CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1 LUMINOTECNIA
Es
la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su
control y aplicación, sus magnitudes son: Flujo luminoso, Rendimiento luminoso,
Luminancia, Iluminación y fuente de luz
Grafico Nº 1.
Representación Grafica de las magnitudes de la luminotecnia
2.2 LAMPARAS.
El
invento de la lámpara incandescente se atribuye generalmente a Thomas Alva
Edison que presentó el 21 de octubre de 1878 una lámpara práctica y viable, que
lució durante 48 horas ininterrumpidas. Otros inventores también habían
desarrollado modelos que funcionaban en laboratorio. La bombilla es uno de los
inventos más utilizados por el hombre desde su creación hasta la fecha. Según
un ranking de la revista Life es la segunda más útil de las invenciones del
siglo XIX.
Grafico Nº 2.
Partes de una
lámpara incandescente.
1. Envoltura - ampolla de vidrio
- bulbo
2. Gas inerte
3. Filamento de wolframio
4. Hilo de contacto (va al pie)
5. Hilo de contacto (va a la
base)
6. Alambre(s) de sujeción y
disipación de calor del filamento
7. Conducto de refrigeración y
soporte interno del filamento
8. Base de contacto
9. Casquillo metálico
10. Aislamiento eléctrico
11.
Pie de contacto eléctrico
2.2.1.
Clasificación de las lámparas.
Las lámparas de
alumbrado público son fuentes luminosas artificiales y pueden ser clasificadas
en dos grandes grupos: Lámparas incandescentes y lámparas de descarga en gas.
2.2.2 Lámparas
Incandescentes.-
“Según Gutiérrez
S. (1996). Las lámparas incandescentes se caracterizan por la gran
proliferación de subtipos, el fácil control de la luz, por su reducción de
tamaño, el color adecuado, su baja eficiencia luminosa y elevada luminosidad”.
(p.154)
Una
lámpara incandescente es un dispositivo que produce haz de luz mediante el
calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico de un material llamado
wolframio o también denominado tungsteno, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante
el paso de corriente eléctrica.
La lámpara
incandescente es la de más bajo rendimiento luminoso de las lámparas
utilizadas: de 12 a 18 lm/W, la que menor vida útil o durabilidad, tiene, unas
1000 horas, pero es la más difundida, por su bajo precio y el color cálido de
su luz.
No ofrece muy buena
reproducción de los colores, ya que no emite en la zona de colores fríos, pero
al ser su espectro de emisiones continuo logra contener todas las longitudes de
onda en la parte que emite del espectro. Su eficiencia es muy baja, ya que solo
convierte en trabajo (luz visible) alrededor del 15% de la energía consumida.
Otro 25% será transformado en energía calorífica y el 60% restante en radiación
no perceptible, luz ultravioleta y luz infrarroja, que igual terminan
convirtiéndose en calor.
2.2.3 Lámpara de
descarga en gases.-
El rendimiento
luminoso de este tipo de lámparas es mucho mayor que el de las lámparas
incandescentes. Motivo por el cual las lámparas han encontrado una gran
aceptación como fuente luminosa económica.
2.2.4.
Funcionamiento de las lámparas de descarga.-
Este tipo de
lámparas operan con balastos, los mismos que tienen la función primordial de
limitar la corriente que atraviesa la lámpara al valor establecido. Luego del
encendido la corriente que circula por la lámpara crece rápidamente como
consecuencia de la avalancha de electrones que se libera en el interior del
tubo de descarga sin obstáculo alguno.
2.2.5.
Clasificación de las lámparas de descarga.
Las lámparas de
descarga se pueden clasificar según el gas utilizado (vapor de mercurio o
sodio) o la presión a la que este se encuentre (alta obaja presión). Las
propiedades varían mucho de unas a otras y esto las hace adecuadas para unos
usos u otros.
Lámparas de vapor
de mercurio:
Baja presión:
a.- Lámparas
fluorescentes
Alta presión:
b.- Lámparas de
vapor de mercurio a alta presión
c.- Lámparas de luz
de mezcla
d.- Lámparas con
halogenuros metálicos
Lámparas de vapor
de sodio:
e.- Lámparas de
vapor de sodio a baja presión
f.- Lámparas de
vapor de sodio a alta presión
a. Lámparas vapor
de mercurio a baja presión.-
“Según OSRAM
DULUX (1998). La eficacia de este tipo de lámparas oscila entre los 38 y 91
lm/W dependiendo de las características de cada lámpara, La duración de estas
lámparas se sitúa entre 5000 y 7000 horas. Su vida termina con el desgaste
sufrido por la sustancia emisora que recubre los electrodos”. (p. 145)
Las
lámparas fluorescentes o lámparas vapor de mercurio a baja presión se
caracterizan por carecer de ampolla exterior. Están formadas por un tubo de
diámetro normalizado, normalmente cilíndrico, cerrado en cada extremo con un
casquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos. El tubo de descarga
está relleno con vapor de mercurio a baja presión yuna pequeña cantidad de un
gas inerte que sirve para facilitar el encendido y controlar la descarga de
electrones.
Grafico Nº 3.-
Lámpara Fluorescente
Este
tipo de lámparas necesitan para su funcionamiento la presencia de elementos
auxiliares, para limitar la corriente que atraviesa el tubo de descarga
utilizan el balasto y para el encendido existen varias posibilidades que se
pueden resumir en arranque con cebador o sin él. En el primer caso, el cebador
se utiliza para calentar los electrodos antes de someterlos a la tensión de
arranque. En el segundo caso tenemos las lámparas de arranque rápido en las que
se calientan continuamente los electrodos y las de arranque instantáneo en que
la ignición se consigue aplicando una tensión elevada, actualmente existen las
lámparas fluorescentes compactas que llevan incorporado el balasto y el
cebador. Son lámparas pequeñas con casquillo de rosca o bayoneta elaboradas
para sustituir a las
lámparas incandescentes con ahorros de hasta el 70% de energía y unas buenas
prestaciones. Además el rendimiento en color de estas lámparas varía de
moderado a excelente según las sustancias fluorescentes empleadas. Para las
destinadas a usos habituales que no requieran de gran precisión. De igual forma
la apariencia y la temperatura de color varía según las características
concretas de cada lámpara.
b. Lámpara vapor
de mercurio a alta presión.-
Estas
lámparas tienen una tensión de encendido entre 150 y 180 V que permite
conectarlas a la red de 220 V sin necesidad de elementos auxiliares. Para
encenderlas se recurre a un electrodo auxiliar próximo a uno de los electrodos
principales que ioniza el gas inerte contenido en el tubo y facilita el inicio
de la descarga entre los electrodos principales. Luego se inicia un periodo
transitorio de unos cuatro minutos, caracterizado porque la luz pasa de un tono
violeta a blanco azulado, en el que se produce la vaporización del mercurio y
un incremento progresivo de la presión del vapor y el flujo luminoso hasta
alcanzar los valores normales. La vida útil se establece en unas 8000 horas, su
eficacia oscila entre 40 y 60 lm/W y aumenta con la potencia, aunque para una
misma potencia es posible incrementar la eficacia añadiendo un recubrimiento de
polvos fosforescentes que conviertan la luz ultravioleta en visible. En el
siguiente grafico se representa una lámpara vapor de mercurio alta presión.
Grafico Nº 4.-
Lámpara Vapor de Mercurio a alta presión
c. Lámparas de
luz de mezcla (ML).-
Las
lámparas de luz de mezcla son una combinación de una lámpara de mercurio a alta
presión con una lámpara incandescente y habitualmente, un recubrimiento
fosforescente. El resultado de esta mezcla es la superposición, al espectro del
mercurio, del espectro continuo característico de la lámpara incandescente y
las radiaciones rojas provenientes de la fosforescencia. Una particularidad de
estas lámparas es que no necesitan balasto ya que el propio filamento actúa
como estabilizador de la corriente. Esto las hace adecuadas para sustituir las
lámparas incandescentes sin necesidad de modificar las instalaciones, en el
grafico N. 5 se puede observar la lámpara de luz mezcla.
Su eficacia se sitúa
entre 20 y 60 lm/W y es el resultado de la combinación de la eficacia de una
lámpara incandescente con la de una lámpara de descarga. Estas lámparas ofrecen
una buena reproducción del color con un rendimiento en color de 60 lm/w y una
temperatura de color de 3600º K (grados Kelvin). La duración viene limitada por
el tiempo de vida del filamento que es la principal causa de fallo. Su vida
media se sitúa en torno a las 6000 horas.
d. Lámparas de
halogenuros metálicos.-
Son lámparas de
descarga de alta presión, del grupo de las lámparas llamadas HID (HightIntensityDischarge).
Son generalmente de alta potencia y con una buena reproducción de colores,
además de la luz ultravioleta. Originalmente fueron creadas en los años 1960
para el usoindustrial pero las excelentes prestaciones cromáticas la hacen
adecuada para la iluminación de instalaciones deportivas, para retransmisiones
de TV, estudios de cine, proyectores, etc. La eficiencia de estas lámparas
ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de unas 10000 horas. Tienen un
periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que
se estabiliza la descarga. Para su funcionamiento es necesario un dispositivo
especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas
(1500-5000 V).En el grafico N. 6 se puede observar la lámpara de halogenuro
metálico.
Grafico Nº 6
Lámpara de Halogenuro Metálico
e. Lámparas de
vapor de sodio a baja presión (SOX).-
El tubo de estas
lámparas es de vidrio, en forma de U, para disminuir pérdidas por calor y
reducir el tamaño. Contiene sodio que se evapora a 98ºC con una presión de unos
pocos N/m2 para conseguir una tensión de encendido baja. El tiempo de arranque
de una lámpara de este tipo es de unos diez minutos, tiempo necesario desde que
se inicia la descarga en el tubo en una mezcla de gases inertes (neón y argón)
hasta que se vaporiza todo el sodio y comienza a emitir luz. Físicamente esto
corresponde a pasar de una luz roja (propia del neón) a la amarilla
característica del sodio. Se procede así para reducir la tensión de encendido.
En el Grafico N. 7 se puede observar la estructura de una lámpara de sodio a
baja presión.
Grafico Nº 7.-
Lámpara de Sodio a baja presión.
La descarga
eléctrica en un tubo con vapor de sodio a baja presión produce una radiación
monocromática característica formada por dos rayas en el espectro, la eficacia
de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W), así como su gran
comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por
contra, su monocromatismohace que la reproducción de colores y el rendimiento
en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los
objetos. La vida media de estas lámparas es muy elevada, de unas 15000 horas y
la depreciación de flujo luminoso que sufren a lo largo de su vida es muy baja
por lo que su vida útil es de 6000 y 8000 horas. Esto junto a su alta
eficiencia y las ventajas visuales que ofrece la hacen muy adecuada para usos
de alumbrado público, aunque también se utiliza con finalidades decorativas. La
vida útil termina por agotamiento de la sustancia emisora de electrones como
ocurre en otras lámparas de descarga. Además puede producirse por deterioro del
tubo de descarga o de la ampolla exterior.
f. Lámparas de
vapor de sodio de alta presión (SON).-
“Según SOCELEC.
(1998). Las lámparas de vapor de sodio a alta presión tienen una distribución
espectral que abarca casi todo el espectro visible proporcionando una luz
blanca dorada mucho más agradable que la proporcionada por las lámparas de baja
presión”. (p.256).
Las condiciones de
funcionamiento son muy exigentes debido a las altas temperaturas (1000 ºC), la
presión y las agresiones químicas producidas por el sodio que debe soportar el
tubo de descarga. En su interior hay una mezcla de sodio, vapor de mercurio que
actúa como amortiguador de la descarga y xenón que sirve para facilitar el
arranque y reducir las pérdidas térmicas. El tubo está rodeado por una ampolla
en la que se ha hecho el vacío. La tensión de encendido de estas lámparas es
muy elevada y su tiempo de arranque es muy breve. Este tipo de lámparas tienen
muchos usos posibles tanto en iluminación de interiores como de exteriores.
Algunos ejemplos son en iluminación de naves industriales, alumbradopúblico o
iluminación decorativa. En el grafico N. 8 se puede observar la lámpara de
sodio de alta presión.
Grafico Nº 8.-
Lámpara Vapor de Sodio alta presión.
La vida media de
estas lámparas es de 20000 horas y su vida útil entre 8000 y 12000 horas. Entre
las causas que limitan la duración de la lámpara, además de mencionar la
depreciación del flujo tenemos que hablar del fallo por fugas en el tubo de
descarga y del incremento progresivo de la tensión de encendido necesaria hasta
niveles que impiden su correcto funcionamiento.
2.2.6. Lámparas
de doble potencia.-
Las lámparas de
doble potencia consisten fundamentalmente en una reactancia electromagnética
destinada a obtener un ahorro de energía, permitiendo que a determinadas horas
de la noche, se pueda reducir el nivel de iluminación de una instalación
concreta. Estas reactancias se caracterizan constructivamente por tener dos
bobinados en serie. Uno deellos (el principal) proporciona la corriente y potencia
nominales a la lámpara. Cuando se desea obtener una reducción de iluminación se
conecta el otro bobinado (secundario) de forma que aumenta la impedancia,
disminuyendo así la intensidad y potencia en la lámpara, con lo cual se
disminuye el flujo luminoso.
2.2.7. Diodos
LED.-
El
Diodo LED es lo más avanzado en tecnología de Iluminación eficiente. El corazón
de un Diodo de Emisión de Luz (LED) es un "chip" de silicio del
tamaño de un grano de sal construido de una combinación de cristales. Cuando
una pequeña corriente eléctrica pasa a través del chip genera luz. Los LEDs
presentan una serie de ventajas de orden técnico sobre cualquier otro tipo de
iluminación. El color de la luz producida por los LEDs depende de la
combinación de cristales que constituye el chip de silicio. De esta manera, los
LEDs producen un solo color, según el tipo de uso específico. Toda la luz
generada por el LED es utilizable para la generación de color sin necesidad de
filtros. A diferencia de las lámparas incandescentes, y lámparas fluorescentes
casi toda la energía utilizada por el LED es convertida en luz en lugar de
calor. La eficiencia de luminosidad de los LEDs varía entre 5% para el color
azul y más de 20% para el color rojo, y casi no hay desperdicio de energía en
la forma de disipación de calor. Además, la forma de la luz generada por el LED
concentra la luz de salida sin necesidad de componentes ópticos adicionales,
haciéndolos más eficientes y de una mayor relación costo beneficio al utilizar
la luz producida en forma más eficiente. En el grafico N. 9 se puede observar
la lámpara LED.
Actualmente
las lámparas LED se pueden usar para cualquier aplicación comercial, desde el
alumbrado decorativo hasta el de viales y jardines, presentado ciertas
ventajas, entre las que destacan su considerable ahorro energético, la vida
útil de los LEDs es de 100,000 horas, esto representa 20 veces más duración que
la mejor lámpara incandescente (5,000 horas) y dos veces más duración que la
mejor lámpara fluorescente, son muy resistentes. Además de ser robustas, y
generadores eficientes de luz, los LEDs son luces de bajo voltaje que se
adecuan naturalmente a la energía solar pero también con ciertos inconvenientes
como su elevado costo en el mercado.
2.3. LUMINARIAS
Se define luminaria
como aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por
una o varias lámparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el
soporte, la fijación y la protección de lámparas y en caso necesario, los
circuitos auxiliares en combinación con los medios de conexión con la red de
alimentación. De manera general consta de los siguientes elementos:
2.3.1.
Reflectores.-
“Según EREÚ M. G.
(1998), la función de un reflector es distribuir la luz emitida por la fuente
luminosa. Se fabrican de aluminio abrillantado y anodizado con vidrio
metalizado, o bien, con lámina esmaltada”. (pág. 415)
2.3.2.
Refractores.-
“Según EREÚ M. G.
(1998), un refractor se construye de forma de copa, de globo o de media pero,
se construyen de vidrio o de materiales plásticos con acabado prismatizado, de
manera que dirijan los rayos de luz de manera establecida”. (p.416)
2.3.3.
Difusores.-
“Según EREÚ M. G. (1998),, tienen la función principal de disminuir la
luminancia de las lámparas, están construidos de algunos tipos de vidrio o de
material plástico o platino que atenúa el deslumbramiento, pero que reduce el
rendimiento de la luminaria. Los difusores se usan en cierto modo para
alumbrado decorativo en la iluminación de jardines, parques, y calles en donde se
debe cumplir con ciertas exigencias estéticas”. (p. 417)
2.3.4.
Clasificación de las Luminarias.
Las luminarias
pueden clasificarse de muchas maneras aunque lo más común es utilizar criterios
ópticos, mecánicos o eléctricos.
2.3.4.1.
Clasificación según las características ópticas de la lámpara
Las luminarias se
clasifican según el porcentaje del flujo luminoso emitido por encima y por
debajo del plano horizontal que atraviesa la lámpara. Es decir, dependiendo de
la cantidad de luz que ilumine hacia el techo o al suelo.
2.3.4.2.
Clasificación según las características mecánicas de la lámpara
Las luminarias se
clasifican según el grado de protección contra el polvo, los líquidos y los
golpes. El primer número va de 0 (sin protección) a 6(máxima protección) e
indica la protección contra la entrada de polvo y cuerpos sólidos en la
luminaria. El segundo va de 0 a 8 e indica el grado de protección contra la
penetración de líquidos.
2.4. Sistemas de
Protección y Medición
En todos los campos
y en todas las cosas se emplean las medidas. Sean estas del tipo que sean,
existirá un patrón que servirá de referencia, medir es “Comparar con una unidad
patrón y ver cuántas veces es contenida esta unidad”.
La medida de las
magnitudes eléctricas se realiza con aparatos construidos para este fin, son
muchos y muy variados los tipos y sistemas utilizados como aparatos de medida y
cada vez surgen nuevos tipos que ganan en exactitud pero, nos referimos solo a
los sistemas mas utilizados industrialmente y mas sencillos que podremos
considerar como aparatos básicos en electricidad.
2.4.1 Sistema de
medición luxómetro.-
El luxómetro sirve
para la medición precisa de los acontecimientos luminosos en el sector de la
industria, el comercio, la agricultura y la investigación. En la siguiente
figura N. 14 podemos apreciar un diseño del luxómetro.
Grafico Nº 14
Luxómetro.
2.4.2. Sistema de
medición amperímetro.-
Es un instrumento
para medir la corriente eléctrica, fue creado n su primera edición por el casi
anónimo Jhonn Jairo Ribero Duque, consiste, básicamente, en un galvanómetro con
un shunt o resistencia en paralelo con la bobina, de magnitud lo
suficientemente pequeña como para conseguir que prácticamente toda, la
corriente se desvíe por ella y que el aparato de Medida perturbe lo menos
posible las condiciones del circuito.Los amperímetros se conectan en serie con
el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se desea medir
la intensidad. En el grafico N. 15 se representa la forma de conectar un
amperímetro.
Grafico Nº 15
Conexión de un
Amperímetro en un circuito.
2.4.3. Sistema de
medición voltímetro.-
Un voltímetro se
utiliza para medir diferencias de potencial entre dos puntos cualesquiera y
viene a ser un galvanómetro con una importante resistencia asociada en serie
con él. El voltímetro se conecta en paralelo o derivación entre los puntos cuya
diferencia de potencial se desea medir. Si la resistencia total del voltímetro
es mucho mayor que la del circuito, entre tales puntos la corriente se derivará
en su mayor parte por el tramo que ofrece menor resistencia a su paso y sólo
una fracción de ella atravesará el voltímetro. Con ello se logra que la
perturbación que introduce en el circuito el aparato de medida sea despreciable.
En el grafico N. 16 se puede observar la forma de conectar un voltímetro.
Grafico Nº 16
Conexión de un
voltímetro en un circuito
2.4.4. Sistemas
de protección.-
“Según AmicK. L.
Ch. P. E. (1998), los sistemas de energía eléctrica están sujetos a sobre
voltajes externos (rayos) y también a sobre voltajes generados internamente
(operación de interruptores) que pueden dar lugar a altos voltajes temporales.
Para mantener un sistema de alto grado de confiabilidad, se necesita protección
contra estos (que pueden ser aire, aceite, SF6). Esta protección implica un
diseño coordinado del sistema de energía mismo y la incorporación de
dispositivos de protección apropiados en lugares estratégicos para fines de
supervisión de sobre voltajes y evitar las fallas de aislamiento”
2.5. GLOSARIO DE
TERMINOS
Bobinados.- Conjunto de bobinas que forman parte de un
circuito eléctrico
Casquillo.- Parte metálica fijada en la bombilla de una
lámpara eléctrica, que permite conectar esta con el circuito
Cromático.- Que presenta al ojo del observador los
objetos contorneados con los visos y colores del arco iris
Deslumbramiento.-
Turbación de la vista por
luz excesiva o repentina
Electrones.- Partícula elemental más ligera que forma
parte de los átomos y que contiene la mínima carga posible de electricidad
negativa
Espectro.- Distribución de la intensidad de una
radiación en función de una magnitud característica, como la longitud de onda,
la energía, la frecuencia o la masa
Filamento.- Hilo que se pone incandescente en el
interior de las bombillas al encenderlas
Flujo.- Magnitud que expresa la energía luminosa
emitida o recibida por un cuerpo en la unidad de tiempo.
Flujo luminoso.- totalidad de la potencia luminosa emitida
por una fuente de luz en todas las direcciones.
Fosforescencia.- Luminiscencia que permanece algún tiempo al
cesar la causa que la produzca
Fuente de Luz.- Existen dos formas de transformar la
energía eléctrica en luz. En las lámparas de incandescencia se calienta un
metal gracias al paso de la corriente eléctrica hasta que se pone incandescente
y emite luz. En las lámparas de descarga en gases de luz se produce en la
descarga de un gas o en determinados fenómenos de transformación en substancias
ruinosas
Gas.- Fluido que tiende a expandirse
indefinidamente y que se caracteriza por su pequeña densidad, como el aire
Iluminación.- La iluminación mide la luz que llega a una
determinada superficie. La unidad de iluminación (también llamada luminaria) es
el lux
Lámpara.- dispositivo empleado para la iluminación
artificial.
Luminancia.- La luminancia sirve para medir la impresión
de luminosidad con que percibe el ojo una determinada superficie iluminada.
Luminotecnia.- ciencia que estudia las distintas formas de
producción de luz, así como su control y aplicación
Monocromática.- De un solo color
Rendimiento
Luminoso.- Es que
proporción de potencia eléctrica se transforma en potencia luminosa.
Sobre voltaje.- Variación del voltaje dentro de un
determinado tiempo
