Luminotecnia TECNOL.

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Tecnología

1. Definición. Rama de la técnica, cuya materia de estudio es la aplicación práctica de las fuentes luminosas utilizables, obteniendo de ellas el máximo rendimiento posible. Como prácticamente todas las fuentes luminosas empleadas hoy día transforman, de una manera u otra, la energía eléctrica en energía luminosa, la L. se confunde, en su estudio y aplicaciones, con la Electroluminotecnia y en este aspecto práctico la estudiaremos aquí.

2. Leyes fundamentales. La iluminación E de una superficie es la relación entre el flujo luminoso 0 que recibe y el área S de la superficie. Su valor se rige por las siguientes leyes:

Ley fundamental de iluminación. Se expresa por la relación (fig. 1)

I

E=d2

y se enuncia así: la iluminación de una superficie situada

perpendicularmente a la dirección de la radiación (v.) luminosa, es directamente proporcional a la intensidad luminosa de la fuente luminosa, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de esta superficie a dicha fuente. A partir de esta ley, se puede definir la unidad de iluminación, el lux, como la iluminación producida sobre la superficie de una esfera de un m. de radio por una fuente luminosa puntiforme, situada en el centro de la esfera, y cuya intensidad luminosa es de una candela (V. FOTOMETRÍA).

Ley del coseno. Está expresada por la relación (fig. 2) 1

E’=- cosa d2

y se enuncia: la iluminación es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de los rayos luminosos en el punto iluminado.

Ley de la inversa del cuadrado de las distancias. Se expresa por la siguiente relación (fig. 3):

;

El d E2 d2

y se enuncia: Para una misma fuente luminosa, las iluminaciones en diferentes superficies son inversamente proporcionales al cuadrado de sus distancias a dicha fuente luminosa.

Ley de Lambert. Esta ley afirma que una superficie luminosa, considerada puntiforme, siempre que sea pequeña o reducible a su punto de gravedad, presenta una luminancia constante, cualquiera que sea la dirección que se considere. Esta ley permite el proyecto de elementos luminosos, como si las fuentes luminosas fueran puntos y no superficies, simplificando de esta forma los cálculos; las lámparas normales de incandescencia pueden considerarse, en todos los casos, como puntos luminosos y las lámparas tubulares fluorescentes también, siempre que estén suficientemente alejadas del observador.

3. Control de la luz. Debido a su gran luminancia, la mayoría de fuentes luminosas no realizan por sí mismas una distribución de flujo luminoso que permita su aplicación directa, sino que se hace necesario el empleo de dispositivos que modifiquen o controlen la luz emitida. La modificación de las características de una fuente luminosa con vistas a una aplicación eficiente de luz emitida, puede realizarse aprovechando uno o más de los siguientes fenómenos físicos: reflexión, refracción, absorción, trasmisión y difusión (v. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN; ÓPTICA I, 2).

Cuando se ilumina una superficie, se tiene, en todos los casos: Flujo luminoso total=Fl. lum. reflejado+Fl. lum. absorbido+Fl. lum. trasmitido.

Representaciones gráficas. El conjunto de las intensidades de una fuente luminosa en todas las direcciones del espacio, se llama distribución luminosa, obteniéndose gráficamente un sólido fotométrico, que casi siempre es simétrico respecto a un eje; si se hace pasar un plano por el eje de simetría (fig. 4) se obtiene una sección limitada por una curva denominada curva fotométrica o curva de distribución luminosa. En la práctica, se trazan una serie de circunferencias concéntricas en las que, mediante una escala adecuada, se indican las intensidades luminosas, uniéndose todos los valores de éstas mediante una curva cerrada y refiriendo el conjunto, a un flujo luminoso de l.000 lúmenes: cuando el flujo luminoso emitido por la lámpara es diferente a este valor, los valores de la intensidad luminosa se buscan por proporción. Si la curva de distribución luminosa es simétrica, se emplea solamente media curva fotométrica. La fig. 5

muestra la curva fotométrica de una lámpara de incandescencia.

4. Fundamentos fisiológicos de Luminotecnia. Se puede considerar a las fuentes luminosas como elementos generadores de energía luminosa y al ojo (v.) humano como el elemento receptor de esta energía. La L. estudia no solamente las fuentes luminosas, sino el efecto de la luz en el ojo, es decir, el conjunto de complejos fenómenos que constituyen la percepción visual, entre los cuales, los más interesantes son los siguientes:

Acomodación: por su estructura el ojo se acomoda automáticamente a las diversas distancias en que se encuentran los objetos.

Adaptación: el ojo, mediante la regulación del diafragma, se ajusta automáticamente a la iluminación en cada caso particular.

Brillo y deslumbramiento: el brillo es la sensación producida en el ojo por las diferencias de luminancia de los objetos iluminados o luminosos. O sea, que la luminancia es la causa, y el brillo, tal como se define ahora, es el efecto. El brillo directo es el debido a la fuente luminosa y el brillo indirecto o reflejado es el producido por los objetos iluminados.

El fenómeno de deslumbramiento se presenta cuando en el campo de la visión hay objetos iluminados o fuentes luminosas con grandes diferencias de brillo: p. ej., en una habitación oscura, la luz de una lámpara de 50 w. produce deslumbramiento, mientras que en una habitación bien iluminada, la luz de esta misma lámpara no produce este fenómeno. El deslumbramiento debe evitarse a toda costa, pues en el observador provoca efectos desagradables a la vista, disminución de la percepción visual, fatiga visual y deformación del aspecto de los objetos iluminados.

Percepción de formas plásticas. La sensación tridimensional o plástica de los objetos, sólo es posible si existen en el campo visual zonas de menor iluminación, es decir, sombras; en otras palabras: las variaciones en la forma de los objetos, se hacen visibles por el contraste de brillos existente entre las zonas de sombra y las zonas iluminadas. Por esta razón, un objeto tridimensional, iluminado de frente, parece de dos dimensiones, ya que no existen sombras; el mismo objeto, iluminado lateralmente, produce sensación visual de relieve, debido a la existencia de sombras y, por tanto, a los contrastes de brillo.

Sensibilidad a los colores. El efecto de la radiación luminosa sobre el ojo varía con su longitud de onda; dicho de otra forma, a cada longitud de onda corresponde una sensación particular de color. Los límites de percepción del ojo humano están comprendidos entre las longitudes de onda de 350 ~ (violeta) y 760 mg (color rojo) (v. LUZ, COLOR). La máxima sensibilidad para la percepción visual se presenta para una longitud de onda de 555 mtt.

5. Lámparas eléctricas. Todas las fuentes luminosas empleadas actualmente en L. son lámparas eléctricas, que transforman la energía eléctrica de alimentación, en energía luminosa, apta para su percepción por el ojo humano. Para juzgar las cualidades de una lámpara, son determinantes estos dos factores: a) duración, o tiempo que transcurre hasta que el flujo luminoso desciende a un 80% de su valor inicial; b) rendimiento luminoso, o relación entre el flujo luminoso emitido por la lámpara y la potencia eléctrica consumida, es decir,

w

cuyo valor está expresado en lúmenes por vatio (lm/w). El máximo rendimiento posible es de 682 lm/w, que se conseguirá cuando toda la potencia eléctrica suministrada, se convierta en radiación luminosa de 555 mw, que corresponde a la máxima sensibilidad del ojo humano. En el estado actual de la técnica, sólo se alcanzan valores de unos 170 ]m/w.

En las lámparas eléctricas, se emplean tres procedimientos para la producción de luz a partir de la energía eléctrica:

1) Por incandescencia de cuerpos sólidos al paso de la corriente eléctrica (lámparas incandescentes). Estas lámparas (fig. 6) están constituidas por un filamento de tungsteno, atravesado por la corriente eléctrica y encerrado en una ampolla de cristal, en cuyo interior se hace el vacío o, en otros casos, se rellena con un gas inerte (argón, xenón, etc.). La duración media es de unas l.000 h. y el rendimiento máximo alcanzado es de 20 lm/w, fabricándose para potencias comprendidas entre 10 y 3.000 w. Las radiaciones incandescentes están caracterizadas por un espectro luminoso continuo, con predominio de los tonos calientes (anaranjado, rojo, etc.) y no dependen de la naturaleza de los cuerpos incandescentes, sino exclusivamente de la temperatura. Aplicaciones: alumbrado de interiores, locales comerciales, escaparates, etc.

2) Por descarga eléctrica en el seno de gases y vapores metálicos (lámparas de descarga). En condiciones espe

ciales de presión y de tensión eléctrica, los gases y vapores metálicos se ionizan, haciéndose conductores, provocando un arco eléctrico entre dos electrodos y produciendo, al propio tiempo, radiaciones visibles. Una lámpara de descarga (fig. 7) consta de un tubo de cuarzo, en el que se produce la descarga, relleno a presión de un gas inerte (argón, neón, etc.) y de una pequeña cantidad de metal (mercurio, sodio) que se vaporiza por efecto de la descarga. El conjunto está introducido en una ampolla de vidrio donde, generalmente, se hace el vacío. Al producirse la descarga, los vapores metálicos emiten radiaciones luminiscentes caracterizadas por un espectro discontinuo (lámpara de vapor de mercurio) o monocromático (lámpara de vapor de sodio) y que, además, no dependen de la temperatura, sino de la constitución atómica de los cuerpos luminiscentes. La duración media oscila entre 6.000 h. (vapor de sodio) y 12.000 h. (vapor de mercurio) y su rendimiento está comprendido entre 50 lm/w (vapor de mercurio) y 170 lm/w (vapor de sodio); se fabrican para potencias entre 80 y 2.000 w. No son apropiadas para alumbrado de interiores porque deforman los colores a causa de su espectro discontinuo; pero, por su buen rendimiento luminoso, se emplean en alumbrado de fábricas y de grandes espacios descubiertos y, además, en iluminación de calles, carreteras y autopistas. Tardan algunos minutos en encenderse y, si se apagan, no pueden volver a encenderse hasta haberse enfriado, lo que requiere unos minutos. Modernamente, se han perfeccionado estas lámparas para conseguir una mejor reproducción de colores: unas veces (lámparas de luz mixta) encerrando elementos de vapor de mercurio y de incandescencia en una misma ampolla; otras veces (lámparas de vapor de mercurio de color corregido), impregnando interiormente la ampolla de vidrio de una capa fluorescente en la que, al incidir las radiaciones ultravioleta producidas en la descarga, producen nuevas radiaciones visibles de espectro continuo; finalmente, en otras ocasiones (lámparas de vapor de sodio de alta presión) aumentando la presión interior del tubo de descarga, con lo que se modifica el espectro luminoso del cuerpo luminiscente.

3) Por transformación de radiaciones (lámparas fluorescentes). Excitando las sustancias fluorescentes con radiaciones ultravioleta, estas sustancias emiten radiaciones visibles (v. LUMINISCENCIA). Las lámparas fluorescentes (fig. 8) están constituidas por un tubo de vidrio rectilíneo, recubierto en su parte interior de una capa de polvos fluorescentes; en cada extremo del tubo hay un electrodo de tungsteno recubierto de una sustancia que, al calentarse, emite electrones. El interior del tubo contiene gas argón a baja presión y una gota de mercurio. Cuando se conecta la lámpara, los electrodos se ponen incandescentes y se inicia la emisión de electrones, al propio tiempo que el calor desarrollado vaporiza la gota de mercurio. Los electrones emitidos chocan con las partículas de vapor de mercurio provocando la formación de radiaciones ultravioleta que, al incidir sobre la capa de polvos fluorescentes, producen radiaciones visibles. Mezclando adecuadamente las sustancias fluorescentes, pueden obtenerse distintos espectros continuos y, por tanto, diferentes tonalidades de luz (luz de día, blanco brillante, blanco caliente, etc.). También en este caso, las radiaciones emitidas son luminiscentes. La duración media es de unas 7.000 h. y el rendimiento luminoso alcanza a 75 lm/w. La gama de potencias está comprendida entre 12 y 200 w. Aplicaciones: alumbrado de interiores, de locales comerciales, etc.

En las lámparas que emiten radiaciones luminiscentes (es decir, las de descarga y las fluorescentes) sucede que la resistencia eléctrica disminuye al aumentar la temperatura; si estas lámparas se conectan directamente a la red eléctrica, la corriente va aumentando de valor hasta provocar la destrucción de la lámpara. Por esta razón, se conectan a la red a través de un dispositivo de gran impedancia (bobina de inductancia, autotransformador, etc.) llamado, en general, reactancia o ballast que limita adecuadamente la elevación de la corriente.

6. Sistemas de iluminación. Se clasifican según la distribución del flujo luminoso, por encima o por debajo de la horizontal; es decir, teniendo en cuenta la proporción de flujo luminoso proyectado directamente sobre la superficie iluminada y la que llega a dicha superficie después de reflejarse por techo y paredes. En la fig. 9 se han resumido estos sistemas:

a) lluminacióu directa. Prácticamente todo el flujo luminoso se dirige directamente a la superficie que se ha de iluminar. Produce sombras duras y profundas y existe peligro de deslumbramiento.

b) Iluminación semidirecta. La mayor parte del flujo luminoso se dirige a la superficie a iluminar; una pequeña parte (de 10 a 40%) se hace llegar a dicha superficie, previa reflexión por techo y paredes. Las sombras no son

tan duras como en el caso anterior y, además, se reduce el peligro de deslumbramiento.

c) llumiuación difusa. Aproximadamente la mitad del flujo luminoso se dirige directamente hacia abajo y la otra mitad llega a la superficie iluminada previa reflexión por techo y paredes. Se eliminan totalmente las sombras y se reduce aún más el peligro de deslumbramiento.

d) Iluminación semiiudirecta. Una pequeña parte del flujo luminoso (de 10 a 40%) se recibe directamente en la superficie iluminada; la mayor parte se dirige hacia el techo, donde se refleja para llegar finalmente a dicha superficie. El rendimiento es bajo porque, en las sucesivas reflexiones, parte del flujo luminoso es absorbido por techo y paredes. Se consigue una iluminación de buena calidad, casi totalmente exenta de deslumbramiento y con sombras suaves, muy agradables a la vista del observador.

e) Iluminación indirecta. Prácticamente todo el flujo luminoso se dirige hacia el techo; la fuente luminosa queda totalmente oculta a los ojos del observador que no percibe zonas luminosas sino zonas iluminadas. El rendimiento es muy bajo, por lo que las paredes y techo del local han de estar pintadas de colores muy claros. El efecto luminoso conseguido es el mejor de todos, pues la iluminación de los objetos es muy suave, sin contrastes de brillo, carece absolutamente de deslumbramiento y no existen sombras laterales.

7. Métodos de alumbrado. Se eligen de acuerdo con la concentración de luz necesaria para efectuar una tarea determinada; en cada uno de los métodos que se van a explicar puede utilizarse cualquiera de los sistemas de iluminación del párrafo anterior. Estos métodos son:

Alumbrado general. Distribución uniforme de luz que produce idénticas condiciones de visión en todos los lugares de un interior. Es el método más empleado en oficinas, fábricas, etc.

Alumbrado general localizado. Se emplea cuando no es necesario mantener el mismo nivel de iluminación en un interior. Se agrupan las fuentes luminosas sobre los lugares que deben mantenerse fuertemente iluminados y, al propio tiempo, se asegura una iluminación general suficiente y sin contrastes de brillo sobre las zonas menos iluminadas.

Alumbrado individual. Se utiliza cuando se necesita un alto nivel de iluminación en la zona de trabajo individual. El ejemplo más característico son las lámparas de sobremesa.

Alumbrado combinado. Se combinan, en un mismo local. el alumbrado general y el alumbrado individual, definidos anteriormente. La relación de luminancias entre la zona de trabajo y el ambiente general no debe ser mayor de 10: l.

8. Aparatos de alumbrado. Modifican la distribución luminosa de las lámparas desnudas, según las características deseadas de iluminación y ocultan estas lámparas de la visión directa del observador, para evitar el deslumbramiento. Los más interesantes son:

Difusores (fig. 10). Actúan relativamente poco sobre la distribución luminosa de la lámpara, pues su misión es, sobre todo, difundir la luz para disminuir los efectos de deslumbramiento (al aumentar la superficie luminosa, disminuye la luminancia de la lámpara).

Reflectores (fig. 11). Su efecto es desplazar la curva de distribución luminosa de la lámpara hacia abajo, de forma que se aprovechen mejor las características luminosas de la lámpara.

Reflectores. Están basados en las leyes de la refracción y sólo se emplean en combinación con otros tipos de aparatos.

Aparatos mixtos. Combinando adecuadamente los aparatos anteriores se pueden conseguir todos los sistemas de iluminación. Casi todos los aparatos de alumbrado utilizados en L. son aparatos mixtos.

V. t.: ESPECTROS; FOTOMETRÍA; COLOR; LUMINISCENCIA; Luz; OJO; OPTICA; RADIACIÓN; RAYOS ULTRAVIOLETA E INFRARROJO; REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN.

J. RAMÍREZ VÁZQUEZ.

BIBL.: J. RAMÍREZ, Luminotecnia, en Enciclopedia CEAC de Electricidad, XI, Barcelona 1972; J. W. FAVIE Y OTROS, Alumbrado, Madrid .1963; J A. TABOADA, Manual Osram, Madrid 1970; J. BOUD, Técnica moderna de iluminación del hogar, Madrid 1967; J. RAMÍREZ, Curso de iluminación fluorescente, Barcelona 1965.