Sistema Eletrônicos para Iluminação Dia 1  Conceitos Básicos: Radiometria, Fotometria e Colorimetria Docente:Marco Antonio Dalla Costa 19 a 23 de Novembro de 2012

OBJETIVO DEL CURSO: 1.- DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ELECTRÓNICA PARA LÁMPARAS. (BALASTOS ELECTRÓNICOS) 2.- CONOCER COMO SE COMPORTAN LAS LÁMPARAS COMO CARGAS DE POTENCIA. CONOCER LOS TIPOS DE LÁMPARAS EXISTENTES. 3.- EXPLICACIÓN DE CONCEPTOS DE FOTOMETRÍA Y COLORIMETRÍA. LÁMPARA COMO CARGA DE POTENCIA LÁMPARA COMO FUENTE DE LUZ VATIOS LÚMENES ¿ARRANQUE, CALENTAMIENTO, ENVEJECIMIENTO, MODELO ELÉCTRICO,....? ¿LÚMENES, CANDELAS, LUX, ESPECTRO, DIAGRAMAS RADIACIÓN, COLOR,......?

FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA TOPOLOGÍA DE POTENCIA CARGA DE POTENCIA ETAPA DE CONTROL ALIMENTACIÓN GOBIERNO INFORMACIÓN USUARIO

TÉCNICAS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA: APORTACIONES A LA ILUMINACIÓN 1.- Aumento de la eficiencia luminosa: Obtener la misma luz con menor consumo. 2.- Mejorar las características del consumo: Mejor Factor de Potencia, Limitar picos de conexión, cumplir normativas. 3.- Mejorar las características de funcionamiento Arranque y rearranque controlados: vida de filamentos. Reducir o eliminar fluctuación de la luz ("Flicker") 4.- Mejorar peso y volumen del equipo de alimentación. 5.- Incorporar nuevas prestaciones. Regulación del nivel de luz ("Dimming") Introducir inteligencia, capacidad de test, comunicaciones, facilidades de mantenimiento, etc TÉCNICAS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA: APORTACIONES A LA ILUMINACIÓN 1.- Aumento de la eficiencia luminosa: Obtener la misma luz con menor consumo. 2.- Mejorar las características del consumo: Mejor Factor de Potencia, Limitar picos de conexión, cumplir normativas. 3.- Mejorar las características de funcionamiento Arranque y rearranque controlados: vida de filamentos. Reducir o eliminar fluctuación de la luz ("Flicker") 4.- Mejorar peso y volumen del equipo de alimentación. 5.- Incorporar nuevas prestaciones. Regulación del nivel de luz ("Dimming") Introducir inteligencia, capacidad de test, comunicaciones, facilidades de mantenimiento, etc

SUMARIO  Concepto de Luz;  Radiometría;  Fotometría;  Unidades Fotométricas;  Instrumentos de Medida Fotométrica;  Colorimetría;  Ejemplos de Lámparas Comerciales;  Conclusión.  Concepto de Luz;  Radiometría;  Fotometría;  Unidades Fotométricas;  Instrumentos de Medida Fotométrica;  Colorimetría;  Ejemplos de Lámparas Comerciales;  Conclusión.

CONCEPTO DE LUZ: Energía Radiante que es capaz de excitar la retina del ojo humano y crear una sensación visual. (380 nm   770 nm) ENERGÍA RADIANTE = ENERGÍA EN FORMA DE ONDA ELECTROMAGNÉTICA POTENCIA ELÉCTRICA (vatios) POTENCIA RADIADA POTENCIA LUMINOSA POTENCIA NO LUMINOSA CALOR POTENCIA LUMINOSA CORREGIDA (Lúmenes)

CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO AL SER EXCITADA ADECUADAMENTE. ( nm) ( nm) ( nm) OZONO GERMICIDA UV-C UV-B UV-A UV LEJANOUV CERCANO ULTRAVIOLETA

LA RADIOMETRÍA Y LA FOTOMETRÍA DESCRIBEN LA PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA RADIANTE A TRAVÉS DEL ESPACIO. LA RADIOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DE UNA FORMA PURAMENTE FÍSICA. LA FOTOMETRÍA DESCRIBE EL PROBLEMA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL EFECTO QUE ESTA ENERGÍA RADIANTE PRODUCE EN EL OJO HUMANO FOTOMETRÍA RADIOMETRÍA

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO - LONGITUD DE ONDA (wavelength) en nm - FRECUENCIA ESPECTRAL (frequency) f en Hz c = m/s velocidad de la luz en el vacío - ENERGÍA DEL FOTÓN (photon energy)E en J h = 6.63 x J.S Constante de Planck 1 eV = J [nm]

ESPECTROS DE DISTINTOS TIPOS DE LÁMPARAS ESPECTROS DE DISTINTOS TIPOS DE LÁMPARAS

CONECTOR SMA DE ENTRADA DETECTOR CCDESPEJOS COLIMADORES ¿COMO SE OBTIENE EL ESPECTRO DE UNA LÁMPARA? SE APROVECHA LA VARIACIÓN DE LA REFRACCIÓN CON LA LONGITUD DE ONDA GRATING LOS MODERNOS MONOCROMADORES UTILIZAN REDES DE DIFRACCIÓN (GRATINGs) PARA DISPERSAR LA LUZ Y OBTENER SU ESPECTRO ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ESPECTROFOTÓMETRO INCIDENTE DIFRACTADA GRATING

¿COMO OBTENEMOS LA LUZ QUE OBTENEMOS DE UNA LÁMPARA CUANDO LE APLICAMOS UNA DETERMINADA POTENCIA EN W? ¿QUE UNIDADES DE UTILIZAN Y COMO SE INTERPRETAN? POTENCIA ELÉCTRICA (vatios) POTENCIA RADIADA POTENCIA LUMINOSA POTENCIA NO LUMINOSA CALOR POTENCIA LUMINOSA CORREGIDA (Lúmenes)

[nm] P( ) W nm EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W ZONA VISIBLE 10% POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W ¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!

[nm] P( ) W nm LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W: CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W: CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO V( ) P( ) EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm). 1 vatio-luz = 683 Lúmenes 30 vatios-luz = Lúmenes EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm). 1 vatio-luz = 683 Lúmenes 30 vatios-luz = Lúmenes FLUJO LUMINOSO (  ) MODELO DE OJO

[nm] 0 1 V( ) MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA – FOTÓPICO (Experimental) MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA – FOTÓPICO (Experimental)

Lúmenes 1000 W  21 lm/W Rendimiento  = RENDIMIENTO DE LA CONVERSIÓN EL MAYOR RENDIMIENTO HIPOTÉTICO QUE PODRÍA TENER UNA LÁMPARA ES DE 683 lm/W LA LÁMPARA CONOCIDA DE MAYOR RENDIMIENTO ES LA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN CON 180 lm/W UN FLUORESCENTE TUBULAR DE 36 W TIENE UN RENDIMIENTO DE UNOS 70 lm/W. (LOS MODERNOS T5 PUEDEN LLEGAR A LOS 100 lm/W) Ejemplo en MathCad

LA CANDELA (cd) ES UNIDAD BÁSICA DEL SI * Unidad de intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección específica. *Es unidad base del S.I. y se define como "Intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*10 12 Hz (en el aire 555 nm) y cuya intensidad energética en dicha dirección es de 1/683 W por estereorradián" LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS) El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS) EJEMPLO: PUNTO UNIFORME DE 1 CANDELA EN CUALQUIER DIRECCIÓN r 1 cd Normalmente las lámparas no emiten por igual en todas las direcciones SE EMPLEA EL CONCEPTO DE ESTEREORRADIÁN, EXTENSIÓN DEL CONCEPTO DE ANGULO AL ESPACIO (ANGULO SÓLIDO) En realidad, no existen fuentes como un punto uniforme. Sin embargo, si el diámetro de la fuente de luz es menor que 20% de la distancia a la que se mide, se considera que la fuente es puntual.

EL ÁNGULO SÓLIDO: ESTEREORRADIÁN Geometría plana: Ángulos y radianes(rd) radio  arco "La circunferencia completa son 2  rd" Geometría de sólidos (estereometría): Superficie y estereorradián (sr) radio área ángulo sólido  "La esfera completa son 4  sr" Formas diferenciales

NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES NORMALMENTE LAS LÁMPARAS NO SON FUENTES DE LUZ UNIFORMES EN TODAS LAS DIRECCIONES DIAGRAMA DE RADIACIÓN Generalmente tiene geometría axial (Se obtiene con un Goniofotómetro) LA INTENSIDAD LUMINOSA (I) ES LA MEDIDA DE LA LUZ EN UNA DETERMINADA DIRECCIÓN

RELACIÓN ENTRE LA INTENSIDAD LUMINOSA I (Cd) Y EL FLUJO LUMINOSO  (lm) r 1 cd DEL EJEMPLO ANTERIOR: La fuente uniforme de 1 cd emite 4  lm "Si la fuente no es uniforme debemos integrar en toda la superficie de la esfera" (Posteriormente haremos un ejemplo) "Si la fuente no es uniforme debemos integrar en toda la superficie de la esfera" (Posteriormente haremos un ejemplo) "La intensidad luminosa es el flujo luminoso en una dirección dada"

EL FLUJO LUMINOSO QUE VIAJA DESDE UNA FUENTE DE LUZ, SE RECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SE REFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUEN NÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS. En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poner algunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura EL FLUJO LUMINOSO QUE VIAJA DESDE UNA FUENTE DE LUZ, SE RECIBE FINALMENTE EN OBJETOS O SUPERFICIES, DONDE SE REFLEJA, TRANSMITE Y ABSORBE, DANDO LUGAR A UN BUEN NÚMERO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS. En este seminario no vamos a entrar en detalle, solo vamos a poner algunos ejemplos y quedarnos con la nomenclatura

CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN POTENCIA RADIANTE FLUJO RADIANTE RADIANT POWER RADIANT FLUX [W] POTENCIA RADIANTE FLUJO RADIANTE RADIANT POWER RADIANT FLUX [W] FLUJO LUMINOSO LUMINOUS FLUX [lm] FLUJO LUMINOSO LUMINOUS FLUX [lm] INTENSIDAD RADIANTE RADIANT INTENSITY [W/sr] INTENSIDAD RADIANTE RADIANT INTENSITY [W/sr] INTENSIDAD LUMINOSA LUMINOUS INTENSITY [cd] INTENSIDAD LUMINOSA LUMINOUS INTENSITY [cd] IRRADIANCIA IRRADIANCE [W/m 2 ] IRRADIANCIA IRRADIANCE [W/m 2 ] ILUMINACIÓN ILUMINANCE [lx]  lm/m 2 ILUMINACIÓN ILUMINANCE [lx]  lm/m 2 EXCITANCIA EXITANCE [W/m 2 ] EXCITANCIA EXITANCE [W/m 2 ] EXCITANCIA LUMINOSA LUMIOUS EXCITANCE [lm/m 2 ] EXCITANCIA LUMINOSA LUMIOUS EXCITANCE [lm/m 2 ] RADIANCIA RADIANCE [W/(sr m 2) ] RADIANCIA RADIANCE [W/(sr m 2) ] LUMINANCIA O BRILLO LUMINANCE [cd/m 2 ] LUMINANCIA O BRILLO LUMINANCE [cd/m 2 ] TOTAL DE ENERGÍA ENERGÍA EN UNA DIRECCIÓN ENERGÍA RECIBIDA EN UNA SUPERFICIE ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIE EN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE RADIOMETRÍA FOTOMETRÍA

UN EJEMPLO: Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4  lm que recibe el interior de la esfera. La esfera transmite 0.8 x4  lm Se llama Excitancia Luminosa (H) al Flujo Luminoso por unidad de superficie que sale de una Superficie Iluminada La superficie de la esfera es de 4  m 2. r 1 cd

Se llama Luminancia o brillo (L) al Flujo Luminoso que sale de una Superficie Iluminada en una determinada dirección y por unidad de superficie r 1 cd EJEMPLO: Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe Como habíamos visto antes El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de  m 2. En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminoso por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie. LUMINANCIA ES BRILLO

EJEMPLO CON LUMINANCIA Tenemos un proyector situado en el techo, de 0.04 m 2 de superficie, que ilumina con una intensidad de 100 cd en cualquier dirección una mesa de 0.5 m 2 de superficie. La mesa se puede considerar una superficie especular de factor de reflexión de 0.8. Calcular la luminancia de la fuente y la luminancia de la mesa para el observador de la figura. EJEMPLO CON LUMINANCIA Tenemos un proyector situado en el techo, de 0.04 m 2 de superficie, que ilumina con una intensidad de 100 cd en cualquier dirección una mesa de 0.5 m 2 de superficie. La mesa se puede considerar una superficie especular de factor de reflexión de 0.8. Calcular la luminancia de la fuente y la luminancia de la mesa para el observador de la figura. Solución Luminancia de la fuente: Solución Luminancia de la fuente: Como la mesa no es una superficie reflectante perfecta una parte de la intensidad luminosa que le llega es absorbida por esta. Esto quiere decir que en la fórmula de la luminancia el valor de I estará afectado por el factor de reflexión La Luminancia es un concepto que se emplea bastante en el diseño ( deslumbramiento, molestias en la visión, efectos artísticos, etc)

EN INGENIERÍA LA MAGNITUD MAS USUAL ES LA ILUMINACIÓN (E) La unidad empleada en iluminación es el LUX (lx) "LA ILUMINACIÓN DE UNA SUPERFICIE ES LA DENSIDAD DE FLUJO LUMINOSO INCIDENTE EN ELLA" Se usa también otra unidad, el foot-candle (fc), utilizada en países de habla inglesa cuya relación con el lux es: 1 fc aproximadamente 10 lx Si se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.

r 1 cd EJEMPLO: Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4  lm La Iluminación del interior de la esfera vale 1 lx El interior de la esfera recibe una Iluminación uniforme y como su superficie es de 4  m 2. Nota: Si la fuente es uniforme, midiendo la iluminación en cualquier punto, podemos estimar el flujo luminoso del punto de luz. Este concepto, aunque es hipotético (no existe ninguna fuente de luz uniforme) tendrá su utilidad en los "Fotómetros de esfera"

0.8 m PROBLEMA TÍPICO: ¿CUANTAS LÁMPARAS, DE QUE TIPO, DONDE SE COLOCAN, PARA ASEGURAR UN DETERMINADO NIVEL DE ILUMINACIÓN EN EL PLANO DE TRABAJO? PROBLEMA TÍPICO: ¿CUANTAS LÁMPARAS, DE QUE TIPO, DONDE SE COLOCAN, PARA ASEGURAR UN DETERMINADO NIVEL DE ILUMINACIÓN EN EL PLANO DE TRABAJO?

LA ILUMINACIÓN ES UNA MAGNITUD IMPORTANTE EN ILUMINACIÓN. LEYES IMPORTANTES QUE DEBEN DE TENERSE EN CUENTA. LA ILUMINACIÓN ES UNA MAGNITUD IMPORTANTE EN ILUMINACIÓN. LEYES IMPORTANTES QUE DEBEN DE TENERSE EN CUENTA. 1ª LEY: LA ILUMINACIÓN DECRECE CON EL CUADRADO DE LA DISTANCIA 0.5 m 40 Lx 10 Lx "Si medimos 10 Lx a 1 m de distancia, a 0.5 m mediremos 40 Lx"

2ª LEY: LA ILUMINACIÓN CON INCIDENCIA OBLICUA  d I "LA ILUMINACIÓN (Horizontal) ES PROPORCIONAL AL ÁNGULO DE INCIDENCIA" Realmente hay 2 componentes, una horizontal y otra vertical. Normalmente se trabaja con la horizontal Realmente hay 2 componentes, una horizontal y otra vertical. Normalmente se trabaja con la horizontal

ILUMINACIÓN: Realmente si el rayo no es perpendicular hay que descomponer la iluminancia recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la superficie. ILUMINACIÓN: Realmente si el rayo no es perpendicular hay que descomponer la iluminancia recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la superficie. A la componente horizontal de la iluminancia (E H ) se le conoce como la ley del coseno. En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total es la suma de las iluminancias recibidas:

EJEMPLO: Una superficie está iluminada por una fuente luminosa puntual de 80 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura. Calcular la iluminancia horizontal y vertical para los siguientes valores del ángulo alfa: 0, 30º, 45º, 60º, 75º y 80º. Solución Como vimos al hablar de magnitudes fotométricas, las componentes de la iluminancia, se pueden calcular empleando las fórmulas: EJEMPLO: Una superficie está iluminada por una fuente luminosa puntual de 80 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura. Calcular la iluminancia horizontal y vertical para los siguientes valores del ángulo alfa: 0, 30º, 45º, 60º, 75º y 80º. Solución Como vimos al hablar de magnitudes fotométricas, las componentes de la iluminancia, se pueden calcular empleando las fórmulas:

Si representamos el diagrama isolux de la superficie podemos observar que las curvas son circunferencias, debido a que la intensidad es constante en todas direcciones, que la iluminancia disminuye a medida que los puntos se alejan del foco y que la máxima iluminancia se encuentra en la proyección de la fuente sobre la superficie (0º). Existen programas de diseño (p.e. el CALCULUX de PHILIPS) que nos proporcionan ayuda al diseño a partir de las lámparas y colocación de las mismas.

Desafortunadamente las lámparas no emiten luz igual en todas las direcciones (ni son fuentes de luz puntuales). La obtención de la intensidad luminosa de una lámpara en una determinada dirección o el total de lúmenes emitidos puede llegar a ser un problema. Desafortunadamente las lámparas no emiten luz igual en todas las direcciones (ni son fuentes de luz puntuales). La obtención de la intensidad luminosa de una lámpara en una determinada dirección o el total de lúmenes emitidos puede llegar a ser un problema. Diagrama de radiación X y Los diagramas de radiación suelen estar en los catálogos de los fabricantes. (información útil para el ingeniero de proyecto). En Electrónica de Potencia nos interesan mas los lúmenes que emite la lámpara, como una medida de aprovechamiento energético. Lúmenes emitidos respecto a vatios aportados. Los diagramas de radiación suelen estar en los catálogos de los fabricantes. (información útil para el ingeniero de proyecto). En Electrónica de Potencia nos interesan mas los lúmenes que emite la lámpara, como una medida de aprovechamiento energético. Lúmenes emitidos respecto a vatios aportados. COMENTARIO:

OBTENCIÓN DEL FLUJO LUMINOSO DE UNA LÁMPARA CONOCIDO EL DIAGRAMA DE RADIACIÓN.  dd r dA I(  ) Diagrama de radiación Esfera de radio r En todo el área dA la intensidad de la lámpara es constante y de valor I(  ) Tomamos como diferencial de ángulo sólido una cinta alrededor de la esfera de espesor r d  y de longitud 2  r De donde podemos obtener el diferencial de flujo luminoso Integrando se obtiene el flujo luminoso p.e. GEOMETRÍA AXIAL

EJEMPLO Lámpara de 10 W 10 cd 20 cd 30 cd Preguntas: 1.- De cuantos lúmenes es la lámpara? 2.- ¿Cual es el rendimiento luminoso? Preguntas: 1.- De cuantos lúmenes es la lámpara? 2.- ¿Cual es el rendimiento luminoso? 30º 60º

 dd r dd Obtención del Angulo sólido con simetría axial. (Muy usual en iluminación) Obtención del Angulo sólido con simetría axial. (Muy usual en iluminación)

 3 30 cd  2 20 cd  1 10 cd

MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA UTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL Y COMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO. REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHO ESPACIO. SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SE COMPLICA. SE PUEDE OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA (FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990) MEDIR EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA UTILIZANDO EN DIAGRAMA DE RADIACIÓN (CANDELAS) TAL Y COMO SE HA INDICADO ES ENGORROSO. REQUIERE DE UN GONIOFOTÓMETRO QUE NECESITA MUCHO ESPACIO. SI LA LÁMPARA NO TIENE GEOMETRÍA AXIAL, EL CÁLCULO SE COMPLICA. SE PUEDE OBTENER EL FLUJO LUMINOSO (LÚMENES) DE UNA LÁMPARA, UTILIZANDO UNA ESFERA INTEGRADORA (FOTÓMETRO DE ULBRICHT, 1990) COMENTARIO: IDEA BASE: Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera. IDEA BASE: Si la lámpara emitiera igual en todas las direcciones, no haría falta la esfera.

IDEA A IMPLEMENTAR EN UN FOTÓMETRO DE ESFERA: Hacer que la emisión de nuestra lámpara se asemeje a una fuente de luz puntual que emite igual en todas las direcciones IDEA A IMPLEMENTAR EN UN FOTÓMETRO DE ESFERA: Hacer que la emisión de nuestra lámpara se asemeje a una fuente de luz puntual que emite igual en todas las direcciones MEDIDA DEL FLUJO LUMINOSO CON UNA ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT - LÁMPARA EN EL CENTRO DE UNA ESFERA DE RADIO MAYOR QUE 4 VECES EL TAMAÑO DE LA LÁMPARAS. (Para poder considerarla una fuente puntual). - SE MIDE LA ILUMINACIÓN EN UNA PEQUEÑA SUPERFICIE (VENTANA) DE LA ESFERA (FOTÓMETRO CON FILTRO V( ). -SE EVITA LA ILUMINACIÓN DIRECTA DESDE LA FUENTE DE LUZ HASTA EL FOTÓMETRO. -EL INTERIOR DE LA ESFERA ES UNIFORMEMENTE DIFUSO. NO ABSORBE, NO TRANSMITE, SOLO REFLEJA. -EL FACTOR DE REFLEXIÓN DEBE SER IGUAL PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA. - LÁMPARA EN EL CENTRO DE UNA ESFERA DE RADIO MAYOR QUE 4 VECES EL TAMAÑO DE LA LÁMPARAS. (Para poder considerarla una fuente puntual). - SE MIDE LA ILUMINACIÓN EN UNA PEQUEÑA SUPERFICIE (VENTANA) DE LA ESFERA (FOTÓMETRO CON FILTRO V( ). -SE EVITA LA ILUMINACIÓN DIRECTA DESDE LA FUENTE DE LUZ HASTA EL FOTÓMETRO. -EL INTERIOR DE LA ESFERA ES UNIFORMEMENTE DIFUSO. NO ABSORBE, NO TRANSMITE, SOLO REFLEJA. -EL FACTOR DE REFLEXIÓN DEBE SER IGUAL PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA.

FOTÓMETRO ESFERA INTEGRADORA DE ULBRICHT VENTANA PANTALLA Luz recibida en reflexión 1 Luz recibida reflexión n La suma de todas las reflexiones será: Se obtiene la expresión: LA ILUMINACIÓN MEDIDA EN EL FOTÓMETRO ES PROPORCIONAL AL FLUJO LUMINOSO DE LA LÁMPARA. SE REQUIERE UNA LÁMPARA PATRÓN PARA OBTENER LA CONSTANTE. LAS MEDIDAS POR ESTE PROCEDIMIENTO SON MUY RÁPIDAS LA ILUMINACIÓN MEDIDA EN EL FOTÓMETRO ES PROPORCIONAL AL FLUJO LUMINOSO DE LA LÁMPARA. SE REQUIERE UNA LÁMPARA PATRÓN PARA OBTENER LA CONSTANTE. LAS MEDIDAS POR ESTE PROCEDIMIENTO SON MUY RÁPIDAS

ESFERA INTEGRADORA Y GONIOFOTOMETROS (IMÁGENES)

COLORIMETRÍA Es la ciencia y la tecnología usada para cuantificar y describir matemáticamente las percepciones humanas del color COLORIMETRÍA Es la ciencia y la tecnología usada para cuantificar y describir matemáticamente las percepciones humanas del color RETINA HUMANA 6.8 MILLONES DE CONOS (DIA Y COLOR) 115 MILLONES DE BASTONES (NOCTURNA Y PERIFÉRICA) Los conos están concentrados en la Fóvea (  15º ) Los bastones solo contienen un fotopigmento (Rhodopsin) y no permite el reconocimiento de colores. Los conos contienen 3 clases de fotopigmentos: L-CONE Long wavelength sensitive, vulgarmente ROJO (R) M-CONE Medium wavelength sensitive, vulgarmente VERDE (V) S-CONE Short wavelength sensitive, vulgarmente AZUL (B) La abundancia relativa de los conos es: R=40 G=20 B=1

[nm] 0 1 SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ) SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ) V( ) 92 lx 59% 47 lx 30% 17 lx 11% 100 lx 100% LUMINOSIDAD AZUL 17 absoluta (11%) ROJO 47 absoluta (30%) VERDE 92 absoluta (59%) TOTAL 156 LUMINOSIDAD AZUL 17 absoluta (11%) ROJO 47 absoluta (30%) VERDE 92 absoluta (59%) TOTAL 156 COMENTARIO: 4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo. Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx. COMENTARIO: 4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo. Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx. En un televisor: Luminancia = 0.30 rojo verde azul MÁXIMO EN 555 nm (AMARILLO-VERDOSO) Publicada en 1923 por K.S.Gibson y E.P.T. Tyndall (National Bureau of Standards) 52 observadores en los años 1921 hasta 1923

[nm] MÁXIMO EN 505 nm (VERDE-AZULADO) 0 1 SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN ESCOTOPICA (SCOTOPIC) (BAJOS NIVELES DE LUZ Aproximación matemática ESTÁNDAR DEFINIDO EN 1931 "De noche la sensibilidad se desplaza hacia el azul" V'( )

Estructura Visual Humana Celdas Fotorreceptoras Conos Bastones Visión diurna Visión nocturna FOTÓPICA ESCOTÓPICA EscotópicaMesópicaFotópica Luminancia (cd/m²) ≤ 0,0340,034 < Mesópica < 3,4≥ 3,4

Curvas V λ y V’ λ Asociadas a la Eficiencia Visual V’λ (508, 1700) Vλ (555, 683)

ALTOS NIVELES DE LUZ (FOTÓPICA) BAJOS NIVELES DE LUZ (ESCOTÓPICA) Proceso de adaptación NIVELES DE LUZ INTERMEDIOS VISIÓN MESOTÓPICA (MESOPIC) NIVELES DE LUZ INTERMEDIOS VISIÓN MESOTÓPICA (MESOPIC) "Trabajan los conos fotorreceptores de la retina del ojo". Reconocimiento de colores. "Trabajan los conos fotorreceptores de la retina del ojo". Reconocimiento de colores. "Trabajan los bastones ("rods") fotorreceptores de la retina del ojo". No permiten reconocimiento de color "Trabajan los bastones ("rods") fotorreceptores de la retina del ojo". No permiten reconocimiento de color DIANOCHE

MODELOS MATEMÁTICOS PARA IGUALAR COLORES El primer modelo procede directamente del análisis de la fisiología del ojo MEZCLA DE TRES COLORES INDEPENDIENTES ROJO SATURADO (R). MONOCROMÁTICO DE 700 nm (Lámpara incandescente con un filtro de banda estrecha) VERDE SATURADO (G). MONOCROMÁTICO DE nm (Obtenida del espectro de mercurio) AZUL SATURADO (B). MONOCROMÁTICO DE nm (Obtenida del espectro de mercurio) "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM" [nm] R G B RATIOS DE POTENCIA RADIANTE RELATIVA UTILIZADA R= G= B=1 RATIOS DE POTENCIA RADIANTE RELATIVA UTILIZADA R= G= B=1 "Color-matching" experimentos realizados en 1920 por W.D. Wright, J. Guild y D. Judd

EL ESTÍMULO R SE SELECCIONA CON UN FILTRO DE INTERFERENCIA Y LOS ESTÍMULOS G Y B SON LÍNEAS DE EMISIÓN DE LA DESCARGA DE MERCURIO LAS UNIDADES DE RGB HAN SIDO TOMADAS DE FORMA QUE LA MEZCLA DE 1 UNIDAD DE R, CON 1 UNIDAD DE G, CON UNA UNIDAD DE B PROPORCIONE UN COLOR IGUAL QUE EL ESTÍMULO BLANCO DE TEST 1 UNIDAD DE R 1 UNIDAD DE G 1 UNIDAD DE B BLANCO DE cd/m 2 "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM" 1 UNIDAD DE R APORTA cd/m 2 1 UNIDAD DE G APORTA cd/m 2 1 UNIDAD DE B APORTA cd/m 2 RATIOS DE POTENCIA RADIANTE RELATIVA UTILIZADA R= G= B=1

IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 1.- CUALQUIER ESTÍMULO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA SUMA DE ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 1.- CUALQUIER ESTÍMULO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA SUMA DE ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS P( ) P( ) P( ) P( ) = P( ) "LEYES DE GRASSMAN"

IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 2.- SI TODOS LOS COLORES MONOCROMÁTICOS ENTRE 38O nm Y 780 nm SE IGUALAN CON UNA MEZCLA DE LOS COLORES RGB SE OBTIENEN LAS LLAMADAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r( ), g( ), b( ). IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 2.- SI TODOS LOS COLORES MONOCROMÁTICOS ENTRE 38O nm Y 780 nm SE IGUALAN CON UNA MEZCLA DE LOS COLORES RGB SE OBTIENEN LAS LLAMADAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r( ), g( ), b( ). r( ) g( ) b( ) [nm] Las "color matching functions" son muy importantes. nos permiten obtener el RGB de cualquier lámpara Las "color matching functions" son muy importantes. nos permiten obtener el RGB de cualquier lámpara FUNCIONES DE AJUSTE DE COLOR = COLOR MATCHING FUNCTIONS 17 observadores

r( ) g( ) b( ) [nm] i = B R G i EXPERIMENTO PARA OBTENER LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍA A TODAS LAS "Este proceso se repite con todos los i"

i R r( ) g( ) b( ) [nm] i = B R G i INTERPRETACIÓN VALORES NEGATIVOS EN LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍA A TODAS LAS No es posible igualar la luz de i mezclando RGB

Las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r( ), g( ), b( ) son importantes, conocido el Espectro de una lámpara podemos conocer la cantidad de R, G y B que necesitamos para describir matemáticamente su color. LA LUMINANCIA DE UN COLOR DADO POR SU RGB SERÁ: L = R G B [cd/m 2 ]

COMENTARIO: La sensación de color de un estímulo cualquiera definido por su espectro P( ), será igual a la suma de sensaciones de cada una de sus componentes. NORMALMENTE SE NORMALIZA EL RESULTADO OBVIAMENTE: r+g+b = 1

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: TRIÁNGULO DE COLOR DE MAXWELL REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: TRIÁNGULO DE COLOR DE MAXWELL g r 1 1 NUESTRA LÁMPARA B R G ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS E ESTIMULO E P( ) =1 360   770 "EQUAL-ENERGY STIMULUS" ESTIMULO BLANCO DE TEST "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM"

g r 1 1 R G B 0.33 LÁMPARA 1 LÁMPARA 2 IMPORTANTE: PUEDEN EXISTIR DOS LÁMPARAS CON DISTINTO ESPECTRO PERO EL MISMO COLOR. (COLORES METAMÉRICOS) IMPORTANTE: PUEDEN EXISTIR DOS LÁMPARAS CON DISTINTO ESPECTRO PERO EL MISMO COLOR. (COLORES METAMÉRICOS)

EL SISTEMA RGB NO SE UTILIZA POR LA DIFICULTAD DE REALIZAR "COLORÍMETROS FOTOELÉCTRICOS" CON CANTIDADES POSITIVAS Y NEGATIVAS EL CIE EN 1931 ADOPTO UN NUEVO CONJUNTO DE ESTÍMULOS PRIMARIOS QUE SE DENOMINAN X, Y, Z. ESTOS ESTÍMULOS SON IMAGINARIOS Y NO SE CORRESPONDEN CON NINGÚN COLOR REAL. SON PURAS TRANSFORMACIONES MATEMÁTICAS. SE HA TOMADO DE FORMA QUE LAS COORDENADAS CROMÁTICAS DEL ESTIMULO BLANCO DE TEST EN RGB Y EN XYZ SEAN LAS MISMAS. UNA DE LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" SE HA TOMADO V( ) (ESTÁNDAR FOTÓPICO DEL OJO HUMANO). SE HA TOMADO y( ) = V( ). LAS COORDENADAS DE TODOS LOS COLORES REALES DEBEN DE SER POSITIVAS

LA TRANSFORMACIÓN ADOPTADA POR LA CIE XYZ 1931 FUE: X = R G B Y = R G B Z = R G B "NOTAR QUE LA Y DE LA TRANSFORMACIÓN ES LA LUMINANCIA" LA TRANSFORMACIÓN INVERSA PUEDE OBTENERSE (INVIRTIENDO LA MATRIZ): LA TRANSFORMACIÓN INVERSA PUEDE OBTENERSE (INVIRTIENDO LA MATRIZ): R = X Y Z G = X Y Z B = X Y Z RGBXYZ RGB XYZ

x( ) = r( ) g( ) b( ) y( ) = r( ) g( ) b( ) z( ) = r( ) g( ) b( ) x( ) = r( ) g( ) b( ) y( ) = r( ) g( ) b( ) z( ) = r( ) g( ) b( ) LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x( ), y( ), z( ) PUEDEN OBTENERSE MATEMÁTICAMENTE LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x( ), y( ), z( ) PUEDEN OBTENERSE MATEMÁTICAMENTE recordar que se ha preparado todo para que y( ) = V( ) [nm] x( ) y( ) z( ) Se pueden aproximar matemáticamente: en  m

Utilizando las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x( ), y( ), z( ) pueden obtenerse las coordenadas cromáticas XYZ de una lámpara Utilizando las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x( ), y( ), z( ) pueden obtenerse las coordenadas cromáticas XYZ de una lámpara NOTAR QUE AHORA Y ES DIRECTAMENTE LA LUMINANCIA (L) DE LA LÁMPARA

OBVIAMENTE: x+y+z = 1 IGUAL QUE ANTES, SE NORMALIZA EL RESULTADO

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: CIE 1931 XYZ REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: CIE 1931 XYZ y x 1 1 "CIE 1931 XYZ PRIMARY SYSTEM" ESTIMULO E P( ) =1 360   770 "EQUAL-ENERGY STIMULUS" ESTIMULO BLANCO DE TEST 0.33 E ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS R G B NUESTRA LÁMPARA

MEZCLA DE 2 COLORES COLOR A COLOR B PROPORCIÓN DE B PROPORCIÓN DE A COLOR OBTENIDO

CASO PARTICULAR MEZCLA DE EXTREMOS DEL ESPECTRO VISIBLE: LÍNEA DE PÚRPURAS CASO PARTICULAR MEZCLA DE EXTREMOS DEL ESPECTRO VISIBLE: LÍNEA DE PÚRPURAS COLOR A LÍNEA DE PÚRPURAS COLOR PÚRPURA

IMÁGENES DE TELEVISIÓN "El color A puede considerarse una mezcla de blanco (LUMINANCIA) con el color monocromático correspondiente (CROMINANCIA) "El color A puede considerarse una mezcla de blanco (LUMINANCIA) con el color monocromático correspondiente (CROMINANCIA) LONGITUD DE ONDA DOMINANTE LONGITUD DE ONDA COMPLEMENTARIA BLANCO A B "El color B puede obtenerse de filtrar del color blanco el color monocromático correspondiente "El color B puede obtenerse de filtrar del color blanco el color monocromático correspondiente

MEZCLA SUBSTRACTIVA DE COLORES (PINTURA, FOTOGRAFÍA Y ARTES GRÁFICAS) MEZCLA DE COLORES FILTRADO DE COLORES

MEZCLA DE TRES COLORES: MONITORES X COLORES QUE PUEDEN SER REPRESENTADOS POR EL MONITOR COLORES QUE PUEDEN SER REPRESENTADOS POR EL MONITOR FÓSFOROS

OTROS ESTÁNDARES PARA DEFINIR EL COLOR HAN SIDO INTRODUCIDOS POR EL CIE CIE 1960 (u,v) (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U, V, W) ESTE DIAGRAMA ES INTERESANTE PARA EL TEMA DE LA TEMPERATURA DE COLOR ESTE DIAGRAMA ES INTERESANTE PARA EL TEMA DE LA TEMPERATURA DE COLOR

CIE 1976 (u',v') (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U', V', W')

TEMPERATURA DE COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA EL MODELO MATEMÁTICO DEL CUERPO NEGRO SIRVE PARA APROXIMAR LA EMISIÓN DE UNA LÁMPARA INCANDESCENTE Y TAMBIÉN LA LUZ SOLAR OBVIAMENTE, LAS LÁMPARAS NO RESPONDEN AL ESPECTRO DEL CUERPO NEGRO "LA TEMPERATURA DE COLOR DE UNA LÁMPARA ES LA TEMPERATURA A LA QUE TENGO QUE PONER EL CUERPO NEGRO PARA QUE LA APARIENCIA DE COLOR DE AMBOS SEA LA MISMA" NUESTRA LÁMPARA CUERPO NEGRO A 3000 K TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA 3000 K T

DIAGRAMA CIE 1931 XY: TEMPERATURA DE CUERPO NEGRO Y POSICIÓN DE LOS ILUMINANTES ESTÁNDAR DE LA CIE DIAGRAMA CIE 1931 XY: TEMPERATURA DE CUERPO NEGRO Y POSICIÓN DE LOS ILUMINANTES ESTÁNDAR DE LA CIE

ILUMINANTES ESTANDARIZADOS POR LA CIE ILUMINANTE A: LÁMPARA INCANDESCENTE DE TUNGSTENO A K (CUERPO NEGRO A K) ILUMINANTE B: LUZ SOLAR DIRECTA CON TEMPERATURAS DE COLOR K ILUMINANTE C: LUZ SOLAR DÍA NUBLADO CON TEMPERATURAS DE COLOR K ILUMINANTE D 65 : LUZ NATURAL A TEMPERATURA DE COLOR K ILUMINANTE E: ESTÍMULO EQUI-ENERGÉTICO

EVOLUCIÓN DEL COLOR DEL CUERPO NEGRO EN DISTINTOS DIAGRAMAS CIE 1931 XYZ CIE 1960 (u,v)

NUESTRA LÁMPARA ¿TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA ? T SE USA LA "TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA" PARA CASO EN QUE EL COLOR DE LA LÁMPARA ESTÉ ALEJADO DEL LUGAR DE COLOR DEL CUERPO NEGRO

CIE 1960 (u,v) NUESTRA LÁMPARA 90º TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA T = 3000 K TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA DE NUESTRA LÁMPARA 3000 K

ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC) LA CAPACIDAD PARA RECONOCER EL COLOR DE OBJETOS ILUMINADOS POR UNA FUENTE DE LUZ SE MIDE POR MEDIO DEL IRC EL IRC VARIA DE 0 HASTA 100. BUEN IRC  85 NORMAL ENTRE 70 Y 85 MALO  70 EL IRC VARIA DE 0 HASTA 100. BUEN IRC  85 NORMAL ENTRE 70 Y 85 MALO  70

AZUL ROJOAMARILLO VERDE SODIO DE ALTA PRESIÓN (IRC 25) FLUORESCENTE TRIFOSFORO (IRC 85) MUESTRA DE TEST EJEMPLO DE UN MAL Y DE UN BUEN IRC

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES Lámpara Incandescente: lm/W, IRC = 100%, CCT = 3300 K [nm] INCANDESCENTE - HALÓGENA P( ) W nm Eficiencia y CCT limitados por el punto de fusión del tungsteno.

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES Lámpara Fluorescente: lm/W, IRC = 70 – 90%, CCT = K Características definidas por la capa de fósforo utilizada [nm]

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES Lámpara HPS: lm/W, IRC = 25%, CCT = 2000 K Iluminación de Exteriores – rendimiento elevado y IRC bajo. Causa del rendimiento: visión fotópica. Iluminación de Exteriores – rendimiento elevado y IRC bajo. Causa del rendimiento: visión fotópica. T=2.000K

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES Lámpara LPS: 150 – 180 lm/W, IRC = 0%, CCT = 1700 K Lámpara más eficiente entre todas (visión fotópica). IRC  0%, sólo se ve amarillo o gris. Lámpara más eficiente entre todas (visión fotópica). IRC  0%, sólo se ve amarillo o gris [nm] LPS VSBP

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES Lámpara Halogenuros Metálicos: 100 lm/W, IRC = 90%, CCT = K Lámpara para aplicaciones de estudio y televisión [nm] TALIO E TERRAS RARAS

EJEMPLOS DE lm/W, IRCs Y CCTs PARA LÁMPARAS COMERCIALES LEDs: hasta 120 lm/W, IRC = %, CCT = K Tecnología en desarrollo – Futuro de la Iluminación. Características dependen de la capa de fósforo y temperatura. Tecnología en desarrollo – Futuro de la Iluminación. Características dependen de la capa de fósforo y temperatura [nm] LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)

CONCLUSIONES  Conceptos Básicos – esenciales para entender la clasificación de las lámparas comerciales.  Radiometría, Fotometría y Colorímetría.  Fisiología del Ojo Humano – características de color, visión fotópica, mesópica y escotópica.  Cálculos luminotécnicos.  Diagramas del CIE.  Características importantes: rendimiento, IRC y CCT.  Características de lámparas comerciales.  Conceptos Básicos – esenciales para entender la clasificación de las lámparas comerciales.  Radiometría, Fotometría y Colorímetría.  Fisiología del Ojo Humano – características de color, visión fotópica, mesópica y escotópica.  Cálculos luminotécnicos.  Diagramas del CIE.  Características importantes: rendimiento, IRC y CCT.  Características de lámparas comerciales.