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Tema 8 ILUMINACIÓN

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Tema 8 ILUMINACIÓN. Domótica y Edificios Inteligentes. Naturaleza de la luz: espectro electromagnético.

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Presentation Transcript
tema 8 iluminaci n

Tema 8ILUMINACIÓN

Domótica y Edificios Inteligentes

naturaleza de la luz espectro electromagn tico
Naturaleza de la luz: espectro electromagnético
  • La luz es una forma de energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas a una velocidad de propagación de c≈2,999·108 m/s en el vacío en una banda de frecuencia que permite sea percibida por el sistema visual humano.
  • Dicha banda corresponde a la parte del espectro electromagnético comprendida entre las longitudes de onda (λ) de 380 nm y 760 nm, cuya energía es absorbida por los fotorreceptores del sistema visual humano.
caracter sticas fotom tricas

Características fotométricas

Magnitudes características de las fuentes de luz

Magnitudes características del objeto iluminado

Magnitudes características de la luminaria

introducci n
Introducción
  • La radiación electromagnética se cuantifica por medio de magnitudesradiométricas.
  • Sin embargo, si interesa cuantificar solamente la radiación a la que es sensible el ojo humano estas magnitudes radiométricas se transforman en magnitudes fotométricas.
estandarizaci n
Estandarización
  • Las magnitudes fotométricas por tanto se obtienen a partir de factores de peso que corresponden a la sensibilidad del sistema visual humano.
  • Debido a las diferencias individuales en la percepción de la claridad para las diferentes longitudes de onda, fue necesario la definición del observador CIE estándar (Comisión internacional de la Iluminación) y las curvas de sensibilidad espectral relativa en condiciones fotópicas (altos niveles de iluminación) y escotópicas (bajos niveles de iluminación).
flujo radiante
Flujo radiante
  • La medida fundamental de la radiación electromagnética es el flujo radiante (Φrad), es decir, la cantidad de energía emitida por unidad de tiempo. Se mide en vatios (w).
flujo luminoso
Flujo luminoso
  • Se define el flujo luminoso (F o Φlum) como la potencia emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible.
  • Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como:

1 lumen = 1 cd · estereorradián

  • El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de sensibilidad espectral relativa, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso.
  • Dónde la constante Km representa la máxima eficiencia espectral. Toma el valor de 683,002 lm/w en condiciones fotópicas y de 1699 lm/w para condiciones escotópicas.
estereorradi n y ngulo s lido
Estereorradián y ángulo sólido
  • El estereorradián es la unidad derivada del SI que mide ángulos sólidos.
  • Se define como el ángulo sólido sobre la superficie de una esfera correspondiente a un casquete cuya área equivale al cuadrado del radio de la esfera considerada. Su símbolo es sr
  • El ángulo sólido es la zona del espacio limitada por una superficie cónica, o el ángulo espacial que un objeto abarca, visto desde un punto dado, que mide el tamaño aparente de ese objeto.
candela
Candela
  • La candela (símbolo cd) es la unidad básica del SI de intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 hercios (longitud de onda de 555 nm) y de la cual la intensidad radiada en esa dirección es 1/683 vatios por estereorradián.
  • Esta cantidad es equivalente a la que en 1948, en la conferencia general de pesos y medidas, se definió como una sexagésima parte de la luz emitida por un centímetro cuadrado de platino puro en estado sólido a la temperatura de su punto de fusión (2046 K).
intensidad luminosa
Intensidad luminosa
  • Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd ≈ lumen/sr).
  • La distribución de la intensidad luminosa se indica mediante gráficas de isocandelas.
iluminancia
Iluminancia
  • Se denomina iluminancia al flujo luminoso que incide por unidad de área en el objeto iluminado. Tiene por símbolo E y se mide en lux (lx≈lm/m2)
  • Su aplicación práctica es cuantificar la cantidad de luz que llega a una superficie.
  • Se mide con el luxímetro
iluminancia17
Iluminancia
  • Para una fuente puntual toma la forma:
  • I, intensidad luminosa, dónde d es la distancia de la fuente luminosa a la superficie a la que llega el flujo luminoso y θ el ángulo que forma con la dirección de la intensidad.
  • La iluminancia sigue la ley inversa de los cuadrados si θ =0.
luminancia
Luminancia
  • La luminanciaL es la intensidad luminosa que una superficie emite en una dirección determinada por unidad de superficie proyectada (superficie vista desde dicha dirección). La unidad de medición empleada es la candela por metro cuadrado (cd/m²).
  • Donde Iα es la intensidad de la fuente en la dirección del ángulo αy S·cosα es el área proyectada perpendicular a la dirección de visión.
luminancia21
Luminancia
  • La luminancia de una determinada superficie está condicionada por la relación entre el flujo luminoso incidente y el flujo luminoso reflejado, ligados ambos por el factor de reflexión característico de cada material, acabado superficial, etc.
  • Se mide con el luminancímetro.
caracter sticas colorim tricas26
Características colorimétricas
  • La temperatura de color de una lámpara es la temperatura media en grados kelvin que tiene que alcanzar un radiador de Plank (cuerpo negro), para que la tonalidad o color (cromaticidad) de la luz emitida sea igual a la de la lámpara considerada.
  • El índice de rendimiento en color, se corresponde con el aspecto cromático que proporciona una fuente al iluminar un objeto. Compara la reproducción de una muestra de colores normalizada iluminada con nuestra fuente con la reproducción de la misma muestra iluminada con una fuente patrón de referencia.
caracter sticas de duraci n29
Características de duración
  • Para determinar la vida de una lámpara disponemos de diferentes parámetros según las condiciones de uso definidas.
    • La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lámpara se estropea, trabajando en unas condiciones determinadas.
    • La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la mitad de las lámparas de un lote representativo de una instalación, trabajando en unas condiciones determinadas.
    • La vida útil es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir un conjunto de lámparas de una instalación a mantenerlas.
    • La vida media es el tiempo medio que resulta tras el análisis y ensayo de un lote de lámparas trabajando en unas condiciones determinadas.
producci n de radiaci n luminosa

Producción de radiación luminosa

Incandescencia

Luminescencia

emisi n de luz
Emisión de luz
  • Las fuentes de luz implican la conversión de alguna forma de energía en radiación electromagnética.
  • El proceso más empleado es la excitación y posterior desexcitación de átomos o moléculas.
emisi n de luz34
Emisión de luz
  • El átomo se excita mediante , por ejemplo, el choque con alguna partícula con lo que un electrón girando alrededor del núcleo se mueve a otra órbita de mayor energía.
  • Cuando pierde su estado de excitación de forma espontánea caerá a su órbita estable emitiendo el exceso de energía por medio de un fotón o unidad de luz.
  • La frecuencia de la radiación emitida está dada por la ecuación de Planck

Q=hc/λ

h=6,626 x10-34 J·s c=2,999 x 108 m/s

incandescencia37
Incandescencia
  • Cuando un cuerpo adquiere una temperatura determinada, sus átomos sufren choques que los lleva a estados excitados, con la subsiguiente desexcitación y producción de radiación luminosa. A este proceso se le denomina incandescencia.
  • En una lámpara de filamento, el calentamiento se debe al paso de la corriente eléctrica. Si se alcanza la temperatura suficiente para excitar los átomos se producirá emisión en el rango visible.
l mparas incandescentes

Lámparas incandescentes

Lámparas estándar

Lámparas halógenas

l mpara est ndar40
Lámpara estándar
  • Las lámparas incandescentes están formadas por un hilo de wolframio (tungsteno) que se calienta por efecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz visible.
  • Para evitar que el filamento se queme en contacto con el aire, se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha rellenado con un gas inerte (argón o nitrógeno).
  • El conjunto se completa con unos elementos con funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.
l mparas hal genas42
Lámparas halógenas
  • Para mejora la eficacia y vida de las lámparas incandescentes se incorporó un gas haluro aditivo (bromo, cloro, flúor y yodo) el cual produce el ciclo regenerativo del filamento y evita el ennegrecimiento de la ampolla.
l mparas hal genas43
Lámparas halógenas
  • Cuando el tungsteno (W) se evapora se une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso.
  • Cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno.
luminiscencia

Luminiscencia

Fotoluminiscencia

Electroluminiscencia

luminiscencia45
Luminiscencia
  • Luminiscencia es el proceso en el cual la energía es absorbida por la materia y posteriormente reemitida en forma de fotones.
  • La característica fundamental que diferencia este proceso de la incandescencia es que la fuente excitante no es térmica.
fotoluminiscencia
Fotoluminiscencia
  • En la fotoluminiscencia, el elemento excitador son los fotones o la radiación UV.
  • Si la emisión ocurre inmediatamente a la excitación se denomina fluorescencia, mientras que si existe retardo se denomina fosforescencia
descarga en gas
Descarga en gas
  • Si sobre un gas confinado en un espacio o tubo de descarga con dos electrodos, se aplica un campo eléctrico, la conducción se produce al ionizarse el gas, obteniéndose electrones e iones positivos.
  • Este flujo de iones y electrones a través del gas se llama descarga.
funcionamiento general
Funcionamiento general
  • En el interior del tubo, se producen descargas eléctricas como consecuencia de la diferencia de potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un flujo de electrones que atraviesa el gas. Cuando uno de ellos choca con los electrones de las capas externas de los átomos les transmite energía y pueden suceder dos cosas.
  • La primera posibilidad es que la energía transmitida en el choque sea lo suficientemente elevada para poder arrancar al electrón de su orbital. Este, puede a su vez, chocar con los electrones de otros átomos repitiendo el proceso. Si este proceso no se limita, se puede provocar la destrucción de la lámpara por un exceso de corriente.
  • La otra posibilidad es que el electrón no reciba suficiente energía para ser arrancado. En este caso, el electrón pasa a ocupar otro orbital de mayor energía. Este nuevo estado acostumbra a ser inestable y rápidamente se vuelve a la situación inicial. Al hacerlo, el electrón libera la energía extra en forma de radiación electromagnética, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrón no puede tener un estado energético cualquiera, sino que sólo puede ocupar unos pocos estados que vienen determinados por la estructura atómica del átomo. Como la longitud de onda de la radiación emitida es proporcional a la diferencia de energía entre los estados inicial y final del electrón y los estados posibles no son infinitos, es fácil comprender que el espectro de estas lámparas sea discontinuo.
l mparas de descarga

Lámparas de descarga

Lámparas de vapor de mercurio

Lámparas de vapor de sodio

l mparas fluorescentes
Lámparas fluorescentes
  • Las lámparas fluorescentes se caracterizan por carecer de ampolla exterior. Están formadas por un tubo de diámetro normalizado, normalmente cilíndrico, cerrado en cada extremo con un casquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos.
  • El tubo de descarga está relleno con vapor de mercurio a baja presión y una pequeña cantidad de un gas inerte que sirve para facilitar el encendido y controlar la descarga de electrones
  • En estas condiciones, en el espectro de emisión del mercurio predominan las radiaciones ultravioletas. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredes interiores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiaciones visibles .
l mparas de vapor de mercurio a alta presi n
Lámparas de vapor de mercurio a alta presión
  • A medida que aumentamos la presión del vapor de mercurio en el interior del tubo de descarga, la radiación ultravioleta característica de la lámpara a baja presión pierde importancia respecto a las emisiones en la zona visible.
  • En estas condiciones la luz emitida, de color azul verdoso, no contiene radiaciones rojas. Para resolver este problema se acostumbra a añadir sustancias fluorescentes que emitan en esta zona del espectro. De esta manera se mejoran las características cromáticas de la lámpara.
l mparas de vapor de mercurio a alta presi n57
Lámparas de vapor de mercurio a alta presión
  • Para encenderlas se recurre a un electrodo auxiliar próximo a uno de los electrodos principales que ioniza el gas inerte contenido en el tubo y facilita el inicio de la descarga entre los electrodos principales. A continuación se inicia un periodo transitorio de unos cuatro minutos, caracterizado porque la luz pasa de un tono violeta a blanco azulado, en el que se produce la vaporización del mercurio y un incremento progresivo de la presión del vapor y el flujo luminoso hasta alcanzar los valores normales.
  • Si en estos momentos se apagara la lámpara no sería posible su reencendido hasta que se enfriara, puesto que la alta presión del mercurio haría necesaria una tensión de ruptura muy alta.
l mparas de luz mezcla
Lámparas de luz mezcla
  • Video: Fabricación de lámparas de luz mezcla
  • Las lámparas de luz de mezcla son una combinación de una lámpara de mercurio a alta presión con una lámpara incandescente y , habitualmente, un recubrimiento fosforescente. El resultado de esta mezcla es la superposición, al espectro del mercurio, del espectro continuo característico de la lámpara incandescente y las radiaciones rojas provenientes de la fosforescencia.
l mparas con halogenuros met licos
Lámparas con halogenuros metálicos
  • Si añadimos en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio...) se consigue mejorar la capacidad de reproducir el color de la lámpara de vapor de mercurio. Cada una de estas sustancias aporta nuevas líneas al espectro (por ejemplo amarillo el sodio, verde el talio y rojo y azul el indio).
  • Tienen un periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que se estabiliza la descarga.
  • Para su funcionamiento es necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V).
l mparas de vapor de sodio a baja presi n
Lámparas de vapor de sodio a baja presión
  • La descarga eléctrica en un tubo con vapor de sodio a baja presión produce una radiación monocromática característica formada por dos rayas en el espectro (589 nm y 589.6 nm) muy próximas entre sí.
  • La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano (555 nm). Otras ventajas que ofrece es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por contra, su monocromatismo hace que la reproducción de colores y el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los objetos
l mparas de vapor de sodio a baja presi n62
Lámparas de vapor de sodio a baja presión
  • En estas lámparas el tubo de descarga tiene forma de U para disminuir las pérdidas por calor y reducir el tamaño de la lámpara. Está elaborado de materiales muy resistentes pues el sodio es muy corrosivo y se le practican unas pequeñas hendiduras para facilitar la concentración del sodio y que se vaporice a la temperatura menor posible.
  • El tiempo de arranque de una lámpara de este tipo es de unos diez minutos. Es el tiempo necesario desde que se inicia la descarga en el tubo en una mezcla de gases inertes (neón y argón) hasta que se vaporiza todo el sodio y comienza a emitir luz. Físicamente esto se corresponde a pasar de una luz roja (propia del neón) a la amarilla característica del sodio
l mparas de vapor de sodio a alta presi n
Lámparas de vapor de sodio a alta presión
  • Las lámparas de vapor de sodio a alta presión tienen una distribución espectral que abarca casi todo el espectro visible proporcionando una luz blanca dorada mucho más agradable que la proporcionada por las lámparas de baja presión.
  • El tubo está rodeado por una ampolla en la que se ha hecho el vacío.
  • La tensión de encendido de estas lámparas es muy elevada y su tiempo de arranque es muy breve.
electroluminiscencia73
Electroluminiscencia
  • La electroluminiscencia es la conversión directa de energía eléctrica en luz sin necesidad de un paso intermedio con en la descarga de gas o el calentamiento de un material.
  • La excitación se produce por recombinación de portadores de carga en ciertos semiconductores y mediante la excitación de centros luminiscentes en fósforos.
componentes de un led
Componentes de un LED
  • Diodo emisor de luz, también conocido como LED (acrónimo del inglés de Light-Emitting Diode) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica.
beneficios
Beneficios
  • Beneficios de los LEDs:
    • Bajo consumo: requieren mejor potencia para producir la misma cantidad de luz. (Ej.: semáforo lámpara incandescente filtro rojo 100 w frete al LED 12 w)
    • Baja tensión: 24V de CC.
    • Baja temperatura: emite poco calor
    • Rapidez de respuesta: microsegundos
    • Sin fallos de iluminación: no le afectan las vibraciones
    • Mayor duración

Vida media los LED en comparación con otras lámparas

control de iluminaci n
Control de iluminación
  • Responde a dos tipos de demandas:
    • Uso racional de la energía (ahorro hasta de un 60% si el patrón de variación se conoce)
    • Flexibilidad en la iluminación
  • Tipos de control:
    • Local: si sólo controla una zona de iluminación
    • Central: si controla varias zonas de iluminación simultáneamente.
conceptos generales
Conceptos generales
  • Las dos principales formas de control de la iluminación con la domótica son:
    • Apagar/Encender – El apagado y el encendido de la luz por completo (también denominado On/Off) de la lámpara o el circuito.
    • Regular – Regular la intensidad de luz de la lámpara o el circuito.
  • Los principales métodos para cambiar el estado de la iluminación mediante la domótica son:
    • Control por presencia – El control de presencia (mediante detectores de presencia por infrarrojos o ultrasonidos) puede encender o apagar la iluminación.
conceptos generales86
Conceptos generales
  • Medición de luz – Medir la luz en la estancia (incluyendo la luz natural aportado por el exterior y la luz que llega de otras estancias) puede regular la iluminación para garantizar una cantidad de luz establecida. Para ellos se emplean sensores fotoeléctricos.
  • Actividad/Escenas – Para implementar un control eficaz de la iluminación deben diseñarse las distintas escenas funcionales de encendido. La iluminación que forma parte de una Escena puede por ejemplo estar programada de las siguientes maneras:
    • Con la escena “Cena” la luz encima de la mesa del comedor se enciende a 100% y la iluminación del ambiente a 50%.
    • Con la escena “Cine en Casa” se apaga toda la iluminación del salón excepto una lámpara de pie que se mantiene 20%.
    • Con la escena “Cocinar” se enciende toda la luz de la cocina a 100% excepto la luz encima de la mesa de comer.
conceptos generales87
Conceptos generales
  • Programación horaria – Con la programación horaria se puede programar el control del apagado, encendido y regulación de la iluminación con la domótica según la hora del día, y el día de la semana.
    • Ejemplos:
      • La luz del pasillo puede estar apagada durante el día, pero encenderse automáticamente al 25% por la noche (variándose el horario según la época del año).
      • La luz del baño se programa para que solo se encienda al 50% por la noche.
      • La luz del dormitorio se enciende de forma graduada por la mañana, los días laborables, para despertar lentamente al usuario.
conceptos generales88
Conceptos generales
  • Simulación de Presencia – La simulación de presencia tiene como objetivo hace parecer que la casa esta habitada aunque esta vacía. La iluminación puede se utilizada (con o sin otros elementos integrados en el control del sistema domótico) para la simulación de presencia en la vivienda, encendiendo y apagando la iluminación ciertas horas del día, de forma programada, aleatoria, o de unas rutinas aprendidas por el sistema de domótica.
  • Otros Eventos – Otros eventos en la casa, detectadas por el sistema de domótica, pueden activar la iluminación.
    • Ejemplo: la alarma de seguridad detecta intrusión en el jardín por la noche, automáticamente se enciende toda la iluminación del exterior y la iluminación de los pasillos de la casa.
  • Control Manual – El control manual de la iluminación se puede realizar a través de una gran variedad de interfaces, como pulsadores de pared, mandos a distancia, Web e incluso por voz). Es preciso indicar que, auque se integra el control de la iluminación en un sistema domótico, normalmente se debería garantizar la posibilidad controlar la iluminación mediante interruptores tradicionales
recomendaciones de utilizaci n de diferentes tipos de sensores
Recomendaciones de utilización de diferentes tipos de sensores*

* Fuente: Lighting Controls and Daylight Use. BRE Digest No. 272, Building Research Establishment,

Department of Environment, UK

scs pyramid
SCS - Pyramid

Informa en todo momento de las alarmas de malfuncionamiento en los puntos de luz

Permite modificar a voluntad el encendido, apagado y regulación del nivel de luminosidad de cualquier luminaria de forma remota

Estándar ISO/IEC 14908 (estándar de comunicaciones LonWorks

Arquitectura:

• SLaV: Un software de telegestión.

• SLaC: Un equipo para el control remoto de cada cuadro.

• SLaM: Un dispositivo electrónico que se instala en cada punto de luz.

GPRS/Ethernet para la comunicación con la central de control.

© Informática El Corte Inglés | www.ieci.es

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philips starsense
Philips - StarSense

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amplex amplight
Amplex - AmpLight

© Informática El Corte Inglés | www.ieci.es

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selc streetlight vision
SELC – StreetLight.Vision

Recarga Inteligente de Vehículos Eléctricos

© Informática El Corte Inglés | www.ieci.es

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sata minos system
SATA - Minos System

Recarga Inteligente de Vehículos Eléctricos

© Informática El Corte Inglés | www.ieci.es

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arelsa telegesti n instalaciones
ARELSA – Telegestión Instalaciones

Recarga Inteligente de Vehículos Eléctricos

© Informática El Corte Inglés | www.ieci.es

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bibliograf a
Bibliografía
  • CYTELEC desarrollos eléctricos http://www.cyelect.com/
  • Curso de luminotecnia http://edison.upc.es/curs/llum/
  • Luz, color y visión http://issuu.com/manoli/docs/cap02/4
cuestiones
Cuestiones
  • Características fotométricas, colorimétricas y de duración de las lámparas.
  • Proceso de emisión de luz.
  • Tipos de lámparas artificiales, clasificación, funcionamiento y diferencias fundamentales.
  • Tipos de sensores que se pueden utilizar para controlar la iluminación de un edificio.
  • Componentes de un sistema de control de iluminación automático.
iluminaci n

ILUMINACIÓN

Domótica y Edificios Inteligentes

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