Luminotecnia. Domótica e instalaciones eléctricas inteligentes. Miguel Angel García García José María Yusta Loyo. Curso

Transcripción

1 Luminotecnia Miguel Angel García García José María Yusta Loyo Curso

2 Luminotecnia. (Del latín lumen, -inis, luz, y -tecnia). Arte de la iluminación con luz artificial para fines industriales o artísticos. (Real Academia Española de la Lengua) -2-

3 1- Introducción -3-

4 1.1- La luz -4-

5 1.1- La luz Naturaleza de la luz Teoría corpuscular (Newton 1670): Corpúsculos que viajan por el espacio en línea recta. Teoría ondulatoria (Huygens 1678, Young, Fresnel): Ondas similares a las del sonido que requieren de un medio material para su propagación (Éter). Teoría electromagnética (Maxwell 1860): Ondas electromagnéticas. Teoría de los cuantos (Planck): Paquetes de energía llamados cuantos. Teoría unificada (Broglie 1924): Unifica la teoría electromagnética y la teoría de los cuantos, demostrando la doble naturaleza de la luz como una onda y como corpúsculos que viajan por el espacio. -5-

6 1.1- La luz Así pues: La luz es un fenómeno ondulatorio electromagnético de pequeñas partículas denominadas fotones, cuya energía es proporcional a su frecuencia de vibración. Dicha frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda. La luz visible ocupa una franja muy estrecha dentro de las radiaciones electromagnéticas. La longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas capaces de impresionar el sentido de la vista, se encuentra entre 380 nm y 760nm Frecuencia (Hz) Rayos cósmicos Rayos Rayos X Ultravioleta Infrarrojo Luz visible nm Ra dar FM Televisión Radiodifusión Longitud de onda (m) -6-

7 1.1- La luz Los frentes de onda de luz se desplazan en línea recta. Es posible modificar su dirección mediante un medio difusor, reflectante o refractante, pero siempre continúan en línea recta. Los rayos luminosos pasan unos a través de otros sin sufrir modificación alguna. La luz es invisible mientras no hay algo que la disperse en la dirección del ojo. En iluminación artificial interesa, además del un nivel luminoso apropiado, que la energía radiante de las fuentes luminosas al incidir sobre los objetos excite al sistema visual y reproduzca en el cerebro lo más ampliamente posible el espectro visible. No todas las fuentes luminosas consiguen esto, ya que si bien algunas reproducen casi todo el espectro visible, otras sólo reproducen un color. Una fuente de luz puede dar un espectro luminoso continuo si incluye todas las longitudes de onda visible. Un espectro lineal discreto es aquel que contiene solamente uno o varios grupos separados de diferentes longitudes de onda. -7-

8 1.1- La luz E Luz del Sol E Lámpara incandescente E Lámpara fluorescente Longitud de onda Longitud de onda Longitud de onda El conocimiento de la distribución espectral de las fuentes de luz empleadas en iluminación es fundamental a la hora de conseguir el efecto luminoso deseado. Así los colores llamados cálidos (rojo, naranja, amarillo) producen sensación de proximidad y dinamismo, mientras que los fríos (verde, azul, violeta) de alejamiento y relajación. -8-

9 1.2- La visión -9-

10 1.2- La visión Más del 70% de la información captada por los sentidos, y que le sirve al ser humano para relacionarse con su entorno, se recibe a través de la vista mediante el proceso que se denomina VISIÓN. El ojo es un mecanismo fisiológico que se parece en su funcionamiento al de una cámara fotográfica. Los rayos luminosos entran por la pupila, pasan a través del cristalino (lente), e inciden sobre las células fotosensibles localizadas en el fondo de la superficie interna del globo ocular llamada retina (película). El párpado hace la función del obturador y el iris de diafragma, regulando la entrada de luz. -10-

11 1.2- La visión En la retina existen dos tipos de células fotosensibles: los bastones y los conos, que transmiten señales al cerebro a través del nervio óptico. La mayoría de los conos se agrupan en una pequeña área cerca del centro de la retina (fóvea), donde objetos enfocados por el cristalino forman una imagen invertida. La fina disposición en mosaico de los conos, permite que se forme una imagen clara y nítida, que es transmitida por el nervio óptico al cerebro. Los conos nos permiten leer e inspeccionar objetos cercanos, distinguir colores y hacer comparaciones visuales precisas. La concentración de conos disminuye a medida que aumentaladistanciaalafóvea. Estosignificaquefuera de la abertura del pequeño ángulo visual dominado por los conos, la claridad y la agudeza visual disminuyen rápidamente. Los conos son insensibles a los niveles bajos de iluminación. -11-

12 1.2- La visión Los bastones están menos densos que los conos y se encuentran dispersos sobre toda la superficie interna del globo ocular. Son mucho más sensibles a la luz, y por su disposición no producen una imagen nítidamente enfocada. Bastones Visión en blanco y negro De 75 a distribuidos Conexión en paralelo Visión periférica, acromática y escotópica Conos Visión en color De 6 a (en la fóvea) Conexiones nerviosas 1:1 Visión fotópica y de detalle -12-

13 1.2- La visión Alteraciones en los receptores del color dan lugar al daltonismo (anomalía ligada al cromosoma X, que se daentreel5yel8%deloshombresyel0,1%delas mujeres). -13-

14 1.2- La visión Ejemplo de prueba de daltonismo: 8, 3 2, nada 5, nada -14-

15 1.2- La visión Tipos de visión: De acuerdo a la constitución del ojo: Visión central o foveal: En la fóvea hay mayor concentración de conos que de bastones. Este tipo de visión se caracteriza por una buena agudeza visual, por una baja sensibilidad a la luz y por distinguir los colores. Visión periférica: Fuera de la fóvea, prácticamente no hay conos. Son los bastones los que ocupan la periferia de la retina. Este tipo de visión se caracteriza por una buena sensibilidad a la luz, por una baja agudeza visual y por la ausencia de la visión de los colores. -15-

16 1.2- La visión En función de los niveles de iluminación: Visión escotópica: Se da para niveles de iluminación inferiores a 0,05 lux. Los bastones son los elementos activos fundamentales en este caso y la visión periférica es superior a la foveal. Esta visión no produce en el cerebro la sensación de color ( de noche, todos los gatos son pardos ) Visión mesópica: Es la visión comprendida entre los niveles de iluminación de 0,05 lux y 3 lux. Debido al desplazamiento de la curva de sensibilidad espectral relativa, el ojo se hace más sensible a los colores más próximos al extremo azul del espectro. Visión fotópica: Se da si el ojo está adaptado a niveles de iluminación mayores que 3 lux. Los conos son los elementos activos primordiales y es posible una captación normal del color. -16-

17 1.2- La visión La retina tiene diferente sensibilidad para las distintas radiaciones comprendidas en el rango del espectro visible. De hecho, en condiciones normales de iluminación, la mayor sensibilidad corresponde a la frecuencia del amarillo verdoso. Para niveles de iluminación bajos, la sensibilidad del ojo se desplaza hacia el extremo del color azul (efecto Purkinje). -17-

18 1.3- El color -18-

19 1.3- El color El color Se puede definir el color como una interpretación psicofisiológica del espectro electromagnético visible. No es una propiedad intrínseca del los cuerpos, ya que no sólo depende de sus propiedades ópticas, sino que depende también de la composición espectral de la luz que reciben. Diagrama de Cromaticidad de la C.I.E. (Commission Internationale de l'eclairage) -19-

20 1.3- El color Temperatura de color Por la ley de BOLTZMAN y la ley de WEIN, se sabe que todo cuerpo emite radiaciones cuya cantidad de materia y longitud de onda son función de la temperatura. La temperatura de color es una forma de expresar el color de un cuerpo por comparación de éste con el color del cuerpo negro, que es el radiante perfecto teórico. Sellamatemperaturadecoloralatemperatura(enºK)a la que habría que calentar el cuerpo negro teórico para que emitiera radiación luminosa del mismo color que el considerado. Cuando se calienta un cuerpo negro, éste se pone primero rojo, luego naranja, etc., por tanto, la luz del extremo rojo del espectro se dice que tiene una temperatura de color baja, temperatura que va subiendo conforme se pasa hacia la región azul del mismo. -20-

21 1.3- El color Modelo de color RGB Modelo de color CYM Síntesis Aditiva Síntesis Sustractiva -21-

22 2- Magnitudes de Luminotecnia -22-

23 2- Magnitudes de Luminotecnia En iluminación intervienen 3 elementos básicos: la fuente de luz, el objeto a iluminar y el sujeto receptor. Atendiendo a estos tres elementos, las magnitudes más relevantes son: Flujo Luminoso: Toda fuente de luz es un dispositivo para transformar energía de un estado a otro. Esta transformación de energía no es muy eficiente. La mayor parte de la energía se transforma en infrarrojo, cercano y lejano, con lo que sólo una pequeña parte de la emisión es visible El flujo luminoso es la cantidad de luz emitida o radiada por una fuente de luz, en un segundo, en todas las direcciones. Símbolo: Unidad: Lumen(lm) La medida del flujo luminoso de una fuente de luz se realiza en una Esfera Integradora o Esfera de Ulbricht -23-

24 2- Magnitudes de Luminotecnia Medida del Flujo luminoso Esfera integradora o Esfera de Ulbricht -24-

25 2- Magnitudes de Luminotecnia Intensidad Luminosa: Es el flujo luminoso por unidad de ángulo sólido, que es emitido por una fuente puntual en una determinada dirección. Corresponde al flujo de luz emitido dentro de un cono cuyo vértice es la fuente de luz Símbolo: I Unidad: Candela (cd)= Lumen/estereorradián 1 m I ( lm/ sr) La candela es una unidad fundamental del Sistema Internacional de Unidades -25-

26 2- Magnitudes de Luminotecnia Iluminancia: Cantidad de flujo luminoso que recibe una superficie por unidad de área de dicha superficie, supuesta uniformemente iluminada. Símbolo: E Unidad: Lux (lx) = Lumen/m 2 Una superficie estará mejor iluminada por un determinado flujo cuanto menor sea ésta. 2 E ( lm/ m ) S Iluminancia -26-

27 2- Magnitudes de Luminotecnia La iluminancia se mide mediante un instrumento denominado luxómetro. Valores típicos de iluminancia Mediodía en verano Mediodía en invierno Oficina bien iluminada Calle bien iluminada Luna llena con cielo claro lx lx De 400 a 800 lx De 20 a 30 lx 1 lx Fotografía extraída del Banco de Imágenes y Sonidos Ministerio de Educación y Ciencia -27-

28 2- Magnitudes de Luminotecnia Luminancia: Es la magnitud fundamental en iluminación a pesar de reflejar algo subjetivo, ya que mide la sensación de luminosidad más o menos grande que se percibe por hallarse en el campo visual una fuente de luz o una superficie iluminada. Es la sensación de claridad que el ojo recibe de una superficie. Está directamente ligada con la intensidad luminosa que llega a la superficie y con su coeficiente de reflexión. El ojo percibe diferencia de luminancias y no de iluminación. A igual nivel de iluminación, diferentes objetos pueden tener diferentes luminancias debido a su distinto índice de reflexión. Símbolo: L Unidad: Candela/m 2 (cd/m 2 ) -28-

29 2- Magnitudes de Luminotecnia S I I L cd m S' Scos 2 ( / ) S : Superficie perpendicular S a la intensidad I Valores típicos de luminancia Cielo oscuro 0,0004 cd/m 2 Luna llena cd/m 2 Tubo fluorescente cd/m 2 Filamento lámpara incandescente cd/m 2 Luminancímetro o Nitómetro -29-

30 2- Magnitudes de Luminotecnia Rendimiento Luminoso (Eficacia Luminosa): Indicaelflujo luminoso que emite una fuente de luz por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. Símbolo: Unidad: Lúmenes/vatio (lm/w) P ( lm/ W) Si se consiguiera fabricar una lámpara que transformara toda la energía eléctrica en luz a una longitud de onda de 555 nm, esta lámpara tendría la máxima eficacia posible y sería de 683 lm/w. Energía Luminosa: Al igual que la energía eléctrica se determina como la potencia eléctrica en la unidad de tiempo, la energía luminosa es el flujo luminoso emitido por una fuente de luz en una unidad de tiempo. Símbolo: Q Unidad: Lumenporhora(lm h) Q t ( lm h) -30-