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Sistema Eletrônicos para Iluminação Dia 1

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Sistema Eletrônicos para Iluminação Dia 1

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

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

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

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

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

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

  7. CADA LÁMPARA EMITE DE FORMA DISTINTA DENTRO DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO AL SER EXCITADA ADECUADAMENTE. ULTRAVIOLETA (315-400 nm) (280-315 nm) (100-280 nm) UV-A UV-C UV-B GERMICIDA OZONO UV LEJANO UV CERCANO

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

  9. 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO - LONGITUD DE ONDA (wavelength) en nm - FRECUENCIA ESPECTRAL (frequency)f en Hz c = 2.998 108 m/s velocidad de la luz en el vacío - ENERGÍA DEL FOTÓN (photon energy)E en J h = 6.63 x 10-34 J.S Constante de Planck 1 eV = 1.6 10-19 J

  10. ESPECTROS DE DISTINTOS TIPOS DE LÁMPARAS

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

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

  13. P() W nm EJEMPLO TÍPICO: LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W 100 50 ZONA VISIBLE 10% 0 380 100 770 10.000  [nm] POTENCIA LUMINOSA SIN CORREGIR 100 W ¡¡¡Falta corrección del ojo humano!!!

  14. P() W nm LÁMPARA INCANDESCENTE DE 1000 W: CORRECCIÓN DEL OJO HUMANO 100 MODELO DE OJO 50 P() V() 0 380 100 770 10.000  [nm] FLUJO LUMINOSO () EL "VATIO-LUZ" NO SE UTILIZA, SE UTILIZA EL LUMEN (lm). 1 vatio-luz = 683 Lúmenes 30 vatios-luz = 20.490 Lúmenes

  15. MODELO DE RESPUESTA DEL OJO HUMANO DE DÍA – FOTÓPICO (Experimental) 1 V() 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

  16. Rendimiento =  21 lm/W 20.490 Lúmenes 1000 W RENDIMIENTO DE LA CONVERSIÓN EL MAYOR RENDIMIENTO HIPOTÉTICO QUE PODRÍA TENER UNA LÁMPARA ES DE 683 lm/W LA LÁMPARA CONOCIDA DE MAYOR RENDIMIENTO ES LA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN CON 180 lm/W UN FLUORESCENTE TUBULAR DE 36 W TIENE UN RENDIMIENTO DE UNOS 70 lm/W. (LOS MODERNOS T5 PUEDEN LLEGAR A LOS 100 lm/W) Ejemplo en MathCad

  17. LA INTENSIDAD LUMINOSA (SE MIDE EN CANDELAS) LA CANDELA (cd) ES UNIDAD BÁSICA DEL SI * Unidad de intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección específica. *Es unidad base del S.I. y se define como "Intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540*1012 Hz (en el aire 555 nm) y cuya intensidad energética en dicha dirección es de 1/683 W por estereorradián" El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

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

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

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

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

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

  23. CUADRO DE MAGNITUDES FOTOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS: RESUMEN POTENCIA RADIANTE FLUJO RADIANTE RADIANT POWER RADIANT FLUX [W] FLUJO LUMINOSO LUMINOUS FLUX [lm] TOTAL DE ENERGÍA INTENSIDAD RADIANTE RADIANT INTENSITY [W/sr] INTENSIDAD LUMINOSA LUMINOUS INTENSITY [cd] ENERGÍA EN UNA DIRECCIÓN IRRADIANCIA IRRADIANCE [W/m2] ILUMINACIÓN ILUMINANCE [lx]  lm/m2 ENERGÍA RECIBIDA EN UNA SUPERFICIE EXCITANCIA EXITANCE [W/m2] EXCITANCIA LUMINOSA LUMIOUS EXCITANCE [lm/m2] ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIE ENERGÍA QUE SALE DE LA SUPERFICIE EN UNA DIRECCIÓN Y POR UNIDAD DE SUPERFICIE RADIANCIA RADIANCE [W/(sr m2)] LUMINANCIA O BRILLO LUMINANCE [cd/m2] RADIOMETRÍA FOTOMETRÍA

  24. UN EJEMPLO: Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4  lm que recibe el interior de la esfera. r 1 cd La esfera transmite 0.8 x4  lm Se llama Excitancia Luminosa (H) al Flujo Luminoso por unidad de superficie que sale de una Superficie Iluminada La superficie de la esfera es de 4  m2.

  25. Se llama Luminancia o brillo (L) al Flujo Luminoso que sale de una Superficie Iluminada en una determinada dirección y por unidad de superficie Imaginemos la esfera de cristal translucido que absorbe el 20%, no refleja nada y transmite el 80 % de flujo luminoso que recibe EJEMPLO: LUMINANCIA ES BRILLO Como habíamos visto antes r 1 cd El área proyectada de la esfera en cualquier dirección es de  m2. En la luz saliente de una superficie (H) hace el papel del Flujo Luminoso por unidad de superficie y L el papel de la Intensidad Luminosa por unidad de superficie.

  26. EJEMPLO CON LUMINANCIA Tenemos un proyector situado en el techo, de 0.04 m2 de superficie, que ilumina con una intensidad de 100 cd en cualquier dirección una mesa de 0.5 m2 de superficie. La mesa se puede considerar una superficie especular de factor de reflexión de 0.8. Calcular la luminancia de la fuente y la luminancia de la mesa para el observador de la figura. Solución Luminancia de la fuente: Como la mesa no es una superficie reflectante perfecta una parte de la intensidad luminosa que le llega es absorbida por esta. Esto quiere decir que en la fórmula de la luminancia el valor de I estará afectado por el factor de reflexión La Luminancia es un concepto que se emplea bastante en el diseño (deslumbramiento, molestias en la visión, efectos artísticos, etc)

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

  28. EJEMPLO: Como habíamos visto, nuestra fuente homogénea de 1 cd emite un flujo luminoso de 4  lm r El interior de la esfera recibe una Iluminación uniforme y como su superficie es de 4  m2. 1 cd La Iluminación del interior de la esfera vale 1 lx Nota: Si la fuente es uniforme, midiendo la iluminación en cualquier punto, podemos estimar el flujo luminoso del punto de luz. Este concepto, aunque es hipotético (no existe ninguna fuente de luz uniforme) tendrá su utilidad en los "Fotómetros de esfera"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  39. 3 30 cd 2 20 cd 1 10 cd

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

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

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

  43. ESFERA INTEGRADORA Y GONIOFOTOMETROS (IMÁGENES)

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

  45. SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ) Publicada en 1923 por K.S.Gibson y E.P.T. Tyndall (National Bureau of Standards) 52 observadores en los años 1921 hasta 1923 MÁXIMO EN 555 nm (AMARILLO-VERDOSO) LUMINOSIDAD AZUL 17 absoluta (11%) ROJO 47 absoluta (30%) VERDE 92 absoluta (59%) TOTAL 156 1 100 lx 100% V() 92 lx 59% COMENTARIO: 4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo. Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx. 47 lx 30% 17 lx 11% 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] En un televisor: Luminancia = 0.30 rojo + 0.59 verde + 0.11 azul

  46. SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN ESCOTOPICA (SCOTOPIC) (BAJOS NIVELES DE LUZ ESTÁNDAR DEFINIDO EN 1931 1 V'() MÁXIMO EN 505 nm (VERDE-AZULADO) "De noche la sensibilidad se desplaza hacia el azul" 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] Aproximación matemática

  47. Estructura Visual Humana Visión diurna Conos FOTÓPICA Celdas Fotorreceptoras Visión nocturna Bastones ESCOTÓPICA

  48. Curvas Vλy V’λAsociadas a la Eficiencia Visual V’λ (508, 1700) Vλ (555, 683)

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