Curso de iluminación

Luminarias

Las luminarias son los elementos encargados de cubrir las lámparas para protegeras de los agentes externos, dirigir el flujo luminoso hacia la zona deseada y contener los elementos auxiliares para su funcionamiento.

La norma UNE-EN 60588-1, adoptada de la Norma Internacional CIE 598-1, recoge los requisitos generales y particulares de las luminarias.

Define luminaria como: aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias lámparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijación y la protección de lámparas, (excluyendo las propias lámparas) y, en caso necesario, los circuitos auxiliares en combinación con los medios de conexión con la red de alimentación.

Componentes de la luminaria

Los elementos más característicos de las luminarias son:

Imagen 1 - Partes de una luminaria (Fuente: THOMAS & BETTS CORPORATION)

Armadura o carcasa: está fabricada con materiales resistentes como la chapa de acero, chapa de aluminio, vidrio, debido a que es el elemento se integran los demás componentes de la luminaria.

Equipo eléctrico: formado por el portalámparas más los elementos necesarios para el arranque y funcionamiento de la lámpara.

Reflector: superficies diseñadas para reflejar el flujo luminoso de la lámpara en la dirección deseada. Suelen incorporan una pantalla para evitar deslumbramientos. Está fabricada con chapas de acero finas esmaltadas, de aluminio anodizado, de aluminio de alta reflectancia.

Difusor: carcasa o pantalla que encierra la lámpara. Se usa para difundir el haz de luz y evitar deslumbramiento.

Filtro: se acoplan con los difusores, para potenciar o disminuir la radiación ultravioleta o infraroja, polarización de la luz en un plano o alteración de los colores de la radiación.

Refractor: superficie que modifica la distribución del flujo luminoso de la lámpara por refracción.

Junta: elemento de goma que aporta a la luminaria el grado de estanqueidad

Las luminarias LED tienen los mismos componentes que cualquier otro tipo de luminaria, pero su configuración vendrá determinada por la temperatura a la que trabaja cada LED. Un aumento de la temperatura reduce la eficacia de la lámpara y reduce la vida útil, por lo que es necesario un buen sistema para la disipación de calor que genera la fuente de luz.

Imagen 2- Luminaria LED (Fuente: PHILIPS)

A continuación se muestra la diferencia entre una luminaria de LEDs y una luminaria para una lámpara de vapor de sodio a alta presión.

Fotometría

La fotometría es la ciencia encargada de estudia la capacidad que tiene la radiación electromagnética, solamente dentro del rango visible del espectro, para estimular al ojo humano. Es decir, se encarga de medir la intensidad de la luz.

La fotometría define la forma y dirección de la distribución de la luz emitida por la lámpara en el espacio.
Esta información, ya sea en forma de tablas o curvas, se utiliza para conocer de antemano como se distribuye la luz y poder hacer una correcta selección de los sistemas de iluminación en la etapa de diseño del proyecto.
Los datos fotométricos estarán proporcionanados por los fabricantes, ya que su cálculo se realiza en laboratorios con aparatos específicos como se verá más adelante.

Curvas Fotométricas

La representación de los valores de la intensidad calculados se pueden representar por:

Matriz de intensidades

Los valores de la intensidad luminosa pueden encontrarse tabulados de forma matricial para distintas direcciones del espacio. Cada fabricante debe proporcionar la matriz calculada previamente.

En la Imagen 1 se muestra un ejemplo de matriz de intensidades del tipo C-γ correspondiente a una luminaria de alumbrado público.

Los ejes de referencia C-γ corresponden al plano vertical (C) y la inclinación respecto al eje vertical (γ). Para cada pareja de valores de C y γ se obtiene un valor de la intensidad normalizado para una lámpara de flujo 1000lm.

Imagen 1 - Matriz Intensidades

Imagen 2 - Matriz Intensidades

Ejemplo

Para un ángulo C=270º y un ángulo γ=10º, la intensidad en esa dirección es de 179 [cd/klm]

Diagramas Cartesianos

Los diagramas cartesianos son típicos para describir las características de los proyectores. Se clasifican en funcion de su apertura del haz.

Están representados en el sistema de coordenadas B-beta, y aparecen 3 líneas:

• Plano horizontal
• Plano vertical
• Mitad de la intensidad máxima

Imagen 3 - Diagrama Cartesianas (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Curvas polares

El volumen formado por las tres coordenadas: intensidad luminosa (I), plano vertical (C) e inclinación respecto al eje vertical (γ), forman el sólido fotométrico, que determina la distribución de la luminaria en todo el espacio.

Imagen 4 - Sólido fotométrico (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Como es complicado trabajar en tres dimensiones, para simplificar el trabajo se realizan cortes al sólido fotométrico de modo que se obtiene una curva en dos dimensiones, conocida como curva polar, mucho más sencilla de comprender.

Normalmente la curva polar representa los dos planos verticales: el transversal (0º) y longitudinal (90º), aunque si la intensidad máxima no está contenida en estos dos planos, se representa también la curva polar del plano que la contiene.

El centro del diagrama polar tiene intensidad 0, no hay luz, por lo que el valor de intensidad máxima será el punto que esté más alejado del centro.

Imagen 5 - Curva polar (Fuente: IGUZINNI)

Nota: para que sea posible comparar diferentes intensidades de fuente de luz, normalmente las curvas están referidas a un flujo de 1000 lúmenes. Para conocer el valor real de la intensidad es necesario realizar el cálculo:

Imagen 6 - Curva polar de luminaria de alumbrado público (Fuente: LAMP)

Cuando la distribución luminosa es la misma en todos los planos verticales, la curva polar es simétrica y se representa solo por una curva, como se observa en la Imagen 7

Imagen 7 - Curva polar de luminaria para iluminación industrial (Fuente: LAMP)

Clasificación de las luminarias según la fotometría

Las características de la distribución luminosa permite clasificar las luminarias en grupos que tienen parecidas propiedades: La CIE establece una clasificación de las luminarias en función de su distribución.

Clasificación de las luminarias de interior

Las luminarias de interior se clasifican en función del porcentaje de flujo luminoso emitido hacia el hemisferio superior y hemisferio inferior .

Tipo de luminaria	%FHSi	%FHI	Distribución del flujo
Directa	0-10	90-100
Semi-directa	10-40	60-90
General Disfusa	40-60	40-60
Directa-indirecta	40-60	40-60
Semi-indirecta	60-90	10-40
Indirecta	90-100	0-10

Tabla 1 Distribución del flujo luminoso

Las luminarias de interior también se clasifican en función de la apertura del haz:

Apertura haz	Definición
0º - 30º	Intensiva
30º - 40º	Semi-intensiva
40º - 50º	Dispersora
50º - 60º	Semi-extensiva
60º - 70º	Extensiva
70º - 90º	Hiper-extensiva

Tabla 2 - Clasificacion luminarias Interior en función del ángulo del haz

Clasificación de las luminarias de alumbrado público

Para clasificar las luminarias de alumbrado público, la C.I.E. define las luminarias en función de tres características: el alcance, la apertura y el control.

El alcance de la luminaria es la distancia que alcanza la luz en dirección longitudinal. El ángulo γ_(max) es el ángulo máximo que está definido por la vertical dirigida hacia abajo y el eje del haz, que se calcula en el plano de intensidad máxima como la bisectriz del ángulo que forman las direcciones para el 90% de la intensidad máxima.

Con el criterio del alcance, se determina la separación entre postes y luminarias. Un alcance largo permite obtener mayor separación y por el contrario, un alcance corto reduce la interdistancia.

Imagen 8 - Alcance (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

En función del ángulo γ_(max), las luminarias se clasifican en luminarias de alcance corto, medio o largo.

Alcance	γ(max)
Alcance corto	γ(max) < 60º
Alcance medio	70º > γ(max) > 60º
Alcance largo	γ(max) > 70º

Tabla 3 - Alcance en función del ángulo γ

La apertura es la distribución de fotométrica en sentido transversal de la vía. Está definida por la línea, paralela a la calzada, que es tangente a la curva del 90% de la intensidad máxima proyectada sobre la calzada. De las dos posibles soluciones siempre se elige la que está más alejada de la luminaria.

Con el criterio de la apertura se determina la altura de montaje, el poste para el montaje de la luminaria y la potencia de la fuente de luz.

Imagen 9 - Apertura de la luminaria (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

En función del grado de apertura las luminarias se clasifican en:

Apertura	γ(90)
Apertura estrecha	γ(90) < 45º
Apertura media	55>γ(90)> 45º
Apertura ancha	γ(90)> 55º

Tabla 4 - Apertura de la luminaria

Nota: para el cálculo de la apertura del haz se considera que la intensidad disminuye un 10% o un 50% de su valor máximo.

El control de la luminaria indica la capacidad para controlar el deslumbramiento. Se define mediante el SLI (índice especifico de la luminaria)

El SLI se calcula como:

Donde:

I80: Intensidad luminosa emitida a un ángulo de elevación gamma=80º en el plano de la calzada.

I88:Intensidad luminosa emituda a un ángulo de gamma=88º

F: Superficie de la luminaria vista bajo un ángulo de 76º

C: Factor de corrección de color que tenga la lámpara

En función del grado de control las luminarias se clasifican en:

Grado de control	SLI
Control limitado	SLI < 2
Control moderado	4>SLI>2
Control estricto	SLI>4

Tabla 5 - Grado de control

Las definiciones anteriores se resumen en la Tabla 6

Alcance	Apertura	Grado de control
corto γ(max) < 60º	estrecha γ(90) < 45º	limitado SLI < 2
medio 70º > γ(max) > 60º	media 55>γ(90)> 45º	estricto SLI>4
largo γ(max) > 70º	ancha γ(90)> 55º	moderado 4>SLI>2

Tabla 6 - Grado de control

La Imagen 10 muestra los diferentes grados de alcance y apertura, donde h es la altura de montaje.

Por ejemplo, si se desea iluminar una calle estrecha con una buena uniformidad, la apertura deberá tener un ángulo γ₍₉₀₎ < 45º y el alcance corto con un número elevado de luminarias. Otra posibilidad es aumentar el alcance para reducir el número de luminarias.

Imagen 10 - Apertura de la luminaria (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Clasificación de proyectores

Los proyectores se clasifican en tres grupos en función de la distribución de la luz: con simetría, de rotación simétricos y asimétricos, como ya se comento en el apartado de luminarias.
También se clasifican en función de la apertura del haz en: estrecho, medio o ancho. El ángulo de haz de un proyector es el ángulo entre las dos direcciones en que la intensidad luminosa disminuye hasta un porcentaje, generalemente 50% o 10% de su valor de pico.

Descripción	Apertura del haz
Haz estrecho	≤ 20º
Haz medio	20º a 40º
Haz ancho	≥ 40º

Tabla 7 - Apertura del Haz

Imagen 11 - Apertura del Haz (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Imagen 12 - Tipos de proyector (Fuente: LYTE)

La nomenclatura de los proyectores es la siguiente, cuando el proyector es simétrico, basta con dar un ángulo de apertura, por ejemplo 20º, esto implica 10º a cada lado del eje del haz.
Cuando el proyector es asimétrico, se necesitan dos cifras para definir la apertura del haz; por ejemplo 15º/30º, que indican la apertura del haz en dos planos de simetría perpendiculares entre sí. El primero corresponde al plano vertical y el segundo corresponde al plano horizontal.

Según la C.I.E. el modo de clasificar los proyectores en función de haz viene dada por la nomenclatura siguiente:

Catergoría	Apertura del haz
NN	< 5º
N	5º - 10º
1	11º - 18º
2	19º -º29º
3	30º - 46º
4	47º - 70º
5	71º - 100º
6	101º - 130º
7	> 130º

Tabla 8 - Clasificacion Proyectores según la CIE

Por ejemplo, una luminaria H4V2 significa que tiene un ancho de haz en el plano horizontal entre 47º-70º y en el plano vertical de 19º-29º.

Sistemas de montaje del fotogoniómetro

Las medidas de las magnitudes se calculan con un gonifotómetro o fotogoniómetro como por ejemplo el que se muestra en la Imagen 14. Es un montaje de laboratorio en el que se realizan pruebas normalizadas a las luminarias.

Imagen 13 - Goniofotómetro (Fuente: Gigahertz-Optik)

Existen varios tipos de sistemas de montaje del fotogoniómetro que aportaran las medidas que se detallan a continuación.

Fotogoniómetro tipo A (mediciones X-Y)

Este sistema de eje horizontal fijo, como se observa en la Imagen 15 tiene una rotación de la luminaria alrederor del eje horizontal fijo Y. La luminaria también tiene la posibilidad de girar alrededor del eje vertical X de modo que se completa la esfera sobre la cual se obtienen los datos de la intensidad.

Imagen 14 - Gonifotómetro A (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

En este sistema de coordenadas, los ángulos entre los planos son los llamados X y los ángulos medios en un plano se denominan Y.

Imagen 15 - Gonifotómetro B (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

Fotogoniómetro tipo B (mediciones V-H)

Este sistema calcula los valores del mismo modo que el anterior pero este caso el sistema fijo es el vertical. En el sistema de coordenadas, los ángulos entre planos se denominan V y los ángulos intermedios H. (ver Imagen 17)

Este tipo de fotometría es el utilizado principalmente en el cálculo de las medidas de los proyectores.

Imagen 16 - Gonifotómetro B (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

Imagen 17 - Gonifotómetro B (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

Fotogoniómetro tipo C (mediciones C-γ)

Este sistema de coordenadas es el más utilizado y recomendado por la CIE. La coordenada C repesenta el ángulo que presentan los planos de rotación y γ representa los planos de elevación de la luminaria.

Existe una variante de este tipo de goniómetro, consta de un fotosensor responsable de la toma de datos o un espejo móvil alrededor del eje horizontal. La luminaria está suspendida y solo puede moverse alrededro de un eje vertical.

Este tipo de medidas se realizan oara luminarias de alumbrado público y de interior.

Imagen 18 - Gonifotómetro C (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

Imagen 19 - Gonifotómetro C (Fuente: INGENIERÍA Y COMPETITIVIDAD)

Archivo informático

Para el cálculo informático de las instalaciones de alumbrado así como para la realización de los gráficos precedentes, son necesarios los datos de cada una de las luminarias: fabricante, modelo, código, lámpara, reglaje, tipo de ensayo y la matriz de intensidades.

En la actualidad, existen varios formatos de archivo que se diferencian en la forma en la que se almacena la información. Para interpretarlos será necesario el correspondiente software.

Los formatos más extendidos son:

Formato	País	Extensión
Eulumdat	Alemania	*.ldt
CIBSE (Chartered Institution of Building Services Engineers)	Inglaterra	*.tml
IESNA (Illuminating Engineering Society)	Estados Unidos	*.ies

Sistemas de control

Los sistemas de control son dispositivos que se utilizan para controlar la luminosidad de la lámpara y el encendido y apagado de la instalación. Esta necesidad de control surge de la posibilidad de adaptación de las lámparas a diferentes ambientes o momentos del día y el ahorro de energía que se ofrece.

Como ya se ha comentado, no todas las lámparas son regulables, por ejemplo las lámparas de descarga de alta intensidad no lo son. Por lo que es necesario comprobar que el sistema de control que se elija es compatible con la fuente de luz, el equipo auxiliar, etc.

A continuación se describen los principales sistemas de control para alumbrado.

• Los principales sistemas de control utilizados en alumbrado interior son:
Interruptor: dispositivo accionado por la persona



Imagen 1 - Interruptor (Fuente: GIRA)

Pulsador temporizado: dispositivo accionado de manera manual y que se desactiva automáticamente tras el tiempo para el que se ha programado.



Imagen 2 - Pulsador temporizado (Fuente: DINUY)

Detector de presencia: dispositivo que activa la iluminación como respuesta a la detección de movimiento. Se desactiva automáticamente tras un tiempo programado.



Imagen 3 - detectorDePresencia (Fuente: GIRA)

Dimmer: regulador manual de la intensidad luminosa de una lámpara



Imagen 4 - Dimmer (Fuente: PHILIPS)

• Los principales sistemas de regulación para alumbrado exterior son:


Célula fotosensible o interruptor crepuscular

Es un dispositivo que detecta el flujo lumínico del entorno del entorno y la utiliza para transformarla en energía eléctrica para comparar con un valor de referencia. Si la energía es superior a ese valor de referencia, la fuente de luz se apaga y en caso contrario, se enciende.
Estos dispositivos están provistos con elementos que evitan encendidos y apagados innecesarios, como por ejemplo el que puede causar una tormenta de verano o el paso de una nube espesa.

activa o apaga la lámpara en función del nivel de luz del exterior. Normalmente, se utiliza en combinación con el reloj astronómico.



Imagen 5 - Interruptor crepuscular (Fuente: DINUY)




Reloj astronómico

Es un dispositivo automático que se programa para regular el nivel de las fuentes de luz en función del ocaso y orto del lugar en el que está instalado.
Es muy común en las instalaciones de alumbrado urbano.



Imagen 6 - Reloj astronómico (Fuente: ASTRO)




Reactancia de doble nivel Consiste en una reactancia electromagnética utilizada para reducir el nivel de iluminación de una instalación en determinadas horas de la noche. Estas reactancias están compuestas por dos bobinados en serie, el principal proporciona la corriente y potencia nominal a la fuente de luz. Para reducir el nivel de flujo luminoso, se conecta el segundo bobinado de manera que aumente la impedancia y así disminuya la intensidad y potencia en la lámpara.




Imagen 7 - Reactancia de doble nivel (Fuente: ELT)

Tecnología DALI

El sistema DALI (Digital Adressable Lighting Interface) es un estándar internacional de comunicación (IEC 62386), compartido por un listado de los más importantes fabricantes de balastos, transformadores, LED's, etc. a nivel mundial desde el año 1999. Existe un grupo de trabajo, compuesto por diferentes fabricantes, encargado de establecer el estándar DALI.

El sistema DALI no es exactamente un sistema de control, sino que es un estándar de comunicaciones entre las unidades de control y los equipos de control de las luminarias. Es independiente del fabricante y solamente el logo garantiza la compatibilidad entre los equipos.

Las ventajas de utilizar el estándar DALI son:

• Fácil instalación
• Reducción de cableado
• Control de cada luminaria independiente
• Varios controladores en un sistema
• Inmunidad a los ruidos
• Las luminarias pueden encenderse y apagarse a través de las señal de control
• La alimentación y el control son independientes

El sistema DALI puede programarse para controlar los parámetro o también se pueden utilizar sensores para ajustar dichos parámetros.

Los principales usos son:

• Encender/apagar
• Regulación de la luz: es posible una regulación desde 0.1% hasta el 100% en 125 pasos, aunque el valor real mínimo es del 3%
• Regulación de la luz día/noche
• Regulación de la luz en función del movimiento
• Regulación de la luz en remoto

Los balastos electrónicos se conectan a la línea de control compuesta por dos cables. Es posible controlar hasta 64 balastos electrónicos de manera independiente y se pueden crear un máximo de 16 grupos combinando los balastos y las luminarias

Imagen 8 - Número de direcciones (Fuente: HELVAR)

Imagen 9 - Número de grupos (Fuente: HELVAR)

Exiten distintas topologías para las conexiones DALI

Ejercicios

Test

1. Las luminarias que exigen mayor resistencia a los agentes corrosivos son: 
a) funcionales 
b) industriales 
c) decorativas

2. Una luminaria con IP 65... 
a) es resistente al agua 
b) es resistente a la humedad 
c) las dos son correctas

3. Se quiere instalarar una luminaria en una nave industrial, con ambiente muy contaminado. ¿Qué grado de protección es más aconsejable? 
a) IP65 
b) IP20 
c) IP36

4. Es obligatorio el marcado CE para todas las luminarias: 
a) verdadero 
b) falso

5. Un reflector es: 
a) un tipo de luminaria 
b) componente añadido a la luminaria 
c) un espejo

6. El método de conformado más utilizado para luminarias de hierro es: 
a) extrusión 
b) molde de arena 
c) inyección

7. El mantenimiento de una luminaria se debe realizar: 
a) cada año 
b) cada seis meses 
c) depende de todo el sistema

8. ¿Qué se genera a partir del corte de un plano en el sólido fotométrico? 
a) diagrama cartesiano 
b) curva polar 
c) matriz de intensidades

9. El elemento responsable de evitar el deslumbramiento es: 
a) luminaria 
b) filtros 
c) difusores

10. Las luminarias con un FHSi elevado son las más utilizadas en la iluminación viaria: 
a) verdadero 
b) falso

11. ¿Cual es la principal función de estos elementos?

a) evitar el deslumbramiento y evitar flujo luminoso no útil 
b) dirigir el haz de luz 
c) proteger a la fuente de luz

12. Es correcta esta afirmación: La vida de los LEDs es de 50.000 horas o más. 
a) si, pero depende de si es una luminaria con LED o solo el chip y su modo de disipación de la calor 
b) no, solo si es un chip 
c) si, si existe un buen diseño de la luminaria

13. El factor de mantenimiento se considera generalmente: 
a) 0,8 
b) 0,7 
c) Ninguna de las anteriores es correcta.

14. El flujo hemisférico superior es una característica principal de las luminarias de exterior: 
a) verdadero 
b) falso

15. Los proyectores son los tipos de luminaria más utilizados en: 
a) iluminación de interiores 
b) iluminación viaria 
c) iluminación ornamental

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Ejercicios prácticos

Ejercicio 1

A una lámpara de vapor de mercurio de 250W, le corresponden 12.000 lúmenes. La luminaria está situada a 10 metros de altura. Calcular el nivel de iluminación en un punto situado en el plano vertical C=90º e inclinación de 45º.

Solución

Según la matriz de intensidades la intensidad que corresponde es de 113 candelas. La intensidad real de la lámpara es:

El nivel de iluminación es:

Ejercicio 2

Actualmente, el sistema de iluminación la vía que se desea iluminar tiene 5 metros de anchura y está compuesta por lámparas de vapor de sodio de alta presión de 250 W, con un flujo nomilan de 14.000 lúmenes. Las luminarias están situadas una altura de 8 metros y estan dipuesto unilateralmente a una distancia de 20 metros.
Se supone un coeficiente de utilización delantero de 0.35 y 0,07 trasero y un factor de conservación y depreciación delantero de 0.83 y trasero de 0.79. El nivel mínimo de iluminación que se desea conseguir es de 50 lux.

Calcular:

• El nivel de iluminación actual



• Manteniendo las mismas fuentes de luz, ¿cuál es el flujo mínimo que se deben añadir para cumplir con los requisitos especificados?

Para solucionar el problema se pueden añadir 2 fuentes de luz de 14.000 lúmenes, aunque habrá un exceso de nivel de iluminación.


• Para la nueva instalación, se aumenta el valor del flujo de las fuentes de luz hasta los 16.000 lúmenes y se mantiene la altura de montaje de las luminarias. Calcular la distancia entre luminarias para cumplir con los requisitos especificados.

Situando las luminarias a una menor distancia se obtiene el nivel de iluminación deseado.

Ejercicio 3

El diagrama polar que proporciona PHILIPS de una de sus luminarias, es la siguiente:

La luminaria está situada en el centro de la sala de la figura:

Se emplea una lámpara de 300 lúmenes de flujo luminoso. Calcular la iluminancia en los puntos A, B y C.

Solución

En el punto A, se calcula en primer lugar el ángulo α que permite la obtención de la intensidad a partir del diagrama polar de la luminaria.

El segundo paso es calcular la intensidad real:

Por último, se obtiene el valor de la iluminancia:

En el punto B, se calcula en primer lugar el ángulo α que permite la obtención de la intensidad a partir del diagrama polar de la luminaria.

El segundo paso es calcular la intensidad real:

Por último, se obtiene el valor de la iluminancia:

En el punto C, se calcula en primer lugar el ángulo α que permite la obtención de la intensidad a partir del diagrama polar de la luminaria.

El segundo paso es calcular la intensidad real:

Por último, se obtiene el valor de la iluminancia: