Luminotecnia Esencial: Conceptos Físicos, Fórmulas y Tecnologías de Iluminación

Fundamentos de Luminotecnia y Tipos de Lámparas

1. Introducción a la Luminotecnia

La Luminotecnia es la ciencia que estudia la producción, el control y las aplicaciones de la luz. La luz es una forma de manifestación de la energía, producida por radiaciones electromagnéticas perceptibles para el ojo humano.

2. Conceptos Fundamentales en Luminotecnia

• Radiación: Transmisión de energía, a menudo asociada con la transferencia de calor.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia entre dos máximos consecutivos de una onda. Se mide en metros (m). La relación es: λ = v · T (donde v es la velocidad de propagación y T es el periodo).
• Frecuencia (f): Es el número de periodos en un determinado tiempo. Es directamente proporcional a la velocidad de propagación (v) e inversamente proporcional a la longitud de onda (λ). Se mide en Hertz (Hz). Las relaciones son: f = 1/T y, por lo tanto, λ = v/f.

El ojo humano percibe la luz en el espectro visible, que abarca desde aproximadamente 380 nanómetros (nm) hasta 780 nanómetros (nm). Las longitudes de onda más cortas corresponden al color violeta, mientras que las más largas corresponden al color rojo. Las radiaciones con longitudes de onda fuera de este rango no son visibles para el ojo humano.

3. Fórmulas Clave en Luminotecnia

• Flujo Luminoso (Φ): Cantidad total de luz emitida por una fuente. Se mide en lúmenes (lm).
  • Φ = Q / t (donde Q es la cantidad de luz y t es el tiempo)
  • Q = Φ · t (Cantidad de luz)
• Eficiencia Luminosa (η): Relación entre el flujo luminoso emitido y la potencia eléctrica consumida. Se mide en lúmenes por vatio (lm/W).
  • η = Φ / P (donde P es la potencia eléctrica)
• Intensidad Luminosa (I): Flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección específica. Se mide en candelas (cd), que equivalen a lúmenes por estereorradián (lm/Sr).
  • I = Φ / ω (donde ω es el ángulo sólido)
  • El ángulo sólido se calcula como ω = S / r² (donde S es el área de la superficie y r es el radio).
• Iluminancia (E): Flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área. Se mide en lux (lx), que equivalen a lúmenes por metro cuadrado (lm/m²).
  • E = Φ / S (donde S es el área de la superficie iluminada)
  • Ley Inversa del Cuadrado de la Distancia: La iluminancia disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente.
    • E = I / d² (donde d es la distancia a la fuente)
  • Ley del Coseno (para superficies inclinadas):
    • Iluminancia Horizontal (E_H): E_H = (I / d²) · cos α
    • Iluminancia Vertical (E_V): E_V = (I / d²) · sen α
    • Para una fuente a una altura h sobre la superficie: E_h = (I / h²) · cos³ α
• Luminancia (L): Intensidad luminosa por unidad de área proyectada de una superficie en una dirección dada.
  • L = I / (S_L · cos α) (donde S_L es el área de la superficie luminosa y cos α = S_A / S_L, siendo S_A el área proyectada).

4. Tipos de Lámparas

4.1. Lámparas Incandescentes

Funcionan calentando un filamento hasta que emite luz visible.

• Lámparas Incandescentes Estándar:
  • Funcionamiento: Al aumentar la temperatura en el filamento y la resistencia con el paso de la corriente, el filamento se vuelve incandescente y emite luz visible.
  • Componentes:
    • Ampolla: De vidrio, protege el interior.
    • Filamento: Generalmente de volframio (tungsteno), conduce la electricidad con alta resistencia y tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 3000ºC.
    • Sujeción del Filamento: Incluye un vástago de vidrio (aislante), hilos (transportan electricidad) y varillas de soporte (de molibdeno, soportan altas temperaturas).
    • Gas de Relleno: Gas inerte (como argón o neón) que evita la evaporación prematura del filamento.
    • Casquillo: Sujeta la lámpara y conecta el filamento a la red eléctrica. Suele ser de aluminio y puede ser de tipo Edison (rosca) o Bayoneta.
  • Características: Baja eficiencia luminosa (8 a 10 lm/W); vida útil de aproximadamente 1000 horas; alto Índice de Reproducción Cromática (IRC).
• Lámparas Halógenas:
  • Son similares a las lámparas incandescentes estándar, pero su ampolla contiene una atmósfera de gas inerte y un halógeno (como yodo o bromo).
  • Esto permite que el filamento opere a una temperatura más alta en un menor volumen, incrementando la eficiencia (aproximadamente 22 lm/W) y la vida útil (alrededor de 2000 horas).
  • Tipos:
    • Casquillo Cerámico: Con ampolla de cuarzo, filamento de tungsteno y gas inerte con halógeno.
    • Doble Envoltura: Ampolla de cuarzo dentro de otra de vidrio, lo que equilibra la temperatura y produce una luz más blanca.

4.2. Lámparas de Descarga

Funcionamiento: Producen luz al pasar una corriente eléctrica entre dos electrodos en un tubo lleno de gas o vapor ionizado. Existe una diferencia de potencial entre los electrodos, lo que provoca la ionización del gas y el movimiento de electrones. El tubo se recubre con materiales fluorescentes para aumentar la eficiencia luminosa.

• Componentes:
  • Ampolla: Protege y contiene el gas inerte o el vacío; a menudo recubierta con materiales fluorescentes.
  • Tubo de Descarga: Cilindro hueco donde se producen las descargas; relleno de mercurio (Hg) o sodio (Na) a alta o baja presión.
  • Electrodos: De volframio, recubiertos con una sustancia que facilita la emisión de electrones.
  • Gas: Mezcla de vapor de sodio o mercurio, o gas inerte, que mejora el funcionamiento.
  • Casquillo: Además de la sujeción, puede ser de tipo biclavija.
• Componentes Externos (para algunas lámparas de descarga):
  • Cebador: Contiene láminas separadas en una ampolla de vidrio, que provoca un pico de tensión para iniciar la descarga en el gas.
  • Balasto: Provoca la corriente de arranque, suministra la tensión de salida para iniciar el arco y limita la intensidad de corriente durante el funcionamiento.

Tipos de Lámparas de Descarga:

• Lámparas Fluorescentes (Vapor de Mercurio a Baja Presión):
  • Tubo cilíndrico de 26 mm de diámetro y longitud normalizada.
  • Emiten luz ultravioleta (convertida a visible por el recubrimiento fluorescente). Contienen gas inerte.
  • Potencias comunes: 18, 36, 58 W.
  • Su rendimiento se ve afectado por la temperatura ambiente y la humedad.
  • Eficiencia: 40 a 90 lm/W.
  • Vida útil: 5000 a 7000 horas.
  • Flujo luminoso típico: 3200 lm.
• Lámparas Fluorescentes Compactas:
  • Más pequeñas y con cebador incorporado.
  • Potencias comunes: 5, 7, 9, 11 W.
  • Alta eficiencia: 45 a 79 lm/W.
  • Vida útil: 6000 horas.
• Lámparas de Vapor de Mercurio a Alta Presión:
  • Menor radiación ultravioleta y mayor luz visible.
  • Se encienden mediante un electrodo de arranque.
  • Eficiencia: 40 a 60 lm/W.
  • Vida útil: 8000 horas.
  • Flujo luminoso típico: 28000 lm.
• Lámparas de Luz Mezcla:
  • Combinan incandescencia y descarga.
  • Incorporan un balasto interno (en el filamento).
  • Eficiencia: 20 a 60 lm/W.
  • Vida útil: 6000 horas.
  • Flujo luminoso típico: 23000 lm.
• Lámparas de Halogenuros Metálicos:
  • Contienen mercurio a alta presión y halogenuros metálicos (como sodio, litio, etc.), lo que mejora la reproducción cromática y la eficiencia.
  • Eficiencia: 80 a 100 lm/W.
  • Vida útil: 10000 horas.
  • Tiempo de encendido: Aproximadamente 10 minutos.
  • Flujo luminoso típico: 31500 lm.
• Lámparas de Vapor de Sodio: Emiten luz predominantemente amarilla.
  • A Baja Presión:
    • La luz se produce a través de polvos fluorescentes.
    • Tiempo de encendido: Aproximadamente 10 minutos.
    • Eficiencia: 160 a 180 lm/W.
    • Vida útil: 15000 horas.
    • Flujo luminoso típico: 48000 lm.
  • A Alta Presión:
    • Ofrecen una mejor reproducción cromática.
    • Eficiencia: 100 a 130 lm/W.
    • Vida útil: 20000 horas.
    • Flujo luminoso típico: 450000 lm.

4.3. Lámparas LED (Diodo Emisor de Luz)

La luz es emitida por un cuerpo sólido. Son diodos semiconductores que, al ser atravesados por una corriente eléctrica, emiten luz monocromática.

• Vida útil: Aproximadamente 50000 horas.
• No contienen mercurio.
• Eficiencia luminosa: Generalmente superior a las lámparas halógenas y en constante mejora.