DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO

“Análisis y tendencias de las tecnologías actuales en iluminación

aplicadas en el ahorro de energía eléctrica”

TESIS

Que para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias en Energías Renovables

PRESENTA

Ing. Erick Hidalgo Martínez

DIRECTORES

Dr. José Alberto Duarte Moller

Dr. Pedro Sánchez Santiago

Chihuahua, Chih., Enero del 2013

Agradecimientos

A Dios por permitirme enfrentar un reto más, tanto en mi vida personal así

como en mi vida profesional, por darme los conocimientos y plasmarlos en este

trabajo de investigación.

A mis padres: Francisco Hidalgo González y Rebeca Martínez Pérez, porque

nunca dejan de mostrar su apoyo, que a base de sus vivencias cotidianas me

siguen dando lecciones de cómo superar los obstáculos que se nos presentan

día a día.

A mis hermanos: Francisco, Mercedes, Hugo y Omar, que no dejan de mostrar

su cariño, aprecio y apoyo a pesar de las distancias. De la misma manera,

quisiera agradecerles su apoyo incondicional que me brindan sus respectivas

esposas: Verónica, Anabel y Maribel.

A mis sobrinos David, Zahid, Vania Isabel, Dalia Naomi, Cesar Uriel, Hugo

Maximiliano, Mariana Carolina, Ariadna Monserrat, María José y María

Fernanda. Cada uno de ellos a su manera siempre me han demostrado su

cariño y respeto.

Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) por brindarme las

facilidades y medios para cumplir con este proyecto.

A la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji, por darme la oportunidad y

confianza para seguir superándome al brindarme la beca para realizar esta

maestría.

A Mis asesores: Dr. Duarte y Dr. Pedro por no solo tenerme la paciencia, sino

también la confianza en que se pueden lograr las metas propuestas. Gracias

por su valioso tiempo invertido en sus comentarios y/o sugerencias.

Índice temático

Justificación 1

Objetivo 1

Objetivos específicos 1

Impactos 2

Ecológico 2

Tecnológico 2

Social 2

Resumen 3

Capítulo 1 “Introducción” 4

1.1 Situación actual del consumo de energía eléctrica en México 5

1.2 Clasificación de las luminarias 11

1.2.1 Lámparas incandescentes 12

1.2.2 Lámparas fluorescentes 13

1.2.3 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID) 16

Capítulo 2 “Teoría de la luz” 20

2.1 Introducción a la luz 21

2.2 La luz y el ojo 25

2.3 Espectro electromagnético 27

2.4 Conceptos descriptivos de la luz 28

2.4.1 Ángulo plano 28

2.4.2 Ángulo sólido. 29

2.4.3 Radiancia espectral 30

2.5 Magnitudes radiométricas y fotométricas 30

2.5.1 Magnitudes radiométricas 32

2.5.2 Magnitudes fotométricas 36

Capítulo 3 “Nuevas tecnologías en iluminación” 44

3.1 Iluminación de estado sólido: Diodo Emisor de Luz 45

3.1.1 Introducción 45

3.1.2 Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode: LED) 45

3.1.3 Propiedades eléctricas de los LEDs 44

3.1.4 Intensidad de luz del LED 47

3.1.5 Color y Cromaticidad del LED 48

3.1.6 Estructura del LED 50

3.1.7 Funcionamiento del LED 51

3.1.8 Tipología y tecnologías básicas del LED 51

3.1.9 Ventajas de la tecnología LED 53

3.2 Diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) 55

3.2.1 Introducción 55

3.2.2 Configuración de un OLED 55

3.2.3 Estructuras de los OLEDs 57

3.2.4 Caracterización de un OLED 60

3.2.5 Tiempo de vida útil de los OLEDs 60

3.2.6 Comparación del LED con el OLED 61

3.3 Lámparas de Inducción Magnética 63

3.3.1 Principio de funcionamiento 63

3.3.2 Operación de los elementos que la componen 64

3.3.3 Alternativa Eficiente 65

3.3.4 Energía más Limpia 65

3.3.5 Ventajas y desventajas de las lámparas de inducción magnética 65

Capítulo 4 “Análisis y Resultados 67

4.1 Mediciones, análisis comparativo y estudio de ahorro de energía eléctrica68

I.- Mediciones en el cuarto obscuro del Laboratorio de Eléctrica en las

instalaciones del Instituto Tecnológico de Chihuahua. 68

II.- Comparaciones de los datos técnicos de cada una de las lámparas

empleadas en las mediciones. 73

III.- Estudio de ahorro de energía eléctrica sustituyendo las luminarias de LEDs

o inducción magnética en las luminarias actuales de los pasillos de la

Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji. 75

Capítulo 5 “Conclusiones” 81

Referencias bibliográficas 83

Índice de figuras

Figura 1.- Consumo nacional de energía eléctrica (Escenario de planeación) 5

Figura 2.- Consumo de energía eléctrica en México por sectores 6

Figura 3.- Estadística de ventas del sector eléctrico nacional: Sector doméstico 7

Figura 4.- Sectores de la región de Cuernavaca de los usos de la energía

eléctrica. 8

Figura 5.- Principales distribuciones del consumo de los principales

electrodomésticos del Distrito Federal. 9

Figura 6.- Principales usos de la energía eléctrica en la región cálida. 9

Figura 7.- Porcentaje de la energía eléctrica empleada para la iluminación en

los hogares de México. 10

Figura 8.- Las siete áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica en

México. 11

Figura 9.- Clasificación de las lámparas eléctricas. 12

Figura 10.- Porcentaje de radiaciones emitidas de las lámparas

incandescentes. 12

Figura 11.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas fluorescente tubulares. 13

Figura 12.- Porcentaje de radiaciones emitidas por una lámpara fluorescente

compacta. 14

Figura 13.- Funcionamiento de las lámpara fluorescente tubular. 14

Figura 14.- Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta. 15

Figura 15.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas de alta

intensidad de descarga. 16

Figura 16.- Lámpara de vapor de mercurio de alta presión. 17

Figura 17.- Lámpara de vapor de sodio de alta presión. 18

Figura 18.- Luis de Broglie, en 1929 recibió el Premio Nobel de Física por sus trabajos en la naciente Mecánica Cuántica. 22

Figura 19.- Partes principales del ojo. 26

Figura. 20.- Dilatación y contracción de la pupila debido a la cantidad de luz

que entra al ojo. 26

Figura 21.- Grafica de la sensibilidad del ojo humano. 27

Figura 22.- Longitudes de onda y frecuencias del espectro electromagnético. 28

Figura 23.- Descripción del radian. 29

Figura 24.- Descripción del ángulo sólido. 29 Figura 25.- Representación de Ω cuando no es perpendicular al origen. 30

Figura 26.- Representación de la Radiancia Espectral. 30

Figura 27.- Representación de la energía radiante. 32

Figura 28.- La Irradiancia se refiere al flujo radiante por unidad de área

incidente en un punto de una superficie procedente de un ángulo sólido

hemisférico. 33

Figura 29.- Representación de la Radiancia. 35

Figura 30.- Representación de la intensidad luminosa. 37

Figura 31.- Punto sobre una superficie. 38

Figura 32.- Calculo de la iluminancia de una superficie perpendicular al flujo

luminoso incidente. 39

Figura 33.- Representación de la iluminancia cuando una superficie forma una

ángulo θ. 40

Figura 34.- Representación de la Exitancia. 40

Figura 35.- Cono limitado con un diafragma de entrada y otro de salida. 41

Figura 36.- Representación de fuente emisora y la superficie receptora. 42

Figura 37.- Representación de la luminancia. 43

Figura 38.- Encapsulado, polarización de los pines y símbolo del LED. 46

Figura 39.- Grafica del comportamiento de la corriente del diodo en función de

su tensión. 46

Figura 40.- Graficas del comportamiento de la corriente de diferentes LEDs de

diferentes materiales en función del voltaje. 47

Figura 41.- Intensidad óptica de un LED de In0.16 GA0.84As/GaAs de 1, 4, 6 y 8

pozos cuánticos (QW). 48

Figura 42.- Diagrama de Cromaticidad de un LED. 50

Figura 43.- Estructura de un LED de 5mm. 51

Figura 44.- LED radial. 52

Figura 45.- LED de montaje superficial. 52

Figura 46.- LED Multichip. 53

Figura 47.- Estructura de un OLED-

Figura 48.- Vista esquemática de una situación energética favorable en un

OLED. 57

Figura 49.- Estructura de un SM-OLED. 58

Figura 50.- Estructura de un P-OLED. 58

Figura 51.- Estructura de un T-OLED. 59

Figura 52.- Estructura de un T-OLED. En comparación con los OLEDs

convencionales, los T-LEDs utilizan como cátodo un compuesto transparente

(electrodo superior) que permite que la luz emitida desde ambas superficies

(Izquierda) o selectivamente desde la superficie superior utilizando un sustrato

o película opaca (Derecha). 59

Figura53.- Construcción de una lámpara de inducción magnética. 63

Figura 54.- Luxómetro HER-40. 71

Figura 55.- Comparación grafica de cada uno de los puntos en los que se

tomaron las mediciones. 72

Figura 56.- Equivalencia de cada tipo de lámpara con respecto a las lámparas

incandescente. 75

Índice de tablas

Tabla 1.- Crecimiento medio anual del consumo de electricidad. Escenario de

planeación (TMCA) 7

Tabla 2.- Radiación de las lámparas eléctricas. 18

Tabla 3.- Comparación de la eficiencia, vida útil e IRC de cada tipo de lámpara. 18

Tabla 4.- Ventajas y desventajas de las lámparas eléctricas. 19

Tabla 5.- Vocabulario CIE para la región espectral. 31

Tabla 6.- Principales magnitudes de la radiometría. 35

Tabla 7.- Equivalencias entre las magnitudes radiométricas y las magnitudes

fotométricas. 36

Tabla 8.- Clasificación de los LEDs por su color y longitud de onda emitida. 49

Tabla 9.- Comparación de los LEDs contra los OLEDs. 61

Tabla 10.- Resultado de las mediciones de cada una de las luminarias. 71

Tabla 11.- Potencia de consumo de cada tipo de lámpara. 73

Tabla 12.- Lúmenes emitidos de cada tipo de lámpara. 73

Tabla 13.- Vida útil de cada tipo de lámpara. 73

Tabla 14.- Costo de cada tipo de lámpara. 74

Tabla 15.- Eficiencia de cada tipo de lámpara. 74

Tabla 16.- Lumen por peso (lum*$1) de cada tipo de lámpara. 74

Tabla 17.- Horario de verano para tarifas base, intermedia y de punta. 76

Tabla 18.- Horario de invierno para tarifas base, intermedia y de punta. 76

Tabla 19.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que

permanecen encendidas las lámparas en el periodo de verano. 77

Tabla 20.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que

permanecen encendidas las lámparas en el periodo de invierno. 77

Tabla 21.- Tarifas de CFE por $/kWHr en el año 2012. 77

Tabla 22.- Gasto mensual por concepto de energía en el 2012 de la UTTT. 78

Tabla 23.- Calculo de la facturación de la demanda para la UTTT. 78

Tabla 24.- Calculo de la demanda facturable (DF) de la UTTT en el periodo

2012. 78

Tabla 25.- Gasto total que genera las lámparas que iluminan los pasillos de la

UTTT en el periodo 2012. 79

Tabla 26.- Gasto total que generarían las lámparas de LEDs que iluminarían los

pasillos de la UTTT en el periodo 2012. 79

Tabla 27.- Gasto total que generarían las lámparas de Inducción Magnética que

iluminarían los pasillos de la UTTT en el periodo 2012. 79

Tabla 28.- Tiempo de recuperación de la inversión tanto para las lámparas de

LEDs, así como para las de Inducción Magnética. 80

Justificación

Debido a que hoy en día se están desarrollando distintas tecnologías aplicables

en el sector de la iluminación, es importante determinar cuál de ellas será la

que le propicie un mayor ahorro en la economía de los usuarios, sin dejar a un

lado el aspecto de la eficiencia luminosa. Algunos de los que se dedican a

proporcionar las nuevas tecnologías en iluminación ofrecen un panorama

bastante prometedor para el ahorro en el consumo de energía eléctrica,

dejando a un lado las características técnicas y la aplicación de sus luminarias,

esto ha ocasionado que exista una mala selección por parte de los usuarios al

momento de adquirir las luminarias y por ende, lejos de hacer un ahorro hacen

una mala inversión por lo que se convierte en un gasto.

Objetivo

Hacer un análisis en base a sus características técnicas de las tecnologías en

iluminación que hoy en día se están desarrollando para determinar cuál de

ellas propicia un mayor ahorro de energía eléctrica, sin dejar a un lado su

eficiencia luminosa, así como también dar una recomendación en base a sus

campos de aplicaciones.

Objetivos específicos

• Realizar un análisis comparativo en bases a las características técnicas

de algunas luminarias ahorradoras de energía eléctrica.

• Determinar cuál de ellas puede ser la que más ahorro le otorgue a los

consumidores en base a su aplicación.

• Aplicar un estudio de costo-beneficio comparando las características

técnicas en las lámparas de LEDs y en las lámparas de inducción

magnética aplicadas a la iluminación de exteriores.

1

Impactos

Ecológico

Seguir impulsando la filosofía del ahorro de energía eléctrica, misma que otras

organizaciones están promoviendo. Con ello también la concientización del

cuidado del medio ambiente al no dañarlo con sustancias contaminantes

utilizadas en algunas lámparas ahorradoras de energía eléctrica.

Tecnológico

Seguir promoviendo el desarrollo de nuevas tecnologías en iluminación,

cuidando el impacto ecológico. Aún nos queda mucho por hacer, desarrollando

nuevos sistemas de control para que se complementen con las luminarias y así

hacer más eficientes los sistemas ahorradores de energía eléctrica.

Social

Cuando se empieza a generar un ahorro en el presupuesto de una sociedad,

esos recursos pueden ser canalizados para que se siga teniendo un

crecimiento y se sigan mejorando las condiciones de vida.

2

Resumen

En el presente trabajo se pretende tener un panoramas sobre las nuevas

tecnologías en iluminación que se están desarrollando, cual son los campos de

aplicación de estas, determinar si es que existen áreas de oportunidad para ir

teniendo una mejor selección en base al uso que se les quiera dar, también

conocer los impactos que tienen sobre el medio ambiente y los seres

humanos.

Durante el desarrollo de esta investigación lo que se aborda en el capítulo 1 es

como está la situación en México con respecto al ahorro energético, las

tendencias que se tienen proyectadas a mediano plazo en el consumo de

energía eléctrica por sector. Lo que se resalta es el sector de la iluminación, en

particular en los hogares. También se analizan las características técnicas de

las tecnologías en iluminación que actualmente se están empleando.

En el capítulo 2 se hace un compendio de los conceptos que tiene que ver con

la luz, se describen las principales magnitudes radiométricas y fotométricas.

En el capítulo 3 se describen las principales tecnologías en iluminación que hoy

en día tienen un futuro promisor, no solo por su eficiencia sino también por el

ahorro energético que pueden proporcionar. Se empieza por el LED,

posteriormente se aborda a los OLEDs y finalmente se termina con las

lámparas de inducción magnética.

En el capítulo 4 se llevan a cabo una serie de análisis para poder dar una

sugerencia a los usuarios de cuál de esas tecnologías pueden ser más

eficientes y más ahorradoras para emplearlas en el sector de la iluminación de

hogares y la iluminación de alumbrados públicos. El primero de los análisis es

en base a sus características técnicas. Posteriormente se llevó a cabo una

serie de mediciones en un cuarto obscuro para observar el flujo luminoso de

cada tecnología y finalmente, se llevó a cabo un estudio de costo-beneficio en

la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji proponiendo sustituir 35 lámparas de

vapor de mercurio/sodio que actualmente tienen para iluminar sus pasillos, por

lámparas de LED e Inducción Magnética.

En el capítulo 5 se muestran las conclusiones a las que se llegaron al llevar

acabo los tres análisis y así poder dar una propuesta a los usuarios respecto a

qué tipo de tecnología les conviene usar, ya sea para la iluminación de sus

hogares o para aplicarlos en la iluminación de alumbrado público.

3

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

4

1.1 Situación actual del consumo de energía eléctrica en México

Hoy en día una de los sectores en los cuales se ha visto el incremento del

consumo de energía eléctrica es en el aspecto de la Iluminación, no solo en los

hogares, también en los alumbrados públicos debido a los incrementos

poblacionales, así también en las industrias. Tal motivo ha implicado que se

generen programas a nivel nacional para que existan ahorros significativos con

el uso de las recientes tecnologías en iluminación. El ahorro de energía

eléctrica es un elemento fundamental de las políticas públicas para el cuidado

de los recursos energéticos no renovables, la diversificación energética, la

protección del medio ambiente, el aumento de la productividad y de la

competitividad de la economía de las familias (SENER, 2005).

Tal como lo indica en sus estudios de la Secretaria de Energía, se prevé un

incremento del consumo de la energía eléctrica en sus diferentes sectores. En

forma consistente con el ritmo de actividad económica considerado en la

planeación del SEN, el cual como se mencionó anteriormente, ha

experimentado ajustes recientes, se estima que el consumo nacional de

electricidad para el periodo 2007-2016 muestre una tasa de crecimiento anual

de 4.8%. El incremento esperado en el consumo es de alrededor de 121 TWh

al pasar de 197.4 TWh en 2006 a 318.4 TWh en 2016. Este crecimiento estará

impulsado principalmente por las ventas del servicio público, que se estima

crecerán con un ritmo de 5.1% en promedio anual (véase figura 1). Dentro de

este rubro, se pueden identificar las ventas por tipo de usuarios, entre las

cuales el sector industrial es de gran relevancia debido a su participación

mayoritaria en las ventas totales, mismas que en 2006 ascendieron a 58.8% y

se estima que alcancen una participación de 59.8% en 2016 (SEN, 2007).

Figura 1.- Consumo nacional de energía eléctrica (Escenario de planeación).

5

La distribución de la energía eléctrica en México se divide principalmente en los

sectores: industrial, comercial, doméstico y de servicios. Dentro de estos

sectores el que más consume energía eléctrica tiene es el industrial con un

59% del total, esto con el 0.6% de los usuarios. El sector comercial consume el

7.91% con el 10.59% de los usuarios. El residencial consume el 24.91% con el

87.90% de los usuarios, y por último, el sector público consume el 8.10% con

menos del 0.92% de los usuarios. Estos valores se muestran en la figura 2

(CFE, 2005).

Uno de los sectores que cabe mencionar resaltar su incremento es el

residencial. Si bien el crecimiento esperado en las ventas de energía eléctrica

ha sido ajustado a la baja en años recientes, se estima que las ventas internas

sigan una tendencia al alza como resultado de factores muy importantes como

son el ritmo de crecimiento económico y el crecimiento poblacional.

Específicamente, los sectores residencial, comercial y de servicios que integran

el denominado desarrollo normal, crecerán anualmente 5.2% en conjunto

(véase tabla 1) (SEN, 2007).

Sector Consumo

Industrial 59%

Comercial 7.91%

Residencial 24.91%

Público 8.10%

Consumos de energía eléctrica en México

Industrial

Residencial

Público

ComercialFigura 2.- Consumo de energía

eléctrica en México por sectores.

6

Tabla 1.- Crecimiento medio anual del consumo de electricidad. Escenario de planeación

(TMCA)

En México la tasa de crecimiento de usuarios en el sector doméstico desde

1988 a 2004 vario de un mínimo de 2.73% a un máximo de 5.46%, el promedio

fue de 4.07%; la tasa de crecimiento de energía eléctrica vario de un mínimo de

0.07% a un máximo de 11.81%, el promedio fue de 5.73% respectivamente. En

la figura 3 se muestra la evolución del crecimiento de los usuarios y el consumo

de 1988 a 2004 (CFE, 2005).

Figura 3.- Estadística de ventas del sector eléctrico nacional: Sector doméstico.

7

Como se sabe, el nivel socioeconómico de los usuarios se ve reflejado en el

consumo de energía eléctrico, y a su vez, el tipo de equipamiento depende de

la región donde se encuentran estos usuarios. Al incrementarse el ingreso per

cápita de los usuarios, se incrementa la compra de productos

electrodomésticos cuya operación incrementa directamente el consumo y

demanda de energía, tanto de los usuarios del Sistema Eléctrico Nacional

(Maqueda, M. R. y Sánchez L.A., 2008). Así que el consumo de la energía

varia en las diferentes regiones del país, en algunas por sus características

socioeconómicas es mucho más el consumo de dicha energía. De aquí que se

presentan estás graficas comparativas de tres regiones: Cálida, Semidesértica

y Templada. En la región semidesértica los datos de los usos de la energía

eléctrica se consideró a la ciudad de Cuernavaca en donde se encontró que el

35.5% del consumo de energía corresponde al refrigerador, el 3.8% a la bomba

de agua, el 1.1% a la cafetera, entre sus principales cargas; y del consumo del

56.7% del consumo residual se considera que el consumo promedio de

iluminación en el sector doméstico de la República Mexicana es de un 43%. En

la figura 4 se presentan los datos de los consumos de la energía eléctrica.

Figura 4.- Sectores de la región de Cuernavaca de los usos de la energía eléctrica.

En la figura 5 se presenta la distribución de consumo de los principales

electrodomésticos para un grupo de usuarios de una zona templada (Distrito

Federal). Asimismo, se muestra que los equipos de refrigeración consumen el

38.8%, el lavavajillas el 4.4%, la plancha participa con un 0.6%. El residual es

del 56%, pero dentro de éste se encuentra la iluminación artificial, que presenta

a nivel nacional el 43% de consumo de los usuarios domésticos.

Refrigerador 35.5%

Microondas 0.9%

Lavadora 0.9%

Cafetera 1.1%

Aire acondicionado 0.6%

Bomba de agua 3.8%

Plancha 0.5%

Iluminación 56.7%

8

Figura 5.- Principales distribuciones del consumo de los principales electrodomésticos

del Distrito Federal.

Ahora bien, para analizar a la región semidesértica, se hicieron obtuvieron los

datos de la ciudad de Mérida, se pudo establecer que los equipos de uso final

que más consumen energía eléctrica son: aire acondicionado 20%, refrigerador

16% y ventilador 5%. Para la iluminación corresponde un 59%. Dichos datos se

presentan en la figura 6.

Figura 6.- Principales usos de la energía eléctrica en la región cálida.

Plancha 0.6%

Lavatrastes 4%

Congelador 18%

Refrigerador 21%

Microondas 0%

Iluminación 56%

Ventilador 5%

Refrigerador 16%

Aire acondicionado

20%

Iluminación 59%

9

Como se puede observar, en las tres regiones hay un consumo significativo en

el sector de la iluminación, superior a la media nacional que es de 40%. En la

figura 7 se presentan los consumos en iluminación, en cada las regiones:

Cálida, Semidesértica y Templada; comparadas con la media nacional.

Figura 7.- Porcentaje de la energía eléctrica empleada para la iluminación en los hogares

de México.

Estos datos presentan una importante área de oportunidad para que en México

se empiece a desarrollar culturas del ahorro energético. Para ello, se han

empleado distintos programas y uno de ellos es el que se está encargando de

aplicarlo la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) el

cual han denominado “Proyecto Nacional de Eficiencia Energética en

Alumbrado Público Municipal”. En el que dicho proyecto han detectado siete

áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica, los cuales son:

Transporte, Iluminación, Equipos del hogar e inmuebles, Cogeneración,

Edificaciones, Motores industriales y Bombas de agua. En la figura 8 se

presentan las 7 áreas de oportunidad en las cuales, como se puede observar

representaran una oportunidad de costo-beneficio para aumentar la eficiencia

energética en el mediano y largo plazo, por tanto, reducir el consumo de

energía.

56.70% 56.20% 59%

40%

Regiónsemidesertica

Región Templada Región Calida Promedio enMéxico

10

Figura 8.- Las siete áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica en México.

El programa que se pretende implementar por la parte del área de iluminación

consistirá en incrementar la eficiencia energética por iluminación mediante la

sustitución acelerada de lámparas de alumbrado público que cumplan con

mayores estándares en la materia. Se trata de fomentar la sustitución de las

luminarias ineficientes del parque por luminarias de mayor eficiencia. Esta

situación presenta una oportunidad para los gobiernos locales ya que al

remplazar luminarias por otras con mayor eficiencia se promueve la

disminución del consumo energético (CONUEE, 2009). Parte de este trabajo de

investigación es hacer un aporte para que se empleen las lámparas más

eficientes, no solo en el área de iluminación de alumbrado público, sino

también en la iluminación de los hogares.

1.2 Clasificación de las luminarias

Los sistemas de iluminación artificial son en la actualidad y desde hace ya

muchos años parte fundamental en todas las actividades y construcciones de la

humanidad, tanto habitacionales como áreas de trabajo e inclusive en las

transito y alumbrado público. Debido a esta necesidad se han tenido que

desarrollas diversas técnicas de iluminación, cada vez más eficientes y

ahorradoras, buscando con ello un mayor tiempo de vida útil de estos medios

de iluminación artificial. A finales del siglo anterior, la clasificación de los

sistemas de iluminación artificial era el siguiente:

11

1.2.1 Lámparas incandescentes

Tienen una elevada generación de calor, como se puede observar esta

característica en la figura 10, debido a que el 20% de su radiación emitida es

conducción y convección y otro 70% son radiaciones infrarrojas, dejando así

solo un 10% a la luz visible, por lo que es la lámpara eléctrica menos eficiente.

Una lámpara incandescente tiene un índice de rendimiento de color de 100 y

genera aproximadamente 15 lm/w con una temperatura del color de 2850 ºK

para los focos de 100 W. Su tiempo de vida útil promedio es de 1000 hrs para

la lámpara incandescente convencional y de hasta 2000 hrs para la lámpara

incandescente de halógeno (Bolaños, V.A., 2009).

Figura 10.- Porcentaje de radiaciones emitidas de las lámparas incandescentes.

Lamparas electricas

Flourescentes

Fluoresentes

Lámpara compacta

Incandescentes

incandescencia

Halógeno

Alta Intensidad de descarga

Vapor de mercurio de alta presición

Vapor de sodio de alta presiciòn

Halógenuros metálicos

Vapor de sodio a baja presión

Figura 9.- Clasificación de las

lámparas eléctricas

12

Funcionamiento de las lámparas de incandescencia.- La emisión de luz se

produce por el calentamiento que genera una corriente a través de un filamento

(Carburo de tungsteno), encerrado en una ampolla de vidrio, el cual contiene

un gas inerte a alta presión ligeramente inferior a la atmosférica.

Funcionamiento de las lámparas de Halógeno.- Esencialmente son lámparas incandescentes que contienen un aditivo de halógeno (generalmente yodo). La acción del yodo consiste en combinarse con el tungsteno vaporizado del filamento, en las proximidades de la ampolleta (a temperaturas superiores a los 250 ºC) formando un yoduro de tungsteno, que se disocia al aproximarse al filamento (a temperaturas superiores a 2000 ºC) (Fernández, L.C. y De Landa, J., 1993).

1.2.2 Lámparas fluorescentes

Se dividen en dos grandes familias: las lámparas fluorescentes tubulares y las lámparas fluorescentes compactas. Que a pesar de estar construidas en tecnologías muy similares, si presentan diferencias importantes en su desempeño, lo más notable es que la lámpara fluorescente tubular no emite radiaciones ultravioletas, al contrario que las compactas, que producen cantidades pequeñas de este tipo de radiación.

La lámpara fluorescente tiene una emisión de 20% de luz visible, pero tiene una alta generación de calor al producir 30% de radiación infrarroja y un 45% más de conducción y convección. Como se muestra en la figura 11. Una lámpara fluorescente tiene un IRC de entre 50 y 95, y genera hasta 100 lm/w, con una temperatura de color de entre 3200 y 6300 ºK. Su tiempo de vida útil va de las 7500 a las 3000 hrs.

Figura 11.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas fluorescente tubulares.

13

Por su parte, la lámpara fluorescente compacta, emite hasta un 30% de la luz visible, 20% de radiación infrarroja, hasta 60% de conducción y convección y finalmente un 0,5% de radiación ultravioleta dañina para el ser humano. En la figura 12 se grafican estas características antes mencionadas. Una lámpara fluorescente compacta tiene un IRC de 80 y genera hasta 80 lm/W, con una temperatura de color de entre 3000 y 6500 ºK. Su tiempo de vida útil va de las 6000 a las 15000 hrs.

Figura 12.- Porcentaje de radiaciones emitidas por una lámpara fluorescente compacta.

Funcionamiento de las lámparas fluorescentes tubulares.- Está formada por un

tubo o bulbo fino de vidrio revestido interiormente con diversas sustancias

químicas compuestas llamadas fósforos, aunque generalmente no contienen el

elemento químico fósforo y no deben confundirse con él. Esos compuestos

químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta. El tubo contiene

además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte,

habitualmente argón o neón, a una presión más baja que la presión

atmosférica. En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de

tungsteno, que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases.

Figura 13.- Funcionamiento de las lámpara fluorescente tubular.

14

Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta.- El funcionamiento de

una lámpara fluorescente compacta es el mismo que el de un tubo fluorescente

tubular, excepto que es mucho más pequeña y manuable.

Cuando se enrosca a la lámpara en un portalámpara (igual al que utilizan la

mayoría de las lámparas incandescentes) y se le aplica una 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

hetz. 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 tubulares que funcionan con balastos electromagnéticos (no

electrónicos).

Figura 14.- Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta.

Fuente: www. we7.taringa.net. Web.

15

1.2.3 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID)

Estas lámparas son más eficientes que las incandescentes, como se puede

apreciar en la figura 15, ya que hasta 25% de su radiación emitida es luz

visible, sin embargo, aun 50% de la radiación emitida es calor y entre 15 y 20%

son radiaciones infrarrojas, además de tener la desventaja de emitir longitudes

de onda ultravioleta, nocivas para el ser humano, de entre un 5 a un 20% del

total de su radiación. Una lámpara de alta intensidad de descarga tiene un IRC

de entre 65 y 90, y genera hasta 120 lm/W. Dependiendo del gas utilizado, con

una temperatura de color de entre 3000 y 4200 ºK. Su tiempo de vida útil va de

las 9000 a las 16000.

Figura 15.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas de alta intensidad de

descarga.

Funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio a baja presión.- Este

tipo de lámparas funciona igual que la lámpara fluorescente compacta.

Funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio a alta presión.- Este tipo

de lámpara enciende con ayuda de un electrodo auxiliar, la tensión de

suministro se aplica a dos electrodos principales, pero la distancia entre ellos

es demasiada grande para iniciar la descarga. Simultáneamente, esa misma

tensión aparece entre el electrodo auxiliar y el principal adyacente, de modo

que se produce una descarga entre ellos, limitada por la resistencia del

electrodo auxiliar. Esta pequeña descarga ioniza el mercurio y provoca el

establecimiento de la descarga entre los electrodo principales.

16

La descarga inicial, se ve prácticamente en condiciones de baja presión, con

emisión intensa de radiación ultravioleta; la descarga evoluciona, se incrementa

la temperatura, el mercurio se evapora progresivamente y aumenta su presión

confinando la descarga a una región estrecha en el eje del tubo y la emisión

para a ser la propia del mercurio (Fernández, L.C. y De Landa, J., 1993).

Figura 16.- Lámpara de vapor de mercurio de alta presión.

Fuente: http://www.tuveras.com/luminotecnia/lamparasyluminarias.htm

Funcionamiento de las lámparas de vapor de sodio de alta presión.- El método

usual se basa en la utilización de un arrancador electrónico, capaz de

proporcionar impulsos de tensión de 2-5 kV, según la potencia de la lámpara,

necesarios para asegurar la descarga.

Se utiliza generalmente un tiristor que descarga la energía almacenada en un

condensador sobre el balastro, o bien, directamente sobre la lámpara.

La descarga se produce, una vez iniciando el arco a través de xenón,

sobretodo en la atmosfera del vapor de mercurio, con tensión de arco reducida

e intensidad elevada (1,2-1,5 veces la corriente de régimen), evolucionando

rápidamente hacia las características de la descarga de sodio.

17

Figura 17.- Lámpara de vapor de sodio de alta presión.

Fuente: http://www.electricasas.com/electricidad/luminotecnia/lamparas-luminotecnia-electricidad/lamparas-

de-descarga/

A manera de resumen, se presentan diferentes tablas comparando las

características de los tipos de radiación generados por cada tipo de lámpara,

así como también su eficiencia, el tiempo de vida útil y el IRC (Guerrero, E.,

2008).

Tabla 2.- Radiación de las lámparas eléctricas.

Tabla 3.- comparación de la eficiencia, vida útil e IRC de cada tipo de lámpara.

18

Finalmente, se muestra en la tabla 4 las principales ventajas y desventajas de

cada una de las lámparas eléctricas.

Tabla 4.- Ventajas y desventajas de las lámparas eléctricas.

19

CAPÍTULO 2

TEORIA DE LA LUZ

20

2.1 Introducción a la luz.

Durante varios siglos se presentaron muchas controversias a cerca de la luz, a

ciencia cierta no se sabía o aún no podían establecer puntos de acuerdo para

el concepto de la luz. Muchos se hacían las siguientes cuestiones: ¿Qué es la

luz? ¿La luz se comporta como una onda o un torrente de partículas? Se sabía

que la luz viajaba desde el sol hasta la tierra y que el espacio es un vacío. Si la

luz es una onda ¿Cómo puede desplazarse por el vacío, en donde no hay nada

que la ondule?

El hombre está para conocer y como conocer es una actividad de hacer

inteligible los fenómenos (Bachelard, G., 1973), se hace necesario aprender

una de las ciencias fundamentales relacionada con la comprensión e

interpretación de los fenómenos naturales que ocurren en el universo: La física.

Para tal comprensión, el hombre parte de observaciones experimentales y

mediciones cuantitativas empleando el lenguaje matemático como herramienta

útil entre el experimento y la teoría (Dirac, P., 1958). Cuando se hace

referencia a la comprensión e interpretación de los fenómenos físicos, se debe

de tener en cuenta que para conocer, el hombre debe generar condiciones que

agilicen el desarrollo de competencias (Bruner, J., 1980),(Redish, E., 1994), por

lo cual se evidencia la actividad de organizar los hechos y los acontecimientos

simplificando las teorías, de tal forma que en sólo unos cuantos conceptos,

ecuaciones y leyes fundamentales logra alterar y ampliar nuestra visión del

mundo (Dirac, P., 1958), (Feynman, R., 2000).

El entendimiento del mundo sensible, palpable, directo a los sentidos del ser

humano, se ha mostrado en la historia de las ciencias cómo las teorías

clásicas, las cuales dan cuenta del movimiento de los cuerpos (Dirac, P., 1958),

(Feynman, R., 2000). Por lo cual para desarrollar cualquier fenómeno que

describa una interpretación correcta del mundo es adecuado utilizar la

mecánica clásica, cuyas ideas fundamentales y las leyes que rigen su

aplicación constituyen un esquema tan sencillo y elegante, que parece

imposible modificarlo sin destruir todas sus atractivas características (Dirac, P.,

1958),(Feynman, R.,1963). Sin embargo, la belleza de esta teoría se

desvanece cuando se introduce en un campo más amplio, el campo de la

mecánica cuántica (Feynman, R., 2000). Es cuando el hombre se ve obligado a

construir herramientas que le permitan conocer las relaciones o vínculos que se

establecen con la naturaleza microscópica (Dirac, P., 1958), (Redish, E., 1994),

(Feynman, R.,1963), dando a conocer así la construcción de un nuevo modelo

teórico para la descripción de los fenómenos de escala atómica que en ciertos

aspectos es más elegante, satisfactorio y profundo que el modelo clásico

(Dirac, P., 1958), (Lynn, H. and Caponigro, M.). Sin embargo, este conjunto de

leyes se presenta al estudiante que inicia su estudio de la naturaleza desde la

21

teoría cuántica como una teoría anti-intuitiva (Laloë, F., 2001), (Kozhevnikov,

A., 2001), cuyos principios resultan de difícil comprensión. Una de las razones

por las que sucede esto es porque en mecánica cuántica se tiene un grado de

abstracción tal que se pierden las imágenes directas que permiten

familiarizarse con los fenómenos (Dirac, P., 1958), (Feynman, R., 2000),

(Rosenfeld, L., 1973).

Ante de iniciar el siglo XIX, la luz era considerada como un conjunto de

partículas que eran emitidas por un objeto observado o emanaban de los ojos

del observador.

Uno de los científicos que trabajo mucho en definir el comportamiento de la luz

ya sea como partícula o como onda fue De Broglie, quien en su discurso de

recepción del Premio Nobel que obtuvo en 1929 afirmo que un electrón en

movimiento muestra características de onda y de partícula:

“Por un lado, no puede considerarse como satisfactoria la teoría cuántica de la

luz, puesto que define la energía de un corpúsculo de luz como E=hf, que

contiene la frecuencia f. Una teoría puramente corpuscular no contiene nada

que nos permita definir una frecuencia; simplemente por esa razón, en el caso

de la luz debemos introducir las ideas simultáneas de corpúsculo y de

periodicidad. Por otro lado, la determinación de l movimiento estable de los

electrones en el átomo introduce números enteros, y hasta ahora los únicos

fenómenos que involucran a los números en la física eran los de interferencia y

modos normales de vibración. Este hecho me sugirió la idea de que los

electrones podrían considerarse no solo como corpúsculos, sino que debería

asignarse a ellos una periodicidad.” (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2004).

Figura 18.- Luis de Broglie, en 1929 recibió el Premio Nobel de Física por sus trabajos en la naciente Mecánica Cuántica.

Fuente: www.spaceandmotion.com

22

De una manera asombrosa, las ecuaciones de Maxwell demuestran la

existencia de que las ondas electromagnéticas se propagan a través del

espacio a la velocidad c de la luz. Esto lo plasmo en cuatro ecuaciones

fundamentales:

∮

(1)

∮ (2)

∮

(3)

∮

(4)

Debido a que las cargas eléctricas oscilantes generan ondas

electromagnéticas, las cuales están constituidas por campos eléctricos y

campos magnéticos que oscilan en ángulo recto respecto al otro y con la

dirección de propagación de la onda. (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2005). Estas

propiedades se pueden deducir de las ecuaciones de Maxwell (1)-(4), de las

que se relaciona a el campo eléctrico (E) y al campo magnético (B) entre si con

las ecuaciones (3) y (4). En el vacío, donde q=0 e I=0, la ecuación (3) se

conserva igual y la ecuación (4) se va a transforma en:

∮

(5)

Empleando las ecuaciones (3) y (5), así como también la superposición de

onda plana, se aplica una ecuación diferencial considerando a E y B para

obtener:

(6)

(7)

23

Se puede ver que son derivadas parciales, ahora bien, cuando se evalúa a

se parte del supuesto que t es constante. Así también cuando se evalúa

a , x se considera constante. Para calcular la derivada de la ecuación (6)

con respecto de x y combinando el resultado con la ecuación (7) se llega a:

(

)

(

)

(

)

(8)

Resolviendo la derivada parcial de la ecuación (7) con respecto de x y

combinándola con la ecuación (6) se obtiene:

(9)

Se puede observar que las ecuaciones (8) y (9) tienes la forma general de la

ecuación de la onda, de donde v es la rapidez de la onda e y es la función de la

onda:

(

)

(10)

Si se remplaza de la ecuación (10) a c por la rapidez de la onda v:

√ (11)

Otra solución más simple que se puede plantear para las ecuaciones (8) y (9)

es mediante una onda senoidal, en las que las magnitudes de campo E y B

varían en función de x y de t, de acuerdo a las expresiones:

E = Emax cos (kx-ω) (12)

B = Bmax cos (kx-ω) (13)

Si se derivan parcialmente las ecuaciones (12) con respecto a x y (13) con

respecto a t se llega a las siguientes ecuaciones:

24

( ) (14)

( ) (15)

Ahora, sustituyendo estos resultados en la ecuación (6) se obtiene:

k Emax = ω Bmax (16)

= c (17)

De aquí con esta expresión de la ecuación (17) se determina la relación de la

magnitud del campo eléctrico a la magnitud del campo magnético en cada

instante en una onda electromagnética es igual a la rapidez de la luz.

2.2 La luz y el ojo

Uno de los estudios mas antiguos de la luz era como se movía por el espacio.

Al observar las sombras y las posiciones de las fuentes de luz y los objetos que

causan las sombras, es fácil deducir que la luz viaja en líneas rectas.

(Kirkpatrick, L. y Francys, G., 2011). Casi todas las fuentes no son puntuales,

sino que se extienden sobre cierto espacio. Sin embargo, se puede considerar

que cierta porción pequeña de la fuente puntual emite su propia sombra nítida.

Todas esas sombras de fuentes puntuales se superponen en la pantalla detrás

del objeto. La región más obscura es donde se superponen todas las sombras.

Esta se le conoce como umbra. Lo que rodea a la umbra es la penumbra, en

donde solo se le superponen algunas sombras individuales. Es evidente que

las sombra que genera una fuente puntual es mucho más nítida, y con respecto

a lo que pasa con las sombras que se generan con fuentes de luz extendidas,

tienen una umbra central oscura, rodeada penumbra más clara.

Para que se pueda distinguir la luz que es emitida por distintas fuentes de

iluminación debe de tener un elemento capaz de procesar esta señal. En los

humanos, el ojo es el instrumento por el cual entran los rayos de luz y este

hace un increíble proceso para poder enviar la señal al cerebro y sea

interpretada cada una de las longitudes de ondas que a su vez entran por el

ojo. Debido a este asunto tan importante, se describirá los componentes

básicos del ojo humano. La luz que entra en el ojo pasa a través de una

estructura transparente llamada cornea (figura 19), por detrás de la cual existe

un liquido transparente (el humor acuoso), una apertura variable (la pupila, que

25

es una apertura dentro del iris) y el cristalino. La mayor parte de la refracción

ocurre en la superficie externa del ojo, donde la córnea está siempre cubierta

por una película de lagrima. En la lente del cristalino existe relativamente poco

refracción, ya que el humor acuoso en contacto con esta lente tiene un índice

de refracción promedio similar al de la lente. El iris, que es la parte de color del

ojo, es un diafragma muscular que controla el tamaño de la pupila. El iris regula

la cantidad de luz que entra en el ojo al dilatar la pupila en condiciones de luz

insuficiente y al contraer la pupila en condiciones de elevada luminosidad

(figura 20).

Figura 19.- Partes principales del ojo

Fuente: www.centrodeojosmasenga.com.ar

Figura. 20.- Dilatación y contracción de la pupila debido a la cantidad de luz que entra al

ojo

Fuente: www.centrodeojosmasenga.com.ar

26

El sistema cornea-lente enfoca a la luz en la superficie posterior del ojo, la

retina, constituida por millones de receptores sensibles, conocidos como

bastones y conos. Al ser estimulados por la luz, estos receptores envían

impulsos por el nervio óptico al cerebro, donde se percibe una imagen.

Mediante este proceso, se observan una imagen nítida de un objeto cuando su

imagen coincida con la retina. (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2005). Para saber un

poco más acerca de la sensibilidad del ojo, observe la gráfica de la figura 21,

en la que se indica la respuesta del ojo a distintas longitudes de onda, como se

puede ver, la forma que tiene la gráfica es de campana centrada

aproximadamente en la región media del espectro visible. En condiciones

normales, el ojo es más sensible a la luz verde-amarilla de longitud de onda de

555 nm. La sensibilidad recae rápidamente para las luces que se encuentras

en las longitudes de onda de los extremos, es decir, cerca de los 400 nm y los

700 nm.

Figura 21.- Grafica de la sensibilidad del ojo humano..

2.3 Espectro electromagnético

Ya se ha mencionado que el ojo es por donde entra la luz y se pueden

distinguir los objetos que esta refleje. Pero dentro de toda la gama de luces, la

visible solo es un pequeño porcentaje del espectro electromagnético que el

humano puede apreciar. En el vacío, las ondas electromagnéticas se mueven a

la misma rapidez, y difieren entre sí por la frecuencia. La clasificación de las

ondas electromagnéticas por su frecuencia es el espectro electromagnético

(figura 22). Se han detectado ondas electromagnéticas con frecuencias tan

bajas como 0.01 hertz (Hz). Las ondas electromagnéticas de varios miles de

hetz (KHz) se consideran de radio de muy baja frecuencia. Un millón de Hertz

(MHz) esta a la mitad de la frecuencia del cuadrante de un radio de AM. La

Longitud de onda (nm)

Sen

sib

ilid

ad r

ela

tiva

27

banda de TV, de ondas de muy alta frecuencia (VHF) comienza en unos 50

MHz; en tanto que las ondas de radio de FM van de 88 a 108 MHz. Después

vienen las ultra frecuencias (UHF), seguidas de las microondas, más allá de las

cuales están las ondas infrarrojas, que a menudo se llaman “ondas caloríficas”.

Todavía más adelante está la luz visible, que forma menos de la millonésima

parte del 1% del espectro electromagnético medido. La luz de frecuencia

mínima que se puede ver es la roja. Las frecuencias máximas de la luz visible

tienen casi el doble de la frecuencia del rojo y son violetas. Las frecuencias

mucho mayores que el ultravioleta se extiende hasta la regiones de los rayos X

y los rayos gamma. No hay limites definidos entre las regiones, que en realidad

se traslapan entre sí. (Hewitt, P., 2007)

Figura 22.- Longitudes de onda y frecuencias del espectro electromagnético

Fuente: www. electricidad-viatger.blogspot.mx

2.4 Conceptos descriptivos de la luz

2.4.1 Ángulo plano

Uno de los conceptos previos que hay que definir para poder ir comprendiendo

las nociones que describen el comportamiento de la luz es del ángulo plano, el

cual corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio. La

unidad con la cual se mide son los radianes. Su fórmula se describe en la

ecuación (18):

28

( ) (18)

En donde “S” es la longitud del arco y “R” es el radio.

Figura 23.- Descripción del radian.

2.4.2 Ángulo sólido.

Angulo sólido (Ω) que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera. A una magnitud de volumen le corresponde un ángulo sólido o estéreo que se mide en estereorradianes, la cual que el radian, son unidades adimensionales, es decir, puede haber 2π, 4π, etc.

Figura 24.- Descripción del ángulo sólido.

En general, el ángulo sólido está dado por la ecuación (19):

(19)

29

Habrá circunstancias bajo las cuales el Ω no sea perpendicular al origen “O”, tal

como se muestra en la figura 8, pues para estos casos se emplea la ecuación

(20) para determinar el valor del ángulo solido.

Figura 25.- Representación de Ω cuando no es perpendicular al origen.

2.4.3 Radiancia espectral

La magnitud básica a partir de la cual se derivan todas las otras magnitudes

radiométricas es la radiancia espectral (sterance, Le), en la que se incluyen los

conceptos básicos de área y ángulo solido que son necesarios para calcular el

flujo radiante que incide en un sistema (González, E., 2006)

La radiancia espectral Le, es así la cantidad de flujo radiante (Φ, energía por

unidad de tiempo, Watts) por unidad de longitud de onda (micras, µm) radiada

o emitida en un cono por unidad de ángulo sólido (estereorradián, Sr) por una

fuente cuya área (A) se mide en metros.

( )

(21)

Figura 26.- Representación de la Radiancia Espectral.

(20)

30

2.5 Magnitudes radiométricas y fotométricas

Dentro del espectro electromagnético se encuentra una pequeña región que

solo el humano puede ver, parte de este se puede cuantificar de manera

subjetiva, así que la medida de la radiación luminosa se puede analizar desde

dos perspectivas:

La radiometría describe la trasferencia de energía (o energía por unidad de

tiempo, potencia) desde una fuente de un detector, admitiendo la validez del

modelo geométrico de la trayectoria y la conservación de la energía a lo largo

de un tubo de rayos. En consecuencia, los posibles efectos de interferencia y/o

difracción no se consideran significativos. Cuando esta transferencia de

energía del emisor al detector se normaliza a la respuesta espectral del ojo de

un observador humano, se denomina fotometría (Holst, G., 1998). En otras

palabras, La ciencia de la medición de energía en ondas electromagnéticas es

la radiometría y su aplicación a la luz es la fotometría. Esta, sin embargo, se ha

dado una plétora de unidades, surgiendo de la necesidad de definir la

iluminación o visibilidad de una superficie en términos que dependen de las

características espectrales del ojo humano.

La Comisión Internacional de la Iluminación (CIE –Commission Internationale

de l’Eclairage) ha normalizado la terminología mostrada en la tabla 5. Para las

porciones del espectro que contienen y rodean la porción visible que trata con

la mayoría de los campos de la radiometría y fotometría. El ámbito espectral de

la radiación visible no tiene límites precisos ya que estos límites varían de

persona a persona.

Tabla 5.- Vocabulario CIE para la región espectral.

La terminología usada en esta norma considera prácticas comunes en un gran

número de campos que tratan con radiación óptica y está en acuerdo general

con la terminología normalizada por CIE. CIE fue fundada en 1913 siguiendo

las funciones de CIP (Commission Internationale de Photometrie) establecida

31

en 1903 y a crecido como cuerpo internacional de consenso de todos los

países para desarrollar normas y procedimientos de mediciones en todos los

campos de ingeniería de iluminación (Marín, L., 2006).

2.5.1 Magnitudes radiométricas

* Energía radiante, Q:

Es la cantidad de energía que /incide sobre/ se propaga a través /es emitida

desde /una superficie de área dada en un periodo de tiempo dado. En principio,

se incluyen todas las longitudes de onda contenidas en la radiación. Si es

preciso, debe indicarse explícitamente el rango de ∆λ considerado. Se mide en

Julios (J=kg.m2/s). La energía radiante es interesante en las aplicaciones que

usan pulsos de energía electromagnética en la que no sólo es necesario

conocer el flujo instantáneo de radiación sino la cantidad total de energía

aportada en un pulso de duración temporal especificada, como en las

aplicaciones con láseres pulsados.

Figura 27.- Representación de la energía radiante.

* Flujo (potencia) radiante, Φ:

Es el flujo de energía radiante por unidad de tiempo.

Se mide en watts (W, 1 W = 1 J/s)

(22)

No obstante, cuando la radiación incide en un dispositivo que produce una

señal (voltaje u otra) proporcional a la radiación incidente, la magnitud

importante es la “cantidad total de flujo” en vez del flujo por unidad de área, por

32

lo que, en estos casos, resulta necesario especificar la extensión especial del

campo de radiación cuyo flujo se esta considerando.

* Irradiancia, E:

Es la densidad del flujo radiante por unidad de superficie que /incidente sobre

/atraviesa /emerge /de un punto en la superficie especificada. Deben incluirse

todas las direcciones comprendidas en el ángulo sólido hemisférico por encima

o por debajo del punto en la superficie. Se mide en W/m2.

(23)

Figura 28.- La Irradiancia se refiere al flujo radiante por unidad de área incidente en un

punto de una superficie procedente de un ángulo sólido hemisférico.

La Irradiancia es, por tanto, función de la posición específica del punto

considerado sobre la superficie que, en general, debe indicarse. Cuando sea

conocido o se pueda asumir que la Irradiancia es constante en la zona

considerada de la superficie, puede omitirse la especificación del punto

considerado. La Irradiancia es la magnitud más importante para caracterizar la

incidencia o emisión de radiación por una superficie cuando no es necesario

detallar la distribución angular o direccional de la radiación.

* Exitancia, M:

Se le denomina así a la Irradiancia saliente de una superficie y tiene las

mismas unidades y expresiones para su definición, es decir, que se mide en

W/m2. La Exitancia también se denomina anteriormente, Emitancia, aunque

este término se aplica en la actualidad como equivalente a la Emisividad,

propiedad de la superficie del elemento emisor.

33

* Intensidad radiante, I:

Es la densidad de flujo radiante por unidad de ángulo sólido /incidente en

/atravesando /emitido por /un punto en el espacio propagándose en una

dirección especifica. Se mide en W/Sr.

(24)

La intensidad radiante es una función de la dirección /desde el punto para el

cual se define, siendo necesario indicar explícitamente el punto y dirección

considerados. Para la mayoría de las fuentes luminosas reales es una función

fuertemente dependiente de la dirección y es una magnitud muy útil para

caracterizar fuentes puntuales o muy pequeñas comparadas con la distancia

desde la fuente al observador o al detector.

* Radiancia, L:

Es la densidad de flujo radiante por unidad de área y de ángulo sólido

/incidente en /atravesando /emitido por /un elemento de superficie centrado en

un punto en el espacio propagándose en una dirección especifica. Se mide en

W/(m2 . Sr) y esta definida por la ecuación (25):

(25)

Donde ds = dso cos θ es una magnitud denominada “área proyectada” que es

el área de proyección de la superficie elemental dso (de la superficie que

contiene al punto) sobre un plano perpendicular a la dirección de propagación.

34

Figura 29.- Representación de la Radiancia.

La radiancia se puede entender como la intensidad por unidad de área

proyectada o como la Irradiancia por unidad de ángulo sólido desde al área

proyectada. La radiancia es una función de la posición y dirección. Para la

mayoría de las fuentes luminosas reales, esta función es fuertemente

dependiente de la dirección, siendo la magnitud de uso más general para

caracterizar la propagación de radiación por el espacio o través de medios y

materiales transparentes o semitransparentes. El flujo radiante y la Irradiancia

pueden obtenerse a partir de la radiancia mediante el proceso matemático de

integración sobre una superficie de área finita y/o sobre un ángulo sólido finito.

Al ser la radiancia una función tanto de la posición sobre una superficie definida

como la dirección considerada desde ella, es muy importante expresar con

claridad la superficie considerada, el punto sobre la misma y la dirección desde

ella.

A manera de resumen, en la tabla 6 se indican las principales magnitudes de la

radiometría, así como también sus símbolo y unidades en las que se expresan.

Tabla 6.- Principales magnitudes de la radiometría.

35

2.5.2 Magnitudes fotométricas

El conjunto de magnitudes estándares de la fotometría se indica en la tabla 7,

en la que se puede observar que se hace una comparación con respecto a las

magnitudes de la radiometría.

Tabla 7.- Equivalencias entre las magnitudes radiométricas y las magnitudes

fotométricas.

Flujo luminoso, Φv:

Es la parte del flujo radiante que sensibiliza al ojo humano, es decir, la cantidad

total de luz radiada o emitida por una fuente durante un segundo. Se

representa por medio de la ecuación (26). Su unidad es el Lumen (lm), el cual

se define como el flujo luminoso emitido por una fuente puntual de intensidad

luminosa uniforme de una candela, dentro de un ángulo sólido de un

estereorradián. Otra definición es: Un lumen (lm) es el flujo luminoso (o

potencia radiante visible) emitido desde una abertura de 1/60 cm2 de una

fuente patrón e incluido dentro de un ángulo sólido de 1 sr.

(26)

De donde:

Q= Cantidad de luz emitida en lúmenes por segundo

t= Tiempo en segundos

36

* Intensidad luminosa, Iv:

La intensidad luminosa (Iv) de una fuente puntual de luz en dirección

determinada es el cociente entre el flujo luminoso que abandona la fuente y se

propaga en un elemento de ángulo sólido que contiene la dirección en cuestión,

y dicho elemento de ángulo sólido. Se representa mediante la ecuación (27):

(27)

Figura 30.- Representación de la intensidad luminosa

La luz viaja radialmente hacia afuera en líneas rectas desde una fuente que es

pequeña en comparación con sus alrededores. Para una fuente de luz de ese

tipo, el flujo luminoso incluido en un ángulo sólido Ω permanece igual a

cualquier distancia de la fuente. Por lo tanto, con frecuencia es más útil hablar

del flujo por unidad de ángulo sólido que hablar simplemente del flujo total. La

cantidad física que expresa esta relación se llama intensidad luminosa.

La unidad de intensidad es el lumen por estereorradián (lm/sr), llamada

candela. La candela o bujía, como a veces se le llama, se originó cuando el

patrón internacional quedó definido en términos de la cantidad de luz emitida

por la llama de cierta bujía. Este patrón no resultó adecuado y se remplazó

finalmente por el patrón de platino.

37

* Iluminancia

Considere un punto (P) en una superficie y alrededor de ese punto un

diferencial de área de la superficie en cuestión.

Figura 31.- Punto sobre una superficie.

La Iluminancia en un punto sobre una superficie es el flujo incidente por unidad

de área de la superficie de dicho punto, tal como se muestra en la ecuación

(28):

(28)

Su unidad es el Lux (lx), de donde un Lux= 1 lumen/m2. Es importante aclarar

que no se trata de radiación absorbida o reflejada por la superficie sino sólo del

flujo luminoso que llega o incide en la misma. De aquí que la iluminancia sea

independiente del tipo de superficie sobre la cual incide el flujo luminoso y por

lo tanto independiente de sus propiedades reflectora, transmisoras o

absorbentes.

Para entender la relación entre intensidad e iluminación, consideremos una

superficie A con una distancia R de una fuente puntual de intensidad I, como

muestra la figura 32. El ángulo sólido Ω subtendido por la superficie es el que

se expresó en la ecuación (19), donde el área A es perpendicular a la luz

emitida.

𝑑𝛷

dA

P

38

Figura 32.- Calculo de la iluminancia de una superficie perpendicular al flujo luminoso

incidente.

Si el flujo luminoso forma un ángulo θ con la normal a la superficie, como se

puede ver en la figura 33, en la cual se debe de considerar en área proyectada

A Cos θ. Con esto se representa al área efectiva del flujo, por lo tanto, el

ángulo sólido se puede determinar a partir de la ecuación (20). Sí de la

ecuación (27) se despeja al flujo luminoso, se obtiene:

(29)

Ahora ya es posible expresar la iluminancia como una función de la intensidad.

Sustituyendo la ecuación (29) en la ecuación (28) se obtiene:

(30)

39

Figura 33.- Representación de la iluminancia cuando una superficie forma una ángulo θ.

* Exitancia, Mv:

Es la medida del flujo luminoso que abandona una superficie. Le Exitancia se

define como el cociente entre el flujo luminoso que abandona un elemento de

superficie y el área de ese elemento. Matemáticamente se expresa en la

ecuación (31):

(31)

Figura 34.- Representación de la Exitancia.

𝑑𝛷

dA

P

40

* Extensión geométrica del haz:

Este concepto permite medir las dimensiones de un cono limitando los rayos

que parten desde un punto o llegan al mismo. Dos diafragmas cualesquiera son

suficientes para limitar un campo de radiación, así como se muestra en la figura

35, un diafragma de entrada y otro de salida:

Figura 35.- Cono limitado con un diafragma de entrada y otro de salida.

Ambos diafragmas determinan una extensión geométrica. Se trata de una

especie de conducto de forma cualquiera delimitado por todas las rectas que se

apoyan sobre los contornos de ambos diafragmas. En el interior de esta

superficie reglada se hallan todos los rayos que unen cualquier punto de la

superficie de entrada con cualquier punto de la superficie de salida. El flujo de

entrada es el mismo que el que aparece a la salida y será, por supuesto, el

mismo en cualquier sección intermedia del conducto. Este haz contiene una

doble multiplicidad de rayos, ya que se tiene una multiplicidad de salidas y una

multiplicidad de llegadas. Es decir, que para un punto del diafragma de entrada

se consideran todos los rayos que salen de este y llegan al diafragma de salida

lo cual se repite para cada punto de diafragma de entrada. De aquí que se

trabaje primero con diferenciales de segundo orden ya que la integración se

realiza en dos pasos: el primero para todos los rayos que salen del diafragma

de entrada (este puede ser la superficie de una fuente) y llegan a todos los

puntos del diafragma de salida (este puede ser la superficie receptora); repetir

esta operación tantas veces como puntos haya en el diafragma de entrada (o

fuente). Para analizar este fenómeno, considere por ejemplo como fuente una

lámpara incandescente y una superficie receptora como la de la figura 36:

(Álvarez, D. y Mosquera, R., 2008)

41

Figura 36.- Representación de fuente emisora y la superficie receptora.

Ya con la representación tanto de la fuente emisora, así como de la superficie

receptora, a continuación se indicará como es que el ángulo sólido dΩs bajo el

cual se ve dAr desde el punto de la fuente, queda representado en la ecuación

(32):

(32)

Recíprocamente, el ángulo sólido dΩr bajo el cual se be a dAs desde el punto

receptor se representa con la ecuación (33):

(33)

Ya con estas dos ecuaciones (32) y (33) se puede definir a la extensión

geométrica a la relación:

(34)

O también se puede representar mediante las ecuaciones (35) y (36)

(35)

(36)

42

Como conclusión a esta definición, se puede decir que esta cantidad es

proporcional al área aparente del elemento de superficie considerado (dAs Cos

θs si es la fuente o dAr Cos θr si es el receptor) y el ángulo sólido que

determina el otro elemento de superficie opuesto. Las relaciones que definen la

cantidad son simétricas con relación a la fuente y al receptor. La extensión

geométrica es, por tanto, una magnitud puramente geométrica y su unidad es

m2Sr. La extensión geométrica d2G sirve para medir las dimensiones de un haz

de rayos.

* Luminancia, Lv:

La luminancia en una dirección, en un punto sobre la superficie de una fuente o

de un receptor o en punto sobre la trayectoria de un haz, se define como el

cociente entre el flujo luminoso que abandona, alcanza o atraviesa un elemento

de superficie en ese punto y se propaga en las direcciones definidas por un

cono elemental que contiene la dirección dada, y el producto del ángulo sólido

del cono por el área de la proyección ortogonal del elemento de superficie

sobre un plano perpendicular a la dirección dada. Su unidad es la cd/m2.

De esta manera, se puede expresar la luminancia en función de la intensidad

luminosa en la ecuación (37):

(37)

Figura 37.- Representación de la luminancia.

43

CAPÍTULO 3

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN

ILUMINACIÓN

44

3.1 Iluminación de estado sólido: Diodo Emisor de Luz

3.1.1 Introducción

El primer reporte de un diodo emisor de estado sólido fue en 1907 por el

científico británico H.J. Round, sin embargo no se encontró uso práctico a dicho

descubrimiento durante varias décadas. En 1955 Rubin Braustein de la

Corporación Radio de América reportó por primera vez emisiones infrarrojas

provenientes de arseniuro de galio y otras aleaciones. En 1961 científicos de

Texas Instruments reportaron emisiones infrarrojas al aplicarse corriente al

arseniuro de galio. Un año más tarde, Nick Holonyak Jr. de General Electric

Company desarrollo el primer diodo de espectro visible. Los primeros Diodos

Emisores de Luz (del acrónimo en inglés: Diode Emmiting Light, LED) se

convirtieron comerciales en 1970 y casi todos eran rojos. Eran comúnmente

usados como reemplazos de indicadores incandescentes, en displays de siete

segmentos, en equipos de laboratorios y posteriormente en radios, televisiones,

teléfonos, calculadoras y hasta relojes. Los LEDs eran sólo usados como

indicadores debido a que su luz emitida era muy escasa como para iluminar un

área. En 1971 se reporta el primer LED azul, sin embargo la cantidad de luz

emitida era muy pequeña además de requerir grandes cantidades de energía

para su funcionamiento y tener un tiempo de vida muy corto. Con el paso de los

años, una década más tarde la tecnología en LEDs cuya intensidad luminosa

es de hasta 10 veces más luz que la generación anterior. En la década de los

90´s investigadores japoneses consiguen desarrollar el primer LED azul con

voltaje de polarización de 3.5 V., y con ello, de uso práctico. A partir del año

2000 se han conseguido grandes avances en la tecnología de los diodos

emisores de luz, que han permitido construir LEDs que soportan conducir

mayores cantidades de corriente y disipar mayores cantidades de calor, con lo

que la intensidad luminosa que emiten se incrementa sustancialmente. Estos

avances han permitido al LED ser utilizados en aplicaciones tan innovadoras

como excéntricas. Los LEDs ahora pueden ser utilizados en ropa, pisos

luminosos, señales de tránsito y en la iluminación en general, por citar algunos

ejemplos. (Bolaños, V.A., 2009).

3.1.2 Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode: LED)

Se puede definir al Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode: LED) como un

dispositivo de estado sólido capaz de generar luz cuando se conecta de

manera directa, como bien se debe, los diodos en polarización directa se

comportan como un switch cerrado lo que permite que haya flujo de electrones.

En el caso del LED, cuando está conectado de manera directa generará luz

cuando la corriente pase por las capas de los materiales semiconductores, los

cuales se encuentran en un reflector, que a su vez está encerrado en un lente

epoxi. (DiLouie, C., 2006). Su símbolo se muestra en la figura 38, así como

45

también su estructura del encapsulado y la polarización de sus pines, que

dependiendo como es que se conecten, ya sea en polarización directa o en

polarización inversa es como este encenderá.

Figura 38.- Encapsulado, polarización de los pines y símbolo del LED.

Fuente: http://heserral.wordpress.com

3.1.3 Propiedades eléctricas de los LEDs

Para entender el funcionamiento de los LEDs a continuación se describirán

algunas de sus propiedades eléctricas, evidentemente, no se trata de explicarlo

a detalle, más bien, se pretende dar un panorama general de su

funcionamiento, esto en base a cuestiones eléctricas.

Primeramente se explicará cual es el funcionamiento del diodo ya que

finalmente el LED es un diodo. Para esto, se partirá de la representación de la

gráfica que representa la corriente del diodo (ID) en función de la tensión del

diodo (VD). En la figura 39 se puede observar que la corriente es

aproximadamente cero hasta que la tensión del diodo se aproxima a la barrera

del potencial. En las proximidades de 0.6 a 0.7 V, la corriente del diodo

aumenta. Cuando la tensión del diodo es mayor a 0.8 V, la corriente del diodo

es significativa y la gráfica es casi lineal. (Malvino, A. y Bates, D., 2007).

Figura 39.- Grafica del comportamiento de la corriente del diodo en función de su tensión

46

Los LEDs pueden ser fabricados de diferentes materiales, que debido a esto se

obtendrá una gráfica de diferente comportamiento. Los voltajes de umbral que

se obtuvieron en la gráfica de la figura 40, y la comparación con la banda

prohibida de energía de cada material, indican que la banda de energía y el

voltaje de umbral, son razonablemente buenos resultados (Schubert, E., 2010).

Figura 40.- Graficas del comportamiento de la corriente de diferentes LEDs de diferentes

materiales en función del voltaje (Schubert, E., 2010).

Debido a esta relación ID-VD y sobretodo porque la corriente es

aproximadamente una función exponencial del volteje, un pequeño cambio en

el valor del voltaje resulta un gran aumento en el flujo de la corriente. Debido a

que es logarítmico con respecto a la corriente, se puede considerar constante a

lo largo del rango de operación del LED. La mayoría de los LEDs tiene un bajo

voltaje de ruptura inverso, lo cual significa que si un valor de voltaje alto se

aplica en sentido inverso, éste se dañara. Una de las recomendaciones que se

hace, sobre todo para permitir su larga vida útil, es que cada uno de los LEDs

cuente con una resistencia pero se debe de tener cuidado especial en el valor

que se le asigne porque si no se corre el riesgo de que la intensidad de la luz

se vea afectada utilizando un valor resistivo muy elevado.

3.1.4 Intensidad de luz del LED

Uno de los factores principales que interviene para el incremento de la

intensidad de la luz en el LED depende directamente del valor de la corriente.

Como se menciona al inicio de este capítulo, los primeros LEDs tenían una

intensidad muy baja, por lo que esto acotaba las aplicaciones de ellos,

generalmente nada más se usaban para la señalización. Conforme se fueron

47

incrementando las investigaciones de la fabricación de LEDs se fueron

modificando sus estructuras, una de ellas que se aplicó en los pozos cuánticos

(de su significado en inglés: Quantum Well -QW). He aquí los resultados de

dicha investigación, Los resultados experimentales de una estructura de LED

con uno, cuatro, seis y ocho pozos cuánticos (QWS) se muestran en la figura 4

(Hunt N, Schubert E. F., Sivco D. L., Cho A. Y. y Zydzik G. J., 1992). La

intensidad de la luz de la estructura de QW solo satura a un nivel de corriente

baja. Como el número de pozos cuánticos se incrementa, el nivel de corriente a

la que ocurre la saturación aumenta, y la intensidad de saturación óptica

aumenta también. La saturación de la intensidad de la luz se muestra en la

figura 41 es causada por el desbordamiento de los portadores

Figura 41.- Intensidad óptica de un LED de In0.16 GA0.84As/GaAs de 1, 4, 6 y 8 pozos

cuánticos (QW). (DataShet)(Hunt N, Schubert E. F., Sivco D. L., Cho A. Y. y Zydzik G. J.,

1992).

3.1.5 Color y Cromaticidad del LED

Derivado de que existen diferentes LEDs en base a los materiales que se fabrican y sus frecuencias de ondas de operación, en la tabla 8 se muestran las distintas frecuencias de emisión típica de los LEDs comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos técnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es importante resaltar que la resolución del ojo humano es del orden de los 3 a 5 nm según el color de que se trate.

48

Tabla 8.- Clasificación de los LEDs por su color y longitud de onda emitida.

Para tener una idea aproximada de la relación entre la frecuencia expresada en nanómetros y su correspondencia con un color determinado a continuación se presenta un gráfico simplificado del triángulo de Maxwell o Diagrama de Cromaticidad CIE (Figura 42). Cada color se puede expresar por sus coordenadas X y Y. Lo colores puros o saturados se encuentran en el exterior del triángulo y a medida que se sigue una proyección hacia su centro el color tiende al blanco. El centro de la zona blanca es el blanco puro y suele expresarse por medio de la temperatura de color, en grados Kelvin, de un cuerpo negro. Simplificando se deduce que un cuerpo negro al calentarse empieza a emitir ondas infrarrojas, al subir la temperatura empieza a tomar un color rojizo, esto es en los 770 nm, al seguir elevándose la temperatura, el color se torna anaranjado, amarillento y finalmente blanco, describiendo una parábola desde el extremo inferior derecho hacia el centro del triángulo. Por lo tanto cada color por donde pasa dicha parábola puede ser representado por una temperatura equivalente. El centro del triángulo (blanco puro) se corresponde con una temperatura de 6500 K. El tono de los LEDs blanco viene expresado precisamente en grados kelvin. Una temperatura superior significa un color de emisión blanco – azulado. .

49

Figura 42.- Diagrama de Cromaticidad de un LED.

Fuente: http://www.dbup.com.ar

3.1.6 Estructura del LED

Hoy en día se fabrican numerosos encapsulados para los LEDs y su cantidad se incrementa año con año a medida que las aplicaciones de estos se hacen más específicas. A continuación se describe el encapsulado más popular de los LEDs, el cual es el de 5mm. de diámetro.

Como se puede observar en la figura 43, el LED viene provisto de los dos terminales correspondientes que tienen aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo y sección generalmente de forma cuadrada. Uno de los detalles que permite distinguir o diferenciar a las terminales es que la parte interna del terminal del cátodo es más grande que el ánodo, esto es porque el cátodo está encargado de sujetar al sustrato de silicio, por lo tanto será este terminal el encargado de disipar el calor generado hacia el exterior ya que el terminal del ánodo se conecta al chip por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor.

La terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular, este es un punto muy crítico en la fabricación y concepción del LED ya que un mal enfoque puede ocasionar una pérdida considerable de energía o una

50

proyección despareja. Un LED bien enfocado debe proyectar un brillo parejo cuando se proyecta sobre una superficie plana.

Figura 43.- Estructura de un LED de 5mm.

Fuente: http://van3x.blogspot.mx

3.1.7 Funcionamiento del LED

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente en una única

dirección. El diodo y su correspondiente circuito eléctrico se encapsulan en una

carcasa-base, de resina epoxi o cerámica según las diferentes tecnologías.

Este encapsulado consiste en una especie de cubierta sobre el dispositivo y en

su interior puede contener uno o varios LEDs (tecnología multichip).

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eléctrica puede ser

alterada mediante variaciones de temperatura, por aplicación de campos,

concentración de impureza. El material semiconductor más común es el silicio,

que se utiliza predominantemente para aplicaciones electrónicas.

3.1.8 Tipología y tecnologías básicas del LED

En líneas generales, los LED individuales se pueden clasificar en base a dos

criterios, el primero en función del montaje del chip; y en segundo lugar en

función de la potencia (intensidad de funcionamiento). (Canorea, A., 2010)

En función del montaje del chip, existen tres grandes grupos:

51

a) LED radiales o”industriales”. Se caracterizan por tener el chip semiconductor

montado sobre un sustrato con entrada y salida de corriente metálico, y

envuelto en una resina epoxi protectora que concentra radialmente el haz

luminoso en disposiciones típicamente de 3 y 5mm de diámetro (luz intensiva).

Figura 44.- LED radial.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Led

b) LED montado sobre superficie o SMT (Surface Mounted Technology). Se

caracterizan por montar el chip semiconductor sobre una robusta base plástica

o cerámica, típicamente de 1 mm2 o 2,5 mm2, donde se le dan varios accesos

o “patillas” de entrada y salida de corriente de funcionamiento. Generalmente

son disposiciones con salida de luz extensivas (120º-160º), pero pueden

incorporar ópticas primarias para concentrar más o menos el haz luminoso

dependiendo que la aplicación final del led sea para el desarrollo de soluciones

intensivas con lentes secundarias, o extensivas con reflectores metálicos.

Figura 45.- LED de montaje superficial

Fuente: http://www.screens.ru/es/2003/8.html

c) Led multichip. Se trata de un led montado sobre superficie pero con varios

chips semiconductores dispuestos sobre la misma base cerámica o plástica

con el objeto de concentrar un paquete lumínico grande o de conseguir una

resultante de luz a partir de chips con diferentes colores o temperaturas de

color.

52

Figura 46.- LED Multichip.

Fuente: http://news.frbiz.com/cree_introduced_the_industry-183056.html

En función de la potencia consumida por el del chip, que a su vez depende de

la intensidad de corriente de funcionamiento (mA) con la que se alimenta el

LED, se clasifican en:

a) LED “estándar” o de baja potencia. Se trata de LED con consumos inferiores

a 0.5W y corrientes de funcionamiento o inferiores a 100mA. Se utilizan para

aplicaciones de luz no exigentes, como por ejemplo, las de iluminación

decorativa, balizamientos y rotulación.

b) LED de alta potencia. Se trata de LED con consumos superiores a 0.5W y

corrientes de funcionamiento típicamente de 350mA (aprox. 1W), 500mA

(aprox. 2W), 700mA (aprox. 3W) y 1000mA

3.1.9 Ventajas de la tecnología LED

Las ventajas tecnológicas de los LED´s se traducen en beneficios para el

usuario final, de las cuáles caben destacar:

1) Pequeñas dimensiones, que permiten una gran flexibilidad y simplicidad de

diseño.

2) Alta eficacia de color. Los LED´s son fuentes de luz monocromática, es

decir, emiten luz directamente en un solo color, evita perdidas de flujo luminoso

al pasar la luz generada a través de filtros.

3) Luz direccionable, dependiendo del tipo de LED y la óptica incorporada. Es

una fuente de luz que permite un control preciso del haz de luz y conseguir

efectos luminosos espectaculares de forma sencilla.

4) Sin radiación ultravioleta e infrarroja, con lo que en algunas aplicaciones se

evita el deterioro de los materiales o elementos iluminados.

53

5) Vida extremadamente larga, hasta las 50.000 horas vida útil dependiendo

del sistema y la disipación térmica de la solución LED.

6) Alta resistencia a golpes y a vibraciones, ya que los LED son fuentes de luz

sólidas que carecen de filamentos o tubos de descarga, confiriendo una alta

fiabilidad a las instalaciones de iluminación.

7) Bajo consumo en aplicación. Las soluciones LED necesitan menos potencia

instalada en comparación con la necesaria para conseguir el mismo efecto con

fuentes de luz tradicionales. Actualmente los LED son fuentes de luz con una

eficacia luminosa media real de 100 lúmenes por cada vatio consumido.

8) Fácilmente regulables. Con las unidades de control adecuadas, los LED´s

permiten su regulación y control de forma sencilla sin verse comprometida su

vida, inclusive en cuanto al número de apagados y encendidos como pasa con

otras fuentes de luz tradicionales.

54

3.2 Diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs)

3.2.1 Introducción

Los diodos emisores de luz (LED) ya han sido objeto de un uso práctico con el

medio ambiente por medio de la iluminación de estado sólido (SSL), debido a

su alta eficiencia y larga vida útil. Ahora los diodos orgánicos emisores de luz

(OLED) también están llamando la atención como alternativa prometedora

desde que fue creado el OLED blanco por el Prof. Kido en 1993 (Kido, J.,

Hongawa, K., Okuyama, K. y Nagai, K., 2006), esto debido a sus diversos

beneficios, tales como ahorros de energía considerables y porque no contienen

mercurio, así como otras ventajas de la emisión de superficie uniforme sin

rayos UV de una pantalla plana delgada. Por el momento, los LED permanecen

varios pasos por delante de los OLED, pero van a ser mejorados y serán

utilizados de diferentes maneras, debido a: su diferente condiciones de su luz,

su la forma, su el tono y su la distribución. Al igual que las fuentes de

iluminación convencional como lámparas incandescentes y lámparas

fluorescentes, ahora los LED se utilizan principalmente como fuentes de luz

direccionales, tales como focos, luces de señalización, las luces colgantes,

mientras que los OLED se utilizan como fuentes de luz (lámparas de techo

difusivos, etc) . Por otra parte, la iluminación OLED puede cumplir con los

requisitos para diversas aplicaciones especiales, pero hasta el momento no se

han diseñado para ser utilizadas como fuentes de luz convencionales.

3.2.2 Configuración de un OLED

Al margen de la preparación de la película, la configuración del dispositivo y el

principio de funcionamiento de ambos tipos de OLEDs son básicamente los

mismos: un diodo orgánico emisor de luz consiste en una secuencia de capas

orgánicas entre dos electrodos, un ánodo para la inyección de huecos y un

cátodo para la inyección de electrones, respectivamente. Esquemáticamente,

las capas básicas tienen asignadas las siguientes funciones:

55

Figura 47.- Estructura de un OLED

Fuentes: http://www.lvd.cc/es/history/4.html

Bajo una corriente de polarización positiva, los huecos son inyectados desde el ánodo y los electrones desde el cátodo. Los portadores de carga se mueven a través de las capas de transporte (mediante un mecanismo de hopping) y se encuentran en la capa de emisión, donde se forman excitones (estados neutros excitados o pares electrón-hueco enlazados) que presentan una cierta probabilidad de decaer radiativamente. Para alcanzar una eficiencia elevada (fotones emitidos con respecto a electrones inyectados), las capas deben cumplir ciertos requisitos. La capa de inyección de huecos (HIL) tiene que facilitar la inyección de huecos desde el ánodo a la capa de transporte de huecos (HTL). Esto puede lograrse eligiendo el nivel energético del orbital molecular más alto ocupado (HOMO) de forma que esté entre el HOMO de la HTL y el potencial de ionización del ánodo. En el dibujo simplificado que se recoge en la figura siguiente, los niveles HOMO y LUMO se tratan de forma análoga a las bandas de valencia y conducción en semiconductores inorgánicos y el nivel de vacío se supone alineado. Debe tenerse en cuenta que esta es una aproximación poco rigurosa. La capa de transporte de huecos debe tener una alta movilidad de los mismos y debe impedir el que los electrones procedentes del cátodo lleguen al ánodo (dando lugar a una corriente de derivación). Además, la transmisión de todas las capas orgánicas debe ser alta en la región de la longitud de onda de emisión. Las posiciones de los orbitales HOMO y LUMO (orbital molecular más bajo no ocupado) de la capa de emisión (EML) deben posibilitar la inyección de huecos y electrones desde las capas vecinas. Adicionalmente, la eficiencia de fotoluminiscencia (proporción de excitones recombinados radiactivamente frente a excitones generados) del material

56

emisor debe ser alta y la emisión debe estar desplazada hacia el rojo respecto a la absorción (desplazamiento de

Stokes), Las propiedades de las capas de transporte de electrones (ETL) y de

inyección de electrones (EIL) serían complementarias a las ya vistas para las

capas HIL y HTL (es decir, niveles LUMO adecuados, alta movilidad de

electrones). El ánodo debe tener un potencial de ionización alto para inyectar

huecos en el HOMO de la HIL. Por consiguiente, el cátodo debe ser un metal

con una función de trabajo baja como el magnesio o el calcio. Finalmente, al

menos un electrodo debe ser transparente para lograr una alta eficiencia de

extracción de la luz. Por esta razón, en la mayor parte de los casos se utiliza

ITO (óxido de estaño-indio) como ánodo transparente.

Figura 48.- Vista esquemática de una situación energética favorable en un OLED.

Fuente: Chamorro, P., Gil, J.M., Ramos, P.M., Navas, L.M., 2008

3.2.3 Estructuras de los OLEDs

La elección de los materiales orgánicos y la estructura de las capas determinan

las características de funcionamiento del dispositivo: color emitido, tiempo de

vida y eficiencia energética. Algunos tipos de estructuras de OLED que se han

fabricado son:

SM-OLED (Small-Molecule OLED).- La producción de pantallas con pequeñas

moléculas requieren una deposición en el vacío de las moléculas que se

consigue con un proceso de producción mucho más caro que con otras

57

técnicas. Típicamente se utilizan sustratos de vidrio para hacer el vacío, pero

esto elimina la flexibilidad de las pantallas aunque las moléculas si lo sean.

Figura 49.- Estructura de un SM-OLED.

Fuente: www.plextronics.com/products_application.aspx

P-OLED (Polymer Light-Emitting Diodes).- Se basa en un polímero conductivo

electroluminiscente que emite luz cuando le recorre una corriente eléctrica. Se

utiliza una película de sustrato muy delgada y se obtiene una pantalla de gran

intensidad de color que se requiere muy poca energía en comparación con la

luz emitida. El vacío no es necesario y los polímeros pueden aplicarse sobre el

sustrato, el cual puede ser flexible.

Figura 50.- Estructura de un P-OLED.

Fuente: www.photonics.com/Article.aspx?AID=26041

58

T-OLED (Transparent-OLED).- Los T-OLED usan terminal transparente para

crear pantallas que puedan emitir en su cara de adelante, en la de atrás, o en

ambas consiguiendo ser transparentes. Los TOLED pueden mejorar

enormemente el contraste del entorno, haciendo mucho más fácil el poder ver

las pantallas con la luz del sol.

Figura 51.- Estructura de un T-OLED.

Fuente: www.universaldisplay.com/default.asp?contentID=586

S-OLED (Stack-OLED).- Los S-OLED utilizan una arquitectura que se basa en

almacenar subpixeles rojos, verdes y azules, uno encima de otros en vez de

disponerlos a los lados como sucede de manera normal en las pantallas de TV

de TRC y LRC. Esto permite una mejor resolución en las pantallas y se realiza

mejor la calidad del color.

Figura 52.- Estructura de un T-OLED. En comparación con los OLEDs convencionales,

los T-LEDs utilizan como cátodo un compuesto transparente (electrodo superior) que

permite que la luz emitida desde ambas superficies (Izquierda) o selectivamente desde la

superficie superior utilizando un sustrato o película opaca (Derecha).

59

Fuente: Chamorro, P., Gil, J.M., Ramos, P.M., Navas, L.M., 2008

3.2.4 Caracterización de un OLED

La caracterización de los OLEDs consiste, fundamentalmente, en la

caracterización del dispositivo emisor y precediendo a ésta, la caracterización

de los constituyentes de la capa emisora:

- Caracterización de constituyentes de la capa emisora. La caracterización

individual del polímero emisor, moléculas pequeñas, compuestos de

coordinación u otros componentes de la capa emisora se realiza por análisis

estructural y de propiedades, a través de la espectroscopia de infrarrojo con

transformada de Fourier, técnicas de termoanálisis/calorimetría, técnicas

cromatográficas, microscopías, y caracterización electroquímica por voltametría

cíclica. De especial interés tiene, ante el hallazgo de un nuevo complejo

emisor, su caracterización estructural, la cual se lleva a cabo por difracción de

rayos X, y su caracterización fotofísica, que se realiza por espectroscopia de

absorción ultravioleta-visible y espectroscopia de fotoluminiscencia (espectros

de excitación y emisión).

- Caracterización del dispositivo emisor. Conlleva su caracterización

electroluminiscente y la medición de tiempos de vida. La caracterización

electroluminiscente se concreta en la determinación del voltaje de encendido,

pico electroluminiscente y eficiencia de luminancia, lo que se consigue a través

de tres tipos de registros: EL vs. λ; luminancia vs voltaje; y densidad de

corriente vs voltaje. La determinación de tiempos de vida se realiza mediante la

medida del decaimiento de luminosidad utilizando bien corriente en directa

(DC) o excitación pulsada.

3.2.5 Tiempo de vida útil de los OLEDs

Una propiedad fundamental de los OLEDs es la estabilidad a largo plazo. Un

tubo de rayos catódicos (CRT) tiene una duración de aproximadamente 100000

horas, o 12 años de funcionamiento ininterrumpido, y la mayor parte de las

tecnologías utilizadas en pantallas superan las 50000 horas. En las primeras

etapas del desarrollo de los OLEDs, sus tiempos de vida de tan sólo decenas

de horas hacían que no fueran prácticos. Burrows (P. E. Burrows, V. Bulovic, S.

R. Forrest, L. S. Sapochak, D. M. McCarty, M. E. Thompson, 1994)

introdujeron una técnica sencilla de encapsulamiento para proteger los OLEDs

de los efectos nocivos de la atmósfera, consiguiendo con ella un aumento

considerable del tiempo de vida. También importante fue la contribución de Xu

(G. Xu, Fighting., 2003) demostrando que los OLED se degradan según dos

60

mecanismos distintos: degradación intrínseca (que conlleva un descenso de la

eficiencia de los luminóforos), y aparición de puntos no emisores.

El decaimiento de la luminosidad, es decir, el tiempo hasta que la emisión

resulta un 50% de la inicial, puede medirse utilizando bien corriente en directa

(DC) o excitación pulsada (C. Cimico,2003), para diferentes situaciones de

humedad, temperatura y exposición a radiación UV. Otros factores susceptibles

de medida y que se toman en consideración para evaluar el envejecimiento

son: cambios del color o uniformidad de la emisión, cambios en el voltaje de

operación o en la temperatura, y fallo de un pixel (al trabajar con pantallas).

3.2.6 Comparación del LED con el OLED

La tabla 9 se muestra una comparación de la información relevante para la

operación de un LED inorgánico típico (InGaN como medio activo) y un OLED

típico (Alq3 dopado con quinacridona como emisor). Es importante tener en

cuenta que los LEDs inorgánicos pueden verse como fuentes puntuales de luz,

mientras que los OLEDs son superficies emisoras. Por tanto, la emisión de luz

en los OLEDs se mide como luminancia (cd/m2) y para los LEDs inorgánicos en

intensidad luminosa (cd) o flujo luminoso total (en lúmenes). Esta diferencia

motiva la predicción de que los OLEDs no reemplazarán a los LEDs

inorgánicos, sino que encontrarán aplicaciones completamente nuevas.

Tabla 9.- Comparación de los LEDs contra los OLEDs

A partir de los resultados de la tabla, podría pensarse que los LEDs inorgánicos

tienen mejor funcionamiento que los OLEDs en casi cada apartado. Sin

embargo, la posibilidad de integrar los LEDs en matrices con un coste

razonable aquí no se contempla. Para una pantalla de monitor típica, se

necesitan 1280×1024 píxeles en un área de aproximadamente 40-50 cm (15-20

pulgadas). Dimensiones tan grandes hace que la integración de LEDs

61

inorgánicos sea poco eficiente, y que la utilización alternativa de una matriz de

LEDs inorgánicos individuales (altamente deseable por su excepcional brillo)

resulte demasiado cara.

Los LEDs inorgánicos son idóneos sólo para dispositivos en donde se

requieran sistemas ópticos de alta calidad (por ejemplo, sistemas de

proyección) o para pantallas grandes en condiciones de luz natural. Por el

contrario, los OLEDs son una opción mejor para aplicaciones de pantallas

grandes y planas en un entorno de luz artificial, como pantallas de portátil o de

televisión. La eficiencia energética y el voltaje de operación de los OLEDs

están en el rango de los mejores LEDs inorgánicos, pero aquellos cuentan con

la ventaja adicional de que los procesos de fabricación son mucho más

rentables. Los LEDs inorgánicos necesitan capas perfectamente ordenadas

(por ejemplo monocristalinas) sobre sustratos altamente reflectantes para

alcanzar un buen rendimiento en términos de eficiencia, mientras los materiales

orgánicos utilizados en OLEDs son simplemente sublimados a estado vapor a

bajas temperaturas y sobre grandes áreas.

62

3.3 Lámparas de Inducción Magnética

3.3.1 Principio de funcionamiento

La lámpara de la inducción, a veces referido como la 'lámpara sin electrodos',

se basa en principios magnéticos y fluorescentes para su funcionamiento. Las

características de construcción se muestran en la figura 16.

Figura53.- Construcción de una lámpara de inducción magnética.

Fuente: Smith, N., 2000

La Transferencia de energía por magnetismo (de una manera similar a la del

transformador eléctrico) inicialmente es empleado, con la baja presión mercurio

en la lámpara de relleno actuando como una bobina secundaria del

transformador. La bobina primaria y un núcleo de ferrita son denominadas

conjuntamente la antena. Una corriente eléctrica alterna en el devanado

primario, típicamente a una frecuencia de 2.65MHz., se suministra desde una

fuente externa. La corriente inducida en el vapor de mercurio, como

consecuencia de la campo magnético creado por la bobina primaria, produce la

emisión de la fotones ultravioleta que posteriormente activar el recubrimiento

de fósforo de la envoltura exterior de vidrio y, al hacerlo radiación producen

dentro de la espectro visible, de una manera idéntica a la producción de luz

desde una lámpara fluorescente convencional (Smith, N., 2000).

El mayor beneficio de la lámpara de la inducción es su vida útil extendida, que

suele ser citado como 60 000 horas. En la lámpara convencional algunos de los

óxidos de emisor de electrones se separan de los electrodos al arrancar y

durante un período de tiempo de estos óxidos se vuelven totalmente gastado.

63

Con la lámpara de la inducción, sin embargo, no hay electrodos y así, vida de

la lámpara aumenta considerablemente.

.

Debido a su capa de trifósforo, la lámpara de inducción magnética tiene un

bajísimo nivel de radiación UV (0,4%) y de rayos infrarrojos (0,2%). Esto la

transforma en una alternativa inocua tanto para el medio ambiente, como para

los seres vivos.

3.3.2 Operación de los elementos que la componen.

1.- Generador de Alta Frecuencia: El generador produce una corriente alterna

de 236 Kh que es suministrada a la antena. Contiene un oscilador, que se

ajusta a las características de la bobina primaria.

2.- Bobina de Inducción sin Electrodos: La bobina descarga la energía

producida por el generador de alta frecuencia a una ampolla de cristal,

utilizando para esto una antena –conformada por una bobina primaria de

inducción y un núcleo de ferrita. Este equipo consta además de un soporte para

la antena, un cable coaxial y anillos magnéticos termoconductores.

3.- Electrones (Ion Plasma y Gas Inerte): El choque de gas argón con las

moléculas controladas de mercurio en estado gaseoso, transforma la energía

en radiación ultravioleta (0,2%).

4.- Capa de Trifósforo: La capa de trifósforo convierte la radiación ultravioleta

producida (0,4%) en luz visible.

5.- Luz Visible

En una variación de esta tecnología, una lámpara con forma de foco, el cual tiene un tubo con una cavidad central, es cubierto con fósforo en el interior, se llena con gas inerte y un perdigo de amalgama de mercurio. La bobina de inducción es enrollada en un mango de ferrita el cual se inserta en la cavidad central del tubo. El inductor se excita por medio de energía a alta frecuencia producida por un balastro electrónico externo causando que un campo magnético penetre el vidrio excitando los átomos de mercurio, los cuales emiten luz UV, la cual se convierte en luz visible por medio de la capa de fósforo.

Las lámparas de inducción externa tienen la ventaja de que el calor generado por el ensamblado de las bobinas de inducción es externo al tubo y puede ser fácilmente disipado al aire por convección, o a la luminaria por conducción. El diseño de inductor externo se presta a lámparas con intensidades luminosas más altas las cuales pueden tener forma rectangular o redonda. Las lámparas de inducción interna, el calor generado por la bobina de inducción, es emitido dentro del cuerpo de la lámpara y debe enfriarse por conducción hacia el

64

disipador que se encuentra en la base de la lámpara y por radiación a través de la pared de vidrio. Las lámparas de inducción internas tienden a tener una vida útil más corta que las externas debido a las altas temperaturas internas. Las lámparas de tipo interno tienen mayor similitud con los focos convencionales que las de diseño externo las cuales pueden ser más llamativas para ciertas aplicaciones.

3.3.3 Alternativa Eficiente

Una de las características que transforman a las lámparas de inducción en una

excelente alternativa a las luminarias tradicionales es que tienen la mayor

eficiencia en lo que se refiere a conversión de energía, una vez que el factor de

corrección es aplicado (tienen un alto rango S/P de 1.96 a 2.25), lo que les

permite producir una luminosidad que es mejor aprovechada por el ojo

humano, y utilizando para ello menos energía eléctrica.

Otro elemento diferenciador es que se encienden en seguida, es decir,

generalmente comienzan operando a un promedio de 80% del máximo output,

llegando al 100% en máximo 240 segundos. Esto significa que no hay que

esperar a que la luz encienda completamente.

3.3.4 Energía más Limpia

Debido a su casi nula necesidad de mantenimiento y larga vida útil –unos 20

años en promedio- las lámparas de inducción magnética son muy eficientes en

ambientes agrestes, carreteras, túneles y pasos bajo nivel, en general lugares

de difícil acceso.

Estas lámparas son una excelente alternativa para reducir el impacto

medioambiental, debido a su ahorro energético, menor utilización de materiales

y menor uso de mercurio.

3.3.5 Ventajas y desventajas de las lámparas de inducción magnética:

Ventajas de las lámparas de inducción magnética

Larga duración debida a la falta de electrodos – entre 65,000 y 100,000

horas dependiendo del modelo.

Alta eficiencia de entre 62 y 87 lúmenes/watt.

Aalto factor de potencia debido a las bajas perdidas de los balastros

electrónicos que son 98% eficientes.

65

Mínima depreciación de lúmenes (baja intensidad luminosa con el

tiempo) comparada con otros tipos de lámparas debido a que no existe

la evaporación del filamento ni la deflexión.

Encendido y reencendido instantáneos, a diferencia de las lámparas

convencionales (Vapor de sodio, haluro metálico).

Amigables con el ambiente ya que utilizan menos energía, y

generalmente utilizan menos mercurio por hora de operación. El

mercurio se encuentra en forma sólida y puede recuperarse fácilmente al

final de la vida de la lámpara.

Proporcionan una excelente interpretación del color (CRI mayor a 80).

Desventajas de las lámparas de inducción magnética

Alto costo inicial.

Actualmente limitadas en potencia.

Físicamente más grandes

Una variedad limitada.

Dañinas para el ambiente debido al contenido de mercurio, deben

desecharse de manera apropiada, desecho especial es más costoso y le

generara un costo al consumidor.

66

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS Y RESULTADOS

67

4.1 Mediciones, análisis comparativo y estudio de ahorro de energía

eléctrica

I.- Mediciones en el cuarto obscuro del Laboratorio de Eléctrica en las

instalaciones del Instituto Tecnológico de Chihuahua.

Para poder determinar los flujos luminosos que genera cada tecnología en

iluminación, se determinó llevar a cabo una serie de mediciones en un cuarto

obscuro, esto con la finalidad de evitar reflexiones indebidas y así tener

mejores resultado.

Para este análisis, se determinó emplear luminarias de diferentes tecnologías,

con ello se podrán hacer comparaciones entre las luminarias actuales y las

que hoy en día se están proponiendo para obtener ahorros significativos en los

sectores de la iluminación. A continuación se menciona las características de

cada una de ellas.

A) Luminaria de halógeno: Es de marca Philips, de 29 Watts (equivalente a

una de 40 Watts incandescente), el voltaje de alimentación es de 120

VCA, los lúmenes que emite son 406, el tipo de luz es clara y con un

tiempo de vida útil de 1,000 Hrs.

B) Luminaria Fluorescente compacta: Es de marca Philips, de 23 Watts

(equivalente a una de 100 Watts incandescente), el voltaje de

alimentación es de 120 VCA, los lúmenes que emite son 1380, el tipo de

luz es clara fría y con un tiempo de vida útil de 8,000 Hrs.

C) Luminaria de LEDs: Es de marca Philips, de 17 Watts (equivalente a una

de 90 Watts incandescente), el voltaje de alimentación es de 120 VCA,

los lúmenes que emite son 1050, el tipo de luz es clara y con un tiempo

de vida útil de 50,000 Hrs.

D) Luminaria de Inducción Magnética: No tiene marca, de 23 Watts, el

voltaje de alimentación es de 120 VCA, los lúmenes que emite son 1400,

el tipo de luz es clara y con un tiempo de vida útil de 100,000 Hrs.

El procedimiento que se empleó fue el que determina la metodología fue el que

indica la NOM-025-STPS-1999. A continuación se describe los procedimientos

con respecto a la norma que menciona para efectuar las mediciones:

1.- En base a la Metodología, se llevó a cabo el punto A.2.1 A) que dice:

68

“encender las lámparas con antelación, permitiendo que el flujo de luz se

estabilice; si se utilizan lámparas de descarga, incluyendo lámparas

fluorescentes, se debe esperar un período de 20 minutos antes de iniciar las

lecturas. Cuando las lámparas fluorescentes se encuentren montadas en

luminarias cerradas, el período de estabilización puede ser mayor”

2.- Se realizó el calculó de los puntos de medición en base al punto:

“A.2.3 Ubicación de los puntos de medición.

Los puntos de medición deben seleccionarse en función de las necesidades y

características de cada centro de trabajo, de tal manera que describan el

entorno ambiental de la iluminación de una forma confiable, considerando: el

proceso de producción, la ubicación de las luminarias y de las áreas y puestos

de trabajo, y la posición de la maquinaria y equipo.

A.2.3.1 Las áreas de trabajo se deben dividir en zonas del mismo tamaño, de

acuerdo a lo establecido en la columna A (número mínimo de zonas a evaluar)

de la tabla A1, y realizar la medición en el lugar donde haya mayor

concentración de trabajadores o en el centro geométrico de cada una de estas

zonas; en caso de que los puntos de medición coincidan con los puntos focales

de las luminarias, se debe considerar el número de zonas de evaluación de

acuerdo a lo establecido en la columna B, (número mínimo de zonas a

considerar por la limitación) de la tabla A1. En caso de coincidir nuevamente el

centro geométrico de cada zona de evaluación con la ubicación del punto focal

de la luminaria, se debe mantener el número de zonas previamente definido.”

3.- Cálculo del Índice del área

El valor del índice de área, para establecer el número de zonas a evaluar, está

dado por la ecuación (38):

69

( )( )

( ) (38)

Dónde:

IC = índice del área.

x, y = dimensiones del área (largo y ancho), en metros.

h = altura de la luminaria respecto al plano de trabajo, en metros.

Sustituyendo estos valores por lo que tiene el cuarto oscuro, el cual tiene los

siguientes datos: x= 3.4 mts.; y= 5.4 mts.; h= 1.47 mts., con estos valores se

obtienen un índice de área de:

( )( )

( )

Por lo que en base a la tabla A1, el número mínimo de zonas a evaluar es: 9.

En base a este resultado se dividió el cuarto en estas zonas en base al punto

A.2.3.1 de la norma.

4.- Medición en los puntos calculados.

Una vez que se señalaron los puntos se tomaron en cuenta las siguientes

consideraciones para no afectar las mediciones:

Para de evitar reflexiones indebidas durante las mediciones, el operador

del luxómetro no debe utilizar delantal blanco, por lo que se utilizó ropa

de color obscuro

El operador del luxómetro no debe interponerse entre la fuente de

iluminación y el sensor

También un periodo de calentamiento de las lámparas, y una adaptación

del sensor del luxómetro para que alcance la sensibilidad constante.

70

5.- Luxómetro empleado

Para llevar a cabo las mediciones utilizo un luxómetro de marca Steren,

Modelo: HER-410, el cual tiene las siguientes características técnicas:

- Selector de rangos de 1, 10 y 100 Lux - Frecuencia de muestreo: 2 veces por segundo para datos digitales - Pantalla de 3,5 dígitos - Mensaje de sobre rango: 1 - Alimentación: 9 Vcc (1 pila de 9 V) - Indicador de batería baja - Longitud del cable del sensor de luz: 1,5 m - Dimensiones del sensor de luz: 5 x 8 x 1,2 cm - Dimensiones del equipo: 7 x 12 x 2,5 cm - Peso: 140g

5.- Resultado de las mediciones:

A continuación en la tabla 10 se muestran los resultados obtenidos de cada

una de las luminarias.

Tabla 10.- Resultado de las mediciones de cada una de las luminarias.

De manera ilustrativa, en la figura 55 se indican las intensidades de cada uno

de los puntos, relacionándolos con las iluminarias. Para que no existan con

funciones, las barras de color azul pertenecen a la lámpara de halógeno, las

barras de color rojo pertenecen a la lámpara de LED, las barras de color verde

pertenecen a la lámpara fluorescente y las barras de color morado pertenecen

a la lámpara de inducción magnética.

Luminaria Mediciones P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 Promedio

Halógeno M1 2 3 2 8 8 8 2 3 2

M2 2 3 2 8 8 8 2 3 2

Promedio 2.0 3.0 2.0 8.0 8.0 8.0 2.0 3.0 2.0 4.2

LED M1 0 1 0 48 2150 7 0 1 0

M2 0 1 0 48 2150 7 0 1 0

Promedio 0.0 1.0 0.0 48.0 2150.0 7.0 0.0 1.0 0.0 245.2

Flourescente M1 10 15 8 36 49 38 10 15 11

M2 9 13 9 34 44 36 11 17 10

Promedio 9.5 14.0 8.5 35.0 46.5 37.0 10.5 16.0 10.5 20.8

Ind. Mag. M1 6 9 6 28 52 28 5 8 7

M2 6 8 6 29 52 29 6 10 8

Promedio 6.0 8.5 6.0 28.5 52.0 28.5 5.5 9.0 7.5 16.8

Figura 54.- Luxómetro HER-40.

71

Figura 55.- Comparación grafica de cada uno de los puntos en los que se tomaron las

mediciones.

Conclusiones de las mediciones:

1.- Los valores tan bajos en los puntos de las esquinas correspondiente a la

lámpara de LED se debe a que como es una lámpara de luz direccionada, todo

el flujo luminoso se concentra en el punto central, el cual como se puede

observar es donde se obtuvo la mayor medición de todas las luminarias.

2.- La lámpara fluorescente es la que mantiene un valor constante en los 9

puntos, es importante resaltar que esta es una de las tecnologías en

iluminación que se están empleando para sustituir a las lámparas

incandescentes.

3.- La lámpara de halógeno es la que en todos los puntos su intensidad

luminosa es la menor que las demás tecnologías.

4.- La lámpara de inducción magnética se mantienen casi al igual con las

lámparas fluorescentes.

72

II.- Comparaciones de los datos técnicos de cada una de las lámparas

empleadas en las mediciones

Uno de los análisis que se les hicieron a las tecnológicas fue en base a

diferentes aspectos técnicos, lo cuales se describen a continuación.

A) Consumo en Watts: Este fue el parámetro con el cual se quisieron

homologar las lámparas. Como se puede observar en la tabla 11, se tienes

valores aproximados de las lámparas. De esos valores fueron los que se

encontraron en el mercado.

Tipo de luminaria Potencia (Watts)

Halógeno 29

Fluorescente compacta 23

LED 17

Inducción Magnética 23 Tabla 11.- Potencia de consumo de cada tipo de lámpara.

B) Lúmenes emitidos: Según la información que proporciona cada fabricante,

en la tabla 12 se indican los lúmenes que de emite cada lámpara, como se

puede observar, en este rubro, casi tienen el mismo flujo luminoso la

fluorescente y la de inducción magnética.

Tipo de luminaria Lúmenes

Halógeno 406

Fluorescente compacta 1380

LED 1050

Inducción Magnética 1400

Tabla 12.- Lúmenes emitidos de cada tipo de lámpara.

C) Vida útil: En este apartado, la lámpara de inducción magnética se la lleva

por mucho en comparación con las demás lámparas. Esta es una de sus

principales características.

Tipo de luminaria Vida útil (Hrs)

Halógeno 1000

Fluorescente compacta 8000

LED 50000

Inducción Magnética 100000 Tabla 13.- Vida útil de cada tipo de lámpara.

73

D) Costo: En esta característica es por la que más se inclinan los usuarios para

comprarlas, con respecto a las de LEDs e Inducción magnética se les hace

demasiado costosas.

Tipo de luminaria Costo (Pesos)

Halógeno $30

Fluorescente compacta $47

LED $697

Inducción Magnética $490 Tabla 14.- Costo de cada tipo de lámpara.

E) Eficiencia (Lum/W): Este aspecto determina que tan buena es la lámpara,

como se puede observar en la tabla 15, la lámpara fluorescente, la de LEDs y

la inducción magnética tiene casi los mismos valores.

Tipo de luminaria Eficiencia (Lum/Watt)

Halógeno 14.00

Fluorescente compacta 60.00

LED 61.76

Inducción Magnética 60.87 Tabla 15.- Eficiencia de cada tipo de lámpara.

F) Lumen por peso (lum*$1): Este parámetro arroja la información sobre cada

peso que el usuario gasta le genera un flujo luminoso, como se observa en la

tabla 9, la lámpara fluorescente es la que más flujo luminoso emite por cada

peso que se gasta al adquirirla. Cabe hacer resaltar una información respecto a

la lámpara de LEDs, generalmente se emplea una de menos potencia, 5.5 W.,

lo que también hace que disminuya su costo a $116 y por lo tanto incrementa

su valor de lumenx$1 a 10.5.

Tipo de luminaria Lumen X $1

Halógeno 13.53

Fluorescente compacta 29.36

LED 1.51

Inducción Magnética 2.86 Tabla 16.- Lumen por peso (lum*$1) de cada tipo de lámpara.

G) Equivalencia de cada tipo de lámpara con respecto a las lámparas

incandescente: Generalmente esta es una de las comparaciones que los

usuarios hacen para tener una idea aproximada de lo que equivalen las demás

tecnologías. Como se puede observar en la figura 56, en este aspecto, la

lámpara de inducción magnética aventaja por mucho a las demás.

74

Figura 56.- Equivalencia de cada tipo de lámpara con respecto a las lámparas

incandescente.

Conclusiones de las comparaciones en base a sus datos técnicos

Si se emplea la lámpara de LEDs de 5.5 W esto determina que es la

tecnología idónea para emplearla en la iluminación de los hogares, así

como de interiores. El tiempo de vida útil la resalta por encima de la

fluorescente a pesar de que esta haya mostrado mayores beneficios.

A corto plazo se dejaran de emplear las lámparas de halógeno, debido al

tiempo de vida útil con respecto a la de LEDs.

La parte de que emplea sustancias contaminantes para el medio

ambiente y el ser humano deja a un lado a la lámpara fluorescente.

El costo de la lámpara de inducción magnética es una de las razones

por la que los usuarios no la adquieren.

Halógeno Fluorescente

compacta

LED´s Inducción

Magnética

1 8

50

100

75

III.- Estudio de ahorro de energía eléctrica sustituyendo las luminarias de

LEDs o inducción magnética en las luminarias actuales de los pasillos de

la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji.

Otro análisis para poder tener una información para saber cuál sería la

tecnología más eficiente y atrás de un aspecto de costo/beneficio permitiría

determinar al usuario cuál de ellas emplear para usos de iluminación en los

exteriores.

En la actualidad en los pasillos de la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji

(UTTT) en sus pasillos se emplean 35 lámparas de vapor de sodio y/o vapor de

mercurio, las cuales consumen 250 W. Para determinar el tiempo que se

mantienen encendidas, se considera 12 hrs. lo que da un consumo de 8.75

K/hr.

Para empezar a calcular cuánto es que se factura por mes por estas lámparas

se sabe que las tarifas que se le consideran la Comisión Federal de

Electricidad (CFE) a la UTTT es del tipo HM, por lo que existen tres tipos de

tarifas, que son: Base, Intermedia y de Punta. Cada una de ellas con sus

respectivos horarios, tanto para verano así como para inviernos. En su portal,

CFE publica estos horarios:

Tabla 17.- Horario de verano para tarifas base, intermedia y de punta.

Fuente:

http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas/Tarifas_industria.asp?Tarifa=CMAMT&Anio=2012

Tabla 18.- Horario de invierno para tarifas base, intermedia y de punta.

Fuente: http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas/Tarifas_industria.asp?Tarifa=CMAMT&Anio=2012

76

Considerando en verano que las lámparas permanecen encendidas de las

19:00 a las 07:00 hrs y considerando los horarios de la tabla 10, se obtiene que

para cada tipo de tarifa las siguientes horas que se muestran en la tabla 19:

Base Intermedia Punta Hrs

Lunes a viernes 6 4 2 12

Sábados 7 5 0 12

Domingo y festivos 7 5 0 12 Tabla 19.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que permanecen

encendidas las lámparas en el periodo de verano.

Y para el horario de invierno se considera que permanecen encendidas en el

horario de 18:00 a 06:hrs., que en base a las horas de las tarifas que se

muestran en la tabla 11 se obtienen la horas del periodo de invierno, mismas

que se indican en la tabla 20:

Base Intermedia Punta Hrs

Lunes a viernes 6 3 3 12

Sábados 6 4 2 12

Domingo y festivos 6 6 0 12 Tabla 20.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que permanecen

encendidas las lámparas en el periodo de invierno.

Ya teniendo las horas de las tarifas, ahora se tiene que conocer lo que cobra

CFE en cada una de ellas, mismas que aparecen en su portal. Para el año

2012 estas fueron sus tarifas:

Tabla 21.- Tarifas de CFE por $/kWHr en el año 2012.

Con esta información se procede a hacer los cálculos para conocer cuánto es

que se gasta por el concepto de energía por mes en la UTTT. Dichos costos se

presentan en la tabla 22.

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Energía Base

($/kWh)1.0975 1.0988 1.0151 0.9941 1.0046 1.0041 1.0433 1.0451 0.9939 0.9641 1.0268 1.0553

Energía Intermedia

($/kWh)1.313 1.3146 1.2144 1.1893 1.2019 1.2013 1.2482 1.2503 1.189 1.1533 1.2283 1.2624

Energía Punta

($/kWh)2.1212 2.1274 2.0566 2.0327 2.0455 2.0469 2.0885 2.096 2.0369 2.0043 2.0636 2.0896

77

ACTUAL EN LA UTTT

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total

Energía 4446.40 4158.02 4166.47 3507.52 3916.82 3768.73 4036.80 4061.79 3701.22 3775.35 3701.83 4158.12 47399.06

Tabla 22.- Gasto mensual por concepto de energía en el 2012 de la UTTT.

Otro de los rubros que aparecen en el recibo de luz de CFE para la UTTT es el

concepto de Facturación de la demanda. Dicho concepto se obtiene por medio

de la siguiente formula, la que considera los datos que se muestran en la tabla

23.

Tabla 23.- Calculo de la facturación de la demanda para la UTTT.

Fuente: http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas/tarifas_negocio.asp?Tarifa=HM&Anio=2012&mes=10

Con base en dicha fórmula, en la tabla 24 se muestra la demanda facturable en

el periodo de 2012 de la UTTT.

ACTUAL EN LA UTTT

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total

DF 829.94 784 839.56 655.38 466.38 674.63 700 709.63 665 709.63 665 680.75 8379.88

Tabla 24.- Calculo de la demanda facturable (DF) de la UTTT en el periodo 2012.

Finalmente, para obtener el gasto total, se suman las cantidades que se

obtuvieron en la tabla 22 y 24, más aparte a estas cantidades se le agrega el

16% del IVA, lo que representa el monto total del gasto de iluminación en los

pasillos de UTTT con 35 lámparas de vapor de sodio/mercurio. Dichos montos

se presentan en la tabla 25.

78

ACTUAL EN LA UTTT

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total

Energia 4446.4 4158.0 4166.5 3507.5 3916.8 3768.7 4036.8 4061.8 3701.2 3775.4 3701.8 4158.1 47399.1

DF 829.9 784.0 839.6 655.4 466.4 674.6 700.0 709.6 665.0 709.6 665.0 680.8 8379.9

$ 5276.3 4942.0 5006.0 4162.9 4383.2 4443.4 4736.8 4771.4 4366.2 4485.0 4366.8 4838.9 55778.9

$+IVA(16%) 6120.5 5732.7 5807.0 4829.0 5084.5 5154.3 5494.7 5534.8 5064.8 5202.6 5065.5 5613.1 64703.6 Tabla 25.- Gasto total que genera las lámparas que iluminan los pasillos de la UTTT en el

periodo 2012.

Ahora bien, si se cambian las lámparas de vapor de mercurio/sodio por

lámparas LEDs, las cuales las fabrican alumnos del Instituto Tecnológico de

Chihuahua. Dichas lámparas consumen 60 Watts. Sustituyendo esta potencia

en los cálculos que se realizaron anteriormente se tendría el siguiente gasto,

mismo que se muestra en la tabla 26.

PROPUESTA CON LED´S DEL ITCH

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total

Energia 889.28 831.6 833.29 736.81 783.36 753.75 807.36 812.36 740.24 755.07 776.18 844.07 9563.38

DF 177.54 166.78 178.41 155.49 116.64 157.76 163.36 164.5 156.63 164.5 156.63 161.09 1919.31

$ 1066.8 998.38 1011.7 892.29 900 911.51 970.72 976.86 896.87 919.57 932.81 1005.2 11482.7

$+IVA(16%) 1237.5 1158.1 1173.6 1035.1 1044 1057.4 1126 1133.2 1040.4 1066.7 1082.1 1166 13319.9

Ahorro 4883 4574.6 4633.4 3793.9 4040.5 4096.9 4368.6 4401.7 4024.4 4135.9 3983.5 4447.1 51383.6 Tabla 26.- Gasto total que generarían las lámparas de LEDs que iluminarían los pasillos

de la UTTT en el periodo 2012.

Existe una segunda alternativa, en este caso serían las lámparas de inducción

magnética. Estas consumen 50 Watts, que con ese dato representarían un

gasto que se indica en la tabla 27.

PROPUESTA DE LUMINARIAS DE INDUCCIÓN MAGNETICA

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Total

Energia 711.42 665.28 666.63 589.44 626.69 603 645.89 649.89 592.19 604.06 629.9 678.37 7662.77

DF 132.79 125.44 134.33 104.86 74.62 107.94 112 113.54 106.4 113.54 106.4 108.92 1340.78

$ 844.21 790.72 800.96 694.3 701.31 710.94 757.89 763.43 698.59 717.6 736.3 787.29 9003.55

$+IVA(16%) 979.29 917.24 929.12 805.39 813.52 824.69 879.15 885.58 810.37 832.41 854.11 913.26 10444.1

Ahorro 5141.3 4815.5 4877.9 4023.6 4271 4329.6 4615.5 4649.3 4254.4 4370.2 4211.4 4699.8 54259.5 Tabla 27.- Gasto total que generarían las lámparas de Inducción Magnética que

iluminarían los pasillos de la UTTT en el periodo 2012.

79

Calculo del costo/beneficio

Para determinar este parámetro, se deben considerar los costos de cada una

de las lámparas. En el caso de la de LEDs tiene un costo de $150 Dlls. y el de

la de Inducción Magnética tiene un costo de $143.70 Dlls. En la tabla 28 se

indican cuanto sería el costo inicial de las 35 lámparas de las diferentes

tecnologías. Considerando el ahorro que están generarían se puede decir que

el tiempo de recuperación para las lámparas de LEDs sería en 15 meses,

mientras que para las de IM seria en 14 meses.

Cantidad Costo en

Dlls Costo en MN Ahorro anual

Tiempo de recuperación de la

inversión

Luminarias de IM 35 $143.70 $63,975.24 $

54,259.45 14 Meses

Luminarias de LED-ITCH 35 $150 $66,780.00

$ 51,383.65 15 Meses

Tabla 28.- Tiempo de recuperación de la inversión tanto para las lámparas de LEDs, así

como para las de Inducción Magnética.

Conclusiones del estudio de cambio de lámparas para alumbrar los pasillos de

la UTTT.

Es muy evidente el ahorro energético que se tendría al cambiar las

lámparas por cualquiera de las tecnologías actuales.

El punto que determina cual de ambas tecnologías seria la indicada para

sustituir a las lámparas de vapor de mercurio/sodio es el tiempo de vida

útil. Como ya se mencionó anteriormente, las lámparas de inducción

magnética tienen el doble de tiempo de vida útil con respecto a las de

LEDs. Este aspecto no es solo importante por el gasto que genera

adquirirlas, sino también tiene impacto en los gastos que se generaran

por cuestiones de mantenimiento.

Otro aspecto por la cual se hace la recomendación del uso de las

lámparas de inducción magnética es por su alto valor de índice de

rendimiento de color (IRC), las cuales tienen un valor aproximado a 90.

Valor muy alto también con respecto a las otras tecnologías.

80

CAPÍTULO 5

CONCLUSIONES

81

El analizar las tecnologías en iluminación que actualmente se están

empleando permite destacar dos aspectos importantes: los altos valores

que en algunas de ellas (Incandescentes) tiene en la emisión de rayos

ultravioleta y rayos infrarrojos y además, no son muy eficientes en su

flujo luminoso.

Por los resultados obtenidos en las mediciones, las lámparas de LEDs

se perfilan para ser las más indicadas en la iluminación de los hogares:

Son eficientes, el costo se justifica por su tiempo de vida útil y no

generan rayos UV, ni IR.

En el caso del estudio de las lámpara ser utilizadas en alumbrado

público, se hace la recomendación de sustituir a las de vapor de

mercurio/sodio por las lámparas de inducción magnética. El aspecto por

el cual se hace esta inclinación es debido al tiempo de vida útil que

tienes (100, 000 hrs) lo cual puede reflejarse en los gastos de

mantenimiento que pudiera requerir.

82

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