sistemas electrÓnicos para iluminaciÓn y... · introducciÓn y conceptos bÁsicos. universidad de...
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UNIVERSIDAD DE OVIEDO
Sistemas Electrónicos para iluminación
UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades
SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓNPARTE IINTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS
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OBJETIVO DEL CURSO:
1.- DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ELECTRÓNICA PARA LÁMPARAS. (BALASTOS ELECTRÓNICOS)
2.- CONOCER COMO SE COMPORTAN LAS LÁMPARAS COMO CARGAS DE POTENCIA. CONOCER LOS TIPOS DE LÁMPARAS EXISTENTES.
3.- EXPLICACIÓN DE CONCEPTOS DE FOTOMETRÍA Y COLORIMETRÍA.
LÁMPARA COMOCARGA DE POTENCIA
LÁMPARA COMOFUENTE DE LUZ
VATIOS LÚMENES
¿ARRANQUE, CALENTAMIENTO, ENVEJECIMIENTO, MODELO ELÉCTRICO,....?
¿LÚMENES, CANDELAS, LUX, ESPECTRO, DIAGRAMAS RADIACIÓN, COLOR,......?
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FUENTEPRIMARIA
DE ENERGÍATOPOLOGÍA
DE POTENCIA
CARGA DE POTENCIA
ETAPA DECONTROL
ALIMENTACIÓN
GOBIERNO
INFORMACIÓN
USUARIO
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CONSUMO NETO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
España1960 14.625 millones kWh1970 45.300 millones kWh1980 92.006 millones kWh1990 129.161 millones kWh1998 172.368 millones kWh
Según la agencia Internacional de la energía el 17% se utiliza en iluminación.
Las LÁMPARAS son cargas de potencia que representan un consumo de energía eléctrica muy importante.
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TÉCNICAS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA:APORTACIONES A LA ILUMINACIÓN
1.- Aumento de la eficiencia luminosa: Obtener la misma luz con menor consumo.
2.- Mejorar las características del consumo: Mejor Factor de Potencia, Limitar picos de conexión, cumplir normativas.
3.- Mejorar las características de funcionamientoArranque y rearranque controlados: vida de filamentos.Reducir o eliminar fluctuación de la luz ("Flicker")
4.- Mejorar peso y volumen del equipo de alimentación.
5.- Incorporar nuevas prestaciones.Regulación del nivel de luz ("Dimming")Introducir inteligencia, capacidad de test, comunicaciones, facilidades de mantenimiento, etc
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CONCEPTO DE LUZ:
Energía Radiante que es capaz de excitar la retina del ojo humano y crear una sensación visual.(380 nm 770 nm)
ENERGÍA RADIANTE = ENERGÍA EN FORMA DE ONDA ELECTROMAGNÉTICA
POTENCIAELÉCTRICA(vatios)
POTENCIARADIADA
POTENCIALUMINOSA
POTENCIANO LUMINOSA
CALOR
POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)
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CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTROELECTROMAGNÉTICO AL SER EXCITADA ADECUADAMENTE.
(100-280 nm) (280-315 nm) (315-400 nm)
OZONO GERMICIDA
UV-C UV-B UV-A
UV LEJANO UV CERCANO
ULTRAVIOLETA
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LA RADIOMETRÍA Y LA FOTOMETRÍA DESCRIBEN LA PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA RADIANTE A TRAVÉS DEL ESPACIO.
LA RADIOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DE UNA FORMA PURAMENTE FÍSICA.
LA FOTOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL EFECTO QUE ESTA ENERGÍA RADIANTE PRODUCE EN EL OJO HUMANO
FOTOMETRÍA
RADIOMETRÍA
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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
- LONGITUD DE ONDA (wavelength) en nm
- FRECUENCIA ESPECTRAL (frequency) f en Hz
c = 2.998 108 m/s velocidad de la luz en el vacío
- ENERGÍA DEL FOTÓN (photon energy) E en J
h = 6.63 x 10-34 J.S Constante de Planck
1 eV = 1.6 10-19 J
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
cf
chE
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EJEMPLOS DE USO:
1.- ¿A QUE FRECUENCIA CORRESPONDE LA LUZ ROJA (R) DE 700 nm, LA LUZ VERDE (G) DE 546.1 nm Y LA LUZ AZUL (B) DE 435.8 nm EN EL VACIO?.
2.- UN ELECTRÓN EXCITADO QUE RETORNA A SU NIVEL ENERGÉTICO DE REPOSO EMITE LUZ VERDE DE 546.1 nm ¿QUE SALTO DE ENERGÍA TENEMOS ENTRE EL NIVEL EXCITADO Y EL DE REPOSO?. DAR LA SOLUCIÓN EN JULIOS Y EN eV.
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
RGB
546.1 nm
435.8 nm 546.1 nm 700 nm
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RESULTADOS
MathCAD 2001 profesional
1 eV = 1.6 10-19 J
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350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
INCANDESCENTE - HALÓGENA
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
VM
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN
LPS
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23
HPS 150 W
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
FLUORESCENTE (VAPOR DE MERCURIO BAJA PRESIÓN)
LUZ 927 BLANCO CÁLIDO
ESPECTROS DEDISTINTOS TIPOS
DE LÁMPARAS
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CONECTOR SMA DE ENTRADA
DETECTOR CCDESPEJOS COLIMADORES
¿COMO SE OBTIENE EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA?
SE APROVECHA LA VARIACIÓN DE LA REFRACCIÓN CON LA LONGITUD DE ONDA
GRATING
LOS MODERNOS MONOCROMADORESUTILIZAN REDES DE DIFRACCIÓN (GRATINGs)PARA DISPERSAR LA LUZ Y OBTENER SU ESPECTRO
ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ESPECTROFOTÓMETRO
INCIDENTE DIFRACTADA
GRATING
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PRÁCTICA: ESPECTRO DE UNA LÁMPARA
TARJETA DE ADQUISICIÓN32 bits RISC C
MATRIZDE FOTODIODOS2.5 mm alto x 25 m ancho1024 diodos (pixels)62 KHz
ESPECTRÓGRAFOORIEL MS 125
CORRECTORCOSENO
SOFTWARE(INSTASPECTM ORIEL)
FICHERODE DATOS
LÁMPARA
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ENTRADA - CONECTOR SMA
DETECTOR ESPEJOS COLIMADORES
GRATING
PRÁCTICA: DETALLE ESPECTRÓMETRO
GRATING
MODELO RANURAS
(l/mm)
ANCHO DE BANDA
(mm/inch)
RESOLUCIÓN
(nm)
RANGO
(nm)
77411 1200 180 0.4 300 - 1250
77413 600 350 0.7 180 - 500
77415 600 350 0.7 450 - 2500
77417 400 530 1.0 300 - 1200
77422 300 670 1.5 200 - 750
RESOLUCIÓN Y ANCHO DE BANDA PARA MATRIZ DE 1024 DIODOS DE 25 m
Y ENTRADA (SLIT) DE 25 m DE ANCHO
1024 X 25 m
1 inch
2.5 mm
MATRIZ DE DIODOS
380 770300 1200600 865335
CENTRAL
ANCHO DE BANDA (530 nm)
RANGO ESPECTRAL
DATOS PARA GRATING 77417
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PRÁCTICA: AJUSTE DEL TORNILLO MICROMÉTRICO
TORNILLO MICROMÉTRICO
DATOSCENTRAL = 600 nm
RANURAS = 400 l/mm
3400
1200FACTOR ESCALA
2003
600MICRÓMETRO
CADA DIVISIÓN DEL TORNILLO MICROMÉTRICO VALE 50 nm (AJUSTE GRUESO).
CADA DIVISIÓN DEL TORNILLO VERNIER(AJUSTE FINO) VALE 1 nm.
4 VUELTAS DEL TORNILLOMICROMÉTRICO.(4 x 50 nm)
AJUSTE FINO A CERO.(0 x 1 nm)
NOTA: Se puede ajustar con precisión utilizando una lámpara patrón.(p.e. Neon 6031 o Hg (Ar) 6035. ¡cuidado con el UVA-C!)
El tornillo micrométrico centra el haz de luz sobre la matriz de diodos
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PRÁCTICA: INSTASPEC SOFTWARE
SELECCIONAR ESPECTRÓGRAFOSetup Spectrograph
MS125RS232 - COM1
TEMPERATURATemperature
Cooler = ONDegress = 1
CALIBRACIÓNSetup Spectrograph - Hardware
Center wavelength = 600 nmoffset = 0 Grating = 400
Nota: El propio programa te calcula donde tienes que poner el tornillo micrométrico
IMPORTANTE: Tomar las medidas a baja temperatura reduce notablemente el ruido de fondo
COMENTARIO: La tarjeta de control viene configurada por defecto para trabajar con la interrupción 5 y dirección de E/S 330 h.
La tarjeta dispone de puentes (jumper) en la placa para cambiar estor valores.
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ADQUISICIÓNSEÑAL (Signal)FONDO (Background)
MEDIDA QUE NOS INTERESA Counts (Bg corrected)
FONDOSEÑALCUENTAS SCORREGUIDA
TIPO DE ADQUISICIÓN Accumulate
Exposure Time = 0.3 SAccumulate Cycle Time = 10 SNumber of accumulations = 20
TIPO DE ADQUISICIÓN Single Scan
Exposure Time = 0.3 S
TIPO DE ADQUISICIÓN Real Time
Exposure Time = 0.3 SDelay = 1 S
GUARDAR DATOS A FICHEROExport As
Fichero ASCII (.asc)
Tipo de datos:Señal (sig)Fondo (bg)
UNIDADES DEL EJE XChange Units
Wavelength units = nm
PRÁCTICA: INSTASPEC SOFTWARE
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350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
ESPECTRO DE LA LUZ SOLAR
CUERPO NEGRO A 5800 K
RADIACIÓN SOLAR EN EL EXTERIOR
RADIACIÓN SOLAR A NIVEL DEL MAR
"LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO A 5800 K APROXIMA RAZONABLEMENTE LA RADIACIÓN SOLAR EN EL EXTERIOR DE LA ATMÓSFERA"
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¿COMO OBTENEMOS LA LUZ QUE OBTENEMOS DE UNA LÁMPARA CUANDO LE APLICAMOS UNA DETERMINADA POTENCIA EN W?
¿QUE UNIDADES DE UTILIZAN Y COMO SE INTERPRETAN?
POTENCIA
ELÉCTRICA
(vatios)POTENCIARADIADA
POTENCIALUMINOSA
POTENCIANO LUMINOSA
CALOR
POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)
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100 10.000380 770
50
100
0
[nm]
P()
Wnm
EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W
ZONA VISIBLE 10%
POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W
¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!
W1000d)P(Peλ
0λ
W100)P(Pλ
380λLSC
d
770
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100 10.000380 770
50
100
0
[nm]
P()
Wnm
LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W:CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO
luz"-vatios"30d)V()P(λ
380λ
770
V() P()
EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm).1 vatio-luz = 683 Lúmenes30 vatios-luz = 20.490 Lúmenes
FLUJO LUMINOSO ()
MODELO DE OJO
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350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
0
1
V()
2)555.0(42.2570.1)( eV
MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA(Experimental)
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20.490 Lúmenes1000 W
21 lm/WRendimiento =
RENDIMIENTO DE LA CONVERSIÓN
EL MAYOR RENDIMIENTO HIPOTÉTICO QUE PODRÍA TENER UNA LÁMPARA ES DE 683 lm/W
LA LÁMPARA CONOCIDA DE MAYOR RENDIMIENTO ES LA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN CON 180 lm/W
UN FLUORESCENTE TUBULAR DE 36 W TIENE UN RENDIMIENTO DE UNOS 70 lm/W.(LOS MODERNOS T5 PUEDEN LLEGAR A LOS 100 lm/W)
Pe
Φη
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LA CANDELA (cd) ES UNIDAD BÁSICA DEL SI
* Unidad de intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección específica.
*Es unidad base del S.I. y se define como "Intensidad luminosa, en una dirección dada, de unafuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*1012 Hz (en el aire 555 nm) ycuya intensidad energética en dicha dirección es de 1/683 W por estereorradián"
LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS)
El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.
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EJEMPLO: PUNTO UNIFORME DE 1 CANDELA EN CUALQUIER DIRECCIÓN
r
1 cd
Normalmente las lámparas no emiten por igual en todas las direcciones
SE EMPLEA EL CONCEPTO DE ESTEREORRADIÁN,EXTENSIÓN DEL CONCEPTO DE ANGULO ALESPACIO (ANGULO SÓLIDO)
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EL ÁNGULO SÓLIDO: ESTEREORRADIÁN
Geometría plana: Ángulos y radianes(rd)
radio
arco
radio
arco
"La circunferencia completason 2 rd"
Geometría de sólidos (estereometría):Superficie y estereorradián (sr)
radio
área
2radio
area
ángulo
ángulosólido
"La esfera completa son 4 sr"
radio
arcodd
2radio
areadd
Formas diferenciales
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NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES
DIAGRAMA DE RADIACIÓNGeneralmente tiene geometría axial(Se obtiene con un Goniofotómetro)
LA INTENSIDAD LUMINOSA (I) ES LA MEDIDA DE LA LUZ EN
UNA DETERMINADA DIRECCIÓN
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RELACIÓN ENTRE LA INTENSIDAD LUMINOSA (Cd) Y EL FLUJO LUMINOSO ()
d
dI dI
r
1 cd
DEL EJEMPLO ANTERIOR:
La fuente uniforme de 1 cd emite 4 lm
"Si la fuente no es uniforme debemos integraren toda la superficie de la esfera"(Posteriormente haremos un ejemplo)
"La intensidad luminosa es el flujo luminoso en una dirección dada"
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EL FLUJO LUMINOSO QUE VIAJA DESDE UNA FUENTE DE LUZ, SERECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SEREFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUENNÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS.
En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poneralgunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura
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CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN
POTENCIA RADIANTEFLUJO RADIANTERADIANT POWERRADIANT FLUX
[W]
FLUJO LUMINOSOLUMINOUS FLUX
[lm]
INTENSIDAD RADIANTERADIANT INTENSITY
[W/sr]
INTENSIDAD LUMINOSALUMINOUS INTENSITY
[cd]
IRRADIAN CÍAIRRADIANCE
[W/m2]
ILUMINACIÓNILUMINANCE
[lx]
EXCITANCIAEXITANCE
[W/m2]
EXCITANCIA LUMINOSALUMIOUS EXCITANCE
[lm/m2]
RADIANCIARADIANCE[W/(sr m2)]
LUMINANCIA O BRILLOLUMINANCE
[cd/m2]
TOTAL DE ENERGÍA
ENERGÍA EN UNA DIRECCIÓN
ENERGÍA RECIBIDA EN UNA SUPERFICIE
ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIE
ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIEEN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE
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UN EJEMPLO:
Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe
Como habíamos visto, nuestrafuente homogénea de 1 cd emiteun flujo luminoso de 4 lm querecibe el interior de la esfera.
La esfera transmite 0.8 x4 lm
Se llama Excitancia Luminosa (H) al Flujo Luminoso por unidad de superficie que sale de una Superficie Iluminada
La superficie de la esfera es de 4 m2.
2/8.04
48.0mlmH
r
1 cd
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Se llama Luminancia o brillo (L) al Flujo Luminoso que sale de una Superficie Iluminada en una determinada dirección y por unidad de superficie
r
1 cd
EJEMPLO: Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe
2/8.04
48.0mlmH
Como habíamos visto antes
El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de m2.
2/8.0
mcdL
En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminosa por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie.
LUMINANCIAES BRILLO
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EJEMPLO CON LUMINANCIATenemos un proyector situado en el techo de 0.04 m2 de superficie que ilumina con una intensidad de 100 cd en cualquier dirección una mesa de 0.5 m2 de superficie. La mesa se puede considerar una superficie especular de factor de reflexión de 0.8. Calcular la luminancia de la fuente y la luminancia de la mesa para el observador de la figura.
Solución
Luminancia de la fuente:
Como la mesa no es una superficie reflectante perfecta una parte de la intensidad luminosa que le llega es absorbida por esta. Esto quiere decir que en la fórmula de la luminancia el valor de I estará afectado por el factor de reflexión
La Luminancia es un concepto que se emplea bastante en el diseño (deslumbramiento, molestias en la visión, efectos artísticos, etc)
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EN INGENIERÍA LA MAGNITUD MAS USUAL ES LA ILUMINACIÓN (E)
La unidad empleada en iluminación es el LUX (lx)
"LA ILUMINACIÓN DE UNA SUPERFICIE ES LA DENSIDAD DE FLUJO
LUMINOSO INCIDENTE EN ELLA"
d
dE
Se usa también otra unidad, el foot-candle (fc), utilizada en países de habla inglesa cuya relación con el lux es: 1 fc aproximadamente 10 lx
Si se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.
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r
1 cd
EJEMPLO:
Como habíamos visto, nuestra fuentehomogénea de 1 cd emite un flujoluminoso de 4 lm
La Iluminación del interior de la esfera vale 1 lx
El interior de la esfera recibe una Iluminación
uniforme y como su superficie es de 4 m2.
Nota:Si la fuente es uniforme, midiendo la iluminación en cualquier punto, podemos estimar el flujo luminoso del punto de luz.
Este concepto, aunque es hipotético (no existe ninguna fuente de luz uniforme) tendrá su utilidad en los "Fotómetros de esfera"
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0.8 m
PROBLEMA TÍPICO: ¿CUANTAS LÁMPARAS, DE QUE TIPO, DONDE SE COLOCAN, PARA ASEGURARUN DETERMINADO NIVEL DE ILUMINACIÓN EN EL PLANO DE TRABAJO?
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LA ILUMINACIÓN ES UNA MAGNITUD IMPORTANTE EN ILUMINACIÓN.LEYES IMPORTANTES QUE DEBEN DE TENERSE EN CUENTA.
1ª LEY: LA ILUMINACIÓN DECRECE CON EL CUADRADO DE LA DISTANCIA
2d
IE
0.5 m0.5 m
40 Lx
10 Lx"Si medimos 10 Lx a 1 m de distancia,a 0.5 m mediremos 40 Lx"
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2ª LEY: LA ILUMINACIÓN CON INCIDENCIA OBLICUA
cos2d
IE
d
I
"LA ILUMINACIÓN (Horizontal) ES PROPORCIONAL AL ÁNGULO DE INCIDENCIA"
Realmente hay 2 componentes, una horizontal y otra vertical.
Normalmente se trabaja con la horizontal
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ILUMINACIÓN:Realmente si el rayo no es perpendicular hay que descomponer la iluminancia recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la superficie.
A la componente horizontal de la iluminancia (EH) se le conoce como la ley del coseno.
En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total es la suma de las iluminancias recibidas:
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EJEMPLO:Una superficie está iluminada por una fuente luminosa puntual de 80 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura. Calcular la iluminancia horizontal y vertical para los siguientes valores del ángulo alfa: 0, 30º, 45º, 60º, 75º y 80º.
SoluciónComo vimos al hablar de magnitudes fotométricas, las componentes de la iluminancia, se pueden calcular empleando las fórmulas:
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Si representamos el diagrama isolux de la superficie podemos observar que las curvas son circunferencias, debido a que la intensidad es constante en todas direcciones, que la iluminancia disminuye a medida que los puntos se alejan del foco y que la máxima iluminancia se encuentra en la proyección de la fuente sobre la superficie (0º).
Existen programas de diseño (p.e. el CALCULUX de PHILIPS) que nos proporcionan ayuda al diseño a partir de las lámparas y colocación de las mismas.
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OTRO EJEMPLO
Lámpara de 10 W
10 cd
20 cd
30 cd
DIAGRAMA DE RADIACIÓNSimetría Axial (muy típica)(Candelas)
Preguntas:
1.- Colocada en el techo (3 m de altura) y mirando hacia abajo.¿Cual el el nivel de luz (Lux) en una mesa de 1 m de altura colocada justamente debajo de ella?
2.- Nivel de luz en la mesa si la alejamos 2 m del eje de la lámpara
3m
1m
2m
30º
60º
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3m
1m
2m
EJEMPLO
E1 E2
lxd
IE 5.7
2
301
22
lxd
IE 7.1º45cos
22
20cos2
222
Iluminación debajo de la lámpara
Iluminación Horizontal apartados 1 m=45º
30 cd20 cd
ILUMINACIÓN DIRECTA
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Desafortunadamente las lámparas no emiten luz igual en todas las direcciones (ni son fuentes de luz puntuales).
La obtención de la intensidad luminosa de una lámpara en una determinada dirección o el total de lúmenes emitidos puede llegar a ser un problema.
Diagrama de radiación
X
yLos diagramas de radiación suelen estar en los catálogos de los fabricantes.(información útil para el ingeniero de proyecto).
En Electrónica de Potencia nos interesan mas los lúmenes que emite la lámpara, como una medida de aprovechamiento energético.
Lúmenes emitidos respecto a vatios aportados.
COMENTARIO:
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OBTENCIÓN DEL FLUJO LUMINOSO DE UNA LÁMPARA CONOCIDO EL DIAGRAMA DE RADIACIÓN.
d
r
dA
I()
Diagrama de radiación
Esfera de radio r
En todo el área dA la intensidad de la lámpara es constante y de valor I()
22
)sen2(
r
rdr
r
dAd
Tomamos como diferencial de ángulo sólido una cintaalrededor de la esfera de espesor r d y de longitud2r
De donde podemos obtener el diferencialde flujo luminoso
dIdId sen)(2)(
180
0
sen)(2 dI
Integrando se obtiene el flujo luminoso
p.e.GEOMETRÍAAXIAL
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EJEMPLO
Lámpara de 10 W
10 cd
20 cd
30 cd
Preguntas:
1.- De cuantos lúmenes es la lámpara?
2.- ¿Cual es el rendimiento luminoso?30º
60º
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dsenr
drsenr
r
dAd
2
)2(22
d
rd
Obtención del Angulo sólido con simetría axial.
(Muy usual en iluminación)
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330 cd
220 cd
110 cd
srdsen 14.3236
0
srdsen 3.2)13(226
2
6
srdsen 84.0)32(212
62
lmIII 6.1483014.3203.21084.0332211
Wlm86.14
10
6.148
62
6
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EJEMPLO CON UN DIODO LED:
A partir del diagrama de radiación de un determinado diodo LED, se pide obtener sus lúmenes.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Diagrama de radiación en Candelas1
0diagrama a( )
a
180
2
Lumenes
180
0
180
aI a( ) 2 sina
180
d
Lumenes 0.67
Realizado con un programa matemático
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MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARAUTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL YCOMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO.
REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHOESPACIO.
SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SECOMPLICA.
SE PUEDEN OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNALÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA(FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990)
COMENTARIO:
24 RI IDEA BASE:Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera.
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IDEA A IMPLEMENTAR EN UN FOTÓMETRO DE ESFERA:
Hacer que la emisión de nuestra lámpara se asemeje a una fuente de luz puntual que emite igual en todas las direcciones
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MEDIDA DEL FLUJO LUMINOSO CON UNA ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT
- LÁMPARA EN EL CENTRO DE UNA ESFERA DE RADIO MAYOR QUE 4 VECES EL TAMAÑO DE LA LÁMPARAS.(Para poder considerarla una fuente puntual).
- SE MIDE LA ILUMINACIÓN EN UNA PEQUEÑA SUPERFICIE (VENTANA) DE LA ESFERA (FOTÓMETRO CON FILTRO V().
-SE EVITA LA ILUMINACIÓN DIRECTA DESDE LA FUENTE DE LUZ HASTA EL FOTÓMETRO.
-EL INTERIOR DE LA ESFERA ES UNIFORMEMENTE DIFUSO. NO ABSORBE, NO TRANSMITE, SOLO REFLEJA.
-EL FACTOR DE REFLEXIÓN DEBE SER IGUAL PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA.
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FOTÓMETRO
ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT
VENTANA
PANTALLA 241
RE
241
RE
n
Luz recibida en reflexión 1
Luz recibida reflexión n
La suma de todas las reflexiones será:
nn
REiE
1
2
4)...(2
Se obtiene la expresión:
cteR
E24)1(
LA ILUMINACIÓN MEDIDA EN EL FOTÓMETRO ES PROPORCIONAL AL FLUJO LUMINOSO DE LA LÁMPARA.SE REQUIERE UNA LÁMPARA PATRÓN PARA OBTENER LA CONSTANTE.LAS MEDIDAS POR ESTE PROCEDIMIENTO SON MUY RÁPIDAS
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ESFERA INTEGRADORA Y GONIOFOTOMETROS (IMÁGENES)
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PRÁCTICA: Medida de Lúmenes totales de una lámpara.
Equipos a utilizar:
1.- Esfera integradora de 1 m de radio2.- Fotómetro J18 de Tektronix con sensor J1811 (medida de iluminación)3.- Lámpara halógena patrón.4.- Fuente de alterna. HP-6812-A. 300 Vrms - 750 VA.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICA J1811
UNIDADES DE MEDIDA lx (Lm/m2)RANGO DE MEDIDA DE 0.01 - 5000 [lx]RESPUESTA ESPECTRAL: CIE ESTÁNDAR FOTÓPICO (error < 3%)ANGULO DE ACEPTACIÓN: 180º (CORRECCIÓN COSENO)
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HALÓGENA
75 W 220 VRMS
327.6 mA - 919 Lm
FOTÓMETROJ18
PANTALLA
SENSORJ1811
PATRÓN
LÁMPARA
HP 6812AAC POWER SOURCE 300 Vrms / 750 VA
PRÁCTICA:
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PRÁCTICA: RESULTADOS
LUX PATRÓN =
LÚMENES PATRÓN = 919 lm
POTENCIA PATRÓN = 72 W LUX LÁMPARA =
LÚMENES LÁMPARA =
POTENCIA LÁMPARA =
PATRÓN
PATRÓN
LÁMPARALÁMPARA lx
lmlxlm
LÁMPARA
LÁMPARA
LÁMPARA W
lm
LÁMPARA LÚMENES
[lm]RENDIMIENTO
[lm/W]
Halógena 75 W (patrón) 919 12.7
24 RI