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 COMO CARGA DE POTENCIA LÁMPARA COMO FUENTE DE LUZ VATIOS LÚMENES ¿ARRANQUE, CALENTAMIENTO, ENVEJECIMIENTO, MODELO ELÉCTRICO,….? ¿LÚMENES, CANDELAS, LUX, ESPECTRO, DIAGRAMAS RADIACIÓN, COLOR,……?
FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA TOPOLOGÍA DE POTENCIA CARGA DE POTENCIA ETAPA DE CONTROL ALIMENTACIÓN GOBIERNO INFORMACIÓN USUARIO
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 funcionamiento Arranque 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
SUMARIO Concepto de Luz; Radiometría; Fotometría; Unidades Fotométricas; Instrumentos de Medida Fotométrica; Colorimetría; Ejemplos de Lámparas Comerciales; Conclusión.
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 POTENCIA ELÉCTRICA (vatios) POTENCIA RADIADA POTENCIA LUMINOSA POTENCIA NO LUMINOSA CALOR POTENCIA LUMINOSA CORREGIDA (Lúmenes)
CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO 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
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
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 (Gp:) 350 400 450 500 550 600 650 700 750 (Gp:) ? [nm]
ESPECTROS DE DISTINTOS TIPOS DE LÁMPARAS
(Gp:) CONECTOR SMA DE ENTRADA (Gp:) DETECTOR CCD (Gp:) ESPEJOS COLIMADORES
¿COMO SE OBTIENE EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA? SE APROVECHA LA VARIACIÓN DE LA REFRACCIÓN CON LA LONGITUD DE ONDA GRATING LOS MODERNOS MONOCROMADORES UTILIZAN REDES DE DIFRACCIÓN (GRATINGs) PARA DISPERSAR LA LUZ Y OBTENER SU ESPECTRO ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ESPECTROFOTÓMETRO INCIDENTE DIFRACTADA GRATING
¿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) POTENCIA RADIADA POTENCIA LUMINOSA POTENCIA NO LUMINOSA CALOR POTENCIA LUMINOSA CORREGIDA (Lúmenes)
100 10.000 380 770 50 100 0 ? [nm] (Gp:) P(?)
W nm
EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W ZONA VISIBLE 10% POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W ¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!
100 10.000 380 770 50 100 0 ? [nm] (Gp:) P(?)
W nm
LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W: CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO V(?) P(?) EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm). 1 vatio-luz = 683 Lúmenes 30 vatios-luz = 20.490 Lúmenes FLUJO LUMINOSO (?) MODELO DE OJO
350 400 450 500 550 600 650 700 750 ? [nm] 0 1 V(?) MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA – FOTÓPICO (Experimental)
(Gp:) 20.490 Lúmenes 1000 W (Gp:) ? 21 lm/W (Gp:) Rendimiento ?=
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) Ejemplo en MathCad
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 una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*1012 Hz (en el aire 555 nm) y cuya 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.
LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS) 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 AL ESPACIO (ANGULO SÓLIDO) En realidad, no existen fuentes como un punto uniforme. Sin embargo, si el diámetro de la fuente de luz es menor que 20% de la distancia a la que se mide, se considera que la fuente es puntual.
EL ÁNGULO SÓLIDO: ESTEREORRADIÁN Geometría plana: Ángulos y radianes(rd) (Gp:) radio (Gp:) ? (Gp:) arco
"La circunferencia completa son 2? rd" Geometría de sólidos (estereometría): Superficie y estereorradián (sr) radio área ángulo ángulo sólido ? "La esfera completa son 4? sr" Formas diferenciales
NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES DIAGRAMA DE RADIACIÓN Generalmente tiene geometría axial (Se obtiene con un Goniofotómetro) LA INTENSIDAD LUMINOSA (I) ES LA MEDIDA DE LA LUZ EN UNA DETERMINADA DIRECCIÓN
RELACIÓN ENTRE LA INTENSIDAD LUMINOSA I (Cd) Y EL FLUJO LUMINOSO ? (lm) r 1 cd DEL EJEMPLO ANTERIOR: La fuente uniforme de 1 cd emite 4? lm "Si la fuente no es uniforme debemos integrar en toda la superficie de la esfera" (Posteriormente haremos un ejemplo) "La intensidad luminosa es el flujo luminoso en una dirección dada"
EL FLUJO LUMINOSO QUE VIAJA DESDE UNA FUENTE DE LUZ, SE RECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SE REFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUEN NÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS.
En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poner algunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura
CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN POTENCIA RADIANTE FLUJO RADIANTE RADIANT POWER RADIANT FLUX [W] FLUJO LUMINOSO LUMINOUS FLUX [lm] INTENSIDAD RADIANTE RADIANT INTENSITY [W/sr] INTENSIDAD LUMINOSA LUMINOUS INTENSITY [cd] IRRADIANCIA IRRADIANCE [W/m2] ILUMINACIÓN ILUMINANCE [lx] ? lm/m2 EXCITANCIA EXITANCE [W/m2] EXCITANCIA LUMINOSA LUMIOUS EXCITANCE [lm/m2] RADIANCIA RADIANCE [W/(sr m2)] LUMINANCIA O BRILLO LUMINANCE [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 SUPERFICIE EN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE RADIOMETRÍA FOTOMETRÍA
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, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4 ? lm que recibe 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. r 1 cd
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 Como habíamos visto antes El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de ? m2. En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminoso por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie. LUMINANCIA ES BRILLO
EJEMPLO CON LUMINANCIA Tenemos 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)
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" 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.
r 1 cd EJEMPLO: Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso 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"
0.8 m PROBLEMA TÍPICO: ¿CUANTAS LÁMPARAS, DE QUE TIPO, DONDE SE COLOCAN, PARA ASEGURAR UN DETERMINADO NIVEL DE ILUMINACIÓN EN EL PLANO DE TRABAJO?
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 0.5 m 0.5 m 40 Lx 10 Lx "Si medimos 10 Lx a 1 m de distancia, a 0.5 m mediremos 40 Lx"
2ª LEY: LA ILUMINACIÓN CON INCIDENCIA OBLICUA (Gp:) ? (Gp:) d (Gp:) 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
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:
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. Solución Como vimos al hablar de magnitudes fotométricas, las componentes de la iluminancia, se pueden calcular empleando las fórmulas:
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.
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 y Los 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:
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(?) Tomamos como diferencial de ángulo sólido una cinta alrededor de la esfera de espesor r d? y de longitud 2?r De donde podemos obtener el diferencial de flujo luminoso Integrando se obtiene el flujo luminoso p.e. GEOMETRÍA AXIAL
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
? d? r d? Obtención del Angulo sólido con simetría axial.
(Muy usual en iluminación)
(Gp:) ?3 30 cd
(Gp:) ?2 20 cd
(Gp:) ?1 10 cd
MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA UTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL Y COMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO.
REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHO ESPACIO.
SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SE COMPLICA.
SE PUEDE OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA (FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990) COMENTARIO: IDEA BASE: Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera.
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