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LAU52

 LAU03 Evolución
AO Rama Asignaturas Optativas
LAU Rama Luminotecnia Arquitectónica y Urbana
LAU0 Rama Introducción
LAU01 Fundamentos
LAU02 Historia
LAU03 Evolución
LAU04 Normativa

 

La presente ficha de Instalaciones Urbanas, se desarrolla a través de los apartados de INTRODUCCIÓN, LOS SISTEMAS ALTERNATIVOS POR COMBUSTIÓN, LAS LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA, LAS LÁMPARAS DE DESCARGA, FUNCIONAMIENTO DE LAS LÁMPARAS, CUERPO NEGRO y TIPOS DE LÁMPARAS.


INTRODUCCIÓN.

En el presente apartado se realiza una breve reseña histórica sobre la evolución de los sistemas de iluminación artificial.

Con toda seguridad el inicio de los sistemas de iluminación está directamente relacionado con el descubrimiento, por parte del hombre, del fuego, para protegerse contra el frío, las fieras, preparar los alimentos.

La iluminación se independiza de las otras funciones cuando se aísla utilizando antorchas que pueden ser emplazadas en los sitios más oportunos para propiciar el alumbrado.

Con el tiempo se descubre que impregnando la madera con grasas (de origen animal o vegetal) se mejora el rendimiento y la duración del alumbrado.

A partir de ese momento lo que produce la luz es la grasa que arde no la madera que solo tiene una misión de sustentación.

Las grasas son sustituidas después por combustibles líquidos en las antorchas.

El siguiente paso fue el de eliminar el soporte de madera, fabricando lámparas de aceite (10.3 lm/w).

LOS SISTEMAS ALTERNATIVOS POR COMBUSTIÓN.

Dado este paso se recurre a la producción de iluminación artificial utilizando otros sistemas alternativos por combustión.

Aparecen también las velas de cera, elementos muy maniobrables que se almacenan sin peligro, pero que también utilizan el principio de la combustión.

A principios del siglo XIX, aparecen las lámparas de gas, muy utilizadas en el alumbrado vial. Las primeras lámparas fueron de carburo o de acetileno. El gas combustible se obtenía dentro de la lámpara al hacer reaccionar el carburo de calcio con agua para obtener gas de acetileno, que era utilizado como combustible, la temperatura de color obtenida era de 2.046° K. (También se utilizó el gas de carbón)

A mediados del siglo XIX aparecen las lámparas de petróleo. El petróleo al ser más fluido que el aceite, sube por capilaridad con mayor facilidad y ofrece un mejor rendimiento luminoso. La invención de las protecciones de cristal del francés Antoine Quinquet, permite que, gracias a los bulbos de cristal, las velocidades ascendentes del aire sean mayores, lo que favorece una mejor aspiración del petróleo, alcanzándose con ello temperaturas de color de 2.000 º K

El alumbrado por combustión tuvo una gran influencia en el diseño de las lámparas, determinando por ejemplo, la posición de la lámpara para que la llama siempre saliera hacia arriba, las protecciones idóneas para impedir que la llama se apagase, etc.

Algunos de los condicionantes de diseño impuestas por el alumbrado por combustión se han perpetuado después, sin razón alguna, en el diseño de las lámparas eléctricas, algunas de las cuales parecen más apropiadas para producir alumbrado por combustión que por electricidad.

Incluso el alumbrado por termo radiación no deja de ser un alumbrado por combustión, aunque la termo radiación no conlleve una pérdida de materia tan importante como la combustión.

En 1962 se dio el primer paso para sustituir la luz de estado gaseoso por la luz de estado sólido, con la invención de los LED.

LAS LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA.

Dentro de la producción de luz de estado gaseoso.

La lámpara de Auer (las primeras se construyeron en 1892), está a caballo entre la combustión y la incandescencia, está lámpara que es de gas tiene un manguito de Namio ó Rayón que está impregnado en una solución de nitratos de Cerio (1%) y Torio (99%), lo que le permite tornarse incandescente en contacto con la llama.

Con el descubrimiento de la electricidad fue posible construir lámparas de arco, como la de Davy (la primera demostración de funcionamiento se realizó ante la Real Sociedad de Física de Londres en 1810)Consultar J. Ramírez Vázquez. Lámparas Eléctricas. Ediciones CEAC. Barcelona. 1974

Esta lámpara emite luz gracias a la descarga eléctrica producida entre dos electrodos de carbono, gracias a la cual los electrodos se tornan incandescentes, con la consiguiente pérdida de materia. El ánodo se volatiliza al doble de velocidad que el cátodo, por ello el ánodo siempre era más grueso en estas lámparas. La temperatura de estas lámparas era de 4.000° C, su temperatura de color de 3.700° K y su rendimiento de 10 lm/w,

Añadiendo compuestos a los electrodos de carbón e incrementando la presión dentro de estas lámparas se mejoraba su rendimiento.

El tipo de descarga que se produce en estas lámparas no debe confundirse con la que se produce en las lámparas de descarga actuales.

El inventor de las lámparas incandescentes fue Henrich Goebel, alemán emigrado a América, procedente de Springe, que utilizó estas lámparas para iluminar su taller de relojería de New YorkConsultar Manual del Alumbrado Westinghouse. Ed. Dossat.S.A. Madrid. 1989

En 1854, Goebel desarrolló una lámpara con un filamento de bambú carbonizado dentro de una ampolla de cristal donde se había practicado el vacío.

El invento de esta lámpara no despertó interés por que Goebel no lo utilizó con fines comerciales y por que no estaba muy extendido el uso de la energía eléctrica.

En 1877 Swan construye también una lámpara incandescente con filamento de hilo de algodón carbonizado y el 21 de Octubre de 1879 Edison comienza a fabricar y comercializar lámparas incandescentes con filamentos de fibra de bambú carbonizado.

En esta época no se disponía de materiales que soportaran temperaturas de incandescencia sin destruirse con rapidez. Es cierto que el platino es capaz de hacerlo ya que su punto de fusión es de 2.037 º K, pero su coste, era y es muy elevado para ser utilizado masivamente en el alumbrado.

El filamento de carbón se intentó mejorar utilizando pastas de carbono puro pulverizado y aglutinado.

Los filamentos se encerraban dentro de ampollas de vidrio en las que se practicaba el vacío a través de un tubo de extracción que acabó ubicándose en el casquillo de la lámpara, para evitar de este modo la rotura del mismo.

La ampolla de vidrio debía mantener la estanqueidad por ello en las soldaduras de lo hilos en el soporte de vidrio se utilizaban aleaciones especiales de acero - níquel que tienen un coeficiente de dilatación térmica similar al del vidrio.

A las lámparas se les añadía un casquillo para sujetarlas al portalámparas permitiendo su alimentación.

Con el tiempo estos casquillos también evolucionaron, de esta época vienen los diseños delConsultar J. Ramírez Vázquez. Lámparas Eléctricas. Edciones CEAC. Barcelon. 1974:

  • Casquillo roscado de Edison.

  • Casquillo a bayoneta de Swan: ideal para conexiones donde la lámpara sufre muchas sacudidas con el consiguiente riesgo de desconexión del portalámparas.

Los filamentos de carbono desarrollados no podían trabajar a temperaturas superiores a los 1.900 º C, sin que se acortara notoriamente su vida por evaporación del carbono, efecto que se potenciaba más en el vacío.

El rendimiento de estas lámparas era muy bajo, del orden de los 3 a 5 lúmenes/watio.

Había que buscar filamentos que reunieran las siguientes características:

  • Elevada resistividad.

  • Elevado punto de fusión.

  • Durabilidad.

  • Bajo coste.

Auer hacia 1898 utilizaba filamentos de osmio, y en Alemania en 1905 se utilizaban filamentos de tántaloConsultar Manual del Alumbrado Westinghouse. Ed. Dossat.S.A. Madrid. 1989.

Al final se descubrió que el material que mejor se adecuaba a las características reseñadas era el tungsteno (denominado volframio por acuerdo internacional a partir de 1949) . De este modo, para mejorar esta situación, hacia 1910 se comenzaron a construir lámparas incandescentes con filamentos de tungsteno.Imagen 1

Al tungsteno en polvo se le incorporaba una sustancia aglutinante para formar una pasta que se hacia pasar por un hilo, con el objeto de construir un filamento, que al alcanzar la incandescencia y producirse la evaporación del aglutinante, permitía el definitivo aglutinamiento del metal.

En la primera imagen (Imagen 1), aparece un fragmento de wolframio.

Al principio los filamentos de tungsteno eran de pequeña longitud por lo que se tenían que disponer de varios de ellos para construir las lámparas pero hacia 1913 se consiguió fabricar filamentos más largos de una sola pieza. Al tungsteno también se le añadía óxidos para alargar su vida útil, ya que planteaba problemas de recristalización. Este problema fue resuelto con el tiempo por lo cual fue posible utilizarlo en estado puro recubierto con una película de circonio o de fósforo para neutralizar las impurezas que quedaban dentro de las ampollas de las lámparas.

Con la utilización de filamentos de tungsteno, el rendimiento luminoso se incrementó a unos 11 lm/w.

Los filamentos rectilíneos de tungsteno se seguían encerrando en ampollas de vidrio al vacío hasta que en 1913 el vacío se sustituye por gases inertes (argón y nitrógeno).Imagen 2

La presión de estos gases en frío era de 2/3 la presión atmosférica con ello se pretendía que las lámparas funcionasen a presión similar a la atmosférica.

En la segunda imagen (Imagen 2), aparece un fragmento de wolframio o tugsteno.

Los gases inertes inhiben la disgregación del filamento de tungsteno por lo cual es posible elevar la temperatura del filamento a 2.500 º C y de este modo mejorar el rendimiento (20 lm/w).

Cuando se añaden gases inertes, las perdidas de calor en el filamento se incrementan ya que a las perdidas por radiación (en el vacío) hay que añadirle las perdidas por conducción.

Después se descubrió que las pérdidas de calor eran mayores en los filamentos largos de poca sección que en los cortos de mucha sección, por eso los filamentos de tungsteno se comenzaron a enrollar en espiral, para que fueran semejantes a un hilo corto con mucha sección.

Con estos adelantos no solo se mejoró el rendimiento, también se consiguió que la vida útil de las lámparas fuera de unas 1.000 horas.

Aparecieron después los arrollamientos en doble espiral de los filamentosConsultar J. Ramírez Vázquez. Lámparas Eléctricas. Ediciones CEAC. Barcelona. 1974.

Hacia 1937 el Argón se sustituyó por el gas Kriptón, que era de menor densidad y posibilitaba un importante retraso en la descomposición del filamento de tungsteno. Todo ello permitía subir la temperatura de este a unos 2.700 º C y con ello era posible incrementar el rendimiento de las lámparas.

El Kriptón es más caro que el Argón, por lo que las lámparas de Kriptón se utilizan más para fines decorativos por su coste.

En la década de los 70 se comenzaron a comercializar las lámparas de cuarzo - yodo.

En estas lámparas se aprovecha el ciclo regenerativo del yodo - tungsteno que incrementa la vida útil de la lámpara gracias a la precipitación del tungsteno presente en el vapor de yoduro de tungsteno sobre el filamento.

En la actualidad, la ampolla de vidrio se fabrica con cuarzo y los gases utilizados son halógenos. A estas lámparas incandescentes por esta razón se les llama alógenas y están adquiriendo una gran relevancia en el alumbrado de interiores.

LAS LÁMPARAS DE DESCARGA.

Dentro de la producción de luz de estado gaseoso, las lámparas de descarga, han representado un avance muy significativo.

Hacia el 1945 se comenzaron a comercializar las lámparas fluorescentes, con las que se pretendía sustituir a las incandescentes ya que en apariencia presentaban grandes ventajas respecto a estas.

Estas lámparas de vapor de mercurio utilizan la luminiscencia para producir luz. Se denominan de vapor de mercurio, por que este vapor mezclado con argón (neón, nitrógeno, etc) y atravesado por una corriente eléctrica es el encargado de producir la luz.

Cuando la presión del vapor de mercurio es pequeña el vapor de mercurio emite un 95 % de su radiación en longitudes de onda muy cortas (253,7 a 185 nm) en la franja de los ultravioletas. Estas radiaciones son las que excitan las sustancias foto luminiscentes de la lámpara produciendo una radiación con longitudes de ondas más largas que si son visiblesConsultar Manual del Alumbrado Westinghouse. Ed. Dossat. S.A. Madrid. 1989.

Las primeras lámparas de vapor de mercurio que se construyeron (las de Cooper Hewitt), tenían una presión de vapor de mercurio de 0,1 mm. Con el tiempo la presión se elevó incrementando la temperatura del arco, para que dentro del tubo se produjera una intensidad superior, pero ello producía la fusión del vidrio por lo que hubo que recurrir a la construcción de tubos de vidrio de cuarzo. Todo ello permitió la aparición en mercado de lámparas con rendimientos de 60 lm/w que funcionaban con presiones de 1.000 mm. (Media presión) y de 10.000 mm.(alta presión)

La falta de radiaciones rojas en el espectro de las lámparas de vapor de mercurio obligó a los fabricantes a buscar soluciones intermedias como son las lámparas de luz mixta, lámparas que son a la vez incandescentes y de descarga o a recurrir al uso del flougermanato de magnesio (a partir de 1950) para mejorar la reproducción del color de estas lámparas.

El vapor de mercurio se mezcla también con haluros metálicos (con yoduros, preferentemente), para aumentar la temperatura en las paredes del quemador de cuarzo, y obtener de este modo mayores presiones de funcionamiento para mejorar el rendimiento y ensanchar la distribución espectral. Los yoduros mas utilizados son los de talio (raya verde), sodio (raya amarilla), iridio (raya azul y verde) y escandio.

Al empleo del vapor de mercurio, en las lámparas de descarga, se añadió el uso del vapor de sodio.

Cuando la descarga en el vapor de sodio se produce a baja presión es posible utilizar una ampolla de cristal, pero la luz que se produce tiene una mala reproducción del color, por eso se incrementó la presión del vapor y con ello la temperatura, haciéndose necesario el uso de una ampolla de cerámica y dando lugar a la aparición de las lámparas de vapor de sodio de alta presión.

Las lámparas de vapor de mercurio están siendo sustituidas en la actualidad en el alumbrado vial, por las lámparas de vapor de sodio de baja y alta presión por razones económicas y problemas medioambientalesConsultar Manual del Alumbrado Westinghouse. Ed. Dossat. S.A. Madrid. 1989.

Actualmente, las investigaciones se están centrando en el desarrollo de mejores lámparas de descarga de vapor de sodio de alta presión, y es de esperar que en este ámbito se produzcan importantes innovaciones.

El empleo masivo de la fibra óptica también parece ser una vía con mucho futuro.

También se hacen investigaciones en otros campos de la producción de luz de estado gaseoso por luminiscencia como pueden ser:

  • La bioluminiscencia (luz producida por reacciones bioquímicas).

  • La quimioluminiscencia (luz producida por reacciones químicas).

  • La triboluminiscencia (luz producida por actuaciones mecánicas, frotamientos, pulverizaciones, etc.).

En 1882 se realizó la primera instalación de alumbrado vial con lámparas incandescentes.

Con anterioridad a este año en el ámbito de Canarias, en Santa Cruz de Tenerife, la primera ciudad de Canarias a finales del siglo XVIII, no existía alumbrado público más que en la Alameda de Branciforte. El uso de velas de cebo permitía el alumbrado de viviendas, pero el alumbrado urbano, no existía prácticamente. Esta situación se correspondía con la realidad que conocía el alumbrado público en el ámbito nacional, donde el primer alumbrado público que se conoce se estrenó en Barcelona en el año 1752

Esta realidad nacional del alumbrado vial, a su vez se corresponde con la situación mundial, así en el 1803 se inicia el alumbrado de Londres con gas, París utilizaría este sistema en 1817 y Berlín en 1827. En Barcelona se instalara el alumbrado a gas en 1842.

En Santa Cruz de Tenerife, todavía en 1834 se seguía utilizando el alumbrado público con lámparas de aceite, solo a partir de 1886 se comienza a implantar el alumbrado de gas que sería abandonado en 1897.

El alumbrado eléctrico en Canarias se implantó primero en Santa Cruz de La Palma en enero del 1894.

FUNCIONAMIENTO DE LAS LÁMPARAS.

Como ya hemos indicados, las lámparas eléctricas de producción de luz de estado gaseoso son aparatos capaces de producir de un modo artificial energía radiante visible para el ojo humano.

Las lámparas producen luz por:

  • Termo radiación.

  • Lumino radiación.

Cuando la Lumino radiación se suspende al suprimirse el suministro de energía eléctrica, recibe el nombre de fluorescencia. Cuando se mantiene un tiempo después de ser suprimido el suministro de energía eléctrica recibe el nombre de fosforescencia.

En el alumbrado exterior se utilizan casi exclusivamente las lámparas de descarga que emiten luz gracias a la Lumino radiación. También en el alumbrado público se emplea, en casos específicos, lámparas incandescentes (Termo radiación).

Las lámparas producen una energía radiante electromagnética que varía en función de la longitud de onda a la que se produce la emisión.

Parte de la energía producida es captada por el ojo humano, concretamente la energía que se produce entre las longitudes de onda de los 400 a los 700 nanómetros (nm) en mayor o menor medida según se aproxime a la longitud de onda de los 550 nm, longitud para la cual se tiene la máxima sensibilidad.

El espectro luminoso de las lámparas se representa en un diagrama cartesiano, en el eje de las abscisas se dan las longitudes de onda en el eje de las ordenadas la energía radiada en w/cm2 (vatios por cm2 de superficie de lámpara), watios-luz, cuando se multiplica la energía radiada por el factor de sensibilidad del ojo, en mw/5nm.lumen, en % sobre la máxima energía emitida, etc.

CUERPO NEGRO.

Se denomina cuerpo negro a un cuerpo que es capaz de absorber todas las radiaciones que recibeConsultar Manual de Alumbrado Philips. Ed. Paraninfo. Madrid. 1976.

Los cuerpos negros son también aquellos que a la misma temperatura que otros, emiten mayor cantidad de energía luminosa.

Se define como poder de absorción de un cuerpo para una determinada longitud de onda, la relación entre la energía absorbida y la energía total que incide en el mismo por unidad de superficie.

Para los cuerpos negros, el poder de absorción es igual a la unidad.

TIPOS DE LÁMPARAS.

El uso de los diferentes tipos de lámparas que se pueden utilizar en el alumbrado público, viene condicionado por factores como:

  • El rendimiento luminoso de las lámparas.

  • El coste de adquisición de las mismas.

  • El color de luz que emiten.

  • Las posibles fluctuaciones de tensión en la red.

  • Las oscilaciones de valores de la temperatura ambiente.

Con la fabricación de lámparas de producción de luz de estado gaseoso como las de vapor de mercurio o de vapor de sodio a alta presión, ha sido posible obtener lámparas que tienen:

  • Un alto rendimiento luminoso.

  • Una larga vida útil.

  • Una aceptable reproducción de los colores.

A continuación se hace una reseña de las lámpara que más se emplean en el alumbrado exterior.

En esta reseña habría que distinguir como se viene insistiendo en la producción de luz de estado gaseoso y producción de luz de estado sólido.

Las lámpara de producción de luz de estado gaseoso son las siguientes:

  • Lámparas incandescentes.

  • Lámparas halógenas.

  • Lámparas fluorescentes.

  • Lámparas ahorradoras de energía o fluorescentes compactas.

  • Lámparas de vapor de mercurio con o sin corrección de color.

  • Lámparas de luz de mezcla.

  • Lámparas de sodio a baja presión.

  • Lámparas de sodio a alta presión.

  • Lámparas de Halogenuros metálicos.

  • Lámparas Mastercolour.

Las lámparas de producción de luz de estado sólido reciben el nombre de LED

Las lámparas leds se vienen utilizando desde que fueron inventadas en 1962 en  equipos eléctricos de uso cotidiano como son, las radios, los televisores, los teléfonos celulares, etc.

Los leds de luz azul y blanca se inventaros en 1990, los de luz blanca en 1993.

La introducción de nuevos materiales en la fabricación de leds, permite generar luz en todo el espectro visible ofreciendo al mismo tiempo una hasta ahora desconocida eficiencia lumínica que supera a la que tienen las lámparas de producción de luz de estado gaseoso.

La expansión de las lámparas leds en el mercado de la iluminación artificial es un hecho incontestable.

Los leds son, como se insiste, lámparas de estado sólido, no tienen por lo tanto, filamentos ni gas inerte ni cápsulas de vidrio de recubrimiento.

Los leds son semiconductores unidos a dos terminales eléctricas, cátodo (-) y ánodo (+), recubierto de una resina epoxi transparente.

Cuando la corriente se hace circular por la masa del semiconductor se produce luz monocromática por electroluminiscencia. La frecuencia de emisión va desde la onda corta (ultravioletas) hasta la onda larga (infrarrojos)

Los leds se comenzaron a utilizar en las iluminaciones de baja intensidad (semáforos, señales de tránsito, luces de posición, etc.), en la actualidad se están utilizando con éxito en sustitución de lámparas de estado gaseoso, como las lámparas incandescentes.

Las ventajas que aporta el uso de los leds son las siguientes:

  • Reducido tamaño de pocos mm3

  • Bajo consumo, 100 mw para producir el mismo nivel de iluminación que lámparas incandescentes de 1 vatio.

  • Elevada eficiencia energética de conversión. Gran parte de la energía eléctrica suministrada se transforma en energía lumínica no en energía calorífica como sucede con las lámparas incandescentes.

  • Larga vida útil, de unas 100.000 horas frente a las 8.000 horas de las lámparas incandescentes.

  • Elevada resistencia mecánica, al ser lámparas 100% sólidas, estas resisten muy bien los golpes, vibraciones, etc.

  • Menor disipación de calor.

  • Altos niveles de flujo luminoso emitido y dirigido sin pérdidas hacia las áreas a iluminar.

  • Todo los colores del espectro visible (460 nm a 650 nm).

  • No emiten dañina ración U.V. (Ultra violeta).

  • Mediante el uso de hardware y el software adecuado es posible un control exhaustivo de la iluminación.

En lo referente a las ciudades donde el uso de los leds se ha experimentado de un modo convincente estas son, entre otras:

  • Estocolmo (Suecia).

  • Manhatan (U.S:A).

  • St. Pauel (U.S.A.)

  • Barcelona (España).

  • Vitoria (España).

  • Palma de Mallorca (España).

  • Sevilla (España).

 

 


Actualizado 03/10/12

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