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Publicaciones de Estudiantes
Autor: Adrian Javier Leon
Titulo:
Lightning
Area:
Pais:
Perfil:
Programa:
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Yes
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PROPOSITO DEL TEMA
Esta actividad se dirige a los puestos que se orientan al diseño
luminotécnico, a la
coordinación y ejecución de equipos eléctricos (luminarias ) , con
el propósito de crear
las condiciones de iluminación mas favorables para el desarrollo de
una determinada obra
( iluminación residencial , comercial , industrial , exteriores )
Se caracteriza esta actividad por el conocimiento de los diferentes
equipos eléctricos
(luminarias) , conceptos , fundamentos y cálculos luminotécnicos ,
que favorecen las
condiciones de luminosidad e intensidad que se utilizan para
desarrollar una actividad
especifica , creando ambientes de iluminación adecuados de acuerdo a
la actividad a
realizar en dicho lugar , teniendo en cuenta también todos los
factores importantes para
establecer dichas condiciones que se acerquen a lo mas ideal posible
como ser trabajo a
realizar ; condiciones físicas , ambientales y estructurales del
lugar , seguridad ,
emergencia ,estética , etc.
1- FUNDAMENTOS Y CONCEPTOS DE LUMINOTECNIA
1-1- INTRODUCCION A LA LUMINOTECNIA
La luminotecnia es la ciencia que estudia las distintas formas de
producción de luz , así
como su control y aplicación , es decir ,es el arte de la
iluminación con luz artificial para
fines específicos .
La luz es una manifestación de la energía en forma de radiaciones
electromagnéticas
capaces de afectar el órgano visual . Se denomina radiación a la
transmisión de energía a
través del espacio .La luz se compone de partículas energizadas
denominadas fotones,
cuyo grado de energía y frecuencia determina la longitud de onda y
el color. Según
estudios científicos, la luz sería una corriente de paquetes
fotónicos que se mueven en el
campo en forma ondulatoria por un lado y en forma corpuscular por
otro.
Gracias a la luz captamos las impresiones de claridad, relieve,
forma, color y
movimientos de los objetos que forman nuestro mundo exterior.
Hay dos tipos de objetos visibles: aquellos que por sí mismos emiten
luz y los que la
reflejan. El
color de estos
depende del espectro
de la luz que incide y de
la absorción del
objeto, la cual determina qué ondas son reflejadas.La luz blanca se
produce cuando todas
las longitudes de onda del espectro visible están presentes en
proporciones e intensidades
iguales. Esto se verifica en un disco que gira velozmente y que
contiene todos los colores
distribuidos uniformemente.
El ojo humano es sensible a este pequeño rango del espectro
radioeléctrico. Las ondas
que tienen menor frecuencia que la luz (por ejemplo
la radio), tienen mayor longitud de
onda, y rodean los objetos sin interaccionar con ellos. Esto permite
tener cobertura en el
teléfono móvil aún dentro de una casa. Las ondas de mayor frecuencia
que la luz tienen
3
una longitud de onda tan pequeña que atraviesan
la materia, por ejemplo los
rayos X
atraviesan algunos materiales como la carne, aunque no los huesos.
Es sólo en la franja
del espectro que
va desde el violeta hasta el rojo donde las ondas electromagnéticas
interaccionan (se reflejan o absorben) con la materia y permiten ver
los objetos, sus
formas, su posición, etc. Dentro de esta franja del espectro se
puede determinar qué
frecuencia o conjunto de frecuencias refleja o emite cada objeto, es
decir, el color que
tiene.
Por otra parte, la iluminación es la más antigua y más difusa de las
aplicaciones de la
electricidad. Actualmente, parece difícil concebir la vida sin la
luz eléctrica.
La luz eléctrica es la más cómoda, limpia, segura o higiénica de los
otros tipos de luz
artificial; sin embargo, requiere de una correcta utilización en
forma eficiente y
económica, y tomando en consideración que las fuentes primarias de
producción de la
energía eléctrica que alimentan a las instalaciones y sistemas de
alumbrado, estén
constituidas por alimentación de energéticos primarios, como el
petróleo, que constituyen
fuentes no renovables.
El problema del alumbrado o de iluminación interior a exterior, es
obtener una buena
iluminación con un menor consumo de energía eléctrica.
La iluminación artificial tiene como objeto reemplazar a la natural
cuando esta falta o es
escasa.La iluminación artificial debe parecerse lo mas posible a la
iluminación natural.
Por lo general, la persona que se encarga del proyecto y la
ejecución de una instalación
eléctrica, no la relaciona con el problema de la iluminación, ya sea
de casas, habitación,
oficinas o instalaciones industriales, considerando para esto,
eficiencia luminosa, estética
y economía; esto hace necesario el conocimiento de algunos conceptos
de iluminación y
su relación directa con las instalaciones eléctricas en el concepto
clásico de las mismas.
El conocimiento de las características de las distintas fuentes
luminosas de los aparatos o
equipos de iluminación, de los métodos de cálculo y algunos otros
aspectos de la
iluminación, es importante para las personas relacionadas con las
instalaciones eléctricas.
1-2- LA LUZ
La luz es la sensación producida en el ojo humano por las ondas
electromagnéticas. Se
trata de campos electromagnéticos alternativos que transportan
energía a través del
espacio y se propagan bajo la forma de oscilaciones o vibraciones.
Al igual que todos los movimientos ondulatorios, las ondas
electromagnéticas se
caracterizan por la longitud de onda y por la frecuencia
La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es de
unos 300 000
kilómetros por segundo.
La longitud de onda de las ondas electromagnéticas visibles suele
medirse en
manómetros (1 nm una milmillonésima de metro).
El campo (espectro) de las ondas electromagnéticas visibles por el
hombre se extiende
desde 380 a 780 nm. Las ondas más largas corresponden al extremo
visible rojo (colin-
dante con el campo de las radiaciones infrarrojas, las cuales no son
ya visibles y tienen
propiedades caloríficas), las ondas más cortas corresponden al
extremo visible violeta
(colindante con el campo de las radiaciones ultravioleta, que no son
visibles pero que
favorecen a las reacciones fotoquímicas). Ondas electromagnéticas
visibles de distinta
4
longitud de onda dan un percepción (visibilidad)
distinta de los objetos y de su color .En
realidad el color es una sensación óptica que depende del conjunto
de las longitudes de
onda que un cuerpo no absorbe, o sea, que refleja .
La sensibilidad del ojo humano es máxima para el color
verde--amarillo (550 nm) y cae
rápidamente tanto del lado del ultravioleta como del infrarrojo.
Se dice de una luz que es monocromática si está constituida por
ondas electromagnéticas
de igual longitud de onda, que revelan un solo color (por ejemplo,
las lámparas de vapor
de sodio de baja presión).
La luz solar o la de una lámpara de incandescencia, en cambio, es de
espectro continuo
(luz blanca) porque comprende toda la gama de las longitudes de onda
visibles. Un rayo
de luz blanca, al atravesar un prisma de cristal, se descompone en
los colores
fundamentales. La sucesión de los colores del espectro visible es la
misma que la del arco
iris.
La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente
expresión
matemática:
longitud de onda = C X T = C ÷ f
Donde es la longitud de onda,
C es la velocidad de
la luz en el vacío , T el periodo y "f"
la frecuencia. La frecuencia es el número de vibraciones por unidad
de
tiempo y su
unidad es por tanto el ciclo por segundo o el Hz (Hertzio) .La
longitud de onda es una
distancia y por lo tanto su unidad de medida es el metro. Como
la luz es una radiación
electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se
usan submúltiplos
del metro, como son el Ángstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de
metro y el
Namómetro (nm) que es la milmillonésima de metro.
1-3- MAGNITUDES FOTOMETRICAS
Flujo luminoso : El flujo luminoso es la cantidad de luz
emitida por una fuente luminosa
(puede ser una lámpara) en la unidad de tiempo (segundo).
La unidad de medida del flujo luminoso es el Lumen (abreviatura lm
).
Flujo de luz , independiente de la dirección .Por lo general ,se usa
para :
-Expresar la producción total de luz de una fuente.
-Expresar la cantidad incidente en una superficie.
Si se considera que la fuente de iluminación es una lámpara ,
una parte del flujo la
absorbe el mismo aparato de iluminación , también se debe hacer
notar que el flujo
luminoso no se distribuye en forma uniforme en todas direcciones y
que disminuye si
sobre la lámpara se depositan polvo y otras substancias.
5
El símbolo es la letra griega : o (se lee FI).
Iluminación o iluminancia: Se define como el flujo luminoso
por unidad de superficie ,
se designa con el símbolo E y se mide en Lux .
LUMEN
LUX= -----------------
2
m
Flujo luminoso
E= ----------------------------
Unidad de superficie
.Cuando la unidad de flujo es el lumen y el área esta expresado en
pies cuadrados, la
unidad de iluminación es el Footcandle (fc). Cuando el área esta
expresada en metros
cuadrados, la unidad de iluminación es el lux (Lx).
Se da a continuación algunos valores típicos:
Una noche sin luz ------------------------------------- 0,01 Lux
Una noche con luna llena -----------------------------0,2 Lux
Una noche con alumbrado publico en las calles----5 20 Lux
Una oficina con buena iluminación ------------------500 Lux
Un aparador bien iluminado ---------------------------3000 Lux
Un día claro con cielo nebuloso -----------------------20000 Lux
Un día de verano a pleno sol ------------ --------------100000 Lux
Intensidad luminosa : Es la cantidad fotométrica de
referencia. Parte del flujo emitido
6
por una fuente luminosa ,en una dirección dada ,
por el ángulo solidó que lo contiene .
La unidad relativa de medición es la candela ( cd ) .
Con referencia a la candela , el lumen se define como el flujo
luminoso emitido en el
interior de un ángulo sólido de 1 esteradianes (28,6 grados sólidos)
, por una fuente
puntiforme igual a 1 candela . Para aclarar esta definición , se
puede agregar que una
fuente luminosa que emite 1 candela en todas las direcciones (360
grados sólidos )
proporciona un flujo luminoso de 4 x 3,14 = 12,56 lumen .
Energía de la luz
I =------------------------
Angulo sólido
Se da a continuación algunos valores :
Lámpara para bicicleta ( sin reflector )
----------------------------------------- 1 cd
La misma lámpara para bicicleta , pero con
reflector---------------------------250 cd
Lámpara de incandescencia de 100 w
--------------------------------------------110 cd
Lámpara fluorescente de 40
w------------------------------------------------------320 cd
Eficiencia luminosa : se define como eficiencia de una fuente
luminosa a la relación
entre el flujo expresado en lumen , emitido por una fuente luminosa
y la potencia
absorbida por una lámpara . Se expresa en Lumen/ Watt .
7
Luminancia : Es la intensidad luminosa emitida en una
dirección determinada por una
superficie luminosa o iluminada (fuente secundaria de luz ).
En otros términos , expresa el efecto de la luminosidad que una
superficie produce sobre
el ojo humano , ya sea fuente primaria (lámpara ) o secundaria ( por
ejemplo , el plano
de una mesa que refleja luz ) , se usa la letra L para su
designación y se mide en :
candela
-------------
2
m
Algunos valores de iluminación de fuentes luminosas típicas son :
\
8
cd
--------
2
cm
Lámpara fluorescente
-------------------------------------------------------------------------0,5
- 4
Lámpara incandescente
------------------------------------------------------------
------200 100
Lámpara de arco
------------------------------------------------------------------------hasta
50000
El sol
-------------------------------------------------------------------------------------------150000
La superficie emisora considerada en el calculo de la luminancia,
corresponde al área
aparente de la fuerza luminosa vista por un observador .
1-4- FUENTES LUMINOSAS
La importancia de una optima iluminación es imprescindible porque
permite un mejor
desarrollo de todas las actividades y las hace menos cansadas.
La fuente ideal de iluminación (que no existe) debería ser libre ,
proporcionar la cantidad
deseada de luz según se requiera , y tener alta calidad como ser
color , luminosidad ,
brillantez , contraste .
Las fuentes luminosas eléctricas se pueden clasificar en dos grandes
categorías :
-Irradiación por efecto térmico.
-Descarga eléctrica en el gas o en los metales al estado de vapor.
Dentro del primer grupo se encuentran las lámparas de
incandescencia, y en el segundo
grupo tenemos las lámparas fluorescentes , las lámparas de vapor de
mercurio , de
sodio , de neon , etc.
Para la selección del tipo de lámparas a emplear , es necesario
tener en cuenta las
siguiente características:
-Potencia nominal : condiciona el flujo luminoso y el
dimensionamiento de la
instalación desde el punto de vista eléctrico (sección del conductor
, dispositivos de
protección , etc.).
-Eficiencia luminosa y decaimiento del flujo lumínico:
durante el funcionamiento ,
duración de vida media y costo de la lámpara , estos factores
condicionan la economía
de operación de la instalación.
9
-Gama cromática: condiciona la mayor o
menor apreciación de los colores respecto a
las observaciones a la luz natural .
-Temperatura de los colores : condiciona la tonalidad de la
luz . Se dice que una
lámpara proporciona una luz caliente o fría , si prevalecen las
radiaciones luminosas de
colores rosa o azul .
-Dimensiones : Las características de la construcción y sus
dimensiones condicionan al
tipo y características de los aparatos de iluminación (direccionalidad
del haz ,costo , etc).
2- LAMPARAS ELECTRICAS
2-1 HISTORIA DE LA EVOLUCION DE LAS LAMPARAS
Podríamos decir que las primeras formas de lámpara eran palos
ardientes o recipientes
llenos de brasas. Luego se utilizaron para alumbrar antorchas de
larga duración, formadas
por haces de ramas o astillas de madera resinosa, atados y empapados
en sebo o aceite
para mejorar sus cualidades de combustión. Se desconoce el origen
exacto de la lámpara
de aceite, la primera lámpara auténtica, pero ya se empleaba de
forma generalizada en
Grecia en el siglo IV a.C. Las primeras lámparas de este tipo eran
recipientes abiertos
fabricados con piedra, arcilla, hueso o concha, en los que se
quemaba sebo o aceite. Más
tarde pasaron a ser depósitos de sebo o aceite parcialmente
cerrados, con un pequeño
agujero en el que se colocaba una mecha de lino o algodón. El
combustible ascendía por
la mecha por acción capilar y ardía en el extremo de la misma. Este
tipo de lamparilla
también se denomina candil. Algunas lámparas grandes griegas y
romanas tenían
numerosas mechas para dar una luz más brillante. En la Europa
septentrional la forma de
lámpara más común era una vasija abierta de piedra llena de sebo, en
la que se introducía
una mecha. Los inuit (esquimales) aún emplean lámparas de ese tipo
En el siglo XVIII se produjo un gran avance en las lámparas cuando
las mechas
redondas fueron sustituidas por mechas planas, que proporcionaban
una llama mayor. El
químico suizo Aimé Argand inventó una lámpara que empleaba una mecha
tubular
encerrada entre dos cilindros metálicos, alimentada a petróleo. El
cilindro interior se
extendía hasta más abajo del depósito de combustible y proporcionaba
un tiro interno.
Argand también descubrió el principio del quinqué, en el que un tubo
de vidrio mejora el
tiro de la lámpara y hace que arda con más brillo y no produzca
humo, además de
proteger la llama del viento. El tiro cilíndrico interior se adaptó
después para utilizarlo en
lámparas de gas inventadas por Lebon..Después de que se introdujera
el gas del
alumbrado a principios del siglo XIX este combustible empezó a
usarse para la
iluminación de las ciudades. Se empleaban tres tipos de lámpara de
gas: el quemador de
tipo Argand, los quemadores de abanico, en los que el gas salía de
una rendija o de un par
10
de agujeros en el extremo del quemador y ardía
formando una llama plana, y la lámpara
de gas incandescente, en la que la llama de gas calentaba una
redecilla muy fina de óxido
de torio (llamada camisa) hasta el rojo blanco. En los lugares a los
que no llegaba el
suministro de gas se seguían empleando quinqués de aceite. Hasta
mediados del siglo
XIX el principal combustible para esas lámparas era el aceite de
ballena.
La historia de las lámparas eléctricas se podría decir que comenzó
en 1650 cuando Otto
von Guerike de Alemania descubrió que la luz podía ser producida por
excitación
eléctrica. Encontró que cuando un globo de sulfuro era rotado
rápidamente y frotado, se
producía una emanación luminosa. En 1706, Francis Hawsbee invento la
primera lámpara
eléctrica al introducir sulfuro dentro de un globo de cristal al
vacío. Después de rotarla a
gran velocidad y frotarla, pudo reproducir el efecto observado por
von Guerike.
William Robert Grove en 1840, encontró que cuando unas tiras de
platino y otros metales
se calentaban hasta volverse incandescentes, producían luz por un
periodo de tiempo. En
1809, uso una batería de 2000 celdas a través de la cual paso
electricidad, para producir
una llama de luz brillante, de forma arqueada. De este experimento
nació el termino
"lámpara de arco".
La primera patente para una lámpara incandescente la obtuvo
Frederick de Moleyns en
1841, Inglaterra. Aun cuando esta producía luz por el paso de
electricidad entre sus
filamentos, era de vida corta. Durante el resto del siglo XIX,
muchos científicos trataron
de producir lámparas eléctricas.
Finalmente, Thomas A. Edison produjo una lámpara incandescente con
un filamento
carbonizado que se podía comercializar. Aunque esta lámpara producía
luz constante
durante un periodo de dos días, continuo sus investigaciones con
materiales alternos para
la construcción de un filamento mas duradero. Su primer sistema de
iluminación
incandescente la exhibió en su laboratorio en 21 de diciembre de
1879.
Edison hizo su primera instalación comercial para el barco Columbia.
Esta instalación
con 115 lámparas fue operada sin problemas durante 15 años. En 1881,
su primer
proyecto comercial fue la iluminación de una fabrica de Nueva York.
Este proyecto fue
un gran éxito comercial y estableció a sus lámparas como viables.
Durante los siguientes
dos años se colocaron mas de 150 instalaciones de alumbrado
eléctrico y en 1882 se
construyo la primera estación para generar electricidad en Nueva
York. En ese mismo
año, Inglaterra monto la primera exhibición de alumbrado eléctrico.
Cuando la lámpara incandescente se introdujo como una luminaria
pública , la gente
expresaba temor de que pudiese ser dañina a la vista,
particularmente durante su uso por
largos períodos. En respuesta, el parlamento de Londres paso
legislación prohibiendo el
uso de lámparas sin pantallas o reflectores. Uno de los primeros
reflectores comerciales a
base de cristal plateado fue desarrollado por el E. L. Haines e
instalado en los escaparates
comerciales de Chicago .
Hubieron numerosos esfuerzos por desarrollar lámparas mas
eficientes. Welsbach inventó
la primera lámpara comercial con un filamento metálico, pero el
osmio utilizado era un
metal sumamente raro y caro. Su fabricación se interrumpió en 1907
cuando la aparición
de la lámpara de tungsteno.
En 1904, el norteamericano Willis R. Whitney produjo una lámpara con
filamento de
carbón metalizado, la cual resulto mas eficiente que otras lámparas
incandescentes
previas. La preocupación científica de convertir eficientemente la
energía eléctrica en luz,
pareció ser satisfecha con el descubrimiento del tungsteno para la
fabricación de
11
filamentos. La lámpara con filamento de
tungsteno representó un importante avance en la
fabricación de lámparas incandescentes y rápidamente reemplazaron al
uso de tántalo y
carbón en la fabricación de filamentos metálicos.
La primera lámpara con filamento de tungsteno, qué se introdujo a
los Estados Unidos en
1907, era hecha con tungsteno prensado. William D. Coolidge, en
1910, descubrió un
proceso para producir filamentos de tungsteno "drawn" mejorando
enormemente la
estabilidad de este tipo de lámparas.En 1913, Irving Langmuir
introdujo gases inertes
dentro del cristal de la lámpara logrando retardar la evaporación
del filamento y mejorar
su eficiencia. Al principio se uso el nitrógeno puro para este uso,
posteriormente otros
gases tales el argón se mezclaron con el nitrógeno en proporciones
variantes. El bajo
costo de producción, la facilidad de mantenimiento y su flexibilidad
dio a las lámparas
incandescentes con gases tal importancia, que las otras lámparas
incandescentes
prácticamente desaparecieron.
Durante los próximos años se crearon una gran variedad de lámparas
con distintos
tamaños y formas para usos comerciales, domésticos y otras funciones
altamente
especializadas. Retrocediendo nuevamente dijimos que la historia de
las lámparas
eléctricas comenzó en 1650 , y podríamos decir también que los
primeros estudios de las
lámparas de descarga eléctrica comenzaron con Jean Picard en 1675 y
Johann Bernoulli
sobre 1700 descubrieron que la luz puede ser producida por al agitar
al mercurio. En
1850 Heinrich Geissler, un físico Alemán, inventó el tubo Geissler,
por medio del cual
demostró la producción de luz por medio de una descarga eléctrica a
través de gases
nobles. John T. Way, demostró el primer arco de mercurio en 1860.
Los tubos se usaron inicialmente solo para las experimentos.
Utilizando los tubos
Geissler, Daniel McFarlan Moore entre 1891 y 1904 introdujeron
nitrógeno para producir
una luz amarilla y bióxido de carbón para producir luz
rosado-blanco, color que aproxima
luz del día. Estas lámparas eran ideales para comparar colores. La
primera instalación
comercial con los tubos Moore, se hizo en un almacén de Newark,
N.J., durante 1904. El
tubo Moore era difícil de instalar, reparar, y mantener. Peter Moore
Hewitt comercializó
una lámpara de mercurio 1901, con una eficiencia que dos o tres
veces mayor que la de la
lámpara incandescente. Su limitación principal era que su luz
carecía totalmente de rojo.
La introducción de otros gases fracaso en la producción de un mejor
balance del color,
hasta Hewitt ideó una pantalla fluorescente que convertía parte de
la luz verde, azul y
amarilla en rojo, mejorando así el color de la luz. Peter Moore
Hewitt coloco su primer
instalación en las oficinas del New York Post en 1903. Debido a su
luz uniforme y sin
deslumbramiento, la lámpara fluorescente inmediatamente encontró
aceptación en
Norteamérica.
La investigación del uso de gases nobles para le iluminación era
continua. En 1910
Georges Claude, Francia estudio lámparas de descarga con varios
gases tales como el
contienen neón, argón, helio, criptón y xenón, resultando en las
lámparas de neón. El uso
de las lámparas de neón fue rápidamente aceptado para el diseño de
anuncios, debido a su
flexibilidad, luminosidad y sus brillantes colores. Pero debido a su
baja eficiencia y sus
colores particulares nunca encontró aplicación en la iluminación
general.
En 1931, se desarrollo una lámpara de alta presión de sodio en
Europa, 1931. A pesar de
su alta eficiencia no resulto satisfactoria para el alumbrado de
interiores debido al color
amarillo de su luz. Su principal aplicación es el alumbrado publico
donde su color no se
12
considera critico. A mediados del siglo XX las
lámparas de sodio de alta presión
aparecieron en las calles, carreteras, túneles y puentes de todo el
mundo.
El fenómeno fluorescente se había conocido durante mucho tiempo,
pero las primeras
lámparas fluorescentes se desarrollaron en Francia y Alemania en la
década de los 30. En
1934 se desarrollo la lámpara fluorescente en los Estados Unidos.
Esta ofrecía una fuente
de bajo consumo de electricidad con una gran variedad de colores. La
luz de las lámparas
fluorescentes se debe a la fluorescencia de ciertos químicos que se
excitan por la
presencia de energía ultravioleta.
La primer lámpara fluorescente era a base de un arco de mercurio de
aproximadamente
15 watts dentro de un tubo de vidrio revestido con sales minerales
fluorescentes
(fosforescentes). La eficiencia y el color de la luz eran
determinados por la presión de
vapor y los químicos fosforescentes utilizados. Las lámparas
fluorescentes se
introdujeron comercialmente en 1938, y su rápida aceptación marcó un
desarrollo
importante en el campo de iluminación artificial. No fue hasta 1944
que las primeras
instalaciones de alumbrado publico con lámparas fluorescentes se
hicieron.
A partir de la segunda guerra mundial se han desarrollado nuevas
lámparas y numerosas
tecnologías que además de mejorar la eficiencia de la lámpara, las
ha hecho mas
adecuadas a las tareas del usuario y su aplicación. Entre los
desarrollos a las lámparas
fluorescentes, se incluyeren las balastros de alta frecuencia que
eliminan el parpadeo de
la luz, y la lámpara fluorescente compacta que ha logrado su
aceptación en ambientes
domésticos.
2-2 LAMPARAS DE INCANDESCENCIA
Su funcionamiento es el mas simple de las lámparas eléctricas al
circular corriente
eléctrica sobre su filamento este levanta una alta temperatura hasta
emitir radiaciones
visibles para el ojo humano.Para que este filamento no se queme se
encierra en un
pequeña ampolla de vidrio en la que se practica el vació o se
introduce un gas inerte
como ser argon , criptón , azoe , etc. La incandescencia se puede
obtener de dos maneras.
La primera es por combustión de alguna sustancia, ya sea sólida como
una antorcha de
madera, líquida como en una lámpara de aceite o gaseosa como en las
lámparas de gas.
La segunda es pasando una corriente eléctrica a través de un hilo
conductor muy delgado
como ocurre en las bombillas corrientes. Tanto de una forma como de
otra, obtenemos
luz y calor (ya sea calentando las moléculas de aire o por
radiaciones infrarrojas). En
general los rendimientos de este tipo de lámparas son bajos debido a
que la mayor parte
de la energía consumida se convierte en calor.
Muchos se preguntan a que se refieren las especificaciones de la
lámpara, grabadas en su
casquillo e impresas en el estuche que las contiene.
Una gran mayoría entiende que estas especificaciones se refieren a
la potencia lumínica
que la lámpara es capaz de entregar, concepto totalmente equivocado.
En otros casos he visto que están más orientados y asimilan que las
especificaciones se
refieren a la potencia eléctrica consumida por el componente, esto
es correcto, pero al
tratar de aplicar la Ley de Ohm para verificar su teoría equivocan
el procedimiento,
miden la resistencia eléctrica del filamento con un óhmetro y
plantean el siguiente
13
cálculo para establecer la intensidad de
corriente que circulará por el filamento de la
lámpara al ser alimentado por 12 volts:
I = V/R (fórmula de cálculo correcta) = Resultado Incorrecto
El resultado resulta incorrecto debido a que es incorrecto el dato
tomado de la resistencia
de filamento.
Para fijar más claramente los conceptos tomaremos casos reales de
mediciones
efectuadas en distintos tipos de lámparas elegidas al azar.
Cómo primer concepto aclararemos que las especificaciones dadas por
el fabricante en el
estuche y el casquillo de la lámpara, se refieren pura y
exclusivamente a la Tensión de
Trabajo y a la Potencia Eléctrica consumida por la misma.
Para reforzar este concepto pondremos un ejemplo real.
En una lámpara figuran los siguientes datos:
12V/ 2W
Donde 12V = Tensión de trabajo expresada en voltios y 2W = Potencia
eléctrica
consumida expresada en Watios.
A aquellos que tratan de calcular la intensidad de corriente que
circulará por una lámpara
determinada les explicaremos que el procedimiento a seguir,
aplicando la Ley de Ohm, es
el siguiente:
La potencia W = V x I
De la expresión anterior se deduce que:
I = W/V
Tomemos como ejemplo la lámpara de 12V/2W
I = 2/12 = 0,166 Amperios (intensidad de corriente de trabajo para
12 volts)
Veamos ahora porque decíamos que el cálculo de la corriente
circulante por el filamento
de una lámpara es incorrecto utilizando como dato la resistencia de
este medida con un
óhmetro:
El filamento de una lámpara incandescente tiene un Coeficiente de
Temperatura Positivo
(PTC), es decir a medida que aumenta su temperatura aumenta su
resistencia.
La resistencia en frío del filamento de una lámpara incandescente es
10 o más veces
menor que la resistencia que adopta a la temperatura de trabajo.
Tomemos como ejemplo una lámpara de 12V/1W:
Resistencia del filamento frío = 14 ohm
14
Si aplicamos la Ley de Ohm para calcular la
corriente circulante en base a este dato
tendríamos:
I = V/R luego I = 12 volts/14 ohms = 0,857 amperes
La potencia consumida sería según este dato calculado:
Vemos que poco tiene que ver esta potencia así calculada con la
potencia realmente
consumida por la lámpara en operación normal.
En realidad la alta intensidad de corriente de 0,857 amperes, es la
corriente inicial que
circula por el filamento de la lámpara en el instante en que a este
se le aplican los 12 volts
de alimentación. A medida que el filamento se va calentando, su
resistencia va
aumentando y por lo tanto la intensidad de corriente decrece al
mismo ritmo con que
aumenta la resistencia.
Esto explica en parte porque en las lámparas se corta el filamento
en el instante en que se
encienden, por supuesto estamos descartando el caso de corte del
filamento por
vibraciones.
Decimos que explica en parte este fenómeno debido a que en lámparas
nuevas de marcas
reconocidas es muy difícil que se produzca un corte de filamento por
la causa citada, pero
en estas mismas lámparas o en otras de inferior calidad, a medida
que transcurre el
tiempo de uso, el filamento va sufriendo el efecto de sublimación.
Este efecto produce
pérdida de material del filamento sobre todo en los puntos de mayor
temperatura (puntos
de conexión del alambre que constituye el filamento con los alambres
que conectan a este
con el casquillo).
Al perder material por sublimación, el alambre del filamento se hace
más y más fino,
hasta que llega un momento que la sección del alambre no soporta la
intensidad de
corriente inicial y se corta.
Otro problema que se produce al recortarse la sección del filamento
por efecto de la
sublimación radica en el aumento de su resistencia.
Recuerde que la resistencia de un conductor esta dada por:
Resistencia de conductor (expresada en Ohmios/metro) = r . l / s
Donde,
r = coeficiente de resistividad del material empleado en el
conductor.
l = largo del conductor expresado en metros.
15
s = sección del conductor expresada en mm2.
Al aumentar la resistencia del filamento la intensidad de corriente
de trabajo que circula
por él, disminuirá, al disminuir la intensidad de corriente, el
calentamiento del filamento
será menor y por lo tanto la energía lumínica radiada también
disminuirá. En otras
palabras la energía lumínica radiada por una lámpara nueva es mayor
que la radiada por
una lámpara igual pero con muchas horas de uso.
El material más utilizado para la fabricación de filamentos es el
Tungsteno, la
temperatura de operación de estos filamentos es de alrededor de
2700º C. Justamente este
metal es el más utilizado por su alta temperatura de fusión = 3395º
C.
La sublimación o también llamada evaporación del filamento de una
lámpara es debida a
que es imposible lograr el vació total en la cápsula de vidrio que
lo contiene. Los residuos
gaseosos que quedan dentro de ampolla después de realizar el vació
son generalmente
Hidrógeno; Vapor de Agua; Oxígeno; Nitrógeno; etc....
Aclaramos que las diferencias de resistencia de filamento que se
producen de frió a
caliente en las lámparas incandescentes, no se produce únicamente en
las utilizadas en el
vehículo, también diferencias similares se producen en lámparas
utilizadas en
iluminación, por ejemplo en el hogar.
Por ejemplo, si se mide la resistencia de filamento en frió de una
lámpara para 220
volts/75 watts veremos que dicha medición da un valor de 47 ohms,
por lo tanto si
calculamos la intensidad corriente en base a ese valor de
resistencia, obtendremos un
valor de:
I = 220 volts/ 47 ohms = 4,68 amperios
si calculamos la potencia consumida para esa corriente obtendremos
un valor de:
W = 220 volts x 4,68 amperios = 1029 Watios
no se debe pensar demasiado para entender que se está cometiendo un
fallo, bastante
grave, de cálculo.
Si se mide la intensidad de corriente que circula por el filamento
de la lámpara cuando
esta encendida se verá que la misma asciende a 0,338 amperes.
Calculamos la potencia consumida:
W = VxI = 220 volts x 0,338 amperes = 74,36 watts
calculamos la resistencia del filamento a la temperatura de trabajo:
R = V/I = 220 volts / 0,338 amperes = 650,9 ohms
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Las lámparas incandescentes transforman energía
(potencia) eléctrica en distintos tipos de
energía (potencia) radiada, al ser llevado su filamento al punto de
temperatura de
incandescencia. No toda la potencia eléctrica consumida se
transforma en potencia
radiante o flujo radiante, parte de esa potencia se pierde
por conducción y convección
calórica y por absorción. La potencia radiante es energía
electromagnética y solo una
pequeña parte de ella entra dentro de las longitudes de onda
correspondiente al espectro
visible del espectro electromagnético. La zona del espectro
electromagnético visible se
denomina flujo luminoso .
El rendimiento lumínico de una lámpara es la relación entre la
potencia Eléctrica
consumida por esta y la Potencia Lumínica radiada:
R = Potencia Lumínica / Potencia Eléctrica Consumida
Este rendimiento se expresa en Lúmenes/Watios
Este parámetro de las lámparas no es brindado como dato normal por
el fabricante. Puede
aparecer en hojas técnicas de cada lámpara o familia de lámparas.
Lámpara de filamento de carbón
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Lámpara de filamento de tungsteno estirado , en vació
Lámpara de filamento de tungsteno en espiral , en atmósfera gaseosa
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Lámpara de incandescencia halógena:
El principio de funcionamiento de una lámpara halógena es muy
similar al de una
lámpara incandescente común. En los dos tipos de lámpara la
incandescencia que
produce la luz visible se basa en la altísima temperatura de
calentamiento que alcanza el
filamento
En la lámpara de cuarzo, cuando el filamento alcanza la temperatura
más alta que puede
soportar y comienza el proceso de evaporación, los átomos de
tungsteno se gasifican y se
expanden buscando la superficie interior de la cápsula de cristal de
cuarzo. Al llegar a la
superficie del cristal, la temperatura del gas desciende a unos 800
ºC (1 472 ºF)
aproximadamente.
Bajo esas circunstancias los átomos del tungsteno reaccionan
espontáneamente con el gas
halógeno y se transforma en otro gas conocido como halogenuro de
tungsteno.
Inmediatamente el nuevo gas que se ha formado tiende a retornar
hacia el centro de la
lámpara donde se encuentra situado el filamento deteriorado.
Debido a que el halogenuro de tungsteno es un gas inestable, cuando
sus moléculas
reciben directamente el calor del filamento, se descomponen en forma
de tungsteno
metálico, que se deposita como tal en el filamento y lo reconstruye.
Este proceso permite
al filamento reciclarse y aportar mucho más tiempo de vida útil
(entre 3 mil y 10 mil
horas, según el tipo de lámpara halógena), en comparación con las
mil horas de
explotación que permite una lámpara incandescente común. Todo este
proceso llamado
ciclo del halógeno se mantiene ininterrumpidamente durante todo el
tiempo que la
lámpara permanece encendida
Lámpara halógena de baja tensión
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Ventajas y desventajas de las lámparas de incandescencia:
Ventajas : Bajo costo inicial
Construcción sencilla
No requiere balastro
Disponible en muchas formas y tamaños
No requiere calentamiento ni tiempo de encendido
Atenuable de manera económica
Mantenimiento sencillo
Desventajas: Bajo rendimiento eléctrico
Alta temperatura de operación
Corta vida
Fuente brillante de operación en un espacio pequeño
No permite una gran distribución de la luz
2-3- LAMPARAS DE DESCARGA
La denominación de lámparas de descargas se debe a que la luz que
producen dichas
lámparas se debe a que se obtiene por excitación de un gas sometido
a descargas
eléctricas entre dos electrodos.
Se clasifican según el gas utilizado o a la presión que este se
encuentra , es decir , alta o
baja presión , exceptuando a las lámparas fluorescentes que
perteneciendo al grupo de
lámparas de descarga su nombre se debe a que la cara interna del
tubo de descarga esta
revestida de una sutil capa de polvos fluorescente .
LAMPARAS FLUORESCENTES
Las lámparas fluorescentes tubulares es en realidad una lámpara de
descarga de vapor de
mercurio de baja presión, en la cual la luz se produce mediante el
empleo de polvos
fluorescentes que son activados por la energía ultravioleta de la
descarga ; la cantidad
y el color de la luz emitida depende del tipo de cubierta de fósforo
aplicada al interior de
la lámpara
El amplio rango de los fósforos disponibles hace posible producir
muchos tonos de color
diferentes (temperaturas de color) y diferentes niveles de calidad
del color para satisfacer
necesidades de la aplicación especifica. Debido a las áreas de
superficie relativamente
largas, la luz producida por las lámparas fluorescentes es más
difusa y mucho menos
direccional que los recursos de punto como los focos incandescentes,
lámparas halógenas
y HID. Todas estas cualidades hacen que las lámparas fluorescentes
sean excelentes para
la iluminación en general, iluminación orientada y atenuar paredes
para aplicaciones en
tiendas de detalle, oficinas, así como en aplicaciones industriales
y residenciales.
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Las lámparas fluorescentes necesitan tener la llamada tensión de
arranque para producir
luz ( esta tensión varia según la naturaleza ,temperatura y presión
del gas o de vapor
metálico ) .Las lámparas de descarga presentan una resistencia
eléctrica interna que
disminuye de valor a medida que se incrementa la magnitud de la
intensidad de la
corriente eléctrica que circula por el seno del gas o vapor.
Es decir, que superada una etapa inicial, la tensión eléctrica
precisa para producir luz,
tiene menor valor, por lo que para evitar un cortocircuito, se hace
necesario mantener los
valores de la intensidad y tensión eléctrica dentro de los límites
adecuados y esto se
consigue utilizando: reactancias , transformadores ,
autotransformadores.
Los dispositivos reseñados permiten entonces, limitar el tránsito de
electrones en el seno
del gas o vapor, estabilizando la tensión eléctrica para que las
lámparas tengan un
funcionamiento normal. En cuanto a la diferencia de utilizar
transformadores con
respecto a los autotransformadores es que los primeros se utilizan
cuando se requieren
tensiones de arranque y de funcionamiento elevadas.
Las reactancias se utilizan para suministrar a las lámparas de
descarga, energía eléctrica
con la intensidad precisa a la tensión adecuada en cada momento.
Las reactancias se emplean, sobre todo, para hacer funcionar
lámparas que solo precisen
la misma tensión de la red eléctrica.
Cuando la tensión de arranque de las lámparas es menor o igual que
la tensión de servicio
de la red eléctrica, la reactancia está formada por una bobina donde
se genera una
inducción que limita el tránsito de electrones.
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Cuando la tensión de servicio de la red es
inferior a la tensión de arranque de las
lámparas y se hace imposible iniciar el arco de descarga, a las
reactancias hay que
incorporarle transformadores para elevar la tensión.
Al accionar el interruptor que gobierna el encendido de la lámpara
(cerrar el circuito), no
se produce tránsito de electrones dentro de la ampolla ya que el que
el gas o vapor tiene
que ionizarse, tampoco pasa corriente por el alimentador.
Después de un breve intervalo de tiempo (unos segundos), como
consecuencia de la
tensión eléctrica aplicada, se inicia el proceso de ionización del
gas o vapor y comienza la
descarga.
La corriente también comienza a pasar por el alimentador que acaba
produciendo, a
continuación, una caída de tensión por lo que se produce también una
reducción de la
tensión eléctrica de la corriente que pasa por la ampolla de la
lámpara.
Los alimentadores que se utilizan para hacer funcionar las lámparas
de descarga, al
contrario de lo que ocurre con las lámparas incandescentes, provocan
un desfase entre la
intensidad de la corriente absorbida por las lámparas y la tensión
eléctrica del suministro.
Los alimentadores, por lo tanto, generan una reducción del factor de
potencia a valores
comprendidos entre 0,3 y 0,5.
Las reactancias como alimentadores inductivos que son, generan por
si solas, un factor de
potencia muy bajo, por lo que se hace preciso recurrir al empleo de
condensadores a fin
de efectuar las oportunas correcciones para que dicho factor de
potencia alcance valores
comprendidos entre 0.9 y 1.
Las lámparas fluorescentes se pueden clasificar en dos grupos:
Lámparas de cátodo caliente:
Las lámparas de cátodo caliente a la vez se subdividen en:
-con precalentamiento.
-sin precalentamiento.
Lámparas de cátodo caliente con precalentamiento:
Para conseguir el precalentamiento de los electrodos se utiliza un
interruptor de arranque
mas conocido como cebador , cuyo funcionamiento es similar a la de
un interruptor
automático . Los cebadores se intercalan en los circuitos en serie
con las lámparas. A los
cebadores se les incorporan condensadores que se destinan a eliminar
perturbaciones
radiofónicas.
Cuando se aplica tensión eléctrica a un cebador, se produce una
descarga entre los dos
contactos abiertos del mismo que calientan una lámina en el cebador
y que acaba
flexionándose como consecuencia de las temperaturas adquiridas,
dicha flexión produce
el cierre del circuito.Al iniciarse la emisión de luz en las
lámparas, los cebadores
desconectan automáticamente.
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Existen lámparas de cátodo caliente con precalentamiento que no
necesitan cebador como
ser las lámparas de encendido instantáneo , el precalentamiento se
logra por medio de
reactancias especiales , que cumplen la función de producir el
arranque del arco y
también estabilizan la corriente de descarga (estas reactancias
tienen devanados
suplementarios). Se conocen comercialmente que el nombre de
rapidstart y tachistart,
aunque algunos fabricantes no utilizan dicha denominación.
Lámparas de cátodo caliente sin precalentamiento:
Estas lámparas no necesitan cebador ,son similares a las descriptas
anteriormente ,
aunque generalmente de menor diámetro ,se les llama también
slimline. Su tensión de
arranque es alta ; y tienen la ventaja con respecto a las de
precalentamiento que evitan el
retardo de encendido.
Lámparas de cátodo frió :
En esta categoría entran las lámparas que se utilizan para anuncios
luminosos.
Los colores que se obtienen dependen del gas utilizado como ser :
GAS COLOR
Neon ------------------------------------------------rojo-anaranjado
Helio------------------------------------------------rosa
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Mercurio
-----------------------------------------azul verdoso
Sodio --------------------------------------------- amarillo
Lámparas fluorescentes compactas :
Lámparas fluorescentes compactas representa un importante adelanto
en la tecnología
fluorescentes. Debido a sus diámetros más pequeños y sus
configuraciones plegadas, las
lámparas fluorescentes compactas brindan alto rendimiento de la luz
en tamaños mucho
más pequeños que las lámparas fluorescentes lineales convencionales.
Disponibles en una variedad de diseños de conexión , las lámparas
fluorescentes
compactas han llevado al diseño de iluminarías de la nueva
generación para un rango
completo de aplicaciones comerciales e industriales, y brindan
ahorro en energía y
repuestos de vida más larga para los focos incandescentes. De hecho,
las lámparas
fluorescentes compactas pueden brindar los mismo lúmenes que un foco
incandescente a
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