90~100%

Indirecta

40~60%

10~40%

0~10%

Figura 1. Clasificacin de luminarias segn la radiacin del flujo luminoso. A su vez, con respecto a la simetra del flujo emitido, se puede hacer una clasificacin en dos grupos: 1) Luminarias de distribucin sim trica: Aquellas en las que el flujo luminoso se reparte de forma simtrica respecto al eje de simetra y la distribucin espacial de las intensidades luminosas se puede representar en una sola curva fotomtrica. Luminarias de distribucin asim trica: Son aquellas en las que el flujo luminoso se distribuye de forma no simtrica respecto al eje de simetra y la distribucin espacial de las intensidades luminosas se expresa mediante un slido fotomtrico o, parcialmente, con una curva plana de dicho slido segn diversos planos caractersticos. Informacin fotom trica que acompa a a las luminarias para iluminacin interior Curvas de distribucin polar Estas curvas generalmente se suelen representar para el sistema de coordenadas C- . Como existen infinitos planos, se dan en general tres planos C representados, que son:

F

Sobre la placa de tipo.

Tabla 5. Clasificacin de la EN-60598 para montaje de luminarias.

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- El plano C = 0. - El plano C = 45. - El plano C = 90. Las curvas de distribucin polar estn en las unidades de cd por 1.000 lmenes de flujo emitido por lmpara y se representa por cd/1.000 lm o cd/Klm. (Fig. 2).

Para luminarias dispersoras el diagrama mostrar una curva de pendiente ms atenuada, ya que el flujo vara poco a poco a medida que aumentamos el ngulo. Diagrama de deslumbramiento Estos diagramas se basan en el Sistema de proteccin del deslumbramiento de la C.I.E. Las curvas que representan estos diagramas son de limitacin de la luminancia. Dichas curvas abarcan una escala de ndices de deslumbramiento (clases de calidad desde A a la E marcadas por la C.I.E.) y diferentes valores de iluminancia de servicio standard. Se deben utilizar dos diagramas que dependen del tipo de luminaria y de la orientacin segn la visin.

C=900 100

C=45200 300

C=0400 Cd/Klm

La limitacin de luminancia requerida depende del tipo de orientacin de la luminaria, del ngulo de apantallamiento, del grado de aceptacin o clase de calidad, y del valor de la iluminancia en servicio. En la Fig. 4a y 4b se muestran los diagramas de las curvas de luminancia para la evaluacin del deslumbramiento directo. El diagrama 1 es para aquellas direcciones de la visin paralelas al eje longitudinal de cualquier luminaria elongada y para luminarias que no poseen paneles luminosos laterales observadas desde cualquier direccin. El diagrama 2 es para aquellas

80 70

direcciones de visin en ngulos rectos al eje longitudinal de cualquier luminaria con paneles luminosos laterales. Se define: - Laterales luminosos: Una luminaria posee laterales luminosos si tiene un panel lateral luminoso con una altura de ms de 30 mm. - Elongada: Una luminaria es elongada cuando la relacin entre la longitud y el ancho del rea luminosa es superior a 2:1.

60

50 GM=0 10 20 30 4085 GM 75C=270

C=90 C=0 C=180 C=270

C=90

a

b

c

d

e

f

g

h

Figura 2. Diagrama polar en el sistema C-. Diagrama de flujo zonal Estos diagramas nos indican el flujo recibido por la superficie a iluminar directamente desde la luminaria en funcin del ngulo . La obtencin de este diagrama se basa en la creacin de conos cuyos ejes coinciden con el vertical de la luminaria y los ngulos de generatriz con este eje son los ngulos . El tanto por ciento de luz recogido por cada uno de estos conos es lo que se representa en el diagrama (Fig. 3).

8 6 4 3

a/h

65

2

55

45

100% 80% 60% 40% 20% GM=0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

9 10G1.15 1.50 1.85 2.20 2.55

3

2CalidadA B C D E 2000

31000 2000

4

5500 1000 2000

6 7 8 9 10 Cd/m=

Documents

Manual de Luminotecnia Indalux 2pp