Diagrama Polar de Intensidad Luminosa (Curvas Fotométricas)
Las curvas de distribución de la intensidad luminosa (CDL o CRL o DIL) son curvas polares obtenidas en laboratorio que intentan describir en qué dirección y con qué intensidad se distribuye la luz entorno al centro de la fuente luminosa. Para encontrarlas se miden las intensidades luminosas en diversos ángulos verticales alrededor de la fuente (designados como ángulos gamma "g") con un instrumento llamado goniofotómetro, y al barrer la esfera completa y unir los puntos contenidos en un mismo plano vertical y horizontal se puede obtener un volumen conocido como sólido fotométrico.
El dibujo tridimensional del sólido es poco práctico y en la industria de la luminotecnia —considerando la simetría espacial de la lumiaria— normalmente solo se emplean las curvas que se obtienen al cortar dicho sólido mediante dos planos verticales: uno orientado a lo largo del eje longitudinal de la luminaria y otro por el eje transversal, y que reciben el nombre de plano C90-C270 y C0-C180 respectivamente (en el estándar americano para la planificación vial el plano C0 —Norteamérica H=0— está situado perpendicularmente al canto de la berma, por lo tanto, transversal a la luminaria; en cambio, en el estándar europeo IEC de iluminación vial la orientación del plano C0 es paralela al canto de la berma)1,2.
En la figura anterior se puede observar la curva fotométrica de un equipo fluorescente de alta eficiencia con un flujo luminoso total de 5240(lm). En el plano longitudinal, identificado con el color azul, la intensidad luminosa en el ángulo g=30° es de aproximadamente 165 (cd/klm). Luego, el valor real de la intensidad en esa dirección será de: 165x5240/1000=865(cd). También podemos apreciar en la curva que en g=0° los valores de intensidad coinciden en todos los planos de corte C y su valor es algo superior a las 200(cd/klm).
Rendimiento luminoso y curvas fotométricas
Como podemos deducir, la forma de las curvas de distribución fotométrica dependen del difusor o reflector de luminaria y, por ello, la curva polar de la luminaria es diferente de la curva obtenida de la lámpara desnuda. Esto, por supuesto, tiene directa relación con el rendimiento luminoso (en inglés L.O.R. o L.O.R.L. Light Ouput Ratio Luminaire) definido como:
n(%) = Flujo luminoso luminaria / Flujo luminoso lámpara (2)
Para calcular el flujo luminoso aproximado entregado por la luminaria a partir de su curva polar de intensidad se puede utilizar un concepto que emerge de la definición de intensidad luminosa3. Como es sabido, el flujo luminoso y la intensidad luminosa están relacionadas por la ecuación:
(Donde, ω es el ángulo sólido medido en estereorradianes (sr), y que se define en forma análoga a un ángulo plano en radianes, como: ω =A / R2 (sr)4. Osea, un estereorradian es el ángulo sólido subtendido en el centro de una esfera por un área A sobre su superficie que es igual al cuadrado de su radio R. Es lógico que la esfera completa contiene 4π x R2/ R2=4π (sr)).
Para efectos de aplicar la ecuación (3) se debe entender que la intensidad asociada al ángulo espacial es representativa de la gama de intensidades existentes en el intervalo dado por el flujo total emitido ω x I = 4π x I=12,57 x I (lúmenes). Lo cual supone que esta intensidad se mantiene constante en cualquier dirección. Como generalmente esto no es efectivo, se optó por dividir la esfera en zonas, para cada una de las cuales no es problema adjudicar una intensidad promedio. Así, entonces, el flujo total será igual a la suma de los flujos parciales por zona.
De la figura, se toma primero un ángulo espacial que subtienda un α pequeño, lo cual significa una superficie CDE pequeña, llamada casquete esférico5, y posible de asimilar a una Intensidad promedio, la cual determina ángulo α1, y cuyo φ será:
Luego, se toma el ángulo espacial subtendido por la superficie en forma de cinta esférica GCEJ la cual determina un ángulo (α1 - α2) para el cual se asimila otra Intensidad promedio Iα1,2 x (ω0 - ω1),
Por comodidad se toma (α1- α2) como un valor entero que puede ser 2°, 5° o 10°, dependiendo del grado de exactitud en la determinación del flujo y recibe el nombre de constante zonal (Cálculo de constantes zonales para 5° y 10°). El flujo total de la luminaria es, entonces, la suma de todos los flujos parciales determinados en las constantes zonales (ω x I). Su valor va aumentando hacia las zonas cercanas a 90º, debido a que la superficie subtendida por la diferencia constante (αj-αi) es mayor y el Radio se mantiene invariable (ω =A/R2). Esto hace que para una misma intensidad, el flujo emitido en las zonas cercanas a 90º sea bastante mayor que aquel emitido en las zonas vecinas a 0º. Finalmente, con el flujo total calculado de esta manera, podemos determinar el rendimiento o eficacia de la luminaria (partiendo de la curva fotométrica) con la ecuación (2).
Considerando lo expuesto, para que las gráficas fotométricas sean de utilidad deben ir apropiadamente señalizadas con sus escalas respectivas en grados, lúmenes y candelas, y los datos de eficiencia y rendimiento deben estar en función de lámparas normales (conocidas en el mercado local)
Formatos para transferencia electrónica de curvas fotométricas
Los programas informáticos para el diseño de iluminación requieren muchos datos con las características fotométricas y físicas de las luminarias. Para la rápida transferencia y almacenamiento de estos datos se usan archivos de texto en formatos estandarizados de iluminación que son simplemente archivos de texto en formato ASCII (acrónimo inglés de American Standard Code for Information Interchange —Código Estándar Estadounidense para el Intercambio de Información). Los formatos más importantes son:
IESNA LM-63. En 1986 la Sociedad de Ingeniería de Iluminación de Norteamérica (IESNA) creó el Formato de archivo IES como Estándar Recomendado para la Transferencia Electrónica de datos fotométricos. Lo llamó estándar LM-63-86. Se ha actualizado en tres ocasiones, en 1991, 1995 y 2002, y es el formato más común en América del Norte, y también es usado ampliamente en Europa. Los archivos fotométricos IES tienen la extensión *.ies
EULUMDAT. Fue creado en 1990 por Axel Stockmar de LCI Software Engineering (Berlín, Alemania), y es, desde entonces, el estándar oficial para intercambio de datos fotométricos en la Europa continental. Eulumdat se ha mantenido prácticamente sin cambios desde su introducción en 1990 y por desgracia esto también significa que no hay disponible una publicación oficial del formato del archivo (la única documentación actualmente disponible está el sitio http://www.helios32.com/Eulumdat.htm con especificación en línea). A pesar de estos inconvenientes, los archivos LDT siguen siendo ampliamente utilizados y la mayoría de los técnicos solicitan los datos fotométricos en formatos IES y LDT. Los archivos de datos fotométricos Eulumdat tienen la extensión *.ldt.
CIBSE TM-14. En 1988 CIBSE (Chartered Institute of Building Service Engineers) introdujo un formato de archivo fotométrico llamado TM14 y es el formato de datos fotométricos oficial para el Reino Unido. No se ha masificado en el resto del mundo. Estos archivos fotométricos tienen la extensión *.cib.
CIE 102: Fue desarrollado por la Comisión Internacional de la Iluminación (www.cie.co.at) con la intención de establecer con él un estándar mundial, sin embargo, a la fecha pocos fabricantes lo utilizan. Este formato es muy parecido a los formatos de texto IES6,7 aunque hay también muchas diferencias que hacen que ambos formatos sean incompatibles.
ULD. Son las siglas de Unified luminaire datafile y es el formato interno usado por el software Dialux del Instituto Alemán de Luminotecnia Aplicada desde su versión 2.0. El formato de datos ULD para luminarias almacena la geometría 3D de la luminaria, la distribución de intensidad luminosa y una descripción del artículo8.
Conceptos del Formato Eulumdat9
Conceptos del Formato Eulumdat9
El formato europeo Eulumdat es un archivo de texto que almacena intensidades luminosas relativas expresadas en cd/klm. En este estándar el flujo total de la lámpara corresponde a una medición efectuada entorno a la lámpara desnuda independiente de la luminaria en cuestión. Esto es especialmente importante porque, de esta forma, se puede obtener la eficiencia de la luminaria mediante la comparación del flujo total de la lámpara desnuda versus el flujo obtenido de la luminaria. Adicionalmente, a diferencia de los archivos IES, los documentos LDT contienen líneas que especifican la temperatura de color correlacionada (CCT) y el índice de rendimiento de color (CRI). Detallamos aquí del archivo de texto con sus especificaciones:
1 {Identificación de la empresa / banco de datos / versión / identificación de formato}
2 {Tipo de indicador Ityp (1-fuente puntual con simetría respecto al eje vertical; luminarias lineales; 3-fuente puntual con cualquier otra simetría)}
3 {Simetría indicador Isym (0 - no hay simetría, 1 - simetría respecto del eje vertical, 2 simetría C0 plano-C180; 3 - C90 simetría plano-C270, 4 simetría C0 plano-C180 y C90 plano-C270)}
4 {Número de Mc de planos-C de entre 0 y 360 grados (normalmente 24 para el interior, 36 para los aparatos de iluminación de carreteras)}
5 {Distancia en grados entre planos-C (DC = 0 para C-planos no equidistantes)}
6 {Número de Ng de intensidades luminosas en cada plano-C (normalmente 19 o 37)}
7 {Distancia en grados entre las intensidades luminosas por planos-C (DG = 0 para intensidades luminosas no-equidistante disponibles en los planos-C)}
8 {Número del informe de medición}
9 {Nombre de la luminaria}
10 {Número de luminarias}
11 {Nombre de archivo}
12 {Fecha / usuario}
13 {Longitud / diámetro de la luminaria (mm)} {Ancho b de luminaria (mm) (b = 0 para luminarias circulares)}
15 {Altura de la luminaria (mm)}
16 {Longitud / diámetro de la superficie luminosa (mm)}
17 {Ancho de la superficie luminosa b1 (mm) (b1 = 0 para la zona luminosa circular )}
18 {Altura de superficie luminosa plano C0 (mm)}
19 {Altura de superficie luminosa plano C90 (mm)}
20 {Altura de superficie luminosa plano C180 (mm)}
21 {Altura de superficie luminosa plano C270 (mm)}
22 {Proporción inferior de flujo (%)}
23 {Eficacia luminosa de la luminaria LORL (%}
24 {El factor de conversión de intensidades luminosas (dependiendo de la medición)}
25 {La inclinación de luminarias durante la medición (aparatos de iluminación de carreteras)}
26 {Número de conjuntos estándar de las lámparas (opcional, también extensible a la empresa base específica)}
26a {Número de lámparas}
26b {Tipo de lámparas}
26c {Flujo luminoso total de las lámparas (lúmenes)}
26d {Apariencia de color y temperatura de color de la fuente de luz}
26e {Grupo de reproducción cromática/Indice de reproducción cromática}
26f {Potencia incluyendo Ballast (balasto o lastre) en Watts}
27 {Indice de relación de local DR para k = 0,6 ... 5 (para determinar el número de luminarias según el método de factor de utilización)}
28 {Ángulos C (a partir de 0 grados)}
29 {Ángulos G (a partir de 0 grados)}
30 {Distribución de intensidad luminosa (candela / 1000 lumens)}
Cabe señalar, que en la era de la iluminación LED hay una gran desventaja asociada con el uso de los archivos de datos fotométricos relativos. Es un hecho conocido que el rendimiento térmico de un LED es diferente dependiendo de si está montado en una luminaria o si se trata de una lámpara unitaria, y, por lo tanto, la salida del flujo luminoso también será muy diferente (sin considerar que con frecuencia no resulta posible la separación entre luminaria y lámpara). La fotometría relativa en este caso puede llevar a resultados engañosos (aunque hay iniciativas orientadas a su corrección10,11).
Conceptos del Formato IESNA12
El formato americano IES es un estándar que almacena generalmente intensidades luminosas absolutas, y prevé una diferenciación en caso de tratarse de valores relativos. La distribución de intensidad luminosa (DIL) de una luminaria se mide en los nodos de una red fotométrica con un conjunto fijo de ángulos horizontales y verticales. Los polos de la red se sitúan a lo largo del eje vertical y el nadir corresponde a un ángulo vertical de cero grados. El eje horizontal corresponde a un ángulo horizontal de cero grados y se orienta en paralelo a la longitud de la luminaria (estandar americano). El valor del flujo luminoso consignado de la lámpara se obtiene a partir de datos técnicos publicados por el fabricante de la lámpara, y no representa los lúmenes reales emitidos durante la prueba de la luminaria. El formato se ha actualizado en tres ocasiones a sus estándares LM-63-1991, LM-63-1995 y Lm-63-2002. Detallamos aquí del archivo de texto con especificaciones para el formato LM-63-1995:
00 IESNA:LM-63-1995
01 {Keyword 1}
02 {Keyword 2}
03 ...
04 {Keyword n}
05 TILT={file-spec} or {INCLUDE} or {NONE}
06 {lamp-to-luminaire geometry}
07 {# of pairs of angles and multiplying factors}
08 {ángulos}
09 {multiplying factors}
10 {n° de lámparas} {lúmenes por lamp} {candela multiplier} {n° de ángulos vérticales} {n° de ángulos horizontales} {tipo de fotometría}
{units type} {ancho} {largo} {alto}
11 {factor de ballast} {future use} {input watts}
12 {ángulos vérticales}
13 {ángulos horizontales}
14 {valores de candelas para todos los ángulos verticales concernientes al primer ángulo horizontal}
15 {valores de candelas para todos los ángulos verticales concernientes al segundo ángulo horizontal}
16 ..
17 {valores de candelas para todos los ángulos verticales concernientes al n-ésimo ángulo horizontal}
El conjunto de ángulos verticales se ordena en orden creciente. Si la distribución reside totalmente en el hemisferio inferior, los ángulos primero y último deben ser de 0º y 90º respectivamente. Si la distribución reside totalmente en el hemisferio superior, los ángulos primero y último deben ser de 90º y 180º respectivamente. En caso contrario, deben ser de 0º y 180º respectivamente.
El conjunto de ángulos horizontales, es en orden creciente. El primer ángulo debe ser de 0º. El último ángulo determina el grado de simetría lateral mostrado por la distribución de intensidad. Si es de 0º, la distribución es simétrica en los ejes. Si es de 90º, la distribución es simétrica en cada cuadrante. Si es de 180º, la distribución es simétrica en un plano vertical. Si es mayor de 180º y menor o igual que 360º, la distribución no muestra simetrías laterales. No es válido ningún otro valor.
En primer lugar deben figurar todos los valores de candelas que corresponden al primer ángulo horizontal, comenzando con el valor que corresponde al menor ángulo vertical y subiendo hasta el plano vertical asociado. A continuación, los valores de candela que corresponden al plano vertical desde el segundo ángulo horizontal y así sucesivamente hasta el último ángulo horizontal. Cada secuencia vertical de valores debe comenzar en una nueva línea. Las líneas largas pueden dividirse entre los valores según sea necesario y según las instrucciones indicadas anteriormente.
(En ambos formatos, IES y LDT, se puede obtener el flujo luminoso de la luminaria mediante el método de las constantes zonales descrito más arriba y comparar, de esta manera, el rendimiento luminoso informado en el archivo y el resultante del cálculo propuesto).