Fundamentos de Iluminación


Física de la luz | La visión | Magnitudes Luminosas | Leyes básicas de iluminación | Colorimetría | Ejercicios

Magnitudes Luminosas

Las magnitudes luminosas definidas en este apartado hacen referencia solamente a las magnitudes fotométricas, que son las que se utilizan para el tema de la iluminación, pero sin olvidar que éstas provienen de las magnitudes radiométricas.

Desde el punto de vista luminotécnico existen dos elementos fundamentales: la fuente de luz y el objeto o espacio que se quiere iluminar.
Las magnitudes luminosas proporcionan información sobre las características técnicas de las fuentes de luz para poder clasificarlas, compararlas y ver la relación que existe entre ellas para poder decidir que fuentes de luz se elegirán.

Antes de definir las magnitudes fotométricas hay una serie de conceptos que se deben conocer para entender el significado de los valores de las magnitudes y más adelante para entender la fotometría.

Conceptos previos

Plano
El plano se define como el conjunto de R2. Es decir, el conjunto de puntos (x,y) donde x∈ℜ e y∈ℜ

Para dibujar puntos en el plano, se utiliza un eje de coordenadas perpendiculares. El eje vertical se llama eje de ordenadas y el eje horizontal es el eje de abcisas.
Por lo tanto un punto en el plano tendrá dos componentes (x,y). El valor de la x se representa en el plano horizontal y el valor de y en el plano vertical.

Radian

Imagen - Diagrama Cartesiano

Vector del plano
Se conoce como vector del plano a un segmento orientado con origen en el punto A y punto final B. Todo vector está definido por una dirección, sentido y módulo.

  • La dirección es la dirección que tiene la recta que pasa por A y B.
  • El sentido es el que va del punto origen al punto final. Normalmente está señalado con una flecha.
  • El módulo es la longitud del segmento.
  • Radian

    Imagen - Vector Fijo

    Cuando el punto de origen (A) y final (B) son conocidos, el vector VEctorAB se calcula como la diferencia entre su punto final y el origen. Por ejemplo si el punto A=(1,1) y el punto B=(5,3).

    Calculo Vector

    El módulo o longitud del vector es la distancia entre A y B. Siempre es un número positivo o cero y se calcula a partir de sus componentes como. El módulo de VEctorAB se denota como |VectorAB|. Por ejemplo

    Radian

    Por ejemplo:

    Ejemplo modulo Vector

    Las operaciones básicas con vectores son las siguientes:

  • Suma de vectores
  • Resta de vectores
  • Producto de un escalar por un vector
  • Producto escalar
  • Ángulo entre dos vectores
  •  

    Suma de vectores

    La suma de dos vectores analíticamente se define como:

    Suma de Vectores
    Producto Escalar

    También se puede calcular de manera gráfica uniendo el punto origen del segundo vector al punto final del primero. Ver ejemplo:

    Suma de Vectores

    Imagen - Suma de vectores

    Resta de vectores

    Igual que la suma. La resta de dos vectores se puede calcular analíticamente como:

    Suma de Vectores
    Producto Escalar

    O gráficamente como uniendo los dos puntos origen del vector. El vector resta es el que se muestra en el ejemplo:

    Suma de Vectores

    Imagen - Resta de vectores

    Producto de un escalar por un vector

    Dado un escalar k∈ℜ y un vector genérico VEctorAB=(u1,u2), el producto del escalar por el vector es:

    Producto Escalar por un vector

    El significado real de multiplicar un vector por un escalar, no es más que alargar o encoger un vector. Gráficamente el producto de un vector y un escalar, es el siguiente:

    Suma de Vectores

    Imagen - Producto escalar por un vector

    Producto Escalar

  • Producto Escalar
  • El producto escalar de dos vectores es un número real. Se define como:

    Producto Escalar
    Producto Escalar
  • Ángulo ente dos vectores
  • El ángulo entre dos vectores VEctorU y VEctorV cumple:

    Angulo entre vectores

    Donde α es el ángulo que forman los vectores VEctorU y VEctorV.

    Angulo Vectores

    Imagen - Ángulo entre vectores

    Radián
    El radián es el ángulo plando correspondiente a un arco de circunferencia de longitud igual al radio. Su unidad en el Sistema Internacional es el rad. Una circunferencia de 360º equivale a 2π radianes.
    A una magnitud plana le corresponde un ángulo plano que se mide en radianes.

    Radian

    Imagen - Ángulo plano (Fuente: Manual de Iluminación INDAL)

    Ángulo sólido y estereoradián
    El ángulo sólido se define por el volumen que forma la superfície lateral de un cono cuyo vértice coincide con el centro de la esfera de radio r y cuya base está situada sobre la superficie de la esfera.

    Cuando el radio r es de 1 m y la superficie de la base del cono es de 1 m2, el ángulo sólido equivale a un estereoradián. El estereoradián es una magnitud adimensional que se define por las letras sr.

    Estereoradian

    Imagen - Estereoradián (Fuente: Manual de Iluminación INDAL)

    Definición de Magnitudes Luminosas

    Una vez aclarados conceptos, se describen a continuación las magnitudes luminosas:

  • Flujo Luminoso
  • Intensidad
  • Iluminancia
  • Luminancia
  • Uniformidad
  • Deslumbramiento
  • Contraste
  • Equilibrio Lumínico
  •  

    Flujo luminoso (ϕ)
    El flujo luminoso o potencia luminosa es el flujo total lumínico emitido o radiado en todas direcciones por una fuente de luz durante una unidad de tiempo.

    La unidad del flujo luminoso en el Sistema Internacional (SI) es el lumen [lm], que tiene por símbolo ϕ y se define como el flujo lumínico emitido por un estereorradián por un punto de luz cuando su intensidad es 1 candela.

    Imagen - Flujo Luminoso

    NombreDescripción
    Flujo luminosoFlujo lumínico emitido por una fuente de luz en todas direcciones
    SímboloUnidadesInstrumental de medida
    Φlumen (lm)Esfera de Ulbritch
    Valores Tipo
    Lámpara incandescente de 100W1380 lm
    Lámpara fluorescente de 36W3250 lm
    Lámpara mercurio alta presión de 400 W22000 lm
    Lámpara de luz mezcla 250W5600 lm
    Lámpara de sodio a baja presión de 35 W4800 lm
    Lámpara de sodio a alta presión de 400W47000 lm
    Lámpara halogenuro metálico de 250W17000 lm

    Tabla - Flujo luminoso

     

    Intensidad Luminosa (I)

    La intensidad luminosa es el flujo luminoso emitido o radiado en una dirección dada por una fuente de luz durante una unidad de tiempo para un ángulo sólido de valor un estereoradián.

    La unidad de medida de la intensidad luminosa en el SI es la candela [cd].

    Intensidad

    Imagen - Intensidad luminosa

    La distribución luminosa de la intensidad varia en función de los distintos tipos de ampollas, casquillos, etc. y por con el uso de luminarias se podrá dirigir la intensidad en la dirección que más convenga.

    Con la ayuda de un fotogoniómetro, en un laboratorio, se calcula la intensidad de la fuente en todas direcciones del espacio. Como resultado, la intensidad queda definida por un conjunto de vectores (I) si se unen todos los extremos de los vectores generan un sólido llamado sólido fotométrico.

    Solido Fotometrico

    Imagen - Sólido Fotométrico (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

    Si se corta el sólido fotométrico con un plano que pase por el eje de siemtría, se obtiene la curva fotométrica de la fuente de luz que representa la intensidad luminosa de la fuente de luz para cualquier dirección. En la Imagen 12 se muestra un ejemplo de curva fotométrica.
    Como se verá en el siguiente capítulo la fotometría se ayuda de las curvas fotométricas o tablas tablas para conocer la forma y dirección de luz que emite la lámpara.

    Curva Solido Fotometrico

    Imagen - Flujo Luminoso (Fuente: Manual de Iluminación INDAL)

    NombreDescripción
    Intensidad luminosaFlujo luminoso emitido por una fuente de luz en una dirección determinada
    SímboloUnidadesFórmulaInstrumental de medida
    Icandela [cd]
    Curva Solido Fotometrico
    Fotogoniómetro
    Valores Tipo
    Lámpara de faro de bicicleta sin reflector1 cd
    Lámpara reflectora250 cd
    Lámpara PAR-64200000 cd
    Faro marítimo2000000 cd

    Tabla - Intensidad luminosa

     

    Nivel de iluminación o Iluminancia (E)

    La iluminancia es el flujo lumínico que incide sobre una superficie.

    La unidad de medida de la iluminancia en el S.I. es el lux [lx] y se define como la iluminación que produce un lumen que incide sobre una superficie de un metro cuadrado.

    Dibujo Iluminancia

    Imagen - Iluminancia

    Los valores de la iluminancia dependen de la superficie y de la actividad que se va a realizar en la zona a iluminar. Si las dimensiones de la zona que se desea iluminar son conocidas, se puede calcular directamente el valor del flujo luminoso necesario.

    NombreDescripción
    Iluminancia o Nivel de iluminaciónFlujo lumínico que incide sobre una superficie
    SímboloUnidadesFórmulaInstrumental de medida
    Elux [lx]
    Curva Solido Fotometrico
    Luxómetro
    Valores Tipo
    Mediodía de verano al aire libre con cielo despejado100.000 lx
    Mediodía de verano al aire libre con cielo cubierto20.000 lx
    Fabricación de joyas, trabajo con piedras preciosas1500 lx
    Alumbrado público20-40 lx
    Noche de luna llena0,25 lx

    Tabla - Iluminancia o nivel de iluminación

     

     

    Luminancia (L)

    La luminancia es la Intensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente de luz primaria o secundaria (reflejada).

    Siendo la superficie aparente la proyección de la superficie para que sea perpendicular al haz de luz.

    La unidad de medida de la luminancia es la cd/m2, también conocida como NIT [nt] y se representa con la letra L.

    Dibujo Luminancia

    Imagen - Luminancia

    La luminancia es la magnitud que el ojo puede detectar, mide el brillo de las fuentes de luz o de los objetos tal como los ve el ojo humano. A mayor luminancia mayor es la sensación de claridad.
    Pero se debe vigilar porque una luminancia muy elevada puede producir deslumbramiento no deseado.

    Para diseño de proyectos de alumbrado exterior existen los criterios de calidad que se basan en los siguientes parámetros que sirven para conocer si la instalación cumple con los requisitos establecidos.

    NombreDescripción
    LuminanciaIntensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente que emite luz o que la refleja, captada por el ojo humano.
    SímboloUnidadesFórmulaInstrumental de medida
    L
    Luminancia
    Luminancia
    Luminancímetro
    Valores Tipo
    Sol150000 cd/m2
    Lámpara de sodio a alta presión500 cd/m2
    Lámpara incandescente clara100-200 cd/m2
    Lámpara incandescente mate5-50 cd/m2
    Lámpara vapor de mercurio11 cd/m2
    Lámpara fluorescente0,75 cd/m2
    Lámpara halogenuros metálicos78 cd/m2
    Cielo de noche0,3-0,5 cd/m2

    Tabla - Luminancia

     

    Uniformidad

    La uniformidad hace referencia a la iluminancia proporcionada sobre la superficie de referencia, generalmente la iluminancia no será uniforme, pero es una magnitud importante para el confort y la visión.

    La iluminancia media proporcionada por cualquier tipo de instalación irá disminuyendo con el tiempo debido a la depreciación luminosa que sufren las lámparas y la suciendad que acumulan tanto lámparas como luminarias con el tiempo. Por lo tanto es imposible considerar una uniformidad en el tiempo.

    La zona o espacio a iluminar también afecta a la uniformidad. Por ejemplo, la relacion entre iluminancias medias para dos interiores no puede se mayor que la relación 5:1. Existen varios tipos de factores de uniformidad. Todos ellos calculados en tanto por ciento [%]

     

    Deslumbramiento

    El deslumbramiento es, desde el punto de vista físico, una pérdida o disminución de la capacidad visual debido al exceso de luminancia del objeto que se observa o incide sobre el ojo.

    El deslumbramiento se produce cuando la elevada intensidad de la luz penetra en el ojo y la células de la retina no son capaces de generarse, a la velocidad suficiente como para producir los pignmentos necesarios. Esto implica que no se haya paso de impulso al nervio óptico por lo que no se transmite nada al cerebro.

    Existen dos tipos de deslumbramiento:

    En cuanto a la forma de producirse pueden ser:

    El deslumbramiento se desarrolla más extensamente en Diseño y Proyecto.

    deslumbramiento

    Imagen - Ejemplo de deslumbramiento (Fuente: ILUMINET)

     

    Contraste

    El contraste mide la relación entre la luminancia de un objeto y la luminancia de su fondo.
    Contraste

    Donde:

    Equilibrio lumínico

    El equilibrio lumínico es la uniformidad en 3D y de las luminancias. Es una magnitud muy compleja de calcular porque aunque el ojo humano no distingue entre los distintos niveles de iluminación del espacio, estos existen.

    En la Imagen 16 se puede observar que la iluminación de A, B, C serán distintas, pero el ojo humano ve el conjunto con una luminanción uniforme.

    Dibujo Luminancia

    Imagen - Equilibrio Lumínico

    Flujo luminoso | x

    Cantidad de luz emitida por una fuente de luz en todas las direcciones del espacio, en lumen [lm]

    Más información

    Intensidad luminosa | x

    Flujo luminoso emitido por una fuente de luz en una dirección dada, en candelas [cd]

    Más información

    Iluminancia | x

    Flujo lumínico que incide sobre la unidad de superficie, en lux [lx]

    Más información

    Luminancia | x

    Intensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente que emite luz o que la refleja, captada por el ojo humano, en candela/metro2 [cd/m2]

    Más información

    Uniformidad | x

    La uniformidad hace referencia a la iluminancia proporcionada sobre la superficie de referencia, generalmente la iluminancia no será uniforme, pero es una magnitud importante para el confort y la visión.

    Más información

    Deslumbramiento | x

    Pérdida o disminución de la capacidad visual debido al exceso de luminancia del objeto que se observa o incide sobre el ojo.

    Más información

    Contraste | x

    Mide la relación entre la luminancia de un objeto y la luminancia de su fondo.

    Más información

    Equilibrio Lumínico | x

    El equilibrio lumínico es la uniformidad en 3D y de las luminancias. Es una magnitud muy compleja de calcular porque aunque el ojo humano no distingue entre los distintos niveles de iluminación del espacio, estos existen.

    Más información

    Uniformidad General (Uo) | x

    Relación entre la luminancia mínima y la luminancia media de una instalación

    Más información

    Uniformidad longitudinal (UL) | x

    Relación la luminancia mínima y máxima longitudinal de una instalación

    Más información

    Uniformidad extrema (Ue) | x

    Relación la iluminancia mínima y máxima de una instalación

    Más información

    Uniformidad media (Um) | x

    Relación la iluminancia mínima y la iluminancia media de una instalación

    Más información

    Mantenimiento | x

    La iluminancia inicial proporcionada por la instalación disminuye de manera gradual con el tiempo debido al uso, disminución de los lúmenes de las lámparas, a la suciedad del sistema, etc. Pero es posible mantener la iluminancia sobre un mínimo si se limpian las lámparas y luminarias, se reemplazan las lámparas quemadas o gastadas. Es decir, si se establece un programa de mantenimiento de la instalación.

    Más información

    Eficacia luminosa | x

    Flujo que emite una fuente de luz por cada vatio consumido, en lumen/vatio [lm/W]

    Más información

    Distribución espectral | x

    La distribución espectral representa la cantidad de energía radiada que emite la fuente de luz en las diferentes áreas visibles del espectro.

    Más información

    Temperatura del color | x

    La temperatura del color mide el grado de calidez o frialdad que reproduce una fuente de luz. Se expresa en grados Kelvin [K].

    Más información

    Índice de reproducción cromática (IRC) | x

    El IRC es la capacidad de la fuente de luz para reproducir fielmente el color, comparándola con un patrón de referencia.

    Más información

    Depreciación Luminosa | x

    La depreciación luminosa hace referencia a la pérdida de iluminancia que sufre la instalación a lo largo de uso.

    Más información

    Adaptación | x

    Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

    Más información

    Capacidades Visuales | x

    Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

    Más información

    Vida Útil | x

    La vida útil de una lámpara se define como el número de horas de funcionamiento antes de sufrir una depreciación del 30%.

    Más información

    Tiempo de encendido | x

    El tiempo de encendido es el tiempo necesario de las lámparas para llegar al nivel estable de flujo luminoso, arrancando en frío

    Más información

    Flujo hemisférico superior instalado | x

    Porcentaje de flujo emitido por encima del plano horizontal y el flujo total de la luminaria

    Más información

    Índice de reflexión | x

    Relación entre el flujo luminoso reflejado y el flujo incidente

    Más información

    Deslumbramiento directo | x

    Deslumbramiento que se produce por una luminaria situada dentro del campo visual.

    Más información

    Fuentes de luz de alta intensidad (HID)| x

    Dentro de este grupo se encuentran las lámparas de vapor de mercurio, halogenuros metálicos y vapor de sodio

    Más información

    Agudeza visual| x

    Capacidad del ojo para reconocer y distinguir detalles de objetos situados a distancias cortas.

    Más información


    Volver arriba
    Atrás