EL MUNDO Y LA LUZ
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•
RENDIMIENTO: Cantidad de
flujo luminoso emitido por unidad de potencia inyectada (lm/W).
• VIDA ÚTIL
(DEPRECIACIÓN LUMINOSA): Duración en horas de encendido hasta que el flujo luminoso alcanza el 80 % del flujo inicial.
• VIDA MEDIA
(MORTALIDAD): Para una muestra representativa, tiempo de ensayo, desde el encendido, en el que dejan de funcionar el 50 % de las lámparas.
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Es interesante establecer parámetros que definan cualitativamente la iluminación de una escena. Sin duda, la característica fundamental en este sentido es la temperatura de color. Esta magnitud, viene expresada en grados Kelvin (K).
1.800 2.000 2.200 2.300 2.400 2.500 3.200 4.000/4.500 4.800 5.500 5.600 6.000 7.000 8.000 12.000
Rojo Luz cálida
Brasas encendidas Luz de una vela Luz del sol en el ocaso Luz del sol al amanecer Lámparas de sodio Lámparas de incandescencia Lámparas halógenas Lámparas fluorescentes Lámparas de vapor de mercurio Luz del sol a medio día Lámparas de mercurio HMI Fluorescencia luz día Día lluvioso Día nublado Cielo azul despejado
Naranja
Amarillo
Blanco Luz fría
Tipo de iluminación
Temperatur Pigmentación a de color (K)
Azul
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FUENTES DE LUZ
LAS LÁMPARAS Para conseguir una iluminación correcta, en los estudios o plató de televisión podemos encontrar un amplio abanico de fuentes de luz. Las lámparas incandescentes fueron la primera forma de generar luz a partir de la energía eléctrica. Desde que fueran inventadas, la tecnología ha cambiado mucho produciéndose sustanciosos avances en la cantidad de luz producida, el consumo y la duración de las lámparas. Su principio de funcionamiento es simple, se pasa una corriente eléctrica por un filamento hasta que este alcanza una temperatura tan alta que emite radiaciones visibles por el ojo humano.
Incandescenci a Incandesce ntes Halógenas
Descarga Baja presión fluorescente s sodio baja presión
Alta presión Mercurio Mercurio Halogenado Sodio Alta Presión 4
La incandescencia
Todos los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación electromagnética. Cuanto más alta sea su temperatura mayor será la energía emitida y la porción del espectro electromagnético ocupado por las radiaciones emitidas. Si el cuerpo pasa la temperatura de incandescencia, una buena parte de estas radiaciones caerán en la zona visible del espectro y obtendremos luz.
La incandescencia se puede obtener de dos maneras. La primera es por combustión, la segunda es pasando una corriente eléctrica a través de un hilo conductor muy delgado. Tanto de una forma como de otra, obtenemos luz y calor. 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.
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Características cromáticas Los colores que vemos con nuestros ojos dependen en gran medida de las características cromáticas de las fuentes de luz. A la hora de describir las cualidades cromáticas de las fuentes de luz hemos de considerar dos aspectos. La temperatura de color, hace referencia al color de la fuente luminosa. El rendimiento de color, hace referencia a cómo se ven los colores de los objetos iluminados.
Fuente de luz blanca.
Fuente de luz monocromática.
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LÁMPARAS INCANDESCENTES
CARACTERÍSTICAS •
Principio de funcionamiento: incandescencia
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Filamento de tungsteno y relleno de argón y nitrógeno
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Rendimiento: 10lm/w (Halógenas: 20lm/W)
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Vida útil: 1000 - 2000hs
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Equipo auxiliar: no necesitan
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Posición de funcionamiento: cualquiera
•
Reproducción cromática: óptima
La duración de una lámpara viene determinada básicamente por la temperatura de trabajo del filamento. Cuanto más alta sea esta, mayor será el flujo luminoso pero también la velocidad de evaporación del material que forma el filamento. La duración de las lámparas incandescentes está normalizada; siendo de unas 1000 horas para las normales, de 2000 horas para las halógenas en aplicaciones de uso general y de 4000 horas para las especiales.
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LÁMPARAS INCANDESCENTES CARACTERÍSTICAS
Efecto de las variaciones de tensión (%) sobre las características de funcionamiento de las lámparas incandescentes.
Evolución del rendimiento y la vida útil con la tensión aplicada.
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Lámparas con gas
Lámparas de vacío
Temperatura del filamento
2500 ºC
2100 ºC
Eficacia luminosa de la lámpara
10-20 lm/W
7.5-11 lm/W
Duración
1000 horas
1000 horas
Convección y radiación
Radiación
Pérdidas de calor
Entre las lámparas incandescentes no halógenas podemos distinguir las que se han rellenado con un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vacío en su interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del mismo.
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Lámparas incandescentes halógenas Ciclo de regeneración del halógeno
El funcionamiento de este tipo de lámparas requiere de temperaturas muy altas para que pueda realizarse el ciclo del halógeno. Tienen una eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo (150 a 2000W) según el uso al que estén destinadas. 10
Lámparas de Descarga La lámpara fluorescente es una lámpara de descarga en vapor de mercurio de baja presión.
Las lámparas de descarga constituyen una forma alternativa de producir luz de una manera más eficiente y económica que las lámparas incandescentes.
En las lámparas de descarga, la luz se consigue estableciendo una corriente eléctrica entre dos electrodos situados en un tubo lleno con un gas o vapor ionizado. 11
Lámparas de descarga 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 producir luz.
Relación entre los estados energéticos de los electrones y las franjas visibles en el espectro. Es fácil comprender que el espectro de estas lámparas sea discontinuo. 12
La lámpara, generalmente con ampolla de forma tubular larga con un electrodo sellado en cada terminal, contiene vapor de mercurio a baja presión con una pequeña cantidad de gas inerte para el arranque y la regulación del arco. La superficie interna de la ampolla está cubierta por una sustancia luminiscente (polvo fluorescente o fósforo) cuya composición determina la cantidad de luz emitida y la temperatura de color de la lámpara. 13
Lámparas de descarga
Balance energético de una lámpara de descarga
La eficacia de las lámparas de descarga oscila entre los 19-28 lm/W de las lámparas de luz de mezcla y los 100-183 lm/W de las de sodio a baja presión.
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LÁMPARAS DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN (PRESENTACIÓN)
Cuando se examina el funcionamiento de la lámpara de mercurio de alta presión, se deben considerar tres fases bien diferenciadas: ignición, encendido y estabilización. 15
LÁMPARAS DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN Desde su introducción, la lámpara de vapor de mercurio a alta presión ha sido desarrollada a tal punto que la tecnología de iluminación es apenas imaginable sin ella. En estas lámparas, la descarga se produce en un tubo de cuarzo que contiene una pequeña cantidad de mercurio y un relleno de gas inerte, generalmente argón, para ayudar al encendido. Una parte de la radiación de la descarga ocurre en la región visible del espectro como luz, pero otra parte se emite en la ultravioleta. Cubriendo la superficie interna de la ampolla exterior, en la cual se encuentra el tubo de descarga, con un polvo fluorescente que convierte esta radiación ultravioleta en radiación visible, la lámpara ofrecerá mayor iluminación que otra de iguales características en la que no se halle dicha capa.
Debido a la forma discontinua del espectro de estas lámparas, la luz emitida es una mezcla de unas pocas radiaciones monocromáticas.
Espectro de una lámpara de descarga 16
LÁMPARAS DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN ) Balas to R=25kΩ
Capacit or Electrodos principales
La ignición se logra por medio de un electrodo auxiliar o de arranque, ubicado muy cerca del electrodo principal y conectado al otro a través de una resistencia de alto valor (25 kΩ). Se produce una descarga entre el electrodo principal y el auxiliar, la cual ioniza el gas en el tubo e inicia la descarga principal. El mercurio sólido se volatiliza hasta alcanzar la presión de trabajo, entrando en la fase de estabilización alcanzando el punto de equilibrio termodinámico. Para garantizar el momento de equilibrio es necesaria la inclusión en el circuito de un balasto.17
LÁMPARAS DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
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Rendimiento: 40 a 55 lm/w
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Vida útil: 15000hs
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Reencendido: no instantáneo
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Estabilización: balasto
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Posición de funcionamiento: cualquiera
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Lámparas de mezcla o de luz mixta: •
no necesitan balasto
•
tienen menor rendimiento (20-25 lm/W) 18
Lámparas de luz mezcla Las lámparas de luz mezcla son una combinación de la lámpara de vapor de mercurio a alta presión y de la lámpara incandescente, como resultado de uno de los intentos para corregir la luz azulada de las lámparas de vapor de mercurio, lo cual se consigue por la inclusión dentro de la misma ampolla de un tubo de descarga de vapor de mercurio y un filamento incandescente de wolframio.
La luz de la descarga de mercurio y la del filamento caldeado se combinan, o se mezclan, para lograr una lámpara con características operativas totalmente diferentes a aquellas en las que están basadas. 19
LÁMPARAS DE MERCURIO HALOGENADAS • Similar a las de mercurio con un aditivo de halogenuro metálico en el tubo de descarga, lo cual agrega otras bandas de emisión. • Mayor rendimiento (80 lm/w) • Mejor reproducción cromática • Similar vida útil • Problemas: • más susceptibles a las variaciones de tensión de red • posición de funcionamiento limitada • reencendido más lento (por encima de los 3 minutos).
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Lámparas con halogenuros metálicos Si añadimos en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio...) se consigue mejorar considerablemente 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).
Espectro de emisión de una lámpara con halogenuros metálicos
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Lámparas con halogenuros metálicos (HMI) Los resultados de estas aportaciones son una temperatura de color de 3000 a 6000 K dependiendo de los yoduros añadidos y un rendimiento del color de entre 65 y 85. La eficiencia de estas lámparas ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de unas 10000 horas.
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).
Las excelentes prestaciones cromáticas la hacen adecuada entre otras para la iluminación de instalaciones deportivas, para retransmisiones de TV, estudios de cine, proyectores, etc. 22
Lámparas de descarga en vapor de sodio LÁMPARAS DE SODIO DE 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). Por ello, la eficacia de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otras ventajas que ofrece es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. La vida media de estas lámparas es muy elevada, de unas 15000 horas. 23
LÁMPARAS DE SODIO DE 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 tubo está encerrado en una ampolla en la que se ha practicado el vacío con objeto de aumentar el aislamiento térmico. De esta manera se ayuda a mantener la elevada temperatura de funcionamiento necesaria en la pared del tubo (270 ºC).
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LÁMPARAS DE SODIO DE 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. Las consecuencias de esto es que tienen un rendimiento en color (Tcolor= 2100 K) y capacidad para reproducir los colores mucho mejores que la de las lámparas a baja presión
La vida media de este tipo de lámparas ronda las 20000 horas y su vida útil entre 8000 y 12000 horas. 25
LÁMPARAS DE SODIO DE ALTA PRESIÓN
Las condiciones de funcionamiento son muy exigentes debido a las altas temperaturas (1000 ºC), la presión y las agresiones químicas producidas por el sodio que debe soportar el tubo de descarga. En su interior hay una mezcla de sodio, vapor de mercurio que actúa como amortiguador de la descarga y xenón que sirve para facilitar el arranque y reducir las pérdidas térmicas. 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.
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HMI
LÁMPARAS (halogeniuro metálico) Es un tipo de lámpara que emite una luz muy intensa de la misma temperatura de color del sol. Como las lámparas halógenas, poseen ampollas de cuarzo rellenas de gas, pero, en lugar de utilizar filamento, disponen de dos electrodos, entre los que se realizan periódicas descargas de corriente que provocan la radiación luminosa. Probablemente es la tecnología que consigue un mayor aprovechamiento de la energía que recibe, logrando un rendimiento de unos 100 lm/W aplicado. Su temperatura de color se sitúa entre 5.500 y 6.000 K, proporcionando una luz día de alta calidad.
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HMI
LÁMPARAS (halogeniuro metálico)
La mayor desventaja de las luces HMI es que requieren de una fuente de poder de alto voltaje grande, pesada y costosa. Aún así, por la temperatura de color de la luz que emiten, por su eficiencia y potencia lumínica, las luces HMI son utilizadas frecuentemente en exteriores, muchas veces parar rellenar las sombras causadas por el sol.
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Lámparas de Xenón El grupo de lámparas de descarga se completa con las que insertan este gas noble en el interior de ampollas de cuarzo. También comparten con las lámparas HMI un alto factor de eficacia, mientras que su temperatura de color alcanza valores ligeramente inferiores, siendo típico el de 5.400 K. Como todas las lámparas de descarga, precisa un tiempo de calentamiento de entre dos y cuatro minutos para que proporcione la temperatura de color adecuada y su máxima potencia lumínica.
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