INTRODUCCION A LAS FUENTES LUMINOSAS

RAQUEL PUENTE GARCÍA Dr. Ing. Industrial, Profesor Titular de la ETSAM

PARAMETROS FUNDAMENTALES. 1-

TEMPERATURA DE COLOR.

Dos manantiales luminosos cuyas características no sean exactamente iguales pueden provocar en nuestro órgano visual una impresión de color semejante. Para poder hacer referencia a esta sensación se ha fijado el concepto de temperatura de color. Definimos la temperatura de color de una fuente luminosa como la temperatura absoluta T (expresada en grados Kelvin) a que debemos llevar el cuerpo negro para que las radiaciones que genere impliquen la misma sensación de color que la producida por la fuente luminosa. En el caso de los cuerpos incandescentes encontramos unas características de emisión muy parecidas a las del cuerpo negro, por lo que la temperatura de color de este tipo de fuentes está íntimamente relacionada con su temperatura real. Podemos citar como ejemplo las temperaturas de color de algunas fuentes de luz de radiación por incandescencia; entre paréntesis hemos anotado su temperatura real. •

Vela _____________________ 2.000 K

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Lámpara incandescente _____ 2.800 K (2.740 K)

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Lámpara halógena__________ 3.094 K (3.000 K)

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Sol ______________________ 6.000 K

Hasta aquí la aplicación del concepto resulta relativamente sencilla ya que, como hemos dicho más arriba, el espectro de emisión de los elementos incandescentes resulta muy similar al del cuerpo negro, alcanzándose temperaturas reales muy aproximadas a las temperaturas de color producidas; el problema se presenta cuando hemos de analizar otro tipo de fuentes luminosas como son las lámparas de descarga. El espectro de emisión de estas (figura 1.1), al contrario que en el caso de las incandescentes no es continuo sino que está formado por un número limitado de bandas y líneas cuya ubicación y cantidad dentro del espectro visible marcan la sensación de color producida. Así pues la definición de temperatura de color es razonable siempre que estemos hablando de fuentes de luz por incandescencia sin embargo, si hablamos de, por ejemplo, lámparas de descarga se desvirtúa la coherencia del término, ya que

Fig.1.1- Espectro de emisión de dos fuentes de luz de similar temperatura de color

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dentro de los tubos de descarga no se alcanza esa temperatura. Este hecho hace que nos veamos abocados a definir un segundo concepto. Denominamos temperatura de color correlacionada de una lámpara a la temperatura absoluta (expresada en grados kelvin) que debería tener el cuerpo negro para producir una sensación de color o cromática lo más parecida o similar a la de la fuente analizada. En lo que al aspecto se refiere cabe comentar que las lamparas de temperatura de color baja presentan un espectro luminoso con predominio de radiaciones rojas, lo que les confiere un aspecto cálido; y las de alta temperatura de color muestran un espectro con superioridad de radiaciones azules lo que implica una sensación más fría. De este modo es viable establecer una clasificación simplificada en la forma en que a continuación se presenta.

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Temperatura de color

Apariencia de color

> 5.300 K

Fría (azulada)

3.300 K-5.300 K

Neutra

< 3.300 K

Cálida (rojiza)

INDICE DE REPRODUCCION CROMATICA.

Si comparamos dos fuentes luminosas distintas (por ejemplo una lámpara incandescente y una de descarga) podemos apreciar a simple vista diferencias en el modo en que estas reproducen una carta de colores. Sin embargo, a través de la mera observación o del conocimiento de propiedades tales como la eficacia luminosa o la temperatura de color, no es posible determinar la capacidad que poseen dichas fuentes para transcribir colores. Para hacerlo hemos de conocer la distribución espectral del flujo luminoso que emiten. Cuando hemos de referirnos a esta capacidad de reproducción de colores nos valemos de la expresión rendimiento de color. este nos habla del efecto cromático producido sobre los objetos por la luz emitida por una fuente luminosa determinada en comparación con el provocado por una fuente luminosa patrón que tomamos como referencia. Para poder cuantificar el rendimiento en color de las fuentes de luz la CIEa recomienda en su publicación número 13 (1.965) un método de clasificación basado en la reproducción de una serie de muestras de color normalizadas. Con este fin se define el denominado Indice de Reproducción Cromática (IRC, RA o RB) que establece en que lugar, en una escala de cero a cien, se encuentra un iluminante en confrontación con el iluminante patrón en lo que a capacidad de reproducción de colores se refiere. A la hora de llevar a cabo esta comparación hemos de procurar que la fuente analizada y la fuente patrón tengan una temperatura de color muy similar, ya que es este parámetro el que da la sensación de color de la luz; esto no quiere decir, sin embargo, que dos fuentes con igual temperatura de color tengan el mismo rendimiento cromático, ya que la distribución espectral de la luz que producen puede ser muy distinta, variando con ello su capacidad para reproducir los colores.

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Comisión Internacional de E´clairage

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Para evaluar el IRC de una fuente se debe comparar en laboratorio con una fuente patrón iluminando un conjunto de muestras de color normalizadas en el sistema Munsell. Este es un sistema de identificación de los colores basado en una disposición ordenada en un sólido de todos los colores que pueden ser representados por muestras preparadas partiendo de pigmentos estables. La comparación se efectúa estableciendo una escala de cero a cien y asignando el valor cien al iluminante patrón que es la fuente de incandescencia. No es posible establecer la luz natural como iluminante patrón ya que previamente habríamos de definir unos valores normalizados. Esta presenta tremendas variaciones a lo largo del año o incluso en el transcurso de un día tanto en su nivel de iluminación como en su temperatura de color e incluso en su rendimiento cromático. La fuente patrón se calienta hasta alcanzar la temperatura de color de la fuente a analizar cotejándose entonces el modo en que reproducen una serie de colores. Generalmente se cogen ocho colores (R8) si bien este índice general puede ser afinado con una serie de seis colores especiales (R14). Entre estos últimos se encuentra, por ejemplo, el color de la piel humana, que debe tenerse en cuenta en aplicaciones que exijan una buena reproducción de este color. La CIE recomienda que en aquellos espacios en los que las personas deban permanecer algún tiempo como son oficinas, escuelas, fábricas, etc. Se utilicen para iluminar lámparas con un índice de reproducción cromática superior a 80.

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EFICACIA LUMINOSA

Representada por el símbolo η esta característica resulta determinante a la hora de elegir las lámparas para una aplicación específica. Podemos definirla como “el número de lúmenes (lm) de flujo que emite la lámpara por cada vatio (w) de potencia que consume". η = Ф/w En el caso de estar refiriéndonos a lámparas de descarga es conveniente matizar la diferencia existente entre la eficacia de la lámpara y la eficacia luminosa de la lámpara más el equipo, ya que los accesorios de conexión absorben una potencia no reflejada en el concepto. Estas pérdidas han de ser tenidas en cuenta a la hora de desarrollar el cálculo del proyecto de iluminación, debiendo hablar entonces de la eficacia del circuito. Si fuera viable la fabricación de una lámpara que rentabilizara toda la potencia de entrada traduciéndola en radiación luminosa de una longitud de onda de 555 nmb la eficacia luminosa de ésta sería de 683 lm/w. No obstante en la práctica nos movemos en valores muy inferiores que abarcan desde los 15 lm/w que suministra una lámpara de incandescencia standard (como máximo) hasta los 200 lm/w que proporcionan ciertos tipos de lámparas de sodio a baja presión. Cabe preguntarse entonces que es lo que ocurre con la energía invertida en dicha lámpara. Hemos de suponer que hasta la lámpara más eficaz traduce la potencia suministrada en otras formas de energía. De hecho, la eficacia luminosa depende de dos factores; por una parte del porcentaje de potencia eléctrica realmente convertido en energía radiante dentro del espectro visible y, por otra, de la distribución de esta radiación en relación con la curva de sensibilidad relativa del ojo a la energía luminosa. b Es a esta longitud de onda a la que el ojo muestra una mayor sensibilidad cuando está adaptado a niveles de iluminación superiores a 3 cd/m2.

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Para facilitar la compresión de este proceso se presenta a continuación el estudio del comportamiento de la energía radiada por una lámpara de incandescencia. en primer lugar hamos de fijarnos en el tipo de energía que dicha lámpara radia, para ello nos podemos remitir al diagrama de la figura 1.7, que representa la distribución de la energía radiada por una lámpara de 1000 w expresada en vatios por centímetro cuadrado de superficie radiante

Fig.1.7- Distribución espectral de la energía radiada por una lámpara de incandescencia .

para las diferentes longitudes de onda. En este se puede observar que es un porcentaje muy pequeño de la energía total producida el que recae en el área visible del espectro de radiaciones electromagnéticas, tan sólo un 10% aproximadamente. El resto de emisiones energéticas se encuentran en forma de radiaciones caloríficas en su mayoría ó ultravioletas. Con el porcentaje mencionado podríamos decir que una lámpara de 1.000 w desarrolla una potencia luminosa de 100 w, pero esto no sería estrictamente Fig.1.8- Sensibilidad del ojo al espectro de radiación de correcto. La relación una lámpara de incandescencia. comentada se podría dar como válida si toda la radiación visible se emitiera exclusivamente en una longitud de onda de 555nm. Hemos de recordar que estamos hablando del rendimiento luminoso y este no depende exclusivamente de la lámpara, sino que hay que tener en cuenta la capacidad del sistema visual humano para registrar las distintas radiaciones luminosas. Para ello podemos apoyarnos en el gráfico de la figura 1.8. En él podemos ver con línea discontinua dos curvas que representan el espectro de radiación luminosa de la lámpara incandescente tratada (curva1) y la curva de sensibilidad espectral del ojo humano (curva 2), en la que se ha asignado el valor unidad a la energía más eficaz visualmente, es decir a la emitida en una longitud de onda de 555nm. Bajo ellas y en línea continua encontramos la curva resultante, en vatios-luzc, de multiplicarla energía c Unidad de flujo luminoso, podemos definirla como sigue: es un w de radiación visible correspondiente a una longitud de onda de 555 nm. Su equivalencia con el lumen es 1 vatio-luz = 650 lúmenes

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radiada en cada longitud de onda por el factor de sensibilidad del ojo que le corresponda. Integrando esta última curva, la de la función multiplicación, obtenemos el flujo luminoso total que, en este caso es de aproximadamente 31 vatios-luz. estamos hablando entonces de un flujo luminoso de 20.150 lm. Puesto que la potencia eléctrica consumida es de 1.000 w estamos hablando de una lámpara con una eficacia luminosa de aproximadamente 20 lm/w.

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DURACION O VIDA DE LA LAMPARA

La vida de una lámpara es otro de los parámetros importantes a tener en cuenta en el momento de seleccionar la fuente luminosa idónea para la aplicación estudiada, puesto que influye de un modo directo en la economía del sistema. Se hace necesario definir dos tipos diferenciados de vida a los que vamos a asignar la denominación de vida media y vida útil, si bien en algunos casos pueden resultar sensiblemente coincidentes. Para hallar la vida media de un modelo de lámpara de una determinada potencia se dispone una muestra suficientemente amplia de estas y se las hace funcionar controlando su comportamiento. Se mide entonces el tiempo que transcurre desde el momento de su activación hasta que el 50% de las lámparas analizadas falla tomando como vida media este dato. Este concepto, sin embargo, resulta insuficiente para hablar de la calidad lumínica de un sistema a lo largo del tiempo, puesto que tan sólo hace referencia a la vida de la lámpara desde que comienza a funcionar hasta que deja de hacerlo. Hemos de considerar, además, que en la mayoría de los casos la fuente luminosa deja de ser rentable mucho antes de dejar de esto ocurra. A medida que pasa el tiempo que hemos utilizado una lámpara, ésta experimenta una disminución de las cualidades de su flujo luminoso así como de su cantidad, pudiendo llegar a ser inservible para la función para la que ha sido utilizada. Para hablar de este deterioro se hace necesario fijar el concepto de vida útil, este se refiere a “el tiempo transcurrido desde que una muestra de fuentes luminosas de un tipo determinado comienza a funcionar hasta que el flujo luminoso suministrado es inferior al 80% del valor nominald. La depreciación de la calidad de la luz emitida va más allá de una mera pérdida cuantitativa del flujo con respecto al inicial, afectando también a otros valores como es el caso del índice de reproducción cromática. Es posible incluso que, aunque la lámpara siga funcionando, deje de ser apta para una función específica si su Ra es inferior a los valores requeridos para ello. El abanico de valores para la vida enormemente amplio, ya que abarca desde las 1.000 horas de vida media con que cuenta una “bombilla” estandar hasta las 60.000 horas que vive una lámpara de inducción magnética.

d Por convenio, y a causa de la rápida pérdida de flujo que experimentan las lámparas en las primeras horas de funcionamiento, los fabricantes facilitan como flujo inicial el producido por éstas tras las primeras 100 horas de uso.

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CLASIFICACION DE LAS FUENTES LUMINOSAS.

Antes de continuar profundizando en el estudio de los distintos tipos de fuentes luminosas hemos de llevar a cabo una clasificación de estas que nos permita ordenarlas y agruparlas de alguna manera. Dado que el principio de funcionamiento de las lámparas varía mucho de unas a otras Sería viable establecer una clasificación por familias, de modo que cada familia genere la radiación lumínica a través de un mecanismo en particular. En base a esto se pueden fijar tres familias bien diferenciadas:

e

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Lámparas incandescentes: es incluyen aquí aquellas lámparas que producen luz por termorradiación.

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Lámparas de descarga: ubicamos dentro de esta familia a todas las fuentes que producen luz por electroluminiscenciae.

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Lámparas de inducción magnética.

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Si bien no se trata de fuentes luminosas como tales, se hace necesario recordar la existencia de una serie de productos que actúan como conductores de luz, transmitiendo ésta a los puntos deseados. Es el caso de los tubos de luz (SOLF), recientemente patentados por la casa Scotch, y de la fibra óptica.

Esta es la radiación luminosa provocada por el paso de una descarga eléctrica a través de un gas luminiscente.

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