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