SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN y... · INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS. UNIVERSIDAD DE OVIEDO Sistemas Electrónicos para iluminación UNIOVI-GEI: Grupo de …

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrónicos para iluminación

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓNPARTE IINTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS




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 COMOCARGA DE POTENCIA

LÁMPARA COMOFUENTE DE LUZ

VATIOS LÚMENES

¿ARRANQUE, CALENTAMIENTO, ENVEJECIMIENTO, MODELO ELÉCTRICO,....?

¿LÚMENES, CANDELAS, LUX, ESPECTRO, DIAGRAMAS RADIACIÓN, COLOR,......?




FUENTEPRIMARIA

DE ENERGÍATOPOLOGÍA

DE POTENCIA

CARGA DE POTENCIA

ETAPA DECONTROL

ALIMENTACIÓN

GOBIERNO

INFORMACIÓN

USUARIO




CONSUMO NETO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

España1960 14.625 millones kWh1970 45.300 millones kWh1980 92.006 millones kWh1990 129.161 millones kWh1998 172.368 millones kWh

Según la agencia Internacional de la energía el 17% se utiliza en iluminación.

Las LÁMPARAS son cargas de potencia que representan un consumo de energía eléctrica muy importante.




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 funcionamientoArranque 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




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

POTENCIAELÉCTRICA(vatios)

POTENCIARADIADA

POTENCIALUMINOSA

POTENCIANO LUMINOSA

CALOR

POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)




CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTROELECTROMAGNÉTICO 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

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

cf

chE




EJEMPLOS DE USO:

1.- ¿A QUE FRECUENCIA CORRESPONDE LA LUZ ROJA (R) DE 700 nm, LA LUZ VERDE (G) DE 546.1 nm Y LA LUZ AZUL (B) DE 435.8 nm EN EL VACIO?.

2.- UN ELECTRÓN EXCITADO QUE RETORNA A SU NIVEL ENERGÉTICO DE REPOSO EMITE LUZ VERDE DE 546.1 nm ¿QUE SALTO DE ENERGÍA TENEMOS ENTRE EL NIVEL EXCITADO Y EL DE REPOSO?. DAR LA SOLUCIÓN EN JULIOS Y EN eV.

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

RGB

546.1 nm

435.8 nm 546.1 nm 700 nm




RESULTADOS

MathCAD 2001 profesional

1 eV = 1.6 10-19 J




350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

INCANDESCENTE - HALÓGENA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN

VM

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN

LPS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

FLUORESCENTE (VAPOR DE MERCURIO BAJA PRESIÓN)

LUZ 927 BLANCO CÁLIDO

ESPECTROS DEDISTINTOS TIPOS

DE LÁMPARAS




CONECTOR SMA DE ENTRADA

DETECTOR CCDESPEJOS COLIMADORES

¿COMO SE OBTIENE EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA?

SE APROVECHA LA VARIACIÓN DE LA REFRACCIÓN CON LA LONGITUD DE ONDA

GRATING

LOS MODERNOS MONOCROMADORESUTILIZAN REDES DE DIFRACCIÓN (GRATINGs)PARA DISPERSAR LA LUZ Y OBTENER SU ESPECTRO

ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ESPECTROFOTÓMETRO

INCIDENTE DIFRACTADA

GRATING




PRÁCTICA: ESPECTRO DE UNA LÁMPARA

TARJETA DE ADQUISICIÓN32 bits RISC C

MATRIZDE FOTODIODOS2.5 mm alto x 25 m ancho1024 diodos (pixels)62 KHz

ESPECTRÓGRAFOORIEL MS 125

CORRECTORCOSENO

SOFTWARE(INSTASPECTM ORIEL)

FICHERODE DATOS

LÁMPARA




ENTRADA - CONECTOR SMA

DETECTOR ESPEJOS COLIMADORES

GRATING

PRÁCTICA: DETALLE ESPECTRÓMETRO

GRATING

MODELO RANURAS

(l/mm)

ANCHO DE BANDA

(mm/inch)

RESOLUCIÓN

(nm)

RANGO

(nm)

77411 1200 180 0.4 300 - 1250

77413 600 350 0.7 180 - 500

77415 600 350 0.7 450 - 2500

77417 400 530 1.0 300 - 1200

77422 300 670 1.5 200 - 750

RESOLUCIÓN Y ANCHO DE BANDA PARA MATRIZ DE 1024 DIODOS DE 25 m

Y ENTRADA (SLIT) DE 25 m DE ANCHO

1024 X 25 m

1 inch

2.5 mm

MATRIZ DE DIODOS

380 770300 1200600 865335

CENTRAL

ANCHO DE BANDA (530 nm)

RANGO ESPECTRAL

DATOS PARA GRATING 77417




PRÁCTICA: AJUSTE DEL TORNILLO MICROMÉTRICO

TORNILLO MICROMÉTRICO

DATOSCENTRAL = 600 nm

RANURAS = 400 l/mm

3400

1200FACTOR ESCALA

2003

600MICRÓMETRO

CADA DIVISIÓN DEL TORNILLO MICROMÉTRICO VALE 50 nm (AJUSTE GRUESO).

CADA DIVISIÓN DEL TORNILLO VERNIER(AJUSTE FINO) VALE 1 nm.

4 VUELTAS DEL TORNILLOMICROMÉTRICO.(4 x 50 nm)

AJUSTE FINO A CERO.(0 x 1 nm)

NOTA: Se puede ajustar con precisión utilizando una lámpara patrón.(p.e. Neon 6031 o Hg (Ar) 6035. ¡cuidado con el UVA-C!)

El tornillo micrométrico centra el haz de luz sobre la matriz de diodos




PRÁCTICA: INSTASPEC SOFTWARE

SELECCIONAR ESPECTRÓGRAFOSetup Spectrograph

MS125RS232 - COM1

TEMPERATURATemperature

Cooler = ONDegress = 1

CALIBRACIÓNSetup Spectrograph - Hardware

Center wavelength = 600 nmoffset = 0 Grating = 400

Nota: El propio programa te calcula donde tienes que poner el tornillo micrométrico

IMPORTANTE: Tomar las medidas a baja temperatura reduce notablemente el ruido de fondo

COMENTARIO: La tarjeta de control viene configurada por defecto para trabajar con la interrupción 5 y dirección de E/S 330 h.

La tarjeta dispone de puentes (jumper) en la placa para cambiar estor valores.




ADQUISICIÓNSEÑAL (Signal)FONDO (Background)

MEDIDA QUE NOS INTERESA Counts (Bg corrected)

FONDOSEÑALCUENTAS SCORREGUIDA

TIPO DE ADQUISICIÓN Accumulate

Exposure Time = 0.3 SAccumulate Cycle Time = 10 SNumber of accumulations = 20

TIPO DE ADQUISICIÓN Single Scan

Exposure Time = 0.3 S

TIPO DE ADQUISICIÓN Real Time

Exposure Time = 0.3 SDelay = 1 S

GUARDAR DATOS A FICHEROExport As

Fichero ASCII (.asc)

Tipo de datos:Señal (sig)Fondo (bg)

UNIDADES DEL EJE XChange Units

Wavelength units = nm

PRÁCTICA: INSTASPEC SOFTWARE




350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

ESPECTRO DE LA LUZ SOLAR

CUERPO NEGRO A 5800 K

RADIACIÓN SOLAR EN EL EXTERIOR

RADIACIÓN SOLAR A NIVEL DEL MAR

"LA RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO A 5800 K APROXIMA RAZONABLEMENTE LA RADIACIÓN SOLAR EN EL EXTERIOR DE LA ATMÓSFERA"




¿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)POTENCIARADIADA

POTENCIALUMINOSA

POTENCIANO LUMINOSA

CALOR

POTENCIALUMINOSACORREGIDA(Lúmenes)




100 10.000380 770

50

100

0

[nm]

P()

Wnm

EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W

ZONA VISIBLE 10%

POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W

¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!

W1000d)P(Peλ

0λ

W100)P(Pλ

380λLSC

d

770




100 10.000380 770

50

100

0

[nm]

P()

Wnm

LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W:CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO

luz"-vatios"30d)V()P(λ

380λ

770

V() P()

EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm).1 vatio-luz = 683 Lúmenes30 vatios-luz = 20.490 Lúmenes

FLUJO LUMINOSO ()

MODELO DE OJO




350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

0

1

V()

2)555.0(42.2570.1)( eV

MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA(Experimental)




20.490 Lúmenes1000 W

21 lm/WRendimiento =

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)

Pe

Φη




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 unafuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*1012 Hz (en el aire 555 nm) ycuya 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.




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 ALESPACIO (ANGULO SÓLIDO)




EL ÁNGULO SÓLIDO: ESTEREORRADIÁN

Geometría plana: Ángulos y radianes(rd)

radio

arco

radio

arco

"La circunferencia completason 2 rd"

Geometría de sólidos (estereometría):Superficie y estereorradián (sr)

radio

área

2radio

area

ángulo

ángulosólido

"La esfera completa son 4 sr"

radio

arcodd

2radio

areadd

Formas diferenciales




NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES

DIAGRAMA DE RADIACIÓNGeneralmente 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 (Cd) Y EL FLUJO LUMINOSO ()

d

dI dI

r

1 cd

DEL EJEMPLO ANTERIOR:

La fuente uniforme de 1 cd emite 4 lm

"Si la fuente no es uniforme debemos integraren 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, SERECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SEREFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUENNÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS.

En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poneralgunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura




CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN

POTENCIA RADIANTEFLUJO RADIANTERADIANT POWERRADIANT FLUX

[W]

FLUJO LUMINOSOLUMINOUS FLUX

[lm]

INTENSIDAD RADIANTERADIANT INTENSITY

[W/sr]

INTENSIDAD LUMINOSALUMINOUS INTENSITY

[cd]

IRRADIAN CÍAIRRADIANCE

[W/m2]

ILUMINACIÓNILUMINANCE

[lx]

EXCITANCIAEXITANCE

[W/m2]

EXCITANCIA LUMINOSALUMIOUS EXCITANCE

[lm/m2]

RADIANCIARADIANCE[W/(sr m2)]

LUMINANCIA O BRILLOLUMINANCE

[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 SUPERFICIEEN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE




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, nuestrafuente homogénea de 1 cd emiteun flujo luminoso de 4 lm querecibe 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.

2/8.04

48.0mlmH

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

2/8.04

48.0mlmH

Como habíamos visto antes

El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de m2.

2/8.0

mcdL

En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminosa por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie.

LUMINANCIAES BRILLO




EJEMPLO CON LUMINANCIATenemos 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"

d

dE

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 fuentehomogénea de 1 cd emite un flujoluminoso 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 ASEGURARUN 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

2d

IE

0.5 m0.5 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

cos2d

IE

d

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.

SoluciónComo 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.




OTRO EJEMPLO

Lámpara de 10 W

10 cd

20 cd

30 cd

DIAGRAMA DE RADIACIÓNSimetría Axial (muy típica)(Candelas)

Preguntas:

1.- Colocada en el techo (3 m de altura) y mirando hacia abajo.¿Cual el el nivel de luz (Lux) en una mesa de 1 m de altura colocada justamente debajo de ella?

2.- Nivel de luz en la mesa si la alejamos 2 m del eje de la lámpara

3m

1m

2m

30º

60º




3m

1m

2m

EJEMPLO

E1 E2

lxd

IE 5.7

2

301

22

lxd

IE 7.1º45cos

22

20cos2

222

Iluminación debajo de la lámpara

Iluminación Horizontal apartados 1 m=45º

30 cd20 cd

ILUMINACIÓN DIRECTA




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

yLos 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()

22

)sen2(

r

rdr

r

dAd

Tomamos como diferencial de ángulo sólido una cintaalrededor de la esfera de espesor r d y de longitud2r

De donde podemos obtener el diferencialde flujo luminoso

dIdId sen)(2)(

180

0

sen)(2 dI

Integrando se obtiene el flujo luminoso

p.e.GEOMETRÍAAXIAL




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




dsenr

drsenr

r

dAd

2

)2(22

d

rd

Obtención del Angulo sólido con simetría axial.

(Muy usual en iluminación)




330 cd

220 cd

110 cd

srdsen 14.3236

0

srdsen 3.2)13(226

2

6

srdsen 84.0)32(212

62

lmIII 6.1483014.3203.21084.0332211

Wlm86.14

10

6.148

62

6




EJEMPLO CON UN DIODO LED:

A partir del diagrama de radiación de un determinado diodo LED, se pide obtener sus lúmenes.

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

Diagrama de radiación en Candelas1

0diagrama a( )

a

180

2

Lumenes

180

0

180

aI a( ) 2 sina

180

d

Lumenes 0.67

Realizado con un programa matemático




MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARAUTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL YCOMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO.

REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHOESPACIO.

SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SECOMPLICA.

SE PUEDEN OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNALÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA(FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990)

COMENTARIO:

24 RI IDEA BASE:Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera.




IDEA A IMPLEMENTAR EN UN FOTÓMETRO DE ESFERA:

Hacer que la emisión de nuestra lámpara se asemeje a una fuente de luz puntual que emite igual en todas las direcciones




MEDIDA DEL FLUJO LUMINOSO CON UNA ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT

- LÁMPARA EN EL CENTRO DE UNA ESFERA DE RADIO MAYOR QUE 4 VECES EL TAMAÑO DE LA LÁMPARAS.(Para poder considerarla una fuente puntual).

- SE MIDE LA ILUMINACIÓN EN UNA PEQUEÑA SUPERFICIE (VENTANA) DE LA ESFERA (FOTÓMETRO CON FILTRO V().

-SE EVITA LA ILUMINACIÓN DIRECTA DESDE LA FUENTE DE LUZ HASTA EL FOTÓMETRO.

-EL INTERIOR DE LA ESFERA ES UNIFORMEMENTE DIFUSO. NO ABSORBE, NO TRANSMITE, SOLO REFLEJA.

-EL FACTOR DE REFLEXIÓN DEBE SER IGUAL PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA.




FOTÓMETRO

ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT

VENTANA

PANTALLA 241

RE

241

RE

n

Luz recibida en reflexión 1

Luz recibida reflexión n

La suma de todas las reflexiones será:

nn

REiE

1

2

4)...(2

Se obtiene la expresión:

cteR

E24)1(

LA ILUMINACIÓN MEDIDA EN EL FOTÓMETRO ES PROPORCIONAL AL FLUJO LUMINOSO DE LA LÁMPARA.SE REQUIERE UNA LÁMPARA PATRÓN PARA OBTENER LA CONSTANTE.LAS MEDIDAS POR ESTE PROCEDIMIENTO SON MUY RÁPIDAS




ESFERA INTEGRADORA Y GONIOFOTOMETROS (IMÁGENES)




PRÁCTICA: Medida de Lúmenes totales de una lámpara.

Equipos a utilizar:

1.- Esfera integradora de 1 m de radio2.- Fotómetro J18 de Tektronix con sensor J1811 (medida de iluminación)3.- Lámpara halógena patrón.4.- Fuente de alterna. HP-6812-A. 300 Vrms - 750 VA.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICA J1811

UNIDADES DE MEDIDA lx (Lm/m2)RANGO DE MEDIDA DE 0.01 - 5000 [lx]RESPUESTA ESPECTRAL: CIE ESTÁNDAR FOTÓPICO (error < 3%)ANGULO DE ACEPTACIÓN: 180º (CORRECCIÓN COSENO)




HALÓGENA

75 W 220 VRMS

327.6 mA - 919 Lm

FOTÓMETROJ18

PANTALLA

SENSORJ1811

PATRÓN

LÁMPARA

HP 6812AAC POWER SOURCE 300 Vrms / 750 VA

PRÁCTICA:




PRÁCTICA: RESULTADOS

LUX PATRÓN =

LÚMENES PATRÓN = 919 lm

POTENCIA PATRÓN = 72 W LUX LÁMPARA =

LÚMENES LÁMPARA =

POTENCIA LÁMPARA =

PATRÓN

PATRÓN

LÁMPARALÁMPARA lx

lmlxlm

LÁMPARA

LÁMPARA

LÁMPARA W

lm

LÁMPARA LÚMENES

[lm]RENDIMIENTO

[lm/W]

Halógena 75 W (patrón) 919 12.7

24 RI

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