diseÑo de una luminaria con un bajo consumo de …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÈCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

DISEÑO DE UNA LUMINARIA CON UN BAJO CONSUMO DE POTENCIA CON TECNOLOGIA LED

PROYECTO DE INVESTIGACIÒN

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

P R E S E N T A :

DAVID GERARDO QUINTERO MIRANDA

DIRECTORES:

M. EN C. SAMUEL CARMAN AVENDAÑO

M. EN C. IRYNA PONOMARYOVA

MÈXICO D.F. AGOSTO 2009

AGRADECIMIENTOS A mi madre María Cristina Miranda Suarez por su cariño, apoyo, orientación, comprensión y motivación que me ha dado a lo largo de toda mi vida. A mi familia por su apoyo brindado y por que hoy veo llegar a su fin una de las metas de mi vida, les agradezco la orientación y apoyo recibido durante mi formación profesional. A mis profesores que me apoyaron durante el trabajo: Dr. Juan Carlos Sánchez, Lic. Raúl Peña, M. en C. Irina Ponomaryova, M. en C. Ramón Martínez. Al Instituto Politécnico Nacional y la ESIME Unidad Culhuacan por darme la oportunidad de formar parte de esta casa de estudios tan importante de México.

A mis Hermanos Edgar, Jorge, y Estefany que con su ternura, cariño y compañía he vivido con ellos grandes momentos en toda mi vida. Al M. en C. Samuel Carman Avendaño por su gran apoyo incondicional y consejos, que me formaron durante la educación superior. A los integrantes del Programa Institucional de Formación de Investigadores PIFI que con trabajo en equipo me apoyaron para desarrollar este proyecto de investigación. David Gerardo Quintero Miranda.

Diseño de una luminaria con un bajo consumo de potencia con tecnología LED.

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INDICE Tema Pág.

Introducción 3

Objetivo General 4

Objetivo Especifico 4

Justificación 5

Capítulo 1. LUMINARIAS DE BAJO CONSUMO DE POTENCIA 1.1.-Iluminación con lámparas Incandescentes 6

1.2.-Iluminación con lámparas Fluorescentes 15

1.3.-Iluminación con Lámparas Ahorradoras CFL 28

1.4.-Iluminación con tecnología LED 37

Capítulo 2. ESTUDIO COMPARATIVO DE LUMINARIAS DE BAJO CONSUMO DE POTENCIA 2.1.- Ventajas y Desventajas de Los tubos fluorescentes lineales 52

2.2.- Ventajas y Desventajas de un Tubo con Tecnología LED 54

2.4.-LEDS de Primera Generación 56

2.5.-LEDS de Segunda Generación 59

2.6.-LEDS de Tercera Generación 60

2.6.-LEDS de Cuarta Generación 63

Capítulo 3. DISEÑO DE LA LUMINARIA 3.1.- Dimensionamiento 66

3.2.- Modelado en Computadora 68

3.3.- Diseño del Circuito Electrónico 73

3.4.- Construcción del Prototipo 81

Capítulo 4. PRUEBAS DE LABORATORIO 4.1.- Instalación 84

4.2.- Mediciones de Intensidad Luminosa 86

4.3.- Graficas y Comportamiento 92

CAPITULO 5. CONCLUSIONES 5.1.-Conclusiones 95

5.2.-Glosario 96 5.3.- Fuentes de Información 97

5.4.- Anexos 98


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INTRODUCCIÒN

El ahorro de energía es hoy en día, una tarea primordial para todos los

habitantes de la tierra, ya que la reducción del consumo de energía produce

efectos beneficiosos a todos los niveles, como:

− Reducción de emisiones a la atmósfera de (CO2). Evitando el efecto

invernadero y la lluvia ácida (GAS, ELECTRICIDAD, DERIVADOS DEL

PETROLEO).

− Reducción de residuos Radiactivos, porque parte de la energía eléctrica

que se consume, se realiza en plantas nucleares (ELECTRICIDAD).

− Disminución del calentamiento global del planeta, ya que parte de la

energía eléctrica que se consume, se realiza en plantas Térmicas queman

combustible para producir (ELECTRICIDAD).

− Preservar la naturaleza para las generaciones venideras (TODOS Y

TODO).

− Disminución de la dependencia energética (PETROLEO).

− Y lo que más notamos individualmente a corto plazo: EL AHORRO EN

NUESTROS BOLSILLOS CADA MES, EN LAS FACTURAS DE GAS, AGUA,

ELECTRICIDAD, GAS-OIL, ETC.

No quiere decir que este sea el más importante, que no lo es, pero sí es el que

nos afecta de inmediato y notamos personalmente.

Con actos sencillos y con una inversión, aproximadamente $1,500.00 por

equipo, se puede reducir el consumo de energía en un porcentaje elevado,

hasta un 70% de la factura anual. Por ejemplo la factura anual total de

Electricidad de una Mediana Empresa oscila entre los $250,000.00 a

$350,000.00 al año, el ahorro puede ser de $40,000.00 a $60,000.00 todos los

años por lo que esto es muy interesante para los directivos y dueños de

corporaciones interesados en el AHORRO DE ENERGIA y obtenciones de

SELLLOS VERDES por contribuir al Medio Ambiente.


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Por lo que este prototipo se realizo con el Objetivo de Ahorro de Energía

eléctrica, contribución al medio Ambiente Reduciendo las Emisiones de CO2 a

la atmósfera, además de ser diseñado para una fácil operación e instalación.

Para este Prototipo se utilizo Tecnología de Punta Disponible en el Mercado

Mexicano como son los LEDS DE TERCERA GENERACION con alta

intensidad luminosa y un mínimo consumo de Corriente Eléctrica.

Objetivo General

Diseñar y Construir una luminaria revolucionaria basada en LEDS blancos con

amplios usos industriales y habitacionales, diseñada para techos, por su

tecnología basada en LEDS tendrá mayor vida útil comparada con la

iluminación tradicional y con un consumo de Energía notablemente bajo con

gran impacto ambiental debido a que no generara Radiación Ultravioleta (UV),

Rayos Infrarrojos (IR) y por supuesto sin mercurio como los tubos fluorescentes

y con menores emisiones de CO2 a la atmosfera.

Objetivo Especifico

Aplicar el prototipo en el Laboratorio de Ingeniería Eléctrica de la ESIME

Unidad Culhuacan para realizar las diferentes pruebas de iluminación y

tramitar la patente para esta novedosa luminaria basada en Tecnología LED y

finalmente promoverla al mercado industrial de iluminación.


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Justificación

Ante la imperiosa necesidad de revertir el daño ecológico por la emisión de

gases efecto invernadero que afectan a la atmosfera y propician el

calentamiento global, es necesario tomar medidas que contribuyan a la

mitigación de este fenómeno.

Una de las maneras más efectivas para lograr resultados inmediatos y de

trascendencia es la aplicación de acciones de Ahorro de Energía Eléctrica

implementando nuevas tecnologías de eficiencia energética, debido a esto se

propone el diseño de una Luminaria a través de Diodos Emisores de Luz

(LEDS) con un consumo mucho menor que las Lámparas que actualmente se

usan por lo que esta es una opción efectiva para alternar o sustituir a las

luminarias tradicionales.


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CAPITULO 1 LUMINARIAS DE BAJO CONSUMO DE POTENCIA.

1.1 Iluminación con lámparas Incandescentes.

Desde el surgimiento de la humanidad, la única fuente de luz y calor que

conoció el hombre fue el Sol. Cuando éste descubrió el fuego, lo utilizó

igualmente, durante miles de años, como fuente de luz artificial y como una

forma de proporcionarse calor.

Se supone que fue en Mesopotamia, 7000 años a.C., la época en que nuestros

remotos antepasados comenzaron a utilizar lámparas de terracota con aceite

como combustible para alumbrarse, en sustitución de las antorchas de leña que

habían utilizado hasta entonces.

Posteriormente, alrededor del año 400 d.C. los fenicios comenzaron a emplear

las conocidas velas de cera, que han perdurado hasta nuestros días con la

misma función de proporcionarnos luz o ambientar un sitio. Muchos años

después, alrededor de 1798 se comienza a utilizar el gas como combustible en

las lámparas para alumbrado y a partir de mediados del siglo XIX se le da el

mismo uso al petróleo.


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Fig. 1.1.- Primeras Fuentes de Iluminación

Durante el propio siglo XIX, los físicos se empeñaron en encontrarle aplicación

práctica a la corriente eléctrica poniendo todo su empeño en crear un

dispositivo que fuera capaz de emitir luz artificial. El primer experimento dirigido

a ese objetivo lo realizó en 1840 el químico británico Sir Humpry Davy.

Como resultado de sus experimentos logró obtener incandescencia en un fino

hilo de platino cuando le hacía atravesar una corriente eléctrica, pero por no

encontrarse protegido al vacío, el metal se fundía o volatilizaba debido al

contacto directo con el aire. Diez años después, en 1850, se obtuvo iluminación

artificial por arco eléctrico, técnica que aún se continúa utilizando

fundamentalmente en escenarios de diferentes tipos de espectáculos artísticos.

Pero el primer dispositivo eléctrico de iluminación artificial que permitió

verdaderamente su comercialización alcanzando inmediata popularidad fue la

lámpara de filamento incandescente desarrollada simultáneamente por el

británico Sir Joseph Swan y por el inventor norteamericano Thomas Alva

Edison, aunque la patente de invención se le otorgó a este último en 1878.


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Fig. 1.2.- Lámparas Incandescentes.

Desde su creación la lámpara eléctrica incandescente no ha sufrido

prácticamente variación alguna en su concepto original. Posiblemente sea éste

el dispositivo eléctrico más sencillo y longevo que existe y el que más aporte ha

brindado también al desarrollo de la humanidad.

Elementos de una Lámpara Incandescente.

Como se puede apreciar al observar una lámpara incandescente normal, ésta

posee una estructura extremadamente sencilla. Consta de un casquillo

metálico con rosca (en algunos casos liso, tipo bayoneta) y un borne en su

extremo, aislado del casquillo. Tanto el casquillo como el borne permiten la

conexión a los polos negativo y positivo de una fuente de corriente eléctrica. Lo

más común es conectar la parte del casquillo al polo negativo y el borne al polo

positivo de la fuente.


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Fig. 1.3.-Elementos de la Lámpara Incandescente.

Al casquillo metálico de la lámpara (con rosca o del tipo bayoneta) y al borne

situado en su extremo, se encuentran soldados dos alambres de cobre que se

insertan después por el interior de un tubo hueco de cristal ubicado

internamente en la parte central de una ampolla del mismo material y de la cual

forma parte.

Cerca del extremo cerrado de ese tubo hueco los dos alambres lo atraviesan y

a sus puntas se sueldan los extremos del filamento de tungsteno. La bombilla

de cristal se sella al vacío y en su interior se inyecta un gas inerte como, por

ejemplo, argón (Ar), que ayuda a prolongar la vida del filamento.

La cantidad de luz que emite una lámpara incandescente depende

fundamentalmente de la potencia que tenga en watt. La longitud del alambre

del filamento, y el tamaño y forma de la bombilla de cristal dependen

directamente también de la potencia que tenga la lámpara, por lo que una de

25 watt será mucho más pequeña si la comparamos con otra de 500 watt.


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Funcionamiento.

En la mayoría de los casos junto con la luz se genera también calor, siendo esa

la forma más común de excitar los átomos de un filamento para que emita

fotones y alcance el estado de incandescencia.

Normalmente cuando la corriente fluye por un cable en un circuito eléctrico

cerrado, disipa siempre energía en forma de calor debido a la fricción o choque

que se produce entre los electrones en movimiento. Si la temperatura del metal

que compone un cable se eleva excesivamente, el forro que lo protege se

derrite, los alambres de cobre se unen por la pérdida del aislamiento y se

produce un corto circuito.

Para evitar que eso ocurra los ingenieros y técnicos electricistas calculan el

grosor o área transversal de los cables y el tipo de forro aislante que deben

tener, de forma tal que pueda soportar perfectamente la intensidad máxima de

corriente en ampere que debe fluir por un circuito eléctrico.

Cuando un cable posee el grosor adecuado las cargas eléctricas fluyen

normalmente y la energía que liberan los electrones en forma de calor es

despreciable. Sin embargo, todo lo contrario ocurre cuando esas mismas

cargas eléctricas o electrones fluyen a través de un alambre de metal

extremadamente fino, como es el caso del filamento que emplean las lámparas

incandescentes. Al ser ese alambre más fino y ofrecer, por tanto, más

resistencia al paso de la corriente, las cargas eléctricas encuentran mayor

obstáculo para moverse, incrementándose la fricción.


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Fig. 1.4.- Representación de las Cargas Eléctricas.

A.– Las cargas eléctricas o electrones fluyen normalmente por el conductor

desprendiendo poco calor. B.– Cuando un metal ofrece resistencia al flujo de la

corriente, la fricción de las cargas eléctricas.

Chocando unas contra otras provocan que su temperatura se eleve. En esas

condiciones las moléculas. Del metal se excitan, alcanzan el estado de

incandescencia y los electrones pueden llegar a emitir. Fotones de luz.

Cuando las cargas eléctricas atraviesan atropelladamente el metal del

filamento de una lámpara incandescente, provocan que la temperatura del

alambre se eleve a 2 500 ºC (4 500 ºF) aproximadamente. A esa temperatura

tan alta los electrones que fluyen por el metal de tungsteno comienzan a emitir

fotones de luz blanca visible, produciéndose el fenómeno físico de la

incandescencia.

La gran excitación que produce la fricción en los átomos del tungsteno o

wolframio (W), metal del que está compuesto el filamento, provoca que algunos

electrones salgan despedidos de su órbita propia y pasen a ocupar una órbita

más externa o nivel superior de energía dentro del propio átomo.

Pero la gran atracción que ejerce constantemente el núcleo del átomo sobre

sus electrones para impedir que abandonen sus correspondientes órbitas, hace

que regresen de inmediato a ocuparlas de nuevo.


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Fig. 1.5.- Representación Atómica.

Al reincorporarse los electrones al lugar de procedencia, emiten fotones de luz

visible para liberar la energía extra que adquirieron al ocupar

momentáneamente una órbita superior.

Por otra parte la fricción que producen las cargas eléctricas al atravesar el

filamento es también la responsable del excesivo calentamiento que

experimentan las lámparas incandescentes cuando se encuentran encendidas.

En general este tipo de lámpara es poco eficiente, pues junto con las

radiaciones de luz visible emiten también radiaciones infrarrojas en forma de

calor, que incrementan el consumo eléctrico. Sólo el 10% de la energía

eléctrica consumida por una lámpara incandescente se convierte en luz visible,

ya que el 90% restante se disipa al medio ambiente en forma de calor.

Filamento de Tungsteno.

El filamento de tungsteno de una lámpara incandescente está formado por un

alambre extremadamente fino, mucho más que el de un cable cualquiera. Por

ejemplo, en una lámpara de 60 watt, el filamento puede llegar a medir

alrededor de 2 metros de longitud y de grueso solamente 3 x 10-3 = 0,003 mm.

Para que la longitud total del filamento ocupe el menor espacio posible, el

alambre se reduce por medio de un doble enrollado. De esa forma se logra que

ocupe muy poco espacio cuando se coloca entre los dos alambres de cobre

que le sirven de electrodos de apoyo dentro de la lámpara.


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En las primeras lámparas incandescentes que existieron se utilizaron diferentes

materiales como filamentos. La desarrollada por Edison en 1878, tenía el

filamento de carbón, con el inconveniente de ser éste un material poco eficiente

y también poco duradero.

Fig. 1.6.- Filamento montado en el tubo central de cristal.

Después de muchas pruebas, a partir de 1906 se adoptó el uso de alambre de

tungsteno, conocido también como wolframio (W), para fabricar los filamentos

por ser mucho más resistente y duradero que el de carbón. Al haberse obtenido

mejores resultados con el wolframio, este metal se ha continuado utilizando

hasta nuestros días, incluso para fabricar otros tipos de lámparas mucho más

eficientes que las incandescentes.

Como ya se explicó anteriormente, para que un metal llegue al blanco

incandescente es necesario calentarlo a una temperatura excesivamente alta,

lo que conlleva a que en condiciones ambientales normales se funda o derrita.

La ventaja del tungsteno radica en que al ser un metal cuya temperatura de

fusión es muy alta, se convierte en un material idóneo para rendir muchas más


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horas de trabajo que cualquier otro metal, además de ser relativamente barato

de producir.

No obstante, cuando se completa el triángulo que forma un material inflamable,

una temperatura alta y la presencia de oxígeno, se produce la combustión, por

lo que en condiciones normales el tungsteno también combustiona o se derrite

cuando alcanza una temperatura muy alta. Ese es el motivo por el cual el

filamento de las lámparas incandescente se encuentra encerrado en una

bombilla de cristal carente de oxígeno.

Pero aún bajo esas condiciones de protección, el filamento de tungsteno

presenta otro problema y es que el metal se evapora al alcanzar temperaturas

tan altas como la que produce la incandescencia. En ese estado, algunos

átomos de tungsteno se excitan tan violentamente que saltan al vacío dentro de

la bombilla y se depositan en la pared interna del cristal, ennegreciéndolo y

volviéndolo opaco a medida que más se utiliza la lámpara.

Ese fenómeno ya lo había observado Edison en su época, pero no supo darle

ni explicación lógica, ni aplicación práctica útil, aunque en su honor se

denominó posteriormente “efecto Edison”.

Pocos años después ese efecto constituyó la base para la creación de las

primeras válvulas electrónicas de vacío rectificadoras y detectoras "diodo",

inventada por Sir John Ambrose Fleming, así como las amplificadoras "tríodo",

inventada por Lee de Forest, que abrieron el camino al desarrollo de la

electrónica.

Debido al propio proceso de evaporación, el filamento de tungsteno se va

desintegrando con las horas de uso y la vida útil de la lámpara se reduce.

Cuando ese proceso llega a su límite, el filamento se parte por el punto más

débil y deja de alumbrar. Decimos entonces que la lámpara se ha fundido.

Para evitar el rápido deterioro del filamento por evaporación, desde 1913 se

adoptó el uso del gas argón en el interior de las bombillas. De esa forma se

logra disminuir en cierta medida la evaporación del metal, pues los átomos del

tungsteno evaporados al impactar con los átomos del gas argón rebotan hacia


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el filamento y se depositan de nuevo en su estructura metálica sin que se

produzca una reacción de combustión.

Gracias a esta técnica se ha podido lograr que una lámpara incandescente

normal pueda llegar a tener aproximadamente entre 750 y mil horas de vida

útil.

A partir de la tecnología de las lámparas incandescentes se han desarrollado

posteriormente otros dispositivos de iluminación más eficientes como, por

ejemplo, las lámparas halógenas y, sobre todo, los tubos fluorescentes y las

lámparas fluorescentes de bajo consumo.

1.2 Iluminación con Lámparas Fluorescentes

Introducción.

En la actualidad las lámparas fluorescentes se han convertido en el medio de

iluminación de uso más generalizado en comercios, oficinas, sitios públicos,

viviendas, etc.

Sin embargo, no todas las personas conocen cómo funcionan, cómo emiten luz

sin generar apenas calor, ni cómo pueden desarrollar más lúmenes por watt

(lm/W) con menor consumo de energía eléctrica, comparadas con las lámparas

incandescentes en igualdad de condiciones de iluminación.

La tecnología más antigua conocida en las lámparas fluorescentes es la del

encendido por precalentamiento. De ese tipo de lámpara aún quedan millones

funcionando en todo el mundo a pesar del avance tecnológico que han

experimentado en estos últimos años y las nuevas variantes que se han

desarrollado. Sin embargo, su principio de funcionamiento no ha variado mucho

desde 1938 cuando se introdujeron las primeras en el mercado.


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Fig. 1.7.- Lámpara Fluorescente.

Veamos a continuación cuáles son las partes principales que componen las

lámparas fluorescentes más elementales:

Tubo de descarga

Casquillos con los filamentos

Cebador, encendedor o arrancador (starter)

Balasto (ballast)

Tubo de descarga. El cuerpo o tubo de descarga de las lámparas

fluorescentes se fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros. La

longitud depende, fundamentalmente, de la potencia en watt (W) que desarrolle

la lámpara. El diámetro, por su parte, se ha estandarizado a 25,4 mm

(equivalente a una pulgada) en la mayoría de los tubos. Los más comunes y de

uso más generalizado tienen forma recta, aunque también se pueden encontrar

con forma circular.

La pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia

fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz

ultravioleta (que se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano),

en radiaciones de luz visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra


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relleno con un gas inerte, generalmente argón (Ar) y una pequeña cantidad de

mercurio (Hg) líquido.

El gas argón se encarga de facilitar el surgimiento del arco eléctrico que

posibilita el encendido de la lámpara, así como de controlar también la

intensidad del flujo de electrones que atraviesa el tubo.

Casquillos. La mayoría de los tubos fluorescentes rectos poseen en cada uno

de sus extremos un casquillo con dos patillas o pines de contactos eléctricos

externos, conectadas interiormente con los filamentos de caldeo o de

precalentamiento.

Estos filamentos están fabricados con metal de tungsteno, conocido también

por el nombre químico de wolframio (W), recubiertos de calcio (Ca) y magnesio

(Mg) y su función principal en los tubos de las lámparas fluorescente es

calentar previamente el gas argón que contienen en su interior para que se

puedan encender.

Fig. 1.8.- Elementos de una Lámpara Fluorescente.

A. Patillas o pines de contacto. B. Electrodos. C. Filamento de tungsteno. D.

Mercurio (Hg) líquido.<

E. Átomos de gas argón (Ar). F. Capa o recubrimiento fluorescente de fósforo

(P). G. Tubo de descarga. De cristal.

El recubrimiento de calcio y magnesio que poseen los filamentos facilita la

aparición del flujo de electrones necesario para que se efectúe el encendido de

la lámpara.


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En medio de ese proceso los filamentos se apagan y se convierten en dos

electrodos, a través de los cuales se establece ese flujo de corriente o de

electrones.

Las lámparas fluorescentes por precalentamiento utilizan un pequeño

dispositivo durante el proceso inicial de encendido llamado cebador o

encendedor térmico (starter).

Fig. 1.9.- Cebador de la Lámpara.

Este dispositivo se compone de una lámina bimetálica encerrada en una

cápsula de cristal rellena de gas neón (Ne).

Esta lámina tiene la propiedad de curvarse al recibir el calor del gas neón

cuando se encuentra encendido con el objetivo de cerrar un contacto que

permite el paso de la corriente eléctrica a través del circuito en derivación

donde se encuentra conectado el cebador.

Conectado en paralelo con la lámina bimetálica, se encuentra un capacitor

antiparasitario, encargado de evitar que durante el proceso de encendido se

produzcan interferencias audibles a través del altavoz de un receptor de radio o

ruidos visibles en la pantalla de algún televisor que se encuentre funcionando

próximo a la lámpara.


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Fig. 1.10.- Disposición de los elementos internos de un cebador.

Otra variante de lámpara fluorescente es la de encendido rápido, que no

requiere cebador, pues los electrodos situados en los extremos del tubo se

mantienen siempre calientes.

Otras lámparas poseen encendido instantáneo y tampoco utilizan cebador.

Este tipo de lámpara carece de filamentos y se enciende cuando se le aplica

directamente a los electrodos una tensión o voltaje mucho más elevado que el

empleado para el resto de las lámparas fluorescentes.

Por otra parte, en la actualidad la mayoría de las lámparas fluorescentes de

tecnología más moderna sustituyen el antiguo cebador por un dispositivo de

encendido rápido, mucho más eficiente que todos los demás sistemas

desarrollados anteriormente, conocido como balasto electrónico.

Balasto Electromagnético.

El balasto electromagnético fue el primer tipo de inductancia que se utilizó en

las lámparas fluorescentes. Consta de un transformador de corriente o

reactancia inductiva, compuesto por un enrollado único de alambre de cobre.

Los balastos de este tipo constan de las siguientes partes:


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Núcleo. Parte fundamental del balasto. Lo compone un conjunto de

chapas metálicas que forman el cuerpo o parte principal del transformador,

donde va colocado el enrollado de alambre de cobre.

Carcasa. Envoltura metálica protectora del balasto. Del enrollado de los

balastos magnéticos comunes salen dos o tres cables (en dependencia de la

potencia de la lámpara), que se conectan al circuito externo, mientras que de

los balastos electrónicos salen cuatro.

Sellador. Es un compuesto de poliéster que se deposita entre la carcasa

y el núcleo del balasto. Su función es actuar como aislante entre el enrollado,

las chapas metálicas del núcleo y la carcasa.

Capacitor o filtro. Se utiliza para mejorar el factor de potencia de la

lámpara, facilitando que pueda funcionar más eficientemente.

Desde el punto de vista de la operación de la lámpara fluorescente, la función

del balasto es generar el arco eléctrico que requiere el tubo durante el proceso

de encendido y mantenerlo posteriormente, limitando también la intensidad de

corriente que fluye por el circuito del tubo.

Los balastos magnéticos de uso más extendidos se fabrican para que puedan

trabajar conectados a una línea de suministro eléctrico de 110 ó a una de 220

volt de tensión de corriente alterna y 50 ó 60 hertz (Hz) de frecuencia. El

empleo de uno u otro tipo depende de las características específicas del

suministro eléctrico de cada país.

De acuerdo con la forma de encendido de cada lámpara, así será el tipo de

balasto que utilice. Las formas de encendido más generalizadas en los tubos

de lámparas fluorescentes más comunes son los siguientes:

Por precalentamiento (El sistema más antiguo)

Rápido

Instantáneo

Electrónico (El sistema más moderno)


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Emisión de Luz Fluorescente.

Representación esquemática de la forma en que el átomo de mercurio (Hg)

emite fotones de luz. Ultravioleta, invisibles para el ojo humano y como el

átomo de fósforo (P) los convierte en fotones de. Luz blanca visible, tal

como ocurre en el interior del tubo de una lámpara fluorescente.

Fig. 1.11.- Representación esquemática del Átomo.

La luz en sí misma constituye una forma de energía que puede liberar como

fotón el átomo de un determinado elemento químico. El fotón se caracteriza por

ser una pequeñísima partícula poseedora de energía, pero carente de masa, a

diferencia de los elementos químicos o de cualquier tipo de materia. Para que

un átomo libere fotones de luz es necesario excitar alguno de sus electrones,

empleando medios físicos o químicos.

Dada la fuerte atracción que ejerce el núcleo de un átomo sobre los electrones

que giran a su alrededor en sus correspondientes órbitas, no es normal que

estos la abandonen por sí mismos si no son excitados por un agente externo.

Sin embargo, cuando eso ocurre el electrón salta a otra órbita superior dentro

del mismo átomo, que al encontrarse más alejada del núcleo posee mayor nivel

de energía.

Debido a la atracción que continúa ejerciendo siempre el núcleo del átomo

sobre sus electrones, aquel que abandona su órbita es obligado a que, en


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fracciones de segundo, se reincorpore a la suya propia. En ese momento la

energía extra que adquirió el electrón en la otra órbita la libera en forma de

fotón de luz.

El hecho de que un fotón de luz sea visible o no para el ojo humano depende,

fundamentalmente, del tipo de átomo excitado, y de la longitud de onda y

frecuencia que posea dicho fotón dentro del espectro electromagnético.

En el tubo de descarga de una lámpara de luz fluorescente, los electrones

libres y los iones de un gas inerte contenido en su interior, como el gas argón

(Ar) en este caso, crean las condiciones necesarias para la creación de un

puente de plasma a través del cual puede fluir la corriente eléctrica.

Cuando los electrones libres se mueven a través del puente de plasma,

colisionan con los electrones de los átomos de gas mercurio (Hg) contenidos

también dentro del tubo y los saca de sus órbitas. De inmediato el núcleo de los

átomos de mercurio obliga a que los electrones despedidos se reintegren de

nuevo a sus correspondientes órbitas, a la vez que liberan fotones de luz

ultravioleta, invisible para el ojo humano.

Al mismo tiempo, para que se pueda obtener luz visible, los fotones de luz

ultravioleta liberados impactan sobre la capa fosforescente que recubre la

pared interior del tubo de cristal de la lámpara, excitando los electrones de los

átomos de fósforo (P) contenidos en éste.

El impacto saca de sus órbitas a los electrones del los átomos de fósforos, lo

que son atraídos y obligados a reincorporarse de nuevo a sus correspondientes

órbitas. En ese instante liberan fotones de luz blanca fluorescente visibles para

el ojo humano. Ese proceso provoca que el tubo de descarga de la lámpara

fluorescente se ilumine, proporcionando luz.

El color de la luz que emiten los tubos de las lámparas fluorescentes depende

de la composición química de la capa de fósforo que recubre su interior. Es por

eso que dentro de la gama de luz blanca que emiten estos tubos podemos


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encontrar variantes de blancos más cálidos o más fríos. Incluso se fabrican

también tubos fluorescentes que emiten luz verde, amarilla o roja.

Como en el proceso de encendido las lámparas fluorescentes utilizan sólo por

breves instantes los filamentos de tungsteno, no da tiempo a que se calienten

tanto como ocurre con las lámparas incandescentes. Así, al ser mucho menor

la pérdida de energía por disipación de calor al medio ambiente, el consumo

eléctrico se reduce en un alto porciento.

Esto las convierte en una fuente emisora de luz más económica, eficiente y

duradera si las comparamos con las lámparas o bombillas incandescentes.

Funcionamiento de las Lámparas Fluorescentes.

Las lámparas fluorescentes funcionan de la siguiente forma:

Fig. 1.12.- Partes de la Lámpara fluorescente.

1. Cuando activamos el interruptor de una lámpara de luz fluorescente que

se encuentra conectada a la red doméstica de corriente alterna, los electrones

comienzan a fluir por todo el circuito eléctrico, incluyendo el circuito en

derivación donde se encuentra conectado el cebador (estárter).


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2. El flujo de electrones de la corriente eléctrica al llegar al cebador

produce un arco o chispa entre los dos electrodos situados en su interior, lo

que provoca que el gas neón (Ne) contenido también dentro de la cápsula de

cristal se encienda. El calor que produce el gas neón encendido hace que la

plaquita bimetálica que forma parte de uno de los dos electrodos del cebador

se curve y cierre un contacto eléctrico dispuesto entre ambos electrodos.

3. Cuando el contacto del cebador está cerrado se establece el flujo de

corriente eléctrica necesaria para que los filamentos se enciendan, a la vez que

se apaga el gas neón.

4. Los filamentos de tungsteno encendidos provocan la emisión de

electrones por caldeo o calentamiento y la ionización del gas argón (Ar)

contenido dentro del tubo. Esto crea las condiciones previas para que,

posteriormente, se establezca un puente de plasma conductor de la corriente

eléctrica por el interior del tubo, entre un filamento y otro.

5. La plaquita bimetálica del cebador, al dejar de recibir el calor que le

proporcionaba el gas neón encendido, se enfría y abre el contacto dispuesto

entre los dos electrodos. De esa forma el flujo de corriente a través del circuito

en derivación se interrumpe, provocando dos acciones simultáneas:

a. Los filamentos de la lámpara se apagan cuando deja de pasar la corriente

eléctrica por el circuito en derivación.

b. El campo electromagnético que crea en el enrollado del balasto la corriente

eléctrica que también fluye por el circuito donde éste se encuentra conectado,

se interrumpe bruscamente. Esto provoca que en el propio enrollado se genere

una fuerza electromotriz, cuya energía se descarga dentro del tubo de la

lámpara, en forma de arco eléctrico. Este arco salta desde un extremo a otro

del tubo valiéndose de los filamentos, que una vez apagados se convierten en

electrodos de la lámpara.


25

6. Bajo estas nuevas condiciones, la corriente de electrones, que en un

inicio fluía a través del circuito en derivación de la lámpara donde se encuentra

conectado el cebador, comienza hacerlo ahora atravesando interiormente el

tubo de un extremo a otro, valiéndose de los dos electrodos.

7. La fuerte corriente que fluye por dentro del tubo provoca que los

electrones comiencen a chocar con los átomos del gas argón, aumentando la

cantidad de iones y de electrones libres. Como resultado se crea un puente de

plasma, es decir, un gas compuesto por una gran cantidad de iones y de

electrones libres, que permite que estos se muevan de un extremo a otro del

tubo.

8. Esos electrones libres comienzan a chocar con una parte de los átomos

de mercurio (Hg) contenidos también dentro del tubo, que han pasado del

estado líquido al gaseoso debido a la energía que liberan dichos electrones

dentro del tubo. Los choques de los electrones libres contra los átomos de

mercurio excitan a sus electrones haciendo que liberen fotones de luz

ultravioleta.

9. Los fotones de luz ultravioleta, invisible para el ojo humano, impactan a

continuación contra la capa de fósforo (P) que recubre la pared interior del tubo

fluorescente. El impacto excita los electrones de los átomos fósforo (P), los que

emiten, a su vez, fotones de luz visible, que hacen que el tubo se ilumine con

una luz fluorescente blanca.

10. El impacto de los electrones que se mueven por el puente de plasma

contra los dos electrodos situados dentro del tubo, hace que estos se


26

mantengan calientes (a pesar de que los filamentos se encuentran ya

apagados). Mantener caliente esos dos electrodos se hace necesario para que

la emisión de electrones continúe y el puente de plasma no se extinga. De esa

forma, tanto el ciclo de excitación de los átomos de vapor de mercurio como el

de los átomos de fósforo dentro del tubo continúa, hasta tanto activemos de

nuevo el interruptor que apaga la lámpara y deje de circular la corriente

eléctrica por el circuito.

Fig. 1.13.- Esquema Eléctrico de la Lámpara Fluorescente.

Esquema del circuito eléctrico de una lámpara fluorescente de 20 watt de

potencia: 1. Entrada de la. Corriente alterna. 2. Cebador. 3. Filamentos de

tungsteno. 4. Tubo de descarga de luz fluorescente.5. Balasto o inductancia. 6. Capacitor o filtro.

Breve Historia de las Lámparas Fluorescentes.

El fenómeno de la fluorescencia se conocía incluso mucho antes de existir las

bombillas incandescentes. En 1675 Jean Picard y posteriormente Johann

Bernoulli allá por el año 1700, observaron que al agitar el mercurio se producía

luz.

En 1850 Heinrich Geissler, físico alemán, creó el “tubo Geissler”, capaz de

emitir luz cuando se hacía pasar una descarga eléctrica a través de dicho tubo

relleno con un gas noble.


27

Fig. 1.14.- Fenómeno de Fluorescencia.

En 1891 el norteamericano Daniel McFarlan Moore comenzó a realizar

experimentos con tubos de descarga eléctrica.

En 1904, empleando un tubo Geissler relleno con gas nitrógeno, logró obtener

luz amarilla y si el mismo tubo lo llenaba con bióxido de carbono, obtenía

entonces una luz rosácea, con un espectro muy similar al de la luz solar.

Ese mismo año se instalaron las primeras “lámparas Moore” en unos

almacenes situados en la ciudad de Newark, New Jersey, Estados Unidos de

Norteamérica.

En realidad las lámparas de Moore no tuvieron aceptación en aquel momento

debido a que eran difíciles de instalar, reparar y darles mantenimiento.

En 1927 Friedirch Meyer, Hans Spanner y Edmund Germer patentaron la

lámpara fluorescente, pero hasta 1934 no se comenzaron a desarrollar de

forma industrial.

Las conocidas lámparas de tubos blancos rectos y encendidos por

precalentamiento, se mostraron por primera vez al público en la Feria Mundial

de New York, en el año 1939.


28

Hace ya varios años las lámparas fluorescentes por precalentamiento

comenzaron a ser sustituidas por otras de tecnologías más avanzadas, aunque

existen todavía en el mundo millones de lugares donde aún se utilizan las más

primitivas, es decir, con su tecnología original.

Desde su introducción en el mercado a finales de los años 30 del siglo pasado,

las lámparas fluorescentes fueron ganando rápidamente el favor del público por

la luz uniforme sin deslumbramiento que brindan, la ausencia de sombras

duras, su bajo consumo eléctrico y la variedad de colores disponibles.

Entre las lámparas fluorescentes de tecnología más reciente se encuentran las

del tipo CFL (Compact Fluorescent Lamp – Lámpara Fluorescente Compacta),

conocidas también como lámparas económicas o ahorradoras, con una luz y

tamaño similar al de las lámparas incandescentes, pero con las mismas

ventajas que brinda un tubo de luz fluorescente de mayor tamaño.

1.3 Iluminación con Lámparas Ahorradoras CFL

Introducción.

Desde que Thomas Alva Edison patentó la bombilla incandescente, en 1879,

se han venido desarrollando hasta la fecha otros tipos de lámparas menos

consumidoras de energía eléctrica y de características mucho más eficientes.

Desde los albores de la humanidad el método más común de obtener luz ha

sido generando previamente calor, como ocurre cuando hacemos una antorcha

con la rama de un árbol o encendemos una vela, o una lámpara de queroseno

Por otra parte, si calentamos un trozo de metal con una llama intensa, veremos

como a medida que se calienta pasa del color naranja al amarillo intenso. Pero

si además logramos impartirle una temperatura tan alta como para que alcance

el estado de incandescencia, obtendremos entonces luz blanca. Esa es la

manera de lograr que una lámpara incandescente emita luz.


29

En el caso específico de una lámpara o bombilla incandescente, la corriente

eléctrica que fluye por el delgado filamento metálico de tungsteno provoca que

se caliente a una temperatura tan alta, que al llegar al blanco incandescente

emite luz visible.

Debido a ese fenómeno físico, el 90% del total de la energía eléctrica que

consume una lámpara incandescente para emitir luz se pierde por disipación de

calor al medio ambiente, sin que esa pérdida reporte ningún beneficio útil.

En la práctica, durante todo el tiempo que permanece encendida una lámpara

incandescente disipa más radiaciones infrarrojas (no visibles, pero que se

perciben en forma de calor), que ondas electromagnéticas de luz visible para el

ojo humano.

No obstante, millones de hogares en todo el mundo se alumbran todavía con

lámparas incandescentes, a pesar de que desde finales de los años 30 del

siglo pasado existen otros tipos de lámparas con similares o mejores

prestaciones y menor consumo energético.

Entre esas lámparas se encuentran, por ejemplo, los tubos rectos y circulares

de lámparas fluorescentes y, de aparición más reciente, las lámparas

fluorescentes compactas ahorradoras de energía CFL.

Fig. 1.15.- Diferentes Modelos de Lámparas Ahorradoras CFL


30

Las lámparas fluorescentes CFL constan de las siguientes partes:

Tubo Fluorescente.

Se componen de un tubo de unos 6 mm de diámetro aproximadamente,

doblados en forma de “U” invertida, cuya longitud depende de la potencia en

watt que tenga la lámpara. En todas las lámparas CFL existen siempre dos

filamentos de tungsteno o wolframio (W) alojados en los extremos libres del

tubo con el propósito de calentar los gases inertes, como el neón (Ne), el

kriptón (Kr) o el argón (Ar), que se encuentran alojados en su interior. Junto con

los gases inertes, el tubo también contiene vapor de mercurio (Hg). Las

paredes del tubo se encuentran recubiertas por dentro con una fina capa de

fósforo.

Fig. 1.16.- Filamentos colocados dentro de los tubos de una lámpara CFL.


31

Balasto Electrónico.

Las lámparas CFL son de encendido rápido, por tanto no requieren cebador

(encendedor, starter) para encender el filamento, sino que emplean un balasto

electrónico en miniatura, encerrado en la base que separa la rosca del tubo de

la lámpara.

Ese balasto suministra la tensión o voltaje necesario para encender el tubo de

la lámpara y regular, posteriormente, la intensidad de corriente que circula por

dentro del propio tubo después de encendido.

El balasto electrónico se compone, fundamentalmente, de un circuito

rectificador diodo de onda completa y un oscilador, encargado de elevar la

frecuencia de la corriente de trabajo de la lámpara entre 20 000 y 60 000 hertz

aproximadamente, en lugar de los 50 ó 60 hertz con los que operan los

balastos electromagnéticos e híbridos que emplean los tubos rectos y

circulares de las lámparas fluorescentes comunes antiguas.

Fig. 1.17.- Balasto Electrónico.


32

Base.

La base de la lámpara ahorradora CFL se compone de un receptáculo de

material plástico, en cuyo interior hueco se aloja el balasto electrónico. Unido a

la base se encuentra un casquillo con rosca normal E-27 (conocida también

como rosca Edison), la misma que utilizan la mayoría de las bombillas o

lámparas incandescentes. Se pueden encontrar también lámparas CFL con

rosca E-14 de menor diámetro (conocida como rosca candelabro). No obstante,

existen variantes con otros tipos de conectores, de presión o bayoneta, en

lugar de casquillos con rosca, que funcionan con un balasto electrónico

externo, que no forma parte del cuerpo la lámpara.

Funcionamiento.

El funcionamiento de una lámpara fluorescente ahorradora de energía CFL es

el mismo que el de un tubo fluorescente común, excepto que es mucho más

pequeña y manuable.

Cuando enroscamos la lámpara CFL en una porta lámpara (igual al que utilizan

la mayoría de las lámparas incandescentes) y accionamos el interruptor de

encendido, la corriente eléctrica alterna fluye hacia el balasto electrónico,

donde un rectificador diodo de onda completa se encarga de convertirla en

corriente directa y mejorar, a su vez, el factor de potencia de la lámpara. A

continuación un circuito oscilador, compuesto fundamentalmente por un circuito

transistorizado en función de amplificador de corriente, un enrollado o

transformador (reactancia inductiva) y un capacitor o condensador (reactancia

capacitiva), se encarga de originar una corriente alterna con una frecuencia,

que llega a alcanzar entre 20 mil y 60 mil ciclos o hertz por segundo.


33

Fig. 1.18.- Lámpara Ahorradora CFL.

La función de esa frecuencia tan elevada es disminuir el parpadeo que provoca

el arco eléctrico que se crea dentro de las lámparas fluorescentes cuando se

encuentran encendidas.

De esa forma se anula el efecto estroboscópico que normalmente se crea en

las antiguas lámparas fluorescentes de tubo recto que funcionan con balastos

electromagnéticos (no electrónicos). En las lámparas fluorescentes antiguas el

arco que se origina posee una frecuencia de sólo 50 ó 60 hertz, la misma que

le proporciona la red eléctrica doméstica a la que están conectadas.

Para el alumbrado general el efecto estroboscópico es prácticamente

imperceptible, pero en una industria donde existe maquinaria funcionando,

impulsadas por motores eléctricos, puede resultar peligroso debido a que la

frecuencia del parpadeo de la lámpara fluorescente se puede sincronizar con la

velocidad de giro de las partes móviles de las máquinas, creando la ilusión

óptica de que no están funcionando, cuando en realidad se están moviendo.


34

En las lámparas CFL no se manifiesta ese fenómeno, pues al ser mucho más

alta la frecuencia del parpadeo del arco eléctrico en comparación con la

velocidad de giro de los motores, nunca llegan a sincronizarse ni a crear efecto

estroboscópico.

Desde el mismo momento en que los filamentos de una lámpara CFL se

encienden, el calor que producen ionizan el gas inerte que contiene el tubo en

su interior, creando un puente de plasma entre los dos filamentos.

A través de ese puente se origina un flujo de electrones, que proporcionan las

condiciones necesarias para que el balasto electrónico genere una chispa y se

encienda un arco eléctrico entre los dos filamentos.

En este punto del proceso los filamentos se apagan y se convierten en dos

electrodos, cuya misión será la de mantener el arco eléctrico durante todo el

tiempo que permanezca encendida la lámpara. El arco eléctrico no es

precisamente el que produce directamente la luz en estas lámparas, pero su

existencia es fundamental para que se produzca ese fenómeno.

A partir de que los filamentos de la lámpara se apagan, la única misión del arco

eléctrico será continuar y mantener el proceso de ionización del gas inerte. De

esa forma los iones desprendidos del gas inerte al chocar contra los átomos del

vapor de mercurio contenido también dentro de tubo, provocan que los

electrones del mercurio se exciten y comiencen a emitir fotones de luz

ultravioleta.

Dichos fotones, cuya luz no es visible para el ojo humano, al salir despedidos

chocan contra las paredes de cristal del tubo recubierto con la capa

fluorescente. Este choque de fotones ultravioletas contra la capa fluorescente

provoca que los átomos de fluor se exciten también y emitan fotones de luz

blanca, que sí son visibles para el ojo humano, haciendo que la lámpara se

encienda.


35

Características de las Lámparas Ahorradoras CFL.

Son compatibles con los portalámparas, zócalos o “sockets” de las lámparas

incandescentes de uso común.

Al igual que las lámparas incandescentes, sólo hay que enroscarlas en el

portalámparas, pues no requieren de ningún otro dispositivo adicional para

funcionar.

Disponibles en tonalidades “luz de día” (daylight) y “luz fría” (cool light), sin

que introduzcan distorsión en la percepción de los colores.

Encendido inmediato tan pronto se acciona el interruptor, pero con una luz

débil por breves instantes antes que alcancen su máxima intensidad de

iluminación.

Precio de venta al público un poco mayor que el de una lámpara

incandescente de igual potencia, pero que se compensa después con el ahorro

que se obtiene por menor consumo eléctrico y por un tiempo de vida útil más

prolongado.

Tabla 1.1 Tonalidades en Blanco de las Lámparas Fluorescentes.


36

Tonalidades

Temperatura del color en grados

Kelvin (°K)

Blanco Extra Cálido 2700 (igual que una incandescente)

Blanco Cálido 3500

Blanco 3500

Blanco Frio 4000 (Predominio del Color Azul)

Tabla 1.2 Comparación entre una Lámpara CFL de 11W Y otra incandescente equivalente de 60 W

fluorescente incandescente

Potencia 11 W 60 W

Entrega de Luz 600 lm (lúmenes) 720 lm

Eficiencia 600 lm – 11W = 54 lm/W 720 lm – 60 W = 12 lm/W

Vida Útil 8000 – 10000 horas 1000 horas

Lámparas Necesarias

Para cubrir 8000 horas de

Trabajo

1 8

Consumo de Energía para

8000 horas de Trabajo

88 kw/h 480 Kw/h

Relación del Consumo 18.3% 100%

Tabla 1.3 Equivalencia Aproximada de Potencia de Consumo en Watt entre las Lámparas fluorescentes CFL de uso mas generalizado y las incandescentes comunes.


37

Potencia en watt (W)

Lámpara CFL

Flujo luminoso en lúmenes (lm)

(CFL)

Eficacia en lm-W (CFL)

Potencia aproximada en W

necesaria en una

incandescente comparada con la

CFL

5 180 36 25

7 286 41 35

9 400 44 40

11 600 55 60

18 900 56 90

20 1200 60 100

1.4 Iluminación con Tecnología LED

LED.

Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz), es un

dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de espectro

reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula

por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de

electroluminiscencia.

El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en

la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el

visible, hasta el infrarrojo. Los diodos emisores de luz que emiten luz

ultravioleta también reciben el nombre de UV LED (UltraV'iolet Light-Emitting

Diode) y los que emiten luz infrarroja suelen recibir la denominación de IRED

(Infra-Red Emitting Diode).

El funcionamiento físico consiste en que, en los materiales semiconductores,

un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde

energía; esta energía perdida se puede manifiestar en forma de un fotón


38

desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa

energía perdida al pasar un electrón de la banda de conducción a la de

valencia se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de

energía (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material

semiconductor.

Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la

zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p;

ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el

diodo.

Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es

decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un

nivel energético superior a otro inferior más estable.

Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda

prohibida directa o "direct bandgap" con la energía correspondiente a su banda

prohibida (véase semiconductor).

Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de

banda prohibida indirecta o "indirect bandgap") no se produzcan emisiones en

forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en

los semiconductores de banda prohibida directa (como el Nitruro de Galio) que

en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el Silicio).

La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los

diodos y sólo es visible en diodos como los LEDs de luz visible, que tienen una

disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea

reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida

coincidente con la correspondiente al espectro visible.

En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor,

radiación infrarroja o radiación ultravioleta.


39

En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta,

se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible,

mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación

ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de

plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en

las lámparas incandescentes.

Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya

que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una

fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de

intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo

Fig. 1.19.- Representación de un LED

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente

que atraviesa el LED; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de

operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está

relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la

gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación.

Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED corriente están

comprendidos entre los 10 y los 40 mA.


40

En general, los LEDs suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente

que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se

suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor

cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor

cuanto menor es la intensidad que circula por ellos).

El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero

de General Electric Nick Holonyak en 1962.

Fig. 1.20.- Diferentes Colores de LEDs

Conexión.

Para conectar LEDs de modo que iluminen de forma continua, deben estar

polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de

alimentación conectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo.

Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia

de potencial superior a su tensión umbral.

Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no

excede los límites admisibles (Esto se puede hacer de forma sencilla con una

resistencia R en serie con los LEDs). Unos circuitos sencillos que muestran

cómo polarizar directamente LEDs son los siguientes:


41

Fig. 1.21.- Representación de la Conexión con LEDs

La diferencia de potencial Vd varía de acuerdo a las especificaciones

relacionadas con el color y la potencia soportada.

En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los

siguientes valores de diferencia de potencial:4

Rojo = 1,8 V a 2,2 V

Naranja = 2,1 V a 2,2 V

Amarillo = 2,1 V a 2,4 V

Verde = 2 V a 3,5 V

Azul = 3,5 V a 3,8 V

Blanco = 3,6 V

Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia R adecuada

para la tensión de la fuente Vfuente que utilicemos.


42

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad

luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 mA para LEDs de baja

luminosidad y 20 mA para LEDs de alta luminosidad; un valor superior puede

inhabilitar el LED o reducir de manera considerable su tiempo de vida.

Otros LEDs de una mayor capacidad de corriente conocidos como LEDs de

potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA

o incluso a 1000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas

por el fabricante.

Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las

diferencias de potencial en cada uno.

También se pueden hacer configuraciones en paralelo, aunque este tipo de

configuraciones no son muy recomendadas para diseños de circuitos con LEDs

eficientes.

La luz del Futuro.

Este mercado, en plena expansión y que sigue de cerca las nuevas tecnologías

LED (Ligth Emetting Diodes o Diodos Emisores de Luz), interesa a muchos

constructores ya que proporciona una luz menos directa, más potente, etc. Sin

duda, el futuro de la iluminación.

En el campo de la iluminación, como en muchos otros, todo va deprisa y

algunos fabricantes ya han llegado muy lejos. El LED cada día es más habitual

hoy tenemos, por ejemplo, este tipo de iluminación adoptado por linternas,

lámparas de lectura u otros tipos de accesorios similares.

En lo que respecta al precio, una bombilla para luz de navegación o de fondeo,

cuesta entre los 32 y los 70 euros, mientras que la destinada a una lámpara

interior vale del orden de 72 euros. Hay fabricantes que ofrecen conjuntos de

luces de navegación y de fondeo.

Rendimiento y Consumo.


43

Si volvemos a nuestra comparación con una lámpara incandescente, una LED

tiene mejor rendimiento con menos consumo. Una lámpara incandescente

emite luz mediante el calentamiento de un filamento. Este sistema presenta

tres inconvenientes: la fragilidad del filamento, que no es más que una pequeña

resistencia, el consumo eléctrico y el rendimiento.

En lo que respecta al rendimiento, el de una LED es claramente superior (entre

un 12 y un 30% de más, dependiendo del color) al de una lámpara de

incandescencia. Por lo tanto, tenemos que la gran ventaja del LED es su bajo

consumo en comparación con el de una bombilla incandescente convencional.

El rendimiento de una bombilla incandescente es del orden del 1%, pues el

99% de la energía se convierte en calor. En cuanto a una LED, este

rendimiento es del orden del 30%, lo que significa un consumo de 8 a 16 veces

inferior.

Hemos de tener en cuenta que una LED blanca empleada como luz roja o

verde, situada tras un plástico de color, pierde en torno a un 70% de su

luminosidad. Luces de posición: ¿por qué no con LED? Cuando se navega de

noche, existen dos posibles soluciones para las luces de posición: las

tradicionales bombillas incandescentes o las nuevas lámparas LED.

Las bombillas utilizadas en las luces a tope del palo (tricolores) tienen una

potencia de 25 vatios (o de 12 vatios), lo que significa un consumo superior a

dos amperios (1 amperio para cada 12 vatios). Navegando toda la noche (unas

8 horas) con una luz tricolor provista de una bombilla de 25 vatios, significa que

consumiremos 16 amperios, mientas que si la bombilla es de 12 vatios, el

consumo será de 8 amperios.

Si equipamos la misma luz con una bombilla LED, el consumo medio será de 1

amperio, es decir de 8 a 16 veces menos. En el mercado podemos encontrar

modelos que cumplen las normas en cuanto a alcance y con una luminosidad

superior a la exigida para compensar las pérdidas cuando están situadas

detrás de una luz tricolor. Hemos de tener en cuenta que una LED blanca

colocada detrás de un filtro verde pierde el 70% de su potencia lumínica y

emite una luz algo azulada.


44

Iluminación Interior.

Cuando se está en un fondeadero o en puerto, donde no hay posibilidad de

conectarse a la red de tierra, a 230 voltios, la energía para iluminar el interior

de la embarcación debe tomarse de las baterías. Y como antes, está claro que

siempre podemos recurrir a una lámpara de petróleo o de gas, lo cual es una

solución económica pero algo embarazosa.

La lámpara de petróleo irradia mucho calor, no siempre es fácil de encender y,

además, emite un olor desagradable. El gas proporciona una luz viva, pero su

funcionamiento es algo ruidoso. Nos queda la electricidad, en cuyo caso hay

varias soluciones: bombillas incandescentes, focos halógenos con mejor

rendimiento que las incandescentes (del 3 al 5%), tubos de neón de

rendimiento mediano (del 7 al 8%), pero cuya iluminación difusa no siempre es

cálida y, naturalmente, los LEDs. En este último caso, el ahorro energético está

totalmente garantizado.

Un foco con diez LEDs (con consumo de 0,03 A) equivale a una bombilla

halógena de 10 vatios (con consumo 0,8 amperios). Entonces, ¿todo son

ventajas?. Pues no, si uno prefiere una luz cálida y resplandeciente. Una

bombilla halógena ilumina un volumen con su resplandor. Un LED tiene una

emisión de luz más dirigida.

Para iluminar una cámara o salón con el mismo poder lumínico que ofrecen las

lámparas halógenas, con los LEDs hay que instalar varios puntos de luz. Pero,

podemos estar tranquilos, a pesar de todo el consumo se verá reducido en

unas 5 o 6 veces. Y todavía queda un tema pendiente: la calidez de la

iluminación. En este sentido, la luz difundida por los LEDs es fría y produce una

tonalidad un poco “cadavérica”.

Nos recuerda algunas luces de neón. Pero, esto es el precio que hay que pagar

por el ahorro. Sin embargo, las principales ventajas de los LEDs en el interior

del barco están en las iluminaciones puntuales, como por ejemplo en la mesa

de cartas, las lámparas de lectura en las cabinas, o las de la cocina.


45

Para ello en el mercado tenemos luces internas aptas para sustituir las

bombillas tradicionales (que además utilizan las mismas conexiones de

portalámparas, pero las dimensiones son diferentes). Por ejemplo, un LED de

alto rendimiento (tipo Luxeon) sustituye las bombillas halógenas de 5 y 10

vatios, pero su consumo no supera los 0,15 A (que en el caso del halógeno es

de 0,4 a 0,8 A).

Instalación de un sistema LED.

Tal como hemos comentado, los LEDs se hallan en plena evolución. Hace unos

cuatro años eran poco luminosos. Con el fin de incrementar su luminosidad, los

fabricantes han concentrado el haz de luz, que originalmente era de 180º,

mediante una pequeña lente colocada sobre el LED. Gracias a esta técnica se

aumenta la luminosidad, pero siempre a costa de una reducción del ángulo de

emisión del haz luminoso (que es de menos de 30º). Por lo tanto, para

conseguir iluminar los 360º, es preciso disponer una gran cantidad de LEDs en

forma de estrella.

Sin embargo, en el mercado han aparecido numerosos tipos de diodos cuya

potencia hace innecesaria la aplicación del truco de la lente. Ahora, las

investigaciones sobre los LEDs están dirigidas a mejorar el ángulo y la potencia

de emisión, de forma que actualmente ya se pueden encontrar productos cada

vez con mayores prestaciones. Hay que decir que el mercado del LED es muy

importante en el ámbito de la iluminación en general, y en consecuencia, el

sector náutico es ínfimo en comparación a lo que representan las iluminaciones

de espacios públicos y del hogar.

Actualmente, el mercado ofrece bombillas y luces tipo LED para equipar las

embarcaciones. En lo que respecta a las luces de navegación, basta con

cambiar la bombilla estándar por un LED.

Pero, cuidado, no todos los productos que aparecen en los catálogos son

equivalentes. Tomando, como ejemplo, una luz de posición, la bombilla

incandescente estándar no está polarizada. Es decir, que en ésta se puede

invertir el polo positivo y seguirá funcionando igual de bien.


46

Por el contrario, un LED está polarizado, aunque algunos fabricantes ofrecen

modelos con una pequeña electrónica integrada en el casquillo de la lámpara

para poder conectarlo como si fuera una bombilla no polarizada. En lo que

respecta al casquillo de conexión, existen prácticamente todos los modelos, y

en todo caso los tipos más habituales, BAY15D, BA15S y tipo lanzadera, no

son difíciles de encontrar. Otra opción son las luces LED completas, en cuyo

caso deberemos elegir entre LEDs teñidos, que van colocados detrás de una

protección traslúcida, o bien LEDs blancos, que disponen de un filtro (blanco,

rojo o verde).

En cuanto a las luces interiores, nada nos impide sustituir las lámparas

halógenas por LEDs. Pero, cuidado, aunque el casquillo de conexión sea igual,

su volumen puede ser mayor, lo que impedirá colocar la pantalla protectora.

Tanto si se trata de luces exteriores (de navegación a vela o a motor), de luz

de fondeo o de iluminación de interiores, deberemos inclinarnos por productos

de última generación y, sobre todo, prestar atención al color que emita el LED.

ILUMINACIÒN CON TECNOLOGIA LED

¿QUE ES UN LED?

Los leds básicamente son lámparas de estado sólido, o sea sin filamento ni gas

inerte que lo rodee, ni cápsula de vidrio que lo recubra. El led es un

semiconductor unido a dos terminales cátodo y ánodo (negativo y positivo

respectivamente) recubierto por una resina epóxica transparente. Cuando una

corriente circula por el led se produce un efecto llamado electroluminiscencia o

sea el led emite luz monocromática en frecuencias que van desde el infrarrojo

pasando por todo el espectro de luz visible y llega hasta el ultravioleta.


47

Fig. 1.22.- Diferentes Colores de LEDs

PARTES DE UN LED

Fig. 1.23.- Partes de un LED


48

Lente Epóxico Este lente mantiene todo el paquete estructurado, determina el haz de luz,

protege al chip reflector, además de extraer el flujo luminoso.

Cable Conductor Es un cable muy delgado de oro, el cual conecta cada terminal a cada uno de

los postes conductores.

Chip

Consiste en dos capas de material emisor semiconductor, cuando los átomos

son excitados por un flujo de corriente intercambiando electrones, creando la

luz.

Reflector Está por debajo del Chip reflejando y proyectando luz hacia fuera, sólo un 3%

se queda atrapado.

Cátodo

Poste hecho de aleación de cobre y conduce carga negativa, el cátodo es más

corto que el ánodo para facilitar un ensamble más rápido y preciso en el

circuito.

Ánodo

Poste hecho en aleación de cobre y conduce carga positiva.

HISTORIA DE LOS LEDS

La aplicación más conocida de la energía eléctrica entre la población es la

iluminación, en nuestro país se estima que el 16% del consumo total de

energía eléctrica tiene como destino la iluminación, adicionalmente el factor de

coincidencia de la iluminación con la demanda máxima del sistema eléctrico, es

de los más elevados, lo que hace a esta aplicación uno de los temas más

relevantes y que ha estimulado un importante desarrollo tecnológico.


49

A partir de la invención de las lámparas incandescentes hace más de 100 años,

una buena parte de los esfuerzos en desarrollo tecnológico de equipos de

iluminación, se ha dirigido hacia el descubrimiento de tecnologías más

eficaces, que también permitan reducir la emisión de calor y prolongar la vida

útil de los sistemas.

Posterior al desarrollo de las lámparas incandescentes salieron al mercado las

lámparas fluorescentes lineales, cuya aplicación va dirigida fundamentalmente

a instalaciones comerciales, que a diferencia de las lámparas incandescentes,

el principio de operación en lugar de ser mediante el calentamiento de un

filamento, la iluminación se logra a partir de la descarga de corriente eléctrica,

en un medio compuesto por gases y mercurio para generar luz visible, con lo

que se reducen las pérdidas por emisión de calor.

A diferencia de una lámpara incandescente, un tubo fluorescente consume

hasta un 75% menos que las lámparas incandescentes.

En el caso de iluminación aplicable tanto al sector comercial como al sector

doméstico, el principal desarrollo se ha logrado a través de la fabricación de

lámparas fluorescentes compactas, en este caso, la tecnología ha ido

evolucionando, del uso de balastros electromagnéticos a balastros electrónicos,

lo que ha permitido reducir el tamaño del conjunto de lámpara-balastro, y en un

amplio número de modelos, hace posible la utilización de éstos dispositivos en

cualquier tipo de luminaria; adicionalmente atendiendo a las necesidades del

usuario, es posible encontrar este tipo de lámparas con diferentes temperaturas

de color, desde el blanco frío hasta la luz cálida.

Los desarrollos tecnológicos se han traducido en mayor eficacia, tanto de las

lámparas fluorescentes lineales como de las fluorescentes compactas, así

como en su mayor comercialización, ya que se ha estimulado una sensible

reducción en sus precios en el caso de estos últimos.


50

En la actualidad existe una nueva tecnología en el mercado de la iluminación

que son los diodos emisores de luz mejor conocidos como LED’s, sus siglas

provienen del Ingles (Light Emitting Diode), eran prácticamente desconocidos

para el área de iluminación, en general la mayoría de las aplicaciones eran

para electrónica, señalización, la industria automotriz y su utilización era a nivel

industrial, esto es, como un dispositivo integrado a otro equipo.

Actualmente la luz de las lámparas incandescentes se genera basándose en

filamentos convencionales en los que el 90% de la energía se transforma en

calor y se pierde, mientras que la tecnología LED hace brillar un cristal, por lo

que la energía se transforma directamente en luz. Por lo tanto los LED´s logran

ahorrar energía eléctrica en un 90%.

Casi todos estamos familiarizados con los LED´s, los conocemos de verlos en

el frente de muchos equipos de uso cotidianos, como radios, televisores,

teléfonos celulares, etc., sin embargo la falta de una amplia gama de colores y

una baja potencia lumínica han limitado su uso considerablemente.

No obstante eso esta cambiando gradualmente con la introducción de nuevos

materiales que han permitido crear LED´s de prácticamente todo el espectro

visible de colores y ofreciendo al mismo tiempo una eficiencia lumínica que

supera a la de las lámparas incandescentes. Estos nuevos LED´s son

brillantes, eficientes y coloridos están expandiendo su dominio a un amplio

rango de aplicaciones en iluminación desplazando a su anterior campo de

dominio que era el de la mera indicación


51

Fig. 1.24.- Diferentes tipos de LEDs

Actualmente es posible atestiguar el inicio de otras aplicaciones de esta

tecnología, fundamentalmente para iluminación decorativa, mientras que en el

caso de iluminación general, es importante avanzar en su desarrollo y, el

propósito del FIDE, es demostrar la viabilidad técnica y rentabilidad económica

del uso de LED’s para ambas aplicaciones, para con ello estar en condiciones

de diseñar un programa a gran escala que permita la incorporación de los

LED’s de manera masiva.


52

CAPITULO 2 ESTUDIO COMPARATIVO DE LUMINARIAS DE BAJO

CONSUMO DE POTENCIA (TUBOS FLUORESCENTES

LINEALES)

2.1 Ventajas y Desventajas de los Tubos Fluorescentes Lineales Los tubos Fluorescentes son usados sobre todo en oficinas, comercios,

industrias, en menor escala en Residencias. Pese a los esfuerzos de todos, la

versión luz día estándar sigue siendo la mas usada.

Las nuevas versiones, mas eficientes son el T-8 y el T5 trifosforos.

Los tradicionales tienen una eficiencia de 62.5 a 69 lm/W.


53

Los trifosforos T8 tienen una eficiencia de 93.0 lm/W, su depreciación es más

lenta: aumenta la duración, reduce el factor de mantenimiento. Ventajoso en

instalaciones nuevas, por que permite reducir la cantidad para igual

iluminancia.

Tabla 2.1 Ventajas Y Desventajas de un Tubo T-8

VENTAJAS DESVENTAJAS

Económicos Mayor contaminación Lumínica

Fácilmente Reemplazables Menor tiempo de Vida

Generan muy poco Calor Utilizan Balastro

Gran Cantidad de lm/Wat Mayor Consumo de Potencia

Gran Variedad de Marcas Se requiere Mantenimiento Periódico

Fig. 2.1.- Tubos Fluorescentes Usados en la Industria


54

2.2 Ventajas y Desventajas de Un Tubo con Tecnología LED Esta línea de Tubos LED ha estado desarrollándose especialmente para

sustituir los tubos fluorescentes convencionales en aplicaciones donde el

continuo reemplazo de lámparas representa un enorme costo, tanto de material

como de mano de obra.

La tecnología LED tiene considerables ventajas, como la larga vida útil, el

ahorro de Energía al consumir bajos niveles de operación y potencia,

encendido instantáneo, operación confiable a bajas temperaturas; todo esto

aunado a las ventajas especiales de los LED.

Tabla. 2.2.- Ventajas y Desventajas de un Tubo de LEDs

VENTAJAS DESVENTAJAS

Menor Consumo de Potencia Mayor Costo de Inversión

Larga Vida de operación Dificultad para adquirirse en el Mercado

No contiene Mercurio Menor ángulo de Iluminación

Menor Contaminación Lumínica ---

Mayor Cantidad de lm/W ---


55

Fig. 2.2.- Propuesta de Luminaria con Tecnología LED

Tabla. 2.3.- Tabla Comparativa entre un Tubo Fluorescente y un Tubo con Tecnología LED

Características Convencional 40W FTL LED Basada Lámpara T8

Tiempo de Vida 10,000 100,000

Voltaje Requerido 120V AC o 240V AC 80-300V AC

Balastro SI NO

Consumo de Potencia (tubo)

45W 18W

Consumo de Potencia (Tubo y Balastro)

60W 18W

Ahorro de Energía -- 70%


56

Fig. 2.3.- Luminaria Basada en Tecnología LED

2.3 LEDS de Primera Generación.

Surgiendo los Primeros LEDS de primera generación se inician los proyectos

de iluminación consiguiendo la intensidad luminosa de un foco ahorrador pero

con un menor consumo de potencia debido a su bajo consumo de corriente; a

continuación se muestran los diferentes tipos de LEDS.

Figura 2.4 LED de Primera Generación Blanco


57

Tabla 2.4 Datos Técnicos para LED de Primera Generación Blanco.

Figura 2.5 LED de Primera Generación Azul

Características

Símbolo Condición de prueba

Mín. Tipo Máx. Unidad

Voltaje continúo VF IF=20mA - 3.3 3.5 V

Corriente inversa IR VR=5V - - 50 mA

Intensidad luminosa

IV IF=20mA 3500 3800 - mcd

Longitud d’onda dominante

d IF=10mA - - - nm

Angulo de visión

- - 40 - grados


58

Tabla 2.5.- Datos Técnicos para el LED de Primera Generación color Azul.

Figura 2.6.- LED de Primera Generación Rojo

Características





Intensidad luminosa

IV IF=20mA 3300 3700 - mcd


d IF=10mA - 470 - nm

Angulo de visión

- - 40 - grados


59

Tabla 2.6 Datos Técnicos para el LED de Primera Generación color Rojo.

2.4 LEDS de Segunda Generación.

Este tipo de LED evoluciona con un mayor ángulo de apertura y con mayor

intensidad luminosa comparados con los LEDS tipo bulbo o de Primera

Generación. Aunque no fue necesaria la intensidad luminosa que se logra por

lo que fue necesario el desarrollo de un LED con mayor tecnología; dentro de la

Segunda generación se tienen de diferentes colores de los cuales se

mencionan enseguida con sus diferentes datos técnicos.

Figura 2.7.- LEDS de Segunda Generación

Características





Intensidad luminosa

IV IF=15mA 2800 3300 - mcd


d IF=15mA - 625 - nm


60

Tabla 2.7 Datos Técnicos LEDS de Segunda Generación.

2.5 LEDS de Tercera Generación.

Este tipo de LED evoluciona con su lente integrado con el fin de incrementar la

intensidad luminosa el problema de este tipo es que el ángulo de apertura no

se logro como el de segunda generación por lo que fue necesario realizar mas

estudios y buscar una nueva generación mas; dentro de esta generación se

tienen de diferentes colores de los cuales se mencionan enseguida con sus

diferentes datos técnicos.

Figura 2.8 LED de Tercera Generación “Tipo Piraña”


61

Datos técnicos:

Led Tercera Generación color verde: Haz de apertura 65 grados, 3000

milicandelas,V directo de 3.0 a 3.3V ,longitud de onda de 520 a 525 nm.

Figura 2.9 LED de Tercera Generación “Verde”

Led Tercera Generación color azul: Haz de apertura 65 grados, 1300

milicandelas, V directo de 3.2 a 3.4 v, longitud de onda de 465 a 470 nm.

Figura 2.10 LED de Tercera Generación “Azul”

Led Tercera Generación color amarillo: Haz de apertura 65 grados, 350

milicandelas, V directo de 1.9 a 2.1 V, longitud de onda de 590 a 593 nm.


62

Figura 2.11 LED de Tercera Generación “Amarillo”

Led Tercera Generación color rojo: Haz de apertura 65 grados, 5000

milicandelas, V directo de 1.9 a 2.1 V, longitud de onda de 620 a 625 nm.

Figura 2.12 LED de Tercera Generación “Rojo”

Led Tercera Generación color blanco cálido: Haz de apertura 65 grados, 1500

milicandelas, V directa de 3.2 a 3.4 V, temperatura de color 3300k.

Figura 2.13 LED de Tercera Generación “Blanco Cálido”


63

Led Tercera Generación color blanco frio: Haz de apertura 65 grados, 3000

milicandelas, v directa 3.2 a 3.4 v, temperatura de color 5200k.

Figura 2.14 LED de Cuarta Generación “Blanco Frio”

APLICACIONES: Carteles de publicidad, señalizadores, semáforos,

indicadores de transito, decoración de interiores y exteriores, automóviles,

iluminación de piletas, etc.

2.6 LEDS de Cuarta Generación.

Este dispositivo se ha diseñado para cubrir la creciente demanda de Leds

blancos en SMD.

El encapsulado del TLMW3100 es el PLCC2 (equivalente a un condensador de

Tántalo caja B).El patillaje está integrado en un termoplástico blanco.

El reflector dentro de este encapsulado está cubierto con una mezcla de epoxy

y fósforo YAG. El fósforo YAG convierte la emisión azul parcialmente a

amarillo, la cuál se mezcla con el azul remanente paradar blanco.

Fig. 2.15 LED de Cuarta Generación


64

Vishay ofrece leds en distintos encapsulados SMD. Los llamados “POWER

LEDS” y “Top LEDs” se ofrecen en encapsulado estándar P-LCC-2. Estos

productos se ofrecen en encapsulados blancos en medidas de 2.3 mmx 1.3

mm y 1.4 mm.

Con un ángulo de visión de 120º, los leds SMD de Vishay son indeles en

aplicaciones de instrumentación, interruptores y retro iluminación de inconos.

Todos son de rango extendido de temperatura (40ºC + 100ºC ), y con una alta

fiabilidad, crucial para las aplicaciones de automoción.

Tabla 2.8 Características y Aplicaciones de LEDS de Cuarta Generación.


65

Datos Técnicos

Tabla 2.9 Características Generales del LED Standard de Cuarta Generación

Tabla 2.10 Características Generales del LED POWER SMD de Cuarta Generación


66

CAPITULO 3 DISEÑO DE LA LUMINARIA.

3.1 Dimensionamiento. En este capitulo se presenta el diseño de cada parte que compone la

Luminaria. La mayor aportación de diseño del circuito electrónico en el cuál se

alimentan los LEDS a un Voltaje de 167 Volts. Este sistema involucra una

tecnología, sencilla y cuyos procesos y materiales pueden fabricarse con gran

facilidad para buscar la venta en diferentes mercados. En cuanto al diseño de

partes, se proponen elementos de rápido y fácil ensamble, y que requiriera de

mínimo mantenimiento.

En la Fig. 3.1 se muestra el Gabinete de LEDS los cuales su ángulo de

emisión de luz es de 120° por lo que en base a este se propone el diseño del

Módulo Fabricado en Aluminio para Garantizar un mínimo peso.


67

Fig. 3.1.- Modulo de LEDS

En la Figura 3.2 se observa el dimensionamiento del Gabinete de LEDs que se

integra de 4 Módulos de 100 LEDs de Segunda Generación y Tercera

Generación.

Fig. 3.2.- Dimensionamiento del Módulo


68

Fig. 3.3.- Vista del Gabinete 3.2 Modelado en Computadora. Como se menciona el modulo de LEDS cuenta con 4 paneles de 100 LEDS c/u

de corriente alterna utilizando el Software PCB WIZARD para la simulación y

ruteado del circuito se pudo simular los paneles de LEDS en operación como

se muestran en las siguientes figuras.

Fig. 3.4.- Panel de 100 LEDS alimentados por AC (PCB WIZARD).

Ya simulado el circuito electrónico en el Programa PCB Wizard se imprimió en

la placa fenolica para proceder a manufacturar todos los paneles de LEDS que

son alimentados con corriente alterna Siguiendo los siguientes pasos.

1.-Se rutia el circuito electrónico con ayuda del Programa PCB WIZARD para

obtener el circuito impreso como se muestra en la siguiente figura.


69

Fig. 3.6.- Rutiando el Circuito Electrónico en el PCB WIZARD.

2.- Se obtiene el circuito electrónico impreso en Albanene el cuál es necesario

para mandar hacer el enmallado Serigrafiado como se muestra en la figura.

Fig. 3.7.- Malla Serigrafiada del Circuito Electrónico.


70

3.- Se coloca la malla sobre la placa fenolica, se aplica la tinta plástica, quedando marcado nuestro circuito como se muestra la figura.

Fig. 3.8.-Cicuito grabado en la Placa Fenolica.

3.- Ya obtenido el circuito electrónico en la placa fenolica se procede a

corroerlo con Cloruro Férrico para esto se recomienda lo siguiente:

*Utilizar recipientes de plástico o vidrio para mezclar la solución.

*Mezclar 2 partes de cloruro férrico por una parte de agua para activar la

solución.

*Sumergir la placa fenolica en la solución, esta deberá cubrir completamente la

placa.

*Agitar Suavemente hasta que el cobre sobrante desaparezca de la placa.

*Finalmente lavar la placa con agua para limpiar completamente el cloruro.


71

Fig. 3.9.-Corrosiòn de la placa Fenolica.

Fig. 3.10.-Preparaciòn de la Placa.


72

Para el diseño del Prototipo es necesario hacer un modelado previo en

computadora con ayuda del Software AUTOCAD 2008 por lo que en la

siguiente imagen se muestran las vistas de la luminaria.

Fig. 3.11.- Vistas del Gabinete.

3.3 Diseño del Circuito Electrónico. Primeramente tenemos que diseñar un circuito electrónico en el cuál no tenga

un consumo de Potencia mayor a 25 Watts utilizando 400 Leds que deberán

ser alimentados por corriente alterna. Por lo que el primer paso fue diseñar un

circuito que alimentara al LED utilizando corriente alterna como se muestra en

la siguiente figura.


73

Fig. 3.12.- Circuito de Alimentación con Corriente Alterna.

Para poder convertir la corriente alterna en directa fue necesario el uso del

Puente Rectificador de onda completa utilizando los siguientes materiales:

• 4 Diodos Rectificadores 1N4001

• 1 Capacitor o Filtro de 47 mF a 160 Volts

• 1 Resistencia Cerámica de 7.8 KΩ

Para el diseño del Circuito electrónico fue necesario realizar diferentes pruebas

en el Protoboard para poder llegar al Circuito Definitivo que operara la luminaria


74

por lo que en las siguientes imágenes se muestran las distintas pruebas

realizadas junto con su circuito electrónico.

Fig. 3.13.- Circuito Electrónico No. 1

Fig. 3.14.- Primera Prueba


75


Fig. 3.16.- Segunda Prueba


76


Fig. 3.18.- Tercera Prueba.


77


Fig. 3.20.- Cuarta Prueba.


78


Fig. 3.22.- Quinta Prueba.


79

Ya obtenida el cambio de corriente de alterna a directa se procede a diseñar el

circuito de LEDS que llevara cada Panel de AC como se muestra la siguiente

figura.

Fig. 3.23.- Circuito Electrónico del Panel de LEDS alimentados por AC. El consumo de Corriente en el Circuito es de 40 mA y se alimenta con una

tensión de 150 Volts Por lo que el Consumo de Potencia en el Módulo es de

6W por lo que la luminaria tendrá un consumo de tan solo 24 Watts utilizando

los 400 LEDS para su iluminación a continuación se muestran los cálculos

realizados que sustentan este consumo de potencia.


80

CALCULOS PARA EL MODULO

El circuito debe contar con 2 series de 50 LEDS (Arreglo Serie-Paralelo)

DATOS TECNICOS PARA LED DE TERCERA GENERACIÒN.

Vcc= 3 Volts

I= 20 mA

Intensidad Luminosa 45 lm/W

Por lo que nuestra serie de LEDS demandara una tensión de 150 Volts y cada serie 20 mA por lo que requerimos 40 mA para arrancar el Circuito.

Calculamos la Resistencia necesaria para limitar la corriente en el Circuito.

Por lo que colocamos 3 Resistencias en Paralelo para obtener el valor de 250 Ω y son colocadas las 3 para distribuir la Potencia y evitar un sobrecalentamiento en la Resistencia.

Ahora calculamos el Consumo de Potencia en el Módulo por la LEY DE OHM

P= I*V

P = (0.04 Amp.)(150V)

P= 6 Watts

Debido a que la Luminaria contara con 4 de estos módulos el Consumo de

Potencia Total será de 24 Watts siendo la propuesta para sustituir los tubos

Fluorescentes T-12 de 2x39 teniendo un consumo con estos de 90 Watts con

su balastro por lo que con la Luminaria a base de LEDS se tendrá un ahorro

del 80% y con 10 veces mas de vida útil.


81

4.1 Construcción del Prototipo. La construcción del Prototipo fue realizada en Aluminio como se muestra en la

siguiente figura, esto se debe a que este tipo de material es bastante ligero y

económico, pero pensando en la producción masiva de esta luminaria se

piensa realizar con inyección de plástico para comercializarla con Apoyos

Gubernamentales para las PYMES.

Fig. 3.24 Prototipo Fabricado en Aluminio.

El prototipo fue diseñado para un ensamble y desensamblé rápido gracias a las

canaletas donde se desplazan los módulos de LEDS este mismo mecanismo

se maneja para la instalación del acrílico difusor, todo esto con el fin de facilitar

los trabajos de mantenimiento.


82

Al gabinete de Leds le fue colocado Vidrio de 6mm de Espesor el cual permite

el paso de la luz en un 98% y este fue asegurado con vinil como empaque para

evitar que el agua se introduzca en los circuitos de Led en caso que presentara

algún goteo. (Prototipo a prueba de goteo)

Fig. 3.25 Acabado del Prototipo a Prueba de Goteo.

En la siguiente figura se muestra el prototipo terminado y listo para ponerse en

operación en el Laboratorio Ligero de Ingeniería Eléctrica de la ESIME UNIDAD

CULHUACAN.


83

Fig. 3.26 Prototipo Terminado.


84

CAPITULO 4

PRUEBAS DE LABORATORIO.

4.1 Instalación. Ya finalizado el prototipo se procede a instalar en el Cuarto Oscuro de

Ingeniería Eléctrica con el Fin de Realizar las diferentes pruebas de iluminación

y comportamiento. En la siguiente figura se muestra el prototipo ya instalado.

Figura 4.1 Equipo de Investigación iniciando pruebas en Laboratorio.


85

Figura 4.2 Prototipo Instalado en el Laboratorio.

En la siguiente figura se muestra la iluminación que emite el prototipo siendo

esta suficiente para sustituir a la iluminación tradicional de los Tubos

Fluorescentes T-12


86

Fig. 4.3 Iluminación Emitida por el Prototipo.

4.2 Mediciones de Intensidad Luminosa. Ahora es necesario comprobar que el nivel de iluminación emitido por esta

iluminación es suficiente para la sustitución de los Tubos Fluorescentes por lo

que con ayuda del Luxómetro se realizo una medición de la intensidad

luminosa a diferentes alturas.


87

Fig. 4.4 Instrumento Utilizado para las Mediciones.

Fig. 4.5 Realizando las Mediciones de intensidad Luminosa en el Prototipo.


88

Ahora se realizan pruebas de intensidad luminosa con diferentes difusores para

determinar cuál es el adecuado para obtener una mayor eficiencia luminosa.

Fig. 4.6 Acrílico Difusor No. 1 Cracked ice Clear

Fig. 4.7 Acrílico Difusor No. 2 White Egg Crate


89

Fig. 4.8 Acrílico Difusor No. 3 Prismatic Clear

Realizando una prueba de Intensidad luminosa con el Acrílico Difusor No. 1 se

Obtiene la siguiente iluminación. Ver fig.


90

Fig. 4.9 Iluminación del Prototipo con el Acrílico No. 1 Cracked Ice Clear

Realizando una prueba de Intensidad luminosa con el Acrílico Difusor No. 2 se

Obtiene la siguiente iluminación. Ver fig.

Fig. 4.10 Iluminación del Prototipo con el Acrílico No. 2 White Egg Clear


91

Fig. 4.11 Iluminación del Prototipo con el Acrílico No. 3 Prismatic Clear

Fig. 4.12 Iluminación del Prototipo sin Difusor


92

4.3 Graficas y Comportamiento. A continuación se detalla la tabla de los valores obtenidos en iluminación del

Prototipo con el Acrílico No.1

DIFUSOR NO.1

DISTANCIA (metros) INTENSIDAD LUMINOSA (luxes) LUMENES EMITIDOS

2,20 170 822,80

1,45 389 817,87

Tabla 4.1 Valores Obtenidos Con el Acrílico Difusor No.1

A continuación se detalla la tabla de los valores obtenidos en iluminación del

Prototipo con el Acrílico Difusor No. 2

DIFUSOR NO.2


2,20 165 798,60

1,45 381 801,05

Tabla 4.2 Valores Obtenidos Con el Acrílico Difusor No. 2


93

DIFUSOR NO.3


2,20 157 759,88

1,45 360 756,90

Tabla 4.3 Valores Obtenidos Con el Acrílico Difusor No. 3

SIN DIFUSOR


2,20 190 919,60

1,45 435 914,59

Tabla 4.4 Valores Obtenidos Sin Difusor

Es importante Mencionar que sin difusor obtenemos mayor intensidad luminosa

como lo muestran los resultados pero con los difusores se consigue confort y

de estos 3 con el primero se tiene el máximo confort facilitando una adecuada

lectura.


94

A continuación se muestra una grafica de comportamiento de los niveles de

intensidad luminosa obtenidos de los 3 difusores y sin difusor. Ver fig.

Figura 4.13 Grafica de Comportamiento Altura Vs Intensidad Luminosa.

La grafica anterior nos muestra que sin difusor se alcanza la mayor intensidad

luminosa pero es necesario pensar en el confort en iluminación que se requiere

por lo que la mejor eficiencia en iluminación para esta luminaria se obtiene con

el difusor cracked ice clear. Sabemos que por norma la mayoría de edificios

son construidos a una altura de 3.00 mts. Pero sabemos que la altura entre el

plano de trabajo y la luminaria resulta de 2.20 mts por esto se tomaron las

mediciones a una altura de 2.20 mts. Así como también a una distancia de 1.45

mts esto debido a que el plano de trabajo en algunas lugares así como en el

Laboratorio de Ingeniería Eléctrica es a esta altura.


95

CAPITULO 5 CONCLUSIONES.

5.1 Conclusiones. Después de haber echo este estudio de la iluminación con LEDS concluyo que

esta tecnología ha estado evolucionando de tal forma que los costos en su

producción se están abaratando día a día y su iluminación es cada vez mas

intensa, por lo que esta es una opción viable para la sustitución de la

iluminación tradicional por iluminación con Tecnología LED siendo una solución

para el Ahorro de Energía Eléctrica y así mismo con la Adquisición de

Tecnología LED podemos obtener financiamientos por Fideicomisos para el

Ahorro de Energía FIDE y pagando esto con los mismos ahorros de Energía.


96

5.2 Glosario

Eficacia. Para emitir una radiación luminosa una fuente tiene que absorber

energía, generalmente eléctrica.

Flujo Luminoso. (F o 0) es la cantidad de luz emitida por una fuente, medida

en lúmenes (lm) a la tensión nominal de funcionamiento.

Potencia absorbida. (p) es la energía eléctrica consumida por una fuente

medida en watts (W).

Eficacia luminosa. Expresada en lm/W es la relación existente entre el flujo

luminoso y la potencia absorbida. Así por un watt consumido, una lámpara

Standard clara produce de 10 a 15 lm, una lámpara fluorescente compacta

DULUX Ò, y una de vapor de sodio a baja presión NA de 100 a 180 lm.

Duración de vida. Es la determinada por un criterio convenido. La vida de las

lámparas está definida cuando el 50% de ellas funcionan todavía, con el 80%

de flujo luminoso.

Angulo de radiación. Es el ángulo sólido producido por un reflector con el

que dirige la luz.

Confort. El flujo luminoso de una fuente es proyectado en todas las

direcciones. De esta forma puede ser difuso, reflejado o dirigido en ciertos

ángulos.

Factor de reflexión. Es la relación entre el flujo luminoso reflejado y el flujo

luminoso incidente

Intensidad luminosa. (I) expresada en candelas (cd) es la intensidad del flujo

proyectado en una dirección determinada.

Iluminancia. (E) dada en luxes, el flujo luminoso que recibe una superficie

determinada (f/S) situada a una cierta distancia de la fuente. Se determina por

la relación entre la intensidad luminosa y la distancia al cuadrado (l/d²).

Luminancia. (L) medida en cd/m² o cd/cm² es la intensidad luminosa producida

o reflejada por una superficie dada. Con ella se puede evaluar el

deslumbramiento.


97

5.3 Fuentes de Información.

1. SUNSET. Iluminación Residencial. Segunda Edición. Editorial Trillas 1993. ISBN. 9682441641

2. VITTORIO EX. Iluminación Interna. Boixareu Editores. ISBN 8426703623.

3. MIKE LAWRANCE. Instalaciones Eléctricas e Iluminación. Primera Edición. Ediciones G.Gili S.A de C.V. ISBN. 968-887-300-4.

4. Manual del Instalador de Alumbrado Fluorescente. Quinta Edición. Editorial Gustavo Gili. S.A de C.V Barcelona.

5. GERARD HONEY. Emergency and Security Lighting. First Published 2001. ISBN. 0750650370.

6. FRANCO MARTIN SÀNCHEZ. Instalaciones de Iluminación. Tercera Edición. Editorial Torán. ISBN 978-84-96555-02-0.

7. H.P RICHTER. Manual Practico de Instalaciones Eléctricas. Sexta Reimpresión. México 1995. ISBN 968-26-0235-1.

8. JOHN P.FRIER Y MARY E.GOZLEY FRIER. Sistemas de Iluminación Industriales. Primera Edición 1986. Editorial Limusa. ISBN 968-18-1877

9. RAY MOND KANE AND HEINZ SELL. Revolution in Lamps A chronicle of 50 years of Progress. Second Edition. Published by The Fairmont Press. INC. ISBN. 0-88173-351-2.

10. http://www.agelectronica.com

11. http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED

12. http://www.arqhys.com/noticias/tecnologia-ventajas.html

13. http://www.monografias.com/trabajos11/ilum/ilum.shtml

14. http://www.abcdatos.com/tutoriales/tutorial/z1147.html

15. http://www.casadellibro.com/libro-manual-de-iluminacion


98

5.4 Anexos.

RESUMEN TECNICO-ECONOMICO

INVERSION PROTOTIPO

INVERSION PRODUCCION SERIE

MATERIAL COSTO MATERIAL COSTO

Leds $ 1.800,00 Leds $ 400,00 Componentes y Cable $ 100,00 Componentes y Cable $ 40,00 Placas Fenolicas $ 100,00 Placas Fenolicas $ 30,00 Cloruro Férrico $ 50,00 Cloruro Férrico $ 18,00 Thiner $ 20,00 Thiner $ 10,00 Pintura Industrial $ 50,00 Pintura Industrial $ 25,00 Malla para Serigrafía $ 150,00 Malla para Serigrafía $ 0,00 Gabinete $ 500,00 Gabinete $ 350,00 Difusor $ 120,00 Difusor $ 80,00

Costo de Ingeniería $ 1.000,00 Costo de Ingeniería $ 1.000,00

Costo Total $ 3.890,00 Costo Total $ 1.953,00

CONSUMO DE ENERGIA Y AHORRO

TIPO DE LUMINARIA

CONSUMO DE

POTENCIA (KW)

HORAS DIA

HORAS MES

KW/H MES

KW/H AÑO

COSTO $ AÑO

AHORRO $ AÑO INVERSION

PAY BACK EN

AÑOS

TIEMPO DE VIDA AÑOS

Sistema T‐12 2X39

Fluorescente 0,0216 12 360 7,776 93,312 229,55 $ 0,00 $500,00 N.A 2,31

Sistema de LEDS de

21,6W IPN‐ESIME

CULHUACAN 0,09 12 360 32,4 388,8 956,45 $ 726,90 $1,953,00 2,68 18,52

Como se muestra en la tabla anterior el Pay Back resulta atractivo pues en menos de 3 años se recupera la inversión sustituyendo por la iluminación tradicional Fluorescente de 2X39 T-12 y con 10 veces mayor de vida útil.


99

MANUAL DE OPERACIÒN

INSTRUCCIONES GENERALES Para optimizar el desempeño de esta luminaria, por favor, sírvase leer

completamente y con cuidado este manual de instrucciones para que se

familiarice con esta Tecnología.

ADVERTENCIAS DE SERVICIO En el interior de esta unidad NO existen partes a las que el usuario pueda o

deba dar servicio de mantenimiento o reparación alguna. No intente repararlo

usted mismo. En el poco probable caso de que su Luminaria requiera servicio

o reparación, por favor, contacte a un técnico o Ingeniero Especializado.

ASPECTOS GENERALES • Incluye un armazón para colgarse.

• Fácil acceso para el reemplazo de la lámpara.

• Ligera. GUIA DE SEGURIDAD Aspectos de Seguridad: El fusible de esta Luminaria puede eventualmente

quemarse si se alcanza la carga máxima de .200 Amperes. Si el fusible debe

ser reemplazado, siempre hágalo exactamente por uno del mismo tipo y valor

que el quemado.

TRANSPORTE Y MANEJO • Para desconectar un cable, sostenga el cuerpo de la clavija y tire, nunca tire

del cable.

• No coloque objetos pesados sobre la unidad, ni la golpee, esto puede

ocasionar serios problemas.

LIMPIEZA • Limpie la unidad con un paño suave y seco.

• Retire las manchas con un paño ligeramente humedecido en agua.

• Nunca emplee solventes tales como benceno, gasolina, thinner, o alcohol.

Jamás emplee detergentes ya que estos dañarán el acabado.


100

LED DE SEGUNDA GENERACION


101


102


103

LED DE TERCERA GENERACIÒN


104


105


106


107

NORMA DE ILUMINACIÒN 2600 SEG293

Niveles de Iluminación por tipos de interiores

Área Funcional Categoría de Iluminancia

Nivel de Iluminación Recomendado

Referencia del Plano de Trabajo

Recomendado Pies-Bujías Lux

Interiores Generales Específicos Bancos

General A 10-20 100-200 Iluminación General

Áreas de Oficinas D 20-50 200-500 Iluminación obtenida con

general y suplementaria

Cajas E 50-100 500-1000

Clínicas Mesas de Exámenes

E 50-100 500-1000 Iluminación obtenida con

general y suplementaria

Cuarto de Emergencias

E 50-100 500-1000

Laboratorios E 50-100 500-1000 Archivos Médicos E 50-100 500-1000 Almacenamiento A 20 200 Iluminación

General Salas de Esperas A 10-20 100-200 Oficinas

Áreas con labores visuales no críticas ni

prolongadas

A 10-20 100-200 Iluminación General

Lectura y escritura con buen papel y

tinta; archivo y labores regulares

de oficina

D 20-50 200-500 Iluminación en la Tarea

Contabilidad, dibujo

D 50 500

Escuelas y Bibliotecas

Bibliotecas D 50 500 Iluminación en la Tarea Salones de clases

general D 30 300

Auditorios A 10 100 Iluminación General

Almacenes Áreas de Circulación

A 10 100 Iluminación General


108

Depósitos D 20 200 Áreas de Ventas D 30 300 Iluminación en

la Tarea Interiores Industriales

Ensamble Simple visión fácil D 20-30 200-300 Iluminación en

la Tarea Moderada visión difícil

E 50-75 500-750

Difícil F 100-150 1000-1500

Niveles de Iluminación por tipos de interiores Área Funcional Categoría de

Iluminancia Nivel de Iluminación

Recomendado Referencia del

Plano de Trabajo

Recomendado Pies-Bujías Lux

Automóviles General A 20-30 200-300 Iluminación de

tarea Reparaciones E 50-75 500-750 Inspección

Ordinarias D 20-30 200-300 Iluminación de tarea

Moderadas E 50-75 500-750 Dificultosas F 100-150 1000-1500 Depósitos y Almacenes

Inactivos B 5-10 50-100 Iluminación General Activos C 10-20 100-200

Manejo de Materiales

Área de Trabajo D 20-30 200-300 Iluminación de tarea

Cargando C 10-20 100-200 Iluminación General

Interiores Universales o No Especificados Escaleras, pasillos, elevadores

A 5-10 50-100 Iluminación General

Servicios sanitarios y vestidores

C 10-20 100-200

Iluminación General

C 10-20 100-200

diseÑo de una luminaria con un bajo consumo de …

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