Indalux - Curso de Luminotecnia - Indalux

Capítulo 1.

LA LUZ

1.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.

Características de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3.

Espectro de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.

Naturaleza dual de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

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Capítulo 1. LA LUZ

1.1. Generalidades Es sabido que existen diversos tipos de energía: mecánica, térmica, electrostática y electromagnética. • Si a un cuerpo en reposo se le suministra energía mecánica, éste tiende a ponerse en movimiento transformando la energía suministrada en energía cinética, energía que lleva consigo y que comunica a otros cuerpos si colisiona con ellos. • El calor es una forma de energía que se propaga por convección, conducción o radiación. • Cuando “encendemos la luz”, conectamos el filamento metálico de una lámpara incandescente a través de una diferencia de potencial, lo cual hace fluir carga eléctrica por el filamento de un modo parecido a como la diferencia de presión de una manguera de riego hace fluir el agua por su interior. El flujo de electrones constituye la corriente eléctrica. Usualmente asociamos la corriente al movimiento de cargas en cables conductores, pero la corriente eléctrica surge de cualquier flujo de carga. Cuando la corriente eléctrica se propaga a través de los conductores y llega a un receptor se transforma en éste en otro tipo de energía. • Si el cuerpo o fuente emisora irradia energía, la propagación se produce por radiación en forma de ondas* que son las perturbaciones físicas que se propagan a través de un determinado medio o en el vacío. Las ondas mecánicas propagan este tipo de energía a través de un medio material elástico. Son ondas longitudinales porque en ellas coincide la vibración de las partículas con la dirección de la propagación. Dos ejemplos son las vibraciones de un muelle y el sonido. En un muelle las vibraciones se propagan en una sola dirección y en el caso del sonido, se propagan tridimensionalmente. Las ondas electromagnéticas propagan energía producida por oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos y no necesitan un medio material de propagación. Por ejemplo, la luz. Dentro de las diferentes formas de propagación de las ondas se definen diversos regímenes. Desde el punto de vista de la luminotecnia, nos interesa el régimen periódico, que se define como aquel que se repite a intervalos regulares de tiempo y que se expresa gráficamente mediante varias formas de onda. Aquí, la forma de la onda representa oscilaciones como fenómenos en los que la magnitud física es función periódica de una variable independiente (el tiempo), cuyo valor medio es nulo. Es decir, se trata de funciones armónicas simples o fundamentales, como el seno o el coseno, de una sola variable, unidimensional y transversales (se propagan perpendicularmente a la dirección en que vibran las partículas). En definitiva, existe un conjunto muy amplio de fenómenos físicos, eléctricos y electromagnéticos, entre los que se incluye la electricidad, la luz, el sonido, las ondas hertzianas o el oleaje del mar, cuyas características quedan determinadas mediante el estudio de las ondas sinusoidales. De ahí que se utilice el concepto de radiación de las ondas y las características que las definen.

1.2. Características de las ondas Longitud de Onda () Se define como la distancia recorrida por la onda en un periodo. En una onda transversal se puede definir como la distancia entre dos máximos consecutivos o entre otros dos puntos cualesquiera que se encuentren en la misma fase (Fig. 1).

λ

λ

λ

λ Figura 1. Longitud de onda .

* Onda: Expresión gráfica de una variación periódica representada en amplitud y tiempo. La amplitud es el valor u ordenada máxima que toma la onda.

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Capítulo 1. LA LUZ

La longitud de onda es una característica importante para clasificar el espectro de radiaciones visibles, objeto de estudio en esta LUMINOTECNIA 2002. Este parámetro queda determinado mediante el producto de la velocidad de propagación (), por el tiempo que tarda en realizar un ciclo (Periodo ):

= · (m/s · s = m) Frecuencia ( f ) Se define como el número de periodos que tienen lugar en la unidad de tiempo. Como el periodo es inverso de la frecuencia,

= 1 , la ecuación anterior se transforma en: f = (m/s · 1/s-1 = m) f

y por consiguiente, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de propagación, e inversamente proporcional a la longitud de onda.

f = (s-1 = ciclos/segundo = Hz) La longitud de onda disminuye con el aumento de la frecuencia. La frecuencia es fija e independiente del medio por el que se propaga la onda, y por ello es una característica importante para clasificar las ondas electromagnéticas.

Velocidad de propagación ( ) La velocidad de propagación depende del tipo de onda, de la elasticidad del medio y de su rigidez. Si el medio es homogéneo e isótropo, la velocidad de propagación es la misma en todas las direcciones. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido en el aire, a 20 ºC, es de 343´5 m/s, mientras que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es de 300.000 km/s = 3 · 108 m/s. La ecuación fundamental que relaciona la velocidad de propagación con la longitud y frecuencia de la onda es

= · f (m · s-1 = m/s)

1.3. Espectro de frecuencias Dado que las radiaciones electromagnéticas son de la misma naturaleza y todas se propagan en el vacío a la misma velocidad ( = 3 · 108 m/s), las características que las diferencia es su longitud de onda, o lo que es lo mismo, su frecuencia ( = · f). Entre las radiaciones electromagnéticas debemos incluir los Rayos Gamma, Rayos X, Radiación Ultravioleta, Luz, Rayos Infrarrojos, Microondas, Ondas de Radio y otras radiaciones. El ojo humano es sensible a la radiación electromagnética con longitudes de onda comprendidas entre 380 y 780 nm. aproximadamente, margen que se denomina luz visible. Las longitudes de onda más cortas del espectro visible corresponden a la luz violeta y la más larga a la luz roja, y entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris (Fig. 2). Las ondas electromagnéticas con longitudes de onda ligeramente inferiores a las de la luz visible se denominan rayos ultravioleta, y las que poseen longitudes de onda ligeramente superiores, se conocen como ondas infrarrojas. La radiación térmica emitida por los cuerpos a temperaturas ordinarias está situada en la región infrarroja del espectro electromagnético. No existen límites en las longitudes de onda de la radiación electromagnética; es decir, todas las longitudes de onda (o frecuencias) son teóricamente posibles. Hay que tener en cuenta que los intervalos de longitud de onda (o de frecuencia) en los que se divide el espectro electromagnético no están a veces bien definidos y frecuentemente se solapan. Por ejemplo, la ondas electromagnéticas con longitudes de onda del orden de 0,1 nm. suelen denominarse Rayos X, pero si se originan a partir de la radiactividad nuclear, se llaman Rayos Gamma.

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Luz negra Rayos Ultravioleta 790x1012 Hz

Distribución espectral según fabricantes de lámparas

Distribución espectral de la luz visible

Violeta Añil Azul Verde - Azul Verde Verde - Amarillo Amarillo Naranja

Rojo

400x1012 Hz 384x1012 Hz 370x1012 Hz Infrarrojos

300 nm. 320 340 360 380 400 nm. 420 440 460 480 500 nm. 520 540 560 580 600 nm. 620 640 660 680 700 nm. 720 740 760 780 800 nm.

Figura 2. Clasificación del espectro visible. Los fabricantes de lámparas suelen dar las curvas radioespectrométricas con valores comprendidos entre 380 nm. y 780 nm. Como hemos visto, además del metro, para expresar la longitud de onda se emplea también el nanómetro (nm.) y otras unidades como son el Angstrom (Å)y la micra (m.). 1 m. = 10-60 m 1 nm. = 10-90 m 1 Å.

= 10-10 m

Radiación de una fuente con espectro continuo Todo cuerpo, a cualquier temperatura que no sea el cero absoluto, irradia energía según un amplio campo de longitud de onda. Esta radiación se denomina incandescencia o radiación de temperatura. Son fuentes de luz artificial incandescente: - La llama de una combustión, como la vela, candil, etc. - Un lingote o barra de acero caliente al rojo vivo. - El filamento de la lámpara de incandescencia, como fuente más común de producir luz artificial. El término incandescencia se aplica a los tipos de radiación asociados con la temperatura. Para saber cómo está distribuida la potencia radiada entre las longitudes de onda, se utiliza el espectrorradiómetro. La función espectrorradiométrica o curva de distribución espectral que se obtiene se indica en la Fig. 3, en la que en abscisas se sitúan las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energía respecto a la máxima radiada que se toma como el 100%.

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500 nm.

780 nm.

500 nm.

Distribución espectral de la luz del dia normal

780 nm.

60

700 nm.

60

380 nm. 400 nm.

80

700 nm.

%

80

600 nm.

100

%

380 nm. 400 nm.

100

600 nm.

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Distribución espectral de lámpara incandescente

Figura 3

Radiación de una fuente con espectro discontinuo La energía radiante de una fuente de descarga gaseosa, como la de vapor de sodio, vapor de mercurio, argón, neón, etc., consiste en una radiación integrada por pequeños intervalos de longitud de onda que se denominan picos de emisión. Cada gas tiene una longitud de onda característica de su radiación, que depende de la estructura molecular del gas a través del cual tiene lugar la descarga. Este tipo de descarga se denomina comúnmente luminiscencia y se caracteriza porque son tipos de radiación independientes de la temperatura. Las fuentes luminosas o lámparas de descarga más usuales son los tubos fluorescentes, los de vapor de mercurio, los de vapor de sodio y los de inducción. Al igual que con la incandescencia, se obtiene la curva de distribución espectral mediante el espectrorradiómetro. La función espectrorradiométrica que se obtiene se indica en la Fig. 4, indicando en abscisas las longitudes de onda en nm. y en ordenadas los valores relativos de energía respecto a la máxima radiada que se toma como el 100%.

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780 nm.

Distribución espectral de una lámpara fluorescente de color blanco frío

780 nm.

40

700 nm.

40

600 nm.

60

380 nm. 400 nm.

60

700 nm.

80

600 nm.

%

80

500 nm.

100

%

380 nm. 400 nm.

100

500 nm.

También se suele dar en ordenadas la potencia específica en mW/nm. de longitud de onda.

Distribución espectral de una lámpara de vapor de mercurio de color corregido

Figura 4

1.4. Naturaleza dual de la luz La luz ha intrigando a la humanidad durante siglos. Las teorías más antiguas consideraban a la luz como algo que era emitido por el ojo. Posteriormente se comprendió que la luz debía proceder de los objetos que se veían y que entraba en el ojo produciendo la sensación de la visión. La cuestión de si la luz está compuesta por un haz de partículas o si es un cierto tipo de movimiento ondulatorio ha sido una de las más interesantes en la historia de la ciencia. Entre los proponentes y defensores de la teoría corpuscular de la luz el más influyente fue sin duda Newton. Utilizando esta teoría pudo explicar las leyes de la reflexión y de la refracción. Sin embargo, su

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Capítulo 1. LA LUZ

deducción de la ley de la refracción dependía de la hipótesis de que la luz se mueve con más rapidez en el agua o en el vidrio que en el aire, hipótesis que posteriormente se demostró que era falsa. Los principales proponentes de la teoría ondulatoria de la luz fueron Christian Huygens y Robert Hooke. Utilizando su propia teoría de la propagación de las ondas, Huygens fue capaz de explicar la reflexión y la refracción suponiendo que la luz viaja más lentamente en el vidrio o el agua que en el aire. Newton se dio cuenta de las ventajas de la teoría ondulatoria de la luz, particularmente porque explicaba los colores formados por películas delgadas, que había estudiado a fondo. No obstante, rechazó la teoría ondulatoria debido a la aparente propagación rectilínea de la luz. En su época no se había observado aún la difracción, desviación del haz luminoso que permite rodear obstáculos. La teoría corpuscular de la luz de Newton fue aceptada durante más de un siglo. Luego, en 1801, Thomas Young revitalizó la teoría ondulatoria de la luz. Fue uno de los primeros en introducir la idea de interferencia como un fenómeno ondulatorio que se presentaba tanto en la luz como en el sonido. Sus observaciones de las interferencias obtenidas con la luz fueron una clara demostración de su naturaleza ondulatoria. Sin embargo, el trabajo de Young no fue conocido por la comunidad científica durante más de diez años. Quizás el mayor avance en lo que se refiere a la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz, se debió al físico francés Augustin Fresnel (1782-1827), que realizó extensos experimentos sobre interferencia y difracción y desarrolló la teoría ondulatoria sobre una sana base matemática. En 1850, Jean Foucault midió la velocidad de la luz en el agua y comprobó que es menor que en el aire, acabando así con la teoría corpuscular de la luz de Newton. En 1860, James Clerk Maxwell publicó su teoría matemática del electromagnetismo, que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban con una velocidad calculada mediante las leyes de la electricidad y el magnetismo y que resultaba valer 3 x 108 m/s, el mismo valor que la velocidad de la luz. La teoría de Maxwell fue confirmada en 1887 por Hertz, quien utilizó un circuito eléctrico sintonizado para generar ondas y otro circuito semejante para detectarlas. En la segunda mitad del siglo XIX, Kirchoff y otros científicos aplicaron las leyes de Maxwell para explicar la interferencia y difracción de la luz y de otras ondas electromagnéticas y apoyar los métodos empíricos de Huygens de construcción de ondas sobre una base matemática firme. Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz (y de otras ondas electromagnéticas), falla a la hora de explicar otras propiedades de la luz, especialmente la interacción de la luz con la materia. Hertz, en un famoso experimento de 1887 que confirmó la teoría ondulatoria de Maxwell, también descubrió el efecto fotoeléctrico. Este efecto sólo puede explicarse mediante un modelo de partículas para la luz, como Einstein demostró sólo unos pocos años después. Así se volvió a introducir un modelo corpuscular de la luz. Las partículas de la luz se denominan fotones y la energía E de un fotón está relacionada con la frecuencia f de la onda luminosa asociada por la famosa relación de Einstein E = h · f (h = constante de Planck). No se logró una comprensión completa de la naturaleza dual de la luz hasta la década de los 20 en el siglo XX, cuando los experimentos realizados por los científicos del momento (Davisson, Germer, Thompson y otros) demostraron que los electrones (y otras “partículas”) también tenían una naturaleza dual y que presentan las propiedades de interferencia y difracción además de sus bien conocidas propiedades de partículas. En definitiva, la teoría moderna de la mecánica cuántica de la radiación luminosa acepta el hecho de que la luz parece tener una doble naturaleza; por un lado, los fenómenos de propagación de la luz encuentran mejor explicación dentro de la teoría electromagnética de Maxwell (naturaleza fundamental ondulatoria electromagnética), y, por otro, la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorción y emisión, es un fenómeno fotoeléctrico (naturaleza corpuscular).

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Capítulo 2.

EL OJO

2.1.

El ojo humano como órgano receptor de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.

Descripción estructural del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3.

Formación de imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4.

Curva de sensibilidad del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5.

Acomodación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6.

Contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7.

Adaptación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.8.

Deslumbramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

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Capítulo 2. EL OJO

2.1. El ojo humano como órgano receptor de luz El ojo es el órgano fisiológico del sentido de la vista, mediante el cual se experimentan las sensaciones de luz y color. Para que se realice el proceso de la iluminación, como acción y efecto de iluminar y ver, se requieren tres agentes: 1) La fuente productora de luz o radiación luminosa. 2) Un objeto a iluminar que necesitamos que sea visible. 3) El ojo, que recibe la energía luminosa y la transforma en imágenes que son enviadas al cerebro para su interpretación. El estudio y descripción de los componentes del ojo, así como el proceso que se realiza desde que la luz le llega y pasa por las vías y centros visuales hasta que es interpretada por el cerebro, nos llevaría al campo de la neurofisiología. Aquí describiremos y expondremos algunos comportamientos y conceptos del sentido de la vista, cuyo conocimiento es indispensable y contribuye a un mejor diseño de las instalaciones de iluminación.

2.2. Descripción estructural del ojo En la Fig. 1 se representa un corte longitudinal esquemático del ojo humano, en el que se puede apreciar su constitución anatómica.

Humor vítreo Párpado superior Mancha amarilla

Humor acuoso

Músculos oftálmicos

Eje visual Córnea

Nervio óptico

Cristalino Músculos oftálmicos

Iris Retina

Músculo ciliar Párpado inferior

Punto ciego

Esclerótica

Coroides

Figura 1. Constitución del ojo humano. El ojo está constituido principalmente por los siguientes elementos: a) Globo ocular: Cámara que tiene como función principal la formación de la imagen en la retina. b) Córnea: Tiene la misión de recibir y transmitir las impresiones visuales y constituye el componente óptico refractor fundamental del ojo. c) Cristalino: Es una lente biconvexa, transparente e incolora situado tras el iris. Esta membrana elástica cambia su forma para enfocar los objetivos. d) Iris: Lámina circular situada frente al cristalino y muy pigmentada. Puede contraer la pupila controlando la cantidad de luz que pasa al cristalino. e) Pupila: Orificio circular situado en el centro del iris y a través del cual pasan los rayos luminosos. La abertura de este orificio la controla el iris y su constricción se llama miosis y la dilatación midriasis. f) Retina: Es la película interna posterior del ojo constituida por una membrana nerviosa, expansión del nervio óptico, que tiene la función de recibir y transmitir imágenes o impresiones visuales. Contiene una finísima capa de células fotosensibles, conos y bastones, que divergen del nervio óptico y que están en la parte externa próximas a la capa pigmentada.

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Capítulo 2. EL OJO

g) Conos: Células fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran principalmente en la fóvea. Son muy sensibles a los colores y casi insensibles a la luz. De ahí que cumplan la función de discriminar los detalles finos y la de percibir los colores (Fig. 2). h) Bastones o bastoncillos: Células fotosensibles de la retina o fotorreceptores que se encuentran sólo fuera de la fóvea y más concentrados en la periferia. Son muy sensibles a la luz y al movimiento, y casi insensibles al color. De ahí que la misión de los bastones sea la de percibir la mayor o menor claridad con que están iluminados los objetos (Fig. 2). i) Mácula: Mancha amarilla situada en el polo posterior de la retina, sobre el eje óptico, donde se produce la fijación nítida y precisa de detalles y colores. En su centro se encuentra la fóvea, que sólo está formada por conos. j) Punto ciego: Punto de la retina por donde el nervio óptico conduce las imágenes o sensaciones de luz al cerebro. En este punto no hay fotorreceptores.

Consecuencias prácticas de la función de conos y bastones Cuando miramos un espacio iluminado con poca luz, por ejemplo, en la penumbra por la noche, la agudeza visual es baja, porque no actúan los conos y no se distinguen los colores ni los detalles, de ahí el famoso refrán de que “de noche todos los gatos son pardos”. A esta visión nocturna se le llama escotópica y en ella intervienen esencialmente los bastones que captan con gran sensibilidad la mayor o menor cantidad de luz y el movimiento de los objetos. Ello justifica que en algunos alumbrados públicos de avenidas, carreteras, y grandes superficies se efectúe el alumbrado con lámparas de vapor de sodio que reproducen mal los colores, pero aportan gran cantidad de luz. Por el contrario, con luz diurna o cuando el nivel de iluminación se eleva lo suficiente, los objetos se ven con precisión y detalle porque actúan los bastones y principalmente los conos, con lo cual se pueden distinguir los colores. A la luz diurna se le llama visión fotópica. En este caso la cantidad de luz exige ir acompañada de calidad, pues sólo la cantidad produciría irritabilidad en los ojos y deslumbramientos muy molestos.

Globo ocular

Célula nerviosa Granos de pigmento Bastoncillo

Ampliación de la retina

Cono

Célula pigmentaria

Figura 2. Parte fotosensible del ojo. Actuación de bastoncillos y conos.

2.3. Formación de imágenes El campo visual del hombre está limitado por un ángulo de unos 130º en sentido vertical y de unos 180º en sentido horizontal. De los objetos iluminados o con luz propia situados en el campo de visual parten rayos luminosos que atraviesan la córnea y el humor acuoso. El iris, mediante la abertura de la pupila, controla la cantidad de luz que se refracta a través del cristalino para incidir finalmente en la retina, donde el pigmento fotosensible de los fotorreceptores la registran en imágenes invertidas y mucho más pequeñas de lo natural, al igual que ocurre en la cámara fotográfica. Una vez recibidas y formadas las imágenes en la retina, a través del nervio óptico, son enviados al cerebro, que se encarga de interpretarlas y rectificar su posición (Fig. 3).

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Capítulo 2. EL OJO

Figura 3. Formación de imagen y su rectificación en el cerebro. En la tabla siguiente se hace un símil con la cámara fotográfica. Ojo humano

Cámara fotográfica

Cristalino (controla acomodación)

Objetivo (ajusta distancia entre objetivo y película)

Pupila (controla adaptación)

Diafragma - obturador (adapta exposición y cantidad de luz)

Pigmento de los fotorreceptores

Emulsión de la película

Retina (crea las imágenes)

Película (crea las imágenes) Tabla 1

2.4. Curva de sensibilidad del ojo Las radiaciones de longitud de onda comprendidas entre 380 nm. (ultravioleta) y 780 nm. (infrarrojos) son transformadas por el ojo en luz. Fuera de esta gama el ojo no ve, es ciego y no percibe nada. Todas las fuentes luminosas tienen su propia radiación o mezcla de ellas comprendida dentro de dichos límites. La luz blanca del medio día soleado es suma de todas las longitudes de onda del espectro visible. Si las hacemos llegar al ojo independientemente y con la misma energía, se obtiene una curva como la de la Fig. 4, que ha sido elaborada por la C.I.E.* realizando medidas en gran número de personas.

* C.I.E.: Comisión Internacional de Iluminación (Commission Internationale de l´Eclairage).

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Capítulo 2. EL OJO

100

400

Longitud de onda nm. 500 600

700

% 80

60

40

NOCHE

DIA

20

0 Figura 4. Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas. En ella se observa que para la luz blanca del día (fotópica), la máxima sensibilidad del ojo corresponde a la longitud de onda de 555 nm. y al color amarillo. La mínima sensibilidad corresponde a los colores rojo y violeta. De esta forma, las fuentes luminosas cuyas longitudes de onda corresponden al amarillo – verde son las que tienen más eficacia, aunque de peor calidad debido a que tal luz no es apropiada para nuestro ojo, acostumbrado a la luz blanca del Sol. De aquí que en locales con alto nivel de iluminación se realcen los colores naranja y rojo. En el caso de la luz nocturna (escotópica), el máximo de sensibilidad se desplaza hacia longitudes de onda menores (efecto Purkinje) y, por consiguiente, las radiaciones de menor longitud de onda (azul – violeta) producen mayor intensidad de sensación con baja iluminación. Este efecto es de gran importancia cuando se proyectan locales con bajo nivel de iluminación en los que se ven mejor los colores azul y violeta.

2.5. Acomodación Es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes distancias de los objetos, y obtener de esta forma imágenes nítidas en la retina. Este ajuste se efectúa variando la curvatura del cristalino y con ello la distancia focal por la contracción o distensión de los músculos ciliares. Si el objetivo se encuentra próximo al ojo, la curvatura del cristalino se hace mayor que cuando está lejos. En la máquina fotográfica el ajuste se hace variando la distancia entre el objetivo y la película sensible. La acomodación o enfoque es más fácil con altas luminancias* (iluminaciones) que obligan a una adaptación de la pupila o modificación del diafragma en sentido de cierre. El resultado común de esta acción es el aumento de la profundidad del campo, o lo que es lo mismo, visión nítida de objetos a diferente distancia del ojo o la cámara. La capacidad de acomodación del ojo disminuye con la edad a consecuencia del endurecimiento del cristalino.

2.6. Contraste Todos los objetos son percibidos por los contrastes de color y de luminancia que presentan las distintas partes de su superficie entre sí y en relación al fondo en que aparece el objeto.

* Luminancia: Efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria de luz como si procede de una superficie que refleja.

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Capítulo 2. EL OJO

Para niveles de iluminación suficientemente elevados, el ojo normal es sensible a los colores, mientras que para bajos niveles de iluminación los objetos son percibidos fundamentalmente por el contraste de luminancias que presentan con relación al fondo. La diferencia de luminancia entre objeto que se observa y su espacio inmediato, es lo que se conoce por contraste.

ω Lo Lf

Figura 5 En la Fig. 5 la superficie del objeto tiene una luminacia “L0” y la superficie de fondo una luminancia “Lf”, por tanto se llama contraste “K” a la diferencia de estas dos luminancias, divididas por la de fondo, es decir:

K=

L0 – Lf Lf

“K” es, por tanto, un valor relativo entre luminancias. Como hemos comentado, la visibilidad de un objeto situado sobre un fondo, depende de la diferencia de luminancias entre el objeto y el fondo. Un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste será positivo (valores entre 0 e infinito), en cambio un objeto más oscuro que su fondo se verá en silueta y su contraste será negativo, variando entre 0 y (-1). El contraste K puede ser positivo o negativo: Si L0 > Lf

K > 0 contraste positivo (objeto más claro que el fondo).

Si L0 < Lf

K < 0 contraste negativo (objeto más oscuro que el fondo).

El contraste K puede adquirir los siguientes valores: Contraste positivo (objeto claro) Contraste negativo (objeto oscuro)

0
En los ejemplos de la Fig. 6, a) presenta un contrate fácil de distinguir, mientras que b) y c) ofrecen mayor dificultad.

a

b

c

Figura 6 También existe un contraste de colores. En la Tabla 2 podemos ver unos ejemplos.

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Capítulo 2. EL OJO

Color del objeto

Color del fondo

Negro

Amarillo

Verde

Blanco

Rojo

Blanco

Azul

Blanco

Blanco

Azul

Negro

Blanco

Amarillo

Negro

Blanco

Rojo

Blanco

Verde

Blanco

Negro Tabla 2. Contrastes de colores.

Sensibilidad al contraste Se trata de un concepto derivado del anterior que equivale al mínimo contraste de luminancias que puede ser percibido por el ojo humano. Matemáticamente sería el inverso del contraste. G=

Lf L0 – Lf

=

1 K

Por consiguiente, la mayor sensibilidad a los contrates que pueden lograrse es aproximadamente: G=

1 0.01

= 100

Sin embargo, en las condiciones encontradas normalmente en la práctica, la sensibilidad a los contrastes es bastante más pequeña por las causas antes expuestas.

2.7. Adaptación Es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes iluminaciones de los objetos. Consiste en el ajuste del tamaño de la pupila para que la luminancia proyectada en la retina sea de un valor tolerable por las células sensibles. En su símil con la cámara fotográfica, sería la mayor o menor apertura del diafragma. Si la iluminación es muy intensa, la pupila se contrae reduciendo la luz que llega al cristalino, y si es escasa, se dilata para captarla en mayor cantidad. En iluminaciones de valores muy altos, la pupila se reduce a un diámetro de aproximadamente 2 mm., y en iluminaciones muy bajas, se abre hasta aproximadamente 8 mm. Cuando se pasa de un local con mucha iluminancia a otro completamente a oscuras, el ojo se ve sometido a un proceso de adaptación para cuyo ajuste total necesita unos 30 minutos; mientras que por el contrario, cuando se pasa de un local a oscuras a otro con mucha iluminancia, dicho periodo es de unos segundos (Fig. 7).

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Capítulo 2. EL OJO

Fotosensibilidad relativa

100 % 80 60 40 20

0

10

20

30

40

50

Tiempo de adaptación (min.) Figura 7. Curva de fotosensibilidad relativa del ojo respecto al tiempo de adaptación.

2.8. Deslumbramiento Es un fenómeno de la visión que produce molestia o disminución en la capacidad para distinguir objetos, o ambas cosas a la vez, debido a una inadecuada distribución o escalonamiento de luminancias, o como consecuencia de contrastes excesivos en el espacio o en el tiempo. Este fenómeno actúa sobre la retina del ojo en la cual produce una enérgica reacción fotoquímica, insensibilizándola durante un cierto tiempo, transcurrido el cual vuelve a recuperarse. Los efectos que origina el deslumbramiento pueden ser de tipo psicológico (molesto) o de tipo fisiológico (perturbador). En cuanto a la forma de producirse puede ser directo como el proveniente de fuentes luminosas (lámparas, luminarias o ventanas), que se encuentren situadas dentro del campo visual, o reflejado por superficies de gran reflectancia, especialmente superficies especulares como las del metal pulido. Las fuentes luminosas producen generalmente un deslumbramiento perturbador; éste es proporcional a la iluminación producida por la fuente de luz sobre la pupila del ojo, así como a un factor dependiente del ángulo “q” que forman la línea recta “R” que une el ojo con el foco “F” y el plano horizontal “H” que pasa por el ojo en la posición de trabajo. En la Fig. 8 se indican los distintos

Deslumbramiento

deslumbramientos en función de este ángulo, habiéndose tomado como admisible un valor mínimo de 30°.

0

F

R

θ

10

20

30

H

40

50

60

Valores del ángulo Figura 8. Deslumbramientos en función del ángulo q.

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Capítulo 2. EL OJO

Las superficies que no sean completamente mates dan lugar, por reflexión de la luz, a imágenes más o menos netas de los focos luminosos. Incluso si su luminancia no es excesiva, estas imágenes son casi siempre molestas cuando se encuentran en el campo visual y, especialmente, en la región central de este campo. Según lo expuesto, se evitará en lo posible toda clase de superficies pulidas innecesarias (cristales sobre las mesas, etc.). En el caso que se utilicen superficies semi-pulidas (encerados) se iluminarán por medio de fuentes con la menor luminancia posible y cuya posición se calcule en función de los reflejos que puedan obtenerse (filtros, rejillas, difusores, etc.). En casos especiales, las imágenes que proporcionan reflexión podrán ser útiles (visión por efecto de silueta, examen de defectos en superficies pulidas, composición de imprenta, etc.).

Figura 9. Superficies que reflejan la luz.

30

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Capítulo 3.

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA MATERIA

3.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.

Reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3.

Transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4.

Absorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.5.

Refracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

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Capítulo 3. PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA MATERIA

3.1. Generalidades Cuando un rayo de luz se propaga por un medio y alcanza el límite que lo separa de un segundo medio, puede suceder, que retorne al primero (reflexión), o que lo atraviese y que ingrese al segundo medio donde parte se convertirá en otra forma de energía (absorción) y parte no cambiará (transmisión). Dos, o los tres de dichos fenómenos ocurren simultáneamente, y como la energía no se puede destruir, la suma de la energía transmitida, absorbida y reflejada debe ser igual a la energía incidente. Por lo tanto, la aplicación de la luz en la forma más conveniente exige un control y una distribución que se consigue modificando sus características a merced a los fenómenos físicos de reflexión, absorción y transmisión de la luz, sin olvidarnos de otro cuarto factor conocido como refracción.

3.2. Reflexión Cuando unas ondas de cualquier tipo inciden sobre una barrera plana como un espejo, se generan nuevas ondas que se mueven alejándose de la barrera. Este fenómeno se denomina reflexión. Cuando la luz es reflejada por una superficie, un porcentaje de dicha luz se pierde debido al fenómeno de absorción. La relación entre la luz reflejada y la luz incidente se denomina reflectancia de la superficie. Cualquier superficie que no es completamente negra puede reflejar luz. La cantidad de luz que refleja y la forma en que dicha luz es reflejada se determina por las propiedades de reflexión de la superficie. Se distinguen cuatro tipos de reflexiones, a saber: reflexión especular, reflexión compuesta, reflexión difusa y reflexión mixta. En estas propiedades de reflexión se fundamentan los sistemas reflectores. Reflexión especular (Fig. 1): Se produce cuando la superficie reflectora es lisa. Dicha reflexión obedece a dos leyes fundamentales: 1. El rayo incidente, el rayo reflejado y el normal a la superficie en un punto de incidencia se trazan en un mismo plano. 2. El ángulo de incidencia (i) es igual al ángulo de reflexión (r).

N i

r

Figura 1. Reflexión especular. Reflexión compuesta (Fig. 2): A diferencia de lo que ocurre en la reflexión especular, no hay imagen de espejo de la fuente de luz, pero el ángulo de intensidad máxima reflejada es igual al ángulo de incidencia. Esta reflexión ocurre cuando la superficie es irregular o rugosa.

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Figura 2. Reflexión compuesta. Reflexión difusa (Fig. 3): Se produce cuando la luz que incide sobre una superficie es reflejada en todas las direcciones, siendo el rayo normal a la superficie el de mayor intensidad. Este tipo de reflexión se produce en superficies como el papel blanco mate, las paredes y cielos rasos de yeso, la nieve, etc.

Figura 3. Reflexión difusa. Reflexión mixta (Fig. 4): Es una reflexión intermedia entre la especular y la difusa, en la que parte del haz incidente se refleja y parte se difunde. Este tipo de reflexión la presentan los metales no pulidos, el papel brillante y las superficies barnizadas.

Figura 4. Reflexión mixta.

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Superficie reflectora

% factor de reflexión

Plata brillante

92 - 97

Oro

60 - 92

Plata blanca (mate)

85 - 92

Níquel pulido

60 - 65

Cromo pulido

60 - 65

Aluminio pulido

67 - 72

Aluminio electroabrillantado

86 - 90

Aluminio vaporizado

90 - 95

Cobre

35 - 80

Hierro

50 - 55

Porcelana esmaltada

60 - 80

Espejos

80 - 85

Pintura blanca mate

70 - 80

Beige claro

70 - 80

Amarillo y crema claro

60 - 75

Techos acústicos

60 - 75

Verde muy claro

70 - 80

Verde claro y rosa

45 - 65

Azul claro

45 - 55

Gris claro

40 - 50

Rojo claro

30 - 50

Marrón claro

30 - 40

Beige oscuro

25 - 35

Marrón, verde y azul oscuros

5 - 20

Negro

3-4 Tabla 1. Factor de reflexión para luz blanca día.

3.3. Transmisión Es el paso de una radiación a través de un medio sin cambio de frecuencia de las radiaciones monocromáticas que la componen. Este fenómeno es característico de ciertos tipos de vidrios, cristales, plásticos, agua y otros líquidos, y del aire. Al atravesar el material, parte de la luz se pierde debido a la reflexión en la superficie del medio siguiente y parte se absorbe. La relación entre la luz transmitida y la luz incidente se denomina transmitancia del material. En la transmisión se pueden diferenciar tres tipos: regular, difusa y mixta. Transmisión regular (Fig. 5): En esta transmisión, el haz que incide sobre un medio, la atraviesa y sale de él como tal haz. Los medios que cumplen esta propiedad, se les denomina cuerpos “transparentes” y permiten ver con nitidez los objetos colocados detrás de ellos.

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Figura 5. Transmisión regular. Transmisión difusa (Fig. 6): Transmisión en la que el haz incidente se difunde por el medio, saliendo del mismo en múltiples direcciones. A estos medios se les denomina “traslúcidos” y los más conocidos son los cristales esmerilados y los vidrios orgánicos opalizados. Los objetos colocados detrás de ellos no son distinguidos con precisión.

Figura 6. Transmisión difusa. Transmisión mixta (Fig. 7): Es una forma de transición de la transmisión, intermedia entre la regular y la difusa. Se presenta en vidrios orgánicos, vidrios orgánicos depulidos y cristales de superficie labrada. Aunque la difusión del haz de luz no es completa, los objetos no se pueden observar claramente detrás del mismo aunque sí su posición.

Figura 7. Transmisión mixta.

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3.4. Absorción Se denomina absorción a la transformación de la energía radiante en otra forma de energía, generalmente en forma de calor. Este fenómeno es una característica de todas las superficies que no son completamente reflectoras, y de los materiales que no son totalmente transparentes. La relación entre la luz absorbida y la luz incidente se denomina absortancia del material. La absorción de ciertas longitudes de onda de luz se denomina absorción selectiva. En general, los objetos de color le deben su color a la absorción selectiva.

3.5. Refracción Al pasar de un medio a otro, el rayo de luz puede cambiar su dirección. Dicho cambio, se produce por una alteración en la velocidad de la luz. La misma disminuye si la densidad del nuevo medio es mayor, y aumenta si es menor. Este cambio de velocidad y de dirección se denomina refracción. Existen dos leyes de refracción: 1. Cuando la onda pasa de un medio a otro, el rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia, están en el mismo plano. 2. La razón del seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante para los medios comprendidos. Dicha constante se denomina índice de refracción, n, para ambos medios. La segunda ley de refracción generalmente se denomina Ley de Snell.

α1 n1

n2

α2 n1

α1

D

Figura 8. Refracción en el límite entre dos medios. n1 · sen a1 = n2 · sen a2 c

sen a1

n = 2=n sen a2 = n1

n1* = índice de refracción del primer medio. n2* = índice de refracción del segundo medio. a1 = ángulo de incidencia. a2 = ángulo de refracción. Cuando el primer medio es el aire, n1 = 1 y la fórmula es: sen a1 = n2 · sen a2 La distancia D en la Fig. 8. se conoce como desplazamiento. Dicho desplazamiento depende del ángulo de incidencia y del índice de refracción. Cuando el rayo de incidencia es perpendicular a la superficie, la refracción y el desplazamiento equivalen a cero.

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La refracción varía según la longitud de onda. Las ondas cortas (como la azul y la violeta) se transmiten más que las ondas largas (como por ejemplo las rojas). Este fenómeno se utiliza para separar la luz blanca en sus colores componentes atravesando un prisma de refracción. El grado de la separación de color, que depende del ángulo de incidencia y de las propiedades refractivas del material del prisma, se denomina dispersión.

* “ni” se calcula por el cociente entre la velocidad de la luz en el aire y la velocidad de la luz en el medio “i”.

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Capítulo 4.

EL COLOR

4.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.

Clasificación de los colores según el diagrama cromático C.I.E. . . . . . 41

4.3.

Temperatura del color (Tc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.4.

Índice de rendimiento de color (IRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5.

Efectos psíquicos de los colores y su armonía . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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Capítulo 4. EL COLOR

4.1. Generalidades El color es una interpretación subjetiva psicofisiológica del espectro electromagnético visible. Las sensaciones luminosas o imágenes que se producen en nuestra retina, al enviarlas al cerebro, son interpretadas como un conjunto de sensaciones monocromáticas que constituyen el color de la luz. El sentido de la vista no analiza individualmente cada radiación o sensación cromática. A cada radiación le corresponde una denominación de color, según la clasificación del espectro de frecuencias. Es importante indicar que distinguimos a los objetos por el color asignado según sus propiedades ópticas, pero en ellos ni se produce ni tienen color. Lo que sí tienen son propiedades ópticas de reflejar, refractar y absorber los colores de la luz que reciben, es decir: el conjunto de sensaciones monocromáticas aditivas que nuestro cerebro interpreta como color de un objeto depende de la composición espectral de la luz con que se ilumina y de las propiedades ópticas que posea el objeto para reflejarla, refractarla o absorberla. Fue Newton el primero en descubrir la descomposición de la luz blanca en el conjunto de colores que forma el arco iris. Al hacer pasar un haz de luz blanca a través de un prisma obtuvo el efecto que se indica en la Fig. 1.

Prisma 380 nm. 400 nm.

Luz blanca

500 nm.

600 nm.

700 nm. 780 nm.

Figura 1. Descomposición de la luz blanca en el espectro del arco iris.

4.2. Clasificación de los colores según el diagrama cromático C.I.E. La evaluación subjetiva de las superficies de los objetos, tal y como son percibidas por el ojo, se interpretan en función de los atributos o cualidades del color. Éstas son: a) Claridad o esplendor: Radiación luminosa que recibimos según la iluminancia que posea el objeto. Un objeto es más claro cuanto más se aleja su color del negro en la escala de grises. Hace referencia a la intensidad. b) Tono o matiz: Nombre común del color (rojo, amarillo, verde, etc.). Hace referencia a la longitud de onda. c) Pureza o saturación: La proporción en que un color está mezclado con el blanco. Hace referencia a la pureza espectral. Para evitar la evaluación subjetiva del color existe el diagrama cromático en forma de triángulo, aprobado por la C.I.E., que se emplea para tratar cuantitativamente las fuentes de luz, las superficies coloreadas, las pinturas, los filtros luminosos, etc. Todos los colores están ordenados según tres coordenadas cromáticas, x, y, z, cuya suma es siempre la unidad (x + y + z = 1) y cuando cada una de ellas vale 0´333 corresponde al color blanco. Estas tres coordenadas se obtienen a partir de las potencias específicas para cada longitud de onda. Se fundamenta en el hecho de que al mezclar tres radiaciones procedentes de tres fuentes de distinta composición espectral se puede obtener una radiación equivalente a otra de distinto valor. El resultado es el triángulo de la Fig. 2, en el que con dos coordenadas cualesquiera es suficiente para determinar el color de la radiación resultante formada por la mezcla aditiva de tres componentes.

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520 530 540

510

550 560 570

500

580 590

3.200 5.000 10.000

490

600

2.500 800

6.500

24.000

610 620 630 650 700 750

480

470 460 450 400-380

Figura 2. Diagrama cromático de la C.I.E.

4.3. Temperatura de color (TC ) En el diagrama cromático C.I.E. de la Fig. 2 se ha dibujado la curva que representa el color que emite el cuerpo negro en función de su temperatura. Se llama curva de temperatura de color del cuerpo negro, TC.. La temperatura de color es una expresión que se utiliza para indicar el color de una fuente de luz por comparación de ésta con el color del cuerpo negro, o sea del “radiante perfecto teórico” (objeto cuya emisión de luz es debida únicamente a su temperatura). Como cualquier otro cuerpo incandescente, el cuerpo negro cambia de color a medida que aumenta su temperatura, adquiriendo al principio, el tono de un rojo sin brillo, para luego alcanzar el rojo claro, el naranja, el amarillo y finalmente el blanco, el blanco azulado y el azul. El color, por ejemplo, de la llama de una vela, es similar al de un cuerpo negro calentado a unos 1.800 K*, y la llama se dice entonces, que tiene una “temperatura de color” de 1.800 K. Las lámparas incandescentes tienen una temperatura de color comprendida entre los 2.700 y 3.200 K, según el tipo, por lo que su punto de color determinado por las correspondientes coordenadas queda situado prácticamente sobre la curva del cuerpo negro. Esta temperatura no tiene relación alguna con la del filamento incandescente. Por lo tanto la temperatura de color no es en realidad una medida de temperatura. Define sólo color y sólo puede ser aplicada a fuentes de luz que tengan una gran semejanza de color con el cuerpo negro. La equivalencia práctica entre apariencia de color y temperatura de color, se establece convencionalmente según la Tabla 1.

* K = Kelvin. Las temperaturas de la escala Kelvin exceden en 273 °C a las correspondientes a la escala centrígada.

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Grupo de apariencia de color

Apariencia de color

Temperatura de color (K)

1

Cálida

Por debajo de 3.300

2

Intermedio

De 3.300 a 5.300

3

Frío

Por encima de 5.300

Tabla 1

4.4. Índice de rendimiento de color (IRC) El dato de temperatura de color se refiere únicamente al color de la luz, pero no a su composición espectral que resulta decisiva para la reproducción de colores. Así, dos fuentes de luz pueden tener un color muy parecido y poseer al mismo tiempo unas propiedades de reproducción cromática muy diferentes. El índice de reproducción cromática (IRC), caracteriza la capacidad de reproducción cromática de los objetos iluminados con una fuente de luz. El IRC ofrece una indicación de la capacidad de la fuente de la luz para reproducir colores normalizados, en comparación con la reproducción proporcionada por una luz patrón de referencia. Fuentes Luminosas

Tc (°K)

IRC

Cielo azul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.000 a 30.000

85 a 100 (grupo 1)

Cielo nublado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.000

85 a 100 (grupo 1)

Luz solar día . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.000

85 a 100 (grupo 1)

6.000

96 a 100 (grupo 1)

Lámparas descarga (excepto Na) . . . . . . . . . . . . . . Luz día (halogenuros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blanco neutral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.000 a 5.000

70 a 84 (grupo 2)

Blanco cálido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Menos de 3.000

40 a 69 (grupo 3)

Lámpara descarga (Na) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.900

Menos de 40

Lámpara incandescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.100 a 3.200

85 a 100 (grupo 1)

Lámpara fotográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.400

85 a 100 (grupo 1)

Llama de vela o de bujía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.800

40 a 69 (grupo 3)

Tabla 2

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Grupos de rendimiento de color en las lámparas Para simplificar las especificaciones de los índices de rendimiento en color de las lámparas que se utilizan en iluminación, se han introducido grupos de rendimiento en color como se indica en la Tabla 3.

Grupo rendimiento en color

Rango de rendimiento en Apariencia de color

IRC ≥ 90

Intermedio Frío

1B

Ejemplos para uso aceptable

color (IRC o Ra) Cálido

1A

Ejemplos para usos preferible

90 > IRC ≥ 80

Igualaciones de color, exploraciones clínicas, galerias de arte

Cálido

Casas, hoteles, restaurantes,

Intermedio

tiendas, oficinas, escuelas, hospitales

Intermedio

Imprenta, industria de pintura

Cálido

y textiles, trabajo industrial

Cálido 2

80 > IRC ≥ 60

Intermedio

Trabajo industrial

Oficinas, escuelas

Industrias bastas

Trabajo industrial

Frío 3

60 > IRC ≥ 40

4

40 > IRC ≥ 20

Trabajos bastos, trabajo industrial con bajo requerimiento de rendimiento de color Tabla 3. Grupos de rendimiento de color de las lámparas.

4.5. Efectos psíquicos de los colores y su armonía Está comprobado que el color del medio ambiente produce en el observador reacciones psíquicas o emocionales. Por ello, el emplear los colores de forma adecuada es un tema del mayor interés para los psicólogos, arquitectos, luminotécnicos y decoradores. No se pueden establecer reglas fijas para la elección del color apropiado con el fin de conseguir un efecto determinado, pues cada caso requiere ser tratado de una forma particular. Sin embargo, existe una serie de experiencias en las que se ha comprobado las sensaciones que producen en el individuo determinados colores. Una de las primeras sensaciones es la de calor o frío, de aquí que se hable de “colores cálidos” y “colores fríos”. Los colores cálidos son los que en el espectro visible van desde el rojo al amarillo verdoso, y los fríos desde el verde al azul. Un color será más cálido o más frío según sea su tendencia hacia el rojo o hacia el azul, respectivamente. Los colores cálidos son dinámicos, excitantes y producen una sensación de proximidad, mientras que los colores fríos calman y descansan, produciendo una sensación de lejanía. Asimismo, la claridad del color también tiene sus efectos psicológicos. Los colores claros animan y dan sensación de ligereza, mientras que los colores oscuros deprimen y producen sensación de pesadez. Cuando se combinan dos o más colores y producen un efecto agradable, se dice que armonizan. La armonía de colores se produce, pues, mediante la elección de una combinación de colores que es agradable y hasta placentera para el observador en una situación determinada. De todo lo anterior, se deduce que el conocimiento de la curva de distribución espectral de las fuentes de luz es imprescindible para conseguir el efecto cromático deseado.

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Capítulo 5.

MAGNITUDES LUMINOSAS

5.1.

Flujo luminoso (Potencia luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2.

Cantidad de luz (Energía luminosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3.

Intensidad luminosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.4.

Iluminancia (Nivel de iluminación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.5.

Luminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.6.

Otras magnitudes luminosas de interés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.7.

Representación gráfica de magnitudes luminosas . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.8.

Cuadro resumen de las magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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Capítulo 5. MAGNITUDES LUMINOSAS

En la técnica de la iluminación intervienen dos elementos básicos: la fuente productora de luz y el objeto que se va a iluminar. En este capítulo vamos a ver las magnitudes y unidades de medida fundamentales, empleadas para valorar y comparar las cualidades y los efectos de las fuentes de luz.

5.1. Flujo luminoso (Potencia luminosa) La energía transformada por los manantiales luminosos no se puede aprovechar totalmente para la producción de luz. Por ejemplo, una lámpara incandescente consume una determinada energía eléctrica que transforma en energía radiante, de la cual sólo una pequeña parte (alrededor del 10%) es percibida por el ojo humano en forma de luz, mientras que el resto se pierde en calor. El flujo luminoso que produce una fuente de luz es la cantidad total de luz emitida o radiada, en un segundo, en todas las direcciones. De una forma más precisa, se llama flujo luminoso de una fuente a la energía radiada que recibe el ojo medio humano según su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo. El flujo luminoso se representa por la letra griega F y su unidad es el lumen (lm). El lumen es el flujo luminoso de la radiación monocromática que se caracteriza por una frecuencia de valor 540 · 1012 Hz. y por un flujo de energía radiante de 1/683 W. Un watio de energía radiante de longitud de onda de 555 nm. en el aire equivale a 683 lm aproximadamente.

Medida del flujo luminoso La medida del flujo luminoso se realiza en el laboratorio por medio de un fotoelemento ajustado según la curva de sensibilidad fotópica del ojo a las radiaciones monocromáticas, incorporado a una esfera hueca a la que se le da el nombre de Esfera de Ulbricht (Fig. 1), y en cuyo interior se coloca la fuente a medir. Los fabricantes dan el flujo de las lámparas en lúmenes para la potencia nominal.

Figura 1. Esfera de Ulbricht.

Rendimiento luminoso (Eficacia luminosa) El rendimiento luminoso de una fuente de luz, indica el flujo que emite la misma por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. Se representa por la letra griega e, siendo su unidad el lumen/watio (lm/W). La fórmula que expresa la eficacia luminosa es: ε=

Φ Ρ

(lm/W)

Si se lograse fabricar una lámpara que transformara sin pérdidas toda la potencia eléctrica consumida en luz a una longitud de onda de 555 nm., esta lámpara tendría el mayor rendimiento posible, cuyo valor sería 683 lm/W.

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5.2. Cantidad de luz (Energía luminosa) De forma análoga a la energía eléctrica que se determina por la potencia eléctrica en la unidad de tiempo, la cantidad de luz o energía luminosa se determina por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo. La cantidad de luz se representa por la letra Q, y su unidad es el lumen por hora (lm · h). La fórmula que expresa la cantidad de luz es: Q = F · t (lm · h)

5.3. Intensidad luminosa Esta magnitud se entiende únicamente referida a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido w. Al igual que a una magnitud de superficie corresponde un ángulo plano que se mide en radianes, a una magnitud de volumen le corresponde un ángulo sólido o estéreo que se mide en estereorradianes. El radián se define como el ángulo plano que corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio (Fig. 2).

δ=1 α = 1 radián r=1

α (total) = 2 π radianes Figura 2. Ángulo plano. El estereorradián se define como el ángulo sólido que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera (Fig. 3).

1cd

r = 1m.

φ = 1 Lm E = 1 Lux S = 1 m2

ω

1cd ω (total) = 4π estereorradianes Figura 3. Ángulo sólido. La intensidad luminosa de una fuente de luz es igual al flujo emitido en una dirección por unidad de ángulo sólido en esa dirección. Su símbolo es , su unidad es la candela (cd), y la fórmula que la expresa: Ι=

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Φ ω

(lm/sr)


La candela se define como la intensidad luminosa de una fuente puntual que emite un flujo luminoso de un lumen en un ángulo sólido de un estereorradián (sr). Según el S.I.*, también se define candela como la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 · 1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watios por estereorradián.

5.4. Iluminancia (Nivel de iluminación) La iluminancia o nivel de iluminación de una superficie es la relación entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su área. Se simboliza por la letra E, y su unidad es el lux (lx). La fórmula que expresa la iluminancia es: Ε=

Φ S

(lx = lm/m2)

Se deduce de la fórmula que cuanto mayor sea el flujo luminoso incidente sobre una superficie, mayor será su iluminancia, y que, para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia será tanto mayor en la medida en que disminuya la superficie. Según el S.I., el lux se define como la iluminancia de una superficie que recibe un flujo luminoso de un lumen, repartido sobre un metro cuadrado de superficie.

Medida del nivel de iluminación La medida del nivel de iluminación se realiza por medio de un aparato especial denominado luxómetro, que consiste en una célula fotoélectrica que, al incidir la luz sobre su superficie, genera una débil corriente eléctrica que aumenta en función de la luz incidente. Dicha corriente se mide con un miliamperímetro, de forma analógica o digital, calibrado directamente en lux (Fig. 4).

A

B

1 2 3

Figura 4. Luxómetro.

5.5. Luminancia Se llama Luminancia al efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del ojo, tanto si procede de una fuente primaria que produce luz, como si procede de una fuente secundaria o superficie que refleja luz. La luminancia mide brillo de las fuentes luminosas primarias y de las fuentes que constituyen los objetos iluminados. Este término ha sustituido a los conceptos de brillo y densidad de iluminación, aunque como concepto nos interesa recordar que el ojo no ve colores sino brillo, como atributo del color. La percepción de la luz es realmente la percepción de diferencias de luminancias. Se puede decir, por lo tanto, que el ojo ve diferencias de luminancias y no de iluminación (a igual iluminación, diferentes objetos tienen luminancia distinta porque tienen distinto poder de reflexión). La luminancia de una superficie iluminada es el cociente entre la intensidad luminosa de una fuente de luz, en una dirección, y la superficie de la fuente proyectada según dicha dirección.

* S.I. c Sistema Internacional.

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49


Superficie vista o aparente

Superficie aparente = Superficie real x cosβ

β

β β Superficie real

Figura 5. Luminancia de una superficie. El área proyectada es la vista por el observador en la dirección de observación. Se calcula multiplicando la superficie real iluminada por el coseno del ángulo que forma su normal con la dirección de la intensidad luminosa (Fig. 5). Se representa por la letra L, siendo su unidad la candela/metro cuadrado llamada “nit (nt)”, con un submúltiplo, la candela/centímetro cuadrado o “stilb”, empleada para fuentes con elevadas luminancias. 1cd

1nt =

1m2

;

1stilb =

1cd 1cm2

La fórmula que la expresa es la siguiente: L=

Ι S · cosβ

donde: S · cos = Superficie aparente. La luminancia es independiente de la distancia de observación.

Medida de la luminancia La medida de la luminancia se realiza por medio de un aparato especial llamado luminancímetro o nitómetro. Se basa en dos sistemas ópticos, uno de dirección y otro de medición (Fig. 6). El de dirección se orienta de forma que la imagen coincida con el punto a medir, la luz que llega una vez orientado se ve convertida en corriente eléctrica y recogida en lectura analógica o digital, siendo los valores medidos en cd/m2.

1 2 3

1 2 3

1 2 3

Figura 6. Luminancímetro.

50

LUMINOTECNIA 2002


5.6. Otras magnitudes luminosas de interés 5.6.1. Coeficiente de utilización Relación entre el flujo luminoso recibido por un cuerpo y el flujo emitido por una fuente luminosa. Unidad

c

%

Símbolo

c

η

Relación

c

η=

Φ Φe

5.6.2. Reflectancia Relación entre el flujo reflejado por un cuerpo (con o sin difusión) y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

ρ

Relación

c

ρ=

Φr Φ

5.6.3. Absortancia Relación entre el flujo luminoso absorbido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

α

Relación

c

α=

Φa Φ

5.6.4. Transmitancia Relación entre el flujo luminoso transmitido por un cuerpo y el flujo recibido. Unidad

c

%

Símbolo

c

τ

Relación

c

τ=

Φt Φ

5.6.5. Factor de uniformidad media Relación entre la iluminación mínima y la media, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

Um

Relación

c

Um =

Εmin Εmed

5.6.6. Factor de uniformidad extrema Relación entre la iluminación mínima y máxima, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

Ue

Relación

c

Ue =

Εmin Εmax

5.6.7. Factor de uniformidad longitudinal Relación entre la luminacia mínima y máxima longitudinal, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

UL

Relación

c

UL =

Lmin longitudinal Lmax longitudinal

5.6.8. Factor de uniformidad general Relación entre la luminancia mínima y media, de una instalación de alumbrado. Unidad

c

%

Símbolo

c

U0

Relación

c

U0 =

Lmin Lmed

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51


5.6.9. Factor de mantenimiento Coeficiente que indica el grado de conservación de una instalación. Unidad

c

%

Símbolo

c

Fm

c

Fm = Fpl · Fdl · Ft · Fe · Fc

Relación

Fpl = factor posición lámpara Fdl = factor depreciación lámpara Ft = factor temperatura Fe = factor equipo de encendido Fc = factor conservación de la instalación

5.7. Representación gráfica de magnitudes luminosas El conjunto de la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones constituye lo que se conoce como distribución luminosa. Las fuentes de luz utilizadas en la práctica tienen una superficie luminosa más o menos grande, cuya intensidad de radiación se ve afectada por la propia construcción de la fuente, presentando valores diversos en las distintas direcciones. Con aparatos especiales (como el Goniofotómetro) se puede determinar la intensidad luminosa de una fuente de luz en todas las direcciones del espacio con relación a un eje vertical. Si representamos por medio de vectores (I) la intensidad luminosa de una fuente de luz en las infinitas direcciones del espacio, engendramos un volumen que representa el valor del flujo total emitido por la fuente, el cual viene definido por la expresión:

!r

r

Φ = Ι · dω ν

El sólido que obtenemos recibe el nombre de sólido fotométrico. En la Fig. 7 se puede apreciar el sólido fotométrico de una lámpara incandescente.

180°

160°

140°

120°

100°

80°

0°

60° 20° 40°

Figura 7. Sólido fotométrico de una lámpara incandescente. Si hacemos pasar un plano por el eje de simetría de la fuente luminosa, por ejemplo, un plano meridional, obtenemos una sección limitada por una curva que se denomina curva fotométrica o curva de distribución luminosa (Fig. 8).

52

LUMINOTECNIA 2002


180°

150° 120°

80 60 40 cd

90° 20 40 60 80

60°

100 120 140 0°

30°

Figura 8. Curva fotométrica de una lámpara incandescente. Mediante la curva fotométrica de una fuente de luz se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación. Las direcciones del espacio por las cuales se radia una intensidad luminosa las podemos determinar por dos coordenadas. Uno de los

C=

18 0°

° 270 C=

eje de rotación planos "C"

sistemas de coordenadas más usado para la obtención de curvas fotométricas es el “C - ” que podemos ver en la Fig. 9.

C=

°

90

γ = 180°

e je

de

C=

in c

lin

aci

0° γ = 9 0°

ón γ = 0°

La do La cal do ace zada ra

Figura 9. Sistema de coordenadas C - . Las curvas fotométricas se dan referidas a un flujo luminoso emitido de 1.000 lm. y, como el caso más general es que la fuente de luz emita un flujo superior, los valores de la intensidad luminosa correspondientes se hallan mediante una regla de tres simple. Cuando alojamos una lámpara en un reflector, se distorsiona su flujo proporcionando un volumen cuya forma es distinta, ya que depende de las características propias del reflector. Por consiguiente, las curvas de distribución según los distintos planos son diferentes. En las dos siguientes figuras podemos ver dos ejemplos en los que se han representado las curvas de distribución de dos reflectores.

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53


El de la Fig.10 es simétrico, y tiene idénticas curvas para cualquiera de los planos meridionales, por lo que una sola curva es suficiente para su identificación fotométrica. El ejemplo de la Fig. 11 es asimétrico y cada plano tiene una curva diferente, por lo que es necesario conocer todos los planos.

900 675 450 225

60o

30o

0o

30o

Unidad = cd/1000 lm C=90º

C=45º

C=0º

Figura 10. Curva de distribución fotométrica simétrica.

320

240

80 0

70o

50o

30o

10o 0o

Unidad = cd/1000 lm C=90º

C=45º

C=0º

Figura 11. Curva de distribución fotométrica asimétrica. Otro método de representar la distribución del flujo luminoso es el diagrama de curvas isocandelas (Fig. 12) el cual consiste en imaginar la luminaria en el centro de una esfera en cuya superficie exterior se unen por una línea los puntos de igual intensidad (curvas isocandelas). Generalmente las luminarias tienen como mínimo un plano de simetría, por lo que se desarrolla solamente una semiesfera.

54

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280 290 300 310 320 330 340 350 C=0 10

-90

-80

20

30

40

50

60

70

80

90

80

1 5 10

90

-70

80

60 40

70

20 30

-60

60

-50 60

-40

50

40 -30

30 -20 -10

GM=0

20

10

Imax=100%

Figura 12. Curvas isocandelas. Esta forma de representación es mucho más completa, pero tiene el inconveniente de que se necesita una mayor experiencia para su interpretación. El flujo emitido por una fuente luminosa proporciona una iluminación (iluminancia) en una superficie, cuyos valores se miden en lux. Si proyectamos estos valores sobre un mismo plano y unimos por medio de una línea los de igual valor, entonces daremos lugar a las curvas isolux (Fig. 13).

h

LADO ACERA 5

30 40

0

20 80

60 50

70

10

h 5

2h 1

1

LADO CALZADA

3h 6h

5h

4h

3h

2h

h

0

h

2h

3h

Lmax=100% fl=0.154 Figura 13. Curvas isolux. Por último tenemos las luminacias, que dependen del flujo luminoso reflejado por una superficie en la dirección del observador. Los valores se miden en candelas por metro cuadrado (cd/m2) y su representación nos viene dada por las curvas isoluminancias (Fig. 14).

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OBSERVADORES: A, B Y C h

A B

6h

5h

3h

4h

LADO ACERA

1

2h

h

0

h

2h

3h

20 30

5

40 50 60

0

80

5

70 50

C

h 10 5

2h

LADO CALZADA Calzada R2 Qo = 0.07

3h

1

Lmax=100% fl=0.152

Figura 14. Curvas isoluminancias.

5.8. Cuadro resumen de las magnitudes Símbolo

Unidad

Relaciones

Flujo Luminoso

Magnitud

F

Lumen (lm)

F=I·q

Eficacia Luminosa

ε

Lumen por watio (lm/W)

Cantidad de luz

Q

Lumen hora (lm · h)

Intensidad luminosa

Ι

Iluminancia

Ε

Ι=

(cd = lm/sr) Lux (lx)

Ε=

(lx = lm/m2) Nit = cd/ m

L=

Luminancia

L

Coeficiente iluminación

η

%

η=

Reflectancia

ρ

%

ρ=

Absortancia

α

%

α=

Transmitancia

τ

%

τ=

Factor unifomidad media

Um

%

Um =

Factor unifomidad extrema

Ue

%

Ue =

Factor de uniformidad longitudinal

UL

%

Factor de uniformidad general

U0

%

Factor mantenimiento

Fm

%

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Ρ

UL =

Φ ω Φ S Ι

2

Stilb = cd/cm2

Φ

Q=F·t

Candela (cd)

Tabla 1. Resumen de las magnitudes luminosas.

56

ε=

S · cosβ Φ Φe Φr Φ Φa Φ Φt Φ Εmin Εmed Εmin Εmax

Lmin longitudinal Lmax longitudinal

U0 =

Lmin Lmed

Fm = Fpl · Fdl · Ft · Fe · Fc

Capítulo 6.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.1.

Ley de la inversa del cuadrado de la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.2.

Ley del coseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.3.

Iluminación normal, horizontal, vertical y en planos inclinados . . . . . . 61

6.4.

Relaciones de iluminancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.5.

Ley de Lambert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

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58

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Capítulo 6. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

6.1. Ley de la inversa del cuadrado de la distancia Desde los experimentos primitivos se ha comprobado que las iluminancias producidas por las fuentes de luz disminuyen inversamente con el cuadrado de la distancia desde el plano a iluminar a la fuente. Se expresa por la fórmula siguiente: Ε=

Ι d2

(lx)

donde Ε es el nivel de iluminación en lux (lx), Ι es la intensidad de la fuente en candelas (cd), y d es la distancia de la fuente de luz al plano receptor perpendicular. De esta forma podemos establecer la relación de iluminancias Ε1 y Ε2 que hay entre dos planos separados una distancia d y D de la fuente de luz respectivamente: Ε1 · d2 = Ε2 · D2 Ε1

D2 = 2 Ε2 = d

S2

S1

E2 E1

F

d D

Figura 1. Distribución del flujo luminoso sobre distintas superficies. Esta ley se cumple cuando se trata de una fuente puntual de superficies perpendiculares a la dirección del flujo luminoso. Sin embargo, se puede suponer que la ley es lo suficientemente exacta cuando la distancia a la que se toma la medición es, por lo menos, cinco veces la máxima dimensión de la luminaria (la distancia es grande con relación al tamaño de la zona fuente de luz).

6.2. Ley del coseno En el caso anterior la superficie estaba situada perpendicularmente a la dirección de los rayos luminosos, pero cuando forma con ésta un determinado ángulo a, la fórmula de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia hay que multiplicarla por el coseno del ángulo correspondiente cuya expresión constituye la llamada ley del coseno, que se expresa como: Ε=

Ι d2

· cos α (lx)

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59


“La iluminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcional al coseno del ángulo de incidencia de los rayos luminosos en el punto iluminado”. En la Fig. 2 se representan dos fuentes de luz F y F´ con igual intensidad luminosa (I) y a la misma distancia (d) del punto P. A la fuente F con un ángulo de incidencia a igual a cero, corresponde un cos0 = 1, y produce una iluminación en el punto P de valor:

h

d

F'

α 60° F

P d

Figura 2. Iluminancia en un punto desde dos fuentes de luz con diferente ángulo de incidencia.

Εp =

Ι 2

d

Ι

· cos 0 =

2

d

· 1 c Εp =

Ι

(lx)

d2

De la misma forma el F´ con un ángulo α = 60°, al que corresponde el cos60° = 0´5, producirá en el mismo punto una iluminación de valor: Ε´p =

Ι d2

Ι

· cos 60° =

d2

· 0’5 c Ε´p =

1 2

·

Ι d2

(lx)

Por lo tanto, Ε´p = 0´5 · Εp, es decir, para obtener la misma iluminación en el punto P, la intensidad luminosa de la fuente F´ debe ser el doble de la que tiene la fuente F. En la práctica, generalmente no se conoce la distancia d del foco al punto considerado, sino su altura h a la horizontal del punto. Empleando una sencilla relación trigonométrica y sustituyendo ésta en la ecuación inicial, obtenemos una nueva relación en la cual interviene la altura h: h

cos α =

Εp =

Ι 2

d

· cos α =

d

Ι

( )

2

h

cd=

· cos α =

h cos α

Ι h2

· cos2 α · cos α

cos α

Εp =

60

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Ι h2

· cos3 α

(lx)


6.3. Iluminación normal, horizontal, vertical y en planos inclinados En la Fig. 3 la fuente F ilumina tres planos situados en posiciones normal, horizontal y vertical respecto al mismo. Cada uno de ellos tendrá una iluminancia llamada: EN = Iluminancia normal. EH = Iluminancia horizontal. EV = Iluminancia vertical.

F

Iluminación vertical

M2 Iα d

h

α

n c ió in a a l m m Ilu n o r

β

Iluminación horizontal

M1

M a

Figura 3. Iluminancia normal, horizontal y vertical. Vamos a determinar la iluminancia normal, horizontal y vertical para el punto M de la Fig. 3.

Iluminación normal Aplicamos la ley de la inversa del cuadrado de la distancia: ΕN =

Ια

(lx)

d2

donde Iα es la intensidad luminosa bajo el ángulo a. Prácticamente, sólo se considera la iluminancia normal de un punto en el caso que éste se encuentre situado en la vertical de la fuente sobre el plano horizontal (punto M1), por lo que la fórmula anterior se convierte en: ΕN =

Ι

(lx)

h2

y también cuando está situado en línea recta con la fuente sobre el plano vertical (punto M2), siendo la iluminancia: ΕN =

Ι

(lx)

a2

Iluminación horizontal Si aplicamos directamente la ley del coseno, tenemos que: ΕH = ΕN · cos α =

Ια d2

· cos α

(lx)

Esta expresión la podemos expresar en relación con la altura h que existe entre la fuente F y el punto M (d = h / cosα): ΕH =

Ια h2

· cos3 α

(lx)

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61


Iluminación vertical En este caso también aplicamos directamente la ley del coseno, y obtenemos que: ΕV = ΕN · cos β

(lx)

Entre los ángulos α y β existe una relación sencilla, ya que ambos pertenecen a un triángulo rectángulo. α + β + 90° = 180°

β = 90° - α

c

Aplicando relaciones trigonométricas: cosβ = cos(90° - α) = cos90° · cosα + sen90° · senα Por lo tanto, cosβ = senα. Sustituimos este valor en la expresión y obtenemos que: ΕV = ΕN · sen α ΕV =

Ια d2

(lx)

· sen α

(lx)

Podemos expresar la ecuación en función de la altura h que existe entre la fuente F y el punto M. ΕV =

Ια h2

· cos2 α · sen α

(lx)

Iluminación en planos inclinados El plano vertical puede cambiar a través de un ángulo como el que aparece en la Fig. 4. Dicho ángulo es el que forma el plano vertical que contiene al punto P con el plano de incidencia de la luz.

I h

α γ

P

Figura 4. Iluminancia en el punto P. Teniendo esto en cuenta, la expresión anterior se transforma en: ΕPI =

Ια h2

· cos2 α · sen α · cos γ

(lx)

h es la altura vertical de la fuente de luz sobre el plano horizontal que contiene al punto P.

6.4. Relaciones de iluminancia Se han propuesto diferentes conceptos para describir la luz que proviene de otras direcciones que la vertical, entre los que se incluyen los que vamos a ver a continuación. Éstos se deben considerar como parámetros de confort junto con otros como el nivel de iluminación (iluminancia).

Vertical / Horizontal La experiencia obtenida de las instalaciones de alto nivel de iluminación con un buen control del deslumbramiento, indica que la relación entre la iluminancia vertical (EV) y la iluminancia horizontal (EH) para un buen modelado* no debe ser inferior a 0´25 en las principales direcciones de la visión. ΕV ΕH

≥ 0’25

* Modelado: Habilidad de la luz para revelar la textura y forma tridimensional de un objeto creando juegos de luces y sombras.

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Vectorial / Esférica Los efectos de la iluminación direccional se pueden describir en parte por la iluminancia vectorial y la relación entre la iluminancia vectorial y la esférica. El vector iluminancia Ε en un punto tiene una magnitud igual a la diferencia máxima en iluminancia sobre elementos de superficie diametralmente opuestos en un pequeño disco (Fig. 5) ubicados en un punto, siendo su dirección del elemento de mayor iluminancia hacia el de menor iluminancia.

Ef

Er E Figura 5. Vector ilumanacia E = Ef – Er. La media esférica en un punto es la iluminancia media sobre toda la superficie de una pequeña esfera ubicada en dicho punto (Fig. 6).

Es Figura 6. Iluminancia media esférica ES. La intensidad direccional de la iluminación se puede indicar por el índice de modelado dado por la relación entre la iluminancia vectorial y la iluminancia esférica media: Ε ΕS Si la medimos utilizando una esfera de radio r que recibe un haz de luz con flujo luminoso F, esta es: ΕS =

Φ 4 · π · r2

La iluminancia E en un elemento de la superficie de radio r es: Ε=

Φ π · r2

j En una habitación con luz difusa y con piso, paredes y cielorraso con reflexión difusa, tenemos que Ε j 0 (es decir, no existen j sombras). Bajo estas condiciones, el índice de modelado es Ε / Ε sj 0. En cambio, en una habitación completamente oscura donde

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j la luz proviene de una sola dirección (por ejemplo la luz del Sol), Ε = Ε (es decir, sombras oscuras). Bajo estas condiciones, el índice j de modelado es Ε / Ε = Ε / Ε s = 4. Por lo tanto, el índice de modelado puede tener valores entre 0 y 4. j El vector Ε debe tener una dirección descendente (preferentemente entre 45° y 75° a la vertical) para obtener una apariencia natural de las facciones humanas.

Cilíndrica / Horizontal Un concepto alternativo para describir el efecto de modelado es la relación entre iluminancia cilíndrica y la iluminancia horizontal en un punto. La iluminancia cilíndrica media Ε C en un punto es la iluminancia media sobre la superficie curva de un pequeño cilindro ubicado en el punto (Fig. 7). Salvo indicación contraria, el eje del cilindro debe ser vertical.

EC Figura 7. Iluminacia cilíndrica media EC. La iluminancia cilíndrica en un punto es igual a la iluminancia vertical media en todas las direcciones en dicho punto. Se logra un buen modelado cuando la relación es : 0'3 ≤

ΕC ΕH

≤3

Cabe destacar que en general la dirección es tomada en cuenta automáticamente, por lo tanto no se necesita especificarla adicionalmente, como en el caso de la relación vectorial / esférica: cuando la luz proviene directamente de arriba, ΕC = 0 y ΕC / ΕH = 0; cuando la luz es horizontal, ΕH = 0 y ΕC / ΕH j q.

Vertical / Semicilíndrica Las pruebas que se han llevado a cabo relacionadas con la iluminación de áreas exteriores para peatones (con niveles de iluminación bajos) han demostrado que la relación entre la iluminancia vertical y la semicilíndrica proporciona una media útil de aceptación de modelado de las facciones humanas, para esta área de aplicación. La iluminancia semicilíndrica Εsemincil en un punto en una dirección horizontal dada es la iluminancia media sobre una superficie curva de un semicilindro pequeño vertical ubicado en dicho punto con una superficie curva enfocada a la dirección especificada (Fig. 8).

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Esem Figura 8. Iluminancia semicilíndrica. La iluminación de relieve bien equilibrada (ni muy chata ni muy dura) se obtiene a: 0’8 ≤

ΕV Εsemincil

≤ 1’3

Las relaciones extremas son: Cero

modelado muy duro.

(π/2) = 1´57

modelado muy chato.

6.5. Ley de Lambert Existen superficies emisoras o difusas que al observarlas desde distintos ángulos se tiene la misma sensación de claridad. A estas superficies se las denomina emisores o difusores perfectos. Si L0 es la luminancia según la normal y Lα la luminancia según el ángulo de observación α, se verifica que Lα = L0 para cualquier ángulo α. Como L0 =

Ι0 S

y Lα =

Ια S · cos α

, se cumple la ecuación: Ια = Ι0 · cosα

Esta relación se conoce como Ley de Lambert y sólo la cumplen los emisores o difusores perfectos.

N

Lo Lα Io

Iα

α

Superficie Figura 9. Invariabilidad de la luminancia con el ángulo de incidencia.

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Capítulo 7.

LUMINARIAS

7.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2.

Clasificación de luminarias por el grado de protección eléctrica . . . . . 70

7.3.

Clasificación de luminarias por condiciones operativas . . . . . . . . . . . . 70

7.4.

Grado de inflamabilidad de la superficie de montaje . . . . . . . . . . . . . 71

7.5.

Clasificación de las luminarias por sus condiciones de servicio . . . . . 72

7.6.

Datos básicos fotométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.7.

Eficiencia de las luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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Capítulo 7. LUMINARIAS

7.1. Generalidades Debido a la muy alta luminancia de las lámparas, es preciso aumentar la superficie aparente de emisión para evitar molestias visuales (deslumbramientos). Por otro lado, es necesario apantallar las lámparas para protegerlas de los agentes exteriores y para que dirijan el flujo en la forma más adecuada a la tarea visual. De esta forma, los distintos estudios e investigaciones contemporáneos le dan una importancia capital al conjunto formado por la lámpara y la luminaria. Según la Norma UNE-EN 60598-1*, se 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. Elementos generales Con independencia de otras definiciones que puedan ser más o menos descriptivas, podríamos definir la luminaria como un objeto formado por un conjunto de elementos destinados a proporcionar una adecuada radiación luminosa de origen eléctrico. La materialización de esos elementos pasa en cada caso por la conjunción entre un buen diseño formal y una razonable economía de medios. Al primero corresponde resolver el control luminoso según las necesidades, que es el fin primordial; un control térmico que haga estable su funcionamiento; y un control eléctrico que ofrezca las debidas garantías al usuario. Al segundo corresponde prever un producto de fabricación sólida y eficaz; una relativa sencillez en su instalación; y un mínimo mantenimiento durante su uso. En cuanto a los elementos genéricos más característicos, cabe mencionar la carcasa o armadura, el equipo eléctrico, el reflector, la celosía o difusor y el filtro. Todos ellos definen, al mismo tiempo, otras tantas clasificaciones que veremos posteriormente. 1. Armadura o carcasa: Es el elemento físico mínimo que sirve de soporte y delimita el volumen de la luminaria conteniendo todos sus elementos. Por este concepto pueden distinguirse varios tipos: - Para interiores o exteriores. - De superficie o empotradas. - Suspendidas o de carril. - De pared, para brazo o sobre columna. - Abierta, cerrada o estanca. - Para ambientes normales o de riesgo (de corrosión o explosión). 2. Equipo eléctrico: Sería el adecuado a los distintos tipos de fuentes de luz artificial y en función de la siguiente clasificación: - Incandescentes normales sin elementos auxiliares. - Halógenas de alto voltaje a la tensión normal de la red, o de bajo voltaje con transformador o fuente electrónica. - Fluorescentes. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrónicos de encendido y control. - De descarga. Con reactancias o balastos, condensadores e ignitores, o conjuntos electrónicos de encendido y control. 3. Reflectores: Son determinadas superficies en el interior de la luminaria que modelan la forma y dirección del flujo de la lámpara. En función de cómo se emita la radiación luminosa pueden ser: - Simétrico (con uno o dos ejes) o asimétrico. - Concentrador (haz estrecho menor de 20º) o difusor (haz ancho entre 20 y 40º; haz muy ancho mayor de 40º). - Especular (con escasa dispersión luminosa) o no especular (con dispersión de flujo). - Frío (con reflector dicroico) o normal. 4. Difusores: Elemento de cierre o recubrimiento de la luminaria en la dirección de la radiación luminosa. Los tipos más usuales son: - Opal liso (blanca) o prismática (metacrilato traslúcido). - Lamas o reticular (con influencia directa sobre el ángulo de apantallamiento). - Especular o no especular (con propiedades similares a los reflectores). 5. Filtros: En posible combinación con los difusores sirven para potenciar o mitigar determinadas características de la radiación luminosa.

* La Norma UNE-EN 60598-1 adopta la Norma Internacional CIE 598-1.

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7.2. Clasificación de luminarias por el grado de protección eléctrica Las luminarias deben asegurar la protección de las personas contra los contactos eléctricos. Según el grado de aislamiento eléctrico, las luminarias pueden clasificarse como: Clase 0: Luminaria con aislamiento funcional, pero sin aislamiento doble ni reforzado en su totalidad y sin conexión a tierra. Clase I: Luminaria con al menos aislamiento funcional en su totalidad y con el terminal o contacto de conexión a tierra. Clase II: Luminaria con aislamiento doble y/o aislamiento reforzado en su totalidad y sin provisión para descarga a tierra. Clase III: Luminaria diseñada para ser conectada a circuitos de voltaje extra-bajo, y que no tiene circuitos, ni internos ni externos, que operen a un voltaje que no sea el extra-bajo de seguridad.

7.3. Clasificación de luminarias por condiciones operativas El sistema IP (International Protection – Protección Internacional) fijado por la UNE-EN 60598 clasifica las luminarias de acuerdo con el grado de protección que poseen contra el ingreso de cuerpos extraños, polvo y humedad. El término cuerpos extraños incluye aquellos elementos herramientas y dedos que entran en contacto con las partes que llevan energía. La designación para indicar los grados de protección consiste en las letras características de IP seguidas por dos números (tres números en Francia) que indican el cumplimiento de las condiciones establecidas en las tablas 1., 2. y 3. El primero de estos números es una indicación de la protección contra el ingreso de cuerpos extraños y polvo, el segundo número indica el grado de sellado para evitar el ingreso de agua, mientras que el tercer número en el sistema francés indica el grado de resistencia a los impactos. Primer número característico

Breve descripción

Símbolo

0

No protegida.

No tiene

1

Protegida contra objetos sólidos mayores de 50 mm.

No tiene

2

Protegida contra objetos sólidos mayores de 12’5 mm.

No tiene

3

Protegida contra objetos sólidos mayores de 2’5 mm.

No tiene

4

Protegida contra objetos sólidos mayores de 1 mm.

No tiene

5

Protegida contra polvo.

6

Hermética al polvo. Tabla 1. Clasificación EN-60598 por grado de protección contra polvo (1ª cifra).

Segundo número característico

Breve descripción

0

No protegida.

1

Protegida contra gotas de agua en caída vertical.

2

Protegida contra caída de agua verticales con una inclinación máxima de 15º de la envolvente.

3

Símbolo No tiene

No tiene

Protegida contra el agua en forma de lluvia fina formando 60º con la vertical como máximo.

4

Protegida contra proyecciones de agua en todas las direcciones.

5

Protegida contra chorros de agua en todas las direcciones.

6

Protegida contra fuertes chorros de agua en todas

. las direcciones. 7

Protegida contra efectos de inmersión temporal en agua.

8

Protegida contra la inmersión continua en agua. Tabla 2. Clasificación EN-60598 por grado de protección contra el agua (2ª cifra).

70

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No tiene -m


Tercera cifra del código Esta cifra hace referencia a ensayos mecánicos a choque. En la siguiente tabla se indican las cifras características con una breve descripción. Tercer número característico

Breve descripción

Símbolo

0

Ninguna protección

No tiene

1

Protección contra un impacto de 0´225 J. de energía

No tiene

3

Protección contra un impacto de 0´5 J. de energía

No tiene

5

Protección contra un impacto de 2 J. de energía

No tiene

7


No tiene

9


No tiene

Tabla 3. Clasificación EN-60598 contra impactos mecánicos. En lugar de esta tercera cifra, también es de aplicación la Norma EN-50102 sobre “Grados de Protección proporcionados por las envolventes de materiales eléctricos contra impactos mecánicos externos (código IK)”. En dicha Norma, el grado de protección proporcionado por una envolvente contra los impactos se indica mediante el código IK de la siguiente forma: - Letras del código (protección mecánica internacional): - Grupo de cifras características:

IK

De 00 a 10

Cada grupo de cifras características representa un valor de la energía de impacto, cuya correspondencia se presenta en la Tabla 4. Código IK

IK00

Ik01

IK02

IK03

IK04

IK05

IK06

IK07

IK08

IK09

IK10

Energía de impactos en Julios.

*

0,15

0,2

0,35

0,5

0,7

1

2

5

10

20

Tabla 4. Correspondencia entre código IK y la energía de impacto. Generalmente, el grado de protección se aplica a la envolvente en su totalidad. Si algunas partes de esta envolvente tienen grados de protección diferentes, éstos deben indicarse por separado.

7.4. Grado de inflamabilidad de la superficie de montaje Las luminarias no pueden ser montadas sobre cualquier superficie conveniente. La inflamabilidad de esa superficie y la temperatura del cuerpo de la luminaria imponen ciertas restricciones al respecto. Naturalmente, si la superficie es no-combustible, no existe ningún problema. A los fines de la clasificación, la EN-60598 define a las superficies inflamables como normalmente inflamables o fácilmente inflamables. La clasificación normalmente inflamable hace referencia a aquellos materiales cuya temperatura de ignición es de al menos 200 ºC y que no se debilitan ni deforman a esa temperatura. La clasificación fácilmente inflamable hace referencia a aquellos materiales que no pueden ser clasificados como normalmente inflamables o no-combustibles. Los materiales de esta categoría no pueden ser utilizados como superficie de montaje para luminarias. El montaje suspendido es la única alternativa en estos casos. En la Tabla 5 se puede observar la clasificación de montaje que se ha hecho sobre la base de estos requerimientos. Clasificación Luminarias adecuadas para montaje directo sólo sobre

Símbolo Sin símbolo, sólo se requiere una nota de advertencia.

superficies no combustibles. Luminarias adecuadas para montaje directo sobre superficies normalmente inflamables.

F

Sobre la placa de tipo.

Tabla 5. Clasificación de la EN-60598 para montaje de luminarias.

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71


7.5. Clasificación de las luminarias por sus condiciones de servicio Por sus condiciones de servicio, las luminarias se pueden clasificar en los siguientes tipos:

7.5.1. Luminarias para instalaciones de iluminación interior Entendemos que dentro de este grupo están las luminarias destinadas a la iluminación de locales y naves dedicadas a centros comerciales, industrias, oficinas, edificios docentes, instalaciones deportivas cubiertas, etc. Por lo tanto, este tipo de alumbrado trata de dotar de la iluminación adecuada a aquellos lugares donde se desarrolla una actividad laboral o docente. Las luminarias para la iluminación general de interiores se encuentran clasificadas por la C.I.E. de acuerdo con el porcentaje de flujo luminoso total distribuido por encima y por debajo del plano horizontal. Clase de luminaria

% distribución del flujo hacia arriba

% distribución del flujo hacia abajo

00 - 010

90 - 100

Semi-directa

10 - 040

60 - 090

Directa-indirecta

40 - 060

40 - 060

General difusa

40 - 060

40 - 060

Semi-indirecta

60 - 090

10 - 040

Indirecta

90 - 100

00 - 010

Directa

Tabla 6. Clasificación C.I.E. para luminarias de iluminación general de interiores.

Directa

Semi-directa

General-difusa

0~10%

10~40%

40~60%

90~100%

60~90%

40~60%

Directa-indirecta

Semi-indirecta

Indirecta

40~60%

60~90%

90~100%

40~60%

10~40%

0~10%

Figura 1. Clasificación de luminarias según la radiación del flujo luminoso. A su vez, con respecto a la simetría del flujo emitido, se puede hacer una clasificación en dos grupos: 1)

Luminarias de distribución simétrica: Aquellas en las que el flujo luminoso se reparte de forma simétrica respecto al eje de simetría y la distribución espacial de las intensidades luminosas se puede representar en una sola curva fotométrica.

2)

Luminarias de distribución asimétrica: Son aquellas en las que el flujo luminoso se distribuye de forma no simétrica respecto al eje de simetría y la distribución espacial de las intensidades luminosas se expresa mediante un sólido fotométrico o, parcialmente, con una curva plana de dicho sólido según diversos planos característicos.

Información fotométrica que acompaña a las luminarias para iluminación interior Curvas de distribución polar Estas curvas generalmente se suelen representar para el sistema de coordenadas C-. Como existen infinitos planos, se dan en general tres planos C representados, que son:

72

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- El plano C = 0°. - El plano C = 45°. - El plano C = 90°. Las curvas de distribución polar están en las unidades de cd por 1.000 lúmenes de flujo emitido por lámpara y se representa por cd/1.000 lm o cd/Klm. (Fig. 2).

C=90° 0

C=45° 200

100

C=0° 300

400

Cd/Klm

80° 70°

60°

50° GM=0

10°

20°

30°

40°

Figura 2. Diagrama polar en el sistema C-γ. Diagrama de flujo zonal Estos diagramas nos indican el flujo recibido por la superficie a iluminar directamente desde la luminaria en función del ángulo γ. La obtención de este diagrama se basa en la creación de conos cuyos ejes coinciden con el vertical de la luminaria y los ángulos de generatriz con este eje son los ángulos γ. El tanto por ciento de luz recogido por cada uno de estos conos es lo que se representa en el diagrama (Fig. 3).

100% 80% 60% 40% 20% GM=0

20°

40°

60°

80°

100°

120°

140°

160°

180°

Figura 3. Diagrama de Flujo Zonal. Para luminarias concentradoras, a partir de ángulos pequeños se obtendrá un alto porcentaje de flujo, por lo que el diagrama inicialmente mostrará una curva de gran pendiente en los primeros ángulos y a partir de un cierto ángulo se mantiene prácticamente paralela al eje de abcisas. Esto es debido a que casi la totalidad del flujo se distribuye en ángulos pequeños, es decir, se concentra en un pequeño rango de ángulos.

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73


Para luminarias dispersoras el diagrama mostrará una curva de pendiente más atenuada, ya que el flujo varía poco a poco a medida que aumentamos el ángulo. Diagrama de deslumbramiento Estos diagramas se basan en el Sistema de protección del deslumbramiento de la C.I.E. Las curvas que representan estos diagramas son de limitación de la luminancia. Dichas curvas abarcan una escala de índices de deslumbramiento (clases de calidad desde A a la E marcadas por la C.I.E.) y diferentes valores de iluminancia de servicio standard. Se deben utilizar dos diagramas que dependen del tipo de luminaria y de la orientación según la visión. La limitación de luminancia requerida depende del tipo de orientación de la luminaria, del ángulo de apantallamiento, del grado de aceptación o clase de calidad, y del valor de la iluminancia en servicio. En la Fig. 4a y 4b se muestran los diagramas de las curvas de luminancia para la evaluación del deslumbramiento directo. El diagrama 1 es para aquellas direcciones de la visión paralelas al eje longitudinal de cualquier luminaria elongada y para luminarias que no poseen paneles luminosos laterales observadas desde cualquier dirección. El diagrama 2 es para aquellas direcciones de visión en ángulos rectos al eje longitudinal de cualquier luminaria con paneles luminosos laterales. Se define: - Laterales luminosos: Una luminaria posee laterales luminosos si tiene un panel lateral luminoso con una altura de más de 30 mm. - Elongada: Una luminaria es elongada cuando la relación entre la longitud y el ancho del área luminosa es superior a 2:1.

C=90

C=90 C=0 C=180 C=270

C=270

85

a

b

c

d

e

f

g

h

GM

8 6 4

75

3 a/h

65

2

55

45

3

9 10 G 1.15 1.50 1.85 2.20 2.55

2

3

Calidad A B C D E

4

5

2

6 7 8 9 10 Cd/m

1000 2000

b

500 1000 2000

c

=<300 500 1000 2000

d

=<300 500 1000 2000

=<300 500 1000

e

f

Figura 4a. Diagramas de deslumbramiento.

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1

3

Valores de Iluminancias en Servicio E (lx) 2000

a

74

2

=<300 500

g

=<300

h


G

Calidad


A B C D E

1.15 1.50 1.85 2.20 2.55

1000 2000

a

85

ab c

d

e

500 1000 2000

b

f

c

g

=<300 500 1000 2000

d

=<300 500 1000 2000

=<300 500 1000

e

f

=<300 500

g

=<300

h

h 8 6

GM

4

75

3 a/h

65

2

55

45

3

9 10

2

3

4

5

6 7 8 9 10

2

Cd/m

2

3

1

C=0 C=180

Figura 4b. Diagramas de deslumbramiento. Al utilizar los diagramas de la Fig. 4a y 4b se debe considerar la distribución de la luminancia de la luminaria en dos planos verticales: el plano C0 – C180 paralelo al eje del interior, la distribución de la luminancia de la luminaria en dicho plano se utiliza para controlar la limitación del deslumbramiento en la dirección longitudinal de la habitación, y la distribución de la luminaria en el plano C90 – C270 se utiliza para verificar la limitación del deslumbramiento en la dirección transversal al lugar a iluminar. Cuando las luminarias se montan con el plano C90 – C270 paralelo al eje longitudinal del interior, dicho plano se debe utilizar para verificar la limitación del deslumbramiento en la dirección longitudinal del lugar, y la distribución de la luminancia en el plano C0 – C180 para evitar la limitación del deslumbramiento en el sentido transversal del lugar. Para luminarias elongadas el plano C90 – C270 se elige coincidente con (o paralelo a) el eje longitudinal de la/s lámpara/s. Cuando dicho plano es paralelo a la dirección de la visión percibida se dice que la misma es longitudinal, en cambio cuando el plano C90 – C270 está en ángulos rectos a la dirección de la visión, se considera que la visión es transversal. Estos diagramas se usan generalmente para luminarias de iluminación interior.

7.5.2. Luminarias para instalaciones de iluminación pública Dentro de este tipo grupo tenemos luminarias de parques y jardines así como las de iluminación pública viaria. Para las primeras, son instalaciones típicas, como su nombre indica, parques, jardines, zonas residenciales, etc. En el segundo tipo tenemos vías urbanas, autopistas, túneles, etc. La C.I.E. ha introducido un nuevo sistema para la clasificación de las luminarias para iluminación de viales y así sustituir al sistema que introdujo en el año 1965, en el que se hacía la clasificación cut-off, semi-cut-off y non-cut-off. No obstante, el antiguo sistema sigue siendo utilizado en ciertas recomendaciones nacionales para la iluminación de viales. En la Tabla 7 mostramos el sistema antiguo.

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75


Dirección de la

Tipo de

Valor máximo permitido de intensidad

Valor máximo permitido de intensidad

luminaria

emitida a un ángulo de elevación de 80°

emitida a un angulo de elevación de 90°

Cut – off

30 cd / 1.000 lm

10 cd / 1.000 lm*

65°

Semi cut – off

100 cd / 1.000 lm

50 cd / 1.000 lm*

76°

Non cut – off

Cualquiera

intensidad máxima menor de

-

Tabla 7. Clasificación de la C.I.E. de 1965.

0°

0°

195 cd

130 cd

65 cd

65 cd

130 cd

195 cd

195 cd

Non cut-off 130 cd

65 cd

65 cd

130 cd

195 cd

195 cd

130 cd

Semi cut-off 65 cd

65 cd

130 cd

195 cd

Cut-off

0°

Figura 5. Ejemplos de curvas fotométricas con su clasificación. La nueva clasificación de luminarias de la C.I.E. que reemplaza a la anterior se basa en tres propiedades básicas de las luminarias: 1. La extensión a la cual la luz de la luminaria se distribuye a lo largo de un camino: El “alcance” de la luminaria. 2. La cantidad de diseminación lateral de la luz, a lo ancho de un camino: La “apertura”. 3. El alcance de la instalación para controlar el deslumbramiento producido por la luminaria: El “control” de la luminaria. El alcance está definido por el ángulo γmax que forma el eje del haz con la vertical que va hacia abajo. El eje del haz está definido por la dirección de la bisectriz del ángulo formado por las dos direcciones de 90% Ιmax en el plano vertical de intensidad máxima.

195 cd

130 cd

65 cd

65 cd

130 cd

195 cd

Cut-off

Eje del haz γ max

90% Imax

I max

γ

0° Figura 6. Curva polar de intensidad en el plano que contiene la intensidad luminosa máxima, que indica el ángulo utilizado para la determinación del alcance. Se definen tres grados de alcance de la manera siguiente: γmax < 60°

: alcance corto.

70° ≥ γmax ≥ 60°

: alcance medio.

γmax > 70°

: alcance largo.

* Hasta un valor máximo absoluto de 1.000 cd.

76

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La apertura o dispersión está definida por la posición de la línea, que corre paralela al eje del camino y que apenas toca el lado más alejado del 90% Imax en el camino. La posición de esta línea está definida por el ángulo γ90. Los tres grados de apertura se definen de la siguiente manera: γ90 < 45°

: apertura estrecha.

55° ≥ γ90 ≥ 45°

: apertura media.

γ90 > 55°

: apertura ancha.

γ 90

h

1h 2h 90% Imax 3h

4h

Figura 7. Apertura o dispersión. Tanto el alcance como la apertura de una luminaria pueden ser mejor determinados a partir de un diagrama de isocandela en la proyección azimutal (Fig. 8).

C

γmax 90% Imax

γ

γ90

Figura 8. Diagrama de isocandela relativo en proyección azimutal (sinusoidal), que indica los ángulos γmax e γ90 utilizados para la determinación de la apertura y alcance. En la Fig. 9 se indica sobre un plano del camino, la cobertura dada por los tres grados de alcance y apertura en términos de la altura de montaje de la luminaria (h).

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77


El control está definido por el índice específico de la luminaria, SLI de la luminaria. Este es parte de la fórmula G de control del deslumbramiento molesto que está determinado sólo por las propiedades de la luminaria. SLI = 13,84 - 3,31 . log(I80) + 1,3 . log

( ) I80 I88

0,5

- 0,08 . log

( )

I80 + 1,29 . log(F) + C I88

donde: I80 = Intensidad luminosa a un ángulo de elevación de 80°, en un plano paralelo al eje de la calzada (cd). I80 = Relación entre intensidades luminosas para 80° y 88°. I88 F = Área emisora de luz de las luminarias (m2) proyectadas en la dirección de elevación a 76°. C = Factor de color, variable de acuerdo al tipo de lámpara (+0´4 para sodio baja presión y 0 para las otras).

55°

h

60° 45° 70°

(90% Imax)

Corto

1,7h 2,7h

1h

1,4 h

Medio

Largo Estrecha

Media

Ancha

Apertura

γmax Figura 9. En esta figura se muestra los tres grados de alcance y apertura definidos por la C.I.E., donde “h” es la altura de montaje de la luminaria. En el caso del control, también se recomiendan tres grados, que son los siguientes: SLI < 2

: control limitado.

4 ≥ SLI ≥ 2

: control moderado.

SLI > 4

: control estricto.

En la siguiente tabla ofrecemos resumidas las definiciones anteriores de la C.I.E. Alcance Corto γmax < 60° Medio 70° ≥ γmax ≥ 60° Largo γmax > 70°

Apertura

Control

Estrecha γ90 < 45°

Limitado SLI < 2

Media 55° ≥ γ90 ≥ 45°

Moderado 4 ≥ SLI ≥ 2

Ancha γ90 > 55°

Estricto SLI > 4

Tabla 8. Sistema de clasificación de la C.I.E. de propiedades fotométricas de luminarias.

78

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Información fotométrica que acompaña a las luminarias de iluminación viaria Diagramas de curvas de distribución polar Estas curvas generalmente se suelen representar para el sistema de coordenadas C-γ. Como existen infinitos planos, se dan en general tres planos C representados, que son: - El plano transversal (C = 90° y 270°). Este plano sería, en una luminaria para iluminación viaria, perpendicular al eje de la carretera. - El plano longitudinal (C = 0° y 180°). Este plano sería, en una luminaria para iluminación viaria, paralelo al eje de la carretera. - El plano en el que se encuentra la intensidad máxima. Este plano generalmente es denominado plano vertical principal. Las curvas de distribución polar están definidas en cd por 1.000 lúmenes de flujo emitido por lámpara y se representa por cd/1.000 lm o cd/Klm. PLANO TRANSVERSAL (C=90-270) -90

320

240

160

80

PLANO LONGITUDINAL (C=0-180) 0

100

200

300

400

PLANO VERTICAL PRINCIPAL 0

90

100

200

300

400

90

-80

80

80

-70

70

70

-60

60

60

-50

50

50

-40

-30

-20

-10 GM=0 10

20

30

40

GM=0 10

30

20

40

C=20.0

Figura 10. Diagrama polar en el sistema C-. Diagramas isocandela Consiste en imaginar que la luminaria está en el centro de una esfera en cuya superficie exterior se unen los puntos de igual intensidad por una línea. Las superficies iguales en este diagrama representan ángulos sólidos. Por esta razón el diagrama puede ser utilizado para calcular el flujo luminoso para una zona dada, multiplicando el área por la intensidad luminosa (teniendo en cuenta la escala a la que está representada el diagrama). Si la luminaria está instalada con un ángulo de inclinación δ, los trazos tiene que ser girados alrededor del centro en un ángulo δ para deducir las nuevas coordenadas C-γ. Las líneas rectas desde el centro representan líneas paralelas al eje de la calzada. 280 290 300 310

-90

-80

320

330

340 350

C=0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

80

1 5 10

90

-70

60 40 80

70

20 30

-60

60

-50 60

-40

50

40 -30

30 -20 -10

GM=0

10

20 I =100% max

Figura 11. Diagrama isocandela en proyección acimutal.

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79


Diagrama de curvas de isoluminancia Estos diagramas se suelen utilizar para alumbrado público. Esto es debido a que las recomendaciones para alumbrado público no se limitan solamente a la luminancia media requerida en la superficie de la calzada, sino que también se dan líneas-guía para su uniformidad (relación entre Lmax y Lmin). Tales cálculos son posibles con la ayuda del diagrama isoluminancia (Fig 12). OBSERVADORES: A, B Y C A

B

h

6h

5h

4h

LADO ACERA

3h 1

2h

h

0

h

2h

40 50 60

0

3h

20 30

5

5

70

80

50

C

h 10 5

2h

LADO CALZADA Calzada R2 Qo = 0.07

3h

1

Lmax=100% fl=0.152

Figura 12. Diagrama de isoluminancias. En el diagrama aparecen las letras A, B y C que indican tres posiciones del observador que se utilizan en los diagramas de rendimientos de luminancias. Diagrama de curvas isolux o isoiluminancia En la práctica, en los proyectos de alumbrado se desea, en muchos casos, conocer las iluminancias sobre la superficie de la carretera y la distribución total de estas iluminancias. Con el fin de facilitar la determinación de estos datos en una instalación, las hojas fotométricas nos dan las curvas relativas isolux para cada luminaria sobre un plano iluminado.

h

LADO ACERA 5

30 40

0

20 80

60 50

70

10

h

5

2h 1

3h

1

LADO CALZADA 6h

5h

4h

3h

2h

h

0

h

2h

3h

Emax=100% fl=0.154 Figura 13. Diagrama isolux sobre la superficie a iluminar. Los valores de cada línea isolux se dan en porcentajes de Emáx; la más alta alcanza el 100%. La cuadrícula sobre la cual están dibujadas las líneas isolux está dimensionada en términos de la altura de montaje h de la luminaria.

80

LUMINOTECNIA 2002


Debajo del diagrama se indica un factor para la luminaria en uso (). La iluminancia máxima se calcula mediante la siguiente expresión: ϕ.Φ

Εmax =

h2

donde: ϕ = factor de la luminaria en uso. Φ = flujo luminoso de la lámpara. h = interdistancia entre luminarias. Rendimiento en luminancias Estos diagramas se usan para el cálculo de la luminancia media en la superficie de la calzada de una instalación de alumbrado público. Si la clase de reflexión del pavimento se conoce se usará el diagrama correspondiente. Los diagramas de rendimiento de luminancia se dibujan en unidades de altura de montaje de la luminaria y por esta razón son útiles para usos gráficos directos.

0.6

C 0.5

B A

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 h

2h

3h

0°

270°

C=90°

180°

h

Figura 14. Rendimiento en luminancias respecto a tres observadores. Su manejo es igual que las curvas del factor de utilización, excepto que la posición del observador es importante. Por esto las curvas se dan para tres posiciones del observador: A, B y C. - A: Observador ubicado sobre el lado de la acera a una distancia h de la fila de luminarias. - B: Observador ubicado en línea con la fila de luminarias. - C: Observador ubicado sobre el lado del camino a una distancia h de la fila de luminarias.

LUMINOTECNIA 2002

81


Para otras posiciones es necesario interpolar. La luminancia media se calcula por la siguiente fórmula: Lmax =

ηL . Φ . Qo w .s

donde: ηL = factor de rendimiento de la luminancia. Φ = flujo luminoso de la lámpara. QO = coeficiente de luminancia media. w = ancho del camino. s = interdistancia entre la luminarias. Factores de utilización En el alumbrado de caminos se define el factor de utilización (h) como la fracción del flujo luminoso proveniente de una luminaria que efectivamente alcanza el camino. Las curvas del factor de utilización que se dan en las hojas de información fotométrica, nos ofrecen un método simple para calcular la iluminación media, la cual puede ser determinada para una cierta sección transversal de la carretera. η=

Φutilizado Φlámpara

Las curvas del factor de utilización para una luminaria se dan como una función de las distancias transversales, medidas en términos de h (altura de montaje) sobre la superficie del camino, desde el centro de la luminaria hasta cada una de las dos curvas (Fig. 15). Lado acera

Lado calzada

0.6 0.5 0.4

η

0.3 0.2 0.1 0.0 h

2h

3h

0°

270°

C=90°

180°

h

Figura 15. Factor de utilización como función de h. La forma más fácil y rápida de calcular la iluminancia media de un camino recto de longitud infinita es utilizando las curvas del factor de utilización: Εmed = donde: η = factor de utilización. Φ = flujo luminoso de la lámpara. n = número de lámparas por luminaria. w = ancho del camino. s = interdistancia entre la luminarias.

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η.Φ.n w .s


Los diagramas polares se suelen usar para luminarias de: - Alumbrado público. - Alumbrado de parques y jardines.

7.5.3. Luminarias para instalaciones de iluminación por proyección Dentro de este tipo podemos encuadrar las destinadas a instalaciones deportivas cubiertas y al aire libre, fachadas, áreas de trabajo, áreas de vigilancia, etc. Un proyector es una luminaria que concentra la luz en un ángulo sólido determinado por un sistema óptico (espejos o lentes), para conseguir una intensidad luminosa elevada. Las lámparas utilizadas para la iluminación con proyectores van desde lámparas con reflectores de vidrio prensado y lámparas halógenas hasta lámparas de mercurio de alta presión, lámparas de halogenuros metálicos y lámparas de sodio de alta y baja presión. Todas vienen en varios voltajes y cada una proporciona un tipo y cantidad especial de luz, efectos de color y eficiencia. El montaje, cambio de lámparas y limpieza generalmente deben ser realizados a una altura considerable sobre el nivel del suelo, por lo tanto es necesario un diseño ergonómico de la luminaria para que estas operaciones resulten lo más fáciles posibles. Desde el punto de vista de la distribución de luz, los proyectores se agrupan en tres grupos básicos: con simetría, de rotación simétricos y asimétricos. Los proyectores también se clasifican de acuerdo con la apertura de su haz, como se observa el la Tabla 9. La apertura del haz de un proyector (o ángulo de haz) se define como el ángulo, en un plano que contiene al eje del haz, sobre el cual la intensidad luminosa disminuye hasta un porcentaje determinado (generalmente 50% o 10%) de su valor pico (Fig. 16). Apertura del haz (al 50% Ιmax)

Descripción Haz estrecho

< 20°

Haz medio

20° a 40°

Haz ancho

> 40°

Tabla 9. Clasificación de la apertura del haz.

50% I max

β

Imax

Apertura del haz

50% I max Figura 16

Para un proyector con distribución de la intensidad de la luz rotacionalmente simétrica (es decir, una distribución que permanece sin cambios independientemente del plano que contiene al eje del haz que se considere) se puede establecer una cifra para la apertura del haz, por ejemplo 28° a ambos lados del eje del haz. En los casos de distribución asimétrica, como la proporcionada por los proyectores rectangulares, se dan dos cifras: por ejemplo 6°/24°, ya que el haz se disemina en los dos planos mutuamente perpendiculares de simetría (vertical y horizontal respectivamente). En ocasiones, la distribución en el plano vertical de dichos proyectores es asimétrica con relación al eje del haz. En ese caso, se dan dos cifras para la apertura del haz en este plano: por ejemplo 5º - 8º/24º, esto es 5º por encima y

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8º por debajo del eje del haz y en el plano horizontal 12º a la izquierda y 12º a la derecha del haz. Información fotométrica que acompaña a los proyectores Diagrama cartesiano Estos diagramas son los obtenidos en las fotometrías realizadas sobre proyectores, ya que nos facilitan la información para poder clasificar a los mismos por su apertura de haz. Se representan generalmente bajo el sistema de coordenadas B-. Aparecen representadas tres líneas que representan al plano vertical, al plano horizontal y al 50% de la intensidad máxima (línea paralela al eje de abscisas). Plano horizontal Plano vertical 800 700 600 500

Imax/2

400 300 200 100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Figura 17. Diagrama cartesiano. Diagrama isocandela Con el fin de evitar coordenadas curvas, como sucede en el sistema de ángulos sólidos, y para facilitar la lectura de las coordenadas, se trazan éstas en un sistema rectangular. Los ángulos de los planos C y B se dan sobre el eje horizontal, los ángulos γ y β en el vertical. El diagrama puede compararse con el de proyección acimutal, pero hay que tener en cuenta que: - No hay relación lineal entre los rectángulos del diagrama y los ángulos sólidos. - Que la línea γ = 0 ó β = 0 representa en realidad un punto.

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80 70 60 50 40 30

Planos B

20 10 0

EJE X 70

-10 50% de Imax

-20 -30 -40

30 20

-50

15

-60 5

10 3

-70 -80 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Angulos Beta Figura 18. Diagrama isocandela para el sistema B-.

7.6. Datos básicos fotométricos Hemos visto que en las hojas de información de luminarias aparecen una serie de diagramas que nos indican las peculiaridades fotométricas de la misma. En este apartado vamos a ver dos términos asociados a la obtención de dichas curvas.

7.6.1. Centro fotométrico La mayoría de los cálculos que se realizan se hacen bajo la suposición de que las luminarias son fuentes de luz puntuales, por eso hay que buscar un punto del espacio limitado por la luminaria que nos sitúe la fuente luminosa puntual imaginaria equivalente. Para ángulos próximos al nadir, prácticamente no existen diferencias entre datos fotométricos de una misma luminaria dados por distintos laboratorios de medida. Donde sí pueden existir diferencias es para ángulos grandes, por ejemplo 80º y 88º, si no se establece de un modo inequívoco dónde está situado el centro fotométrico de la luminaria. El centro fotométrico es un punto de una luminaria o de una lámpara a partir del cual se cumple mejor la ley de la inversa del cuadrado de la distancia en la dirección de la intensidad máxima. O lo que es lo mismo, es el punto donde se sitúa, con el único fin de simplificar los cálculos fotométricos, la fuente luminosa puntual imaginaria, que tiene la misma distribución espacial de intensidades luminosas que la luminaria. La C.I.E. ha establecido en sus publicaciones las reglas para localizar dicho centro fotométrico para diferentes tipos de luminarias.

7.6.2. Sistemas de coordenadas fotométricas Cada una de las direcciones del espacio por la cual se radia una intensidad luminosa, queda determinada por dos coordenadas. En las hojas de información fotométrica para luminarias de interior, alumbrado público y proyectores, se utilizan principalmente las representaciones obtenidas mediante tres sistemas de coordenadas, que son los más usados normalmente. Dichos sistemas son los A-α, B-β y C-γ. El sistema de coordenadas C-γ está definido en las publicaciones de la C.I.E. Sin embargo, no hay un acuerdo internacional sobre la definición de los sistemas A-α y B-β y los ensayos, para la obtención de estos dos últimos, son distintos en función

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del país que los haga. Cuando se aplica a la fotometría de estos tipos de luminarias el eje de referencia es siempre vertical y dirigido hacia el punto más bajo (nadir). Todos los sistemas constan de un haz de planos con un eje de intersección, a veces llamado “eje de rotación”. En cada caso una dirección en el espacio está caracterizada por un ángulo medido entre dos planos y un ángulo medido en uno de los planos. Los sistemas difieren entre sí con respecto a la orientación del eje de intersección en el espacio en relación con el eje de la luminaria. Para ensayar proyectores, se usan sistemas adaptados al eje horizontal, pero su denominación varía en los diferentes países.

7.7. Eficiencia de las luminarias La eficiencia de una luminaria se encuentra expresada en términos de su Índice de Salida de Luz (Light Output Radio – I.o.r.)*. A este índice se lo define como la porción de salida de luz de la luminaria con respecto a la suma de las salidas individuales de luz de las lámparas cuando éstas son usadas fuera de la luminaria. El índice de salida de luz definido de este modo es el “I.o.r.” total de la luminaria y es igual a la suma de los “I.o.r.” hacia arriba y hacia abajo.

* El término utilizado en U.S.A. es “eficiencia de la luminaria”.

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Capítulo 8.

LÁMPARAS

8.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

8.2.

Termorradiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

8.3.

Luminiscencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

8.4.

Condiciones que deben reunir las lámparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

8.5.

Lámparas incandescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

8.6.

Lámparas de descarga en vapor de mercurio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

8.7.

Lámparas de descarga en vapor de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

8.8.

Lámparas de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.9.

Tablas de características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

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Capítulo 8. LÁMPARAS

8.1. Generalidades En el capítulo 1 hemos estudiado la naturaleza dual de la luz y en el capítulo 2, el proceso de cómo las radiaciones visibles se manifiestan en luz a través de la visión. Como hemos comentado, la luz se compone de radiaciones electromagnéticas en forma de ondas, que pueden producirse de forma muy variada según las causas que la provoquen. Si la causa se debe exclusivamente a la temperatura del cuerpo radiante, el fenómeno se llama termorradiación, en todos los demás casos luminiscencia. La Fig. 1 da una idea general sobre los principales agentes físicos que intervienen en la producción de luz y sus respectivas fuentes.

PRODUCCION DE LUZ Termorradiación Combustión Incandescencia

Luminiscencia Descarga en el seno de un gas

Radiación de un cuerpo sólido

Natural

Sol

Artificial

Llama Luz de gas Arco eléctrico Lámpara incandescente

Rayo

Luciérnaga

Lámpara de vapor metálico Lámpara de gas noble Lámpara de efluvios Lámpara Xenón

Sustancia luminiscente Placa luminosa Lámpara de cuerpo sólido Fuente de luz radioactiva

Figura 1. Cuadro de los agentes físicos que intervienen en la producción de luz.

8.2. Termorradiación Se conoce con esta denominación la radiación (calor y luz) emitida por un cuerpo caliente. La energía de esta radiación depende única y exclusivamente de la capacidad calorífica del cuerpo radiante. La luz que se obtiene va siempre acompañada de una cuantiosa radiación térmica que, por lo general, constituye una fuente de pérdida de energía cuando de lo que se trata es de producir luz. Al calentar un trozo de carbón, hierro, oro, wolframio o cualquier otro material, se obtiene una radiación visible que se aprecia por el color de incandescencia que adquiere el cuerpo y que varía según la temperatura, tal como se muestra en la Tabla 1. Temperatura °C

Color de incandescencia

0.400

rojo - gris incipiente

0.700

rojo - gris

0.900

rojo - oscuro

1.100

rojo - amarillo

1.300

rojo - claro

1.500

rojo - blanco incipiente

2.000 en adelante

rojo - blanco

Tabla 1. Colores de incandescencia a distintas temperaturas. Todas las leyes estudiadas y formuladas para el radiador ideal pueden resumirse en una sola: “El porcentaje de radiación visible aumenta en función de la temperatura del radiador”. Como puede observarse en la Fig. 2, a los 6.500 K se obtiene el máximo rendimiento y sería inútil aumentar la temperatura del radiador con la pretensión de conseguir un rendimiento mayor al 40%.

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50 %

Porcentaje de radiación visible

40

30

20

10

0

10

5.000

K

10.000

Temperatura Figura 2. Radiación visible en función de la temperatura absoluta.

8.2.1. Termorradiación natural En la propia naturaleza encontramos un ejemplo evidente de producción de luz a gran escala mediante la termorradiación que nos brindan el Sol y las demás estrellas similares a él. El Sol es una enorme bola de hidrógeno en estado incandescente en la que una radiación nuclear está transformando constantemente hidrógeno (H2) en Helio (He). En el proceso se liberan tremendas cantidades de energía que son liberadas al Universo. De la energía emitida por el Sol, cerca de un 40% de la radiación se transforma en luz visible, el cual corresponde al máximo “rendimiento óptico” a 6.500 K.

8.2.2. Termorradiación artificial Se obtiene luz por termorradiación artificial, calentando cualquier materia o cuerpo sólido a una elevada temperatura, bien sea por combustión o incandescencia. Luz de la llama de alumbrado El radiador térmico más antiguo de la historia y también el más primitivo fue la llama de alumbrado producida por la combustión de una antorcha encendida, siguiéndole la lámpara de aceite, la de petróleo y la vela de cera, que fueron las fuentes de alumbrado más utilizadas en la antigüedad. A principios del siglo XIX comenzó a usarse el gas de carbón mineral (hulla) para obtener una llama de alumbrado, en lugar de las hasta entonces sustancias sólidas (cera, sebo) y líquidas (aceite, petróleo). En un principio se obtenía la luz de su llama directa y más tarde mediante la camisa incandescente de Auer. Luz del arco eléctrico Si dos barras de carbón en contacto, por las que circula una corriente eléctrica, se separan rápidamente hasta una determinada distancia, se produce entre sus puntas un potente arco eléctrico permanente. El arco eléctrico en sí, sólo produce un 5% de la luz emitida, correspondiendo el resto a los cráteres incandescentes formados en sendas barras de carbón. Esta clase de arco, cuya intensidad de corriente es bastante elevada, no debe confundirse con los arcos de descarga gaseosa. Luz de un cuerpo incandescente en el vacío Al circular una corriente eléctrica por una resistencia óhmica, ésta se calienta y, si ello tiene lugar en el vacío, se pone incandescente adquiriendo un color rojo-blanco a temperaturas comprendidas entre los 2.000 y 3.000 °C, en cuyo caso emite luz y calor igual que un perfecto termorradiador. El primero que puso en práctica este principio fue Henrich Goebel que en 1854 construyó las primeras “lámparas incandescentes” eléctricas, valiéndose de unos frascos de colonia vacíos en los que encerró herméticamente un filamento

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hecho con fibras de bambú carbonizadas. Sin embargo, fue el americano Thomas Alva Edison quien en 1879 “posdescubrió” la lámpara incandescente con filamento de carbón y le dio una utilidad práctica como artículo de serie. Paralelamente a Edison, el inglés Swan también logró una lámpara incandescente usual. El filamento de carbón: Las lámparas utilizadas en los años de 1880 a 1909, eran de filamento de carbón, compuesto de fibras de bambú o papel “coquizadas”. El punto de fusión de este filamento era aproximadamente de 3.700 °C, pero debido a su elevado índice de vaporización, las lámparas sólo podían construirse para una temperatura de servicio de unos 1.900 °C. Por ello, el rendimiento luminoso no llegaba a ser realmente de más de 3 a 5 lm/W. El filamento metálico: A principios de siglo se inició una búsqueda con el propósito de encontrar metales que pudieran sustituir ventajosamente al filamento de carbón. Entre los metales difícilmente fusibles se encontraban el osmio, tantalio y principalmente el wolframio. El punto de fusión del wolframio es de aproximadamente 3.400 °C, con un índice de evaporación notablemente inferior al del carbón. Con una duración de la lámpara de aproximadamente 1.000 horas, la temperatura de incandescencia del filamento llegaba a los 2.400 °C y con ello se obtenía un rendimiento luminoso de 8 a 10 lm/W.

8.3. Luminiscencia Con este nombre se conocen aquellos fenómenos luminosos cuya causa no obedece exclusivamente a la temperatura de la sustancia luminiscente. Dichos fenómenos se caracterizan porque sólo ciertas partículas de los átomos de la materia, los electrones, son incitados a producir radiaciones electromagnéticas. Para comprender dicho fenómeno de la luminiscencia hemos de estudiar el átomo según el modelo atómico de Börh.

Rangos de enrgía de los electrones

E

E = Electrón

1

e3 e2 e1

f1

A= Absorción

Excitación débil

3

2

Excitación fuerte

4

3

4

m

≈ W f2

= Emisión de energia

S= Emisión

Excitación energética forzada (láser) 5

6

5

A S

f

1

2

Emisión escalonada, W con cesión de calor

6

Fosforescencia

m = Nivel de acumulación

Figura 3. Modelo atómico de Böhr. Según este modelo, cada átomo está formado por un núcleo atómico positivo y por una envoltura de electrones negativos, distribuidos en capas, que giran alrededor del núcleo siguiendo órbitas determinadas. En el átomo normalmente existe un equilibrio eléctrico, es decir, el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas (electrones). Este equilibrio se denomina estado fundamental del electrón E, y para los electrones de la órbita más interna, es idéntico a la línea de base f (Fig. 3). Si desde el exterior se suministra al átomo una determinada cantidad de energía, se excita el electrón E y es desplazado de su órbita normal a la siguiente o a otra más externa, absorbiendo así la cantidad de energía suministrada. El electrón se sitúa a un nivel de energía superior (líneas de nivel e1, e2, e3, etc. de la Fig. 3). Tras un corto tiempo de permanencia en este nivel, el electrón salta de nuevo a su posición inicial (línea f de la Fig. 3) y emite la cantidad de energía absorbida en un principio, generalmente en forma de radiación electromagnética. Si la cantidad de energía suministrada es mayor, el electrón E puede llegar a alcanzar instantáneamente una órbita más externa. A consecuencia del mayor rango de energía conseguido, la radiación emitida al volver el electrón a la base f será más rica en energía.

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Por lo tanto, las distintas capas de energía corresponden a un nivel de energía perfectamente determinado y por ello no pueden existir estados intermedios. De aquí se deduce que para excitar a un átomo se necesita una cantidad de energía exactamente determinada, la cual es emitida en forma de radiación y/o desprendimiento de calor al recuperar el átomo su forma fundamental. La emisión de la energía transformada en este proceso desde el punto de vista atómico, se produce en porciones o partes discontinuas denominadas cuantos de energía (Böhr postuló que el electrón no podía girar a cualquier distancia del núcleo, sino en ciertas órbitas solamente). Sin embargo, en el campo de la Luminotecnia práctica, la luz emitida en esa transformación se considera emitida de manera continua en forma de ondas electromagnéticas, lo cual resulta aceptable para los casos normales de su aplicación. Mediante la teoría de los cuantos de energía formulada por Max Plank, se demuestra que los distintos elementos químicos, al ser excitados, no emiten un espectro continuo debido a la diferente estructura de sus capas electrónicas, sino solamente longitudes de onda muy particulares (líneas) dentro de todo el espectro electromagnético; estos espectros se conocen con el nombre de espectros de líneas. Cada sustancia posee un espectro de líneas característico, lo cual también ocurre con los gases luminiscentes, como por ejemplo el vapor de sodio, cuyo espectro está compuesto por una doble línea amarilla cuyas longitudes de onda corresponden a 589 y 589´6 nm respectivamente. Según el procedimiento físico empleado para excitar los átomos, el tipo de radiación y la forma en que se emite se distinguen varias clases de luminiscencia.

Luz de descarga eléctrica en el seno de un gas En todos los gases, principalmente los que contienen las lámparas de descarga, además de átomos de gas neutrales, se encuentran siempre algunas cargas eléctricas libres (electrones).

E A

E

C

Figura 4. Tubo de descarga de gas. Si en un tubo de descarga (Fig. 4) se aplica una corriente continua al ánodo A (+) y al cátodo C (-), se crea entre A y C un campo eléctrico que acelera las cargas negativas (electrones) y las precipita hacia el ánodo. Al alcanzar un electrón una determinada velocidad, posee ya energía cinética suficiente para excitar un átomo de gas. Si la velocidad del electrón al chocar con el átomo del gas es aún mayor, el impacto puede provocar incluso el desprendimiento de un electrón de la corteza atómica, con lo cual el átomo queda con un electrón menos en su configuración, es decir, se obtiene un ión positivo; este fenómeno se denomina ionización por choque. De esta forma aumenta aún más el número de electrones libres, pudiendo llegar incluso a aumentar torrencialmente si la corriente eléctrica por ellos producida no se limita mediante una resistencia apropiada (estabilizador). Junto con los electrones libres o desprendidos, se encuentran también iones positivos que se desplazan en sentido contrario al de los electrones, es decir hacia el cátodo, aunque debido a su pequeña velocidad no pueden provocar ninguna excitación de otras partículas gaseosas, sino que, por el contrario, transcurrido un breve espacio de tiempo, toman de nuevo un electrón a cambio de una emisión de energía. Conforme con el gas noble o gas metálico con que se llene el recipiente de descarga se obtendrán, mediante la excitación atómica anteriormente citada, los espectros de líneas o colores de luz característicos del elemento químico elegido. Por ejemplo, si el gas es neón, el color de la luz es rojo-anaranjado, y si es vapor de mercurio blanco-azulado. Todos estos fenómenos tienen lugar dentro de un volumen comprendido entre dos electrodos, que queda limitado por la pared del recipiente de descarga. Este volumen forma una columna gaseosa de descarga. Si la alimentación del tubo de descarga se hace con corriente alterna en vez de continua, los electrodos cambian periódicamente su función, actuando unas veces de cátodo y otras de ánodo; pero, por lo demás, el fenómeno de la producción luminosa es el mismo. Las condiciones de la descarga eléctrica en el seno de un gas, para la producción de luz, dependen fundamentalmente de la presión del gas o vapor que exista en el interior del tubo de descarga, de ahí que se distingan tres tipos de descarga:

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- Descarga a baja presión. - Descarga a alta presión. - Descarga a muy alta presión. Cuanto más alta es la presión, las líneas espectrales se ensanchan formando bandas cada vez mayores, con lo cual mejora el espectro cromático. En las lámparas de vapor metálico se requiere vaporizar primeramente el metal, que en frío se encuentra en estado sólido o líquido; por ello se llenan estas lámparas con gas noble que es el primero que se inflama, suministrando el calor necesario para la vaporización del metal.

Descarga eléctrica a alta tensión entre electrodos fríos (tubos de gases nobles) Para suministrar la cantidad suficiente de electrones libres en este tipo de descarga, se utilizan electrodos fríos construidos la mayoría de las veces de chapa de cromo-níquel. El llenado del tubo de descarga se hace con gases nobles como son el neón, que emite una luz intensa de color rojoanaranjado, o el helio que emite una luz de color rosa-claro, y también con vapores metálicos, especialmente el vapor de mercurio que emite una luz blanco-azulado y, mezclado con el gas neón, una luz de color azul intenso. Las tensiones de arranque y de funcionamiento son elevadas, necesitándose de 600 a 1.000 voltios por metro de longitud. El consumo de potencia media, también por metro de longitud, es de unos 33 W, con un rendimiento luminoso de 2´5 a 5 lm/W: Debido a este bajo rendimiento luminoso, los tubos de gas noble apenas si han tenido aplicación en el alumbrado de interiores, pero sí han jugado un papel importante en los anuncios luminosos, por la facilidad de poder ser moldeados en forma de letras para rótulos.

Descarga eléctrica a baja tensión entre electrodos calientes (lámparas de vapor metálico) Si se introduce en un tubo de vidrio previamente evacuado una cierta cantidad de sodio sólido o mercurio líquido y un gas noble para lograr transformar el metal en vapor al producirse la descarga eléctrica, se obtiene una descarga de vapor metálico en el seno de un gas, que puede incluso provocarse a una tensión baja normal (220 V), con electrodos precalentados o calentados (cátodos calientes). Las lámparas de vapor de sodio y de vapor de mercurio funcionan según este principio. De todo lo expuesto hasta ahora, se deduce que la luz emitida por las lámparas de vapor metálico depende de forma decisiva del espectro de líneas del vapor metálico elegido; así pues, la lámpara de vapor de sodio da una luz monocromática de color amarillo-anaranjado, y la de vapor de mercurio una luz verde-azulada. Los espectros discontinuos de estas lámparas se mejoran por distintos medios: En las de mercurio: - Por combinación con luz incandescente (lámparas de luz mezcla). - Por combinación con una capa fluorescente (lámparas de vapor de mercurio, color corregido). - Añadiendo halógenos metálicos (lámparas de vapor de halogenuros metálicos). En las de sodio: - Por combinación con luz de mercurio en un recipiente de metal transparente, a alta presión de llenado (lámparas de vapor de sodio a alta presión).

Fotoluminiscencia (lámparas fluorescentes de baja presión) Por fotoluminiscencia se entiende fundamentalmente la excitación a la luminiscencia de determinadas sustancias mediante una radiación, la mayoría de las veces radiación ultravioleta de onda corta. Las sustancias luminiscentes empleadas sólo emiten luz mientras son excitadas por la radiación ultravioleta de onda corta, la cual transforman en una radiación de onda más larga (luz en el espectro visible). Como sustancias luminiscentes se emplean, entre otras, el wolframato de calcio, wolframato de magnesio, silicato de zinc, silicato de cadmio, borato de cadmio, halofosfatos, etc. Cada una de estas sustancias luminiscentes emite un determinado color de luz. Mediante una mezcla apropiada de estas sustancias, se puede obtener prácticamente cualquier color de luz compuesto que se desee. Si se consigue que la de emisión de cada uno de los componentes cromáticos se superpongan, se obtiene un espectro continuo que, además, puede variar desde el blanco luz día hasta el blanco cálido.

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Se llama “fluorescencia” a todos aquellos fenómenos de luminiscencia en los que la radiación luminosa permanece mientras dura la excitación. El caso contrario es la fosforescencia.

Fosforescencia La fosforescencia tiene lugar cuando en determinadas sustancias luminiscentes persiste la radiación luminosa aún después de cesar la excitación. Este fenómeno corresponde al hecho de que, por debajo de unos niveles de energía (perteneciente a las capas electrónicas) de algunos componentes químicos, como sulfuros, seleniuros u óxidos de los metales alcalinotérreos, existe aparte un “nivel de acumulación” que impide que los electrones vuelvan rápidamente a su posición inicial. Los electrones que por su excitación llegan a ese nivel de acumulación sólo pueden recuperar lentamente su estado fundamental, siendo entonces cuando la sustancia sigue emitiendo luz. Este fenómeno puede durar desde fracciones de segundo a meses (dependiendo del tipo de material y la temperatura).

Electroluminancia Para producir este fenómeno, en lugar de una radiación excitadora, se puede utilizar también directamente un campo eléctrico para “elevar” electrones a un nivel superior de energía. Esto se consigue insertando una sustancia luminiscente entre dos capas conductoras y aplicando al conjunto una corriente alterna lo mismo que si se tratara de un condensador de placas. Esta forma de obtención de luz (manifestada por un centelleo de moderado esplendor) se ha realizado en las llamadas placas luminosas de aplicación en salas de enfermos, numeración de portales de edificios, iluminación de escaleras, etc.

Inyectoluminiscencia Se trata aquí, en cierto modo, del caso contrario al principio fotoeléctrico en que se basan los fotómetros que se emplean para medir la luz. Mientras que en el fotómetro tiene lugar una transformación de energía luminosa en energía eléctrica (en forma de una minicorriente), al aplicar la inyecto-luminiscencia a una lámpara llamada de cuerpo sólido, de una energía eléctrica, se produce recíprocamente una energía luminosa (radiación cromática), que tiene muy buena aplicación para procedimientos sencillos de pequeñas señalizaciones. Una lámpara de cuerpo sólido se obtiene incrustando en la malla de un semiconductor determinados átomos extraños, de forma que éste quede dividido en dos partes, una con exceso de electrones y otra con defecto.

Radioluminiscencia (luz producida por sustancias radioactivas) En este caso, la emisión luminosa se basa en la irradiación de una sustancia luminiscente con rayos que resultan de la desintegración natural de una materia radiactiva, como por ejemplo el uranio y sus isótopos. Este principio de la producción de luz se aplica a la llamada lámpara de isótopos, que no necesita en absoluto ser alimentada con corriente eléctrica.

Bioluminiscencia La bioluminiscencia es un fenómeno luminoso que se manifiesta débilmente en la Naturaleza, consistente en el destello emitido por los gusanos de luz, algunas clases de peces, algas marinas, madera podrida y similares. Este fenómeno se debe al proceso de oxidación de algunas sustancias químicas u orgánicas especiales, como las que poseen las luciérnagas y las bacterias fotógenas, en contacto con el oxígeno del aire o del agua. Hasta ahora no se ha logrado reproducir artificialmente este fenómeno de la Naturaleza.

8.4. Condiciones que deben reunir las lámparas 8.4.1. Distribución espectral de la radiación total Para que las lámparas como transformadoras de energía pudieran trabajar con un alto rendimiento, casi toda la energía absorbida deberían transformarla en radiación visible. Por otra parte su luz debería ser blanca como la del día y con buena reproducción cromática, lo cual exige un espectro continuo que contenga todos los colores principales desde el violeta hasta el

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rojo, pero como la sensibilidad del ojo es máxima para la radiación amarillo-verdosa, lo más favorable en cuanto a rendimiento luminoso se refiere es obtener el porcentaje mayor de radiación en la zona 555 nm.

8.4.2. Luminancia Las lámparas luz que se emplean preferentemente al descubierto no deben tener una luminancia elevada, con el fin de que su efecto de deslumbramiento se mantenga dentro de unos límites soportables. El valor de la luminancia admisible depende del tipo de aplicación. Por el contrario, las lámparas que se utilizan en luminarias pueden tener grandes luminancias, ya que en ellas se amortigua el efecto de deslumbramiento. En general, la luminancia que se puede obtener de una lámpara depende del sistema adoptado para la producción de luz, es decir, de la naturaleza física de la fuente y de si ésta es puntual, lineal o plana. La luminancia de las lámparas nunca puede aumentarse mediante cualquier sistema óptico pero sí debilitarse, por ejemplo con capas difusoras.

8.4.3. Distribución de la intensidad luminosa La radiación de una lámpara no es igual en todas las direcciones del espacio, siendo afectada por la posición del casquillo, los soportes del cuerpo luminoso, etc., lo cual determina que cada tipo de lámpara posea una distribución típica de su intensidad luminosa. Las curvas de distribución luminosa son esenciales para proyectar instalaciones de alumbrado, así como para el diseño de luminarias, porque su sistema óptico ha de ajustarse de tal forma a la curva de distribución luminosa de la lámpara, que la luz sea dirigida al lugar o punto de máxima necesidad.

8.4.4. Efecto biológico de la radiación emitida Es necesario que las lámparas no emitan ninguna radiación que pueda resultar peligrosa para el hombre, bien sea de inmediato o a largo plazo. Con los radiadores térmicos como son las lámparas incandescentes, esta condición se cumple ya desde un principio (la mayoría de la radiación producida es infrarroja). Algunas descargas de gases, principalmente las de vapor de mercurio, contienen por naturaleza un porcentaje de radiación ultravioleta que se puede clasificar en: - UV-A: Bronceadora o de onda larga (entre 315 y 380 nm.). - UV-B: Antirraquítica o de onda media (entre 280 y 315 nm.). Favorece la producción en el cuerpo de la vitamina D. - UV-C: Bactericida o de onda corta (entre 200 y 280 nm.). Destruye gérmenes y materia orgánica. Estos efectos se pueden aumentar por la debilitación la capa de ozono de la atmósfera. - UV-C: Ozonífera o de onda corta (entre 100 y 200 nm.). Este tipo de radiación es capaz de crear ozono de las mismas características que el existente en la atmósfera. El efecto permanente de las radiaciones UV-B o UV-C produce quemaduras en la piel desnuda y conjuntivitis en los ojos que no están protegidos. En las lámparas para alumbrado general esto puede evitarse con el empleo de clases de vidrio apropiadas que absorban la radiación crítica.

8.4.5. Color apropiado para cada aplicación El color de luz de una lámpara se determina por la composición espectral de su radiación. En la Tabla 2 se establecen grupos de luz para las lámparas empleadas en el alumbrado general: Color de Luz

Temperatura de color

Incandescente-fluorescente

2.600-2.700 K

Blanco cálido

2.900-3.000 K

Blanco o blanco neutral

3.500-4.100 K

Blanco frío

4.000-4.500 K

Blanco luz día

6.000-6.500 K Tabla 2

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Mientras que las lámparas incandescentes por su alto contenido en rojo (a excepción de las lámparas de color), sólo pueden radiar un color blanco cálido, los colores de luz de las lámparas de descarga están determinados por los gases o vapores para ellas elegidos, por ejemplo el color amarillo de la descarga del vapor de sodio, o el azul pálido de la de vapor de mercurio. Se pueden obtener otras variantes cromáticas, combinando diferentes vapores metálicos o modificando la presión de vapor. Con las lámparas fluorescentes se ofrece la posibilidad de conseguir cualquier matiz que se desee, mediante la selección o mezcla de una gran cantidad de sustancias luminiscentes conocidas, para adaptarlas a cada tipo de aplicación.

8.4.6. Calidad de reproducción cromática La reproducción cromática se refiere al aspecto del color que presentan las superficies iluminadas. Su calidad reproductora no sólo depende de la tonalidad de la luz incidente, sino fundamentalmente de su composición espectral. Por lo tanto, la temperatura de color se refiere únicamente al color de la luz, pero no a su composición espectral. Así, dos fuentes de luz pueden tener un color muy parecido y poseer al mismo tiempo unas propiedades de reproducción cromática muy diferentes. La mayoría de las veces lo que se exige de una lámpara es una buena reproducción cromática, lo cual requiere una distribución espectral diferente a la que se necesitaría para conseguir un elevado rendimiento luminoso.

8.4.7. Constancia del flujo luminoso En la práctica no es posible conseguir el mantener el valor del flujo luminoso a un 100% en toda la duración de la fuente de luz, ya que se tiene en contra motivos físicos y tecnológicos. Los flujos luminosos que se suelen indicar en los catálogos se refieren, en el caso de las lámparas de incandescencia, a lámparas que no han funcionado todavía, y en el caso de las de descarga, a lámparas con 100 horas de funcionamiento, a las cuales se considera se ha estabilizado el mismo.

8.4.8. Rendimiento luminoso Como vimos en el capítulo 5, el máximo rendimiento luminoso que se podía conseguir en el caso más favorable era de 683 lm/W. Aunque no se puede llegar a ese valor, hoy en día se han conseguido lámparas con un rendimiento bastante alto que permiten obtener iluminaciones elevadas de forma relativamente económica. No obstante, en muchos casos hay que decidir cuál es la propiedad de la lámpara que resulta más valiosa, si un elevado rendimiento luminoso o una reproducción cromática extraordinariamente buena.

8.4.9. Vida media y vida útil La vida media es un concepto estadístico que representa la media aritmética de la duración en horas de cada una de las lámparas de un grupo suficientemente representativo del mismo modelo y tipo. La vida útil es una magnitud referida a la práctica, dada igualmente en horas, al cabo de las cuales el flujo luminoso de una determinada instalación de alumbrado ha descendido a un valor tal, para el que la lámpara no es rentable aunque esté en condiciones de seguir funcionando.

8.4.10. Repercusiones en la red de alimentación Cualquier lámpara moderna requiere que su funcionamiento no tenga una repercusión importante en la red de alimentación. Con lámparas incandescentes esta repercusión queda limitada a una sobreintensidad en el momento de la conexión, debido a su pequeña resistencia con la lámpara en frío. Las lámparas de descarga eléctrica funcionan generalmente en conexión con una inductancia, representando para el circuito una resistencia aparente. Esto da lugar a que se obtenga un bajo factor de potencia (cos ), lo que supone una carga adicional para la red y por ello debe ser compensado.

8.4.11. Estabilización de lámparas con característica de resistencia negativa Resistencia negativa es la propiedad que tienen algunas resistencias eléctricas, por ejemplo la de un arco de descarga, de disminuir su valor a medida que aumenta la intensidad de corriente que circula por ella. Ello obliga en las lámparas de descarga

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a estabilizar la corriente con el fin de que no adquiera unos valores desmesurados que la puedan destruir. Esto se realiza fácilmente intercalando en el circuito de la lámpara resistencias inductivas, capacitivas y óhmicas.

8.4.12. Variaciones de la tensión de alimentación Las variaciones de la tensión de alimentación influyen en los datos luminotécnicos de cualquier lámpara. En las lámparas incandescentes afectan muy notablemente a la duración y temperatura de color, y en las de descarga, a las relaciones de presión del arco y con ello a las condiciones de descarga.

8.4.13. Tiempo hasta que el flujo luminoso adquiere el régimen normal Las lámparas incandescentes se encienden inmediatamente emitiendo su flujo total. Las lámparas fluorescentes pueden hacerlo también si se emplean cebadores de arranque rápido, de no ser así, el encendido se efectúa con retraso después de uno o varios intentos. Las otras lámparas de descarga precisan un tiempo de encendido de varios minutos, hasta que el vapor metálico adquiere la presión necesaria y el flujo luminoso alcanza su máximo valor.

8.4.14. Posibilidad de reencendido inmediato Es la posibilidad de que la lámpara, después de apagada, tengan la posibilidad de un reencendido inmediato en caliente con plena emisión de flujo luminoso. Esta condición sólo la cumplen las lámparas incandescentes, las de vapor metálico presentan determinadas diferencias respecto a su posibilidad de reencendido inmediato, como se indica a continuación: - Lámparas de vapor de mercurio a alta presión: Necesitan un tiempo de enfriamiento de algunos minutos para poder reencender en caliente, y otro tiempo para alcanzar el flujo luminoso total. - Lámparas de halogenuros metálicos: Se comportan igual que las de vapor de mercurio, existiendo algunos tipos que pueden reencender en caliente mediante aparatos especiales. - Lámparas de vapor de sodio a alta presión: Los tipos que poseen aparato de encendido separado reencienden en caliente dentro de un minuto y alcanzan el flujo total prácticamente sin demora. Los otros tipos sin aparato de encendido separado se comportan de forma similar a las lámparas de vapor de mercurio. - Lámparas de vapor de sodio a baja presión: Se comportan como las lámparas de vapor de mercurio.

8.4.15. Efecto estroboscópico En todas las fuentes de luz artificiales que funcionan con corriente alterna cesa su emisión cada vez que la corriente pasa por en punto cero. Esto tiene lugar dos veces por periodo, por lo que para una frecuencia de 50 Hz. (periodos por segundo) se producirán 100 instantes de oscuridad por segundo. El filamento de las lámparas incandescentes posee mucha inercia térmica, por lo que se produce un ligero descenso de la emisión luminosa por tal circunstancia, que pasa desapercibido por el ojo excepto cuando lámparas de poca potencia funcionan con redes de 25 Hz. En las lámparas de descarga que funcionan con redes de 50 Hz., el ojo no es capaz de apreciar las variaciones tan rápidas de luz que se producen, pero puede darse el caso de que las lámparas iluminen zonas en las que se realicen movimientos rápidos, observándose entonces como si estos movimientos se realizaran de forma intermitente e incluso como si estuvieran parados. Este fenómeno se conoce como efecto estroboscópico y se puede reducir hasta hacerlo insensible por medio de montajes especiales de alimentación de las lámparas, o donde se disponga de línea trifásica, distribuyendo su conexión entre las tres fases.

8.4.16. Posición de funcionamiento Una lámpara eléctrica generalmente está construida para una determinada posición de funcionamiento en la que presenta unas óptimas propiedades de trabajo. Fuera de esta posición, las propiedades cambian desfavorablemente, bien sea por sobrecalentamiento de la espiral, del casquillo o de la ampolla de vidrio, por desviación del arco de las lámparas de descarga o por variaciones del calor circundante. Por eso hay que tener en cuenta las tolerancias dadas en los correspondientes catálogos de las lámparas, a fin de evitar su agotamiento prematuro por inadecuada posición de funcionamiento.

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Las abreviaturas empleadas indican la posición principal de funcionamiento y el ángulo de inclinación admisible en grados. Principales posiciones de funcionamiento: S (s) = Vertical (de pie, casquillo abajo). H (h) = Vertical (colgando, casquillo arriba). P (p) = Horizontal (casquillo a un lado). HS (hs) = Vertical (casquillo arriba o abajo). Universal = Permite cualquier posición de colocación. Ángulos de inclinación admisibles: A la posición principal de funcionamiento sigue una cifra que señala la inclinación admisible en grados con respecto a aquella.

20°

45°

60° 45°

p 20

p 45

p 60

h 45

150° 110° 30°

h 110

h 150

hs 30

45°

hs 45

Posición NO admisible Posición admisible

Figura 5. Esquema de posiciones de funcionamiento.

8.5. Lámparas incandescentes Como hemos dicho anteriormente, la lámpara incandescente es la fuente de luz eléctrica más antigua y aún la de uso más común. Es también la que posee mayor variedad de alternativas y se puede encontrar en casi todas las aplicaciones, particularmente cuando se requieren bajos flujos luminosos. Un descubrimiento relativamente reciente es la lámpara de wolframio halógena incandescente, que rápidamente ha abarcado muchas áreas de aplicación en iluminación.

8.5.1. Lámparas incandescentes convencionales La lámpara incandescente produce luz por medio del calentamiento eléctrico de un alambre (el filamento) a una temperatura alta que emite de esta forma radiación dentro del campo visible del espectro.

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Casquillo

Filamento Gas de relleno

Figura 6. Lámpara incandescente convencional. Las partes principales de una lámpara incandescente son el filamento, los soportes del filamento, la ampolla, el gas de relleno y el casquillo. Filamento: El utilizado en las lámparas modernas está hecho de wolframio (alto punto de fusión y bajo grado de evaporación). Se logró mayor eficiencia lumínica enrollando el filamento en forma de espiral. Ampolla: Es una cubierta de vidrio sellado que encierra al filamento y evita que tome contacto con el aire exterior (para que no se queme). Gas de relleno: La evaporación del filamento se reduce rellenando la ampolla con un gas inerte. Los gases que comúnmente se utilizan son argón y nitrógeno. En estas lámparas, la energía luminosa obtenida es muy poca comparada con la energía calorífica que irradia, es decir, gran parte de la energía eléctrica transformada se pierde en calor y por ello su eficacia luminosa es pequeña (es una lámpara derrochadora de energía). Estas lámparas tienen la ventaja de que se conectan directamente a la red, no necesitando ningún equipo auxiliar para su funcionamiento.

8.5.2. Lámparas halógenas de wolframio La alta temperatura del filamento de una lámpara incandescente normal causa que las partículas de wolframio se evaporen y se condensen en la pared de la ampolla, dando por resultado un oscurecimiento de la misma. Las lámparas halógenas poseen un componente halógeno (yodo, cloro, bromo) agregado al gas de relleno y trabajan con el ciclo regenerativo de halógeno para prevenir el oscurecimiento. El wolframio evaporado se combina con el halógeno para formar un compuesto wolframio halógeno. A diferencia del vapor de wolframio, se mantiene en forma de gas, siendo la temperatura de la ampolla suficientemente elevada como para prevenir la condensación. Cuando dicho gas se acerca al filamento incandescente, se descompone debido a la elevada temperatura en wolframio, que se vuelve a depositar en el filamento, y en halógeno, que continúa con su tarea dentro del ciclo regenerativo (Fig. 7).

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Temperatura inferior a 1.400º C Temperatura superior a 1.400º C Halógenos

Filamento de Tungsteno Haluro de Tungsteno

Partículas de Tungsteno

Ampolla de cristal

Figura 7. Ciclo del halógeno. La diferencia principal con una lámpara incandescente, aparte del aditivo de halógeno mencionado anteriormente, está en la ampolla. Debido a que la temperatura de la ampolla debe ser alta, las lámparas halógenas son más pequeñas que las lámparas incandescentes normales. La envoltura tubular está hecha de un vidrio de cuarzo especial (que no debe tocarse con los dedos). Desde su introducción, las lámparas halógenas de wolframio han incursionado en casi todas las aplicaciones donde se utilizaban las lámparas incandescentes. Las ventajas de las lámparas halógenas de wolframio con respecto a las lámparas incandescentes normales son: mayor durabilidad, mayor eficiencia luminosa, menor tamaño, mayor temperatura de color y poca o ninguna depreciación luminosa en el tiempo.

8.6. Lámparas de descarga en vapor de mercurio En esta parte vamos a ver las lámparas de descarga en cuyo tubo de descarga se introduce vapor de mercurio. Se incluyen las lámparas fluorescentes, las lámparas fluorescentes compactas, las lámparas de mercurio a alta presión, las lámparas mezcla y las lámparas de halogenuros metálicos.

8.6.1. Lámparas fluorescentes La lámpara fluorescente es una lámpara de descarga en vapor de mercurio de baja presión, en la cual la luz se produce predominantemente mediante polvos fluorescentes activados por la energía ultravioleta de la descarga. 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. Capa fluorescente (luminóforo).

Casquillo

Luz visible

Electrón libre

1 2

Radiaciones ultravioletas

Electrodos de Wolframio con materia emisora de electrones

Atmosfera de Argón y vapor de mercurio

1

Atomo de mercurio

Tubo de vidrio transparente Longitud

Figura 8. Lámpara fluorescente.

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Las partes principales de la lámpara fluorescente son la ampolla, la capa fluorescente, los electrodos, el gas de relleno y los casquillos. Ampolla: La ampolla de una lámpara fluorescente normal está hecha de vidrio cal-soda suavizado con óxido de hierro para controlar la transmisión ultravioleta de onda corta. Revestimientos fluorescentes: El factor más importante para determinar las características de la luz de una lámpara fluorescente es el tipo y composición del polvo fluorescente (o fósforo) utilizado. Éste fija la temperatura de color (y como consecuencia la apariencia de color), el índice de reproducción del color (IRC) y, en gran parte, la eficiencia lumínica de la lámpara. Tres grupos de fósforos se utilizan para producir las diferentes series de lámparas con diferentes calidades de color (fósforos standard, tri-fósforos y multi-fósforos). Electrodos: Los electrodos de la lámpara, que poseen una capa de material emisor adecuado, sirven para conducir la energía eléctrica a la lámpara y proporciona los electrones necesarios para mantener la descarga. La mayoría de los tubos fluorescentes poseen electrodos que se precalientan mediante una corriente eléctrica justo antes del encendido (se llaman lámparas de electrodos precalentamiento siendo iniciado este precalentado por un arrancador independiente). Gas de relleno: El gas de relleno de una lámpara fluorescente consiste en una mezcla de vapor de mercurio saturado y un gas inerte amortiguador (argón y kripton). Bajo condiciones operativas normales, el mercurio se encuentra en el tubo de descarga tanto en forma líquida como de vapor. El mayor rendimiento se logra con una presión de vapor de mercurio de alrededor de 0´8 Pa., combinado con una presión del amortiguador de alrededor de 2.500 Pa. (0´025 atmósferas). Bajo estas condiciones, alrededor de un 90% de la energía irradiada es emitida en la onda ultra-violeta de 253’7 nm. En las lámparas fluorescentes, la temperatura de color está comprendida entre 2.700 K y 6.500 K., con una curva de distribución espectral discontinua que reproduce colores según la composición de la sustancia fluorescente que recubre la pared interior del tubo. Cada radiación luminosa total resultante es la suma de la radiación del espectro discontinuo más la de una distribución espectral continua, cada vez más eficaz con el empleo de fósforos especiales. De esta forma se fabrican tubos fluorescentes con varias tonalidades de luz e índices de reproducción cromáticos clasificados, según las normas C.I.E. entres grandes grupos: - Luz blanca día: TC > 5.000 K. - Blanco neutro: 5.000 K ≥ TC ≥ 3.000 K. - Blanco cálido: TC < 3.000 K. En cada grupo existen varios tonos con una amplia variedad de temperaturas de color e índices de reproducción cromático, según cada fabricante, que cubren las necesidades de una amplia gama de aplicaciones. Estas lámparas precisan un equipo auxiliar formado por un balasto e ignitor (cebador), además de un condensador de compensación para mejorar el factor de potencia. Los valores nominales de funcionamiento se alcanzan al cabo de cinco minutos. Cuando se apaga la lámpara, debido a la gran presión en el quemador, necesita enfriarse entre cuatro y quince minutos para encenderse nuevamente.

8.6.2. Lámparas de vapor de mercurio a 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 descarga 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 una parte se emite también 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 una versión similar sin dicha capa. Principios de funcionamiento Cuando se examina el funcionamiento de la lámpara de mercurio de alta presión, se deben considerar tres fases bien diferenciadas: ignición, encendido y estabilización.

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Ignición 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 k Ω). Cuando se enciende la lámpara, un gradiente de alto voltaje ocurre entre los electrodos principales y de arranque, e ioniza el gas de relleno de esta zona en forma de descarga luminiscente, siendo la corriente limitada por una resistencia. La descarga luminiscente luego se expande por todo el tubo de descarga bajo la influencia del campo eléctrico entre los dos electrodos principales. Cuando la descarga luminiscente alcanza el electrodo más distante, la corriente aumenta en forma considerable. Como resultado, los electrodos principales son caldeados hasta que la emisión aumenta lo suficiente como para permitir que la descarga luminiscente cambie completamente a una descarga de arco, sin que el electrodo auxiliar desempeñe otra función en el proceso a causa de la alta resistencia conectada en serie con él. En esta etapa, la lámpara funciona como una descarga de baja presión (semejante a la de una lámpara fluorescente). La descarga llena el tubo y posee una apariencia azulada. Encendido Habiendo sido ejecutada la ionización del gas inerte, la lámpara aún no quema en la forma deseada y no ofrece su máxima producción de luz, hasta que el mercurio presente en el tubo de descarga esté completamente vaporizado. Esto no ocurre hasta que haya transcurrido un tiempo determinado, denominado tiempo de encendido. Como resultado de la descarga de arco en el gas inerte se genera el caldeado resultando un rápido aumento de temperatura dentro del tubo de descarga. Esto causa la vaporización gradual del mercurio, aumentando la presión del vapor y concentrando la descarga hacia una banda angosta a lo largo del eje del tubo. Con un mayor aumento en la presión, la energía radiada se concentra en forma progresiva en las líneas espectrales de longitudes de onda mayores y se introduce una pequeña porción de radiación continua, de manera tal que la luz se torna más blanca. Con el tiempo, el arco logra un punto de estabilización y se dice que la lámpara alcanza el punto de equilibrio termodinámico total. Todo el mercurio entonces se evapora, y la descarga ocurre en vapor de mercurio no saturado. El tiempo de encendido, que se define como el tiempo necesario de la lámpara desde el momento de ignición para alcanzar un 80% de su producción máxima de luz, es de aproximadamente cuatro minutos. Estabilización La lámpara de mercurio de alta presión, como la gran mayoría de las lámparas de descarga, posee una característica de resistencia negativa y, por lo tanto, no puede operar por su cuenta en un circuito sin un balasto adecuado para estabilizar el flujo de la corriente a través de ella. Partes principales En la Fig. 9 se pueden observar las partes principales de una lámpara de vapor de mercurio a alta presión. Casquillo

Alambre Conductor-soporte Ampolla ovoide de vidrio duro

Sustancia fluorescente. Gas de relleno inerte a baja presión

Resistencia ohmica en serie con cada electrodo auxiliar.

Electrodos auxiliares

Tubo de descarga Electrodos principales

Apoyo Alambre conductor-soporte

Figura 9. Lámpara de vapor de mercurio a alta presión.

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Tubo de descarga y soporte: El tubo de descarga está hecho de cuarzo. Presenta una baja absorción a la radiación ultravioleta y a la visible, y posee la capacidad de soportar las altas temperaturas de trabajo involucradas. Electrodos: Cada electrodo principal se compone de una varilla de wolframio, cuyo extremo se encuentra revestido por una serpentina de wolframio impregnado con un material que favorece la emisión de electrones. El electrodo auxiliar es simplemente un trozo de alambre de molibdeno o wolframio colocado cerca de uno de los electrodos principales y conectado al otro mediante una resistencia de 25 k Ω. Ampolla exterior: Para lámparas de hasta 125 W de potencia, la ampolla exterior puede ser de vidrio de cal-soda. Sin embargo, las lámparas de potencias mayores se fabrican, generalmente, con vidrio duro de borosilicato, ya que puede soportar temperaturas de trabajo mayores y golpes térmicos. La ampolla exterior, que normalmente contiene un gas inerte (argón o una mezcla de argón y nitrógeno), protege al tubo de descarga de cambios en la temperatura ambiente y protege de corrosión a los componentes de la lámpara. Revestimiento de la ampolla: En la mayoría de las lámparas de mercurio de alta presión, la superficie interna de la ampolla exterior está cubierta por fósforo blanco para mejorar la reproducción de color de la lámpara y para aumentar su flujo luminoso. El fósforo convierte una gran parte de la energía ultravioleta radiada por la descarga en radiación visible, predominantemente en el extremo rojo del espectro. Gas de relleno: El tubo de descarga está relleno de un gas inerte (argón) y de una dosis precisa de mercurio destilado. El primero es necesario para ayudar a originar la descarga y para asegurar una vida razonable para los electrodos de emisión recubiertos. La ampolla exterior está rellena de argón o una mezcla de argón y nitrógeno a presión atmosférica. El agregado de nitrógeno sirve para prevenir un arco eléctrico entre los soportes de alambre de la ampolla. Estas lámparas precisan un equipo auxiliar que normalmente es un balasto con resistencia inductiva o transformador de campo de dispersión, además de un condensador de compensación. Cuando la lámpara se apaga, no volverá a arrancar hasta que se haya enfriado lo suficiente para bajar la presión del vapor al punto donde el arco volverá a encenderse. Este periodo es de unos cinco minutos.

8.6.3. 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 que poseen tanto una lámpara de mercurio puro como una lámpara incandescente. Partes principales A excepción del filamento y del gas utilizado en la ampolla externa, las partes de una lámpara de luz mezcla son las mismas que las ya descritas en las lámparas de vapor de mercurio a alta presión (Fig. 10).

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Casquillo Alambre Conductor-soporte Ampolla ovoide de vidrio duro

Resistencia de arranque.

Sustancia fluorescente. Gas de relleno inerte a baja presión Tubo de descarga

Electrodos principales Filamento incandescente

Figura 10. Lámpara de luz mezcla. Filamento: El filamento, que también actúa como un balasto de resistencia para el tubo de descarga, es un alambre de wolframio enrollado igual que en la lámpara incandescente. Está conectado en serie con el tubo de descarga y situado junto o alrededor del mismo, para obtener buena mezcla de luz y para fomentar el rápido encendido del tubo. Gas de relleno en ampollas externas: Así como en las lámparas incandescentes, el gas de relleno en lámparas de luz mezcla está compuesto de argón pero agregándole un porcentaje de nitrógeno para evitar un arco en el filamento. Comparada con la lámpara standard de vapor de mercurio a alta presión, se utiliza una presión mayor de llenado para mantener la evaporación del wolframio al mínimo. Las lámparas de luz mezcla tienen la ventaja de que pueden conectarse directamente a la red (no precisan de balasto y arrancador para su funcionamiento). Tardan unos dos minutos en el encendido y no se puede efectuar el re-encendido hasta que no se enfría.

8.6.4. Lámparas de halogenuros metálicos Son lámparas de vapor de vapor de mercurio a alta presión que además contienen halogenuros de tierras raras como el Dysprosio (Dy), Holmio (Ho) y el Tulio (Tm). Estos haluros son en parte vaporizados cuando la lámpara alcanza su temperatura normal operativa. El vapor de haluros se disocia después, dentro de la zona central caliente del arco, en halógeno y en metal consiguiendo así aumentar considerablemente la eficacia luminosa y aproximar el color al de la luz diurna solar. Se utilizan diversas combinaciones de halogenuros (sodio, yodo, ozono) a los que se añade escandio, talio, indio, litio, etc. Partes principales Casquillo

Casquillo

Ampolla tubular clara

Electrodos

Tubo de descarga de cuarzo

Ampolla elipsoidal difusora

Figura 11. Lámparas de halogenuros metálicos.

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Tubo de descarga: Es de cuarzo puro. A veces, se aplica una capa blanca de óxido de circonio en la parte externa de las cavidades del electrodo, para aumentar en ese punto la temperatura de la pared. Electrodos: Son similares a los que lleva la lámpara de vapor de mercurio a alta presión. Ampolla externa: El vidrio externo de la ampolla de las lámparas de halogenuros está hecho de vidrio duro o de cuarzo, y las hay que no poseen ampolla externa. La superficie interna de las ampollas con forma oval poseen una capa de fósforo para convertir la radiación ultravioleta de la descarga en radiación visible. Sin embargo, los haluros empleados en la lámpara de halogenuro metálico producen sólo una pequeña cantidad de ultra violeta, y principalmente, está irradiada en la zona de longitud de onda ultra violeta del espectro, donde la conversión en radiación visible es pobre. Gas de relleno en el tubo de descarga: El tubo de descarga está relleno de una mezcla de gases inertes (neón y argón o cripton-argón), una dosis de mercurio y los haluros apropiados, de acuerdo con el tipo de lámpara. Gas de relleno en la ampolla externa: La ampolla externa de una lámpara de halogenuro metálico cuyo tubo de descarga está relleno de una mezcla de neón-argón, también debe estar rellena de neón para que la presión de neón que se encuentra dentro y fuera del tubo sea la misma. En caso de que el tubo de descarga esté relleno de una mezcla cripton-argón, se puede utilizar nitrógeno en la ampolla externa, o bien, esta última puede ser eliminada. Las condiciones de funcionamiento de las lámparas de halogenuros metálicos son muy parecidas a las de vapor de mercurio convencionales, estando dispuestas para ser conectadas en serie con un balasto limitador de la corriente, necesitando un condensador de compensación. Debido a los halogenuros, la tensión de encendido de estas lámparas es elevada, necesitando el empleo de un cebador o de un aparato de encendido con tensiones de choque de 0’8 a 5 KV. La mayoría de estas lámparas permiten un re-encendido inmediato con las lámparas en caliente (después de apagadas), mediante el empleo de tensiones de choque de 35 a 60 KV, si no, es necesario que se enfríen entre cuatro y quince minutos para que se enciendan nuevamente.

8.7. Lámparas de descarga en vapor de sodio En esta parte vamos a ver las lámparas de descarga en cuyo tubo de descarga se introduce vapor de sodio. Se incluyen las lámparas de vapor de sodio a baja presión y las lámparas de sodio a alta presión.

8.7.1. Lámparas de sodio a baja presión Existe una gran similitud entre el trabajo de una lámpara de vapor de sodio a baja presión y una lámpara de vapor de mercurio a baja presión (o fluorescente). Sin embargo, mientras que en la última la luz se produce al convertir la radiación ultravioleta de la descarga de mercurio en radiación visible, utilizando un polvo fluorescente en la superficie interna, en la primera la radiación visible se produce por la descarga directa del sodio. Principio de trabajo El tubo de descarga de una lámpara de sodio de baja presión es en general, en forma de U y está contenido en una cubierta exterior de vidrio tubular vacío, con capa de óxido de indio en la superficie interna. El vacío, junto con la capa, la cual actúa como un reflector selectivo de infrarrojo, ayuda a mantener la pared del tubo de descarga a una temperatura de trabajo adecuada. Estas medidas son necesarias para que el sodio, que cuando se condensa se deposita en hendiduras del vidrio, se evapore con una pérdida mínima de calor; debido a eso, se logra la mayor eficiencia luminosa posible. El gas neón presente dentro de la lámpara, sirve para iniciar la descarga y para desarrollar el calor suficiente como para vaporizar el sodio. Esto responde por la luminiscencia rojo-anaranjada durante los primeros pocos minutos de trabajo. El sodio metálico se evapora en forma gradual, debido a eso, se produce la característica luz amarilla monocromática, con líneas de 589 nm. y 589’6 nm. en el espectro. El color rojo, que en principio se produce por la descarga de neón, se suprime energicamente durante el funcionamiento porque los potenciales de excitación y de ionización de sodio son mucho menores que los del neón. La lámpara alcanza su flujo luminoso establecido en aproximadamente diez minutos. Volverá a arrancar de forma inmediata en caso de que el suministro de alimentación se interrumpa momentáneamente, ya que la presión de vapor es bastante baja y el voltaje aplicado suficiente como para restablecer el arco.

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La lámpara posee una eficiencia luminosa de hasta 200 lm/W y una larga vida. Por lo tanto, esta lámpara se aplica en aquellos lugares donde la reproducción de color es de menor importancia y donde cuenta, principalmente, el reconocimiento de contraste, por ejemplo: autopistas, puertos, playas, etc. Existen lámparas de sodio de baja presión con potencias que van desde 18 W a 180 W. Partes principales Casquillo de bayoneta

Puntos depósito de sodio no vaporizado

Electrodos de doble o triple espiral con materia emisora de electrones

Ampolla exterior transparente

Tubo de descarga en forma de "U"

Figura 12. Lámpara de sodio a baja presión. Tubo de descarga y soportes: El tubo de descarga de una lámpara de sodio de alta presión es en forma de U, para aprovechar espacio y proveer un mejor aislamiento térmico. Está hecho de vidrio cal-soda, y posee una superficie interna revestida de vidrio de borato para formar una capa protectora contra el vapor de sodio. El tubo contiene además, un número de pequeñas hendiduras, o agujeros, donde se deposita el sodio durante la fabricación. Relleno del tubo de descarga: El relleno del tubo de descarga consiste en sodio metálico de alta pureza y en una mezcla de neón y argón, la cual actúa como un gas de arranque y de amortiguación. Electrodos: Las lámparas de sodio de baja presión poseen electrodos de arranque frío. Estos consisten en un alambre de wolframio triple, de manera que puede mantener una gran cantidad de material emisor. Ampolla externa: Está vacía y se reviste en su superficie interna con una fina película de material reflector infrarrojo. El reflector infrarrojo sirve para reflejar la mayor parte de la radiación de calor que vuelve al tubo de descarga, manteniéndolo de ese modo, a la temperatura deseada, mientras que transmite la radiación visible. Estas lamparas precisan de un equipo auxiliar formado por alimentador con autotransformador o balasto e ignitor con tensión de impulso según tipo. Precisan condensador de compensación. Los valores nominales se alcanzan al cabo de quince minutos del encendido. Cuando se apaga la lámpara, necesita enfriarse unos minutos para encenderse nuevamente.

8.7.2. Lámparas de sodio a alta presión Físicamente, la lámpara de sodio alta presión es bastante diferente de la lámpara de sodio baja presión, debido a que la presión de vapor es más alta en la primera. Este factor de presión también es causa de muchas otras diferencias entre las dos lámparas, incluyendo las propiedades de la luz emitida. El tubo de descarga en una lámpara de sodio de alta presión contiene un exceso de sodio para dar condiciones de vapor saturado cuando la lámpara está en funcionamiento. Además posee un exceso de mercurio para proporcionar un gas amortiguador, y se incluye xenón, para facilitar el encendido y limitar la conducción de calor del arco de descarga a la pared del tubo. El tubo de descarga se aloja en una envoltura de vidrio protector vacía. Las lámparas de sodio de alta presión irradian energía a través de una buena parte del espectro visible. Por lo tanto, en comparación con la lámpara de sodio baja presión, ofrecen una reproducción de color bastante aceptable. Partes principales Las partes principales de una lámpara de vapor de sodio a alta presión son las siguientes:

106

LUMINOTECNIA 2002


Ampolla exterior clara

Casquillo

Tubo de descarga

Ampolla exterior difusora

Figura 13. Lámparas de vapor de sodio a alta presión. Tubo de descarga: El tubo de descarga está hecho de cerámica de óxido de aluminio (aluminio sinterizado) muy resistente al calor y a las reacciones químicas con el vapor de sodio. Electrodos: Los electrodos, cubiertos por una capa de material emisor, consisten en una varilla de wolframio con una serpentina de wolframio enroscada alrededor de la misma. Relleno: En el interior del tubo de descarga se encuentran sodio, mercurio y un gas nobles (xenón o argón) de los cuales es el sodio el principal productor de luz. Ampolla externa: Esta ampolla está generalmente vacía. La forma puede ser tanto ovoidal como tubular. La primera posee un revestimiento interno. Sin embargo, ya que el tubo de descarga de la lámpara de sodio alta presión no produce, prácticamente, ninguna radiación ultra violeta, el revestimiento es simplemente una capa difusa de polvo blanco, para disminuir el elevado brillo del tubo de descarga. La ampolla tubular es siempre de vidrio claro. Arrancadores y arrancadores auxiliares: Muchas de las lámparas de sodio de alta presión poseen un arrancador auxiliar incorporado, el cual ayuda a reducir la medida del voltaje pico de encendido que se necesita para encender la lámpara. A veces ambos, el arrancador incorporado y el arrancador auxiliar, se encuentran en la misma lámpara. Estas lámparas precisan de un equipo auxiliar formado por un balasto e ignitor con tensión de impulso según tipo. También necesitan un condensador de compensación. Los valores nominales se alcanzan al cabo de cinco minutos de encendido. Cuando se apaga una lámpara, debido a la gran presión del quemador, necesita enfriarse entre cuatro y quince minutos para encenderse nuevamente.

8.8. Lámparas de inducción Las partes más vulnerables de toda lámpara a descarga son los electrodos. Durante su vida útil, las lámparas reducen y pierden su potencia emisora por el impacto de iones rápidos o por reacciones químicas con vapores enérgicos en el tubo de descarga. Los electrodos en las lámparas a descarga de alta presión, producen además una gran cantidad de radiación infrarroja derrochada, la cual disminuye la eficiencia de la lámpara. La lámpara de inducción, introduce un concepto totalmente nuevo en la generación de la luz. Basada en el principio de descarga de gas de baja presión, la principal característica del sistema de lámpara nuevo, es que prescinde de la necesidad de los electrodos de originar la ionización del gas. Existen en la actualidad dos sistemas distintos para producir esta nueva ionización del gas sin electrodos.

LUMINOTECNIA 2002

107


8.8.1. Lámparas fluorescentes de alta potencia sin electrodos La descarga en esta lámpara no empieza y acaba en dos electrodos como en una lámpara fluorescente convencional. La forma de anillo cerrado del vidrio de la lámpara permite obtener una descarga sin electrodos, ya que la energía es suministrada desde el exterior por un campo magnético. Dicho campo magnético está producido en dos anillos de ferrita, lo que constituye una importante ventaja para la duración de la lámpara. Nucleo de ferrita

Campo magnético Recubrimiento fluorescente

Bobina

Radiación ultravioleta Electrón Luz visible Atomo de mercurio

Figura 14. Lámpara fluorescente de alta potencia sin electrodos. El sistema consta, además del tubo fluorescente sin electrodos, de un equipo de control electrónico (a una frecuencia de 250 kHz aproximadamente) separado de la lámpara, lo que permite conservar la energía óptima de la descarga en la lámpara fluorescente y alcanzar una alta potencia lumínica con una buena eficacia. Las principales ventajas de esta lámpara son: - Duración de vida extremadamente larga: 60.000 horas. - Potencia de lámparas 100 y 150 W. - Flujo luminoso hasta 12.000 lúmenes. - Eficacia luminosa de 80 lm/W. - Bajo perfil geométrico que permite el desarrollo de luminarias planas. - Luz confortable sin oscilaciones. - Arranque sin parpadeos ni destellos. Estas lámparas son especialmente indicadas para aquellas aplicaciones donde las dificultades de sustitución de las lámparas incrementan los costos de mantenimiento excesivamente, como por ejemplo, iluminación de túneles, techos de naves industriales muy altos y de difícil acceso, etc.

8.8.2. Lámparas de descarga de gas a baja presión por inducción Este tipo de lámpara consta de un recipiente de descarga que contiene el gas a baja presión y un acoplador de potencia (antena). Dicho acoplador de potencia, compuesto por un núcleo cilíndrico de ferrita, crea un campo electromagnético dentro del recipiente de descarga que induce una corriente eléctrica en el gas generando su ionización. La energía suficiente para iniciar y mantener la descarga es suministrada a la antena por un generador de alta frecuencia (2’65 MHz) mediante un cable coaxial de longitud determinada, ya que forma parte del circuito oscilador.

108

LUMINOTECNIA 2002


Ampolla

Acoplador de potencia

Figura 15. Lámpara de descarga de gas por inducción. Las principales ventajas de estas lámparas son: - Duración extremadamente larga: 60.000 horas. - Potencias de lámparas de 55, 85 y 165 W. - Flujo luminoso hasta 12.000 lúmenes. - Eficacia luminosa entre 65 y 81 lm/W. - Encendido instantáneo libre de parpadeos y efectos estroboscópicos. - Agradable luz de gran confort visual. Estas lámparas se utilizan para muchas aplicaciones de alumbrado general y especial, principalmente para la reducción de costos de mantenimiento, como en edificios públicos, alumbrado público exterior, aplicaciones industriales, etc.

8.9. Tablas de características 8.9.1. Lámparas fluorescentes Fluorescente lineal TL Vida útil aproximada: 7.500 horas Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

Casquillo

IRC

Grado

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

Ra

cromático

18

1.350

75,00

26

0.590

G 13

85

1B

18

1.150

63,88

26

0.590

G 13

62

2B

18

1.100

61,11

26

0.590

G 13

75

2A

18

1.000

55,55

26

0.590

G 13

98

1A

36

3.350

93,05

26

1.200

G 13

85

1B

36

2.850

79,16

26

1.200

G 13

62

2B

36

2.600

72,22

26

1.200

G 13

75

2A

36

2.350

65,27

26

1.200

G 13

98

1A

58

5.200

89,65

26

1.500

G 13

85

1B

58

4.600

79,31

26

1.500

G 13

62

2B

58

4.100

70,68

26

1.500

G 13

75

2A

58

3.750

64,65

26

1.500

G 13

98

1A

LUMINOTECNIA 2002

109


Fluorescente compacta TC-D de 2 pins Tensión de red: 230 V. Vida útil aproximada: 10.000 horas. Potencia

Flujo

Rendimiento

Anchura

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

en mm

L en mm

Casquillo

IRC

Grado

Ra

cromático

13

0.900

69,23

27

138

G24d-1

85

1B

18

1.200

66,66

27

153

G24d-2

85

1B

26

1.800

69,23

27

172

G24d-3

85

1B

Casquillo

IRC

Grado

Ra

cromático

Fluorescente compacta TC-D de 4 pins Tensión de red: 230 V. Vida útil aproximada: 10.000 horas. Potencia

Flujo

Rendimiento

Anchura

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

en mm

L en mm

13

0.900

69,23

27

131

G24q-1

85

1B

18

1.200

66,66

27

146

G24q-2

85

1B

26

1.800

69,23

27

165

G24q-3

85

1B

Casquillo

IRC

Grado

Ra

cromático

Fluorescente compacta TC-L de 4 pins Tensión de red: 230 V. Vida útil aproximada: 10.000 horas. Potencia

Flujo

Rendimiento

Anchura

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

en mm

L en mm

18

0.750

41,66

38

225

2G11

95

1A

24

1.200

50,00

38

320

2G11

95

1A

36

1.900

52,77

38

415

2G11

95

1A

40

2.200

55,00

38

535

2G11

95

1A

55

3.000

54,54

38

535

2G11

95

1A

8.9.2. Lámparas de vapor de mercurio a alta presión Vida útil: 14.000 horas. Temperatura de color: 3.500 K 4.200 K Índice de reproducción cromática (IRC): 50

110

Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

Casquillo

0.050

01.800

36,00

55

130

0.080

03.800

47,50

70

156

E-27

0.125

06.300

50,40

75

170

E-27

E-27

0.250

13.000

52,00

90

226

E-40

0.400

22.000

55,00

120

290

E-40

0.700

38.500

55,00

140

330

E-40

1.000

58.000

58,00

165

390

E-40

LUMINOTECNIA 2002


8.9.3. Lámparas de luz mezcla Vida útil: 6.000 horas. Temperatura de color: 3.500 K 4.200 K Índice de reproducción cromática (IRC): 50 Tensión de red: 230 V. Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

Casquillo

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

160

03.100

19,37

075

180

250

05.600

22,40

090

226

E-40

500

14.000

28,00

125

275

E-40

Casquillo

E-27

8.9.4. Lámparas de halogenuros metálicos Vida útil: 2.500 14.000 horas. Temperatura de color: 3.000 K 6.000 K Índice de reproducción cromática (IRC): 60 93 Halogenuros metálicos compactas Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

035

03.400

97,14

19

100

075

05.500

73,33

25

084

G12

150

12.500

83,33

25

084

G12

Casquillo

G12

Halogenuros metálicos dos casquillos Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

0.070

005.500

078,57

20

114

RX7s

0.150

013.500

090,00

24

132

RX7s

0.250

020.000

080,00

25

163

Fc2

0.400

038.000

095,00

31

206

Fc2

1.000

090.000

090,00

≈40

-

Cable

2.000

220.000

110,00

≈40

-

Cable

Casquillo

Halogenuros metálicos un casquillo forma tubular clara Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

0.250

020.000

080,00

045

225

E-40

0.400

042.000

105,00

045

275

E-40

1.000

080.000

080,00

075

340

E-40

2.000

240.000

120,00

100

430

E-40

3.500

320.000

091,42

100

430

E-40

LUMINOTECNIA 2002

111


Halogenuros metálicos un casquillo forma elipsoidal con capa difusora Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

Casquillo

0.070

04.900

070,00

055

140

E-27

0.100

08.000

080,00

055

140

E-27

0.150

12.000

080,00

055

140

E-27

0.400

43.000

107,50

120

290

E-40

1.000

90.000

090,00

165

380

E-40

Casquillo

8.9.5. Lámparas de sodio a baja presión Vida útil: 14.000 horas. Temperatura de color: 1.800 K Índice de reproducción cromática (IRC): NULO. Vapor de sodio baja presión forma tubular clara capa reflectora Infrarroja Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

018

01.800

100,00

55

0.215

BY-22d

035

04.600

131,42

55

0.310

BY-22d

055

08.100

147,27

55

0.425

BY-22d

090

13.000

144,44

70

0.530

BY-22d

135

22.500

166,66

70

0.775

BY-22d

180

32.000

177,77

70

1.120

BY-22d

Rendimiento

Diámetro

Longitud

Casquillo

Vapor de sodio baja presión forma tubular clara Potencia

112

Flujo

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

026

03.500

134,61

55

215

BY-22d

036

05.750

159,72

55

310

BY-22d

066

10.700

162,12

55

425

BY-22d

091

17.000

186,81

70

530

BY-22d

131

25.000

190,83

70

775

BY-22d

LUMINOTECNIA 2002


8.9.6. Lámparas de sodio a alta presión Vida útil: 12.000 18.000 horas. Temperatura de color: 2.000 K 2.200 K Índice de reproducción cromática (IRC): 20 65 Vapor de sodio alta presión forma tubular clara Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

Casquillo

0.050

004.000

080,00

40

155

0.070

006.500

092,85

40

155

E-27

0.100

010.000

100,00

45

210

E-40

E-27

0.150

017.000

113,33

45

210

E-40

0.250

033.000

132,00

45

255

E-40

0.400

055.500

138,75

45

285

E-40

0.600

090.000

150,00

55

285

E-40

1.000

130.000

130,00

65

400

E-40

Casquillo

Vapor de sodio alta presión elipsoidal capa difusa Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

00.50

003.500

070,00

070

155

E-27

00.70

005.600

080,00

070

155

E-27

0.100

010.000

100,00

075

185

E-40

0.150

014.000

093,33

090

225

E-40

0.250

025.000

100,00

090

225

E-40

0.400

047.000

117,50

120

290

E-40

1.000

128.000

128,00

165

400

E-40

Casquillo

Vapor de sodio alta presión dos casquillos Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

070

07.000

100,00

20

115

RX7s

150

15.000

100,00

25

130

RX7s-24

250

25.500

102,00

25

205

Fc2

400

48.000

120,00

25

205

Fc2

Casquillo

Vapor de sodio alta presión de lujo forma tubular Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

150

12.500

83,33

45

210

E-40

250

23.000

92,00

45

255

E-40

400

39.000

97,50

45

285

E-40

LUMINOTECNIA 2002

113


Vapor de sodio alta presión de lujo forma elipsoidal capa difusa Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

Ø en mm

L en mm

Casquillo

150

12.000

80,00

090

225

E-40

250

22.000

88,00

090

225

E-40

400

37.500

93,75

120

285

E-40

8.9.7. Lámparas fluorescentes de alta potencia sin electrodos (inducción) Tensión de red: 230 V. Vida útil aproximada: 60.000 horas. Potencia

Flujo

Rendimiento

Anchura

Longitud

nominal

φ (lm)

Lm/W

en mm

L en mm

100 W

8.000

80,00

139

313

150 W

12.000

80,00

139

414

Casquillo

IRC

Grado

Ra

cromático

-

80 (840/835)

1B

-

80 (840/835)

1B

8.9.8. Lámparas de descarga de gas a baja presión por inducción Tensión de red: 230 V. Vida útil aproximada: 60.000 horas.

114

Potencia

Flujo

Rendimiento

Diámetro

Altura

nominal

φ (lm)

Lm/W

en mm

en mm

Casquillo

IRC Ra

55 W

3.500

65

85

140.5

-

80 (840/830/827)

85 W

6.000

70

111

180,5

-

80 (840/830/827)

165 W

12.000

70

130

210

-

80 (840/830/827)

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 9.

EQUIPOS AUXILIARES DE REGULACIÓN Y CONTROL

9.1.

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.2.

Balastos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.3.

Arrancadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

9.4.

Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

9.5.

Equipos de ahorro de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

9.6.

Equipos eléctricos de las diferentes lámparas de descarga. Circuitos. 134

LUMINOTECNIA 2002

115

116

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 9. EQUIPOS AUXILIARES DE REGULACIÓN Y CONTROL

9.1. Generalidades En este capítulo vamos a tratar sobre los equipos auxiliares que necesitan las lámparas para su correcto funcionamiento. El equipo a montar depende del tipo de lámpara. Las lámparas de incandescencia, halógenas y de luz mezcla se pueden conectar directamente a la red sin necesidad de ningún equipo auxiliar o mediante un transformador, debido a que, por sus características, tienen la propiedad de que la intensidad que pasa por ellas y la tensión aplicada son proporcionales. Las lámparas de descarga tienen la particularidad de que la relación entre la intensidad que pasa por ellas y la tensión aplicada no son proporcionales, es decir, que la relación tensión-corriente no es lineal sino negativa; dicho de otra forma, la tensión del arco depende poco de la corriente que la atraviesa. Dependiendo de la tensión aplicada, si se produce el arranque, puede ocurrir que la intensidad de la corriente se eleve enormemente hasta provocar la destrucción de la lámpara o que la corriente fluctúe desproporcionalmente con pequeñas variaciones de tensión. Por estas razones, es indispensable utilizar algún dispositivo estabilizador de la corriente si se pretende conseguir un funcionamiento correcto.

Estabilización de la descarga El elemento más sencillo que pudiera aplicarse es una resistencia. Esta solución no es recomendable en corriente alterna, porque la lámpara no luce prácticamente más que cuando la tensión aplicada al conjunto alcanza valores instantáneos superiores a la tensión de arco, lo que se traduce en parpadeo de la lámpara. Por ello, este tipo de estabilización se utiliza casi exclusivamente alimentando con corriente continua. Otro elemento que también pudiera aplicarse para la estabilización de la descarga es un condensador. Esta solución es inadmisible en la frecuencia normal de 50 Hz. (y por descontado en corriente continua) porque la corriente de la lámpara se distorsiona con exceso al producirse fuertes picos de corta duración; con ello la lámpara emitiría luz a golpes y se agotaría prematuramente. Sin embargo, este sistema puede emplearse con alimentación con frecuencias más altas (por encima de 300 Hz.) y tiene la ventaja de mayor rendimiento luminoso de la lámpara. El elemento más conocido en la práctica normal para estabilizar las lámparas de descarga, lo constituye una reactancia inductiva que limita con bastante eficacia, sencillez y economía la intensidad de la corriente de descarga. La distorsión de la corriente en la lámpara que produce es tolerable y generalmente sin parpadeos y aunque desplaza la fase entre la tensión de la lámpara y la de la red de alimentación, esto puede corregirse fácilmente mediante condensadores en paralelo con la línea. Cuando la tensión de la que se dispone en la línea no es suficiente para permitir el encendido de la lámpara, se puede acudir para elevarla a transformadores o autotransformadores previos. A fin de simplificar el conjunto, se hace uso de los llamados autotransformadores a fugas (también llamados de dispersión) que incorporan en su secundario la reactancia inductiva precisa. Una vez que se dispone de un transformador a fugas adecuado, si lo que pretendemos es hacer funcionar una lámpara fluorescente que precisa el caldeo de sus cátodos para el arranque, se introduce un cebador o se puede prescindir de él incorporando al autotransformador dos nuevos arrollamientos para el correcto caldeo. Paralelamente a la evolución anterior, fue utilizar el condensador necesario para corregir el factor de potencia. Una reactancia inductiva en serie con un condensador constituye un regulador de intensidad. Utilizando correctamente los elementos con ligeras alteraciones en los mismos, se construyen equipos complejos en los que el condensador en serie con el secundario del transformador y a veces con el primario o parte de él mejora la estabilidad de la lámpara frente a fuertes variaciones de tensión en la línea, además de corregir simultáneamente el factor de potencia y cos del conjunto a mejor valor que si se utiliza simplemente un condensador en paralelo con la línea.

Equipos auxiliares de las lámparas de descarga Analicemos, de forma general, los equipos que suelen llevar las lámparas de descarga para su correcto funcionamiento. Al final de este capítulo se expondrán algunos circuitos representativos de las diferentes lámparas de descarga. Lámparas fluorescentes La lámpara fluorescente posee características de resistencia negativa y por lo tanto se debe operar en forma conjunta con un dispositivo de corriente limitada (balasto) para evitar que la corriente se escape. El balasto, que posee características de resistencia positiva, puede ser:

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- Balasto resistivo: Para corriente continua. - Balasto inductivo: Es el balasto de mayor uso para aplicaciones normales de corriente alterna. - Balasto electrónico: Es el más caro, pero ofrece ventajas importantes respecto a los anteriores. La corrección del factor de potencia se logra colocando un condensador en paralelo con el circuito de la lámpara o utilizando, en circuitos que contienen varias lámparas, balastos capacitivos para la mitad de las lámparas y balastos inductivos sin compensación para la otra mitad. Para el encendido de la lámpara se necesita algún tipo de ayuda, debido a que la resistencia interna de la lámpara fluorescente apagada se encuentra demasiado fría para encenderse automáticamente cuando se le aplica el voltaje de la red. En lo que respecta al encendido, los circuitos de las lámparas fluorescentes se pueden dividir en tres grupos: - Circuitos con arrancador precalentado: El encendido lo controla un arrancador (cebador) convencional o electrónico. - Circuitos sin arrancador precalentado: Estas lámparas pueden operar con dos tipos diferentes de circuito, el de encendido instantáneo (circuito semi-resonante) y el de encendido rápido (circuito no-resonante). - Circuitos de encendido frío: Son para lámparas que están dotadas de una banda interna para facilitar el encendido inmediato sin precalentamiento y sin cebador. Lámparas de vapor de mercurio a alta presión En la lámpara de mercurio, aparte de la reactancia no es necesario equipo de arranque. Se usan balastos inductivos compensados que pueden ser utilizados tanto en circuitos de compensación paralela como en circuitos de compensación en serie. Ambos circuitos llevan un condensador para compensar el factor de potencia. Lámparas de halogenuros metálicos Las condiciones de funcionamiento de las lámparas de halogenuros metálicos son muy parecidas a las de vapor de mercurio convencionales, estando dispuestas para ser conectadas en serie con un balasto limitador de la corriente. Pero debido a los halogenuros, la tensión de encendido de estas lámparas es elevada y necesitan el empleo de un cebador o ignitor. El balasto a conectar a la lámpara de halogenuros depende de las propiedades de ésta. Por ejemplo, las lámparas denominadas de tres bandas emplean balastos destinados a lámparas de mercurio a alta presión, pero las lámparas de tierras raras funcionan mejor con balastos de lámparas de sodio de alta presión. Lámparas de vapor de sodio a baja presión Estas lámparas precisan de un equipo auxiliar que puede ser: - Balasto, con o sin ignitor separado: Debido al bajo voltaje de la lámpara, éstas pueden operar en circuitos comparativamente simples. Estos consisten, básicamente, en un balasto en serie con la lámpara y un arrancador en paralelo. Para la corrección del factor de potencia se utiliza un condensador en paralelo. - Transformador con ignitor separado: En este circuito se mantiene la potencia casi constante de la lámpara durante toda su vida. Consiste en un balasto, un condensador en serie para la corrección del factor de potencia y un ignitor electrónico. Lámparas de vapor de sodio a alta presión Al igual que en las lámparas de halogenuros metálicos, y debido a la alta presión a la que se encuentra el gas, para el encendido es necesario aplicar altas tensiones de choque. Por ello, las lámparas de sodio alta presión operan normalmente con un balasto y un arrancador. Algunas lámparas poseen un arrancador incorporado, pero la mayoría utilizan un dispositivo de arranque externo. Principalmente existen dos tipos de circuitos, ya sea con el arrancador conectado en serie o en paralelo con la lámpara: - Circuito con arrancador en serie: El arrancador está conectado entre el balasto y la lámpara. - Circuito con arrancador en semiparalelo: El arrancador está conectado a la lámpara a través de la reactancia. La corrección del factor de potencia en ambos circuitos, puede lograrse con un condensador en forma de compensación en paralelo.

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Lámparas de inducción La lámpara de inducción se encuentra conectada a la red a través de un generador de alta frecuencia, que está compuesto por un sistema de circuitos electrónicos. La conexión entre la lámpara y el generador se hace por medio de un cable coaxial que forma parte de un circuito oscilador, por lo tanto su longitud no puede ser modificada.

9.2. Balastos 9.2.1. Introducción Las reactancias o balastos son accesorios para utilizar en combinación con las lámparas de descarga, que en forma de impedancias inductivas, capacitivas o resistivas, solas o en combinación, limitan la corriente que circula por aquellas a los valores exigidos para un funcionamiento adecuado. Además, cuando es necesario, suministran la tensión y corriente de arranque requeridas y en el caso de reactancias de arranque rápido, las bajas tensiones necesarias para el caldeo de los cátodos de las lámparas. Dadas las características que ofrecen de rendimiento y funcionamiento correcto de la lámpara, las más utilizadas son las de tipo inductivo. También se utiliza la combinación de reactancia inductiva-capacitiva. Las de resistencia y las capacitivas por sí solas no se utilizan ya que las primeras ocasionan muchas pérdidas dando por tanto un bajo rendimiento y las segundas dan una potencia bajísima en la lámpara por la gran deformación de la onda de la corriente de la misma que originan. Por su forma de instalación se clasifican en: - Reactancia independiente, que está cubierta con una protección especial para funcionar al exterior. - Reactancia para incorporar, que requiere una protección secundaria como puede ser, una caja, una luminaria, etc.

9.2.2. Función que cumple la reactancia La reactancia es elemento fundamental en cualquier instalación de alumbrado con lámparas de descarga, ya que sin ellas, las lámparas no podrían funcionar. Dada la gran variedad de lámparas existentes muy diferentes en tipo, tamaño, color, etc., se requieren reactancias adecuadas a cada una, que les suministre los parámetros precisos en cada caso y en cada momento, es decir, satisfaga las necesidades de arranque y posteriormente las de operación normal. De forma general las funciones que cumple la reactancia son: - Proporcionar la corriente de arranque o de precalentamiento de cátodos para conseguir en éstos la emisión inicial de electrones. - Suministrar la tensión de salida en vacío suficiente para hacer saltar al arco en el interior de la lámpara. - Limitar la corriente en la lámpara a los valores adecuados para un correcto funcionamiento. - Controlar las variaciones de la corriente en la lámpara, frente a variaciones de la tensión de alimentación. Lo que se conoce como tener buena regulación.

9.2.3. Normativa que deben cumplir las reactancias Homologación de las reactancias Las reactancias deben ser fabricadas según las normas nacionales e internacionales correspondientes. Como consecuencia, las que han sido ensayadas y homologadas por los diferentes organismos, llevaran impreso en símbolo del organismo (Fig. 1.).

AENOR ESPAÑA

ALEMANIA

IMQ-ITALIA

IRAM-ARGENTINA

SLOVAQUIA

CENELEC-AENOR

Figura 1. Ejemplo de marcas de homologación de los diferentes organismos.

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La posesión de dichas homologaciones permite circular a estos productos por los países que engloben dichas marcas. Normas de referencia Las normas que regulan la seguridad y el funcionamiento de las reactancias para lámparas de alta intensidad de descarga, son: UNE-EN 60922:

Reactancias para lámparas de descarga (excepto lámparas tubulares fluorescentes). Prescripciones generales y de seguridad.

UNE-EN 60923:

Reactancias para lámparas de descarga (excepto lámparas tubulares fluorescentes). Prescripciones de funcionamiento.

ANSI C82.4:

Reactancias para lámparas de alta intensidad de descarga y sodio baja presión.

UNE-EN 60662:

Lámparas de vapor de sodio a alta presión.

UNE-EN 61167:

Lámparas de halogenuros metálicos

UNE-EN 60188:

Lámparas de vapor de mercurio a alta presión.

UNE-EN 60192:

Lámparas de vapor de sodio a baja presión.

UNE-EN 60598:

Luminarias.

Directivas comunitarias Para poder utilizar los aparatos eléctricos y electrónicos en la Comunidad Europea, es obligatorio que sean portadores de la marca “CE”, la cual significa Conformidad Europea, y representa el cumplimiento de las siguientes Directivas Comunitarias a las que están sujetos los productos de iluminación: - Directiva de Baja Tensión (LV) 73/23/EEC, obligatoria desde 1-1-97 y aplicable a todos los aparatos eléctricos de tensión nominal de 50 a 1.000 V. en corriente alterna y 75 a 1.500 V. en corriente continua. - Directiva de Compatibilidad Electromagnética (EMC) 89/366/EEC, obligatoria desde 1-1-96 y aplicable a todos los aparatos eléctricos y electrónicos que pueden generar radio-interferencias o verse afectados por perturbaciones generadas por otros aparatos de su entorno. Normas de referencia Para la Directiva de Baja Tensión (LV) son obligatorias las normas de seguridad sobre el producto. Para las correspondientes a Compatibilidad Electromagnética (EMC), son aplicables las siguientes normas: UNE-EN 50081-1:

Compatibilidad Electromagnética. Norma genérica de emisión.

UNE-EN 55015:

Perturbaciones radioeléctricas de las lámparas fluorescentes y luminarias.

EN 61000-3-2:

Perturbaciones de los sistemas de alimentación. Armónicos.

EN 61547:

Luminarias para aplicaciones generales. Prescripciones de inmunidad.

Los requerimientos de emisión de radio-interferencias, armónicos e inmunidad aplicables, deben ser comprobados con la luminaria o en la instalación donde se van a utilizar las reactancias. Armónicos Un armónico es una perturbación introducida en la red por equipos eléctricos. En los sistemas de iluminación se supone que la energía se recibe a una sola frecuencia y que ésta es constante. La constancia de la frecuencia en las distribuciones de energía está generalmente conseguida. Sin embargo, por diversas circunstancias, la onda fundamental puede estar contaminada con armónicos indeseables (por ejemplo, producidos por conversores de frecuencia asociados, etc.). El estudio de dicha contaminación por armónicos es muy complejo porque sus consecuencias dependen de la amplitud y el orden de la frecuencia armónica así como de la situación sobre la fundamental.

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Conviene señalar que, si la situación de los armónicos sobre la onda fundamental hace que la onda compuesta tienda a ser cuadrada, las bobinas de impedancia no limitan suficientemente la intensidad que recibe la lámpara puesto que en estas condiciones, la tensión alterna se asemeja a una tensión continua pulsatoria frente a la cual los choques inductivos no responden eficazmente. Se puede establecer un modelo matemático para el estudio de la tensión en los distintos dispositivos del circuito eléctrico (lámpara, balasto, etc.), y descomponerlo en una serie de Fourier, quedándonos con los dos primeros términos como aproximación aceptable. Los armónicos terceros y sucesivos que se producen en la utilización de núcleos magnéticos (balastos magnéticos) en los alumbrados con lámparas de descarga y la generación de armónicos impares por parte de las propias lámparas, tiene dos consecuencias inmediatas: 1ª- Los condensadores de corrección del factor de potencia, no son capaces de corregir el factor de potencia hasta la unidad, sino que al añadirse más capacidad a dichos condensadores, se pasa a un circuito capacitivo. 2ª- En los sistemas trifásicos con neutro, la corriente en el neutro se llega a hacer similar a la de las fases, porque aún cancelándose la frecuencia fundamental a igualdad de cargas, es decir con fases equilibradas, los terceros armónicos están en fase y por lo tanto se suman. Si los aparatos que se alimentan de la línea trifásica con neutro sólo tomaran la frecuencia fundamental, el neutro no llevaría corriente en el caso de equilibrio de cargas sobre las fases. Si en cambio, los aparatos toman una corriente que contenga el 33’3% del tercer armónico, el hilo neutro se carga con la misma corriente que las fases, aunque su frecuencia sea el triple de la fundamental. En la práctica, para que esto no ocurra en las líneas de alumbrado, se han establecido límites en las distorsiones de corriente admisibles de caso armónico impar, ya que los pares se anulan (ver las Normas IEC 1000-3-2, IEC 1000-3-3 o EN 61000-3-2 y EN 61000-3-3). No obstante, el neutro debe dimensionarse al mismo tamaño que los de las fases, según exige el Reglamento de Baja Tensión, para evitar sorpresas con materiales de baja calidad. Otro problema típico de la alimentación contaminada de frecuencias armónicas es el fenómeno de resonancia, que puede producirse en aquellos equipos que están compuestos de reactancia inductiva y condensador en serie. Estos equipos son especiales y conocidos como reguladores, autorreguladores o balastos de potencia constante.

9.2.4. Balastos electromagnéticos Los balastos electromagnéticos están compuestos, principalmente, por un gran número de bobinas de cobre sobre un núcleo de hierro laminado. En ellas se produce una pérdida de calor que ocurre a través de la resistencia óhmica de las bobinas y la histéresis en el núcleo, y que depende mucho de la construcción mecánica de los balastos y del diámetro del alambre de cobre.

Tipos de reactancias Reactancia de choque Este tipo de reactancia inductiva, formado por una simple bobina con su núcleo magnético correspondiente, conectada eléctricamente en serie con la lámpara, es el más comúnmente utilizado; constituye un conjunto de bajo factor de potencia que puede ser corregido colocando un condensador en paralelo con la red (Fig. 2). Balasto F Red

Condensador

N Lámpara

Figura 2

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Este tipo de reactancia, es económica, ligera y de dimensiones reducidas, proporciona una pobre regulación de potencia, frente a las variaciones de la tensión de alimentación (alrededor del 20% de oscilación de la potencia, para variaciones de tensión del 10%) y la corriente de arranque es elevada respecto a la de funcionamiento, debiendo dimensionarse los circuitos para ese valor. Esto hace que la vida de la lámpara se vea reducida considerablemente si la tensión de la red fluctúa más del 5%. Por lo tanto, este tipo de reactancias es adecuado siempre que se utilice en las debidas condiciones de estabilidad de la tensión. Reactancia autotransformadora Cuando las redes de alimentación tienen una tensión inferior a 220 V, se hace necesario prever un sistema de elevación de esa tensión que nos proporcione la necesaria para el encendido de la lámpara. Este sistema puede ser simplemente un

Balasto

autotransformador y una reactancia de choque normal, lo cual eléctricamente es correcto, pero muy costoso y voluminoso.

F

Red Lámpara N

Figura 3 De ordinario se han construido, para esa función, reactancias autotransformadoras, cuyo esquema básico se muestra en la Fig. 3, formadas por dos devanados desacoplados magnéticamente, incluso con shunts magnéticos entre ellos, para que, además de elevar la tensión para que la lámpara pueda encender, realicen la función de controlar la intensidad de la misma. Este tipo de reactancias tienen una regulación de potencia muy pequeña, de modo que una variación de tensión del 5% ocasiona oscilaciones de potencia de la lámpara del 12%. Además, son reactancias de bajo factor de potencia y para corregir éste, teniendo en cuenta la tensión de alimentación (normalmente 110 o 125 V), nos veremos obligados a colocar condensadores de gran capacidad y por lo tanto costosos. Reactancia autorreguladora Esta reactancia combina un autotransformador con un circuito regulador. Debido a que una parte del bobinado primario es común con el secundario, su tamaño es reducido. Puesto que sólo el bobinado secundario contribuye a una buena regulación, el grado de ésta depende de la porción de tensión primaria acoplada al secundario (Fig. 4).

Balasto

Condensador

F

Red Lámpara N

Figura 4

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Con este tipo de reactancia logramos las siguientes ventajas: - Una buena regulación de corriente y potencia de la lámpara, frente a las variaciones de tensión de la alimentación (del orden del 5% en potencia, frente a variaciones de tensión del 10%). - Como consecuencia de lo anterior, un aumento notable en la vida de la lámpara, lo que reduce los costos de mantenimiento de la instalación. - La corriente de arranque en la red, no es superior a la de funcionamiento normal, por lo que los sistemas de protección y los cables de alimentación se pueden dimensionar para una corriente menor que en las instalaciones con reactancias de choque, y por esto mismo la seguridad de las protecciones aumenta al corresponder sus valores con los de funcionamiento. - La compensación del factor de potencia se mantiene por encima del 0’9 independientemente de la tensión de la red. - Debido a la gran estabilización que proporcionan estas reactancias, la tensión de red, a la cual la lámpara se extingue, es baja, lo que permite variaciones de la tensión de alimentación muy superiores a lo habitual sin que se produzcan apagados de la lámpara.

Marcas e indicaciones Las reactancias, además de las características eléctricas, llevan impresas una serie de indicaciones que conviene conocer para hacer el uso adecuado de las mismas, obteniéndose así las máximas prestaciones eléctricas, de seguridad y duración. tW

Es la temperatura máxima a la cual pueden funcionar constantemente los bobinados de una reactancia en condiciones normales, a su tensión y frecuencia nominales, para asegurar una vida media de 10 años. Los aumentos o diminuciones de la temperatura de los bobinados tienen influencia en la vida de los mismos.

t

Calentamiento de los bobinados de una reactancia sobre la temperatura ambiente en la que está instalada, funcionando en condiciones normales y a tensión y frecuencia nominales.

ta

Temperatura de ambiente máxima a la que puede funcionar una reactancia en condiciones normales. Viene dada por:

Pérdidas

ta = tW - t

Es la potencia autoconsumida. Si no se indica de otra forma, este valor está medido con voltaje y frecuencia nominales y con los bobinados a una temperatura de 25º C.

Es el factor de potencia.

Además de éstas, pueden llevar impresas las marcas de conformidad de los diferentes organismos como ya indicamos anteriormente.

9.2.5. Balastos electrónicos Los balastos electrónicos ofrecen ventajas importantes con respecto a los balastos inductivos convencionales, tales como: - Mejoran la eficiencia de la lámpara y del sistema. - No producen efectos de parpadeo o estroboscópicos. - Brindan un arranque instantáneo sin necesidad de un arrancador separado. - Incrementan la vida de la lámpara. - Ofrecen excelentes posibilidades de regulación del flujo luminoso de la lámpara. - Factor de potencia próximo a la unidad, aunque hay que vigilar que los armónicos en línea no excedan los valores máximos admitidos. - La conexión es más simple. - Poseen menor aumento de la temperatura. - No producen zumbido ni otros ruidos. - Poseen menos peso. - Pueden ser utilizados en corriente continua. Naturalmente estas ventajas corresponden a balastos electrónicos correctamente diseñados y correctamente elaborados y verificados.

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Los balastos electrónicos se usan generalmente para lámparas fluorescentes y halogenuros metálicos y sodio alta presión de hasta 150 W. El principio de funcionamiento más comúnmente empleado en los balastos electrónicos para tubos fluorescentes en acometidas de corriente alterna normal (220 V y 50 Hz) es como el que se muestra en la Fig. 5.

Lámpara

F Control electrónico

Red N

Lámpara Condensador amortiguador

Filtro pasa-bajos

Oscilador de alta frecuencia

Rectificador

Estabilizador de la lámpara

Figura 5 Como puede verse, con un filtro previo de paso bajo para reducir distorsión de la corriente de alimentación e impedir que las señales de alta frecuencia se reflejen en la red. Además, hay que proteger al circuito electrónico de los impulsos fortuitos que aparecen en la corriente alterna de 50 Hz. Una vez rectificada la corriente alterna, y con ayuda del condensador de acoplo, se procede a la generación de alta frecuencia en onda cuadrada, mediante dos transistores generalmente. Esta frecuencia ha de ser mayor de 20 KHz. para superar los límites audibles y conseguir el mayor rendimiento. Antes de aplicar la alta frecuencia a los tubos hay que establecer los medios para limitar la corriente y facilitar el encendido. Además de lo anterior, es preciso proveer medios para impedir que el balasto se deteriore al final de la vida de los tubos, etc.

Conceptos asociados a los balastos electrónicos Factor de potencia: En los balastos electrónicos el factor de potencia está corregido y tiene un valor constante y muy próximo a la unidad, controlado en todo momento de su funcionamiento por el circuito de corrección de factor de potencia. Protección contra sobretensiones: En las instalaciones trifásicas con neutro incorrectamente conectado o interrumpido, ante un reparto desequilibrado de cargas, se produce un desequilibrio de tensiones, que origina sobretensiones en algunas de las fases, que pueden crear problemas de funcionamiento y deterioro de lámparas y equipos auxiliares. Los balastos electrónicos están provistos de un sistema de protección contra sobretensiones, que evita daños que pudieran causarse en los circuitos por este motivo. Armónicos de corriente: Una onda no sinusoidal pura está formada por una onda fundamental a la que se superponen ondas de frecuencia múltiplos de la onda fundamental. Estas ondas superpuestas reciben el nombre de armónicos de orden superior, como ya vimos anteriormente. Estos armónicos son producidos por elementos de comportamiento no lineal, y sobrecargan las redes de alimentación, siendo indeseables por constituir una fuente de perturbaciones para otros aparatos en la misma red, y por reducir el factor de potencia del aparato afecto de éstos. Los balastos electrónicos deben incluir en sus circuitos filtros de entrada que limiten y mantengan el nivel de armónicos igual o por debajo de lo exigido por la norma EN 61000-3-2. Corrientes de dispersión o de fuga: Para reducir las interferencias radioeléctricas se utilizan filtros que originan corrientes dispersas no aceptables para el buen funcionamiento eléctrico de los equipos. Los balastos electrónicos incorporan condensadores de supresión de interferencias que conducen a tierra las corrientes de fuga, con valores siempre inferiores a 0’5 mA., no comportando problema alguno para los equipos de protección y diferenciales del circuito.

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Para una correcta instalación siempre es necesario utilizar el borne de tierra del balasto y conectarlo debidamente. Interferencias radioeléctricas: Los equipos electrónicos de funcionamiento en altas frecuencias emiten o generan interferencias radioeléctricas perjudiciales para el entorno eléctrico y aparatos afines a él. Estos niveles de emisión deben situarse por debajo de los límites tolerables por la norma EN 55015. Los balastos electrónicos disponen de etapas y filtros supresores de interferencias radioeléctricas, de modo que su emisión sea siempre inferior a los límites máximos normalizados. Para mantener este bajo nivel de emisión de radiointerferencias, hay que prestar especial atención a la disposición del cableado de la instalación, siguiendo en todo momento las recomendaciones a tal fin.

Normativa bajo la que se deben construir los balastos de alta frecuencia Con el fin de ofrecer las máximas garantías de funcionamiento y seguridad, los balastos electrónicos deben ser diseñados según las últimas normas europeas para se permitan lograr las siguientes características: - Al ser electrónicos, estar totalmente libres de ruidos. - No producir parpadeos en el encendido. - Efecto estroboscópico corregico. - Utilizables como aparatos de emergencia, admitiendo la alimentación en corriente continua. - Permitir un amplio margen de tensión de alimentación. - Poseer un circuito de desconexión automática frente a lámparas defectuosas o agotadas. - Incorporar filtros armónicos para evitar que éstos se introduzcan en la red. Por lo tanto, deben cumplir o estar conformes con las siguientes normas: UNE-EN 50081-1:

Compatibilidad Electromagnética. Norma genérica de emisión.

UNE-EN 55015:

Perturbaciones radioeléctricas de las lámparas fluorescentes y luminarias.

EN 61000-3-2:

Perturbaciones de los sistemas de alimentación. Armónicos.

EN 60928:

Prescripciones generales y de seguridad.

EN 60929:

Prescripciones de funcionamiento.

UNE-EN 50082-1:

Compatibilidad Electromagnética. Norma genérica de inmunidad.

Encendido con equipos electrónicos de alta frecuencia Se considera tiempo de encendido para un balasto electrónico, al tiempo necesario para iniciar el encendido de la lámpara. En función de este periodo de tiempo distinguiremos los equipos de encendido instantáneo (o en frío) y los equipos de encendidos con precalentamiento de cátodos (o en caliente). Balastos electrónicos de encendido instantáneo: Producen el encendido de la lámpara en un tiempo prácticamente instantáneo. Este encendido se produce con los cátodos de la lámpara fríos, sin un precalientamiento previo. Se recomienda el uso de estos balastos en instalaciones donde se requieran un limitado número de encendidos diarios, como oficinas, locales comerciales, bancos, etc. Balastos electrónicos de encendido rápido: Estos balastos, a diferencia de los de encendido instantáneo, tienen un corto precalentamiento, de aproximadamente 0’4 segundos. Balastos electrónicos de encendido con precalentamiento: Estos balastos producen el encendido de la lámpara en un tiempo aproximado de dos segundos. Previamente al encendido, los cátodos de la lámpara son precalentados por el paso de una corriente inicial por ellos, lo que origina un encendido más suave, pero no instantáneo. Aún con ello, en este tipo de instalaciones, la vida de la lámpara sometida a frecuentes encendidos es mucho menor que la de la lámpara que soporte pocos encendidos y largos periodos de funcionamiento continuado. Generador HF para lámparas de inducción: El generador HF proporciona la señal de alta frecuencia (2’65 Mhz) a la antena de la lámpara para iniciar y mantener la descarga del gas. El sistema de circuitos electrónicos del generador se encuentra encerrado en una caja de metal pequeña, la cual además de dar protección contra la interferencia de radio frecuencia, también sirve para conducir el calor generado en el circuito.

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9.3. Arrancadores Las lámparas de vapor de mercurio, tienen electrodos que les permiten el arranque con tensiones bajas, del orden de los 220 V., por lo que no necesitan ningún dispositivo adicional para el arranque. Sin embargo, las de halogenuros metálicos y las de sodio de alta presión, necesitan tensiones de encendido muy elevadas que no puede suministrarlas la reactancia por sí sola. El proporcionar esta tensión de encendido es la misión de los arrancadores, que también se utilizan para el encendido de algunas lámparas de vapor de sodio a baja presión.

Principios de funcionamiento Están basados en aprovechar la energía almacenada en un condensador, y que se descarga mediante un sistema de disparo adecuado en el bobinado primario de un transformador. Debido a la brusca variación de flujo en el núcleo del mismo, aparece un impulso de tensión inducido en el secundario, de un valor de pico muy elevado y de poca duración que superpuesto a la tensión de la red, hace saltar el arco en el interior del tubo de descarga. Según su principio de funcionamiento podemos distinguir tres tipos diferentes de arrancadores: arrancador independiente, arrancador de transformador de impulsos y arrancador independiente de dos hilos. Además de esta clasificación por su forma de funcionamiento, los arrancadores pueden tener en su interior un sistema de desactivación que corte su funcionamiento si la lámpara no arranca en un plazo de tiempo. Estos últimos son los llamados arrancadores temporizados. Arrancador independiente o superposición de impulsos (Arrancador serie) Funciona según el esquema de la Fig. 6. El condensador del arrancador se descarga mediante el circuito de disparo sobre las espiras del primario del transformador, el cual amplifica el impulso al valor adecuado. La tensión del impulso depende exclusivamente del propio arrancador. Es compatible con cualquier reactancia de choque y ésta no soporta los impulsos de encendido, cuyo valor en muchos casos es elevado. Balasto

Transformador

F Circuito de disparo

Condensador

Lámpara Red

Condensador Resistencia Arrancador

N

Figura 6 Arrancador de transformador de impulsos (Arrancador semiparalelo) Utiliza la reactancia como amplificador de los productos por el arrancador y funciona según el esquema de la Fig. 7. El condensador del arrancador se descarga mediante el dispositivo de disparo entre los puntos 2 y 3 de la reactancia, que con una adecuada proporción de espiras respecto al total de la bobina, amplifica el impulso al valor necesario. El valor de los impulsos depende tanto del propio arrancador como de la reactancia utilizada y, por esto, no siempre es compatible cualquier combinación de ambos. La reactancia debe llevar toma intermedia y estará sometida a las elevadas tensiones de pico producidas para el encendido.

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Balasto

1

3

F

2 Condensador Lámpara Red

Arrancador Condensador

Circuito de disparo

Resistencia

N

Figura 7 Arrancador independiente de dos hilos (Arrancador paralelo) Funciona según el esquema de la Fig. 8. La energía almacenada en el condensador C es devuelta hacia la lámpara por la intervención del circuito de disparo D, en el preciso instante en el que la tensión de aquélla pasa por su valor máximo, obteniéndose un impulso de un valor pico entre 2 y 4 veces el del instantáneo de la red, alcanzando entre 600 V y 1.200 V, pero de mayor duración y por lo tanto de más energía que los obtenidos con los otros sistemas de arrancadores. Balasto F

Resistencia Lámpara Arrancador

Red

Condensador

Condensador Circuito de disparo

N

Figura 8 Éstos son utilizables sólo para algunas lámparas de halogenuros metálicos y para las de sodio a baja presión de 35 W., que requieren impulsos de tensión relativamente bajos pero de cierta duración. Arrancadores temporizadores Son arrancadores con un dispositivo interno que tras un tiempo prefijado de producción de impulsos, desactiva el funcionamiento del mismo. Si la lámpara no enciende por agotamiento o avería, deja de someter a los impulsos de alta tensión a todo el circuito. El arrancador vuelve a estar activo tras la interrupción de la tensión de alimentación del circuito aunque sólo sea por un corto espacio de tiempo (milisegundos).

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Normas de referencia Las normas aplicables a los arrancadores son las siguientes: EN 60926:

Aparatos arrancadores y cebadores (excepto los de efluvios). Prescripciones generales y de seguridad.

EN 60927:

Aparatos arrancadores y cebadores (excepto los de efluvios). Prescripciones de funcionamieto.

EN 60662:

Lámparas de vapor de sodio a alta presión.

EN 61167:

Lámparas de halogenuros metálicos.

Recomendaciones para el uso de arrancadores En primer lugar debemos elegir el arrancador adecuado para lámparas que deseamos instalar, de forma que nos proporcione el voltaje de pico necesario, el número de impulsos exigidos para encender la lámpara y admita la capacidad de carga que suponen los cables hasta la lámpara. Debe cuidarse la ubicación de manera que haya siempre la mínima distancia desde el arrancador a la lámpara, para que la capacidad de los cables sea mínima y así asegurar el encendido. Dicha capacidad depende de la separación entre sí de los cables y de su longitud. En conductor portador del impulso de la alta tensión, el cual se indica en todos los arrancadores, debe de ser de un aislamiento para tensión de servicio no menor de 1 KV., y estar conectado al contacto central del portalámparas para favorecer el encendido de la misma. Hay que respetar siempre la forma de conexionado que se indica en el esquema del arrancador. Evitar que en alojamiento del arrancador pueda haber humedad, entrada de agua o condensaciones, ya que ello puede provocar derivaciones entre terminales o a tierra que nos anularían el impulso de alta tensión, no produciéndose el encendido. También hay que evitar una excesiva temperatura ambiente que pueda provocar un sobrecalentamiento en el arrancador y ponga en peligro su duración. La temperatura en el punto que se indica en la superficie del arrancador, no debe sobrepasar el valor indicado para tC…ºC, cuando la lámpara está funcionando y estabilizada térmicamente. El arrancador produce tensiones de hasta 5 KV., por ello deben cuidarse especialmente los aislamientos de los cables que los soportan y no trabajar nunca en la luminaria sin estar seguros de que la tensión de alimentación está cortada. Tener conectado el condensador de corrección del factor de potencia para evitar pérdidas de impulso hacia la red.

Cebadores Reciben este nombre los arrancadores destinados al encendido de las lámparas fluorescentes. El tipo de cebador más normal es el llamado de destellos, compuesto por una ampolla de vidrio llena de gas neón a baja presión, en cuyo interior se encuentran dos electrodos, uno de los cuales o ambos son laminillas bimetálicas que se doblan ligeramente por la acción del calor. Paralelamente con los electrodos se halla conectado un condensador para eliminar interferencias. Todo el conjunto se aloja en un recipiente cilíndrico de aluminio o material aislante, en el que se incluye una placa con dos patillas para su contacto y fijación. El cebador se intercala en serie con los electrodos de la lámpara y el balasto, funcionando automáticamente de la forma siguiente: Al establecerse la conexión se produce una pequeña descarga eléctrica entre las laminillas a través del gas, calentándolas lo suficiente para que se doblen hasta unirse. Esta unión cierra el circuito y facilita durante un breve periodo de tiempo el paso de corriente por los electrodos de la lámpara que, al ponerse incandescentes, emiten electrones a su alrededor en forma de nube. Instantes después, al enfriarse las laminillas, se separan abriendo el circuito y dando lugar con ello a que el balasto lance un impulso de tensión con el que se consigue la descarga del arco y el funcionamiento de la lámpara. Una vez encendida la lámpara, el cebador queda fuera de servicio al llegarle una tensión insuficiente. Si falla el encendido, el cebador vuelve a actuar de la misma forma. Sin embargo, los cebadores electrónicos realizan un sólo intento de arranque (muy determinado) para que cualquier parpadeo durante la fase de encendido sea eliminada. Las ventajas adicionales del arrancador electrónico son la alta fiabilidad de arranque a bajas temperaturas ambientales y la prolongación de la vida de la lámpara.

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9.4. Condensadores 9.4.1. Introducción El condensador eléctrico es un sistema formado por dos conductores separados por un aislante. Si no se coloca ningún elemento entre los dos conductores, es el aire el que hace de aislante; ahora bien, generalmente, el aire se sustituye por otro aislante de mayor poder dieléctrico, lo que permite aproximar mucho los conductores (armaduras) sin que las cargas eléctricas salten de uno a otro. Si las armaduras de un condensador se conectan a los polos de un generador eléctrico, adquieren cargas iguales y de distinto signo, por lo que, una vez desconectado, el condensador hace de almacén de cargas eléctricas. La cantidad de carga almacenada por un condensador es directamente proporcional a la diferencia de potencial que se haya establecido entre sus placas, pero puede ocurrir que dos condensadores de distinta forma o tamaño adquieran distinta carga cuando se someten a una misma diferencia de potencial. Capacidad de un condensador es el cociente entre la carga de una de sus placas y la diferencia de potencial entre ambas. C=

q U

donde: C = capacidad del condensador. q = carga del condensador (coulomb). U = diferencia de potencial entre las placas o las patillas del condensador (V).

Circuito capacitivo puro La capacidad (capacitancia) de un circuito eléctrico o de un elemento de circuito sirve para retardar una variación en la tensión que se aplica entre sus bornes. Ese retardo es causado por la absorción o cesión de energía y está asociado con la variación en la carga de electricidad. Un circuito capacitivo puro es aquel cuya resistencia óhmica es cero (capacitancia pura). Por las leyes del campo eléctrico sabemos que la tensión entre las placas de un condensador es proporcional a la carga almacenada y que la relación q/U es la capacidad. Si en vez de una tensión continua, se le aplica al condensador una tensión alterna senoidal, será preciso una variación de la misma du para producir una variación de la carga dq = i · dt en un tiempo infinitesimal dt. Es decir: dq = i · dt = C · du Si al circuito le aplicamos una tensión alterna senoidal u = Umax · sen (t), y la sustituimos en la ecuación anterior, derivamos y operamos: i = Umax · · C · sen( · t + ) 2 Esta ecuación nos indica el adelanto que sufre la intensidad con respecto a la tensión debido al efecto del condensador.

Efecto de la frecuencia Reactancia de capacidad La capacidad de un circuito sirve para retardar el aumento o disminución de la tensión, pero en ningún caso previene ni limita el cambio. Ahora bien, la frecuencia limita la amplitud de la corriente en un valor igual a 1. = . 1. . ohmios. A este C 2 f C valor le llamamos reactancia capacitiva XC, que crece al disminuir la frecuencia y disminuye si aumenta la frecuencia. De ahí que en corriente continua como f = 0 Hz, el valor de la reactancia capacitiva sea infinito y el de la corriente cero amperios.

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Reactancia inductiva La inductancia de un circuito sirve para retardar el aumento o disminución de la corriente, pero en ningún caso previene o limita el cambio. Ahora bien, la frecuencia limita la amplitud de la corriente en un valor igual a . L = 2 . . f . L ohmios. A este valor le llamamos reactancia inductiva XL, que crece al aumentar la frecuencia y disminuye si también lo hace la frecuencia. De ahí que en corriente continua, como f = 0 Hz., el valor de la reactancia inductiva sea cero. Resistencia La resistencia que ofrece un conductor en corriente alterna se puede decir que es la misma que la que ofrece en corriente continua (resistencia óhmica), siempre y cuando sean despreciables los efectos Kelvin y corona, y la resistencia debida a corrientes parásitas, histéresis, etc.

Ley de Ohm generalizada En los circuitos, la corriente eléctrica queda limitada por el valor de la resistencia (R), la reactancia inductiva (XL) y la reactancia capacitiva (XC) de los elementos que forman el circuito. A todos estos elementos se les puede someter a una tensión alterna senoidal que, en régimen permanente, les hace circular una intensidad de corriente alterna de la misma forma y frecuencia de onda. Igualmente, en ellos se verifica la ley de Ohm generalizada para corriente alterna, cuya expresión es:

r Ur Z = r I

()

r Z = Z . (cos + j . sen) = R + j . X

()

La parte real del número complejo es la magnitud que conocemos con el nombre de resistencia, R, se representa en el eje real. Su módulo vale:

R = Z . cos = ZZ2 - R2

()

r La parte imaginaria del número complejo, Z , es la reactancia X, que se representa en el eje imaginario de tal forma que si es de naturaleza inductiva es positiva, +j . XL, y si es de naturaleza capacitiva resulta negativa, -j . XC. Su módulo vale:

X = Z . sen = ZZ2 - R2

()

El ángulo es el ángulo de desfase entre la tensión y la intensidad, de tal forma que si es positivo, corresponde a un circuito inductivo. Si es negativo, corresponde a un circuito capacitivo. Como sabemos, este ángulo es de gran importancia en corriente alterna, pues le llamamos factor de potencia y nos da información acerca de la energía reactiva y nos la cuantifica.

XL -Xc Z

ϕ 0

X (inductiva)

R

Figura 9 Si el triángulo de impedancias de la Fig. 9 se multiplica por I2, lo que obtenemos es su correspondiente triángulo de potencias, en el que:

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Potencia reactiva

P = R . I2 = U . I . cos Q = X . I2 = U . I . sen

(V Ar)

Potencia aparente

S = Z . I2 = U . I

(V A)

Potencia activa

(W)

S Q

ϕ 0

P

Figura 10

9.4.2. Factor de potencia El factor de potencia (cos) puede definirse como la eficiencia relativa en el uso de la energía eléctrica. Técnicamente es la relación entre la potencia activa P (en W.) entregada a un receptor y la potencia aparente S (en V.A.) suministrada por la línea de alimentación.

2 2

= UI S=

0

P

L +Q

ϕ

QL=UI senϕ

P=UI cosϕ

Figura 11 Siempre será menor que la unidad, pero cuanto más próximo sea a ella, mayor aprovechamiento estamos haciendo de la energía tomada de la red. En las normas para reactancias se especifica que un equipo (conjunto reactancia–lámpara) es de alto factor de potencia cuando su valor es igual o mayor que 0’85. El uso de reactancias de alto factor de potencia presenta las siguientes ventajas: 1- Cumplir con los requisitos de las compañías suministradoras de energía eléctrica de tener compensado el factor de potencia como mínimo a 0’85. 2- Evitar recargos en los recibos por concepto de energía reactiva. 3- Reducir sección en los conductores de las líneas de alimentación en las instalaciones. 4- Utilizando equipos de alto factor de potencia se pueden instalar mayor número de luminarias por circuito con lo que se reducen y simplifican los equipos de protección (magnetotérmicos, diferenciales, etc.). Compensación del factor de potencia Como normalmente, las reactancias de uso industrial son de tipo inductivo y su factor de potencia está en torno a 0’5, se han de asociar a ellas, reactancias de tipo capacitivo para que el factor de potencia del conjunto se aproxime a la unidad. Esta reactancia capacitiva consiste en uno o varios condensadores, cuya instalación es conveniente hacerla próxima a la reactancia inductiva con el fin de poder dimensionar los conductores para una intensidad lo más pequeña posible, lo que no lograríamos si colocáramos los condensadores al principio de la instalación, junto al cuadro de distribución, por ejemplo.

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Al seleccionar el método de compensación necesario se debería considerar la ubicación de los condensadores y los aspectos económicos (tarifas, parámetros de la red, coste inicial de la adquisición y los gastos de mantenimiento del equipo). Aparte de esto, existen factores tales como armónicos del sistema y las condiciones del ambiente que puede limitar la utilización efectiva de los condensadores. No existe un método de compensación que pueda recomendarse universalmente; no obstante, pueden aplicarse varios métodos en cada caso. Compensación en paralelo La compensación en paralelo se hace según el esquema de la Fig. 12 en la que se ha representado una lámpara fluorescente de arranque por cebador, como ejemplo típico, pero que es aplicable a cualquier otro tipo de lámpara.

Iγ

Balasto

IL

F

Condensador

Red

Cebador

Lámpara

Ic

IL N

Figura 12 El condensador conectado en paralelo a la red, ha de ser del valor adecuado para que la intensidad reactiva en adelanto de fase absorvida por él, IC, compuesta con la que circule por la lámpara, IL, dé una intensidad absorbida de red, IT, cuyo factor de potencia sea próximo a la unidad (Fig. 13). Ic

Vred ϕ’ It ϕ IL

Figura 13 La tensión a soportar por el condensador es la de la red, y la tolerancia admitida en capacidad suele ser de ±10% de su valor nominal. Siendo:

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VRED =

Tensión de alimentación.

IL =

Corriente absorbida por el equipo sin compensar.

IC =

Corriente absorbida por el condensador.

It =

Corriente en red tras la compensación.

y ´ =

Ángulos de desfase antes y después de la compensación.


Cálculo del condensador necesario El cálculo de la capacidad (C) del condensador necesario en un equipo, se puede resolver con ayuda de la siguiente expresión:

C=

P . (tag - tag´) (F) . V2

donde: cos =

factor de potencia inicial ( = arc cos).

cos’ =

factor de potencia que queremos alcanzar (’ = arc cos’).

V=

tensión de la línea.

=

frecuencia en radianes ( = 2. . F ; F es la frecuencia en Hz.).

Compensación en serie Como anteriormente se ha establecido, la compensación en paralelo reduce la componente de potencia reactiva de la corriente de la red, y por consiguiente, las pérdidas de tensión. Con la compensación en serie la potencia reactiva se transmite en algún grado y la recataría de la línea queda influenciada al conectar los condensadores en serie con la red. La expresión para la pérdida de tensión de la línea viene dada por:

U = Ia . R + Ir . (XL - XC) Esta fórmula muestra que, cuando XC = XL, la reactancia de la red es cero y la pérdida de tensión originada por la transmisión de potencia reactiva es también, por consecuencia, cero. Al incluir un condensador adecuado en serie, XC puede ser mayor que XL, en cuyo caso, la reactancia de la red llega a hacerse negativa. Así pues, la compensación en serie también puede reducir la caída de tensión causada por la transmisión de la potencia activa.

9.5. Equipos de ahorro de energía En los alumbrados públicos con lámparas de descarga puede reducirse el consumo energético en las horas de madrugada o en circunstancias de menor exigencia visual mediante la reducción de la iluminancia en cada punto o en la mayoría de los puntos luminosos correspondientes. En las antiguas instalaciones, se solían montar dos lámparas sobre cada luminaria destinada a alumbrado viario, con objeto entre otros de disponer de dos niveles de iluminación según las conveniencias. Actualmente se utiliza una luminaria con una sola lámpara de descarga incorporada y con equipo de doble nivel. Este balasto, permite la reducción de la potencia gastada mediante la introducción en el circuito de la lámpara de una inductancia adicional incorporada en el mismo núcleo de hierro de la inductancia principal en el núcleo separado. En las Fig. 14, 15 y 16 se esquematizan tres formas conocidas del sistema de doble nivel referido a una lámpara de vapor de mercurio. Relé

Balasto de doble nivel

Lámpara

F

N

Figura 14. El relé conmuta la toma del devanado en núcleo único.

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Relé

Balasto principal

Balasto auxiliar

Lámpara

F

N

Figura 15. El relé inserta en serie con el circuito en choque auxiliar. Relé

Balasto auxiliar Lámpara Balasto principal

F

N Figura 16. El relé abre el circuito de un choque en derivación con el principal. En cualquier caso, se reduce el consumo de la lámpara al actuar el relé, conectado con una línea de mando existente en la instalación. También puede disponerse de un temporizador en equipo de cada luminaria, que programado según se precise haga el paso del nivel normal al reducido. El sistema de doble nivel que estamos describiendo puede aplicarse en lámparas de mercurio a alta presión y en lámparas de vapor de sodio de alta presión (teniendo especial cuidado en el circuito de arranque). Este sistema no es adecuado con las lámparas de halogenuros metálicos porque el color de la luz resulta muy afectado por la potencia emitida. En los sistemas de ahorro energético con varios niveles de iluminación, hay que vigilar el factor de potencia de la instalación, siendo a veces necesario en el nivel mínimo reducir la capacidad instalada necesaria para el nivel máximo. Una ventaja añadida en los equipos de doble nivel, es la mayor duración de equipos y lámparas, ya que generalmente, las sobretensiones perjudiciales se producen en las líneas en las horas en que se ha conectado el alumbrado a nivel reducido.

9.6. Equipos eléctricos de las diferentes lámparas de descarga. Circuitos Tubos fluorescentes Los tubos fluorescentes se clasifican en dos grandes grupos, en función de que los cátodos estén o no caldeados para su arranque. Los más normales son los de cátodo caliente que pueden arrancarse mediante cebador térmico (Fig. 17), caldeo de filamentos en los sistemas de arranque rápido “rapid start” (Fig. 18), arranque “trigger” (se reduce la tensión del filamento una vez que el tubo ha arrancado), arranque semi-resonante (Fig. 19) y arranque por medios electrónicos.

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Otro tipo de tubos es el de cátodo frío, que arrancan casi exclusivamente por la tensión aplicada entre sus extremos. Balasto

Condensador

Red

Cebador

Lámpara

F

N

Lámpara

Figura 17. Arranque por cebador. Balasto inductivo. Compensación del factor de potencia en paralelo con la línea.

F Red Condensador

N

Figura 18. Arranque rápido. Circuito con autotransformador a dispersión (con calentamiento de electrodos en paralelo).

Balasto

Red

Condensador

Lámpara

F

N

Figura 19. Encendido rápido. Circuito “semirresonante” con calentamiento de electrodos en serie.

Lámparas de vapor de mercurio a alta presión Los equipos eléctricos más usados son los de una inductancia en serie con la lámpara que limita las intensidades de arranque y de régimen normal. El bajo factor de potencia que el uso de la inductancia produce, se corrige mediante el empleo de condensadores en paralelo con la línea (Fig. 20). Cuando la tensión de la línea es insuficiente o excesivamente grande para la que precisa las lámparas, se acopla un transformador entre la línea y la inductancia de estabilización (la inductancia puede incorporarse al secundario del transformador y es lo que se denomina transformador a fugas o de dispersión).

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Balasto F Red

Condensador

N Lámpara

Figura 20. Esquema de conexión para lámparas de mercurio a alta presión.

Lámparas de vapor de sodio a baja presión Los equipos utilizados para este tipo de lámpara en el pasado reciente han sido casi exclusivamente los constituidos por un autotransformador de alta impedancia en el secundario y condensador en paralelo con la línea para mejorar el factor de potencia (Fig. 21). Recientemente se utilizan con nuevas lámparas, inductancias en serie o circuitos semirresonantes (pequeñas potencias, Fig. 22) y circuitos híbridos constituidos por autotransformadores de mayor complejidad asociados a arrancadores

Lámpara

Balasto

electrónicos (Fig. 23), al objeto de mejorar el comportamiento de las lámparas y reducir fuertemente el consumo de potencia.

F

Red Condensador

N

Figura 21. Autotransformador de dispersión.

Reactancia F

Red

Condensador

N

Figura 22. Arranque semirresonante.

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Balasto

F

Condensador

Red

Arrancador

N

Figura 23. Circuito híbrido. Impedancia y arrancador electrónico.

Lámparas de vapor de sodio a alta presión Para el arranque de este tipo de lámparas se han desarrollado arrancadores electrónicos que en combinación con el balasto o de forma independiente, generan impulsos que las lámparas necesitan para inicio del arco. Estos arrancadores deben cesar en la emisión de impulsos, una vez que la lámpara ha encendido, para no perjudicarla. Hay dos tipos de arrancadores desde el punto de vista de su asociación con el balasto: los que incorporan un transformador para la generación de los impulsos de alta tensión (Fig. 24) y los que utilizan la inductancia como transformador (Fig. 25). Los primeros deben montarse muy próximos a la lámpara asociada, pudiendo colocarse el balasto alejado de la lámpara. Los que utilizan la impedancia como transformador son más económicos y debe armonizarse la pareja reactancia-arrancador, pudiendo alejarse la lámpara del equipo de acuerdo con la capacidad de los cables que permita el arrancador. Por lo demás, la estabilización en estas lámparas está fuertemente determinada por la característica del arco de vapor de sodio, cuya tensión no permanece constante a lo largo de su vida. El mejor sistema de estabilización de este tipo de lámpara es el de una inductancia en serie con tensión de alimentación constante. Balasto

Lámpara

F

Condensador

Red

Arrancador

N

Figura 24. Esquema con arrancador independiente.

Balasto

Red

Condensador

Arrancador

Lámpara

F

N

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Figura 25. Esquema con arrancador semiparalelo.

Lámparas de halogenuros metálicos En general, no ha sido necesario desarrollar balastos especiales para estas lámparas. Las lámparas de halogenuros de tres bandas emplean balastos destinados a lámparas de mercurio a alta presión, mientras que las lámparas de tierras raras y lámparas de estaño funcionan bien con balastos para lámparas de sodio a alta presión. Como la tensión del balasto no es suficiente para arrancar esta lámpara, necesita de arrancador externo (Fig. 26., 27. y 28.). Balasto

Lámpara

F

Red

Condensador Arrancador

N

Figura 26. Esquema con arrancador independiente.

Balasto F

Condensador

Arrancador Lámpara

Red

N

Figura 27. Esquema con arrancador semiparalelo.

Balasto

Red

Condensador

Arrancador

N

Figura 28. Esquema con arrancador paralelo.

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Lámpara

F

Capítulo 10.

ILUMINACIÓN INTERIOR E INDUSTRIAL

10.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.2. Nivel de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.3. Deslumbramiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.4. Sombras y modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 10.5. Calidad de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 10.6. Diseño de la iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 10.7. Cálculos de iluminación interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 10.8. Algunos niveles de iluminación recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

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140

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Capítulo 10. ILUMINACIÓN INTERIOR E INDUSTRIAL

10.1. Generalidades El hombre necesita estar informado del entorno que le rodea para poder llevar a cabo fácilmente y sin peligro sus actividades. La mayoría de la información acerca del entorno llega al hombre a través de los ojos y, por lo tanto, es de naturaleza visual. El término visibilidad (de un objeto) se usa como medida de la facilidad, la rapidez y la precisión con que un objeto puede ser detectado y reconocido visualmente. En consecuencia, una buena visibilidad del entorno y de todo lo que contiene es esencial. Para una buena visibilidad se requiere una buena iluminación. Aunque una buena visibilidad de los objetos relevantes es una condición necesaria, no siempre es una condición suficiente para llevar a cabo actividades fácilmente y con comodidad. En interiores donde se realiza un trabajo, la función principal de la iluminación es facilitar el confort de las tareas visuales allí realizadas, sin embargo, en áreas de circulación o salas de estar y lugares de descanso, el criterio de la capacidad visual no es tan importante; lo importante es el criterio de agrado y confort visual. Por tanto, los criterios más importantes relacionados con el diseño de la iluminación, para una aplicación particular, son la visibilidad y la satisfacción visual. Además, estos factores deben estar equilibrados con relación a los costes de la instalación y funcionamiento.

10.1.1. Visibilidad / Rendimiento visual Para el trabajo en espacios interiores, la influencia de la iluminación en la realización del trabajo es muy importante. El rendimiento de una persona concreta, para un trabajo concreto, es esencialmente una función de la habilidad de la persona para realizar la tarea (potencial de ejecución) por una parte, y por otra de su actitud hacia la ejecución de la tarea (actitud de ejecución). La actitud en la ejecución determina hasta qué punto el potencial de ejecución es utilizado eficazmente. Incluye factores tales como motivación, dedicación y concentración que son de naturaleza social o psicológica y que están fuera de nuestro estudio. La iluminación, así como otros factores del entorno físico, pueden influir en el potencial de ejecución pero la influencia sobre la ejecución real también depende de la actitud de ejecución. El rendimiento visual es el término que se utiliza para describir la velocidad de funcionamiento del ojo y la exactitud con la que se lleva a cabo una tarea. La visibilidad de una tarea está generalmente determinada por la visibilidad del elemento de mayor dificultad que debe ser detectado o reconocido para que el trabajo pueda realizarse. Este detalle se denomina detalle crítico. La visibilidad del detalle crítico es una función de la dificultad experimentada para discriminarlo visualmente del fondo sobre el cual es visto y de otros detalles de sus alrededores más inmediatos. Luminancia Para el logro de una buena visibilidad en el trabajo, el factor más importante está relacionado con la luminancia de la tarea y su entorno. El efecto general de la luminancia sobre la visibilidad es debido a la adaptación resultante, proceso por el cual las propiedades del sistema visual se modifican de acuerdo con las luminancias del campo visual. Para una distribución de luminancias dada en el campo visual, el proceso de adaptación alcanza un estado final expresado como luminancia de adaptación. Las propiedades del sistema visual afectadas por adaptación a la luminancia son: - Agudeza visual, que es la capacidad del sistema para discriminar entre detalles u objetos que están muy juntos. - Sensibilidad al contraste, que es la capacidad del sistema para distinguir las pequeñas diferencias de luminancia relativa. - Eficiencia de las funciones motoras oculares para la acomodación, convergencia, contracción pupilar, movimientos del ojo, etc. La agudeza visual, la sensibilidad al contraste y la eficiencia de las funciones motoras oculares crecen con el aumento de la luminancia de adaptación hasta un cierto máximo nivel. Para trabajos donde el tamaño angular del detalle es crítico con respecto a la visibilidad del trabajo, un incremento de agudeza visual debido a un incremento de luminancia es de gran importancia para mejorar en la visibilidad de la tarea. Sin

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embargo, cuando el tamaño angular del tamaño crítico está muy por encima del umbral de la agudeza visual, la contribución al incremento de la misma es insignificante. Lo mismo pasa con los otros factores anteriormente mencionados. Pueden, también, estar afectados positivamente por un incremento de la luminancia, la cual, sin embargo, dará como resultado una visibilidad mejorada en el trabajo, en tanto en cuanto estos factores sean críticos con respecto a la visibilidad de la tarea considerada. Objetos difusores y su entorno La luminancia de una superficie mate es proporcional al producto de la iluminancia en la superficie y su reflectancia. La luminancia como factor que influye en la visibilidad puede ser, en consecuencia, sustituido por la iluminancia y las reflectancias para superficies difusoras y su entorno. Las reflectancias son parte de las propiedades intrínsecas de la tarea y el interior. Éstas no están afectadas por la iluminación, por lo que para estas tareas sólo la iluminancia permanece como un factor del sistema de iluminación que afecta a la visibilidad. Debería tenerse en cuenta que para estas tareas, el contraste de luminancia no se ve afectado por la iluminancia, pero está determinado por las reflectancias de los detalles y el fondo. Por lo tanto, la visibilidad de la tarea se incrementará con el aumento de la iluminancia hasta un máximo nivel determinado. El efecto del incremento de la iluminancia sobre la visibilidad será mayor cuanto más pequeño sea el tamaño, o el contraste del detalle o la cantidad de exigencias de las funciones motoras de ojo. Para los detalles de tamaño angular grande, que tengan un alto contraste con el fondo y sean estáticos en una posición conocida, el efecto del crecimiento de la iluminancia en visibilidad sobre un nivel moderado será despreciable. Objetos brillantes y sus alrededores Considerando que la luminancia de un objeto perfectamente mate es proporcional al producto de la iluminancia y la reflectancia (difusa), la luminancia de una superficie reflectante regular es proporcional al producto de su reflectancia (regular) y la luminancia ambiental en la dirección de la reflexión. En la práctica, la mayor parte de las superficies, sin embargo, no son ni de reflexión perfectamente difusa ni perfectamente regular, sino que tienen mezcladas las propiedades de reflexión de tal forma que su luminancia depende, tanto de la iluminancia en la superficie como de las luminancias del ambiente. Para relacionar la luminancia de las superficies de reflexión mixta con la iluminancia de una manera similar a como la luminancia de una superficie mate está relacionada con la iluminancia por su reflectancia, se ha introducido el factor de luminancia. El factor de luminancia de una superficie en una dirección dada bajo unas condiciones de iluminación dadas, es la razón de la luminancia de la superficie en esa dirección a la luminancia de una superficie blanca difusora perfecta cuando se iluminan idénticamente. De esta definición deducimos que el factor de luminancia de una superficie difusora perfecta es constante e igual a su reflectancia en todas direcciones y bajo todas las condiciones de iluminación. En un ambiente de luminancia uniforme L, la luminancia de una superficie reflectante perfectamente regular es L en todas las direcciones y la luminancia de una superficie blanca difusora perfecta es también igual a L; los factores de luminancia de esa superficie reflectante regular bajo esas condiciones de iluminación, son iguales a 1 en todas direcciones. En un ambiente de luminancia igual a 0 excepto para un área de luminancia L limitada (fuente), la luminancia de una superficie blanca difusora perfecta es menor que L porque la iluminancia es menor que la iluminancia en un ambiente de luminancia uniforme L; la luminancia de una superficie reflectante perfectamente regular es igual a 0 excepto en las direcciones de reflexión de la fuente en las cuales la luminancia es igual a L; el factor de luminancia de esa superficie regular, de este modo, es mayor que 1 en las direcciones de la reflexión de la fuente y 0 en todas las demás direcciones. Ya que las superficies brillantes tienen propiedades de reflexión en parte regular y en parte difusa, deducimos de lo anterior que para estas superficies de reflexión mixta, el factor de luminancia será constante e igual a su reflectancia (mixta) en todas direcciones sólo en un ambiente de luminancia uniforme; en otros ambientes puede alcanzar valores entre 0 y mayores que 1 dependiendo ambos de las propiedades de reflexión y de los sistemas de iluminación. Esto significa también que los contrastes en objetos que no son perfectamente mates son afectados por la iluminación, porque están determinadas por los factores de luminancia de los detalles y del fondo, los cuales pueden alcanzar valores diferentes en direcciones de visión diferentes, especialmente en las direcciones de reflexión de luminancias altas.

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La conclusión de todo lo anterior es que para tareas y contornos brillantes no sólo es importante la iluminancia para una buena visibilidad sino también la direccionabilidad de la iluminación, que es un término general que describe la distribución especial de la luz incidente en la tarea. Está determinada por la distribución de la luminancia del entorno y depende de factores tales como la geometría de la instalación, las luminancias de las luminarias y las reflectancias del interior.

10.1.2. Satisfacción visual La satisfacción visual es un término utilizado para describir la aceptabilidad de las condiciones visuales. Para trabajos en interiores, la satisfacción visual es esencialmente una función de la facilidad para el trabajo bajo las condiciones reales y de lo agradable o placentero que sea el ambiente visual, cuando ambos se concentran en la tarea y cuando mejoran o buscan la relajación. La satisfacción visual está afectada por el ambiente luminoso y por las preferencias individuales. Para interiores con superficies y tareas mates, los factores influyentes del ambiente luminoso son las iluminancias en las distintas superficies y en la tarea, o dar origen a brillo por reflexión, son un factor importante que afecta a la satisfacción visual. Para interiores con tareas o alrededores brillantes, las luminancias del ambiente que se ven reflejadas en las superficies y que pueden velar el contraste de la tarea, o dar origen a brillo por reflexión, son un factor importante que afecta a la satisfacción visual. Se han realizado muchas investigaciones para determinar un rango preferido de iluminancias horizontales en torno a los trabajos interiores teniendo cuidadosamente controlados los valores de la reflectancia de las superficies de la habitación. De los resultados obtenidos en Europa Occidental, en condiciones de iluminación fluorescente libre de brillos, se ha determinado una curva media indicando el porcentaje de observadores que consideran una iluminancia particular como “satisfactoria”. Esta curva se muestra en la Fig. 1 junto con la valoración de “demasiado oscuro” y “demasiado claro”.

% 100 80

Satisfactorio

Demasiado oscuro

60

Demasiado claro

40 20 0 2

10

2

5

3

10

2

5

4

10

(Lx)

Figura 1. Combinaciones de respuesta.

10.1.3. Capacidad visual Las capacidades visuales varían de un individuo a otro como ocurre con otros factores individuales característicos de las personas. La capacidad visual depende de factores tales como la forma y la transparencia de los elementos del sistema óptico de los ojos, la capacidad de acomodación, la convergencia y alineamiento de los ojos y la sensibilidad espectral de la retina. La capacidad visual reducida debida a errores de refracción puede ser corregida usando gafas graduadas. Las capacidades visuales se ven disminuidas por el proceso de envejecimiento. El cambio más importante al envejecer el ojo es que el rango sobre el que es posible ajustar exactamente la acomodación a una distancia dada se ve reducido. Otros

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cambios físicos en los ojos envejecidos son una reducción de la transmisión de la luz a través de los medios ópticos y un incremento de la dispersión en los medios. Esto significa que las personas mayores pueden ser menos sensibles a la luz central, lo cual puede reducir la visibilidad, y más sensibles a la luz periférica, la cual puede causar deslumbramientos. Proveer de una adecuada iluminación, libre de deslumbramientos, es incluso más importante para los trabajadores mayores que para las personas jóvenes.

10.1.4. Parámetros de iluminación El nivel y la calidad de la iluminación proporcionada por una instalación dada se pueden describir mediante los parámetros siguientes: -Nivel de iluminación. -Deslumbramientos. -Sombras y modelado. -Calidad de la luz. -Diseño de la iluminación.

10.2. Nivel de iluminación El nivel de iluminación requerido en una situación determinada se expresa en términos de iluminancia. Al final de este capítulo se muestran unas tablas donde consultar dicho nivel para la mayoría de las actividades.

Superficie de referencia La superficie de referencia de un interior es la superficie donde se va a suministrar la iluminancia apropiada recomendada, seleccionada de las tablas que se muestran al final de este capítulo. La superficie de referencia no necesita estar reducida a un área de superficie única, sino que puede comprender un número de áreas separadas. Las especificaciones de iluminación interior siempre deben incluir una definición clara de la superficie de referencia. En interiores de trabajo, la superficie de referencia normalmente será el plano de trabajo. Para interiores donde las tareas no están restringidas a lugares fijos, se considera que el plano de trabajo es el plano horizontal limitado por las paredes del interior a una altura de 0’85 m. sobre el suelo. Para interiores donde las localizaciones de las tareas son conocidas y claramente especificadas, la superficie de referencia puede consistir en áreas específicas de zonas de trabajo o áreas de tareas. Cuando la tarea no se realiza en un plano horizontal o está a una altura diferente, la superficie de referencia deberá tener el ángulo del plano de la tarea y estar a la altura de la misma. En interiores donde no se trabaja, la superficie de referencia puede ser el piso, la pared, o cualquier plano importante en el mismo.

Uniformidad de iluminancia La iluminancia proporcionada en la superficie de referencia por una instalación de iluminación nunca será totalmente uniforme, ni en espacio ni en el tiempo. Uniformidad en el espacio La medida de la uniformidad de iluminancia sobre la superficie de referencia es la relación entre la iluminancia mínima y la iluminancia media. En el caso de iluminación general, la uniformidad de iluminancia en la superficie de referencia no debe ser menor de 0’8 para proporcionar posibles ubicaciones de tareas equivalentes en todo el interior. En el caso de iluminación general localizada o iluminación de áreas generales, la iluminancia media en las áreas que rodean las tareas no debe ser menor que un tercio del nivel para las áreas de tareas. La relación entre las iluminancias medias para dos interiores adyacentes (por ejemplo, oficina y corredor) no debe exceder 5:1.

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Uniformidad en el tiempo La iluminancia media proporcionada por una instalación disminuirá gradualmente a lo largo del tiempo debido a la depreciación del flujo luminoso de la lámpara y la acumulación de suciedad en las lámparas, luminarias y superficies de la habitación. Iluminación inicial: Es la iluminancia media cuando la instalación es nueva y las superficies de la habitación están limpias. La iluminancia inicial debe ser elegida de acuerdo con los requisitos impuestos por el programa de mantenimiento. Su valor no se debería utilizar para recomendaciones de iluminancia. Iluminancia en servicio: Es la iluminancia media en todo el ciclo de mantenimiento sobre la superficie de referencia. En algunos países se usa para recomendaciones de iluminancia. Iluminancia de mantenimiento: Es la iluminancia media en la superficie de referencia durante el periodo entre dos operaciones de mantenimiento, sustituyendo las lámparas y/o limpiando las luminarias y las superficies de la habitación. En algunos países se usa para recomendaciones de iluminancia. En países donde la iluminancia recomendada está en términos de iluminancia de servicio, la iluminancia de mantenimiento no debería llegar a caer por debajo del 0’8 del valor recomendado.

10.3. Deslumbramiento El deslumbramiento es la sensación producida por una luminancia exagerada dentro de un campo visual que altera la sensibilidad del ojo, causando molestia, reduciendo la visibilidad o ambas cosas. El deslumbramiento se puede producir en dos formas, que a veces ocurren en forma separada, pero que generalmente se experimentan en forma simultánea. La primera se denomina deslumbramiento fisiológico (o perturbador), que reduce la capacidad visual y la visibilidad pero no causa necesariamente molestias. La segunda se denomina deslumbramiento psicológico (o molesto), que resulta molesto a la vista, pero que no necesariamente dificulta la observación de los objetos. En la práctica de iluminación interior, el deslumbramiento psicológico (molesto) es probable que sea un problema mayor que el deslumbramiento fisiológico (perturbador), y las medidas tomadas para controlar el deslumbramiento molesto tendrán en cuenta también el deslumbramiento perturbador. La sensación de molestia experimentada por el deslumbramiento molesto tiende a incrementarse con el paso del tiempo, y contribuye a la tensión nerviosa y a la fatiga. El deslumbramiento, cualquiera que sea el tipo, puede ser directo o por reflexión. El deslumbramiento directo es el deslumbramiento causado directamente por las luminancias de las fuentes de luz, tales como las lámparas, las luminarias y las ventanas, que aparecen en el campo de visión del observador. El deslumbramiento por reflexión es el deslumbramiento causado por las luminancias reflejadas desde las superficies con alta reflectancia, especialmente superficies especulares tales como metales brillantes, salvo que éstas formen parte de la luminaria. El deslumbramiento por reflexión debería distinguirse de otros tipos de reflexión que producen reducción del contraste de la tarea, y que se describen más correctamente como reflexiones de velo (la luminancia alta es reflejada por la tarea hacia los ojos, velándola y reduciendo los contrastes de la misma).

10.3.1. Control del deslumbramiento El control del deslumbramiento directo de lámparas y luminarias consiste en controlar la luminancia de las mismas en la dirección de los ojos del observador. Sin embargo el grado de deslumbramiento experimentado no sólamente es una función de las luminarias en el campo visual del trabajador, también depende del tipo de actividad que se realiza. Cuanta más luz demande la tarea visual y cuanta mayor sea la necesidad de concentración, mayor será la molestia. Sin embargo, en aquellas situaciones donde el trabajador debe moverse para realizar la tarea, la molestia experimentada será menor. Por lo tanto, el grado de control de la luminancia diferirá según el tipo de tarea o actividad. La C.I.E. ha clasificado las tareas y las actividades en cinco grupos según el grado de control de luminancia requerido. En la Tabla 1 se enumeran los cinco grupos que se refieren a las Clases de Calidad. En términos generales, las luminancias más altas en un interior producidas por la instalación de iluminación son las de las lámparas. Generalmente estas luminancias son demasiado altas para utilizar las lámparas sin controlar su brillo en las

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145


direcciones de los ojos. Por eso, una de las funciones de las luminarias es limitar la luminancia en las direcciones críticas a un nivel aceptable. Clase de

Índice

Calidad A, calidad muy alta

deslumbramiento (G) 1,15

B, calidad alta

Tipo de actividad o tarea Tareas visuales muy exactas.

1,50

Tareas con grandes demandas visuales. Tareas con demandas visuales moderadas pero con alta concentración.

C, calidad media

1,85

Tareas con demandas visuales moderadas y demandas moderadas de concentración y con cierto grado de movilidad del trabajador.

D, calidad baja

2,20

Tareas con niveles de demanda de concentración y visual bajas con trabajadores en movimiento dentro del área establecida

E, calidad muy baja

2,55

Interiores donde los trabajadores no sólo se mueven dentro de la estación de trabajo sino de un lugar a otro y realizan tareas de baja demanda visual. Interiores generalmente no utilizados por las mismas personas.

Tabla 1. Clase de calidad C.I.E. de limitación de deslumbramiento.

10.3.2. Métodos prácticos para el control del deslumbramiento Fundamentalmente, control del deslumbramiento significa control de la luminancia de foco en el intervalo de 45º a 90º (Fig. 6). Existen varios métodos para realizar este control. Entre ellos vamos a ver dos, desarrollando con más extensión el último en el punto 10.3.3.: - Control con materiales translúcidos. - Sistema de diseño C.I.E. Control con materiales translúcidos Este método controla la luminancia visible rodeando las lámparas con un material difusor o prismático; y, generalmente, los límites más estrictos vienen impuestos en la parte superior del intervalo “”. La altura de montaje de las luminarias, las dimensiones de la habitación, el grado de control de deslumbramiento que se desea y en algunos casos la orientación de las luminarias, influyen notablemente en la selección de los límites apropiados para cada intervalo “”. Estos factores han sido tenidos en cuenta en los diferentes sistemas que se han desarrollado para determinar el límite de luminancia apropiado y/o el grado de deslumbramiento que se espera tendrá una instalación determinada. Sistema de diseño C.I.E. Uno de los mayores objetivos de la C.I.E. sobre el deslumbramiento molesto ha sido desarrollar una fórmula matemática que pudiera generar valores de deslumbramiento para fuentes simples y para un grupo de fuentes. La fórmula propuesta es el término medio matemático más corrientemente aplicable entre los diferentes sistemas nacionales, y se sugiere que esta fórmula sea rigurosamente comprobada con vistas a su adopción como fórmula recomendada por la C.I.E.

E

G= 8 . log 2 · donde: G: índice deslumbramiento C.I.E. Ed y Ei: iluminancias verticales en el ojo.

146

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1+ Ed / 500 Ei + Ed

·

L2 . w p2

R


Ed: directamente de las fuentes de deslumbramiento. Ei: indirectamente del fondo. L: luminancia de la fuente de deslumbramiento. w: tamaño de la fuente de deslumbramiento p: índice de posición Guth (índice de posición de cada luminaria, que se relaciona con el desplazamiento de la zona de visión).

10.3.3. Sistema de protección del deslumbramiento C.I.E. Es el sistema de curva de la luminancia utilizado en combinación con un sistema de ángulo protector como un verificador adicional para luminarias que poseen lámparas, o partes de la misma, visibles dentro de la zona de visión crítica. Se considera que es el método más simple y más práctico, y es el que vamos a describir a continuación. Las curvas de limitación de la luminancia (Fig. 2) abarcan una escala de índices de deslumbramientos, representando las clases de calidad desde A a E, y diferentes valores de iluminancia de servicio standard. Se deben utilizar dos diagramas que dependen del tipo de luminaria y de su orientación según la dirección de la visión.

G

Calidad

1.15 1.50 1.85 2.20 2.55

A B C D E


a

85 GM

a

b

1000 2000

500 1000 2000

b

c

=<300 500 1000 2000

c

d

d

e

=<300 500 1000 2000

=<300 500 1000

e

f

f

=<300 500

g

85 GM =<300

h

g

h

ab c d

e

f

g

h

75 65

75 55 65 45 55 45

9 103

Diagrama 2 9 103

2

3

4 5 6 7 8 9 10 Cd/m2 2

Diagrama 1

2

3

4 5 6 7 8 9 10 Cd/m2 2

3

L

3

L

Figura 2. Diagramas de las curvas de luminancia para la evaluación del deslumbramiento directo. Los diagramas de la Fig. 2 son diagramas de las curvas de luminancia para la evaluación del deslumbramiento directo. El diagrama 1 es para aquellas direcciones de la visión paralelas al eje longitudinal de cualquier luminaria elongada y para luminarias que no poseen paneles luminosos laterales observadas desde cualquier dirección. El diagrama 2 es para aquellas direcciones de visión en ángulos rectos al eje longitudinal de cualquier luminaria con paneles luminosos laterales. La limitación de luminancia requerida depende del tipo y orientación de la luminaria, del ángulo de apantallamiento, del grado de aceptación o clase de calidad, y del valor de la iluminancia de servicio. Tipo de luminaria Los términos “laterales luminosos” y “elongada” utilizados para describir los tipos de luminaria se definen de la siguiente manera: - Laterales luminosos: Se considera que una luminaria posee laterales luminosos si tiene un panel lateral luminoso con una altura de más de 30 mm. - Elongada: Se considera que una luminaria es elongada cuando la relación entre la longitud y el ancho del área luminosa es superior a 2:1.

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Orientación de la luminaria Al utilizar los diagramas de la Fig. 2 se debe considerar la distribución de la luminancia de la luminaria en dos planos verticales: el plano C0-C180 y el plano C90-C270.

85°

85°

75°

75°

γ

γ

45°

45°

C90 - C270

C0 - C180

Figura 3. Planos C- en los que se debe verificar la luminancia de la luminaria. Cuando las luminarias se montan con el plano C0-C180 paralelo al eje del local, la distribución de la luminaria en dicho plano se utiliza para controlar la limitación del deslumbramiento en la dirección longitudinal de la habitación, y la distribución de la luminancia en el plano C90-C270 se utiliza para verificar la limitación del deslumbramiento en la dirección transversal a la habitación. Cuando las luminarias se montan con el plano C90-C270 paralelo al eje longitudinal del local, dicho plano se debe utilizar para verificar la limitación del deslumbramiento en la dirección longitudinal de la habitación, y la distribución de la luminancia en el plano C0-C180 para verificar la limitación del deslumbramiento en el sentido transversal de la habitación. Para luminarias elongadas el plano C90-C270 se elige coincidente con (o paralelo a) el eje longitudinal de la/s lámpara/s. Cuando dicho plano es paralelo a la dirección de la visión percibida se dice que la misma es longitudinal, en cambio cuando el plano C90-C270 está en ángulos rectos a la dirección de la visión, se considera que la visión es transversal. Ángulo de apantallamiento Para aquellas luminarias en las cuales, al observarlas desde ángulos de 45º o más con respecto a la vertical, se pueden ver las lámparas o partes de las mismas, se debe limitar no sólo la luminancia media de la luminaria según las curvas de la Fig. 4, sino también las lámparas deben estar bien apantalladas dependiendo de la luminancia de la lámpara y de la clase de calidad elegida. Los ángulos de apantallamiento requerido (Fig. 4 y 5) se muestran en la Tabla 2. Si el ángulo de apantallamiento es igual o mayor que el tabulado, el deslumbramiento será de la clase especificada o mejor.

α

α

α

α

Figura 4. Ángulos de apantallamiento para varias luminarias.

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Angulo de apantallamiento

90° - γ < S

90° - γ = S

90° - γ > S

Figura 5. Control del deslumbramiento por apantallamiento. Tipos de fuentes Se sabe por experiencia estadística que el umbral mínimo de luminancia es de 10-5 cd/m2, que el deslumbramiento aparece a partir de 5.000 cd/m2 y que en ningún caso se debe pasar de 20.000 cd/m2. Para fines de control de deslumbramiento, conviene dividir las fuentes en dos grandes grupos, es decir, las que tienen una luminancia por debajo de 20.000 cd/m2 y las que tienen una luminancia por encima de este valor. Las fuentes que están por debajo de los 20.000 cd/m2, incluyen todos los tipos normales de lámparas fluorescentes. Las luminarias para este grupo de fuentes emplean, para el control del deslumbramiento, materiales translúcidos y el apantallamiento. En algunas circunstancias la luminancia de la lámpara es lo suficientemente baja para permitir emplearla desnuda. El grupo de fuentes por encima de 20.000 cd/m2 incluye la mayor parte de las lámparas de tipo compacto, con filamento incandescente y las variedades de descarga gaseosa. Aunque los dos métodos de control de deslumbramiento mencionados antes se emplean en lámparas de baja potencia, el método de apantallamiento se emplea casi exclusivamente para controlar el deslumbramiento en los tipos más potentes, en casos de alumbrado industrial; y en tales casos, debe de tenerse en cuenta tanto la iluminancia en el ojo del espectador como la luminancia. Por esta razón, se debería contar con el flujo que sale y la altura del montaje al calcular ángulos de apantallamiento convenientes para fuentes de esta clase. Rango de luminancia

Clase de calidad de la limitación

media de la lámpara (cd/m )

del deslumbramiento ABC DE 20º 10º *

2

Menos de 20.000 De 20.000 a 50.000

30º

20º

Tipo de lámpara

Fluorescente tubular. A descarga de alta presión con bulbos difusores o fluorescentes.

Más de 50.000

30º

30º

A descarga de alta presión con bulbos tubulares de vidrio claro. Incandescentes de vidrio claro.

Tabla 2. Ángulos de apantallamiento mínimos requeridos adicionalmente. Grado del deslumbramiento o clase de calidad Las curvas comprenden una escala de cinco grados de deslumbramiento que corresponden a las cinco clases de calidad (Tabla 1). Los grados de deslumbramiento surgen de la evaluación subjetiva del deslumbramiento llevada a cabo en el laboratorio por un grupo de observadores, utilizando una escala de nueve puntos donde se marcaron los puntos principales. * Para lámparas lineales vista de frente: 0°.

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Iluminancia en servicio estándar El valor de la iluminancia de servicio estándar, de 300 lux en adelante, se utiliza junto a la clase de calidad, como parámetro al seleccionar la curva del límite de la luminancia adecuada. Relación a/h En lugar del rango adecuado de los rangos críticos, se puede utilizar un rango de relaciones a/h críticas, donde “a” representa la distancia horizontal y “h” la distancia vertical entre el ojo del observador y la luminaria más lejana (Fig. 6). Estos valores están representados al lado derecho de los diagramas de deslumbramiento. a

γ

Zona de la visión crítica

45°

hs

tan γ =

a hs

1,20 m.

Zona radiante crítica

Figura 6. Zonas críticas de visión y radiante. Valores de luminancia La distribución de la luminancia de las luminarias en los planos C0-C180 y C90-C270 son los valores iniciales. La luminancia media de la luminaria en una dirección dada se puede calcular como el cociente entre la intensidad luminosa en dicha dirección y el área luminosa aparente. Las curvas de limitación son válidas para: - Iluminación general. - Líneas de visión predominantemente horizontales o hacia abajo. - Reflectancias de al menos 0’5 para cielos rasos y paredes, y de por lo menos 0’25 para el mobiliario. Para un techo luminoso, la limitación del deslumbramiento será suficiente siempre y cuando la luminancia en los ángulos mayores de 45º no exceda de 500 cd/m2. Procedimiento para el uso del sistema de protección al deslumbramiento 1. Determinar la luminancia media entre 45º y 85º y del tipo de luminaria elegida para la instalación. 2. Determinar la clase de calidad y el nivel de iluminancia requeridos para la instalación (supuesta nueva). 3. Seleccionar la curva adecuada (clase y nivel) del diagrama correspondiente. 4. Determinar el ángulo máximo, para la longitud y altura de la habitación, entre el nivel del ojo y el plano de las luminarias. 5. Tomar la línea horizontal del diagrama de limitación de deslumbramiento para el valor a/h encontrado en el paso anterior. La parte de la curva sobre esta línea se puede ignorar. 6. Comparar la luminancia de una luminaria con la parte elegida de la curva de limitación. No existirá deslumbramiento psicológico si el valor de la luminancia de la luminaria no supera la luminancia especificada por la curva de limitación elegida dentro del rango de ángulos de emisión. Si el resultado es diferente, deberá modificarse el diseño; por ejemplo, seleccionando otro tipo de luminaria.

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Es aconsejable utilizar este método sólo en interiores de trabajo. En otras situaciones, es decir en lugares públicos, vestíbulos y entradas, se puede requerir iluminancias mayores ya que en esos lugares las fuentes de luz sirven como un elemento de animación. Nuevo desarrollo Un nuevo desarrollo en el área de los sistemas de deslumbramiento es el Sistema de Índice del Deslumbramiento Unificado (UGR, Unified Glare Rating) C.I.E., que es un nuevo sistema de evaluación para el deslumbramiento psicológico en la iluminación interior. Aunque todavía no ha sido aprobado internacionalmente, este sistema se puede adoptar para uso general. Fórmula UGR La fórmula para calcular el valor de UGR es la siguiente:

UGR= 8 . log

E

0,25 Lb

·

L2 . w p2

R

donde: Lb = luminancia de fondo (cd/m2). L = luminancia de las partes luminosas de cada luminaria en la dirección del ojo del observador (cd/m2). = ángulo sólido trazado por las partes luminosas de cada luminaria en el ojo del observador (estereorradián). p = índice de posición para cada luminaria, que se relaciona con el desplazamiento de la zona de visión (índice de posición Guth para cada luminaria) La evaluación más exacta del deslumbramiento se logra mediante la aplicación directa de la fórmula UGR para la instalación considerada, para la cual se requiere un programa de ordenador. Tablas UGR Se puede obtener un valor de UGR más simple aunque no tan exacto utilizando las tablas de deslumbramiento UGR estándar. Estas tablas proporcionan el valor UGR calculado para diferentes situaciones estándar y para distintos tipos de luminarias. Una desventaja de estas tablas es que no es posible clasificar las luminarias. Por esta razón, se han desarrollado las curvas de limitación UGR. Curvas de limitación UGR Las curvas de limitación del deslumbramiento calculadas utilizando el método UGR son ligeramente diferentes a las curvas de limitación del deslumbramiento C.I.E. descritas anteriormente. Las mismas comprenden cinco líneas en lugar de ocho, y el rango de luminancias abarcado es considerablemente mayor. C= 0-180 C= 90-270

UGR 85º

13

16

19

22

25

28

80º 75º 70º

γ

65º 60º 55º 50º 45º 2 8 10

2

3

3 4 5 6 8 10

2

4

3 4 5 6 8 10

2

5

3 4 5 6 8 10

2 2 L (cd/m )

Figura 7

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El rango del índice del deslumbramiento se extiende de 13 a 28 en escalones de 3 unidades, siendo éste el menor aumento que proporciona un cambio significativo en la sensación de deslumbramiento psicológico. Otra diferencia es que con esas curvas la clasificación de la luminaria es independiente de la iluminancia. Gracias a las curvas se pueden clasificar las luminarias. Sin embargo, no son tan exactas como las tablas, ya que sólo consideran el efecto de la luminaria y no el de toda la instalación. Deslumbramiento producido por las ventanas La luminancia del cielo en el cual se comienza a percibir el deslumbramiento es aproximadamente de 2.000 cd/m2 y corresponde a la iluminancia horizontal de 10.000 lux. bajo condiciones de nubosidad. Ya que la luminancia del cielo no se puede disminuir, el deslumbramiento producido por las ventanas sólo se puede prevenir utilizando cortinas, persianas o celosías. Alternativamente, las posiciones de trabajo se pueden disponer de manera tal, que el deslumbramiento de las ventanas no penetre en el campo de la visión de los ocupantes. El deslumbramiento psicológico producido por las ventanas se puede reducir utilizando decorados muy claros en las superficies inmediatas a las aperturas de las ventanas y esparciendo decorados sobre las mismas para permitir que la luz que la luz que incide sobre ellas reduzca el contraste de la ventana. Reflexiones de velo y deslumbramiento reflejado El brillo de una fuente de luz reflejada por una superficie mate o semi-mate en los ojos de un observador, produce una molestia que puede ser leve o considerable. Cuando esta reflexión se produce en una tarea se denomina reflexión de velo; cuando se produce fuera de la tarea se denomina deslumbramiento reflejado. Las reflexiones de velo, además de producir molestias, reducen el contexto de la tarea y como consecuencia pérdida de detalles. Tanto las reflexiones de velo como el deslumbramiento reflejado se puede minimizar de la siguiente manera: 1. Diseñando un sistema de iluminación o ubicando las áreas de trabajo de manera tal que ninguna parte de la tarea visual esté dentro o cerca del ángulo de reflexión de cualquier fuente de luz brillante con respecto al ojo. 2. Aumentando la cantidad de luz en ambos lados sobre la tarea visual aproximadamente en ángulos rectos a la dirección de la visión. 3. Utilizando luminarias que posean una amplia gama de emisión y baja luminancia. 4. Utilizando superficies de trabajo, papel, materiales de escribir, máquinas de oficina, etc. que tengan superficie mate para reducir los efectos de la reflexión.

10.4. Sombras y modelado La apariencia de interiores se mejora cuando sus características estructurales y los objetos y las personas están iluminadas de tal forma que las siluetas se ven clara y agradablemente, y las sombras se forman sin confusión. Esto ocurre cuando la luz fluye de forma evidente en una dirección más que en cualquier otra. El término modelado se usa para describir la forma en la cual las siluetas de objetos tridimensionales se destacan por la iluminación. El modelado puede ser fuerte o débil; el grado más efectivo para cualquier interior depende del tipo de construcción y las actividades implicadas. Cuando la luz viene desde muchas direcciones y es demasiado difusa, el modelado puede ser ligero y el interior puede ser poco interesante debido a la pérdida de contraste de la luminancia. Por otro lado, si el componente direccional es muy fuerte, el modelado será normalmente severo y las sombras se pueden confundir. Sin embargo, las sombras pronunciadas, como las obtenidas con fuentes de luz concentradas sobre un área pequeña, se pueden usar para producir efectos dramáticos intencionados. Las tiendas, las salas de arte y muchos otros lugares requerirán una iluminación con provisión para sombras modeladas en diversos grados. Una ventana o una luminaria grande puede producir un buen modelado sin sombras fuertes, pero si la fuente es muy grande en relación con la distancia del objeto iluminado, como puede ser el caso con la iluminación indirecta, el modelado quedará debilitado. Las sombras profundas que producen contrastes de luminancia excesivos pueden ser suavizados mediante aplicación de fuentes de luz adicionales. Acabados con altas reflectancias difusoras en las superficies de la habitación resultan ser fuentes de luz secundarias

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eficaces y reducen, materialmente, las sombras, reflejando una cantidad significativa de luz difusa dentro de áreas sombreadas. Las sombras con bordes suaves se obtienen con fuentes de áreas grandes tales como luminarias de lámparas fluorescentes o sistemas de iluminación indirecta.

10.5. Calidad de la luz En el capítulo 4 dedicado a El Color, vimos que las características más importantes de la calidad de la luz son su Temperatura de Color (TC) y su Índice de Rendimiento de Color (IRC ó Ra). La Temperatura de Color (TC) tiene una notable influencia sobre el ambiente creado en cuanto a sus sensaciones de frío o calor, al tiempo que potencia o atenúa la cromacidad de los objetos en ese mismo sentido. Además, el término TC no se puede manejar de un modo independiente, sino que se debe combinar de forma adecuada con la Iluminancia para que no se produzcan efectos distorsionadores de la percepción visual. Las curvas de Kruithof delimitan las posibles combinaciones entre TC y la Iluminancia de

ILUMINANCIA EN LUX

cálculo (Fig. 8).

5.000

500

50

5 2.000

2.500 3.000

4.000

5.000

10.000

TEMPERATURA DE COLOR ºK Figura 8. Curvas de Kruithof para la relación entre Tc y la Iluminancia. El índice de reproducción cromática (IRC) tiene transcendental importancia en la calidad de la luz, siendo de primera magnitud en actividades donde la óptima reproducción cromática es imprescindible (ver capítulo 4).

Luz y color en interiores Aparte de las propiedades de color de las lámparas, otro aspecto del color que influye en el confort visual de una habitación, es el esquema de color elegido para las superficies de la habitación. En términos generales, para alcanzar alta eficiencia luminosa, se deben elegir colores claros para las áreas de superficie principal. Una superficie blanca reflejará alrededor del 80% de la luz incidente, un color claro el 50%, un color medio del 30% al 50%, y un color oscuro menos de un 10%. Para lograr los mejores resultados se deben elegir materiales y colores bajo igual o similar luz a la planeada para el medio diseñado, además de otros factores de tipo subjetivo, climático, de sexo, edad, de superficies de color que influyen en los demás colores, etc.

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10.6. Diseño de la Iluminación La iluminación es un arte y una ciencia, por lo tanto no puede haber reglas rígidas ni ligeras que regulen el proceso de diseño. El propósito básico de un buen diseño de iluminación es crear una instalación de iluminación que proporcione una buena visibilidad en la tarea y, a la vez, un entorno visual satisfactorio. La función de un espacio influye enormemente en el modo en el cual debe aplicarse la iluminación. Por lo tanto, los requisitos visuales del espacio tienen que determinarse en primer lugar. Posteriormente y basándose en los resultados de estos análisis, se tomarán las decisiones apropiadas para la selección de los sistemas de iluminación, de las lámparas y de las luminarias. En algunos casos, el diseñador de la iluminación puede elegir el tipo de sistema de iluminación; en otros casos el diseño arquitectónico y las condiciones estructurales pueden dictar un tipo de instalación en particular. La decoración interior y especialmente las reflectancias de las superficies mayores de la habitación tienen también una influencia considerable en la apariencia de la iluminación. Lo importante, sin embargo, es tener en cuenta que el proceso de diseño consiste en dos fases bien diferenciadas. La primera fase empieza con el cliente, e incluye el estudio de los diferentes factores locales que influirán en el diseño. La segunda fase es el proceso de diseño mismo, y es aquí donde se toma la primera decisión entre muchas con respecto al diseño.

10.6.1. Distribución de luminancias en superficies La distribución de luminancias dentro de un campo de visión es un criterio extremadamente importante en el diseño de la iluminación. Debe ser considerada como complementaria de la distribución de iluminancia en el interior. Para un nivel de iluminación dado, las diferencias en luminancia pueden deberse a diferencias en la reflectancia de las superficies. Aunque la iluminancia sea apropiada para la tarea visual, no necesariamente proporcionará un balance de luminancia aceptable en el interior. Dicho balance dependerá de las reflectancias elegidas para las superficies. La iluminación en este aspecto puede contribuir a mejorar la situación más pobre, pero el resultado será siempre visualmente insatisfactorio. Por lo tanto, la distribución de luminancia debe considerarse como suplementaria en el proyecto de iluminación de interiores. Deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: 1. Luminancia de la tarea y luminancia de sus alrededores. 2. Valores extremos de la luminancia de techos y paredes. 3. Supresión del deslumbramiento limitando la luminancia de las luminarias y ventanas. En la Fig. 9 se puede observar la escala de luminancias para iluminación interior, que es dato de gran importancia para la distribución de luminancias. cd/m2 10000 5000 2000

Luminancia permitida para luminarias de iluminación general

1000 500 200

Luminancia preferida de tareas

100

Luminancia preferida de cielorraso y pared

50 20

Satisfactoriamente perceptible

10 5

Luminancia permitida para luminarias de puestos de trabajo VDU Características de la cara humana

Apenas perceptible

2 1

(Luminancia recomendada en caminos)

Figura 9. Escalas de luminancias para iluminación interior.

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Distribución de luminancia en el área de trabajo Las luminancias de los alrededores inmediatos de la tarea deberían, si es posible, ser más bajas que las luminancias de la tarea, pero preferiblemente no menos de 1/3 de este valor. Esto implica que la razón de la reflectancia del fondo inmediato de una tarea al de la tarea misma, debería estar preferiblemente en el rango 0’3 0’5. Este es un requisito práctico o útil para oficinas, pero su aplicación es difícil, y algunas veces imposible, en la mayoría de las fábricas donde la tarea es a menudo oscura y el diseñador de iluminación puede, raramente, especificar la reflectancia del fondo.

10.6.2. Depreciación de la emisión de luz La iluminancia proporcionada inicialmente por una instalación de iluminación disminuirá de manera gradual durante el uso debido a una reducción en los lúmenes de la lámpara, a lámparas que se quemen, y a la acumulación de suciedad en las lámparas, luminarias y superficies de la habitación. Sin embargo, es posible mantener la iluminancia en o sobre el mínimo valor permitido (denominado valor mantenido) limpiando el equipo de iluminación y las superficies de la habitación y cambiando las lámparas quemadas o gastadas a intervalos adecuados de acuerdo con un programa de mantenimiento previamente acordado. El valor de dicho programa de mantenimiento se indica en la Fig.10. Claramente, en el caso ilustrado, la iluminancia en el sistema no mantenido disminuirá hasta el 40% del valor inicial dentro de los tres años y continuará decayendo. Pero con una limpieza anual y un recambio de lámparas y de pintura cada tres años, la iluminancia llega al 60% del valor inicial. En tres años, el sistema mantenido proporciona una iluminancia 50% mayor que la del sistema sin mantenimiento. Número de años, suponiendo 3.000 horas de encendido al año 1

2

3

100 Pérdida por de

90

terioro de la lám

para

Porcentaje de iluminación

80 70

50 40

Limpieza dos veces al año y renovación de lámpara

70

71

62

60

Limpieza una vez al año y renovación de lámpara

62

65

Limpieza dos veces al año y lámparas de origen

55 Pérdida por suciedad en la lámpara

Ganancia por limpieza cada 6 meses

Ganancia por limpieza cada 6 meses

Limpieza una vez al año y lámparas de origen

Ganancia si también se renueva la lámpara

30 Luminarias limpiadas cada 12 meses

20 10

Luminarias limpiadas cada 12 meses

0 1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

Horas de trabajo

Figura 10. Curvas combinadas de depreciación mostrando el efecto de limpieza y renovación en una instalación de lámparas fluorescentes. Factores a considerar en la depreciación de la iluminación de interiores Suciedad en lámparas y luminarias La mayor parte de la pérdida de luz se puede atribuir a la suciedad que se acumula en las lámparas y en las superficies de control de luz (reflejada, refractada o difusa) de las luminarias. La velocidad de depreciación causada por la suciedad que se deposita en las superficies de control de la luz es afectada por el ángulo de inclinación, la terminación, y la temperatura de la superficie, por el grado de ventilación o hermetismo de la luminaria, y por el grado de contaminación de la atmósfera que rodea la luminaria. La depreciación en la emisión de luz puede ser reducida seleccionando luminarias apropiadas para cada lugar determinado. Las luminarias de bases abiertas y superficies cerradas acumulan suciedad a mayor velocidad que aquellas que tienen ventilación. En las luminarias ventiladas, las corrientes de convección sacan el polvo y la suciedad hacia afuera a través de agujeros o ranuras en el dosel o reflector y los llevan fuera de las superficies de reflexión. En atmósferas altamente contaminadas es preferible utilizar luminarias herméticas o a prueba de polvo, algunas de las cuales tienen un filtro interior que permite que se lleve a cabo la “respiración” necesaria.

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Suciedad sobre las superficies de la habitación La suciedad acumulada en techos (cielorrasos) y paredes reduce el valor de reflectancia de los mismos y por lo tanto la cantidad de luz reflejada. La relación que ésto tenga con el cálculo de la iluminancia obviamente dependerá del tamaño de la habitación de que se trate y de la distribución de luz de las luminarias. El efecto será más pronunciado en habitaciones pequeñas o cuando haya luminarias con un gran componente indirecto. Depreciación del flujo de la lámpara El rendimiento luminoso de todas las lámparas disminuye con el uso, pero la velocidad de dicha disminución varía ampliamente según los tipos de lámparas y fabricantes. Los cálculos para iluminación deben, por lo tanto, tener en cuenta la depreciación específica en el rendimiento luminoso de cada lámpara en particular. Debe tenerse en cuenta que estos datos mostrados en las figuras, están basados en ciertas suposiciones relacionadas con las condiciones de funcionamiento, y uno o más de los factores siguientes pueden influir en el índice de depreciación: - Temperatura ambiente. - Posición de funcionamiento de la lámpara. - Voltaje suministrado. - Tipo de equipo de control utilizado, si es relevante. Fallo de la lámpara El promedio de vida de la lámpara depende del tipo de lámpara utilizado y, en el caso de lámparas de descarga, del ciclo de encendido. Los fallos en las lámparas causan no sólo una reducción en los niveles de iluminancia, sino que también pueden ocasionar una reducción inaceptable en el grado de uniformidad de la iluminación. Factor de mantenimiento (fm) El fm se define como la razón de la iluminancia producida por la instalación de iluminación a un tiempo especificado, a la iluminancia producida por la misma instalación cuando es nueva. El fm, por lo tanto, combina las pérdidas causadas por la depreciación del flujo de la lámpara, la depreciación de la luminaria y la depreciación de la superficie de la habitación. Si cada una de estas causas de depreciación está cuantificada por un periodo específico de uso, se obtiene un factor general, producto de los tres factores. fm = factor pérdida flujo lámpara x factor pérdida luminaria x factor pérdida superficie habitación Calculado el factor de pérdida de luz para diferentes situaciones de mantenimiento, es posible predecir la situación de la iluminancia producida por la instalación en relación con el tiempo transcurrido.

10.7. Cálculos de iluminación interior 10.7.1. Niveles de iluminación y recomendaciones Antes de comenzar los cálculos de iluminación, hay que obtener los valores requeridos para el tipo de actividad a desarrollar en el local que queremos iluminar. Dichos valores los podemos encontrar al final de capítulo y son: -- Iluminancia media en servicio. - Calidad de limitación del deslumbramiento. Además de estos requerimientos, también son fundamentales los valores de las dimensiones del local y de la altura del plano de trabajo, así como la cota de montaje de las luminarias.

10.7.2. Índice del local Los locales a iluminar se clasifican según la relación que existe entre sus dimensiones, la altura de montaje y el tipo de alumbrado. Es lo que denominamos índice del local y nos sirve después para determinar el factor de utilización. Se calcula de la siguiente forma: - Para luminarias directas, semidirectas, directas-indirectas y general difusa:

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Relación del local =

A.L h . (A + L)

- Para luminarias indirectas y semi-indirectas: Relación del local =

3.A.L . 2 h . (A + L)

En ambas fórmulas: A = Ancho del local (m.). L = Longitud del local (m.). h = Altura de montaje (m.). Se considera la distancia que hay desde la luminaria hasta el plano útil o de trabajo. La altura del local, H, es suma de la cota de suspensión de la luminaria, C, más la altura de montaje, h, y más los 0’85* m. a los que está el plano de trabajo del suelo. Como H y C son datos previos de la instalación, se calcula la altura de montaje mediante la fórmula: h = H – C – 0’85 (m.)

10.7.3. Factor de mantenimiento (fm) En términos generales, se pueden establecer los factores de mantenimiento que aparecen en la Tabla 3, que son función del ambiente de trabajo. Este factor se obtiene por multiplicación de tres factores (la depreciación del flujo de la lámpara, la depreciación de la luminaria y la depreciación de la superficie de la habitación) como ya habíamos comentado anteriormente. Ambiente de trabajo

Fm

Acerías, fundiciones

0’65

Industrias de soldadura, mecanizado

0’70

Oficinas industriales, salas

0’75

Patios de operaciones, locales públicos

0’80

Despachos, oficinas comerciales, informáticas

0’85

Tabla 3

10.7.4. Factor de utilización o utilancia (fu) El factor de utilización de un sistema de alumbrado es la relación entre el flujo luminoso que llega al plano de trabajo y el flujo total que emiten las lámparas instaladas. Este es un dato muy importante para el cálculo del alumbrado y depende de la diversidad de factores, como son: el valor adecuado de nivel de iluminación, el sistema de alumbrado, las luminarias, las dimensiones del local, la reflexión (techos, paredes y suelo) y el factor de mantenimiento. En general, para su determinación, se utiliza el método de las reflectancias y existen, actualmente, muchas situaciones y valores tabulados según cada fabricante e incluso programas de ordenador para usuarios. A la hora de manejar este factor, hay que tener en cuenta si éste está o no multiplicado por el rendimiento de la luminaria (), para su posterior uso en la fórmula de cálculo de alumbrado.

* Distancia a la que está el plano de trabajo del suelo según la NTE (Norma Tecnológica de Edificación).

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10.7.5. Proceso de cálculo Actualmente este proceso está informatizado (programa INDALWIN), pero vamos a indicar en este apartado el proceso a seguir para realizar un proyecto de iluminación en un interior, teniendo en cuanta las recomendaciones que establece la C.I.E. en cuanto a iluminancias de servicio, calidad de limitación de deslumbramiento directo y el grupo de rendimiento de color (IRC o Ra) más recomendado para una instalación concreta (almacenes, oficinas, aulas, etc.). Los pasos a seguir son los siguientes: 1) Características geométricas del local. 2) Características de reflexión de las diferentes superficies. 3) Obtención de los valores requeridos para el tipo de actividad a desarrollar en el local (iluminancia media de servicio, calidad limitación del deslumbramiento, IRC), de las tablas de la C.I.E. 4) Seleccionar el tipo de luminaria a instalar en función de las características del local, el cual nos definirá si la luminaria es de empotrar en falso techo, de adosar o suspender. 5) Comprobar que la luminaria cumple la calidad de limitación de deslumbramiento directo. 6) Como el nivel medio es el que se mantendrá en la instalación, es preciso aplicar, a los valores iniciales, unos coeficientes de depreciación de la misma. Éstos son los vistos anteriormente. 7) Cuando realizamos el cálculo de la iluminación de un local por el método del factor de utilización, es necesario conocer el rendimiento de la luminaria y el factor de utilización (para lo que necesitamos saber el valor de K y las reflexiones de techo, paredes y suelo). 8) Una vez que tenemos todos los datos, aplicamos la fórmula fundamental de la iluminación: donde: Ems =

. N . . fu . fm S

Ems = Iluminación media en servicio. = Flujo luminoso unitario de la lámpara. N = Número de lámparas (a determinar). = Rendimiento de la luminaria. fu = Factor de utilización. fm = Factor de mantenimiento. S = Superficie a iluminar.

10.8. Algunos niveles de iluminación recomendados Áreas de construcción en general Tipo de área

Illuminancia en servicio (lux)

Clase de calidad

100

D-E

Baños, servicios

100

C-D

Negocios, depósitos

100

D-E

Escaleras, escaleras mecánicas

150

C-D

Áreas de circulación corredores

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Talleres de montaje Tipo de área Trabajo preliminar: montaje

Iluminacia en servicio (lux) 1.300

Clase de calidad C-D

1.500

B-C

1.750

A-B

1.500

A-B



Área general de planta interior

1.300

C-D

Salas de control, laboratorios

1.500

C-D

Elaboración farmacéutica

1.500

C-D

Fabricación de neumáticos

1.500

C-D

maquinaria pesada Trabajo intermedio: montaje de motores y cuerpo del vehículo Trabajo fino: montaje de maquinaria de oficina y electrónica Trabajo refinado: montaje de instrumentos

Industrias del caucho, del plástico y química Tipo de área Procesos automáticos

Inspección

1.750

A-B

Combinación de colores

1.000

A-B


Clase de calidad A-B

Costura

1.750

A-B

Inspección

1.000

A-B


Clase de calidad B-C

Devanado de bobina

1.500

A-B

Montaje de teléfonos, radios, Tos

1.000

A-B

Evaluación, ajuste

1.000

A-B

Montaje de partes de ultra-precisión

1.500

A-B

Iluminacia en servicio (lux) 200

Clase de calidad D-E

Áreas de trabajo general

300

C-D

Decoración artesanal

500

A-B

Fábricas de indumentaria Tipo de área Planchado

Industria eléctrica Tipo de área Fabricación de cables

componentes electrónicos

Industria alimenticia Tipo de área Proceso automático

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Fundiciones Tipo de área Áreas de fundición



300

C-D

500

A-B



1.300

C-D

Acabado, esmaltado y lustre

1.300

B-C

Pulido y grabado a máquina

1.500

B-C

Pulido y grabado a mano

1.750

A-C

Trabajo refinado

1.000

A-B

Iluminacia en servicio (lux)

Clase de calidad

50

D-E

200

D-E

300

D-E

500

A-B

Tipo de área Áreas de trabajo general



Prensado, corte, costura,

1.750

A-B

1.000

A-B

Moldura preliminar, construcción de núcleos preliminares Moldura fina, construcción de núcleos, inspección

Fábrica de vidrios y alfarería Tipo de área Hornos/salas de hornos Salas de mezclado, salas de formación, moldura y horneado

Talleres metalúrgicos Tipo de área Plantas de producción totalmente automáticas Plantas de producción semi-automáticas Estaciones de trabajo con personalpermanente en las plantas de producción Plataformas de control e inspección

Industria del cuero

fabricación de zapatos Clasificación, apilado, control de calidad

160

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Talleres de máquinas y ajustes Tipo de área Fundición de partes pequeñas



1.300

C-D

1.500

B-C

1.750

A-B

1.500

A-B

Tipo de área Lavado, rociado preliminar



Rociado y pintura general

1.750

B-C

Pintura fina, rociado y acabado,

1.000

A-B



Fabricación de cartón y papel

300

C-D

Inspección, clasificación

500

A-B



Encuadernación

1.500

A-B

Salas de composición, corrección,

1.750

A-B

Retocado, grabado

1.000

A-B

Reproducción del color e impresión

1.500

A-B

Grabado de cobre y acero

2.000

A-B



1.500

C-D

Retorcido, tejido

1.750

A-B

Costura, inspección

1.000

A-B

Banco preliminar y trabajo a máquina, soldadura Banco intermedio y trabajo a máquina Banco fino y trabajo a máquina, inspección y verificación Trabajo refinado, medición e inspección de las pequeñas partes complejas

Talleres de pintura y cabinas de rociado

retoque y mezcla

Fábrica de papel Tipo de área Procesos automáticos

Impresiones y encuadernaciones Tipo de área Máquina impresora

recortes, realzado

Industrias textiles Tipo de área Cardado, dibujo Hilado, devanado, teñido

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Artesanías en madera y fabricación de muebles Tipo de área Aserraderos



Banco de trabajo, montaje

1.300

C-D

Máquinas para trabajar la madera

1.500

B-C

Acabado

1.750

A-B

Inspección final, control de calidad

1.000

A-B

Tipo de área Archivos



Salas de conferencia

1.300

A-B

Oficinas generales, mecanografía,

1.500

A-B

Oficinas abiertas y profundas

1.750

A-B

Oficinas de dibujo

1.000

A-B



500

A-B



Autoservicios

500

B-C

Supermercados, almacenes

750

B-C

Oficinas

salas con actividades realizadas en pantallas de ordenadores

Escuelas Tipo de área Talleres, bibliotecas, salas de lectura Aulas de clase, aulas de conferencias, laboratorios, aulas de arte, gimnasios

Negocios y tiendas Tipo de área Negocios convencionales

162

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Edificios públicos Tipo de área Auditorio cines



Vestíbulo cines

150

B-C

Auditorio de teatros y salas

100

B-C

200

B-C

150

B-C

300

B-C

Nave de iglesias

100

B-C

Coro, Altar y púlpito de iglesias

300

B-C



Cabecera del dormitorio

200

B-C

Baño en general

100

B-C

Lugar para afeitarse y maquillarse

500

B-C

Vivienda en general

100

B-C

Lugar para leer y coser

500

B-C

Escaleras

100

B-C

Cocina en general

300

B-C

Área de trabajo en la cocina

500

B-C

Escritorio

300

B-C

Cuarto de los niños

100

B-C



100

B-C

Cuarto de huéspedes y baños local

300

B-C

Entradas y salas de conferencia

300

B-C

500

B-C

de conciertos Vestíbulos de teatros y salas de conciertos Exposición de objetos sensitivos a la luz en museos y galerías de arte Exposición de objetos no sensitivos a la luz en museos y galerías de arte

Casas Tipo de área Dormitorio en general

en el baño

Hoteles y restaurantes Tipo de área Comedores Cuarto de huéspedes y baños en general

en general Cocinas

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Hospitales Tipo de área Pasillos por la noche



Pasillos por día/tarde

000.200

A-B

Iluminación general para guardias

000.150

A-B

Iluminación general para salas

000.500

A-B

001.000

A-B

Observación en terapia intensiva

000.750

A-B

Enfermerías

000.300

A-B

Sala de pre-operación

000.500

A-B

1.000

A-B

100.000

A-B

000.750

A-B

005.000

A-B

000.750

A-B

001.000

A-B

000.500

A-B

000.750

A-B

de exámenes Iluminación general para exámenes locales

Iluminación general de la sala de operaciones Iluminación local de la sala de operaciones Iluminación general en salas de autopsias Iluminación local en salas de autopsias Iluminación general de laboratorios y farmacias Iluminación local de laboratorios y farmacias Iluminación general de salas de consulta Iluminación local de salas de consulta

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Capítulo 11.

ILUMINACIÓN POR PROYECCIÓN

11.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 11.2 Iluminación utilitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 11.3 Iluminación decorativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 11.4 Iluminación deportiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

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Capítulo 11. ILUMINACIÓN POR PROYECCIÓN

11.1. Generalidades El Comité Internacional de Iluminación (C.I.E.) define la iluminación por proyección como: La iluminación de un lugar (escena, área) o de un objeto, por medio de proyectores, a fin de aumentar fuertemente su iluminación en relación con los alrededores. Hay un gran número de campos de aplicación totalmente diferentes y de sistemas de iluminación a los cuales se les aplica ordinariamente el término “iluminación por proyección” (también se utilizan los de iluminación dirigida o por inundación). La técnica común a todas las instalaciones de iluminación por proyección consiste en el uso de proyectores para obtener un aumento de la iluminancia de una superficie con respecto a sus alrededores. Esta importante rama de la técnica de la iluminación es la más ligada quizás al desarrollo de los países y está teniendo un general e importantísimo incremento. La escala de aplicaciones abiertas a la iluminación dirigida con propósitos decorativos y utilitarios es amplia y variada. Sin embargo, las más importantes se enumeran a continuación: - Iluminación utilitaria (grandes áreas de trabajo). - Iluminación decorativa (edificios, monumentos, puentes, parques y jardines). - Iluminación deportiva. Cada caso, en iluminación por proyección o con proyectores, es un problema a resolver en particular, y a veces precisaremos haces muy estrechos, de gran intensidad en candelas, para poder llegar a zonas u objetos situados a grandes distancias, mientras que otras veces precisaremos determinados ángulos de apertura para lograr buena uniformidad en la iluminación de la zona o campo, ajustándonos en lo posible a sus límites geométricos. Si añadimos la enorme variedad que pueden presentar las tres variables más importantes que intervienen en todos los casos (tipo de área, situación geométrica de los equipos de alumbrado y condiciones del entorno o alrededores) deducimos fácilmente que es prácticamente imposible establecer una normalización. Únicamente en la mayoría de los casos de iluminación deportiva (unificación de dimensiones, reglas de juego, etc.), es factible el establecimiento de normas generales, aún cuando admiten numerosas variantes. Por tanto, para ayuda del técnico que ha de realizar el estudio o proyecto de la instalación, sólo podemos proporcionarle las más importantes reglas básicas, recomendaciones, tablas o datos a tener en cuenta, contando siempre con su justo criterio a la hora de suplir deficiencias.

Recopilación de datos Es la base fundamental para tomar decisiones posteriores. Cuanto más datos, planos, observaciones, posibilidad de los emplazamientos, horas de encendido, previsión de acumulación de suciedad, alrededores de la zona, calles, cruces, carreteras o vías próximas, centros de alimentación, posibilidades del presupuesto, etc., tomemos, tanto mejor. - En iluminación de seguridad, protección o producción, hemos de tomar nota de las horas de encendido, necesidades en horas punta, deslumbramientos, contrastes favorables, condiciones atmosféricas, etc. - En iluminación decorativa o arquitectónica, no hemos de olvidar posibles efectos de color, sombras y contrastes, ángulos de proyección, reflectancia de la superficie, brillos de los alrededores, etc. - En iluminación deportiva, nos fijaremos preferentemente en las posibles exigencias en iluminación vertical, en evitar sombras y deslumbramientos a los usuarios o al público, contrastes y clase o carácter del juego (competición, club, entrenamiento, recreo, etc.).

Determinación de la iluminancia En el caso de no sernos dada, hemos de fijar el nivel recomendable, teniendo en cuenta todas las particularidades y con ayuda de las tablas que aparecen a lo largo y al final de este capítulo. Pero no sólo ha de tenerse en consideración el nivel luminoso mínimo para una percepción correcta del objeto (facilitada siempre por la extraordinaria capacidad de adaptación del ojo humano), sino también se ha de procurar evitar la más leve fatiga visual de las personas sometidas durante largos periodos de tiempo a la acción de la iluminación artificial. Con ello podemos evitar accidentes o merma de facultades.

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11.2. Iluminación utilitaria Este sistema de iluminación lo integran aquellos casos en que la iluminación por proyección viene obligada por la necesidad de seguridad, protección o producción, constituyendo el único sistema lógico de realizar el alumbrado. Muchos espacios grandes, por ejemplo intersecciones de caminos, puertos, zonas de clasificación en ferrocarriles, zonas de construcción, áreas de almacenamiento, complejos de depósitos, etc., se iluminan utilizando alumbrado por proyección con columnas altas. La iluminación con columnas altas se prefiere, principalmente, debido a la menor cantidad de columnas de iluminación que se utilizan, factor que contribuye a la facilidad de movimiento en el área iluminada. El sistema de columnas altas, en general, presenta un ahorro en los costes si se lo compara con un sistema que use columnas bajas. El ahorro se da principalmente en el costo total de las columnas, lámparas, luminarias y cables, aunque también hay una reducción de los costos de mantenimiento.

Generalidades Altura de columnas Para calcular la altura de las columnas (torres o postes) sobre las que se montarán los proyectores de forma que no se produzca un deslumbramiento directo, se utilizará el ábaco de la Fig. 2. Hay que tener en cuenta que con alturas excesivas se eleva considerablemente el costo de las columnas, mientras que a alturas más bajas el número de columnas, lámparas y luminarias se vuelve muy alto. Sin embargo, si hay construcciones relativamente altas en distintas posiciones dentro del área, se deben utilizar alturas de montaje inferiores a aquellas mostradas en el ábaco, para evitar que arrojen sombras fuertes sobre el área. Cuando el énfasis se pone en ahorrar espacio y en la flexibilidad del uso del área, las columnas empleadas deben superar los del ábaco, ya que al aumentar la altura, aumenta también el espacio permisible, y por lo tanto disminuye el número de obstrucciones en forma de columnas.

D

La altura de montaje será como mínimo H=D/4

. 6m 0 m. 6 m. 12 m. 18 m. 24 m. 30 m. 36 m. 42 m. 48 m. 54 m. 60 m. 0 m.

ALTURA DE MONTAJE . m. 5 m. 8 m. 1 m. 4 m. 7 m. 9 m 12 1 1 2 2 2 m. 30 m. 33 m. 36 m. 39 m. 42 m. 45 m. 48 m. 51 m. 54 m. 57 m. 60

20 m. 40 m. 60 m. 80 m. 100 m. 120 m. 140 m. ANCHO TOTAL DE LA SUPERFICIE A ILUMINAR

Figura 2

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ALTURA DE MONTAJE

DISTANCIA DE LAS COLUMNAS AL BORDE DE LA ZONA A ILUMINMAR

Figura 1


Niveles de iluminación Se debe definir, al menos, el nivel requerido en el plano horizontal (iluminancia horizontal). A veces también se debe controlar la iluminancia vertical (por ejemplo, donde se llevan a cabo tareas de lectura donde se deben inspeccionar o mover mercancías). Los niveles y uniformidades de iluminación necesarios dependen de la dificultad de la tarea visual por un lado y del grado de eficiencia y seguridad requeridos por el otro. En la Tabla 1 se indican los requerimientos de nivel y uniformidad para diferentes categorías de áreas. Tarea visual y

Ejemplo

su categoría

Iluminancia horizontal

Factor de uniformidad

recomendada media mantenida (lux)

Seguridad Áreas de bajo riesgo

Áreas industriales de

5

1:7

20

1:4

50

1:2’5

5

1:7

10

1:4

20

1:2’5

20

1:4

almacenaje; tránsito ocasional solamente Áreas de mediano riesgo

Áreas de deposito de vehículos, terminales de containers con tránsito frecuente

Áreas de alto riesgo

Áreas críticas dentro de refinerías de petróleo, plantas químicas, de electricidad y de gas

Movimiento y tránsito Peatones

Movimiento de gente

Vehículos lentos

Camiones montacargas

Tránsito normal

Alumbrado público en

solamente y/o bicicletas terminales de contenedores, lugares de maniobras Trabajo general Muy arduo

Excavaciones, desmontes

Arduo

Manipulación de madera

50

1:4

Normal

Albañilería, carpintería

100

1:2’5

Fino

Pintura, trabajos eléctricos

200

1:2

Tabla 1. Iluminancias y uniformidades recomendadas para áreas exteriores de trabajo. Deslumbramiento El grado del límite de deslumbramiento requerido depende, por supuesto, de la categoría del área en cuestión (C.I.E.: Sistema de evaluación del deslumbramiento para iluminación de áreas y deportes exteriores). En general, el deslumbramiento molesto se reducirá con el aumento de la altura de montaje. Elegir bien los proyectores y tener especial cuidado al apuntarlos también puede ayudar a mantener el deslumbramiento al mínimo. A veces, cuando el deslumbramiento es crítico, se deben colocar celosías especiales a las luminarias. Lámparas Las lámparas de descarga de alta intensidad se recomiendan como apropiadas para la iluminación por proyección de áreas. Las lámparas usadas con mayor frecuencia son las de descarga de Sodio a Alta Presión, y las de Halogenuros Metálicos, a pesar de que cuando la discriminación de color no es necesaria y los niveles de iluminación no excesivamente elevados, la lámpara de descarga de Sodio a Baja Presión ofrece una buena solución.

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11.3. Iluminación decorativa Este sistema de iluminación se utiliza cuando se trata de iluminar, por motivos puramente decorativos, un anuncio, una fachada, un edificio, fuente o monumento artístico, etc., con la idea de atraer sobre él la atracción del público, embellecer un paraje o como expresión de orgullo cívico, no exento de propaganda. La iluminación, en estos casos, entra a formar parte del vocabulario arquitectónico, pasando a ser más un arte en que se manejan brillos, luces, sombras, colores y contrastes.

11.3.1. Consideraciones generales de diseño Durante las horas diurnas, un edificio está iluminado por la luz directa del Sol, la difusa radiada desde el cielo o por ambas. El resultado es que las características arquitectónicas del edificio se ponen de manifiesto por un variado juego de luces y sombras. El diseño de una buena instalación de iluminación por proyección requiere un cuidadoso estudio de las características más atractivas del edificio y de los efectos de la luz sobre ellas. Por lo tanto, las técnicas de iluminar un edificio por proyección no están basadas únicamente en la luminotecnia, ya que el sentimiento y la comprensión de los valores estéticos son de igual importancia. Dirección de observación Normalmente hay varias direcciones desde las cuales puede observarse un edificio, pero en general se puede considerar una en particular como la dirección principal de observación. Distancia de observación La distancia de observación es importante, ya que determinará la cantidad de detalles visibles sobre la estructura que se ilumine. Alrededores y fondo Si los alrededores y el fondo de una estructura son oscuros, se necesita una cantidad de luz relativamente pequeña para que la estructura destaque contra el fondo. Si hay otros edificios iluminados por proyección en las cercanías, o edificios con ventanas iluminadas, o un fondo con brillo, éstos darán una fuerte impresión de luminancia. Entonces se necesitará más luz para que la iluminación por proyección produzca el impacto deseado. Otra solución puede ser la de crear contrastes de colores, en vez de diferencias de luminancias. Obstáculos Los árboles y las rejas que rodean un edificio pueden formar un elemento decorativo de la instalación. Una forma atractiva de hacerlo es colocar las fuentes de luz delante de ellos. Esto tiene dos ventajas: primero, las fuentes de luz son invisibles para el observador y, segundo, los árboles y rejas se ven como siluetas contra el fondo iluminado de la fachada, lo que aumenta la impresión de profundidad. Posición y dirección de los proyectores Una vez que se ha escogido la línea principal de observación, la implantación y enfoque de los proyectores dependerá de la forma del edificio o, mejor, de la de su planta o corte horizontal. La experiencia indica que la mejor disposición de los proyectores para un edificio con planta rectangular es el indicado de la Fig. 3. La línea principal de observación está indicada por la flecha A y la posición de los proyectores, por los puntos marcados B. Al colocar los proyectores en los dos extremos de la diagonal se obtiene un buen contraste de luminancia entre los dos lados contiguos del edificio, con lo que se logra una buena perspectiva. Los haces oblicuos de los proyectores hacen resaltar la textura de los materiales que forman la fachada. Como se observa en la Fig. 3, esta disposición para edificios rectangulares es también aplicable a los de planta cuadrada.

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A

B

B A

A

B

B A

Figura 3 También debemos tener en cuenta que elementos salientes o voladizos (como balcones), muros o balaustradas pueden enriquecer la apariencia de una fachada, si se les incluye en el esquema de iluminación. En este caso, los proyectores deben colocarse a cierta distancia de la fachada, para evitar que resulten sombras excesivamente duras. Si no hubiese espacio para esto se podrían utilizar pequeños proyectores, como iluminación complementaria, colocados en el mismo voladizo (Fig. 4). Elementos entrantes o cóncavos, como galerías o balcones, quedarán en sombra al colocar proyectores a poca distancia de la fachada. En estos casos se puede utilizar iluminación complementaria, colocada en las mismas partes entrantes. La luz de otro color puede ser apropiada para este fin. Una iluminación por proyección, colocada a una mayor distancia, produce menos sombras y elimina la necesidad de la iluminación adicional.

d

d Cambio en la altura de la sombra producida por la variación de la distancia "d"

Iluminación local suplementaria para reducir la intensidad de las sombras

Figura 4 Algunas de las muchas alternativas para colocar las fuentes luminosas son: en los postes de alumbrado público o en postes expresamente colocados para este fin; en el tejado de un edificio vecino; en soportes fijados en la misma fachada o en el suelo, detrás de muros bajos, setos o arbustos. Niveles de iluminación recomendados Para determinar el nivel de iluminancia necesario para proporcionar a una estructura el impacto visual requerido, se deben tomar en cuenta factores como el brillo de los alrededores y fondo, material empleado en la construcción, etc. Se deben

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considerar tres puntos: 1) Cuanto más oscuro sea el material, mayor será la iluminancia necesaria sobre el mismo para proporcionar una impresión de brillo satisfactoria. 2) Para una instalación normal, en la cual la luz está dirigida hacia arriba en una superficie vertical, la cantidad de luz reflejada que llega a un observador, y por lo tanto el brillo de la superficie iluminada, disminuirá con un aumento de la uniformidad de la superficie. 3) La iluminancia necesaria será influenciada en cierta medida por el grado de combinación entre el espectro de la fuente de luz empleada y el color del material de construcción. Se obtienen soluciones favorables cuando el color de la luz es cercano a aquel de la superficie iluminada. En la Tabla 2 mostramos las iluminancias recomendadas para la iluminación por proyección, la cual ha sido elaborada teniendo en cuanta estos tres puntos.

Material de la fachada Piedra clara Mármol blanco Piedra mediana Cemento Mármol de color claro Piedra oscura Granito gris Mármol oscuro Ladrillo amarillo claro Ladrillo marrón claro Ladrillo marrón oscuro Granito rosa Ladrillo rojo Ladrillo oscuro Detalle arquitectónico Revestimiento de aluminio: Terminación natural Terminación térmica de laca saturada (10%) rojo, marrón, amarillo Terminación térmica de laca saturada (10%) azul, verde Terminación térmica de laca mediana (30-40%) rojo, marrón, amarillo Terminación térmica de laca mediana (30-40%) azul, verde Terminación térmica de laca pastel (60-70%), rojo, marrón, amarillo Terminación térmica de laca pastel (60-70%) azul, verde

NIVELES DE ILUMINACIÓN RECOMENDADOS Iluminancia en Lux Coeficientes de corrección Alrededores Lámpara Superficie Pobre Bien Muy B M S Limpia Sucia 20

30

60

1,0

0,9

3,0

5,0

40

60

120

1,1

1,0

2,5

5,0

100

150

300

1,0

1,1

2,0

3,0

35 40 55

50 60 80

100 120 160

1,2 1,2 1,3

0,9 0,9 1,0

2,5 2,0 2,0

5,0 4,0 4,0

100 120 60 200

150 180 100 300

300 360 200 600

1,3 1,3 1,3 1,2

1,0 1,2 1,2 1,1

2,0 1,5 1,5 1,5

3,0 2,0 2,0 2,0

120

180

360

1,3

1,1

1,5

2,0

120

180

360

1,0

1,3

1,5

2,0

40

60

120

1,2

1,0

2,0

4,0

40

60

120

1,0

1,2

2,0

4,0

20

30

60

1,1

1,0

3,0

5,0

20

30

60

1,0

1,1

3,0

5,0

Tabla 2

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Los niveles de iluminación recomendados son aquellos necesarios para crear una luminancia de 4, 6 ó 12 cd/m2 sobre la fachada cuando los alrededores están pobremente iluminados, bien iluminados o con mucho brillo respectivamente. Los valores son válidos para lámparas de filamento de wolframio de 2.800 K y para superficies de edificios limpias. Los coeficientes de corrección que se muestran son multiplicadores.

11.3.2. Iluminación de edificios La conveniencia de que un edificio sea iluminado por proyección está determinada por varios factores, incluyendo la forma y superficies del edificio, su carácter (el cual puede ser difícil de definir), su mérito arquitectónico, su significado histórico o social y sus alrededores. La apariencia de una superficie iluminada por proyección depende, entre otros factores, de su textura. Superficies ásperas reflejan algo de luz en todas las direcciones y así, cuando es iluminada, aparece más o menos brillante independientemente del ángulo desde el cual la estamos observando. Por otra parte, los cristales y otras superficies muy pulidas, reflejan toda la luz incidente en ellas como un espejo, y por esta razón aparecen oscuros y sin vida cuando son iluminados y vistos desde posiciones normales (Fig. 5, 6, 7 y 8).

Figura 5. Reflexión especular (superficies brillantes, pulidas, etc.).

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Figura 6. Reflexión compuesta (superficies irregulares, rugosas, etc.).

Figura 7. Reflexión mixta (superficies no pulidas, barnizadas, etc.).

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Figura 8. Reflexión difusa (superficies mates, etc.). Es obvio que estas diferencias de las propiedades de reflexión de la superficie del material hace, en cada caso, necesaria una iluminación diferente para cada fachada para obtener la luminosidad deseada. Incluso, la cantidad de suciedad en la fachada es importante; el factor de reflexión de una fachada limpia puede ser más del doble que el de la misma fachada sucia. Los alrededores tienen una poderosa influencia en el efecto producido por los edificios iluminados por proyección. Por ejemplo, si cerca del conjunto tenemos un lago, río, canales, etc., éste queda muy realzado cuando se producen reflexiones de sus edificios en el agua. Las catedrales, iglesias, castillos, edificios públicos, puentes y monumentos antiguos son ejemplos de edificios que generalmente responden bien a la iluminación por proyección; algunos edificios industriales y comerciales pueden ser iluminados por proyección como una ventaja para ellos mismos y los alrededores. Condiciones básicas de diseño Aparte de los puntos ya vistos anteriormente en las “condiciones generales de diseño”, los siguientes comentarios se aplican generalmente al diseño de la iluminación por proyección. Lo pertinente de cada comentario varía con el tipo de edificio y los requerimientos de iluminación. a) Los contrastes en la iluminación son generalmente más importantes que su homogeneidad, y las sombras son tan importantes como los reflejos de luz. b) La iluminación por proyección coloreada permite destacar diferentes planos y producir sombras de colores. Como regla general, el color debería ser usado escasamente y con discreción. c) El aspecto de un edificio iluminado por proyección, y especialmente aquel modelado con sombras, difiere bastante de su apariencia a la luz del día, principalmente porque la dirección y distribución de luz son diferentes. Esto también cambia con la dirección de observación, y especialmente con el cambio de ángulo entre la dirección de observación y la dirección del principal flujo de luz. d) Como ya se comentó, el impacto visual hecho por el edificio iluminado por proyección depende considerablemente del brillo de los alrededores; cuanto más oscuro sea el fondo, más dramático es el efecto

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y menor es la cantidad de luz necesaria para realzar el edificio. e) La forma de un edificio iluminado por proyección es mejor destacada cuando sus contornos son visibles, su solidez es enfatizada, y las esquinas son acentuadas iluminando las paredes contiguas con una luminancia diferente. La forma de un edificio con tejado a un agua es evidentemente completa cuando ambos, tejado y pared, están iluminados por proyección. f) La “solidez” de torres, cúpulas y capiteles es enfatizada si están iluminados por proyección desde no más de tres direcciones en azimut. g) Un buen modelado pronunciado es deseable en todo, pero en fachadas planas no tiene sentido destacar pequeños detalles cuando el edificio es visto desde una cierta distancia. h) La impresión de altura es acentuada si la iluminación del edificio se reduce progresivamente desde la base hacia arriba. Si las partes más bajas de un edificio están ocultas de la observación a distancia por las estructuras de los alrededores, quizás sea deseable reducir el brillo en la dirección opuesta, por ejemplo, hacia el suelo. Iluminación de edificios de diseño contemporáneo Los nuevos materiales y métodos de construcción han jugado un papel importante en el desarrollo del carácter distintivo de los edificios contemporáneos. Por ejemplo, las paredes externas e interiores de los modernos edificios de estructura de acero no son muros de carga y por lo tanto pueden hacerse de material ligero y prefabricarse antes de la entrega; las estructuras de hormigón armado, algunas con tejados de alturas de 40 metros o más, son otro típico elemento del paisaje contemporáneo. A condición de que la estructura sea adecuada, la iluminación por proyección puede ser usada para enfatizar el significado social y arquitectónico de muchos edificios cívicos, comerciales y educativos recientemente construidos. Quizás también sirva de propaganda de los productos de la compañía propietaria o inquilina del edificio. Por ejemplo, en la Fig. 9 se puede ver un edificio de oficinas con una fachada de hormigón armado prefabricado que fue construido para una compañía que fabrica hormigón; la iluminación por proyección revela las formas del material de forma marcada.

Figura 9

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11.3.3. Monumentos Los monumentos deberían ser iluminados por proyección de una manera que indique su carácter, edad y, donde sea factible, su significado histórico. Los proyectos de iluminación por proyectores para monumentos son similares, en general, que aquellos para edificios históricos. Deberían tomarse informes sobre los efectos de la erosión y, si los techos y muros han sido destruidos, o parcialmente destruidos, la iluminación debería diseñarse para conseguir un efecto sin una causa aparente (Fig. 10).

Figura 10 Los proyectores para iluminación por proyección de castillos en ruinas y monumentos similares deberían diseñarse para enfatizar el carácter macizo de las estructuras y revelar la forma de las torres y otros elementos prominentes (Fig. 11).

Figura 11 La importancia histórica de un monumento puede ser indicada por luz de color; por ejemplo, la luz azul quizá pueda usarse para crear un aire de misterio, y la luz roja para indicar el escenario de una batalla. El esplendor y la magnificencia de un monumento puede ser manifestada al máximo sólo por una estrecha y continua cooperación entre el arquitecto del proyecto, el ingeniero de iluminación y, donde sea apropiado, el arqueólogo, cuyo principal interés es la conservación del monumento. El equipo de iluminación no debería fijarse a la estructura del edificio a menos que se tenga un permiso especial.

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11.3.4. Puentes y viaductos Los puentes son, en general, elementos atractivos, y cuando son convenientemente iluminados, contribuyen a mejorar el paisaje nocturno (Fig.12). Hay demasiados tipos de puentes para que la iluminación de cada uno sea discutida individualmente, pero los siguientes criterios son aplicables de forma general:

Figura 12 - La forma y los principales elementos del puente deben ser visibles desde una distancia considerable. A menudo es deseable, para puentes de carreteras, incluir los accesos en el proyecto de iluminación para que sea visto como una parte de la carretera y no como un elemento aislado del conjunto; las luminarias decorativas para iluminar calzadas deberían ser tratadas como parte del diseño de iluminación. - La conveniencia de que un puente sea iluminado por proyección depende de los alrededores, las principales direcciones y las distancias de observación, la importancia de la estructura y arquitectura del puente, su importancia en el decorado nocturno, y los materiales con los que ha sido construido. - Los puentes de piedra y hormigón armado, generalmente responden bien a la iluminación por proyección, pero puede ser difícil mostrar la forma y los detalles de los puentes de hierro y acero por este medio, debido a la baja reflectancia y la pequeña área proyectada de los miembros de la estructura. Sin embargo, se pueden usar otros métodos: por ejemplo, la iluminación con guirnaldas, con lámparas sujetas a los cables y cadenas, ha sido usada en algunos puentes colgantes con satisfacción, pero el mantenimiento efectivo puede ser difícil. - La iluminación no debería distraer la atención del tráfico (rodado, vial o marítimo) que pasa sobre o debajo del puente; si se emplea iluminación de colores se debe tener especial cuidado para evitar la confusión con las señales de tráfico. - La iluminancia necesaria para mostrar de forma efectiva el puente dependerá principalmente del tipo de puente, los alrededores (incluyendo la iluminación del distrito) y la reflectancia de los materiales de construcción. Cuando se ha decidido el tipo de sistema de iluminación y la ubicación de los proyectores, su tipo, número y potencia puede ser estimada usando el programa de cálculo INDALWIN. Después de que el sistema de iluminación ha sido instalado, los efectos deberían ser valorados de forma crítica, y los ajustes hacerlos a pie de obra. - Los lados de un puente de piedra, o similar, que cruza un valle, desmonte o río a menudo pueden ser convenientemente iluminados por proyectores rectangulares asimétricos montados en una o ambas orillas. Si la luz es dirigida desde uno de los lados principalmente, los arcos, estribos, contrafuertes y las balaustradas serán enfatizados por las sombras coherentes que se forman; sin embargo, quizás este sistema no se puede aplicar si el puente es muy largo. Preferiblemente, los proyectores deberían ser montados debajo de la plataforma del puente para minimizar el deslumbramiento al tráfico y a los peatones que pasan sobre o debajo del puente (Fig. 13). Los proyectores que, por razones prácticas, deben ser

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montados por encima de la altura del puente, deberían estar convenientemente orientados para que el deslumbramiento sea restringido tanto como sea posible. Los puentes de este tipo quizá puedan ser iluminados también con luminarias montadas en o contiguas al puente y ocultadas de los ángulos de observación normales, o por una línea continua de luminarias fluorescentes a prueba de lluvia montadas en el parapeto.

Proyector asimétrico

Proyector asimétrico

Figura 13 Este último sistema puede ser aplicado para la iluminación de puentes de peatones, usando luminarias que dirijan parte de la luz a la acera y parte a los lados del puente. A menudo, la apariencia de un puente abovedado es mejorada si la parte inferior de los arcos es iluminada, preferentemente con luz de diferente color a la usada en los lados del puente; se produce un efecto muy dramático dejando los lados sin iluminar (en la oscuridad). Es difícil, excepto para iluminación festiva, delinear los cables y cadenas de los puentes colgantes, pero sus torres de sujeción pueden ser generalmente iluminadas por proyectores con gran ventaja, usando proyectores circulares simétricos con haz estrecho, montados en o contiguos al puente y apuntados hacia arriba. La iluminación de la zona del puente que soporta tráfico rodado se realiza normalmente con luminarias de alumbrado público.

11.3.5. Iluminación de áreas de ocio y entretenimiento La iluminación nocturna de parques públicos y jardines es esencial para la seguridad, especialmente de los niños, y aumenta el tiempo durante el cual pueden disfrutarse los elementos para el ocio. La iluminación muestra la belleza de jardines floridos, árboles, arbustos y fuentes o lagos, siendo otro de sus objetivos el eliminar zonas oscuras. Árboles y arbustos: Durante el día, un árbol se ve generalmente como una silueta perfilada contra un cielo brillante. Si el árbol está iluminado por la noche, la situación es inversa: el árbol sobresale claramente contra el cielo oscuro. Este efecto dramático queda realzado si las fuentes de luz están ocultas.

Iluminación de árboles

lateralmente

desde abajo

Figura 14

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Las luminarias pueden iluminar el follaje desde cierta distancia o colocarse próximas al tronco, iluminando sus ramas desde abajo (Fig. 14). La primera técnica es apropiada para árboles con follaje muy denso, mientras que el otro tipo de enfoque es apropiado para árboles de poco follaje. Pueden lograse efectos hermosos utilizando luces de diferentes colores (Fig. 15).

Figura 15 Si no se desea una iluminación superior frontal o vertical, o no es aplicable, los árboles florecidos o con ramas desnudas se pueden proyectar contra una pared, cerco o enrejado blancos o de colores claros. Otro efecto sutil visualmente más interesante que la iluminación de frente, se puede obtener iluminando los árboles y arbustos desde atrás. Pero en la mayoría de los casos, los proyectores deberían colocarse entre el público y los objetos a iluminar. Se puede evitar el deslumbramiento colocando pantallas a los proyectores, a pesar de que la mayoría de los jardines cuentan con abundantes lugares para ocultarlos, tales como arbustos, troncos de árboles o cepas, rocas, cercas, paredes pequeñas, etc. Alternativamente, puede ser posible empotrar los proyectores en el piso (en este caso hay que tener en cuenta la posibilidad de drenaje). En general, no es económico ni práctico iluminar más que unos pocos árboles del parque; y por razones estéticas, la iluminación uniforme por proyección de la totalidad de un área es pocas veces satisfactoria. Los árboles que sean elegidos deberían ser importantes y especies hermosas, y que estén en posiciones donde den profundidad y delicadeza al paisaje.

11.4. Iluminación deportiva 11.4.1. Generalidades El objetivo de iluminar instalaciones deportivas ya sean interiores o exteriores es ofrecer un ambiente adecuado para la práctica y disfrute de actividades deportivas por parte de jugadores y público. Lógicamente, las exigencias variarán según el tipo de instalación (recreo, entrenamiento o competición) y el nivel de actividad (amateur, profesional o retransmisión por televisión).

11.4.1.1. Requisitos básicos Al diseñar la iluminación de una instalación deportiva se deben tener en cuenta los requisitos y el confort de los siguientes usuarios: deportistas o jugadores, jueces o árbitros, espectadores y medios de comunicación.

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Jugadores y árbitros Los jugadores (deportistas) y árbitros (jueces) deben poder observar claramente todo lo que sucede en el área de juego para poder realizar la actividad deportiva en las mejores condiciones posibles. Espectadores Los espectadores deben poder seguir la actividad de los deportistas y la acción del deporte realizando el menor esfuerzo. El entorno de visión debe ser agradable, lo que significa que no sólo se debe poder ver la pista o área de juego, sino también los alrededores inmediatos. La iluminación debe ayudar al espectador a ingresar a la instalación deportiva y salir de ella de forma segura. Este aspecto de seguridad es muy importante para el público. Retransmisión por T.V. Para la cobertura televisiva, la iluminación debe proporcionar condiciones que aseguren una buena calidad de imagen de color (Publicación C.I.E. nº 83), tanto para las imágenes generales del juego, como para los primeros planos de espectadores y deportistas. Continuidad de cobertura Para cumplimentar los requisitos de continuidad de cobertura de la T.V. en caso de producirse un fallo en el sistema de iluminación normal, generalmente se instala un sistema de alimentación secundario capaz de proporcionar un nivel de “iluminación de T.V. de emergencia”.

11.4.1.2. Criterios de iluminación Los criterios de iluminación más importantes para la iluminación deportiva son los siguientes. Iluminación horizontal El área iluminada donde se desarrolla la actividad deportiva es la parte principal del campo de visión de los deportistas y los espectadores, por lo tanto, la iluminancia en este plano horizontal al nivel del suelo sirve principalmente para establecer el estado de adaptación de la visión. Debido a eso, y debido a que el área de juego iluminada sirve como fondo visual, es importante que el mismo tenga una adecuada iluminancia horizontal para conseguir crear el contraste correcto con el fondo. También es importante la iluminancia horizontal en las áreas de circulación, como por ejemplo la iluminación anti-pánico que se utiliza en caso de producirse un fallo en el sistema de iluminación normal, para asegurar el movimiento de los espectadores al ingresar y al salir del campo deportivo. Las iluminancias medias recomendadas en la Tabla 4 son valores mantenidos. Es decir, son los valores que se deben alcanzar durante el periodo de operación de una instalación. Para alcanzar los valores iniciales requeridos, los valores mantenidos se deben multiplicar por el inverso del factor de mantenimiento (fm). Iluminancia vertical Es importante que exista un contraste suficiente a través del cuerpo del deportista para identificarlo. Esto se obtiene sólo si alcanza luz suficiente a los planos verticales, ya que esta iluminancia es esencial para reconocer objetos. La iluminancia vertical se caracteriza por la magnitud y la dirección. Para los deportistas, es importante una iluminancia vertical desde todas las posiciones, mientras que para los espectadores y las cámaras que ocupan una posición determinada, se debe considerar sólo la iluminancia vertical hacia dichas posiciones. En el caso de las cámaras con distintas posiciones, se debe tener en cuenta la iluminancia vertical sobre los cuatro planos laterales del campo. En la práctica, la iluminancia vertical requerida para deportistas y espectadores se obtiene automáticamente si se cumplen los requisitos de iluminancia horizontal. Por lo tanto, en la práctica, la iluminancia vertical, que se debe medir a una altura de 1’5 metros sobre el área de juego, es sólo un criterio de diseño cuando se considera la cobertura televisiva, ya que tiene una influencia mayor en la calidad de imagen. La iluminancia vertical no sólo debe asegurar el reconocimiento de un deportista o la calidad de imagen, sino que los espectadores y deportistas puedan seguir fácilmente una pelota, aro, etc., que vuela sobre el campo de juego. Los espectadores y las tribunas forman parte del medio visual de la cámara. Por lo tanto, para las tribunas también se debe

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crear una iluminancia vertical adecuada. Uniformidad de iluminancia Es importante una buena uniformidad de iluminancia en los planos horizontales y verticales. Evita problemas de adaptación para jugadores y espectadores, y elimina la necesidad de ajustar continuamente las cámaras en las diferentes direcciones de la visión. Si la uniformidad no es suficientemente buena, existe la posibilidad (especialmente con cámaras de televisión) de que una pelota o jugador no se vea claramente en ciertas posiciones del campo. La uniformidad se puede expresar como la relación entre la iluminancia mínima y la iluminancia máxima (U1) o como la relación entre la iluminancia mínima y la iluminancia media (U2). Para que las cámaras puedan obtener las mejores condiciones visuales posibles, la relación entre la iluminancia media en el plano horizontal y la iluminancia media en el plano vertical debe, en general, mantenerse entre 0’5 y 2. Deslumbramiento El deslumbramiento, que ocurre si un área de brillo molesto se aproxima o penetra en el campo de visión, produce un efecto molesto en la visión de los deportistas y espectadores. El deslumbramiento se puede minimizar prestando cuidadosa atención en la elección de los proyectores o luminarias, y asegurándose que los mismos estén bien enfocados, teniendo en cuenta las principales direcciones de visión. Evaluación del deslumbramiento La C.I.E. ha desarrollado una base para evaluar la impresión subjetiva del deslumbramiento en áreas exteriores. Esencialmente comprende un índice de deslumbramiento en el cual cuanto menor es el alcance, menor será el deslumbramiento. El índice de deslumbramiento GR (Glare Rating) se da por:

GR = 27 + 24 . log

EE R R Lvl Lve

0,9

donde: Lvl = luminancia de velo producida por las luminarias. Lvl =

Ε ojo,i Φi 2

donde Eojo,i es la iluminancia en el ojo producida por la fuente de luz (lux) i, y i es el ángulo entre la dirección de la visión y la dirección de la incidencia de luz desde la fuente de luz i (grados). Lve = luminancia de velo producida por el medio. Lve se puede aproximar desde la iluminancia media horizontal del área donde se realiza la actividad deportiva, Ehav, utilizando la fórmula: p Lve = 0,035 . Ehav . donde p = la reflectancia del área. Para Lvl las fuentes de luz son las luminarias, mientras que para Lve el campo y los alrededores luminosos se consideran como un número infinito de pequeñas fuentes de luz. Es necesario calcular GR para las posiciones más críticas del observador, definidas en la Fig. 16. para un campo de fútbol.

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300 m.

300 m.

1

5

1A

300 m.

10

300 m.

3

2

8

9 1/4 A

4

1/2 A

1/4 A

300 m.

7 6

11 1/4 B 1/2 B 1B

• 1-11 Posiciones de observador para cálculos de GR • Posiciones de referencia poara calcular la luminancia de velo fuera del área de juego

Figura 16 Actualmente, las asociaciones deportivas internacionales están introduciendo sus propias normas de GR y la luminancia de velo. Deslumbramiento externo Antiguamente el deslumbramiento se consideraba sólo para los deportistas y espectadores que se encontraban en o muy cerca de área iluminada. Sin embargo, en el caso de un deporte al aire libre, la luz dispersa de la instalación puede resultar molesta para los espectadores que se encuentran fuera del complejo: por ejemplo, para el tráfico en vías adyacentes y para aquellas personas que viven en las proximidades. Actualmente la C.I.E. está estudiando un parámetro directo para cuantificar dicha molestia. Esto se relaciona directamente con las cualidades ópticas de los proyectores empleados, lo que significa que para evitar este inconveniente, se deben seleccionar los proyectores basándose en la limitación de luz dispersa fuera del haz principal. Los mismos deben ser montados y enfocados de forma adecuada. Recomendaciones El índice de deslumbramiento, o GR, aunque no está especificado en las recomendaciones, es de hecho importante para todas las instalaciones de iluminación deportiva. Debe coincidir con los valores GR establecidos en la publicación C.I.E. nº 83. El valor GR calculado depende parcialmente de la reflectancia del área donde se desarrolla la actividad deportiva. Para canchas de césped, se presume generalmente una reflectancia difusa de alrededor de 0’15 a 0’25. El valor GR se debe determinar para las posiciones del observador patrón del deporte en cuestión a una altura de 1’5 metros sobre el área donde se desarrolla la actividad deportiva, con el observador viendo a todos los puntos de malla a nivel del suelo. En el caso de una instalación al aire libre, se debe calcular el efecto de la luz dispersa fuera del precinto a una distancia de 300 metros desde el centro del área. Esto significa que se debe calcular la luminancia de velo a una altura de 1’5 metros sobre el suelo para las cinco posiciones más extremas.

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Modelado y sombras El modelado es la capacidad de la iluminación para revelar formas y texturas. La misma es particularmente importante para proporcionar una visión general de los deportistas, jugadores, pelota u otros elementos, y espectadores que se encuentran en el área donde se desarrolla la actividad deportiva o cerca de la misma. La eficacia del modelado depende de las direcciones desde las cuales proviene la luz y el número y tipo de fuentes utilizadas. El modelado puede ser “duro”, producido con sombras profundas, por ejemplo mediante proyectores de haz estrecho y simple; o “chato”, resultado de una iluminación sin sombra desde, por ejemplo, un techo luminoso. Ninguno de estos extremos es aconsejable; sin embargo, para el último caso, es posible adicionar algunos pequeños proyectores para mejorar el modelado. Las imágenes de televisión de buena calidad requieren un buen modelado por el alumbrado. Por lo tanto, para limitar la longitud y dureza de las sombras proyectadas por los deportistas donde se emplea una disposición de proyectores asimétrica, hasta un 60% del flujo total instalado puede provenir desde el lado de la cámara principal y un 40% o más desde el lado opuesto. Apariencia del color y reproducción del color La buena percepción del color es importante en la mayoría de deportes, y aunque se acepta determinada distorsión debida a la luz artificial, la misma no debe ser tanta como para producir problemas de discriminación en el color (entre colores parcialmente distorsionados). Se deben distinguir dos aspectos importantes de color. - La apariencia de color de la luz: Esta es la impresión de color de todo el medio creada por la lámpara. - La reproducción del color de la luz: Esta es la habilidad de la luz para reproducir los colores de los objetos. Tanto la apariencia del color como la reproducción del color de la luz emitida por las lámparas dependen de la distribución de la energía espectral de la luz que emiten. Una indicación de la apariencia del color de una lámpara se puede obtener desde su temperatura de color correlativa, medida en Kelvin (K), la cual varía entre 2.000 y 6.000 K. A menor temperatura de color, más cálida es la impresión de color de la luz; a mayor temperatura de color, más fría o más azulada es la impresión de color de la luz. Las propiedades de la reproducción del color de una fuente luminosa se puede indicar por el índice de reproducción del color (IRC). El valor máximo teórico del índice de reproducción del color es 100, que se puede comparar con una situación de luz de día. El ambiente visual del medio depende del IRC. Cuanto mayor es el IRC, más agradable resulta el medio.

11.4.2. Consideraciones de diseño 11.4.2.1. Tipo de luminaria Proyectores Los proyectores se clasifican de acuerdo a su distribución de luz: Proyectores circulares (Fig. 17) Existen dos tipos de proyectores circulares empleados en la iluminación deportiva por proyección: a) Con un haz simétrico en forma cónica. Pueden tener un haz estrecho o un haz ancho. b) Con un haz levemente asimétrico en el plano vertical. Pueden tener un haz estrecho, mediano, ancho y muy ancho.

Figura 17. Proyectores circulares.

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Proyectores rectangulares (Fig. 18) Existen dos tipos: a) Con distribución de luz simétrica en los planos horizontales y verticales. En el plano horizontal el haz es ancho, mientras que en el plano vertical puede ser ancho o estrecho. b) Con distribución de luz simétrica en el plano horizontal y distribución de luz asimétrica en el plano vertical. El haz horizontal es ancho.

Figura 18. Proyectores rectangulares. Los proyectores circulares requieren el uso de una fuente de luz más o menos concentrada, tal como un tubo de descarga corto de una lámpara de descarga de alta intensidad. Cuando no se enfoca verticalmente hacia abajo, el haz cónico emite un modelado de luz elíptica o casi elíptica sobre el campo (Fig. 17). Los proyectores rectangulares se utilizan junto con fuentes lineales tales como lámparas de descarga tubulares y halógenas. El haz con forma de abanico produce sobre el área donde se practica la actividad deportiva un modelo de luz muy trapezoidal (Fig. 18).

Figura 19. Disposición lateral. Cuando los proyectores rectangulares se montan en forma no muy separada sobre los lados de un área deportiva (disposición normal para un área pequeña) ofrecen dos ventajas sobre la unidad circular: la distribución de luz es más uniforme y el desperdicio de luz es menor (Fig. 19). El proyector circular, sin embargo, es más eficiente que la unidad rectangular cuando se utiliza en las cuatro esquinas, disposición diagonal (Fig. 20), siempre y cuando se utilicen varias unidades por columna.

Figura 20. Disposición diagonal.

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185


Para todos los tipos de proyectores rectangulares simétricos se puede utilizar un dispositivo de apantallamiento especial, o louver, siempre que el proyector esté enfocado en una dirección que produzca deslumbramiento. Dichos proyectores están diseñados de manera tal que la intensidad máxima no está en el centro del haz, sino que se desplaza hacia un lado. La disminución de la intensidad luminosa en cada lado del eje del haz está dispuesta de manera tal que cuando enfoca en un punto determinado sobre la superficie, produce una iluminancia horizontal más o menos uniforme. Para limitar el deslumbramiento, las intensidades disminuyen rápidamente desde cierto ángulo de incidencia de luz, haciendo que la distribución de luz sea todavía más asimétrica. Cuando el deslumbramiento pueda producir una molestia importante a las personas que se encuentran fuera del área donde se practica la actividad deportiva, las intensidades luminosas fuera del haz actual deben ser lo más bajas posibles. Para esta aplicación se recomienda un proyector que pueda distribuir la luz totalmente debajo del plano horizontal. 11.4.2.2. Diseño de iluminación Cálculos de iluminación Es muy común en la práctica utilizar programas de ordenador (INDALWIN) para diseñar instalaciones de iluminación deportiva. Los resultados del programa muestran los valores cuantitativos de la mayoría de los parámetros, tales como iluminancias verticales y horizontales, relaciones de uniformidad e índices de deslumbramiento. Orientación y ubicación del proyector Los cálculos realizados por el ordenador suponen que pequeños grupos de proyectores en una red están ubicados en un solo punto, es decir, en el centro del grupo. Dichos cálculos son generalmente lo suficientemente exactos para aplicaciones generales. Sin embargo, cuando existen grandes grupos de proyectores y el espaciado entre las unidades exteriores es considerable, tal presunción puede resultar inexacta en el enfoque (Fig. 21). En dichos casos, se determina para cada pequeño grupo de proyectores un punto de referencia.

γ

γA γ

A

ε

Error en el enfoque del proyector Σ cuando se utiliza el mismo ángulo de enfoque para proyectores muy espaciados.

Figura 21 Matriz de cálculo Como la distancia entre los puntos de la matriz es relativamente pequeña, el valor que se muestra en cada punto representa el área que rodea dicho punto (Fig. 22.). Los tamaños de matriz comúnmente empleados son: - de 1 a 2 m.:

Para pequeñas áreas de juego.

- de 5 m.:

Para fútbol, hockey o rugby.

Para especificar las iluminancias horizontales, la matriz debe estar a nivel del suelo, mientras que para especificar las iluminancias verticales generalmente está a 1’5 m. sobre dicho nivel.

186

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1/2 Sx

Sx

1/2 Sy Sy

S

=Sx, Sy. espaciamiento de la matriz =Punto sobre el cual se calcula la iluminación. =El valor calculado es válido para éste área (Sx,

Figura 22 Las posiciones del observador patrón y las direcciones de observación o visión empleadas al realizar los cálculos de deslumbramiento se definen en la matriz. Posiciones de la cámara Se deben conocer las posiciones de la cámara para asegurar que la iluminación en dichas direcciones sea adecuada. Las mismas están especificadas como puntos de referencia en el programa de ordenador y generalmente se realizan cálculos separados para un número de puntos. 11.4.2.3. Campos de fútbol Los requisitos de iluminación de las diferentes actividades que tienen lugar en diferentes épocas del año en campos de fútbol al aire libre deben, por razones prácticas, reunirse en el mismo sistema de iluminación por proyección. Por lo tanto, pueden definirse en términos generales. Iluminancia Cuando los eventos son televisados regularmente desde un estadio o campo de fútbol, el proyecto de iluminación por proyección está diseñado por lo general para proporcionar la alta iluminancia necesaria para cumplir los requisitos televisivos. La iluminancia horizontal necesaria para un terreno de juego depende de: a) El nivel de competición que en él tiene lugar. b) La velocidad de la pelota (también debe tenerse en cuenta el movimiento rápido de los jugadores). c) La distancia máxima entre los jugadores y entre cualquiera de ellos y la pelota durante el juego. Si el terreno deportivo tiene un graderío para espectadores y la distancia entre el centro del campo y el espectador más distante es mayor que la máxima existente entre un jugador y el objeto de juego, éste último es el que hay que tomar como criterio de referencia. En la Fig. 23 se representan los niveles de iluminancia horizontal mínimos recomendados para diferentes distancias entre los espectadores y el centro del campo.

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187


Figura 23 La iluminancia vertical se caracteriza no sólo por su magnitud, sino incluso por su dirección. La iluminancia vertical se considera en un plano vertical en ángulo recto con la línea de visión del observador (Fig. 24).

Posición del observador 1

Posición del observador 2

Figura 24. Planos de iluminancia vertical para distintas posiciones de observador. Para los jugadores es muy importante una iluminación vertical adecuada desde todas las direcciones, pero si se comprueba ésta en las cuatro direcciones paralelas a las líneas exteriores del campo de juego será la adecuada en todas las demás. Para espectadores y cámaras que ocupen una posición fija sólo habrá que verificar la iluminación vertical vista desde ese lugar. En las tablas al final del capítulo se muestran los niveles de iluminancia vertical mínimos recomendados para retransmisión de T.V.

188

LUMINOTECNIA 2002


Relación de uniformidad La uniformidad de iluminancia necesaria sobre el campo y las pistas de los alrededores depende de lo que está aconteciendo. Por ejemplo, se requiere mayor uniformidad de luz para transmisiones de televisión que para el desarrollo del juego o el seguimiento con la vista en una competición sin retransmisión. Para entrenamiento puede aceptarse una menor uniformidad que para la competición. Ver Tabla 3. Deslumbramiento El deslumbramiento no debería ser molesto con tal de que: a) Se usen proyectores con preciso control de luz y sean correctamente apuntados. b) Los proyectores se monten lejos de las direcciones de observación importantes. Los ángulos de montaje medidos desde el centro del campo deberían ser mayores de 20º sobre la horizontal. c) Se use el menor número de grupos de proyectores o una disposición en sólo una línea. El número de grupos en cualquiera de los lados del campo no debería ser mayor que 4. d) La iluminancia en el campo de visión (el cual incluye el campo y las áreas opuestas de espectadores) sea tan alta y tan uniforme como sea posible, consecuente con evitar demasiada iluminancia en los ojos de los espectadores. En la práctica esto significa que la media de la iluminancia en los planos verticales a la altura de los ojos de los espectadores de enfrente no debería ser mayor que la mitad del valor medio en la vertical sobre el campo, y preferiblemente no más de 1/3. Si estos requisitos son satisfechos, el tamaño y la luminosidad de las fuentes individuales y el número de proyectores en cada grupo no es muy importante con respecto al deslumbramiento; ellos tienen más efecto en la iluminancia sobre el campo. La experiencia ha demostrado que el deslumbramiento desde una instalación correctamente planificada no se incrementa cuando se aumenta la iluminancia. Iluminancia en planos verticales; modelado Si los proyectores se montan a más de 30º sobre la horizontal medidos desde el centro del campo, el costo de las torres es normalmente prohibitivo, la razón de iluminancia en planos verticales o casi verticales a aquella en horizontales es más baja que lo deseable, y el modelado no es satisfactorio. En general, el mejor balance entre el grado de deslumbramiento y la iluminancia en planos verticales se obtiene cuando los proyectores están bien apuntados y la iluminancia al nivel de los ojos de los espectadores de enfrente está en los límites dados. El modelado más adecuado se obtiene con proyectores montados en 4 torres en los córners (Fig. 28). El efecto es menor con 6 torres, menos todavía con grupos de proyectores montados lateralmente, y menor con líneas continuas cercanas de proyectores montados lateralmente. Por otra parte, con iluminación lateral la iluminancia en planos verticales enfrente a la línea de banda es más alta que con el sistema de torres en córners. Las ventajas y desventajas de los varios sistemas de iluminación por proyección son discutidas más adelante. Sistemas de iluminación por proyección Las siguientes descripciones de sistemas de alumbrado por proyección reflejan en gran medida las condiciones que son necesarias para el fútbol o juegos similares, pero generalmente serán satisfactorias cuando otros acontecimientos tengan lugar en el estadio. Sistema de iluminación lateral Un sistema de iluminación lateral usando 4 grupos de proyectores en cada lado del campo se observa en la mitad superior de la Fig. 25. La mitad inferior muestra el diseño para 3 grupos de proyectores.

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189


l/8

l/4

l/4

l/4

l/8

a

Diseño para 4 postes

Diseño para 3 postes l/6

l/3

l/3

l/6

l

Figura 25 Los pequeños campos de entrenamiento pueden iluminarse desde menos posiciones y algunas veces desde sólo un lado. Los proyectores rectangulares simétricos o asimétricos (que dan un haz en forma de abanico) se usan para la mayoría de los proyectos de iluminación lateral. La altura de montaje recomendada se deduce de la Fig. 26, siendo medidos los ángulos

12 m. mínimo

característicos desde la línea longitudinal del centro del campo y la línea de banda.

75° máx. 45° mín.

Objetivo 25° Máximo 30° Mínimo 20°

Figura 26 Cuando se usan tres grupos de proyectores, éstos deben ser apuntados para obtener una aceptable uniformidad de iluminancia a lo largo de la línea de banda cercana. Eligiendo un número apropiado de proyectores para cada torre, las iluminancias que pueden ser proporcionadas van desde los valores bajos adecuados para campos de entrenamiento, hasta valores altos, necesarios para la retransmisión por T.V. color. La iluminancia en planos verticales sobre el área de juego es aproximadamente igual que la de los planos horizontales. El modelado es relativamente insignificante, y pueden verse claramente múltiples sombras. Es necesario un apuntamiento cuidadoso para evitar un deslumbramiento inadecuado. La Fig. 27 muestra el diseño de un sistema de proyectores laterales donde los proyectores están montados en líneas únicas bajo cada lado del campo y proporcionan la alta iluminancia necesaria para la T.V. color. Las alturas de montaje de los proyectores están definidas por los ángulos dados en la Fig. 26. La línea de proyectores debería extenderse preferentemente más allá de las

190

LUMINOTECNIA 2002


líneas de gol para mantener una uniformidad de iluminancia razonable, especialmente en las áreas, y proporcionar luz sobre los jugadores para que sean vistos desde detrás de las porterías. Sin embargo, en la práctica esta extensión puede que no sea posible. Entonces, el amortiguamiento en iluminancia hacia las líneas de las porterías debería ser restringido por reducción del espacio de los proyectores hacia el final de las líneas o por el apuntamiento de los proyectores finales hacia fuera. Como con otros sistemas de iluminación lateral, la iluminancia media en los planos verticales sobre la zona de juego es aproximadamente igual a la de los horizontales y es necesario un apuntamiento cuidadoso para evitar excesivo deslumbramiento. Donde los proyectores son montados en los techos (viseras) de las gradas, la distancia de compensación puede que no sea suficientemente grande para proporcionar adecuada iluminancia vertical en la línea de banda más cercana. Entonces se necesitarán proyectores extra y deberían ser montados bajo el techo (visera) a la distancia de compensación necesaria.

Figura 27 Sistema de torres en córners El diseño usado para 4 torres en los córners es el observado en la Fig. 28; las alturas recomendadas para la torre son deducidas de la Fig. 26. Normalmente son usados proyectores tipo circular simétrico que dan un haz simétrico. Los haces individuales pueden unirse para llenar lo que, desde la estructura superior, es visto como un área de juego de forma no rectangular y así permite un diseño de iluminancia adecuado para ser aumentado sobre el campo. Las compensaciones angulares de 5° y 15° respectivamente desde el centro de la línea de banda y la boca de gol proporcionan adecuadas ubicaciones para las torres. En la práctica, la ubicación de la torre es mandada más a menudo por la disposición del lugar que por los requisitos de la iluminación ideal. Los grandes estadios, y especialmente aquellos con pistas fuera del campo de juego, son difíciles de iluminar suficientemente desde las 4 esquinas. Serían necesarias torres muy altas para cumplir con los requisitos angulares de la Fig. 26, y el deslumbramiento desde los proyectores de largo alcance que serían necesarios, probablemente sería excesivo. Por estas razones, se prefiere el sistema de 6 torres visto en Fig. 29. La altura de la torre está definida desde el centro de la mitad del campo y aproximadamente 2 veces tantos proyectores agrupados en las torres centrales como en la de las esquinas. Los ángulos de apuntamiento son agudos y el deslumbramiento puede controlarse con bastante facilidad. La relación de iluminancia entre planos verticales y planos horizontales es aproximadamente 0’7.

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191


5° 15°

Figura 28.

5° 15°

Figura 29 Sombras de las gradas La posición de las sombras proyectadas en el campo por los techos de las gradas y otros obstáculos pueden ser obtenidas de la construcción vista en la Fig. 30. De ser posible, la altura y colocación de la torre debería elegirse para que no caigan sombras sobre el terreno de juego. Donde esto no sea posible, deberían montarse proyectores adicionales bajo el techo de las gradas y dirigirlos hacia las áreas sombreadas con el mismo ángulo medio de las proyectores principales.

192

LUMINOTECNIA 2002


D= d h h-H

Torre

h

a= d H h-H

H

Grada

a

d D

Grada

area de sombra

Torre

Figura 30 Pérdidas de absorción atmosférica El polvo y la humedad en el aire produce que la luz sea perdida por absorción y dispersión, dependiendo la cantidad perdida de la localización del estadio, la longitud de proyección de los proyectores y de las condiciones atmosféricas al mismo tiempo. UEFA y CIE recomiendan que debería hacerse en los cálculos un descuento de un 30% de luz perdida. La dispersión de luz causada por niebla, bruma o lluvia produce deslumbramiento de velo con la consecuente reducción de visibilidad. Muy poco se puede hacer sobre esto, pero hay una evidencia y es que el efecto es menor con el sistema de torres en los córners que con el sistema de iluminación lateral.

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193


TABLAS NIVELES DE ILUMINANCIA HORIZONTAL Deporte

Nivel de

E (lux)

U1

U2

IRC

Tc

t/r

100

0’3

0’4

60

2.000

ca

500

0’3

0’4

60

2.000

cp

n.a.

t/r

300*

n.a.

n.a.

60

2.000

ca

500*

n.a.

n.a.

60

2.000

cp

n.a.

t/r

50

0’3

0’4

60

2.000

0’3

0’4

60

2.000

Grupo

actividad Tiro al arco cubierto - línea de tiro

- blanco

Tiro al arco al aire libre - línea de tiro

- blanco

ca

100

cp

n.a.

t/r

100*

n.a.

n.a.

60

2.000

ca

200*

n.a.

n.a.

60

2.000

cp

n.a.

Atletismo - cubierto

- al aire libre

A t/r

200

0’3

0’5

65

2.000

ca

300

0’4

0’5

65

4.000

cp

500

0’5

0’7

65

4.000

t/r

100

0’2

0’3

20

2.000

ca

200

0’2

0’3

20

2.000

cp

400

0’3

0’5

65

4.000

t/r

300

0’4

0’6

65

4.000

Bádminton

B ca

600

0’5

0’7

65

4.000

cp

800

0’5

0’7

65

4.000

t/r

150

0’3

0’5

65

4.000

ca

300

0’4

0’6

65

4.000

Béisbol - en el campo

- fuera del campo

B

cp

750

0’5

0’7

65

4.000

t/r

100

0’2

0’3

65

4.000

ca

200

0’3

0’4

65

4.000

cp

500

0’4

0’5

65

4.000

Baloncesto - cubierto

- al aire libre

B t/r

300

0’4

0’6

65

4.000

ca

400

0’5

0’7

65

4.000

cp

600

0’5

0’7

65

4.000

t/r

100

0’2

0’3

60

2.000

ca

200

0’3

0’4

60

2.000

cp

n.a.

t/r

200

0’3

0’4

65

4.000

ca

300

0’4

0’5

65

4.000

cp

500

0’4

0’5

65

4.000

t/r

100

0’2

0’3

20

4.000

ca

200

0’4

0’5

65

4.000

cp

400

0’4

0’5

65

4.000

Carrera de bicicletas - cubierto

- al aire libre

194

LUMINOTECNIA 2002

B



Nivel de

E (lux)

U1

U2

IRC

Tc

todas

500

0’5

0’7

85

3.000

t/r/ca cp

150 300

0’2 0’2

0’3 0’3

65 65

4.000 4.000

Bolos - aproximaciones, - bandas y calles

t/r

200

0’3

0’5

65

3.000

- pins

ca cp t/r ca cp

200 400 300* 300* 500*

0’3 0’3 n.a. n.a. n.a.

0’5 0’5 n.a. n.a. n.a.

65 65 65 65 65

3.000 3.000 3.000 3.000 3.000

Grupo

actividad Billares

A

Trineo

Boxeo Ver Artes marciales Criquet - en el campo - fuera del campo Curling - tees/pista

B

C t/r/ca cp t/r/ca cp

750 1.500 500 1.000

0’5 0’7 0’4 0’5

0’7 0’8 0’5 0’6

65 65 65 65

4.000 4.000 4.000 4.000

t/r ca cp

100 200 300

0’2 0’3 0’4

0’3 0’4 0’5

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp

300* 500* 1.000*

n.a. n.a. n.a.

n.a. n.a. n.a.

85 85 85

3.000 3.000 3.000

A

Dardos

A

Carrera de perros

B t/r/ca cp

200 500

0’5 0’5

0’7 0’7

20 65

2.000 4.000

t/r Ca cp

300 600 800

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 400 600 100 200 500

0’4 0’5 0’5 0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7 0’6 0’7 0’7

65 65 65 65 65 65

4.000 4.000 4.000 4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

50 50 n.a. 30* 30* n.a.

0’2 0’4

0’3 0’5

65 65

4.000 4.000

n.a. n.a.

n.a. n.a.

65 65

4.000 4.000

Esgrima

Fútbol - cubierto

- al aire libre

Golf driving - tee/green

- fairway/calle

C

B

LUMINOTECNIA 2002

195



Nivel de

E (lux)

U1

U2

IRC

Tc

t/r ca cp

300 400 600

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 400 600 100 200 500

0’4 0’5 0’5 0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7 0’6 0’7 0’7

65 65 65 65 65 65

4.000 4.000 4.000 4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 600 800 100 250 500

0’4 0’5 0’5 0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7 0’6 0’7 0’7

65 65 65 65 65 65

4.000 4.000 4.000 4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 600 800 100 250 n.a.

0’4 0’5 0’5 0’3 0’4

0’6 0’7 0’7 0’5 0’6

65 65 65 20 65

4.000 4.000 4.000 2.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 400 600 50 150 300

0’3 0’4 0’4 0’2 0’3 0’3

0’5 0’6 0’6 0’3 0’5 0’5

65 65 65 20 65 65

4.000 4.000 4.000 2.000 4.000 4.000

t/r/ca cp

200 500

0’5 0’5

0’7 0’7

20 65

2.000 4.000

t/r ca cp

300 400 600

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp

100 200 500

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp

500 1.000 2.000

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

Grupo

actividad Gimnasia

Balonmano - en sala

- al aire libre

Hockey sobre hierba - cubierto

- al aire libre

Hockey sobre hielo - cubierto

- al aire libre

Salto de caballo - cubierto

- al aire libre

B

B

B

B

A

Carrera de caballos

B

Yudo

B

Karate Ver Artes marciales Lacrosse

C

Artes marciales

196

LUMINOTECNIA 2002

C



Nivel de

E (lux)

U1

U2

IRC

Tc

t/r ca cp t/r ca cp

300 400 600 50 100 200

0’3 0’4 0’4 0’2 0’3 0’3

0’4 0’6 0’6 0’3 0’4 0’4

65 65 65 20 20 65

4.000 4.000 4.000 2.000 4.000 4.000

t/r ca cp

250 500 750

0’4 0’4 0’4

0’6 0’6 0’6

60 65 65

2.000 4.000 4.000

t/r ca cp

250 500 750

0’4 0’4 0’4

0’6 0’6 0’6

60 65 65

2.000 4.000 4.000

Grupo

actividad Carreras de motor - cubierto

- al aire libre

B

Tenis

C

Frontón tenis

C

Patinaje sobre ruedas

B t/r ca cp

100 200 500

0’2 0’4 0’4

0’3 0’5 0’5

20 65 65

2.000 4.000 4.000

t/r ca cp

100 200 500

0’4 0’5 0’5

0’6 0’7 0’7

65 65 65

4.000 4.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

200 400 n.a. 500* 1.000* n.a.

0’3 0’3

0’4 0’4

60 60

2.000 2.000

n.a. n.a.

n.a. n.a.

60 60

2.000 2.000

t/r ca cp t/r ca cp

100 200 n.a. 200* 400* n.a.

0’3 0’3

0’4 0’4

60 60

2.000 2.000

n.a. n.a.

n.a. n.a.

60 60

2.000 2.000

t/r ca cp t/r ca cp

300 600 800 100 250 n.a.

0’3 0’4 0’4 0’3 0’4

0’5 0’6 0’6 0’5 0’6

65 65 65 20 65

4.000 4.000 4.000 2.000 4.000

t/r ca cp t/r ca cp

200 300 500 100 200 400

0’3 0’4 0’4 0’2 0’4 0’4

0’4 0’5 0’5 0’3 0’5 0’5

65 65 65 20 65 65

4.000 4.000 4.000 2.000 4.000 4.000

Rugby

Tiro en sala - línea de tiro

- blanco

Tiro al aire libre - línea de tiro

- blanco

Patinaje artístico - cubierto

- al aire libre

Patinaje de velocidad - cubierto

- al aire libre

B

A

A

B

B

LUMINOTECNIA 2002

197



Nivel de

E (lux)

U1

U2

IRC

Tc

50

0’2

0’3

20

2.000

Grupo

actividad Esquí

B t/r ca

100

0’2

0’3

20

2.000

cp

200

0’2

0’3

20

2.000

t/r

100

0’4

0’5

60

2.000

ca

200

0’4

0’5

60

2.000 2.000

Salto de esquí - tobogán

- llegada

B

cp

200

0’4

0’5

60

t/r

200

0’3

0’5

65

4.000

ca

400

0’3

0’5

65

4.000

cp

400

0’3

0’5

65

4.000

t/r

200

0’3

0’5

60

3.000

Natación - cubierto

- al aire libre

A ca

300

0’3

0’5

60

3.000

cp

500

0’3

0’5

60

3.000

t/r

100

0’2

0’3

65

4.000

ca

200

0’3

0’5

65

4.000

cp

400

0’3

0’5

65

4.000

t/r

300

0’4

0’6

60

4.000

Tenis de mesa

C ca

400

0’5

0’7

60

4.000

cp

600

0’5

0’7

60

4.000

t/r

500

0’4

0’6

65

4.000

Taekwondo Ver Artes marciales Tenis - cubierto (PPA)

- cubierto (TPA)

- al aire libre (PPA)

- al aire libre (TPA)

B ca

750

0’4

0’6

65

4.000

cp

1.000

0’4

0’6

65

4.000

t/r

400

0’3

0’5

65

4.000

ca

600

0’3

0’5

65

4.000

cp

800

0’3

0’5

65

4.000

t/r

250

0’4

0’6

60

2.000

ca

500

0’4

0’6

65

4.000 4.000

cp

750

0’4

0’6

65

t/r

200

0’3

0’5

60

2.000

ca

400

0’3

0’5

65

4.000

cp

600

0’3

0’5

65

4.000

t/r

300

0’4

0’6

65

4.000

Trampolín

A ca

400

0’5

0’7

65

4.000

cp

600

0’5

0’7

65

4.000

t/r

300

0’4

0’6

65

4.000 4.000

Voleibol - cubierto

- al aire libre

198

LUMINOTECNIA 2002

B ca

400

0’5

0’7

65

cp

600

0’5

0’7

65

4.000

t/r

100

0’4

0’6

65

4.000

ca

200

0’5

0’7

65

4.000

cp

500

0’5

0’7

65

4.000


Leyenda de la tabla 3: t: Entrenamiento (amateur y profesional). r: Recreación general. ca: Competición nacional. cp: Competición nacional e internacional sin requisitos de TV. E: Iluminancia horizontal mínima medias al nivel del suelo o, cuando está marcado con *, iluminancia vertical mínima. n.a.: No aplicable. U1= Uniformidad extrema de iluminancia (Emin/Emax) U2= Uniformidad media de iluminancia (Emin/Emed) IRC: Índice de reproducción cromática. Tc= Temperatura de color (en grados Kelvin) Grupo

Distancia máxima

Iluminancia Cámara Cámara principal secundar.

Uniformidad Vertical U1

U2

Horizontal U1 U2

IRC

Tc

A 25 m

500 lux

500 lux

0’4

0’5

0’3

0’5

65

4.000

75 m

700 lux

500 lux

0’4

0’5

0’3

0’5

65

4.000

150 m

1.000 lux

700 lux

0’5

0’6

0’4

0’6

65

4.000

25 m

700 lux

500 lux

0’5

0’6

0’3

0’5

65

4.000

75 m

1.000 lux

700 lux

0’5

0’6

0’3

0’6

65

4.000

150 m

1.400 lux

1.000 lux

0’6

0’7

0’4

0’6

65

4.000

25 m

1.000 lux

700 lux

0’5

0’6

0’4

0’6

65

4.000

75 m

1.400 lux

1.000 lux

0’6

0’7

0’4

0’6

65

4.000

150 m

n.a.

n.a.

IRC

Tc

B

C

Tabla 4. Iluminación recomendada para la TV. nacional.

Grupo

Distancia máxima

Iluminancia Cámara Cámara principal secundar.

Uniformidad Vertical U1

U2

Horizontal U1 U2

A 25 m

700 lux

700 lux

0’4

0’5

0’3

0’5

65(1)

4.000(2)

75 m

1.000 lux

700 lux

0’5

0’6

0’3

0’5

65

(1)

4.000(2)

150 m

1.400 lux

1.000 lux

0’5

0’6

0’4

0’6

65(1)

4.000(2)

25 m

1.000 lux

700 lux

0’5

0’6

0’3

0’5

65(1)

4.000(2)

75 m

1.400 lux

1.000 lux

0’6

0’7

0’4

0’6

65(1)

4.000(2)

150 m

1.750 lux

1.250 lux

0’6

0’7

0’4

0’6

65

(1)

4.000(2)

25 m

1.400 lux

1.000 lux

0’6

0’7

0’4

0’6

65(1)

4.000(2)

75 m

1.750 lux

1.250 lux

0’7

0’8

0’5

0’7

65(1)

4.000(2)

150 m

n.a.

n.a.

B

C

Tabla 5. Iluminación recomendada para la TV. internacional (1)

Es admisible un IRC de 65, pero se aconseja 90.

(2)

Es admisible una Tc de 4.000 K, pero se aconseja 5.500 K.

LUMINOTECNIA 2002

199

200

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 12.

ILUMINACIÓN DE CARRETERAS

12.1 Criterios de decisión sobre la iluminación de carreteras . . . . . . . . . . . 203 12.2 Situaciones de proyecto, clases de alumbrado y niveles de iluminación 205 12.3 Cálculos luminotécnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 12.4 Sistemas de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

LUMINOTECNIA 2002

201

202

LUMINOTECNIA 2002

Capítulo 12. ILUMINACIÓN DE CARRETERAS

12.1. Criterios de decisión sobre la iluminación de carreteras 12.1.1. Objetivos El objetivo fundamental de la iluminación de carreteras es permitir una visión segura y confortable durante la noche. Estas cualidades de la visión pueden salvaguardar, facilitar y mejorar el tráfico de vehículos. El uso adecuado de la iluminación viaria como instrumento operativo proporciona beneficios económicos y sociales, como son: a) La reducción de accidentes nocturnos, incluyendo los daños humanos y las pérdidas económicas. b) La ayuda a la protección policial y seguridad ciudadana. c) La facilidad del tráfico. d) La promoción del transporte y el desplazamiento durante las horas nocturnas. La finalidad del alumbrado público es proporcionar al conductor la visibilidad necesaria para distinguir los obstáculos y el trazado de la carretera con el tiempo preciso para efectuar las maniobras que garanticen su seguridad, además de dotarle de confort visual mientras conduce.

12.1.2. Conducción nocturna y capacidad visual de los usuarios El entorno visual de un automovilista que conduce por la noche está formado principalmente por la calzada. La visibilidad de un obstáculo situado sobre la calzada, depende de la diferencia de luminancias entre el obstáculo y el fondo, constituido por la calzada sobre el que destaca. En el caso de un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste es positivo, en cambio un objeto más oscuro que su fondo se ve en silueta y su contraste es negativo. La iluminación de carreteras produce generalmente contrastes negativos para los objetos u obstáculos oscuros o de bajas reflectancias. En la conducción nocturna actúa la denominada visión mesópica o crepuscular que comprende el intervalo entre 10-3 y 3 ó 4 cd/m2, y se caracteriza por la reducción de la agudeza visual y la disminución en la sensibilidad diferencial al contraste, precisándose un elevado contraste umbral de luminancias para la visibilidad de obstáculos. Asimismo esta visión en la conducción nocturna implica una alteración importante en la apreciación de distancias (visión binocular deficiente), percepción limitada de obstáculos laterales y, por último, visión cromática rara e insólita. Hay que considerar que los faros de los vehículos iluminan únicamente un área limitada delante de éstos, mientras que el alumbrado público suministra luz a la carretera y sus alrededores, abriendo el campo de visión al conductor, aproximándose a las condiciones de luz diurna, lo cual puede ser importante en determinadas circunstancias del tráfico o del entorno. Por otra parte, la sensibilidad diferencial al contraste para un mismo conductor es más de tres veces superior en una carretera dotada de alumbrado (2 cd/m2), que solamente con la iluminación proporcionada por la luz de cruce del vehículo (0’2 a 0’3 cd/m2). La agudeza visual en la conducción nocturna evoluciona de forma que un conductor que circula por una carretera provista de alumbrado, es dos veces y media superior a la agudeza visual de dicho conductor cuando circula únicamente con la luz de cruce del vehículo. En la conducción nocturna con las luces de cruce de un vehículo (0’2-0’3 cd/m2), la eficacia de la visión binocular queda reducida a un tercio (1/3) de la que se alcanza durante el día y, en consecuencia, la percepción y evaluación de distancias disminuye considerablemente, lo que implica un mayor riesgo de accidentes.

12.1.3. Criterios de decisión en la necesidad de iluminación de una carretera Debe realizarse una selección entre los posibles tramos de carreteras a fin de determinar cuáles de ellos deben ser provistos de alumbrado público, lo que exige el establecimiento de factores y criterios que determinen la implantación de dichas instalaciones. Factores que influyen a la hora de iluminar Los factores a considerar para la implantación de alumbrado público son los siguientes: 1. El tipo de vía (autopista, autovía, vía rápida o carretera convencional), su situación y trazado. 2. Los puntos singulares, tales como intersecciones, enlaces complicados y tramos especiales. 3. La intensidad y composición del tráfico.

LUMINOTECNIA 2002

203


Como criterios de instalación de alumbrado en tramos de carreteras se recomienda tener en cuenta los factores que influyen en la necesidad de su iluminación, así como considerar los supuestos en los que, debido a la intensidad de tráfico, únicamente pueden utilizarse las luces cortas o de cruce del vehículo en un elevado porcentaje de tiempo. En carretera convencional, el cambio de luz larga a luz de cruce para evitar deslumbramientos debe realizarse a una distancia aproximada de 500 m. entre vehículos enfrentados que circulan en sentidos contrarios. Por tanto, el número máximo de vehículos a la hora que podrá circular con luz de carretera (luz larga), a una media de 75 Km/h., es de 150, lo que supone un total de 300 vehículos a la hora en periodo de oscuridad, en un tramo recto. Como criterios orientativos, en la Tabla 1 se indican los valores de las intensidades medias diarias (IMD) de tráfico que podrían adoptarse para tomar en consideración la posibilidad de iluminar la carretera. Asimismo y al objeto de evitar el denominado efecto “agujero negro”, sería conveniente considerar el iluminar los tramos entre enlaces cuya distancia sea inferior a 6 Km. en carreteras de calzadas separadas y de 2 Km. en carreteras de calzada única. Además, resultaría recomendable tener en cuenta aquellos tramos de carretera donde exista un porcentaje considerable de accidentes nocturnos respecto a los diurnos.

Tipo de vía

IMD mínima para iluminar (Veh/hora)

Carreteras convencionales

12.000

Autovías y autopistas

22.000

Intersecciones

4.000

Enlaces

7.000

Tabla 1. Valores límites de IMD recomendados para iluminación.

204

LUMINOTECNIA 2002


12.2. Situaciones de proyecto, clases de alumbrado y niveles de iluminación 12.2.1. Clasificación de las situaciones del proyecto A efectos de las presentes recomendaciones se consideran las siguientes situaciones de la Tabla 2.

CLASIFICACIÓN DE LAS SITUACIONES DE PROYECTO Tipos de usuarios

Tipos de vías

M

S

C

P

Situaciones de proyecto

Carreteras de calzadas separadas con cruces a distinto nivel y accesos controlados (autopistas y autovías)

A1

Carreteras de calzada úinica de doble sentido de circulación

M

y accesos limitados (vías rápidas) Carreteras interurbanas sin separación de aceras o carril bici

0

A2

Vías colectoras y rondas de circunvalación. Carreteras interurbanas en con accesos no restrigidos

0

0

0

A3

TIPOS DE USUARIOS Usuario principal 0

M

Tráfico motorizado

Otros usuarios permitidos

S

Vehículos de movimiento lento

Usuarios excluidos

C

Ciclistas

P

Peatones. Tabla 2

12.2.2. Selección de la clase de alumbrado Una vez establecida la situación de proyecto de acuerdo con lo dispuesto en la Tabla 2, se procede a seleccionar la clase de alumbrado que satisface las exigencias de iluminación que se necesitan para la citada situación del proyecto. Se definen para las calzadas secas las siguientes clases de alumbrado de la serie ME: ME1, ME2, ME3 (a, b) y ME4 (a, b), establecidas en orden de mayor a menor exigencia en los niveles luminosos. Cada clase de alumbrado serie ME comprende los siguientes niveles de iluminación: - Nivel de luminancia medio de la superficie de la calzada. - Uniformidad global de luminancia. - Uniformidad longitudinal de luminancia. - Deslumbramiento perturbador (incremento umbral de contraste). - Relación entorno (iluminación de zonas adyacentes a la calzada). En la Tabla 3 se incluyen las clases de alumbrado que corresponden a las situaciones del proyecto A. La Tabla 4 comprende un total de 4 clases de alumbrado ordenadas de mayor a menor grado de exigencia luminotécnica, con expresión de los niveles como valores mínimos en servicio, es decir, con mantenimiento de la instalación, a excepción del incremento de umbral TI que son valores máximos iniciales. Las clases de alumbrado ME3 y ME4 se dividen en los apartados a y b cuya diferencia estriba en la uniformidad longitudinal.

LUMINOTECNIA 2002

205


CLASES DE ALUMBRADO PARA VÍAS DE TRÁFICO RODADO SITUACIONES DE PROYECTO

TIPOS DE VÍAS

CLASE DE ALUMBRADO*

– Carreteras de calzadas separadas con cruces a distinto nivel y accesos controlados (autopistas y autovías): • Intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera: Alta (IMD) > 25.000 Media (IMD) – Entre 15.000 y 25.000 Baja (IMD) < 15.000

A1

ME 1 ME 2 ME 3a

– Carreteras de calzada única de doble sentido de circulación y accesos limitados (vías rápidas): • Intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera: ME 1 ME 2

Alta (IMD) > 15.000 Media y baja (IMD) < 15.000 – Carreteras interurbanas sin separación de aceras o carriles bici. • Intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera. • Control del tráfico y separación de los distintos tipos de usuario. • Parámetros específicos.

A2

– Vías, colectoras y rondas de circunvalación. – Carreteras interurbanas con accesos no restringidos. A3

• Intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera. • Control del tráfico y separación de los distintos tipos de usuario. • Parámetros específicos.

ME 1 ME 2 ME 3a ME 4a ME 1 ME 2 ME 3b ME 4a ME 4b

* Para todas las situaciones de proyecto (A1-A2 y A3), cuando las zonas próximas sean claras (fondos claros), todas las vías de tráfico verán incrementadas sus exigencias a las de la clase de alumbrado inmediata superior.

Tabla 3 La luminancia se expresa en cd/m2 mientras que las uniformidades, como relación entre luminancias, carecen de unidades. El deslumbramiento perturbador se detalla en tanto por ciento y, asimismo, tampoco la relación entorno tiene unidades por ser también un cociente entre luminancias. Desde el punto de vista luminotécnico, las situaciones de proyecto más interesantes son las del grupo A-1, siendo las situaciones recogidas en las clases de alumbrado A-2 y A-3 tratadas más genéricamente. En la situación de proyecto A1 la Tabla 3. concreta la clase de alumbrado a adoptar en función únicamente de la intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera. Para el resto de situaciones de proyecto A2 y A3 existen diversas opciones de elección de la clase de alumbrado, seleccionándose en cada caso, de acuerdo con la intensidad de tráfico y complejidad del trazado de la carretera, control del tráfico y separación de los distintos tipos de usuarios, así como en función de los parámetros específicos dominantes, que se especifican a continuación: Situación de Proyecto A2. Parámetros dominantes: - Tipo de cruces (enlaces, intersecciones). - Densidad de nudos Situación de proyecto A3. Parámetros dominantes: - Separación de calzadas. - Tipo de cruces (enlaces, intersecciones). - Densidad de nudos. 12.2.2.1. Requerimientos luminotécnicos para las situaciones de proyecto En la Tabla 4 se detallan los niveles de iluminación que corresponden a cada clase de alumbrado de la serie ME.

206

LUMINOTECNIA 2002


CLASES DE ALUMBRADO SERIE ME LUMINANCIA DE LA SUPERFICIE DE LA CALZADA EN CONDICIONES SECAS

CLASE DE ALUMBRADO*

DESLUMBRA- ILUMINACIÓN DE MIENTO PERTURBADOR ALREDEDORES

Luminancia media Lm (cd/m2)

Uniformidad global U0

Uniformidad longitudinal U1

Incremento umbral TI (%)**

Relación entorno SR***

ME1

2,00

0,40

0,70

10

0,50

ME2

1,50

0,40

0,70

10

0,50

1,00

0,40

15

0,50

0,75

0,40

15

0,50

a

ME3

b a

ME4 *

b

0,70 0,60 0,60 0,50

Los niveles de la tabla son valores mínimos en servicio con mantenimiento de la instalación de alumbrado, a excepción de TI, que son

valores máximos iniciales. A fin de mantener dichos niveles de servicio, debe considerarse un factor de depreciación no mayor de 0,8 dependiendo del tipo de luminaria y grado de contaminación del aire. **

Cuando se utilicen fuentes de luz de baja luminancia (lámparas fluorescentes y de vapor de sodio a baja presión), puede permitirse un

incremento de 5% del incremento del umbral (TI). ***

La relación entorno SR debe aplicarse en aquellas vías de tráfico rodado donde no existan otras áreas adyacentes a la calzada con sus

propios requerimiento.

Tabla 4

12.2.2.2. Casos de calzadas mojadas En el caso de calzadas mojadas, la superficie refleja la luz de forma mucho más especular o dirigida que difusa (misma luminancia en todas las direcciones del espacio), y la uniformidad de las luminancias de la calzada queda degradada afectando negativamente a la visibilidad de los obstáculos en la carretera. En aquellas zonas geográficas en las que la intensidad y persistencia de la lluvia provoque que durante una parte significativa de las horas nocturnas, a lo largo del año, la superficie de la calzada permanezca mojada, se tendrán en cuenta los criterios que se muestran en la Tabla 5. Para estas recomendaciones, a título orientativo se consideran en esta situación aquellas zonas con una media superior a 100 días de lluvia al año. En estos casos, el cálculo de la uniformidad global de luminancias se realizará de acuerdo al método que aparece descrito en la publicación CIE nº 47 (1979), teniendo en cuenta las características fotométricas de los pavimentos normalizados al respecto. CLASES DE ALUMBRADO SERIE MEW LUMINANCIA DE LA SUPERFICIE DE LA CALZADA EN CONDICIONES SECAS Y HÚMEDAS CLASE DE ALUMBRADO

CALZADA HÚMEDA

CALZADA SECA

DESLUMBRA- ILUMINACIÓN DE MIENTO PERTURBADOR ALREDEDORES

Luminancia media Lm (cd/m2)


Uniformidad longitudinal U1*


Incremento umbral TI (%)

Relación entorno SR

2,00

0,40

0,60

0,15

10

0,50

MEW2

1,50

0,40

0,60

0,15

10

0,50

MEW3

1,00

0,40

0,60

0,15

15

0,50

MEW4

0,75

0,40

—

0,15

15

0,50

MEW1

* Este criterio no es restrictivo pero puede aplicarse, por ejemplo, en autopistas, autovías y carreteras de calzada única de doble sentido de circulación y accesos limitados.

Tabla 5

LUMINOTECNIA 2002

207


12.2.2.3. Tramos singulares Se define un tramo como singular por la complejidad de los problemas de visión y maniobras que tienen que realizar los vehículos que circulan por él. Tal es el caso de: - Nudos (enlaces e intersecciones), y glorietas. - Zonas de reducción del número de carriles o disminución del ancho de la calzada. - Zonas de incorporación de nuevos carriles. - Pasos subterráneos. - Pasos elevados. Asimismo, se consideran tramos singulares aquellos sectores de gran dificultad frecuentados por peatones, ciclistas u otros usuarios de la vía de tráfico. La instalación de alumbrado debe revelar o poner de manifiesto el propio tramo singular, así como todas las características del mismo, tales como la posición de los bordillos, marcas viales, diferentes señalizaciones, direcciones de tráfico, etc. Del mismo modo, debe evidenciar la presencia de peatones, ciclistas, obstáculos, otros vehículos y el movimiento de los mismos en el entorno del tramo singular. a)

Criterio de luminancia

Siempre que resulte posible, en los tramos singulares se aplicarán los criterios de luminancias, uniformidades global y longitudinal, deslumbramiento perturbador y relación entorno, que han sido definidas para las distintas clases de alumbrado. En todos casos se tendrá en cuenta que la clase de alumbrado que se defina para el tramo singular será de un grado superior al de la vía de tráfico a la que corresponde dicho tramo singular. Por ejemplo: si a una carretera le atañe una clase de alumbrado ME4, a un tramo singular incluido en su recorrido le corresponde una clase de alumbrado ME3a. Si confluyen varias vías en un tramo singular, tal y como puede suceder en los cruces, la clase de alumbrado será un grado superior al de la vía que tenga la clase de alumbrado más elevada. b)

Criterio de iluminancia

Sólo cuando resulte impracticable aplicar los criterios de luminancia, se utilizarán los criterios de iluminancia. Esta situación puede ocurrir cuando la distancia de visión sea inferior a los 60 m. (valor mínimo que se utiliza para el cálculo de luminancia), y cuando no se pueda situar adecuadamente el observador debido a la sinuosidad y complejidad del trazado de la carretera. En estos casos se aplicarán los criterios de iluminación mediante la iluminancia media y su uniformidad, que corresponden a las clases de alumbrado de la serie CE (Tabla 6). Se cumplirá también con las limitaciones de deslumbramiento o de control de la contaminación luminosa, representadas por las clases de intensidad serie G (Tabla 7). CLASES DE ALUMBRADO SERIE CE CLASE DE ALUMBRADO*

ILUMINANCIA HORIZONTAL

CEO

Iluminancia media Em (lux) 50

Uniformidad media Um 0,40

CE1

30

0,40

CE2

20

0,40

CE3

15

0,40

CE4

10

0,40

CE5

7,5

0,40

* Los niveles de la tabla son valores mínimos en servicio con mantenimiento de la instalación de alumbrado. A fin de mantener dichos niveles de servicio, debe considerarse un factor de depreciación no mayor de 0,8 dependiendo del tipo de luminaria y grado de contaminación del aire.

Tabla 6

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Considerando, de conformidad con la Tabla 8, que las clases de alumbrado ME y CE de idéntica numeración (por ejemplo CE3 y ME3) son de similar nivel de iluminación, cuando se utilice el criterio de iluminancia, la clase de alumbrado que se defina para el tramo singular será un grado superior al de la vía de tráfico al que corresponde dicho tramo singular. Por ejemplo, si a una carretera se le atribuye una clase de alumbrado ME2, a un tramo singular incluido en su recorrido le correspondería una clase de alumbrado CE1. En el supuesto de un tramo singular en el que incide una vía con clase de alumbrado ME1, el tramo singular continuará también como clase de alumbrado ME1 o su equivalente CE1. Cuando este tramo singular ofrezca una especial complejidad y una elevada potencialidad de riesgo de accidentes, en la más desfavorable de las situaciones y circunstancias, a dicho tramo le corresponderá una clase de alumbrado CE0 (50 lux) o su similar nivel de luminancia 3’3 cd/m2. En situaciones intermedias podrán adoptarse clases de alumbrado comprendidas en el intervalo entre las clases de alumbrado CE1 y CE0, correspondiente a niveles de iluminancia de 35, 40 y 45 lux o sus valores similares 2’3, 2’7 y 3 cd/m2 respectivamente. En los tramos singulares cuyas aceras o arcenes no estén dotadas de una específica iluminación, se considerará el alumbrado de las mismas con un nivel luminoso como mínimo del 50% del previsto sobre la calzada. CLASES DE INTENSIDAD SERIE G CLASE DE INTENSIDAD G1 G2 G3 G4 G5 G6

INTENSIDAD MÁXIMA (cd/Klm)**

OTROS REQUERIMIENTOS

A 80° * 200 150 100 100 100 100

Ninguno. Ninguno. Ninguno. Intensidades por encima de 95° deben ser cero. Intensidades por encima de 95° deben ser cero. Intensidades por encima de 90° deben ser cero.

A 70° * — — — 500 350 350

A 90° * 50 30 20 10 10 0

** Cualquier dirección que forme el ángulo especificado a partir de la vertical hacia abajo, con la luminaria instalada para su funcionamiento. ** Todas las intensidades son proporcionales al flujo de la lámpara para 1.000 lm. NOTA: Las clases de intensidad G1, G2 y G3 corresponden a distribuciones fotométricas «semi cut-off» y «cut-off», conceptos utilizados tradicionalmente en los requerimientos luminosos que se definen en el epígrafe 7.5.2. Las clases de intensidad G4, G5 y G6 se asignan a luminarias con distribución «cut-off» muy fuerte, como por ejemplo luminarias con cierre de vidrio plano, en cualquier posición cercana a la horizontal de la apertura o estrictamente en la posición horizontal.

Tabla 7 Cuando no se precise un requerimiento exhaustivo en la limitación del deslumbramiento o en el control de la contaminación luminosa, podrán adoptarse las clases de intensidad G1, G2 y G3. En el supuesto de que la tipología del tramo singular, debido a su configuración, complejidad y potencial peligrosidad, obligue a una mayor limitación del deslumbramiento o del control de la contaminación luminosa, se deberán elegir las clases de intensidad G4 y G5 y, únicamente en casos extremos, se exigirá la clase de intensidad G6. 12.2.2.4. Pérdidas de trazado En la actualidad no hay métodos para la cuantificación del guiado visual proporcionado por la instalación de alumbrado en las vías de tráfico rodado, pero en cambio, existen ciertas consideraciones prácticas que pueden servir de ayuda en los casos de pérdidas de trazado. Es evidente que para una circulación segura deben ser perfectamente visibles el trazado de la carretera, los límites de la misma, los posibles cruces y cualquier otro punto singular. El alumbrado debe contribuir a lograr esto y para ello: - Ha de incrementar la visibilidad de la calzada respecto a las zonas colindantes y la visibilidad de la señalización vertical, horizontal y balizamiento. - La disposición de los puntos de luz (luminarias) ha de permitir detectar a suficiente distancia el trazado de la carretera, los cruces y otros puntos singulares, jalonando su recorrido.

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- El cambio de tipo de fuente de luz de diferente color a la del resto de la vía de tráfico en enlaces, intersecciones, glorietas, circunvalaciones y puntos singulares donde la relación entre accidentes nocturnos y diurnos sea elevada, ayuda al guiado visual. Por lo que respecta a la visión de la señalización horizontal y, en concreto, de las marcas viales, la cuestión esencial es asegurar una buena visibilidad por la noche, así como en condiciones de pavimento mojado. En este último caso los captafaros, los hitos retrorreflectantes y las marcas viales con resaltes, al estar por encima de la película de agua de la calzada producida por la lluvia, mantienen la visibilidad proporcionada por el alumbrado viario y los propios faros del vehículo, conservándose el guiado visual y la seguridad viaria.

12.2.3. Área de referencia Definida como parte del área pública de trabajo, bajo consideración o estudio, deben distinguirse varios supuestos en función de los grupos de situaciones de proyecto que a continuación se especifican. Grupos de situaciones de proyecto A El área de referencia será constituida por la totalidad de la anchura de la calzada de la vía de tráfico rodado, entre los bordes extremos de la misma. En el caso de vías de tráfico de doble calzada, el área de referencia estará formada por la anchura total de ambas calzadas incluida la mediana, a menos que la anchura de la misma sea tal que cada calzada pueda ser considerada separadamente. La anchura de las bandas adyacentes para la relación entorno SR, será igual como mínimo a la anchura de un carril de tráfico, recomendándose a ser posible 5 m. de anchura. Se exigirá como requerimiento específico la aplicación de dicha relación en torno a las bandas adyacentes a la calzada, de acuerdo con las clases de alumbrado serie ME (Tabla 4), serie MEW (Tabla 5) o serie CE (Tabla 6). Si hay junto a la vía de tráfico rodado, vías paralelas, existen dos alternativas: 1) Considerar el área total El área de referencia estará constituida por la anchura de la calzada de la vía de tráfico rodado, incluyendo las vías paralelas, entre los bordes externos de las mismas. 2) Considerar separadamente la calzada y las vías paralelas El área de referencia de la vía de tráfico rodado será únicamente la anchura de la calzada. El área de referencia de la vía paralela será solamente la anchura de la misma. Para los carriles bici y, en su caso vías peatonales, el área de referencia, aparte de la anchura de dichas vías o carriles, deberá incluir 2 m. de banda a cada lado. 12.2.3.1. Clases de alumbrado de similar nivel de iluminación Para todas las situaciones de proyecto o tipos de vías de tráfico A, los niveles luminotécnicos deben especificarse para cada área de referencia, y no debería existir entre dos áreas adyacentes una diferencia superior a dos clases de alumbrado comparables o de similar nivel de iluminación, tal y como se establece en la Tabla 8. Detallados los niveles de iluminación de las clases de alumbrado series ME, MEW y CE, en la Tabla 8 se establecen las clases de alumbrado de similar nivel de iluminación para dichas series.

CLASES DE ALUMBRADO DE SIMILAR NIVEL DE ILUMINACIÓN COMPARABLE POR COLUMNAS

CE 0

ME 1 MEW 1 CE 1

ME 2 MEW 2 CE 2

ME 3 MEW 3 CE 3

ME 4 MEW 4 CE 4

ME 5 MEW 5 CE 5

Para las clases ME/MEW r-tabla C 2 reflectancia superficie calzada (Publicación CIE nº 66) Tabla 8

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ME 6


12.2.4. Variaciones temporales de la clase de alumbrado En todas las situaciones de proyecto, al objeto de ahorrar energía, podrá variarse temporalmente la clase de alumbrado a otra de inferior nivel luminotécnico a ciertas horas de la noche en las que disminuya sustancialmente la intensidad de tráfico, llevándolo a cabo mediante el correspondiente sistema de regulación de nivel luminoso. En tramos singulares no se deberán realizar variaciones temporales de la clase de alumbrado. Cuando se reduzca el nivel de iluminación, es decir, se varíe la clase de alumbrado a un ahora determinada (apagado de media noche), los cambios serán tales que, si la luminancia media se reduce a una clase inferior (por ejemplo pasar de M2 a M3), deberán cumplirse los criterios de uniformidad de luminancia y deslumbramiento establecidos en la Tabla 4.

12.2.5. Alumbrados con soportes de gran altura Recibe tal denominación el alumbrado ejecutado con puntos de luz cuya altura de montaje es superior a 16 m., y cuyo mantenimiento no puede ser realizado mediante vehículo dotado de cesta hidráulica. Este sistema se utiliza cada vez que el empleo de soluciones convencionales de alumbrado no resulta satisfactorio, debido a la manipulación de soportes y a la dificultad de su implantación en los correspondientes emplazamientos. El alumbrado mediante soportes de gran altura se relaciona con la iluminación de grandes superficies, y encuentra su aplicación, entre otros, en los casos siguientes: - Nudos complejos de autopistas, autovías y carreteras. - Glorietas. - Peajes de autopistas. La realización de la instalación de alumbrado mediante soportes de gran altura es una solución cuando la implantación de los báculos o columnas clásicos origina problemas en el entorno, tales como: - Pérdida de perspectiva y separaciones de nivelación entre soportes (cruces de vías de tráfico rodado a distintos niveles). - Problemas de dimensionamiento (grandes espacios), de estética y de confusión del guiado visual (multiplicidad de soportes). En este tipo de alumbrado las alturas más frecuentes de implantación son los soportes de 30 y 35 m., aún cuando en situaciones concretas de cruces complejos puedan superarse los 40 m. El número de fuentes luminosas se reducirá en lo posible, mediante la utilización de lámparas de descarga de potencia y eficacia luminosa elevada. Pueden instalarse luminarias con óptica convencional, orientable o específica, así como proyectores, adaptándose en cada caso las soluciones que se estimen convenientes para lograr los fines previstos. Para efectuar las operaciones de mantenimiento, la accesibilidad de los aparatos, equipos y lámparas, podrá efectuarse mediante escalas fijas instaladas en los soportes, hasta una altura de 20 m. Para columnas de alturas mayores, será adecuada la instalación del sistema de corona móvil. Al objeto de paliar el deslumbramiento, el ángulo de inclinación de la intensidad máxima de los proyectores será [ 65%, limitando e todo lo posible los valores de intensidad por encima de este ángulo. Todo ello sin perjuicio de la instalación, en su caso, de rejillas u otros dispositivos antideslumbrantes. ALUMBRADO CON SOPORTES DE GRAN ALTURA. CLASES DE ALUMBRADO DESCRIPCIÓN DE LA VÍA DE TRÁFICO Cruces muy complejos con intensidad de tráfico elevado y alta complejidad del trazado y del campo visual Cruces complejos, glorietas Zonas de peaje

CLASE DE ALUMBRADO CE 0 CE 0 CE 1 CE 2

NOTA: En situaciones de alumbrado correspondientes a cruces muy complejos con intensidad de tráfico elevado y alta complejidad del trazado y del campo visual, en algunos casos especiales la uniformidad media de luminancia será 0,5.

Tabla 9

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12.3. Cálculos luminotécnicos 12.3.1. Cálculo de luminancias en la instalación de alumbrado 12.3.1.1. Método La luminancia en un punto de la calzada se calcula mediante la fórmula:

L=

E Ι (c, γ) · r (β,h tgγ) R (cm/m ) 2

2

donde el sumatorio () comprende, en principio, todas las luminarias de la instalación. Los valores de intensidad luminosa (I(c,)) y del coeficiente de luminancia reducida (r(, tg)) se obtienen por interpolación cuadrática en la matriz de intensidades de la luminaria y en la tabla de reflexión del pavimento. Por último, la variable h es la altura máxima de la luminaria (Fig. 1). Q h γ T

Observador α

β δ

P

s

Figura 1. Luminancia en un punto. Los valores de luminancia calculados estarán influidos por el factor de mantenimiento como minoración, que tiene en cuenta la depreciación luminosa de la lámpara y la causada por la suciedad. Se adoptará, en todos los cálculos, un valor menor o igual a 0’8, dependiendo del tipo de luminaria y del grado local de polución atmosférica. 12.3.1.2. Hipótesis Los siguientes apartados son aplicables a tramos de calzada rectos o curvas de radio grande (radio ≥ 300 m.). En otro tipo de configuración se estudiará cada caso individualmente, aplicando los criterios para las situaciones especiales. Además, como ya se ha indicado, los cálculos se establecen para pavimentos en estado seco. 12.3.1.3. Selección de la retícula de cálculo La retícula de cálculo es el conjunto de puntos en que se calcularán los valores de luminancia. En sentido longitudinal, la retícula cubrirá el tramo de calzada comprendido entre dos luminarias consecutivas del mismo lado. En sentido transversal, deberá abarcar el ancho definido para el área de referencia. Los puntos de cálculo se dispondrán como muestra la Fig. 2 y el número de ellos será:

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- Longitudinalmente: 10 puntos para separaciones entre luminarias inferiores a 50 m., o el menor número de puntos que proporcione distancias entre ellos iguales o inferiores a 5 m., para separaciones entre luminarias mayores de 50 m. - Transversalmente: 5 puntos por carril, con uno de ellos situado en el centro del mismo. Los dos puntos más exteriores quedarán dentro de la calzada, con respecto al borde de la misma, a 1/6 del ancho del carril.

Luminaria

Luminaria

a/2 a

a/6 : Punto de retícula

Figura 2. Retícula de cálculo. 12.3.1.4. Posición del observador a)

Altura: 1’5 m. sobre la superficie de la calzada.

b)

Situación longitudinal: A 60 m. de la primera línea transversal de puntos de cálculo.

c)

Situación transversal: - Para el cálculo de la luminancia media y de la uniformidad global, a 1/4 del ancho total de la calzada, medido desde el borde derecho de la misma. - Para el cálculo de la uniformidad longitudinal, para cada sentido de circulación, en el centro de cada uno de los carriles del sentido considerado.

12.3.1.5. Número de luminarias El número de luminarias que contribuyen a la luminancia en un punto de cálculo se debe restringir, en el sentido de circulación, a aquellas situadas previamente a cinco veces la altura de montaje, y a doce veces la altura de montaje. Asimismo, en lo referente a luminarias ubicadas transversalmente al sentido de la circulación, sólo se tomarán en consideración las que se encuentren a menos de cinco veces la altura de montaje. 12.3.1.6. Cálculos - Luminancia media: valor medio de las luminancias calculadas en los puntos de la retícula. - Uniformidad global: cociente entre la luminancia mínima calculada en un punto de la retícula y la luminancia media. - Uniformidad longitudinal: para cada uno de los carriles, se obtiene dividiendo las luminancias puntuales mínima y máxima calculadas en el eje del carril.

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12.3.2. Cálculo de iluminancias horizontales 12.3.2.1. Método La iluminancia horizontal en un punto de la calzada se expresa mediante:

E=

E Ι (c, γ) ·

cos3 γ h2

R

(lux)

Siendo γ el ángulo formado por la dirección de incidencia en el punto con la vertical (Fig. 3). El sumatorio (∑) comprende, en principio, a todas las luminarias de la instalación.

E=

a

dφ dS

I

h

γ P

C

Figura 3. Iluminancia en un punto. Los cálculos de iluminancias, al igual que los de luminancias, se afectarán por un factor de mantenimiento menor o igual a 0’8, dependiendo del tipo de luminaria y del grado local de polución atmosférica. 12.3.2.2. Selección de la retícula de cálculo Se adoptará la misma que se ha descrito en el apartado 12.3.1.3. 12.3.2.3. Número de luminarias Se irán acumulando, en los puntos de la retícula, las iluminancias producidas por las luminarias, evolucionando desde las más cercanas hacia las más lejanas, hasta el momento en que una luminaria no produzca en ninguno de los puntos de la retícula un nivel superior al 1% del acumulado. 12.3.2.4. Cálculos - Iluminancia media: valor medio de las iluminancias calculadas en los puntos de la retícula. - Uniformidad media: cociente entre la iluminancia mínima calculada en un punto de la retícula y la iluminancia media. - Uniformidad extrema: cociente entre las iluminancias mínima y máxima calculadas en los puntos de la retícula.

12.3.3. Cálculo del deslumbramiento perturbador 12.3.3.1. Método Se basa en el cálculo de la luminancia de velo:

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Lv = 3 · 10-3 ·

Eg

Σ (θ ) 2

(cd/m2)

donde Eg (lux) es la iluminancia producida en el ojo en un plano perpendicular a la línea de visión, y θ (rad) es el ángulo entre la dirección de incidencia de la luz en el ojo y la dirección de observación. El sumatorio () está extendido, en principio, a todas las luminarias de la instalación (ver 12.3.3.4.). El incremento del umbral de percepción se calcula según la expresión:

TI = 65 ·

Lv (Lm)0’8

... (en %)

que es una fórmula válida para luminancias medias de calzada (Lm) entre 0’05 y 5 cd/m2. 12.3.3.2. Ángulo de apantallamiento A efectos de cálculo del deslumbramiento perturbador, no se considerarán las luminarias cuya dirección de observación forme un ángulo mayor de 20° con la línea de visión, ya que se suponen apantalladas por el techo del vehículo. 12.3.3.3. Posición del observador a) b)

Altura: 1’5 m. sobre la superficie de la calzada. Situación longitudinal: De forma tal que la luminaria más cercana a considerar en el cálculo se encuentre formando exactamente 20° con la línea de visión. En el caso de disposiciones al tresbolillo, se efectuarán dos cálculos diferentes (con la primera luminaria de cada lado en 20°) y se proporcionará como resultado el mayor valor de los dos. Punto de observación: El observador siempre mira hacia un punto en la calzada situado a 90 m. frente a él, en

an tal lam ien to

la misma situación transversal en que se encuentra.

ap

Ig

de no

d)

Situación transversal: A 1/4 del ancho total de la calzada medido desde el borde derecho de la misma.

20º

Pl a

c)

P θ

α=1º

O W 1/4W

Figura 4. Posición del observador.

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215


12.3.3.4. Número de luminarias Se considera que contribuyen al deslumbramiento perturbador todas las luminarias que se encuentren a menos de 500 m. de distancia del observador. 12.3.3.5. Cálculos - Luminancia de velo: para cada hilera de luminarias, se comienza por la más cercana, alejándose progresivamente y acumulando las luminancias de velo producidas por cada una de ellas, hasta que su contribución individual sea inferior al 2% de la acumulada, y como máximo hasta las luminarias situadas a 500 m. del observador. Finalmente, se sumarán las luminancias de velo de todas las hileras de luminarias. - Incremento del umbral de percepción: se calculará con los valores de luminancia de velo obtenida según 12.3.3.1. y de la luminancia media según 12.3.1.6.

12.4. Sistemas de iluminación 12.4.1. Distribución de puntos de luz en cruces, glorietas y curvas En los cruces e intersecciones los niveles de iluminación serán los establecidos para tramos singulares y, como mínimo, de un 10 a 20% superiores a los correspondientes a la clase de vía cuyo nivel luminoso sea mayor entre las que confluyen en el mismo. Consecuentemente, la situación de los puntos de luz será la idónea al objeto de lograr los mencionados niveles, indicándose

Acera

Acera

a título de ejemplo las disposiciones en planta de las Fig. 5 y 6.

Acera

Acera Calzada Acera

Acera

Figura 5

Acera Calzada

Acera

Acera

Figura 6 La altura H de montaje de los puntos de luz (Fig. 7 y 8) deberá ser igual a la de los puntos de la vía principal que confluya en la glorieta a iluminar. En el caso de que en la zona central de la glorieta no se obtenga una iluminación mayor o igual a 1’5 veces la iluminación media de dicha calzada principal, se requerirá una iluminación suplementaria.

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lz a

e ra

Ca

Ac

Ac era

Calzada


Ca

da

Acera

lz a

da

Ac

Ac era

Calzada

Figura 7

e ra

da lza Ca

Acera

Ca

lza

da

Figura 8 Si la parte central de la glorieta tiene un diámetro menor de 18 m. se instalará en su centro un punto de luz especial en columna o báculo de brazo múltiple (Fig. 7). Si su diámetro es mayor de 18 m. o tiene arbolado en el centro, se dispondrán puntos de luz en las prolongaciones de los ejes de circulación (Fig. 8). Respecto a la implantación de puntos de luz en curvas y en relación al alumbrado se consideran tramos curvos aquellos cuyo radio sea menor de 300 m. Cuando el radio sea superior a dicha cifra se considerarán como tramos rectos. Si la anchura A de la vía de tráfico es menor de 1’5 veces la altura H de montaje, los puntos de luz deberán implantarse en la parte exterior de la curva, situando un punto de luz en la prolongación de los ejes de circulación (Fig. 9 y 10). La separación entre puntos de luz deberá ser tanto menor cuanto mayor sea el radio de curvatura, variando entre 3/4 y 1/2 de la separación media calculada en el tramo recto de dicha vía de tráfico. Para vías de tráfico cuya anchura sea mayor de 1’5 veces la altura H de montaje, la implantación de puntos de luz deberá ser bilateral pareada. En cualquier caso deberá evitarse la distribución a tresbolillo. Acera Calzada

Calzada

Figura 9

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a er Ac Ca lz a da

a er Ac

Figura 10

12.4.2. Implantación de puntos de luz en tramos rectos Para vías de tráfico en tramos rectos se considerarán cinco tipos básicos de distribución de los puntos de luz. 12.4.2.1. Unilateral Cuando los puntos de luz se sitúan en un mismo lado de la vía de tráfico (Fig. 11). Se utilizará generalmente cuando la anchura A de la calzada sea igual o inferior a la altura H de montaje de las luminarias. Acera H Calzada

A

Acera

A S

Figura 11. Implantación unilateral. 12.4.2.2. Bilateral tresbolillo Cuando los puntos de luz se sitúan en ambos lados de la vía de tráfico a tresbolillo o en zigzag (Fig. 12). Se utilizará principalmente cuando la anchura de la calzada A sea de 1 a 1’5 veces la altura H de montaje de las luminarias, considerándose más idóneo el intervalo de 1 a 1’3 H. Acera H

Calzada

A

Acera

A S

Figura 12. Implantación bilateral tresbolillo. 12.4.2.3. Bilateral pareada Cuando los puntos de luz se sitúan en ambos lados de la vía de tráfico, uno opuesto al otro (Fig. 13). Se utilizará normalmente cuando la anchura de la calzada A sea mayor de 1’5 veces la altura H de montaje de las luminarias, considerándose más adecuado utilizarlo cuando la anchura supere 1’3 veces la altura H.

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Acera H

Calzada

A

Acera

A S

Figura 13. Implantación bilateral pareada. 12.4.2.4. Central o axial En las vías de tráfico con mediana de separación entre los dos sentidos de circulación, los puntos de luz se implantarán en columnas o báculos de doble brazo, situados en la mediana central, cuando la anchura de ésta esté comprendida entre 1 y 3 m. (Fig. 14).

Acera Sentido de la circulación

Calzada Mediana

b

Sentido de la circulación

Calzada

Acera Figura 14. Implantación para valores 1 < b < 3 m. Para anchuras de medianas superiores a 3 m. no se utilizarán báculos dobles. En cualquier caso, la disposición se estudiará como si se tratara de dos calzadas independientes, dando lugar a las implantaciones de las figuras siguientes, recomendándose la de la Fig. 15 sobre la Fig. 16, ya que en este caso se puede incitar a los conductores de los vehículos para que circulen permanentemente por el carril de tráfico más próximo a la mediana (carril de la izquierda).


Calzada Mediana Sentido de la circulación

b

Calzada

Acera Figura 15. Implantación para valores de b cualesquiera.

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Calzada Mediana Sentido de la circulación

b

Calzada

Acera Figura 16. Implantación para valores de b > 3m. 12.4.2.5. Catenaria Los puntos de luz se fijan axialmente a los cables longitudinales de la catenaria, tendida entre dos sólidos soportes implantados en la mediana central y situados a una gran distancia uno del otro, del orden de 50 a 100 m. (Fig. 17).

Figura 17. Implantación en catenaria. Este tipo de distribución, tiene el grave inconveniente que los puntos de luz, son fácilmente movidos por la acción del viento, perdiendo parte de su efectividad.

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12.4.2.6. Agrupaciones combinadas También pueden utilizarse diferentes combinaciones de las cinco disposiciones básicas (unilateral, tresbolillo, pareada, central y catenaria). Por ejemplo, en vías de dos calzadas con mediana, suele resultar habitual combinar la implantación central y la bilateral en oposición (Fig.18 y 19).

Acera Calzada de circulación lenta (2 carriles) Sentido de la circulación

Mediana Sentido de la circulación

Calzada de circulación rápida (3 carriles)

Mediana

Calzada de circulación rápida (3 carriles)

Calzada

Sentido de la circulación

Mediana

Calzada de circulación lenta (2 carriles) Sentido de la circulación

Acera Figura 18. Agrupación combinada.

Acera Calzada de circulación lenta Sentido de la circulación

Mediana Sentido de la circulación

Calzada de circulación rápida Sentido de la circulación

Mediana Calzada de circulación lenta Sentido de la circulación

Acera Figura 19. Agrupación combinada.

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12.4.3. Disposición de puntos de luz en alzado Para la disposición en alzado de los puntos de luz, la altura adoptada será la altura H de montaje elegida en los cálculos luminotécnicos. No obstante, existen casos especiales en los que la altura de montaje ha de fijarse en función de otros conceptos, como es el caso de vías de tráfico con arbolado próximo a los márgenes. Si los árboles son de gran porte y se pueden despejar hasta una altura de 8 ó 10 metros, se colocarán las luminarias a dicha altura (Fig. 20).

8 - 10 mts.

Figura 20. Alzado árboles gran porte. Si los árboles son de pequeño porte, se dispondrán las luminarias a una altura de 12 a 15 metros (Fig. 21). En cualquier caso se considera conveniente efectuar periódicamente una poda adecuada de los árboles.

12 - 15 mts.

Figura 21. Alzado árboles pequeños.

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12.4.4. Disposición de puntos de luz en intersecciones 12.4.4.1. Intersecciones en ángulo recto con las dos calzadas iluminadas En este tipo de intersecciones deben diferenciarse dos casos: cuando el tráfico de vehículos en las calzadas no está canalizado (Fig. 22 a 25), y cuando el tráfico de vehículos en una de las calzadas está canalizado mediante isletas direccionales de pequeñas dimensiones y en la otra no (Fig. 26). Cuando el tráfico de vehículos en las calzadas no está canalizado, la solución debe abordarse mediante la combinación de las implantaciones recomendadas para cada tipo de alumbrado (unilateral, al tresbolillo, axial, bilateral, etc.), tal y como se representa en las Fig. 22 a 25.

e

e1' < e1

e1

Los puntos de luz dibujados en la intersección en blanco sirven de base para la implantación del resto.

e' < e

e

e1

e = separación normal e' = separación reducida

Intersección en ángulo recto: Implantación recomendada sobre dos calzadas iluminadas unilateralmente

e1

Figura 22

e' < e

e

e1' < e1

e

e1


Intersección en ángulo recto: Implantación recomendada sobre dos calzadas iluminadas al tresbolillo

Figura 23

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223

e1


e' < e

e

e1' < e1

e

e1


Intersección en ángulo recto: Implantación recomendada sobre dos calzadas iluminadas unilateral y bilateralmente

e' < e

e

e1' < e1

e

e1

Figura 24

e1


Intersección en ángulo recto: Implantación recomendada sobre dos calzadas iluminadas al tresbolillo y bilateralmente

Figura 25 En el segundo caso, cuando el tráfico de vehículos en una de las calzadas está canalizado mediante isletas direccionales de pequeñas dimensiones y en la otra no (Fig. 26), la implantación de los puntos de luz debe comenzar por la calzada dotada de isletas, que se estudiará separadamente. Se iniciará el emplazamiento de los puntos de luz por la intersección, reduciendo la separación entre los mismos y continuando por la calzada con tráfico canalizado, adoptando cada uno de los sistemas de implantación que proceda (unilateral, al tresbolillo, axial, bilateral, etc.). El origen de la ubicación de los puntos de luz del alumbrado de la calzada donde no está canalizado el tráfico mediante isletas se iniciará también en la intersección, ajustando los puntos de luz de acuerdo con los establecidos en la otra calzada, prosiguiendo con la colocación de los puntos de luz que proceda, de conformidad con las

224

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características de la calzada (unilateral, al tresbolillo, axial, bilateral, etc.). Eventualmente, el alumbrado del centro de la intersección podrá reforzarse instalando puntos de luz de mayor potencia, bien adoptando lámparas de mayor potencia o instalando dos luminarias por punto de luz o soporte.

Intersección en "X": Puede ser útil dotar de mayor potencia a los puntos de luz rodeados con un círculo

Figura 26 12.4.4.2. Intersecciones en “T” de dos calzadas iluminadas parcialmente canalizadas Para este tipo de intersecciones (Fig. 27) establece una implantación de puntos de luz recomendada para que los usuarios que llegan de la calzada que se enlaza, vean delante de ellos un fondo iluminado. Esta solución no es la única; también se puede, en función de las condiciones locales, reducir el número de puntos de luz, utilizando otros de mayor potencia y altura de implantación (Fig. 28).

Intersección en "T": Ejemplo de implantación. Las zonas con doble rayado representan el efecto de guiado visual que debe procurar el alumbrado. Puede ser útil dotar de mayor potencia a los puntos de luz rodeados con un círculo

Figura 27.

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225


60 m.

Intersección en "T": Ejemplo de implantación con puntos de luz de mayor potencia y altura de soportes que los de la figura 13.27. Punto de luz de 18 m. con 4 luminarias. Punto de luz de 18 m. con 2 luminarias. Punto de luz de 12 m. con 1 luminaria. Punto de luz de 12 m. con 2 luminarias

Figura 28 12.4.4.3. Intersecciones en “Y” o “T” de dos calzadas totalmente canalizadas En la proximidad de tales intersecciones, generalmente los dos sentidos de circulación de vehículos están separados por isletas direccionales de grandes dimensiones, a lo largo de las cuales la implantación de los puntos de luz es unilateral (Fig. 29). Asimismo, se pueden emplazar puntos de luz más potentes y de mayor altura (Fig. 30).

Intersección en "Y" o "T": Ejemplo de implantación unilateral sobre dos calzadas importantes totalmente canalizadas mediante isletas Figura 29.

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. 50 m

. 50 m

. 50 m

. 50 m

Intersección en "Y" o "T": Ejemplo de implantación unilateral con puntos de luz de mayor potencia y altura que los de la figura 13.29

Figura 30

12.4.5. Vegetación Se requiere entendimiento y cooperación entre la vegetación y la iluminación para que ninguno interfiera en la labor o función que desempeña el otro.

A

Línea de poda

D

Angulo de linea de poda "A"

M

altura de montaje

luminaria

Altura de poda del árbol

70° 75° 80°

M = 0,36 D M = 0,26 D M = 0,17 D

Figura 31

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La selección del tipo de arbusto o árbol ha de basarse en aquellos que dejan libre el espacio suficiente para la iluminación con la mínima interferencia entre ambos. Estas selecciones pueden incluir árboles de formas estilizadas, esféricas o normales. En la mayoría de los casos, un buen servicio de poda puede solucionar cualquier problema entre el arbolado y el alumbrado viario. Hay que destacar que incluso en instalaciones con gran altura de montaje no es necesario podar todos los árboles hasta la altura de la luminaria. Sólo es necesario podar aquellas ramas que caen por debajo del haz luminoso útil (Fig. 31). La frondosidad del arbolado situado entre la luminaria y los objetos, puede servir para recortar y distinguir siluetas de forma intencionada, a la vez que ayuda a reducir el deslumbramiento directo de las luminarias sobre posibles observadores o conductores. Esta ventaja es particularmente importante en carreteras con tráfico local y áreas residenciales, donde se requieren interdistancias relativamente altas, junto con elevadas potencias y ángulos cercanos a la horizontal. 12.4.5.1. Criterios y compromisos de diseño Para minimizar las interferencias de la iluminación con el arbolado, existen cierto tipo de compromisos que pueden aplicarse en los sistemas de alumbrado. A este respecto, se deberán tener en cuenta las posibles variaciones que puedan realizarse en la interdistancia, altura de montaje y situación transversal de los puntos de luz. Tales variaciones generalmente producen a su vez cambios en la distribución luminosa de la instalación de alumbrado. 12.4.5.2. Modificaciones de diseño Sirva como ejemplo de modificación el que todas las luminarias puedan ser montadas sobre brazos largos. Esto generalmente incrementa el coste de instalación, pero mejora la efectividad de la iluminación, evitando o paliando la interferencia con la vegetación.

14 4 6 8 10 12 altura de montaje de la luminaria mts.

Tip Tipo op c il ira índ m idal ida e stre l an cho ch o iram

2

Tipo p

Tipo e sf é ri c o Tipo oval

o ric

Acera

0

2

4

0

Calzada

6

Vuelo de la luminaria mts.

Figura 32 Otra posible modificación de diseño puede ser la suspensión de las luminarias mediante sistemas de catenaria sobre el centro de la calzada. El problema, en este caso, viene dado por el sobrecoste que conlleva la utilización de dos soportes por luminaria. Una desventaja añadida a este sistema consiste en la pérdida de la eficacia que se produce en el alumbrado cuando las luminarias son sometidas a la acción del viento, dado que éste modifica su orientación y, por tanto, su distribución fotométrica. Otra factible variación de diseño consiste en rebajar la altura de instalación de las luminarias por debajo de la vegetación, de forma que también se reduzca la potencia de las lámparas. El problema que plantea es también de

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sobrecoste, puesto que se tiene que disminuir la interdistancia entre luminarias y, por tanto, aumentar su número, con lo que las ventajas desaparecen. También se podrá llevar a cabo una última alteración de diseño, que consiste en el aumento de potencia de las lámparas para así compensar la luz que se ve obstaculizada en su camino hacia la calzada y aceras. Sin embargo, esto supone un claro inconveniente ya que aumenta el deslumbramiento directo de la luminaria y, sobre todo, incrementa el coste energético sin una mejora clara de la uniformidad luminosa. 12.4.5.3. Fundamentos de diseño Cuando se ejecutan variaciones de la interdistancia longitudinal de los puntos de luz, para que no interfieran en el arbolado, se pueden asumir desviaciones de ±10% de la separación calculada con anterioridad, sin tener grandes diferencias en lo que a resultados se refiere. Se podrán admitir diferencias máximas de un 20% de la interdistancia, siempre que no suceda en dos puntos de luz consecutivos. De todas formas, esta variación puede ser comprobada mediante cálculos que indiquen si se verifican todas las exigencias prefijadas anteriormente para las zonas en las que incide la modificación. Cuando se altera la separación de dos o más luminarias consecutivas, se deberá confirmar mediante la variación de otros parámetros, como pueden ser el emplazamiento transversal de los puntos de luz o la altura de implantación de los mismos. La alineación de las luminarias sobre la calzada es un factor básico con respecto a la visibilidad y el aspecto o apariencia de la instalación. Únicamente cuando no sea posible de ninguna otra manera, se instalará una luminaria fuera de la alineación de las restantes. La altura de las columnas o báculos que sustentan las luminarias será seleccionada de forma que se adecue a cada instalación en concreto. Cuanto más altos sean estos soportes, menos problemas se plantearán con la frondosidad de la vegetación, pero también es cierto que probablemente los costes puedan elevarse considerablemente. 12.4.5.4. Datos de diseño Las Fig. 32 y 33 intentan ser una guía práctica cuando se plantean este tipo de dificultades entre la iluminación y la frondosidad del arbolado. Por ejemplo, para la situación transversal de la luminaria para diferentes alturas y tipos de

Tip Tip o o Tip

ic o sfér idal anch o e piram o Tip Tipo índrico o cil Tip iramidal est

Ti

cho ico al an fér mid es pira o c i r índ c il o al est mid ira

p

Tipo Vuelo de la luminaria mts.

Lado calzada

p po

Lado acera

vegetación.

1 2 3 4 5

Dist. de la luminaria al follaje

Figura 33 Aunque la iluminación de la calzada suele presentar interferencias con la vegetación, no se debe pasar por alto la iluminación de las aceras u otras zonas laterales de la calzada. Esto a veces puede resultar casi aún más importante

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que la propia iluminación de la calzada en ciertas zonas residenciales o peatonales. Para resolver este problema se pueden variar tres factores, que son: - La ubicación y altura de implantación de la luminaria. - Una poda correcta y regular. - La adición de un punto de luz exclusivamente para el alumbrado de estas zonas, a una altura más baja que el alumbrado convencional viario

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Capítulo 13.

ILUMINACIÓN DE TÚNELES

13.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 13.2 Iluminación de túneles largos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 13.3 Iluminación de túneles cortos y pasos inferiores . . . . . . . . . . . . . . . . 251 13.4 Alumbrado de emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 13.5 Mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 13.6 Control de encendidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 13.7 Alumbrado noche (zona exterior túnel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 13.8 Diseño del alumbrado de túneles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 13.9 Guiado visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

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Capítulo 13. ILUMINACIÓN DE TÚNELES

13.1. Generalidades La conducción de vehículos a través de los túneles durante las horas diurnas plantea una problemática totalmente diferente a la conducción al aire libre por la noche, que se concreta fundamentalmente en las diferentes existentes entre los elevados niveles de luminancia exteriores y los bajos niveles de luminancia en el interior de los túneles. El problema visual fundamental en un túnel es el de la adaptación del ojo humano desde las elevadas luminancias exteriores durante el día, a las bajas luminancias (prácticamente nulas) que existen en el interior de un túnel, teniendo en cuenta además que, en una determinada distribución de luminancias, no puede verse un obstáculo si su luminancia es muy inferior a la de dicha distribución. Todo lo cual da lugar al denominado “efecto agujero negro” que impide, durante el día, que los conductores vean el interior del túnel cuando se encuentran a una cierta distancia de la boca del mismo. Todo ello considerando que en la mayoría de los túneles, la luz natural diurna solamente penetra, en función de la orientación de los mismos, una distancia del orden de una a tres veces su mayor dimensión transversal. Más allá de dicha distancia las condiciones luminosas existentes son insuficientes para asegurar la visibilidad de eventuales obstáculos, o para el adecuado guiado de los conductores. Desde el punto de vista luminotécnico en los túneles se diferencian las siguientes zonas: de acceso, de entrada constituida por las zonas de umbral y de transición, del interior y, finalmente, de salida (véase Fig. 4). Por razones económicas, no es posible restablecer en la zona de entrada de los túneles condiciones de iluminación idénticas a las existentes durante el día en el exterior (zona de acceso), que puedan alcanzar valores de hasta 100.000 lux. En la zona de umbral situada justo a la entrada del túnel, con una longitud aproximadamente igual a la distancia de seguridad, el alumbrado durante el día debe dimensionarse de forma que asegure una visión suficiente de eventuales obstáculos sobre la calzada, aunque se produzca una primera reducción brusca de los niveles de iluminación existentes en el exterior (zona de acceso), pero que resulta aceptable. En la segunda parte de la zona de umbral se disminuyen progresivamente los niveles de iluminación. En la zona inmediata siguiente o zona de transición, de longitud variable en función de la velocidad de circulación, la instalación de alumbrado debe concebirse para paliar el efecto de adaptación (paso súbito de un nivel de iluminación muy elevado a un nivel bastante bajo) continuando con la disminución paulatina de los niveles de iluminación hasta haber completado el progreso de adaptación del ojo al llegar a la zona del interior, donde se instala un alumbrado con un nivel constante de iluminación. En la zona de salida, con una longitud aproximadamente igual a la distancia de seguridad, debe reforzarse de forma asimismo progresiva el alumbrado elevando los niveles de iluminación, de manera que se facilite a los conductores la adaptación a las condiciones luminosas exteriores. En los túneles bidireccionales el alumbrado en la zona de salida será idéntico al de la zona de entrada.

13.1.1. Problemática visual en los túneles La problemática visual en los túneles comprende los efectos de inducción y adaptación, así como la influencia de las luminancias de velo. Todo lo cual exige tener en cuenta la distancia de seguridad en función de la velocidad del tráfico del túnel. 13.1.1.1. Efecto de inducción La sensibilidad del ojo humano es función de la distribución de luminancias en el campo de visión, y sobre la misma influyen dos fenómenos denominados de inducción y de adaptación. Respecto a la inducción es el efecto producido por la influencia de las partes contiguas de la retina a aquella en la que se forma la imagen del objeto que se está visualizando. Si los ojos del conductor se encuentran en un estado de adaptación a una determinada distribución de luminancias, únicamente puede ver aquellos objetos cuya luminancia sea próxima a la citada distribución. Debido a la adaptación de los ojos del conductor que se aproxima a un túnel a las altas luminancias exteriores diurnas, cuando éste observa la boca o entrada del mismo, la parte de la retina que recibe la imagen del exterior ejerce sobre la otra parte que recibe la imagen de la boca del túnel un efecto de inducción, de forma que la entrada del túnel aparece como un “agujero negro” en el que no se ve ni un solo detalle. El efecto de inducción de lugar a que, en una determinada distribución de luminancias (iluminación natural diurna de la carretera), no pueda verse un objeto si su luminancia es muy inferior a la de dicha distribución (iluminación prácticamente nula de la entrada del túnel), por mucho tiempo que se contemple dicho objeto.

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13.1.1.2. Efecto de adaptación Es el que permite el ajuste de la sensibilidad del ojo humano a un cambio en la distribución de luminancias en el campo de visión. El tiempo que tarda en producirse la adaptación de la sensibilidad del ojo humano al cambio en la distribución de luminancias, se denomina tiempo de adaptación. La adaptación de la sensibilidad del ojo a los cambios rápidos de la distribución de luminancias en el campo visión no es instantánea, por lo que durante un determinado tiempo la capacidad de visión disminuye, llegando a producirse una ceguera momentánea en el caso de un cambio brusco de la distribución de luminancias. Es decir, en algunos supuestos como en el caso de la entrada de túneles, el problema puede ser grave y dar origen a que no pueda realizarse la función visual. 13.1.1.3. Influencia de las luminancias de velo La luz parásita presente sobre el ojo de los conductores (luminancia de velo foveal o de Fry), el estado de la atmósfera (luminancia atmosférica) y los reflejos del parabrisas del vehículo (luminancia del parabrisas), se combinan para formar un velo luminoso que reduce la visibilidad de los obstáculos a la entrada de los túneles. La razón principal de la iluminación de un túnel es asegurar en todo momento la visibilidad de los obstáculos, lo que exige percibir una diferencia entre la luminancia del obstáculo y la luminancia de fondo o de la calzada y paredes del túnel. Por definición, el contraste se expresa de la forma siguiente:

C=

L0 – Lf Lf

donde: L0 = Luminancia del obstáculo. Lf = Luminancia de fondo. El contraste C puede ser positivo o negativo: Si L0 > Lf C > 0

Contraste positivo (obstáculo más claro que el fondo)

Si L0 < Lf C < 0

Contraste negativo (obstáculo más oscuro que el fondo)

En el caso de túneles se deben diferenciar dos tipos de contraste: el denominado intrínseco o físico Cint medido junto al obstáculo y el contraste de retina CR medido desde el ojo del conductor del vehículo. En la Fig. 1 puede comprobarse que el contraste intrínseco Cint se mide junto al obstáculo en (1), mientras que el contraste de retina CR se evalúa desde el ojo del observador en (4), interponiéndose entre ambos contrastes un conjunto de luminancias de velo denominadas atmosférica Latm, de parabrisas Lpb y foveal o de Fry Lv, que dan origen en el ojo del conductor a un deslumbramiento de velo que perturba la visión. Las capas de aire de la atmósfera conteniendo partículas iluminadas por la luz solar dan lugar a la luminancia atmosférica Latm debido a la refracción de la luz en dichas capas de aire de la atmósfera. Depende de las condiciones atmosféricas y de la posición del sol. La luminancia del parabrisas Lpb se produce como consecuencia de la existencia en los vehículos del parabrisas, que provoca efectos de difracción o reflexión según la posición del Sol en el campo visual y el estado, curvatura e inclinación del propio parabrisas. La luminancia de velo foveal o de Fry Lv está causada por la perturbación en la visión que induce una luminancia ajena a la tarea visual a realizar, y que dificulta la percepción de las imágenes de dicha tarea visual, debido al velo luminoso producido en el ojo del conductor a causa de la difracción de la luz en el humor acuoso del globo ocular. Las luminancias de velo atmosférica, de parabrisas y foveal o de Fry que, tal como se representa en la Fig. 1, se interponen entre el obstáculo y el conductor, reducen el contraste intrínseco Cin del obstáculo (CR < Cint) sin cambiar el signo del contraste, disminuyendo la visibilidad de los obstáculos a la entrada de los túneles. Dicha reducción del contraste intrínseco podría ocasionar que no se llegara a asegurar la visibilidad de los obstáculos a la entrada de los túneles, sobre todo en el caso de luminancias de velo fuertes, que podrían obligar a duplicar los valores de luminancia a alcanzar en la zona de umbral del túnel mediante el alumbrado artificial, con la finalidad de

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paliar la reducción del citado contraste y, consecuentemente, la disminución de la visibilidad de los obstáculos por parte del conductor. Por todo ello, el efecto producido por las luminancias de velo se tiene en cuenta a la hora de establecer los niveles de iluminación de la entrada de los túneles. Las luminancias o velos parásitos que caracterizan los efectos del entorno del túnel, del parabrisas y de la atmósfera y que perturban la visión del conductor, son variables según la región y zona donde se encuentra el túnel, así como su orientación, la estación del año, climatología, la hora de la jornada, etc.

4 2

Velo foveal o de Fry

Atmósfera

3 Parabrisas 1

Cint. = LO - Lf Lf

CR = LOR - LfR LfR

Velos parásitos atmosféricos Latm de parabrisas Lpb y de velo foveal o de Fry Lv Figura 1

13.1.1.4. Distancia de seguridad Se define distancia de seguridad (DS) como la distancia necesaria para que el conductor de un vehículo que circula a determinada velocidad, pueda detenerse antes de alcanzar a un obstáculo situado en la calzada. Dicha distancia consta de dos sumandos: el recorrido del vehículo desde el instante en que el conductor divisa el obstáculo hasta que aplica los frenos, y la distancia de frenado propiamente dicha. La distancia de seguridad puede ser calculada de acuerdo con la fórmula siguiente:

DS = RT ·

V0 3’6

+

1 3’62 · g

·

!

v f1 (v) + h

dv

donde: DS = V0

=

Distancia de seguridad (m.). Velocidad de diseño (Km/h.).

RT =

Tiempo de percepción-reacción (s).

f1(v) =

Coeficiente de fricción (longitudinal) dependiente de v.

g

=

Aceleración de la gravedad (9’81 m/s2).

h

=

Inclinación o gradiente de la carretera (%).

Aplicando la formula obtenemos los siguientes ejemplos de distancia de parada “SD” en carreteras planas para retardos de 3,5 a 5 m/s2:

Velocidad de diseño (Km/h)

Ret

120

100

80

70

60

50

DS (carretera húmeda) m.

3,5

230

160

105

90

70

50

5

150

110

75

65

55

40

DS (carretera seca) m.

Tabla 1

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Cuando se aproxima un vehículo a un túnel los efectos de inducción, adaptación y la influencia de las luminancias de velo están íntimamente relacionadas con la distancia a la que el conductor del vehículo se encuentra de la boca de dicho túnel, en la denominada zona de acceso con una longitud aproximadamente igual a la distancia de seguridad (DS, Fig. 4). Cuanto mayor es la velocidad de un vehículo, mayor resulta la distancia de seguridad (DS) y por ello deben tenerse en cuenta algunas consideraciones: - La percepción de un obstáculo es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia de seguridad (DS-2), suponiendo que el contraste es constante. - La luminacia de velo atmosférico Latm es proporcional a la distancia de seguridad (DS). La transmisión atmosférica es Tatm = 10-k·DS. - La velocidad de adaptación visual está relacionada con la velocidad de aproximación del vehículo. Para un conductor en la zona de acceso, cuanto mayor es la velocidad de su vehículo más larga es la distancia desde la boca del túnel hacia el interior en la que el conductor tiene que ver dentro del túnel, lo que supone mayor longitud de la zona umbral a iluminar. Asimismo, a mayores distancias un obstáculo situado en el interior del túnel subtiende un ángulo más pequeño en el ojo del conductor y, por tanto, es menos visible. Además, la capa de aire entre el conductor situado en la zona de acceso y la entrada del túnel es mayor, lo que significa mayor luminancia atmosférica Latm, reducción del contraste intrínseco Cint y, consecuentemente, disminución de la visibilidad de los obstáculos. Todo ello exige mayores niveles de iluminación en la zona de umbral del túnel. En resumen, a mayores velocidades corresponden distancias de seguridad (DS) más largas, lo que entraña mayor longitud de la zona umbral del túnel a dotar de alumbrado, así como más elevados niveles de iluminación en dicha zona y, por tanto, por ambas causas superiores costes económicos.

13.1.2. Sistemas de alumbrado Los sistemas de alumbrado de túneles pueden dividirse en dos familias: simétrico y asimétrico que a su vez comprende el sistema de alumbrado de flujo contrario al sentido de circulación de vehículos, también denominado a “contraflujo” y el sistema de alumbrado a favor de flujo que carece de utilidad práctica y, por tanto, no se considera. El alumbrado de los túneles se caracteriza por el parámetro de calidad de contraste P, también conocido como coeficiente de revelado de contraste qc cuya expresión es la siguiente:

P = qc =

L Ev....

donde: L

=

Ev =

Luminancia de la calzada en cd/m2. Iluminancia vertical del obstáculo en lux a nivel de la calzada en la dirección de la circulación de vehículos, es decir, iluminancia media sobre una superficie vertical perpendicular al eje del túnel y, orientada hacia la entrada.

13.1.2.1. Sistema de alumbrado simétrico El sistema de alumbrado simétrico es un sistema en el que las luminarias tienen una distribución de la intensidad luminosa que es simétrica en relación al plano C 90°/270°, es decir, a un plano perpendicular al eje del túnel, tal y como se representa en la Fig. 2. Los contrastes de los obstáculos pueden ser negativos o positivos, dependiendo de las propiedades de reflexión de la superficie de los mismos. No obstante, con este sistema se pretende asegurar una visión en contraste positivo, es decir, que los obstáculos se destaquen claros sobre el fondo oscuro de la calzada y paredes del túnel.

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El sistema de alumbrado simétrico se utiliza en todos los casos en la zona del interior de los túneles con luminarias dotadas de lámparas fluorescentes convencionales y compactas, de vapor de sodio a alta y baja presión o de descarga por inducción, pudiéndose utilizar la implantación de dicho sistema en la zona de entrada de aquellos túneles que tengan establecida una limitación de la velocidad de aproximación de los vehículos baja. Este sistema permite una buena visibilidad de los obstáculos y ausencia de deslumbramiento, siendo aconsejable fotométricamente que el pavimento de la calzada y las paredes del túnel sean superficies difusoras (factor especular S1 pequeño) y claras (coeficiente de luminancia medio Q0 alto). Por tanto, el pavimento conviene que sea de la Clase R1, R2 ó C1, según recomendaciones de la C.I.E., con alto grado de claridad o luminosidad (Q0 lo más elevado posible).

Figura 2 El dimensionamiento del alumbrado de los túneles, mediante sistema simétrico en la zona de entrada, conduce a niveles de iluminación difíciles de conseguir para velocidades de aproximación de los vehículos superiores a 90 Km/h con luminancias de velo débiles o medias en la zona de acceso, o mayores de 70 Km/h con luminancias de velo fuertes. Cuando se pretenda alcanzar niveles superiores a 200 cd/m2, muy complicados de lograr en la práctica con el sistema simétrico, resulta necesario en dichos casos buscar otras alternativas, bien de limitación en la velocidad de los vehículos o de implantación del sistema de alumbrado a contraflujo en la zona de entrada. 13.1.2.2. Sistema de alumbrado a contraflujo El sistema de alumbrado a contraflujo es un sistema en el que las luminarias tienen una distribución de la intensidad luminosa asimétrica, que está dirigida contra el sentido de la circulación del tráfico de vehículos, tal y como se representa en la Fig. 3. Este sistema de alumbrado favorece la visión de obstáculos por contraste negativo, es decir, que los obstáculos se destaquen oscuros sobre el fondo claro de la calzada y paredes del túnel, debido a que la iluminancia vertical en los planos en que están mirando a los conductores que se aproximan es baja. Esta visión en contraste negativo se logra reduciendo la luminancia del obstáculo (L0), limitando sensiblemente la iluminancia vertical del mismo (Ev), y aumentando la luminancia de la calzada.

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Figura 3 El sistema de alumbrado a contraflujo únicamente se utiliza en la zona de entrada de los túneles. Se recomienda en esta zona cuya limitación de la velocidad de los vehículos es elevada, es decir, a partir aproximadamente de 90 Km/h, dadas las ventajas económicas que en dichos casos representa. Las luminarias se instalan necesariamente encima de los carriles de tráfico y están equipadas normalmente con lámparas de vapor de sodio a alta presión. Debe destacarse que el alumbrado a contraflujo no se implanta en la zona interior de los túneles. Por la propia concepción de este sistema, debe evitarse su utilización en túneles de doble sentido de circulación (bidireccionales), dado que en dicho caso, lo que sería contraflujo para un sentido de circulación determinado, resultaría a favor de flujo para el sentido contrario, con lo que se modificarían las condiciones de visión de los conductores. El sistema de alumbrado a contraflujo crea habitualmente mayor contraste entre el obstáculo y el fondo, pero puede producir un cierto aumento del efecto “agujero negro” reduciendo el confort visual del conductor. Asimismo, este sistema a contraflujo puede no ser apropiado en la entrada de túneles con penetración muy alta de luz diurna, y resulta menos efectivo cuando las intensidades de tráfico sean muy elevadas o se prevea en el tráfico un elevado porcentaje de vehículos pesados. En este sistema de alumbrado, que proporciona una buena visibilidad de los obstáculos, debe limitarse el deslumbramiento controlando la intensidad luminosa emitida por las luminarias, siendo aconsejable fotométricamente la utilización de pavimento especular (factor especular S1 elevado) y claro, es decir, con coeficiente de luminancia medio Q0 alto, pavimentos clase R3, R4 ó C2, según recomendaciones de la C.I.E., con alto grado de claridad o luminosidad (Q0 lo más elevado posible). Además debe limitarse en las paredes del túnel, al menos hasta el nivel de 1 m., una elevada luminancia, con el fin de reducir la iluminancia vertical de los obstáculos (Ev). 13.1.2.3. Coeficiente de revelado de contraste El sistema de alumbrado adoptado bien simétrico o a contraflujo se caracteriza por unos determinados coeficientes de revelado de contraste qc, cuyos valores se incluyen en la Tabla 2.

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COEFICIENTE DE REVELADO DE CONTRASTE Coeficiente de revelado de contraste qc = LIEv

Sistemas de alumbrado Simétrico co

≤ 0,2

Contraflujo

≥ 0,6

Nota: Los sistemas de alumbrado cuyos valores del coeficiente del revleado del contraste está comprendido entre 0,2 y 0,6 no han sido considerados Tabla 2 El valor del coeficiente de revelado de contraste qc = L/Ev está estrechamente ligado a las características intrínsecas del sistema de alumbrado del túnel, a la implantación de las luminarias y a las características reflexivas del pavimento, así como a la contribución fotométrica de las paredes del túnel. Estos valores de la Tabla 2 caracterizan el sistema de alumbrado de los túneles únicamente en mediciones nocturnas, esto es, sin influencia de la luz diurna, que altera los valores del coeficiente de revelado de contraste qc. En mediciones durante el día en la zona de entrada de los túneles y para el sistema de alumbrado simétrico, qc alcanza cifras superiores a 0’2, mientras que en el sistema a contraflujo los valores de qc son inferiores a 0’6. Debido precisamente a esta variación del coeficiente de revelado de contraste qc = L/Ev en medición diurna respecto a medición nocturna, el contraste cambia de signo pasando de contrastes negativos a positivos y viceversa, dando lugar a situaciones de no visibilidad de obstáculos. 13.1.2.4. Sistema de iluminación natural con luz diurna Además de los sistemas de alumbrado artificial y a contraflujo, existe otra alternativa para la iluminación de la entrada de los túneles mediante la adecuada utilización de la luz diurna apantallada proporcionada por paralúmenes o pantallas. Este tipo de iluminación natural debe satisfacer los mismos niveles luminosos que los del alumbrado artificial, siendo los valores del factor k (coeficiente por el que se debe multiplicar la luminancia de la zona de acceso del túnel L20, para obtener la luminancia de la zona de umbral de túnel Lth, es decir, Lth = k · L20), idénticas a las del sistema de alumbrado simétrico. Asimismo, el coeficiente de revelado de contraste qc se determinará en la iluminación natural del mismo modo que para el alumbrado artificial, incluyéndose también en el cálculo la contribución de la luz interreflejada.

13.1.3. Clasificación de túneles El parámetro que permite una clasificación de los túneles es el de sus condiciones geométricas y, en particular, su longitud. Las exigencias de alumbrado para túneles largos y cortos difieren de acuerdo con el grado en el que el conductor de un vehículo que se aproxima puede ver a través del túnel. La capacidad de ver a través del túnel depende fundamentalmente de la longitud del mismo, pero también de otros parámetros de diseño (anchura, altura, curvaturas horizontal y vertical, etc.). 13.1.3.1. Clasificación de túneles largos En lo referente al alumbrado, los túneles largos se clasifican en función de la intensidad, la velocidad y composición del tráfico, el guiado visual y la comodidad en la conducción. 13.1.3.1.1. Factores de ponderación en función de la intensidad de tráfico Existe cierta relación, pero no lineal, entre la intensidad del tráfico y el riesgo de accidentes que puede ser contrarrestado, al menos en parte, aumentando el nivel de iluminación del túnel. El segundo factor a tener en cuenta es que las velocidades elevadas requieren mejor visibilidad y, por ello fundamentalmente, se precisa un nivel de luminancia mayor en la calzada. Tan pronto como se haya decidido dotar de alumbrado un túnel, la velocidad tiene una importancia considerable, debido a su influencia en los requerimientos de la visibilidad. Cuanto mayor es la velocidad, más larga será la distancia de seguridad (DS), lo que obliga a mayores luminancias en la

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zona de umbral del túnel. Considerando que cuando se va a iluminar un túnel, la intensidad de tráfico se define como intensidad horaria, es decir, número de vehículos que circulan por un carril de una vía de tráfico en una hora, los factores de ponderación en función de la intensidad de tráfico se detallan en la Tabla 3.

FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DE LA INTENSIDAD DE TRÁFICO INTENSIDAD DE TRÁFICO (Vehículos/hora por carril) Unidireccional

FACTOR DE PONDERACIÓN

Bidireccional

< 60

< 30

0

60-100

30-60

1

100-180

60-100

2

180-350

100-180

3

350-650

180-350

4

650-1200

35-650

5

> 1200

650-1200

6

> 1200

7

Tabla 3 13.1.3.1.2. Factores de ponderación en función de la composición del tráfico El grado de dificultad de la tarea de conducir un vehículo en una carretera está influido generalmente, tal como se ha indicado, por la velocidad e intensidad de tráfico y, asimismo, por la composición del tráfico y por el trazado de la carretera y su entorno. La composición del tráfico también influye en el diseño del alumbrado de los túneles en varios aspectos: - Porcentaje de camiones. - Presencia/ausencia de motocicletas y/o ciclistas. - Presencia/ausencia de limitación para permitir el tránsito de mercancías peligrosas. El diseño de alumbrado en los túneles ha de ser adaptado a las circunstancias anteriores, requiriéndose mayores niveles luminosos o mejor alumbrado de las paredes o la calzada, cuando las condiciones son más difíciles o más peligrosas. Los factores de ponderación en función de la composición del tráfico son los siguientes:

FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL TRÁFICO COMPOSICIÓN DEL TRÁFICO


Tráfico motorizado

0

Tráfico motorizado (porcentaje de camiones > 15%)

1

Tráfico mixto

2 Tabla 4

13.1.3.1.3. Factores de ponderación en función del guiado visual El conductor de un vehículo debe poseer la información adecuada al circular por el interior del túnel. Esto puede conseguirse dividiendo la superficie longitudinal del túnel en varias superficies de contraste, como por ejemplo utilizando una pared clara y un techo oscuro. El guiado visual es de especial importancia: - Cuando se aproxima el usuario al túnel.

240

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- Especialmente si la cota de la entrada del túnel es baja. Los factores de ponderación en función del guiado visual son los siguientes:

FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DEL GUIADO VISUAL GUIADO VISUAL


Guiado visual bueno

0

Guiado visual pobre

2 Tabla 5

El guiado visual proporcionado por el alumbrado del túnel debe permitir incrementar la visibilidad de la calzada y de la señalización vertical y horizontal, especialmente esta última, instalando asimismo balizamiento (captafaros, hitos, etc.) tanto en la calzada como en las paredes del túnel al objeto de mejorar el guiado visual. En este sentido a la hora de establecer los factores de ponderación en función del guiado visual (Tabla 5), se tendrá en cuenta la instalación adicional de dispositivos retrorreflectantes en las paredes y en la superficie de la calzada, especialmente para los túneles que corresponden a las clases de alumbrado 5, 6 y 7 (Tabla 7). 13.1.3.1.4. Factores de ponderación en función de la comodidad en la conducción La comodidad en la conducción de vehículos en los túneles debe tenerse en cuenta en el alumbrado de los mismos, entendiendo como tal la facilidad y mínimo esfuerzo que deben realizar los usuarios en la conducción de vehículos, debido a la completa información recibida y a la carencia de complejidad en el campo visual. Los factores de ponderación en función de la comodidad en la conducción de vehículos son los siguientes: FACTORES DE PONDERACIÓN EN FUNCIÓN DE LA COMODIDAD EN LA CONDUCCIÓN COMODIDAD EN LA CONDUCCIÓN


Se requiere una baja comodidad

0

Se requiere una comodidad media

2

Se requiere una comodidad elevada

4 Tabla 6

13.1.3.2. Clases de alumbrado para túneles largos Una vez establecidos los factores de ponderación en función de la intensidad y composición del tráfico (Tablas 3 y 4), así como los correspondientes factores en función del guiado visual y de la comodidad en la conducción de vehículos (Tablas 5 y 6), se definen las clases de alumbrado para túneles largos:

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241


CLASES DE ALUMBRADO PARA TÚNELES LARGOS SUMA DE FACTORES


DE PONDERACIÓN 0-3

1

4-5

2

6-7

3

8-9

4

10-11

5

12-13

6

14-15

7 Tabla 7

13.2. Iluminación de túneles largos Las principales características fotométricas necesarias para establecer la calidad del alumbrado de un túnel son las siguientes: - Nivel de luminancia de la calzada. - Nivel de luminancia de las paredes, en particular hasta una altura de 2 m. - Uniformidad de distribución de luminancia en calzada y paredes. - Limitación del deslumbramiento. - Control del efecto Flicker. En la Fig. 4 se ha representado una sección longitudinal de un túnel largo unidireccional interurbano, detallando las longitudes y niveles de luminancia de las diferentes zonas del mismo. La nomenclatura y correspondiente definición de dichos niveles luminotécnicos se concreta a continuación: L20 = Luminancia en la zona de acceso. Lth = Luminancia en la zona umbral. Ltr = Luminancia en la zona de transición. Ln = Luminancia en la zona del interior. Lex = Luminancia en la zona de salida.

Entrada

Salida

Dirección del tráfico

Salida

Entrada

Longitud del túnel

L20 Lth Luminancia

Lex Ltr

Zona de acceso DS

Zona de Zona de umbral transición

Lin

Zona del interior

DS Zona de entrada

DS DS= Distancia de Seguridad Dirección del tráfico

Figura 4

242

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Zona de salida


13.2.1. Luminancia en la zona de acceso La zona de acceso es la parte de la carretera a cielo abierto, situada inmediatamente anterior a la entrada o portal del túnel, que cubre la distancia a la que un conductor que se aproxima debe ser capaz de ver en el interior del túnel. La longitud de la zona de acceso es igual a la distancia de seguridad (DS), tal y como se ha indicado en la Fig. 4. El valor de luminancia necesario al comienzo de la zona de umbral tiene que basarse en el valor de la luminancia en la zona de acceso L20 a una separación delante del túnel igual a la distancia de seguridad (DS). Bajo idénticas condiciones de luz diurnas, los túneles con distintas zonas de aproximación y alrededores (distinta orografía, entorno, etc.) tendrán valores considerablemente diferentes de luminancia en la zona de acceso L20. Para diseñar y proyectar la instalación de alumbrado de un túnel se necesita conocer el valor máximo de L20 que tiene lugar con una frecuencia suficiente durante todo el año, a una separación delante del túnel igual a la distancia de seguridad (DS). Como en la mayoría de los casos este valor L20 depende de las condiciones estacionales y del tiempo meteorológico, se utilizan dos métodos empíricos simplificados para la evaluación de L20. A continuación exponemos dos métodos para calcular la luminancia en la zona de acceso. Método de aproximación Como su propio nombre indica este método da solamente una indicación aproximada, y únicamente debe utilizarse cuando no exista información suficientemente detallada acerca de los alrededores inmediatos de la boca de entrada del túnel. Este método consiste en la elección de la luminancia de la zona de acceso mediante la Tabla 8 expresada en Kcd/m2 (103 cd/m2).

TABLA A LUMINANCIA MEDIA DE LA ZONA DE ACCESO L20 (Kcd/m2) PORCENTAJE DE CIELO (%) EN LOS CAMPOS DE VISIÓN CÓNICOS A 20° 35% TIPOS DE VÍAS

NORMAL B

Situación de brillo en el campo de visión

NIEVE B

(1)

Distancia de seguridad 60 m Distancia de seguridad 100 a 160 m

A

A

NORMAL B

(1)

(4) 4

25%

4

NIEVE B

(1)

(4) 6

A

6

10% NORMAL

A

B

(1)

A

NIEVE B

(2)

4

5

4

5

4

6

4

6

2,5 3,5 3

4,5

0% NORMAL

A (3)

3 3

B

A (2)

3,5 1,5 5

2,5

NIEVE B

A (3)

3

1,5

4

5

2,5

5

Siendo: 1) Efecto dependiente fundamentalmente de la orientación del túnel: «B»: Bajo; En el hemisferio norte: «entrada sur». «A»: Alto; En el hemisferio norte: «entrada norte». Para entradas este y oeste deben elegirse valores intermedios entre bajo y alto. 2) Efecto dependiente fundamentalmente del brillo de los alrededores: «B»: Bajo; Reflectancias de los alrededores bajas. «A»: Alto; Reflectancias de los alrededores altas. 3) Efecto dependiente fundamentalmente de la orientación del túnel: «B»: Bajo; En el hemisferio norte: «entrada norte». «A»: Alto; En el hemisferio norte: «entrada sur». Para entradas este y oeste deben elegirse valores intermedios entre bajo y alto. 4) Para una distancia de parada de 60 m no se encuentran en la práctica porcentajes de cielo del 35$. Notas: La «entrada norte» significa la entrada para conductores de vehículos viajando hacia el sur. La «entrada sur» expresa la entrada pra conductores de vehículos viajando hacia el norte.

Tabla 8 Método exacto La luminancia de la zona de acceso L20 es la luminancia media contenida en un campo cónico de visión que subtiende un ángulo del 20%, con el vértice en la posición del ojo del conductor, situado a una distancia anterior al túnel igual a la distancia de parada, y orientado el cono hacia el portal de túnel sobre un punto situado a una altura de 1/4 de la boca del túnel.

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243


La determinación de la luminancia de la zona de acceso L20 tiene una gran transcendencia, ya que es la que predetermina el nivel a obtener mediante el alumbrado en la zona umbral. Dicha luminancia de la zona de acceso depende de las condiciones atmosféricas del lugar donde está situado el túnel. El cálculo de la luminancia de la zona de acceso L20 se obtiene a partir de un croquis de los alrededores de la zona del túnel y se utiliza la fórmula siguiente: L20 = a * Lc + b * LR + c * LE + d * Lth en donde: a

=

% de cielo.

Lc

=

Luminancia de cielo.

b

=

% de carretera.

LR

=

Luminancia de carretera.

c

=

% de entorno.

LE

=

Luminancia del entorno.

d

=

% de boca de túnel.

Lth =

Luminancia de zona de umbral.

con:

a+b+c+d=1

En la fórmula la incógnita a determinar es el valor de la luminancia de la zona de umbral (Lth). Cuando nos encontramos con distancias de paradas superiores a 100 m. el tanto por ciento de boca de entra de túnel es bajo (< al 10%) y como Lth tiene también un valor bajo respecto a los otros valores de luminancia se puede despreciar la contribución de Lth. Para una distancia de parada de 60 m., la norma establece: L20 = (a * Lc + b * LR + c * LE) / (1 / K) como K nunca excede de 0,1 tenemos: L20 = a * Lc + b * LR + c * LE siendo a + b + c < 1. Si no se dispone de los datos para conocer exactamente el valor de “a, b, c y d” utilizamos los definidos en los siguientes esquemas. Si no disponemos de valores de entornos o alrededores utilizamos los siguientes:

Sentido

Cielo

Carretera

Entorno

de

(Lc)

(LR)

(LE)

conducción

Kcd/m

2

Kcd/m

2

Rocas

Kcd/m2 Edificios

Nieve

Hierba

N

8

3

3

8

15 (M, H)

2

E-O

12

4

2

6

10 (M)

2

15 (H) S

16

5

1

4

5 (M)

2

15 (H) Tabla 9 De esta tabla obtenemos el valor de “L” y para realizar la definición del % de cielo que contribuye al valor L20 en la instalación objeto estudio, utilizamos la Fig. 5.

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Distancia de seguridad 160 m. Cielo 35%







Distancia de seguridad 100 m. Cielo 4% Figura 5

13.2.2. Iluminación en la zona de entrada Tal y como se representa en la Fig. 4, la entrada del túnel consta de dos tramos consecutivos: la zona de umbral, que es

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245


la más próxima a la boca del mismo y la zona de transición. 13.2.2.1. Niveles de iluminación en la zona de umbral La zona de umbral es la primera parte del túnel ubicada directamente después del portal, comenzando, por tanto, en la boca del mismo. El nivel de luminancia Lth (luminancia media en servicio de la superficie de la calzada con mantenimiento de la instalación), que debe ser proporcionado por el alumbrado durante el día al comienzo de la zona de umbral, es un porcentaje de la luminancia de la zona de acceso L20, de forma que se verifica: Lth = k · L20 El factor k se establece en la Tabla 10 teniendo en cuenta el sistema de alumbrado adoptado (contraflujo o simétrico), la distancia de seguridad (DS) y la clase de alumbrado definido en la Tabla 7 en función de los factores de ponderación (intensidad y composición del tráfico, guiado visual y confort en la conducción de vehículos).

VALORES DE k · 103 PARA LA ZONA DE UMBRAL SISTEMA DE

CONTRAFLUJO

SIMÉTRICO

Distancia de Seguridad (DS)

Distancia de Seguridad (DS)

ALUMBRADO Clase de alumbrado

60 m

100 m

160 m

60 m

100 m

160 m

1

10

15

30

15

20

35

2

15

20

40

20

25

40

3

20

30

45

25

35

45

4

25

35

50

30

40

50

5

30

40

55

35

50

65

6

35

45

60

40

55

80

7

40

50

70

50

60

100

Notas: Para distancias de seguridad o de parada (DS) comprendidas entre las señaladas (60-100 y 160 m), los valores del factor (k) se obtienen por interpolación lineal entre las cifras establecidas en la talba. Los valores del factor (k) para el sistema de alumbrado a contraflujo se han determinado para garantizar, en la mayor parte de las circunstancias, un grado de seguridad y comodidad la menos comparable al logrado con el sistema de alumbrado simétrico. Las distancias de seguridad o de para de 60, 100 y 160 m equivalen respectivamente a velocidades de diseño del túnel de 60, 80 y 100 km/h.

Tabla 10 13.2.2.2. Longitud de la zona de umbral La longitud de la zona de umbral debe ser como mínimo igual a la distancia de seguridad (DS). En la primera mitad de dicha distancia (DS), la luminancia en la calzada será igual a Lth, es decir, el valor al comienzo de la zona de umbral. A partir de la mitad de la distancia de seguridad (DS), la luminancia de la calzada puede disminuir gradual y linealmente hasta un valor, al final de la zona de umbral, igual a 0’4 · Lth (Fig. 6). La reducción gradual en la segunda mitad de la zona de umbral puede realizarse de forma escalonada, de manera que la relación entre escalones no exceda de la relación 3:1 y la luminancia no caiga por debajo de los valores correspondientes a la disminución gradual lineal. 13.2.2.3. Luminancia de las paredes La luminancia media de las paredes en la zona de umbral, hasta una altura de 2 m., debe ser similar a la luminancia media de la superficie de la calzada. 13.2.2.4. Luminancia y longitud de la zona de transición La zona de transición es la parte del túnel que sigue a la zona de umbral, tal y como se indica en la Fig. 4. Por tanto, comienza al final de la zona de umbral y termina al inicio de la zona del interior.

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REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL NIVEL DE ILUMINACION EN LAS DISTINTAS ZONAS 0,5 DS

L% 100 80 60

Lth Ltr = Lth(1,9 + t)-1-428 Ltr = Lth(1,9 + t)-1-428 con Lth = 100% y t = tiempo en segundos

40

20 10 8 6 4

2 t. sec.

1

0

2

4

6

8 10 12 Zona de transición

Zona de umbral Distancia de Seguridad (DS)

14

16

18

20

60 Km./h 100 m.

200 m.

300 m. 80 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m. 100 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m.

500 m. 120 Km./h

100 m.

200 m.

300 m.

400 m.

500 m.

600 m.

Luminancia mínima en la zona de entrada. El valor de 100% corresponde a la primera mitad de la zona de umbral

Figura 6 De conformidad con la Fig. 6, la longitud de la zona de transición es la distancia que debe recorrer un vehículo para pasar, adoptándose visualmente, desde el nivel de luminancia del final de la zona de umbral, hasta el valor de la luminancia en el comienzo de la zona del interior. En consecuencia, para cada velocidad del vehículo la reducción permisible de la luminancia en la zona de transición Ltr, es función de la distancia recorrida en la mencionada zona. La luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación de la zona de transición Ltr disminuye gradualmente, desde la luminancia de la zona de umbral hasta la luminancia de la zona del interior. En cualquier posición en la zona de transición, la luminancia de la superficie de la calzada debe ser igual o exceder a la luminancia establecida en la Fig. 6. La curva de la Fig. 6 es el resultado de numerosas pruebas experimentales en función de la adaptación del ojo desde altos niveles de luminancia a valores muy bajos que han dado lugar a una aproximación matemática que responde a la siguiente expresión: Ltr = Lth · (1’9 + t)-1’428 siendo: t = tiempo en segundos. En la práctica, el descenso de la luminancia en la zona de transición puede llevarse a cabo mediante una serie de escalones que deben ser menores que la relación 3:1 y la luminancia no puede alcanzar valores inferiores a los de la curva de la Fig. 6, alcanzándose el final de la zona de transición cuando su luminancia es igual a tres veces el nivel de la zona del interior del túnel. Se deberá cumplir además que la luminancia media de las paredes del túnel hasta una altura de 2 m., en cualquier posición específica de la zona de transición, no debe ser menor que la luminancia media de la calzada en dicho lugar.

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13.2.3. Iluminación de la zona del interior La zona del interior es la parte del túnel que sigue directamente a la zona de transición. Su longitud viene dada por la distancia existente entre el final de la zona de transición y el comienzo de la zona de salida. Los niveles de la luminancia Lin de la zona del interior del túnel, que son constantes a lo largo de dicha zona, puesto que ha finalizado la adaptación del ojo desde los altos valores luminosos del exterior, se establecen en la Tabla 11 en función de la distancia de seguridad (DS) y de la clase de alumbrado definido en la Tabla 7. Hasta una altura de 2 m., las paredes del túnel deben tener una luminancia media similar a la luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación Lin. El nivel de luminancia en la zona del interior del túnel debe permitir alcanzar los siguientes objetivos: - Visibilidad de cualquier obstáculo eventual sobre la calzada a una distancia como mínimo igual a la distancia de seguridad, teniendo en cuenta la opacidad de la atmósfera del túnel debido a los gases de escape de los vehículos. - Guiado sin ambigüedades de los vehículos. - Buena calidad del ambiente luminoso, cuyo efecto psicológico es importante sobre todo en los túneles muy largos. Se debe señalar que los niveles de la zona del interior se consiguen en toda la longitud del túnel, igualmente en las denominadas zonas de refuerzo del alumbrado (zona de entrada y, en su caso, de salida), donde a esta iluminación se le denomina alumbrado base.

LUMINANCIAS EN cd/m2 EN LA ZONA DEL INTERIOR SISTEMA DE

DISTANCIA DE SEGURIDAD (DS)

ALUMBRADO

60 m

100 m

1

0,5

2

3

2

1,5

2

4

3

2,5

3

5

4

2,5

3

6

5

2,5

4

6

6

3,5

5

8

7

3,5

6

10

160 m

Tabla 11

13.2.4. Iluminación de la zona de salida La zona de salida es la parte del túnel en la que, durante el día, la visión del conductor está influida predominantemente por la elevada luminancia exterior del túnel. La zona de salida comienza al final de la zona del interior y termina en la boca de salida del túnel. En la zona de salida del túnel debe establecerse un nivel de luminancia Lex en la calzada, para iluminar directamente los vehículos, de forma que los más pequeños resulten visibles en la zona de salida del túnel, dado que sin reforzamiento del alumbrado por encima de los niveles de la zona del interior Lin, permanecerían ocultos detrás de los vehículos grandes, debido al deslumbramiento originado por la luz diurna de salida del túnel. Asimismo, dicha luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación Lex de la zona de salida del túnel, posibilita a los conductores de los vehículos que están saliendo del mismo tener suficiente visión, a través de los espejos retrovisores, de la parte posterior o trasera del vehículo, particularmente cuando la distancia entre vehículos sea corta (intensidad de tráfico elevada). Todo ello, aún teniendo en cuenta que pasar de una luminancia interior Lin débil a una luminancia en el exterior del túnel elevada, la adopción del ojo del conductor es muy rápida y en general no plantea problemas para el usuario. Sin embargo, en los túneles largos unidireccionales cuya clase de alumbrado sea 6 y 7, de acuerdo con lo dispuesto en la Tabla 7, la luminancia en la zona de salida Lex deberá aumentar linealmente a lo largo de una longitud como mínimo igual a

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la distancia de seguridad (DS), a partir de la luminancia de la zona del interior, a un nivel 5 veces superior al de la zona del interior (Lex = 5 · Lin) a una distancia de 20 m., antes de llegar a la boca o portal de salida del túnel. El aumento lineal de la luminancia podrá realizarse escalonadamente de forma que la relación entre escalones no exceda de la relación 3:1 en una longitud, como mínimo, igual a la distancia de seguridad (DS). En los casos de túneles unidireccionales cuyas clases de alumbrado sean 1 a 5 ambas inclusive, la zona de salida tendrá la misma luminancia que la zona del interior del túnel (Lex = Lin), no requiriéndose alumbrado adicional sobre el previsto en la zona del interior. No obstante, con independencia de la clase de alumbrado que corresponda al túnel, en ciertos casos particulares de túneles unidireccionales, donde existan serios riesgos de molestia y deslumbramiento a la salida, debido por ejemplo a la orientación del túnel o a las incomodidades ocasionadas por la salida y ocaso del Sol, deberá reforzarse el alumbrado de la zona de salida del túnel en las condiciones establecidas para los de clase de alumbrado 6 y 7.

13.2.5. Uniformidad de la luminancia de la calzada En los túneles, la calzada y las paredes actúan como delimitadores o guías visuales para el tráfico de vehículos, de ahí que deba alcanzarse una buena uniformidad en la calzada y en las paredes de los túneles hasta una altura de 2 m. En la Tabla 12 se establecen los valores mínimos en servicio con mantenimiento de la instalación de la uniformidad global y longitudinal de luminancias en las calzadas de los túneles, en todas sus zonas, es decir, en la longitud total de los mismos y la anchura completa de la calzada, en función de la clase de alumbrado.

UNIFORMIDADES DE LUMINANCIA DE LA SUPERFICIE DE LA CALZADA CLASE DE

UNIFORMIDADES

ALUMBRADO

Global U0

Longitudinal U1

1-2-3

0,3

0,5

4-5-6-7

0,4

0,6

Tabla 12

13.2.6. Limitación del deslumbramiento Dado que el deslumbramiento reduce la visibilidad, es muy importante minimizarlo en el alumbrado de túneles. El deslumbramiento perturbador, definido como el incremento de umbral de contraste (TΙ) necesario para ver un obstáculo cuando hay deslumbramiento, se especifica mediante las siguientes expresiones: TI = 65 · TI = 95 ·

LV

· (Lm) 0,8 LV

· (Lm) 1,05

en % para 0’05 [ Lm [ 5

cd/m2

en % para Lm > 5

cd/m2

donde: TI = Incremento de umbral correspondiente al deslumbramiento perturbador. Lv = Luminancia de velo total en cd/m2. Lm = Luminancia media de la calzada en cd/m2. El incremento de umbral (TI) debe ser menor del 15% para las zonas de umbral, de transición y zona interior durante el día, y para todas las zonas durante la noche. Para la zona de salida durante el día no existe limitación en el deslumbramiento perturbador.

13.2.7. Control del efecto Flicker La sensación de parpadeo o efecto Flicker es la impresión molesta e incómoda producida por las variaciones periódicas de la luminancia en el campo de visión. Tales sensaciones se experimentan cuando se conduce un vehículo a través de cambios periódicos espaciales de luminancia, como los producidos por las luminarias instaladas en las paredes o techos de los túneles cuando existe una separación inadecuada entre las mismas, con una elevada velocidad de cambio en la distribución de la

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intensidad luminosa. La incomodidad visual experimentada por el conductor debida al parpadeo o efecto Flicker depende fundamentalmente de los siguientes factores: - Número de cambios de la luminancia por segundo (frecuencia de parpadeo o Flicker). - Duración total del efecto Flicker. - Velocidad de cambio de claro a oscuro, en un solo ciclo. - Relación de pico-luz a valle-oscuridad, dentro de cada periodo (profundidad de modulación de luminancia). La influencia de los tres primeros puntos, dependen de la velocidad del vehículo y de la separación entre luminarias; el último punto depende también de las características fotométricas (distribución de la intensidad luminosa) e interdistancia entre luminarias. Cuando la distancia entre los extremos de las luminarias adyacentes es inferior a la longitud de una sola luminaria, el tercer punto relativo a la velocidad de cambio de claro a oscuro queda minimizado, y el parpadeo o efecto Flicker percibido resulta despreciable, debido a que la implantación de la instalación de alumbrado puede asimilarse a una línea continua. Para calcular la frecuencia de parpadeo o Flicker en una zona del túnel, se divide la velocidad del tráfico en metros/segundo por la separación entre luminarias en metros. Ejemplo: v = 60 Km/h. = 16’6 m/s. Separación entre luminarias = 4 m. Frecuencia de parpadeo o Flicker = 16’6 / 4 4’2 Hz. Deben evitarse frecuencias de parpadeo o Flicker (variación de la luminancia), comprendidas entre 2’5 Hz. y 15 Hz. a la velocidad de circulación durante más de 20 segundos, dado que el efecto de parpadeo puede despreciarse para frecuencias por debajo de 2’5 Hz. y por encima de 15 Hz.

13.2.8. Alumbrado nocturno Si el túnel se encuentra en un tramo de carretera iluminado, el alumbrado nocturno del túnel debe ser al menos igual al de la carretera de acceso, recomendándose de 1’5 a 2 veces los valores del tramo exterior, en lo que respecta al nivel de luminacia de la superficie de la calzada. Las uniformidades de luminancia por la noche deberán satisfacer las mismas exigencias que en el caso del alumbrado diurno, ajustándose, por tanto, a los valores mínimos establecidos en la Tabla 12. Todo lo anterior será igualmente de aplicación para túneles de 100 m. de longitud que no estén iluminados durante el día. En el caso de túneles que se encuentran situados en una sección de carretera que no está iluminada, además de instalar alumbrado en el túnel de acuerdo con lo establecido en el párrafo anterior, la vía posterior a la salida del túnel debe iluminarse en una longitud igual a 2 veces la distancia de seguridad (DS) y como mínimo en un recorrido de 200 m., con una luminancia media superior a 1/3 de la luminancia de la calzada en la zona de salida del túnel. El alumbrado nocturno en los tramos de paralúmenes o pantallas para luz diurna en la zona de entrada y/o salida del túnel, será igual al de la zona del interior del túnel. En el supuesto de que por razones de seguridad se instale y funcione un sistema de vigilancia del tráfico de vehículos mediante cámaras de televisión, el nivel nocturno mínimo será de 1 cd/m2. Para el alumbrado nocturno general de todas las zonas del túnel, el valor mínimo en servicio con mantenimiento de la instalación de la luminancia media de la calzada será establecido en la Tabla 13.

LUMINANCIAS EN cd/m2 DEL ALUMBRADO NOCTURNO CLASE DE ALUMBRADO

LUMINANCIA MEDIA cd/m2

1-2

0,5

3-4-5-6-7

1,0 Tabla 13

250

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13.3. Iluminación de túneles cortos y pasos inferiores Los túneles cortos y los pasos inferiores presentan la disyuntiva de dotarlos o no de alumbrado diurno. Una vez resuelto el dilema en el sentido de requerir dicha instalación, debe decidirse el tipo de alumbrado diurno a implantar, bien limiyado, completo o de las mismas características que los túneles largos. El factor crítico para establecer alumbrado diurno viene determinado por la certeza o no de que, los conductores de los vehículos que se aproximan al túnel y se encuentran a una distancia igual a la de seguridad (DS), vean los vehículos y, en su caso, los peatones que atraviesan el mismo. Asimismo, la exigencia de alumbrado artificial diurno está relacionada con el grado en el que la salida del túnel corto o paso inferior es visible para un conductor situado enfrente de la entrada, a la distancia de seguridad (DS), es decir, la visión a través de túnel que depende de los siguientes factores: - Longitud del túnel. - Existencia de curvas en su interior. - Presencia de pendientes o rampas en el túnel.

Figura 7. Vista de un túnel corto con un marco o fondo oscuro. Los pasos inferiores y túneles cortos menores de 25 metros de longitud, normalmente no requieren la instalación de alumbrado diurno. Cuando la longitud del túnel corto es algo superior a 25 metros, el fondo oscuro constituido por las paredes y techo del túnel, así como por la propia calzada, puede ocultar la visión de los vehículos y, en su caso, de los peatones que lo atraviesan (véase Fig. 7), lo que impide su percepción. En este caso debe instalarse alumbrado diurno en el túnel o paso inferior.

13.3.1. Diagramas guía para túneles cortos Con la finalidad de proporcionar una guía que permita ayudar en la decisión de instalar o no alumbrado diurno en los túneles cortos y pasos inferiores, así como en su caso, optar por el tipo de alumbrado diurno a implantar, se establece una clasificación de cuatro tipo de túneles cortos para cada uno de los cuales se detalla un diagrama guía. Túneles cortos tipo A – Tabla 14. Túneles situados en entornos urbanos o periurbanos en vías de tráfico (excluidas autopistas y autovías), frecuentemente dotadas de alumbrado público y cuya velocidad de circulación está limitada entre 40 y 60 Km/h.

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Longitud (m)

< 25

¿Salida visible?

—

Alumbrado requerido

25 a 75

75 a 125

SI

NO

No se requiere alumbrado diurno

SI

> 125 NO

Alumbrado diurno limitado

—

Alumbrado de túnel largo

Alumbrado diurno de túneles tipo A, urbanos o periurbanos cortos (excluidas autopistas y autovías), con velocidad de circulación limitada entre 40 y 60 km/h. Tabla 14 Túneles cortos tipo B – Tabla 15. Túneles interurbanos bidireccionales, considerando un volumen de tráfico denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 5.000 (IMD > 5.000).

Longitud (m)

0 a 80

¿Salida visible?

—

Velocidad ≤ 80 Km/h

—

SI

NO

SI

NO

—

—

Volúmen de tráfico

—

—

Ligero Denso

—

Ligero Denso

—

—

Alumbrado requerido

81 a 120

121 a 150

SI

NO


SI


> 150

NO

Alumbrado diurno completo

—


Alumbrado diurno de túneles tipo B, urbanos bidireccionales cortos (volumen de tráfico denso cuando IMD > 5.000). Tabla 15 Túneles cortos tipo C – Tabla 16. Túneles interurbanos unidireccionales (autopistas y autovías), estimando un volumen de tráfico denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 10.000 (IMD > 10.000).

Longitud (m)

0 a 100

100 a 150

¿Salida visible?

—

Velocidad ≤ 80 Km/h

—

SI

NO

Volúmen de tráfico

—

—

Ligero Denso

Alumbrado requerido

SI

151 a 200 NO


SI

SI

NO

—

Ligero Denso


> 200

NO —

— —

—

—



Alumbrado diurno de túneles tipo C, urbanos unidireccionales cortos de autopistas y autovías (volumen de tráfico denso cuando IMD > 10.000). Tabla 16 Túneles cortos tipo D – Tabla 17. Túneles interurbanos con tráfico de baja velocidad (límite de velocidad considerablemente menor de 80 Km/h.), y un volumen de tráfico notablemente inferior a una intensidad media diaria de 5.000 vehículos (IMD < 5.000).

Longitud (m)

0 a 100

¿Salida visible?

—

Alumbrado requerido

101 a 150 SI

151 a 200 NO


SI


> 200 NO

—



Alumbrado diurno de túneles tipo D, interurbanos cortos con tráfico de baja velocidad (menor de 80 Km/h) y volumen de tráfico inferior a a 5.000 vehículos (IMD < 5.000). Tabla 17

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Para cada tipo de túnel corto en los diagramas guía y en su parte izquierda, se hacen constar las cuatro cuestiones siguientes: longitud, visibilidad de la salida, velocidad y volumen de tráfico. - Longitud (m): Se establecen para cada diagrama guía cuatro órdenes de longitudes de túneles cortos o pasos inferiores, expresadas en metros. - ¿Salida visible?: En cada diagrama guía se considera, cuando el conductor del vehículo que se acerca al túnel y se encuentra, como mínimo, a una distancia igual a la de seguridad (DS) antes de la entrada del mismo, si es o no visible la salida del túnel o paso inferior. - Velocidad [ 80 Km/h: En los diagramas guía 2 y 3, correspondientes a los túneles tipo B y C, se contempla si la velocidad de diseño del túnel o paso inferior es mayor o menor que 80 Km/h. La velocidad de diseño es muy importante en relación a la distancia de seguridad (DS), así como respecto al riesgo de accidentes y a la gravedad de los mismos. - Volumen de tráfico: Se tiene en cuenta en los diagramas guía 2 y 3 el volumen de tráfico, que puede clasificarse en ligero y denso. En el diagrama 2 correspondiente a túneles cortos tipo B (interurbanos bidireccionales), se valora que el volumen de tráfico es denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 5.000 (IMD > 5.000). En el diagrama 3, que hace referencia a túneles cortos tipo C (interurbanos unidireccionales de autopistas y autovías), se estima que el volumen de tráfico es denso cuando la intensidad media diaria de los vehículos que circulan es superior a 10.000 (IMD > 10.000). Se establecen 4 diagramas que constituyen una guía que tiene un carácter orientativo, y proporciona una ayuda para decidir si el túnel corto o paso inferior necesita o no dotarse de alumbrado diurno, y si lo precisa, se detalla que tipo de alumbrado debe adoptarse. Si, por ejemplo, se presenta el caso de un túnel corto de 120 metros de longitud, situado en una carretera interurbana con tráfico de baja velocidad (v < 60 Km/h.) y con una intensidad media diaria IMD < 3.000, y se necesita decidir si debe dotarse o no de alumbrado diurno y, en el caso de requerirlo se precisa determinar el tipo de alumbrado a instalar, la forma de operar es la siguiente: Siguiendo el diagrama guía nº 4, se sitúa el túnel dentro del intervalo de longitudes que le corresponden, es decir, entre 101 y 150 metros. Se contesta la segunda cuestión ¿salida visible?. En caso afirmativo, de acuerdo con el diagrama 4, no se requiere alumbrado diurno. Si la respuesta es negativa, debido a la existencia de curvas o pendientes en el interior del túnel, se instala alumbrado diurno limitado. En el supuesto del mismo túnel corto pero con una longitud de 170 metros, de conformidad con el diagrama 4, las dos únicas alternativas en el caso de que la salida del túnel sea o no visible, son respectivamente la instalación de alumbrado diurno limitado o diurno completo. Los diagramas constituyen una guía práctica que, en cada caso concreto, deberá ser adaptada al tipo de carretera teniendo en cuenta: - La configuración real del túnel y de su carretera de acceso y salida. - El volumen y la composición de tráfico bien motorizado o mixto que incluye vehículos pesados y ligeros, ciclistas, peatones, etc. Además de considerar a título orientativo los diagramas guía, para el diseño, funcionamiento y mantenimiento del alumbrado de túneles cortos y pasos inferiores, se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones técnicas y económicas: - Efectuar un análisis cuidadoso del riesgo de accidentes y de la seguridad en relación a la iluminación (calidad y cantidad). - Estudiar la señalización conveniente frente a la entrada del túnel, especialmente en lo relativo a la velocidad límite, encendido de los faros de los vehículos, etc.

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- Realizar un examen meticuloso de los costes de instalación y explotación anual del alumbrado, incluidos los costes de funcionamiento, mantenimiento y trabajos de reparación en relación a la seguridad y comodidad proporcionada por dicha instalación (binomio coste/beneficio).

13.3.2. Tipos de alumbrado en túneles cortos Tal y como se ha establecido en los cuatro diagramas guía, además de alumbrado de noche, las situaciones que se pueden presentar para el alumbrado diurno en túneles cortos son las siguientes: - Sin exigencia de alumbrado. - Alumbrado diurno limitado. - Alumbrado diurno completo. 13.3.2.1. Sin exigencia de alumbrado diurno Cuando las exigencias de alumbrado para túneles cortos no son importantes y, por tanto, no se requiere alumbrado diurno. 13.3.2.2. Alumbrado diurno limitado Se denomina así dado que está en funcionamiento solamente durante una parte del tiempo, es decir, únicamente se encuentra en servicio el alumbrado diurno durante periodos en los que la penetración de la luz solar diurna no proporciona un fondo de luminancia suficientemente elevada, para permitir que actúe el efecto silueta. Tales condiciones pueden plantearse después del crepúsculo, antes del amanecer y en días nublados. En el alumbrado diurno limitado, la luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación será 3 veces la luminancia de la zona del interior del túnel (3.Lin), de acuerdo con lo establecido en la Tabla 11, ó de 15 cd/m2, debiéndose adoptar la mayor cifra de las dos. Por la mañana, el alumbrado diurno limitado deberá encenderse media hora después de la salida del Sol y apagarse cuando la luminancia en la zona de acceso L20 sobrepase las 150 cd/m2 (L20 > 150 cd/m2). Por la tarde, se encenderá cuando la luminancia en al zona de acceso L20 descienda por debajo de 150 cd/m2 (L20 < 150 cd/m2) y se efectuará el apagado media hora antes de la puesta de Sol. 13.3.2.3. Alumbrado diurno completo El alumbrado diurno completo es el que está en funcionamiento durante el periodo diurno total. Básicamente los túneles cortos que se asemejan a túneles largos deben ser iluminados como éstos últimos. En consecuencia, el alumbrado diurno completo será constante a lo largo de toda la longitud del túnel, con los niveles de luminancia requeridos en la zona de umbral de los túneles largos, deducidos del factor k establecido en la Tabla 10, de conformidad con la clase de alumbrado que le corresponda (Tabla 7). 13.3.2.4. Alumbrado de noche Para túneles cortos o pasos inferiores, mayores de 25 m., en los que las carreteras de aproximación están iluminadas, se requiere la instalación de alumbrado nocturno. El nivel de luminancia media en servicio de la calzada con mantenimiento de la instalación será, al menos igual, pero no mayor de 2 veces la luminancia de la carretera de aproximación.

13.4. Alumbrado de emergencia En este punto la norma establece que cuando el túnel sufra un fallo de alimentación de corriente se debe disponer de un sistema de alimentación de emergencia y un sistema de alumbrado de emergencia. El alumbrado de emergencia debe cubrir la longitud total del túnel y el nivel de luminancia de ser al menos del 10% de la luminancia interior ó 0,2 cd/m2 (se elige el mayor). En los túneles de clase de iluminación de 3 ÷ 7, se requiere un sistema de alumbrado para el guiado de emergencia contra incendio

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(se precisa siempre que desde cualquier posición no es visible al menos una salida). La situación de estas luminarias será en la pared a una altura de 0,50 m de la calzada y con una separación inferior a 50 m.

13.5. Mantenimiento El factor de mantenimiento utilizado en los estudios de iluminación cubren normalmente la depreciación de luminaria (ensuciamiento) y lámpara (pérdida de flujo luminoso). En el caso de los túneles que son instalaciones con un alto grado de polución atmosférica, es muy importante disponer de un programa de mantenimiento (limpieza de paredes y luminarias) que defina los ciclos de limpieza que permitan cumplir el factor establecido en el estudio. La norma recomienda utilizar un factor de mantenimiento de 0,7 para definir el valor del nivel medio de luminancia de calzada y 0,5 para el de las paredes. La reposición de lámparas se realizará cuando el nivel medio esté por debajo del establecido o la falta de uniformidad resulte inaceptable.

13.6. Control de encendidos En este tipo de instalaciones es importante disponer de un sistema de control automático, teniendo en cuenta que los niveles de la zona umbral y transición están establecidos en función de la luminancia de la zona de acceso. Cuando varían las condiciones externas (diurnas) es preciso modificar los niveles de estas zonas para mantener la calidad de los criterios de diseño utilizados en este estudio de iluminación.

13.7. Alumbrado noche (zona exterior túnel) La zona de salida del túnel la calzada exterior debe estar iluminada en una longitud igual a dos veces la distancia de parada (no mayor a 200 m.), con un nivel medio superior a 1/3 de la zona de salida del túnel. En el túnel que nos ocupa para que el diseño sea un poco más conservativo, las zonas de acceso al túnel se extenderán de 200 a 250 m. En la instalación que nos ocupa se instalan en la zona de acceso luminarias con lámpara de 250W sodio alta presión tubular, en postes de 12 m. de altura en disposición unilateral a una interdistancia entre luminarias de 30 m. Cuando en las zonas de entrada o salida del túnel existan pantallas solares el nivel de iluminación será igual al de la zona interior del túnel.

13.8. Diseño del alumbrado de túneles Respecto a las tablas guía para túneles cortos especificados en el apartado 13.3., de este capítulo, constituyen solamente una guía que deberá ser adaptada al tipo concreto de túnel y carretera de acceso y salida. Los pasos inferiores bajo carreteras o ferrocarriles, menores de 25 m. de longitud, constituyen los tramos mínimos de carretera cubierta que se presentan habitualmente. Dada la pequeña longitud, normalmente no es necesaria la instalación de alumbrado durante el día. Al objeto de facilitar la entrada de la luz solar diurna en el interior del túnel corto o paso inferior, resulta conveniente llevar a cabo, cuando sea posible, las siguientes medidas: - Construir la boca del túnel más elevada. - Revestimiento de color blanco (recubrimiento especular) en las paredes del túnel. - Instalar claraboyas en el techo del túnel.

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TÚNELES CORTOS TIPOS DE

TIPO A

TIPO B

TIPO C

TIPO D

TÚNELES

DIAGRAMA-1

DIAGRAMA-2

DIAGRAMA-3

DIAGRAMA-4

< 25 25 a 75 75 a 125 > 125

< 80 80 a 120 120 a 150 > 150

< 100 100 a 150 150 a 200 > 200

< 100 100 a 150 150 a 200 > 200

SI

SI

SI

SI

NO

NO

NO

NO

SI

SI

Longitud

¿Salida visible? Velocidad < 80 km/h Volúmen tráfico

NO

NO

LIGERO

LIGERO

DENSO

DENSO

* En los túneles tipo B el volúmen de tráfico es denso cuando IMD > 5.000. ** En los túneles tipo C el volúmen de tráfico es denso cuando IMD > 10.000.

Tabla 18 Si está previsto alumbrado en la carretera, éste se implantará de forma que se asegure una penetración adecuada de la iluminación dentro del túnel corto o paso inferior. El contenido de los diagramas guía para túneles cortos y pasos inferiores detallados en el apartado 13.3. se resumen en la tabla anterior. Es importante una elevada reflectancia de paredes para aumentar el brillo del fondo contra el que los objetos pueden ser vistos. En los túneles cortos, donde la salida no es visible desde la distancia de seguridad (DS) enfrente de la entrada del túnel, la reflectancia de paredes es particularmente importante, debido a que una reflectancia de pared elevada asegurará que una gran proporción del alumbrado diurno que penetra por la boca de salida, se refleje hacia los conductores. Las paredes con una reflectancia difusa, en servicio, de más del 40%, son denominadas como ELEVADA y las paredes de menos de del 40% de reflectancia, son denominadas como BAJA (debe tenerse en cuenta el factor de depreciación o mantenimiento). En cualquier túnel, las paredes deben estar cubiertas por un revestimiento blanco de hasta 2 m. de altura, con una superficie lisa y una reflectancia especular elevada en servicio o mantenida. La parte inferior hasta 0’50 m. y las aceras laterales, pueden ser ennegrecidas o pintadas de color negro, fundamentalmente cuando el revestimiento de la calzada es claro o blanco, debido a las necesidades de conducción de los vehículos con un buen contraste mantenido, a fin de mejorar la percepción total. Cuando la reflectancia de las paredes se califica como BAJA, la longitud señalada en cada uno de los 4 diagramas guía debe ser reducida en un 20%. El grado de penetración de luz diurna en la salida también es importante. Así, un túnel con una gran sección transversal, por ejemplo, de tres carriles o más de anchura, y una salida en terreno plano o con pendiente descendente y mirando al sur, admitirá un máximo de luz diurna y contribuirá considerablemente a la visibilidad en el túnel. Por otro lado, la penetración de la luz diurna puede ser pobre cuando el túnel sea de dos carriles o menos, en el caso de que la salida esté situada en un corte o se encuentre rodeada por edificios altos, así como cuando la carretera tenga pendiente ascendente desde la salida o en el supuesto de que la salida mire al norte. La importancia de la penetración de la luz diurna en la salida disminuye con la longitud del túnel. Cuando la penetración de la luz diurna es BUENA, la longitud indicada en cada uno de los 4 diagramas guía debe ser incrementada hasta en un 20%. En lo que se refiere a la geometría del túnel y sus carreteras de acceso, el diseño del alumbrado del túnel debe seguir el recorrido más conservador en cada diagrama guía. Lo mismo debe hacerse: - Cuando el túnel presenta en primer lugar una pendiente y luego una rampa (cambios en curvatura vertical). - Cuando hay discontinuidades o singularidades geométricas. En el caso de que el túnel presente una mala percepción total, el diseño del alumbrado debe seguir un trayecto conservador en cada uno de los 4 diagramas guía. Es necesario un análisis específico, cuando el transporte de mercancías peligrosas sea frecuente. En este caso, el diseño del alumbrado

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en el túnel debe llevarse a cabo optando por la trayectoria más conservadora en cada uno de los diagramas guía.

13.9. Guiado visual Al circular por el interior del túnel el conductor de un vehículo debe poseer la información adecuada. Esto puede conseguirse dividiendo la superficie longitudinal del túnel en varias superficies de contraste, como por ejemplo dejando las paredes del túnel claras y el techo oscuro. El guiado visual resulta de especial importancia cuando se aproxima el usuario conduciendo el vehículo al túnel y, particularmente, si el nivel luminoso de la zona de entrada es bajo. En la Tabla 4 se han establecido los factores de ponderación para un guiado visual pobre o bueno.

13.9.1. Guiado visual para túneles largos En los túneles de las clases de alumbrado 2, 3, 4, 5, 6 y 7 (Tabla 7), con independencia de la señalización vertical, debe cuidarse especialmente una adecuada señalización horizontal. En la valoración de los factores de ponderación en función del guiado visual (Tabla 5), se considerará la instalación adicional de dispositivos retrorreflectantes (balizamiento, captafaros, hitos, etc.) en las paredes del túnel y en la superficie de la calzada, especialmente en el caso de túneles que correspondan a las clases de alumbrado 5, 6 y 7 (Tabla 7). 13.9.1.1. Guiado visual en la zona de entrada para túneles. Clase de alumbrado 1 En la zona de entrada de los túneles clase de alumbrado 1 (Tabla 7), deben instalarse en los primeros 75 m., como mínimo 5 luminarias cuyas intensidades luminosas hacia el conductor se ajustarán a lo dispuesto en la Tabla 19. Puede ser necesario inclinar las luminarias, al objeto de lograr las intensidades luminosas especificadas en la Tabla 19.

TABLA I INTENSIDADES LUMINOSAS EN LA ZONA DE ENTRADA DE TÚNELES CLASE DE ALUMBRADO 1 ÁNGULO TIEMPO Durante el día Durante la noche

80° < γ < 87,5°

γ = 87,5°

INTENSIDAD (cd)

INTENSIDAD (cd)

MÍN.

MÁX.

MÍN.

MÁX.

300

800

—

400

8

50

—

25

Tabla 19 Con el fin de asegurar un guiado visual adecuado, la separación entre luminarias no deberá ser mayor de 25 m. En túneles en curva siempre serán visibles como mínimo 4 luminarias, por lo que la separación entre luminarias podrá ser reducida. 13.9.1.2. Guiado visual en la zona del interior para túneles. Clase de alumbrado 1 En la zona del interior de los túneles clase de alumbrado 1 (Tabla 19), las luminarias instaladas tendrán unas intensidades luminosas hacia el conductor que cumplirán lo establecido en la Tabla 20.

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TABLA II INTENSIDADES LUMINOSAS EN LA ZONA DEL INTERIOR DE TÚNELES CLASE DE ALUMBRADO 1 80° < γ < 87,5°

γ = 87,5°

INTENSIDAD (cd)

INTENSIDAD (cd)

ÁNGULO TIEMPO

MÍN.

MÁX.

MÍN.

MÁX.

8

50

—

25

Día y noche

Tabla 20

13.9.2. Guiado visual para túneles cortos Los túneles cortos o pasos inferiores que carecen de instalación de alumbrado, requieren una buena señalización tanto vertical como horizontal. Podrán utilizarse las siguientes disposiciones para el guiado visual: - Marcas retrorreflectantes en la calzada. - Sistema de balizamiento retrorreflectante (captafaros, hitos, etc.) en la calzada. - Marcas y balizamiento retrorreflectantes en las paredes. - Diodos fotoemisores o emisores de luz.

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Capítulo 14.

CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

14.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.2 Seguridad y niveles de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.3 Visión de contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 14.4 Sistema de zonificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.5 Criterios de elección de lámparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 14.6 Limitaciones del flujo hemisférico superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.7 Otras características de las luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 14.8 Distancias entre zonas y el punto de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 14.9 Características fotométricas de los pavimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 14.10 Variaciones temporales de los niveles de iluminación . . . . . . . . . . . . 265 14.11 Recomendaciones para reducir la contaminación lumínica . . . . . . . . . 266 14.12 Anexo: “Valores orientativos recomendables para la limitación de la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior . . 268

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Capítulo 14. CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

14.1. Generalidades Desde sus orígenes, el hombre siempre se ha preocupado por el origen y el destino de nuestro planeta así como sobre la existencia de la vida terrestre, y el estudio del firmamento siempre ha estado ligado a esta preocupación. Desde principios del siglo XX y por primera vez en la Historia, la visión nocturna de nuestro firmamento está siendo amenazada, sin apenas darnos cuenta, por la anárquica iluminación de los asentamientos urbanos. La contaminación lumínica sobre los cielos de nuestros pueblos y ciudades nos impide contemplar uno de los espectáculos más bellos. El cielo ha sido y es una inspiración para la humanidad. Sin embargo, su contemplación se hace cada vez más difícil e, incluso, para las jóvenes generaciones empieza a resultar desconocido. Es por ello que el “Comité Español de Iluminación”, mediante un informe técnico, ha desarrollado una Guía para la Reducción del Resplandor Luminoso Nocturno la cual vamos a exponer a continuación. La contaminación lumínica se define como el brillo o resplandor luminoso nocturno en el cielo, producido por la difusión y reflexión de la luz artificial en los gases y partículas en suspensión de la atmósfera. Este resplandor, generalmente producido en parte por las fuentes de luz instaladas en las zonas exteriores, hacen que se incremente el brillo del fondo natural del cielo, disminuyendo progresivamente el valor de magnitud de observación de los objetos astronómicos y perjudicando la observación. Debe distinguirse el brillo natural, atribuible a la radiación de las fuentes u objetos celestes y a la luminiscencia de las capas altas de la atmósfera, del resplandor luminoso debido a las fuentes de luz artificial instaladas en zonas exteriores. En este último caso, tienen que considerarse las emisiones directas hacia arriba de diversas fuentes de luz artificial, así como la radiación reflejada por las superficies iluminadas por dichas fuentes de luz. Con la finalidad de reducir la contaminación lumínica imputable a las fuentes de luz artificiales se deberá actuar, por una parte, sobre los propios aparatos o luminarias que emiten luz y, por otra, sobre la instalación de alumbrado implantando el número mínimo de puntos de luz que permita alcanzar los niveles luminosos requeridos sin superarlos, lo que conllevará, en el caso de alumbrado viario, a establecer determinadas recomendaciones sobre los tipos de pavimentos de las calzadas a utilizar. Asimismo, deberá tenerse en cuenta la variación temporal o disminución de los niveles luminosos a ciertas horas de la noche en las que desciende substancialmente la intensidad de tráfico, siempre y cuando quede garantizada la seguridad de los usuarios de dichas vías. Por otra parte, deben considerarse los criterios de elección de lámparas, especialmente en las proximidades de los observatorios astronómicos de categoría internacional o zona “E 1”, donde se recomienda la instalación únicamente de lámparas de vapor de sodio de alta y baja presión, implantando con preferencia estas últimas, ya que al no emitir dentro de la zona del ultravioleta (ondas de gran energía con largo alcance) no se producen interferencias con los equipos de telemetría y espectrografía de los observatorios astronómicos. Además, deben contemplarse otras alternativas para paliar la contaminación lumínica o resplandor luminoso en el cielo, en lo relativo a las iluminaciones publicitarias y ornamentales. También hay que destacar que la contaminación lumínica o brillo achacable a las fuentes de luz artificial, no obedece exclusivamente al diseño o concepción de las instalaciones de iluminación, sino que también depende de las condiciones atmosféricas (humedad, nubes, niebla, aerosoles, contaminación atmosférica, etc.). En resumen, la contaminación lumínica está determinada por dos factores principalmente: - La emisión de luz procedente de las luminarias de alumbrado público, ya sea por emisión directa (luz no controlada en el hemisferio superior de la luminaria) o por emisión indirecta (reflexión de la luz en las paredes, calzadas o superficies a iluminar). - Las fuentes de luz empleadas en el alumbrado exterior, ya que sus diferentes espectros de emisión pueden ser más o menos perjudiciales.

14.2. Seguridad y niveles de iluminación En el ámbito de la Unión Europea existe un considerable número de tráfico que circula por la noche, con una media de alrededor de un 25%. Asimismo, la proporción de accidentes mortales nocturnos oscila entre un 25% y un 59%, con una media de un 48’5%. En España, con un tráfico nocturno de vehículos de un 24’3%, el número de muertos por accidentes producidos durante la noche asciende a un 43%.

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La causa principal de tasas tan elevadas de accidentes nocturnos es la propia oscuridad, ya que las capacidades visuales de los conductores (agudeza y campo visual, apreciación de distancias, visión de contraste, percepción cromática y tolerancia al deslumbramiento) son alteradas desfavorablemente debido a los bajos o nulos niveles luminosos existentes y, en consecuencia, la visibilidad queda muy reducida por la noche. Según los estudios de la C.I.E. ha quedado demostrado que el alumbrado de las vías de tráfico rodado reduce el total de accidentes en un 30% durante el periodo nocturno. La tarea visual y las necesidades de los peatones difieren de las de los conductores en muchos aspectos. La velocidad del movimiento es menor, y la percepción de los objetos que rodean a los peatones tiene más importancia que la visión de los que están más distanciados. Por tanto, los criterios de calidad del alumbrado peatonal no pueden ser iguales a los de las vías de tráfico rodado. En áreas urbanas tiene mayor significación para los peatones la percepción de su entorno inmediato, al objeto de evitar cualquier tipo de delito (robos, vandalismos, agresiones sexuales, actos de terrorismo, etc.). La decisión de si debe o no preverse alumbrado para una vía pública en una zona o lugar determinado debe tomarse sobre la base de un detallado estudio. Una vez que se haya adoptado la decisión de acometer la instalación de alumbrado, los criterios de diseño y niveles de iluminación se ajustarán, evitando su superación, a lo establecido en las siguientes publicaciones de la C.I.E.: - Publicación C.I.E. 47: 1979

Alumbrado de carreteras en condiciones mojadas.

- Publicación C.I.E. 66: 1984

Pavimentos de carreteras y alumbrado.


Guía para el alumbrado de áreas urbanas.


Recomendaciones para alumbrado de carreteras con tráfico motorizado y peatonal.


Guía para minimizar la luminosidad del cielo.

No obstante, podrán rebasarse los niveles luminosos establecidos en las anteriores publicaciones hasta un 20%, salvo en casos debidamente justificados en los que sería posible sobrepasar dicho porcentaje. En lo que respecta a los elementos que constituyen la instalación, cálculos luminotécnicos, mediciones, mantenimiento, etc. se estará a lo dispuesto en las publicaciones de la C.I.E. siguientes: - Publicación C.I.E. 30.2: 1982

Cálculo y mediciones de la luminancia y la iluminancia en el alumbrado de carreteras.


Deslumbramiento y uniformidad en las instalaciones de alumbrado de carreteras.

- Publicación C.I.E. 32/AB: 1977

Puntos especiales en alumbrado público.


Depreciación y mantenimiento de instalaciones de alumbrado público.


Luminarias para alumbrado de carreteras: datos fotométricos, clasificación y prestaciones.


Fotometría y goniofotometría de las luminarias.

14.3. Visión de contraste La visibilidad de un objeto situado sobre un fondo, depende de la diferencia de luminancias entre el objeto y el fondo. Un objeto claro sobre fondo oscuro, su contraste será positivo (valores entre 0 e infinito), en cambio un objeto más oscuro que su fondo se verá en silueta y su contraste será negativo, variando entre 0 y (–1). Por definición, el contraste se expresa de la siguiente forma:

C=

L0 – Lf Lf

Siendo: L0= Luminancia del objeto. Lf= Luminancia de fondo. El contraste C puede ser positivo o negativo: Si L0 >Lf C > 0 contraste positivo (objeto más claro que el fondo). Si L0
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El contraste C puede adquirir los siguientes valores: Contraste positivo (objeto claro)

0
Contraste negativo (objeto oscuro)

-1 < C < 0

La contaminación lumínica o resplandor luminoso nocturno en el cielo produce un velo en el campo de observación que tiene su propia luminancia L v, que se añade a la luminancia del objeto y del fondo, de forma que el nuevo contraste C’ es el siguiente:

C’ =

(L0 + Lv) – (Lf + Lv) (Lf – LV)

=

L0 – Lf Lf – LV

Siempre se verifica que C’ < C, dado que el numerador es el mismo y el denominador es siempre mayor. Cuando la luminancia de velo Lv aumenta, el objeto observado puede desaparecer del campo visual, particularmente en el caso de observaciones astronómicas cuando se trata de una estrella u objeto celeste con una luminancia L0 muy débil.

14.4. Sistema de zonificación Las potenciales contradicciones entre las exigencias fotométricas relativas a la actividad humana nocturna, seguridad en la circulación de vehículos y peatones, calidad de vida, integridad del entorno, propiedades, bienes, etc. y la contaminación lumínica o resplandor luminoso nocturno en el cielo que dificulta las observaciones astronómicas de los objetos celestes, deben abordarse para adoptar las soluciones posibles. En materia de medio ambiente, cuando una actividad contaminante no puede ser totalmente controlada, la idea básica consiste en evitar que las consecuencias ambientales debidas a la contaminación perjudiquen igualmente en todas las localizaciones o situaciones. El sistema de zonificación no detiene la contaminación ambiental, pero sirve como marco de referencia para la legislación y regulación anticontaminante. Para limitar las interferencias producidas por la contaminación lumínica a los observatorios astronómicos denominados “punto de referencia”, la introducción del sistema de zonificación responde a dos propósitos. Por una parte, permite establecer los requisitos de iluminación en una zona donde se encuentra el “punto de referencia”. Por otro lado, posibilita fijar las exigencias de iluminación en otras zonas, adyacentes o no, a la zona particular donde está ubicado el “punto de referencia”.

CLASIFICACIÓN DE ZONAS

DESCRIPCIÓN

E1

ÁREAS CON ENTORNOS OSCUROS: Observatorios astronómicos de categoría Internacional

E2

ÁREAS DE BAJO BRILLO: Áreas rurales

E3

ÁREAS DE BRILLO MEDIO: Áreas urbanas residenciales

E4

ÁREAS DE BRILLO ALTO: Centros urbanos con elevada actividad nocturna Tabla 1. Descripción del sistema de zonificación.

Los parques nacionales y áreas de especial belleza natural tendrán el mismo tratamiento que la zona “E 1”, en lo que respecta a las limitaciones del flujo hemisférico superior instalado establecidas en la Tabla 2, no siendo de aplicación el régimen de distancias al resto de zonas recogido en la Tabla 4.

14.5. Criterios de elección de lámparas Se recomienda la utilización de lámparas del tipo de descarga. En vías de tráfico rodado y zonas urbanas se utilizarán preferentemente lámparas de vapor de sodio a alta presión, debido a su elevada eficacia luminosa (lm/W) y mejor rendimiento de color que las lámparas de vapor de sodio a baja presión, cuyo uso podría ser también recomendable en carreteras a cielo abierto, zonas rurales y áreas que requieran alumbrado de seguridad. Asimismo, en zonas ajardinadas, cascos históricos, etc. podrían emplearse lámparas de vapor de mercurio a alta presión, halogenuros metálicos, etc.

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En la zona “E 1” donde se encuentra el “punto de referencia” (observatorios astronómicos de categoría internacional), se recomienda instalar lámparas de vapor de sodio a alta y baja presión, implantando con preferencia estas últimas.

14.6. Limitaciones del flujo hemisférico superior Se define el flujo hemisférico superior instalado FHSinst emitido por una luminaria como el dirigido por encima del plano horizontal. Dicho plano corresponde al ángulo γ = 90° en el sistema de representación (C,γ). El flujo hemisférico se expresa en tanto por ciento del flujo total emitido por la luminaria. En la Tabla 2 se establecen los límites o valores máximos del flujo hemisférico superior instalado FHSinst, para cada una de las zonas.


FLUJO HEMISFERIO SUPERIOR INSTALADO FHSinst (%)

E1

0

E2

0-5

E3

0-15

E4

0-25 Tabla 2. Valores límite del flujo hemisférico superior instalado.

A modo de ejemplo en la Tabla 3 se hace constar el tipo de observaciones astronómicas realizables en cada zona.


ACTIVIDADES ASTRONÓMICAS

E1

Observatorios de categoría Internacional

E2

Observatorios de estudios académicos y postgrados

E3

Observatorios amateurs

E4

Observaciones esporádicas Tabla 3. Actividades astronómicas realizables en cada zona.

No obstante, en el caso de iluminación de autopistas y autovías, vías urbanas importantes, rondas de circunvalación, etc. se recomienda instalar luminarias con un flujo hemisférico superior instalado FHSinst [ 5%. En el caso de alumbrados peatonales, así como artísticos con faroles, aparatos históricos, etc., se sugiere un FHSinst [ 25%. Cuando se agote la vida de las instalaciones de alumbrado, o por cualquier causa se proceda a su renovación, se recomienda implantar luminarias con las limitaciones de flujo hemisférico superior señaladas en este apartado. Se aconseja el establecimiento de programas de sustitución de luminarias existentes cuyo flujo hemisférico superior instalado sea mayor del 25% (FHSinst/25%), por luminarias que cumplan los valores recomendados en este epígrafe.

14.7. Otras características de las luminarias Considerando que el rendimiento de una luminaria es la relación entre el flujo emitido por la luminaria y el flujo producido por la lámpara, en el caso de instalaciones de alumbrado de vías de tráfico rodado, se propone implantar preferentemente luminarias con rendimientos iguales o superiores al 70% (lámpara tubular clara) o al 60% (lámpara ovoide opal). Asimismo, se sugiere que las luminarias a emplear en alumbrados peatonales, los faroles artísticos, aparatos históricos, etc. estén provistos de bloque óptico, de forma que al tiempo que se controla la emisión de luz en el hemisferio superior, se aumente el factor de utilización en el hemisferio inferior. En todos los supuestos, la distribución fotométrica de las luminarias se considera deberá ser la adecuada para obtener la máxima eficiencia energética de la instalación.

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14.8. Distancias entre zonas y el punto de referencia La contaminación lumínica o resplandor luminoso nocturno en el cielo de una zona específica, por ejemplo, la zona particular donde se encuentra el “punto de referencia” (observatorios astronómicos de categoría internacional), es debida a las dimensiones de esa zona y su propia iluminación, así como a la iluminación de las zonas vecinas o colindantes. Por tanto, también debe considerarse la iluminación de las zonas de alrededor de la que contiene el “punto de referencia”. La influencia de la iluminación de estas zonas vecinas o colindantes, sobre el total de la contaminación lumínica en el “punto de referencia”, depende de las distancias entre las fronteras de las zonas y el “punto de referencia”. En la Tabla 4 se establecen las distancias en Km. recomendadas entre los límites de cada zona (E 1, E 2, E 3, E 4) y el “punto de referencia”. ZONA DEL PUNTO

DISTANCIA ENTRE LOS LÍMITES DE LAS ZONAS

DE REFERENCIA

E1-E2

E2-E3

E3-E4

E1

1

10

100

1

10

E2 E3

1

E4

SIN LÍMITES Tabla 4. Distancias mínimas en Km. entre los límites de cada zona.

Para la correcta utilización de la Tabla 4, en primer lugar debe seleccionarse la zona donde se encuentra situado el “punto de referencia” y a continuación, en la Tabla 4, se obtiene la distancia mínima en Km. donde comienza la zona siguiente, y así sucesivamente para el resto de zonas colindantes. Los valores consignados en la Tabla 4 se han deducido de la experiencia práctica, aún cuando el número de casos estudiados ha sido limitado.

14.9. Características fotométricas de los pavimentos Siempre que las características constructivas, composición y sistema de ejecución resulten idóneos respecto a la textura, resistencia al deslizamiento, lisura, drenaje de la superficie, etc., en las calzadas de las vías de tráfico se recomienda utilizar pavimentos cuyas características y propiedades reflexivas resulten adecuadas para las instalaciones de alumbrado público, al objeto de lograr la máxima luminancia y uniformidad a igualdad de iluminancia consiguiéndose, por tanto, una mayor separación entre puntos de luz. La luminosidad del pavimento de una calzada está estrechamente relacionada con las propiedades fotométricas del mismo y, en concreto, con el coeficiente de luminancia medio Q0 del pavimento, de forma que cuanto más elevado es dicho coeficiente, a idéntica iluminancia, mayor es la luminancia de la calzada y menor resulta, el deslumbramiento perturbador TI. El factor especular S1 determina en qué medida las características del pavimento, respecto a la reflexión de la luz incidente, se separan de las de una superficie que asegure una reflexión difusa perfecta de forma que, a igualdad de iluminancia, cuanto más bajo es el factor especular S1 mayores son las uniformidades de luminancia. De todo lo anterior se deduce que, siempre que sea factible, en las calzadas de las vías de tráfico se aconseja utilizar pavimentos con un coeficiente de luminancia medio o grado de luminosidad Q0 lo más elevado posible, y cuyo factor especular S1 sea bajo.

14.10. Variaciones temporales de los niveles de iluminación En las vías de tráfico, zonas peatonales, carriles bici, etc., podrán reducirse los niveles luminosos a ciertas horas de la noche, siempre que quede garantizada la seguridad de los usuarios. En puntos concretos con elevados porcentajes de accidentalidad nocturna, zonas peatonales con considerable riesgo de criminalidad, etc., se recomienda por razones de seguridad no llevar a cabo variaciones temporales de los niveles de iluminación. En ningún caso la reducción descenderá por debajo del nivel de iluminación aconsejable para la seguridad de tráfico y para el movimiento peatonal.

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La reducción de los niveles luminosos mediante apagado de puntos de luz no es recomendable, y en el supuesto de utilizar dicho procedimiento, deben mantenerse las uniformidades mínimas establecidas en las publicaciones de la C.I.E. La reducción con sistemas de regulación, se estima es el procedimiento más adecuado ya que evita zonas de sombra y muros de luz que dificultan la visión, manteniendo las uniformidades.

14.11. Recomendaciones para reducir la contaminación lumínica Entre las posibles alternativas para reducir la contaminación lumínica o resplandor luminoso nocturno en el cielo se recomiendan las siguientes: -

Apagar las iluminaciones publicitarias y ornamentales a partir de una hora determinada.

-

Dirigir la luz en sentido descendente y no ascendente siempre que sea posible, especialmente en la iluminación de edificios y monumentos (Fig. 1).

NO

SI

SI

Figura 1 -

Si no existe la posibilidad de cambiar el sentido de iluminación hacia abajo y no hacia arriba, utilizar pantallas y paralúmenes para evitar la dispersión del haz luminoso (Fig. 2).

SI

NO

SI

Figura 2 -

Instalar equipos de iluminación que reduzcan la dispersión de la luz sobre el plano horizontal del aparato de iluminación, con valores mínimos e incluso nulos por encima de dicho plano (Fig. 3 y 4).

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SI

NO

Figura 3.

SI NO Figura 4 -

Para que el deslumbramiento sea mínimo, dirigir hacia abajo el haz de los rayos luminosos manteniéndolo por debajo de 70°. Si se eleva la altura de montaje, debería disminuirse el ángulo del haz de los rayos luminosos. En lugares con luz ambiental baja, el deslumbramiento puede ser muy molesto, por lo que se debe cuidar con esmero el posicionamiento y el apuntamiento u orientación de los aparatos de iluminación (Fig. 5).

SI

O.K.

90° 70°

<70°

NO Figura 5 -

Cuando resulte posible, se recomienda implantar aparatos con reflector asimétrico que permitan mantener su cierre frontal paralelo o casi paralelo a la superficie que se quiera iluminar (Fig. 6).

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NO

SI

Figura 6 -

Para evitar instalar exceso de luz, se deben cumplir las recomendaciones que fijan los niveles para iluminar las diversas tareas con las tolerancias permitidas.

-

En el caso de pequeñas iluminaciones de seguridad y alumbrados domésticos existen dos soluciones:

-

• Pueden emplearse con efectividad los detectores pasivos de infrarrojos, si se instalan y alinean correctamente. En general, una lámpara halógena de 150 W. resulta más que suficiente. Lámparas de 300/500 W. proporcionan demasiada iluminación, mayor deslumbramiento y sombras más oscuras o acentuadas.

-

• Son igualmente aceptables iluminaciones permanentes con bajo brillo durante toda la noche. En el caso de un porche en una vivienda, una lámpara fluorescente compacta de 9 W. (600 lm.) resulta adecuada en la mayoría de los casos.

-

En el alumbrado de vías de tráfico rodado, se debe reducir el flujo emitido por encima del plano horizontal y restringir la luz cercana.

14.12. Anexo: “Valores orientativos recomendables para la limitación de la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior” La división 5 de la C.I.E., a través de su Comité Técnico TC 5-12, a finales de 1995 elaboró el borrador de informe técnico “Guía sobre la limitación de los efectos de la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior”. Dado el carácter empírico y sujeto a modificaciones consecuencia de la observación que tienen los parámetros que se mencionan en dicha Guía, parece lo más indicado incluir los mencionados parámetros a título de orientación y no de valores exigibles para su aplicación. En este sentido se ha estimado oportuno su incorporación mediante cuadro de limitaciones como Anexo y no como parte de este capítulo, al objeto de que los valores consignados sean cotejados por la propia experiencia de nuestro país. Pueden considerarse 5 tipos de efectos específicos ocasionados por la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior, que a continuación se concretan: Efectos sobre observaciones astronómicas Los parámetros luminotécnicos implicados son: - Iluminación nocturna de la bóveda celeste por dispersión de luz procedente de instalaciones de alumbrado exterior (resplandor luminoso nocturno), en función del flujo hemisférico superior instalado (FHSinst) y del flujo reflejado. - Características espectrales del resplandor luminoso nocturno, es decir, longitudes de onda de las emisiones luminosas (tipos de lámparas). - Luz directa sobre el propio observatorio astronómico. Efectos sobre los residentes Los parámetros luminotécnicos a considerar son: - Iluminancia vertical (EV) en superficies de paramentos, por ejemplo, ventanas de dormitorios. - Luminancia (L) de las luminarias, dado que su visión directa puede provocar molestias. Debido a la dificultad de predeterminar dicha luminancia, se sustituye este parámetro por la intensidad luminosa (Ι) de la fuente de luz en la dirección potencial de la molestia.

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Efectos sobre ciudadanos Los parámetros luminotécnicos a tener en cuenta en los efectos sobre ciudadanos en general (transeúntes, turistas, etc.) son: - Luminancia media (Lm) de las superficies de los paramentos verticales en los edificios, que como consecuencia a veces de una iluminación excesiva pueden producir molestias en lugar de realzar aspectos decorativos u ornamentales. Efectos sobre usuarios de sistemas de transportes Los parámetros luminotécnicos significativos son: - Incremento umbral de contraste (TΙ) que expresa la limitación del deslumbramiento perturbador o incapacitivo en el alumbrado de las vías de tráfico rodado, y constituye la medida por la que se cuantifica la pérdida de visión causada por dicho deslumbramiento. - En casos de sistemas de transporte que operen próximos a instalaciones de alumbrado, como en el caso de transporte marítimo, aviación, etc., las autoridades deberán establecer sus propias reglas. Efectos sobre sistemas de señalización de transportes Los parámetros luminotécnicos representativos son: - Deslumbramiento perturbador o incapacitivo representado por el incremento de umbral de contraste (TΙ), definido como la cantidad de contraste extra, con respecto al contraste original, que hace falta para volver a ver justamente el objeto cuando hay deslumbramiento. - Caos visual originado por la visión de señales contra fondos brillantes producidos por fuentes luminosas intensas. En función de la clasificación de zonas establecida en la Tabla 1, las recomendaciones a título meramente orientativo para la limitación de la luz molesta o perturbadora procedente de instalaciones de alumbrado exterior se expresan, como valores máximos, en la tabla siguiente:

RESPLANDOR

LUZ EN VENTANAS

CLASIFI-

LUMINOSO

EV (lux)

CACIÓN DE

NOCTURNO

Antes

Después

Antes **

Después

ZONAS

EN EL CIELO

del horario

del horario

del horario

del horario

Antes del

FHSinst %

de encendido

de encendido

reducido

reducido

horario reducido

E1

0

2

1*

0

0

0

10

E2

5

5

1

50

0’5

5

10

INTENSIDAD DE LA FUENTE

Luminancia en Deslumbra-

edificios***

miento

Lm (cd/m2)

Perturbador TΙ %

E3

15

10

5

100

1’0

10

15

E4

25

25

10

100

2’5

25

15

Tabla 5. Limitaciones de la luz molesta procedente de instalaciones de alumbrado exterior. FHSinst

Máximo porcentaje permitido del flujo hemisférico superior instalado en tanto por ciento.

EV

Iluminancia vertical en lux.

Ι

Intensidad luminosa en Kilocandelas (Kcd.).

Lm

Luminancia media en cd/m2.

TΙ

Incremento de umbral de contraste en tanto por ciento.

*

Aceptable únicamente para instalaciones de alumbrado de vías de tráfico rodado.

**

Se aplica para cada fuente de luz en la dirección potencial de la molestia.

***

Para evitar una iluminación excesiva se limita la luminancia en los edificios, que debe estar acorde con la luminosidad general de la zona.

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