FUNDAMENTOS DE
ILUMINACION
Armando Llamas, PhD, CEM, CPQ, CLEP
Febrero de 2010
INCANDESCENTE
LUMINARIAS
FLUORESCENTE
EQUIPOS Y ELEMENTOS
GEOMÉTRICOS
ILUMINACIÓN DEL ÄREA DE
TRABAJO
HABITACIÓN
BALASTRA
DIFUSOR
REFLECTOR
BALASTRA
30 ‘’
PLANO DE
TRABAJO
LÁMPARA HID
LENTE
FLUJO DE
POTENCIA
Y DE LUZ
FIGURAS
DE MÉRITO
LÚMENES
Pen, W
PÉRDIDAS EN BALASTRA
PÉRDIDAS EN CALOR
EFICIENCIA
BALASTRA
=
P salida
P entrada
EFICACIA
LUMINOSA
LÁMPARA
=
LÚMENES
LÁMPARA
POTENCIA
LÁMPARA
LÚMENES
LUZ ATRAPADA
O ABSORBIDA
POR LUMINARIA  CALOR
EFICIENCIA
LUMINARIA
COEFICIENTE DE UTILIZACIÓN
EFICACIA TOTAL
DEL SISTEMA DE
ILUMINACIÓN,
LÚMENES / W
EFICACIA
BALASTRA Y
LÄMAPARA
CANTIDAD DE
LUMINARIAS,
LUMINARIAS
CANTIDAD DE
LÁMPARAS POR
LUMINARIA, LÁMPARAS
/LUMINARIA
=
=
LÚMENES
EMITIDOS POR
LA LUMINARIA
LÚMENES
LÁMPARA
LÚMENES INCIDENTES EN
PLANO DE TRABAJO / (ÁREA,
PIÉS CUADRADOS )=
(ILUMINANCIA,
FOOTCANDLE)
LUZ REFLEJADA
Y
O ABSORBIDA POR
LAS SUPERFICIES DE
LA HABITACIÓN  CALOR
CONTRASTE 
LÚMENES QUE INCIDEN EN PLANO DE TRABAJO
LÚMENES GENERADOS EN LÁMPARAS
LÚMENES INICIALES
POR LÁMPARA,
LÚMENS INICIALES /
LÄMPARA
DEPRECIACIÓN DE
LÚMENES LÁMPARA,
LÚMIENES PROMEDIO /
LÚMENES INICIALES
DEPRECIACIÓN POR
SUCIEDAD EN
LUMINARIA
=
POTENCIA DE ENTRADA AL SISTEMA DE ILUMINACIÓN, W
=
(ILUMINANCIA, FC) X FACTOR DE
REFLEXIÓN = (LUMINANCIA,
FOOTLAMBERTS)
LÚMENES DE SALIDA
DE LÁMPARA, LÚMENES
POTENCIA DE
ENTRADA, W
IEEE Bronze Book
(LUMINANCI A FONDO) - (LUMINANCI A OBJETO)
LUMINANCIA FONDO
80
0.8
60
0.6
40
0.4
20
0.2
0
0
-20
-0.2
-40
-0.4
-60
-0.6
-80
-0.8
0
0.5
1
1.5
2
2.5
ciclos
OSCILOSCOPIO: THS 720 P – Dic/2009
Lámpara GE, F13BX/841/ECO. Esta lámpara tiene en su base el arrancador
bimetálico y el capacitor.
Balastro-reactor MAGG, 127 V, 60 Hz, 0.28 A.
Fluorescentes son lámparas de descarga; pero no de alta intensidad
3
Corriente en lámpara, A
fluorescente:
V = 35.6 Vrms
I = 0.38 A rms
P = 10.6 W
Voltaje en lámpara, V
Voltaje y corriente en lámpara de
descarga
En el tubo
v
i
Característica corriente contra voltaje
La característica corriente – voltaje muestra un comportamiento no lineal. Con el voltaje casi cero no hay corriente, al
aumentar el voltaje hasta 50 V la corriente sigue siendo cero. Cuando el voltaje llega a casi 60 V, la corriente aumenta
repentinamente y el voltaje disminuye a poco más de 30 V y la corriente es del orden de 0.4 A, el voltaje se mantiene
casi constante y la corriente llega a 0.6 A. La corriente disminuye ahora a 0.3 A y el voltaje es casi constante en 30 V. La
corriente sigue disminuyendo hasta hacerse 0 A y el voltaje aumenta ligeramente a 40 V. El voltaje disminuye de 40 a 0
V y se repite el proceso anterior en el semi- ciclo negativo.
El voltaje en el suministro eléctrico es bastante senoidal. El voltaje aplicado a la lámpara es aproximadamente
rectangular y la corriente es bastante senoidal. Si el voltaje aplicado a la lámpara fuera senoidal con un valor cresta de
unos 60 V, la corriente sería un pulso parecido al de las fuentes reguladas por conmutación, con un factor de cresta
muy alto. La lámpara encendería solo durante una fracción de cada medio ciclo.
Una de las funciones del balastro es que el voltaje aplicado a la lámpara sea rectangular y que la corriente tenga un
factor de cresta no muy alto. La otra función del balastro es permitir el arranque de la lámpara.
Balastros magnéticos vs electrónicos
NO PUESTO A TIERRA
PUESTO A TIERRA
PUESTA A TIERRA DE
EQUIPOS
120 V, 60 Hz
MAGNÉTICO
265 mA, 60 Hz
NO PUESTO A TIERRA
PUESTO A TIERRA
PUESTA A TIERRA DE
EQUIPOS
120 V, 60 Hz
265 mA, 60 Hz
ELECTRÓNICO
265 mA, >20 kHz
265 mA, >20kHz
Alta frecuencia
Salida de luz
112%
110%
108%
106%
104%
102%
100%
98%
100
1,000
10,000
100,000
Frecuencia, Hz
Advance - High Frequency Electronic Fluorescent Ballasts
Todas las lámparas fluorescentes operan más eficientemente con frecuencias superiores
a 15 kHz. Las lámparas fluorescentes de 4 pies operan aproximadamente un 10% más
eficientemente, mientras que las lámparas de 8 pies mejoran en un 5 %. Esta mejoría en
eficiencia es una de las razones de la popularidad de los balastros electrónicos. (GEFluorescent Lamps Catalog).
Tipo de arranque en balastros
GE- Fluorescent Lamps Catalog: Los tres tipos básicos de balastros para lámparas
fluorescentes son Precalentamiento (PH), Arranque Instantáneo (IS) y Arranque Rápido (RS).
En general, las lámparas identificadas como precalentamiento, arranque rápido o arranque
instantáneo deben emplearse con el tipo de balastro correspondiente. Los balastros
electrónicos se hallan disponibles en diseños arranque rápido y de arranque instantáneo. Los
balastros que operen con corrientes de salida por debajo de los niveles recomendados, ya
sea por diseño o por mal desempeño, reducirán la vida de la lámpara.
Hay un cuarto método de arranque: Arranque Programado (PS). Al inicio solo se
aplica voltaje a filamentos y posteriormente se aplica voltaje al tubo. Este
método de arranque permite muchos más ciclos de encendido y apagado por lo
que es el más recomendable con sensores de presencia.
Arranque por pre calentamiento
Reactor
Capacitor
1.
2.
3.
Filamentos/Cátodos
Arrancador
Lámpara
Energización del circuito - Arco en el arrancador. la corriente pasa por el reactor, los filamentos y el capacitor.
La corriente es pequeña y la mayor parte del voltaje se queda en el capacitor. El voltaje ocasiona que se
presente arco en el arrancador y este muestra incandescencia. El calor hace que el bimetálico del arrancador
aumente temperatura y un tiempo después se cierra.
Corto en el arrancador. El arrancador se apaga (tiene cero volts) y se está enfriando, mientras la corriente pasa
por el reactor, los filamentos y el corto en el arrancador. Los filamentos inician emisión termoiónica.
Apertura del arrancador – Lámpara encendida. El enfriamiento en el arrancador acaba por ocasionar su
apertura y la disminución brusca de corriente en el reactor da lugar a un sobre-voltaje que acaba por iniciar el
arco (descarga) en el tubo fluorescente. La lámpara ya está encendida, la corriente pasa por el reactor y se
divide: la mayor parte por la lámpara y una pequeña fracción por filamentos y capacitor. El voltaje en el
capacitor y arrancador no es suficiente para que se inicie arco en éste último. El capacitor ayuda a limitar la
corriente en los electrodos.
Formas de onda arranque por precalentamiento
Corto circuito en arrancador,
calentamiento en filamentos
3
Operación
normal en la
lámpara,
arrancador en
circuito abierto
2
50
1
0
0
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
-50
-1
-100
-2
-150
80.0 Vrms
0.1 A rms
12.4 Vrms
0.6 A rms
Ciclos de 60 Hz
39.8 Vrms
0.4 A rms
-3
Corriente en lámpara, A
100
Voltaje en lámpara, V
Arco en
arrancador
Pre-disparo
150
v
i
Métodos de arranque
John L. Fetters, CEM, CLEP / New Energy-Efficient Lamps, Ballasts, Fixtures & LEDs / Energy 2006
Arranque Rápido
De t1 a t2 es el
arranque.
En este intervalo de
tiempo la corriente
en la lámpara es
pequeña (glow
current) y el voltaje
alto.
De t3 en adelante
es operación
normal.
La corriente
aumenta y el voltaje
disminuye.
http://www.unvlt.com/literature/media/chart1.gif
Se aplica voltaje a filamentos y simultáneamente se aplica voltaje a la lámpara lo cual
ocasiona corriente en la lámpara aunque ésta no ha encendido (glow current). Esta
corriente ocasiona que se desprenda material de los filamentos. Este material se
deposita en los extremos de la lámpara. Es por eso que este método de arranque debe
evitarse en aplicaciones con apagado y encendido frecuente pues acorta la vida de la
lámpara. Cuando la corriente en la lámpara aumenta, el voltaje aplicado disminuye.
Arranque Programado
De t1 a t2 es el
arranque.
En este intervalo de
tiempo no hay
corriente en el tubo
solo hay corriente
en filamentos.
http://www.unvlt.com/literature/media/chart2.gif
Se aplica voltaje solo a filamentos, el voltaje en el tubo es tal que no hay “glow current”.
Cuando los filamentos ya están en temperatura óptima se aplica voltaje al tubo y
aparece la corriente en el mismo. En operación normal se reduce el voltaje aplicado a
los filamentos para ahorrar energía.
Pérdidas de balastro y factor de
balastro
• Pérdidas de Balastro = (Potencia de entrada al sistema balastro y lámpara)
– Potencia de la lámpara. (IEEE-Std 739-1995).
• Factor de Balastro es la relación entre la luz de salida (lúmenes) de una
lámpara operando con un balastro comercial y la luz de salida de la misma
lámpara operando con un balastro de referencia. El factor de balastro de
un balastro de referencia es 100. (IEEE-Std 739-1995).
• Considere el factor de balastro como un multiplicador. Simplemente,
multiplique el factor de balastro por los lúmenes nominales de la lámpara
para obtener los lúmenes producidos por el sistema balastro/lámpara.
(http://www.unvlt.com/techSupport/trouble_shooting/elct-qa.html)
• Factor de eficacia del Balastro es el factor de balastro por 100 entre la
potencia de entrada al sistema balastro y lámpara. Sirve para comparar
balastros con el mismo número y tipo de lámparas. El más alto es mejor.
T12s y T8s arranque instantáneo y arranque
rápido
•
•
T12 y T8 arranque instantáneo terminal sencilla,
bayoneta o bala.
– FXXT12 , en este caso XX es la longitud en pulgadas
– F48T12  de 4 pies, 39W
425 mA
– F96T12  de 8 pies, 75 W
– F96T8 de 8 pies, 59W
T12 arranque rápido - doble pin (medium bi pin)
– FWWT12, en este caso WW es la potencia nominal
de la lámpara
– F30T12  Arranque rápido de 30 W
– F40T12  Arranque rápido de 40 W
430 mA
• T8 doble pin (medium bi pin)
–
–
–
–
FWWT8, WW es la potencia nominal
F32T8  32 W, 1” de diámetro
Misma base que T12 arranque rápido
265 mA
Arranque rápido o arranque instantáneo
T12  Tubular, 12/8” = 1.5” diámetro; T8  Tubular, 8/8” = 1” diámetro
Remplazo de lámparas en grupo
La vida nominal de una lámpara es la cantidad de horas de operación después de la cual
se puede esperar que hayan fallado la mitad de las lámparas.
T8 Vida nominal: 20,000 h
T12 Instantáneo,
Vida nominal: 9,000 h
% de fallas acumuladas
La gráfica siguiente es el porcentaje de fallas acumuladas en función del porcentaje de
vida nominal para lámparas fluorescentes.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Lighting Maintenance
Lighting Upgrade Manual
EPA's Green Lights Program
January 1995
0
10 20
30 40
50 60
70 80
90 100 110 120
% de vida nominal
Se recomienda remplazar todas las lámparas al 70% de la vida nominal. Debido a que se
espera que hayan fallado tan solo el 10% de las lámparas, estas se pueden remplazar a
medida que vayan fallando.
Las más populares en México
F48T12 y F96T12  Single pin, arranque instantáneo (slimline)
F48T12 es de 4 pies, 39 W
F96 T12 es de 8 pies, 75W
Desafortunadamente los sistemas T12 arranque instantáneo no son los más eficaces.
Vida nominal de 9,000 h.
De catálogos de fabricantes encontramos que los lúmenes de diseño o promedio
son (Cool White  4100 K):
2541 lúmenes promedio  lúmenes nominales al 40% de vida de la
lámpara (2541/39) = 65 lm/W de la lámpara
De catálogos de fabricantes encontramos que el factor de balastro y la potencia de
entrada al sistema balastro/lámpara son:
Balastro magnético eficiente, 87 W, BF=0.93, BEF=1.07
Balastro electrónico, 57 W, BF=0.72, BEF=1.26
La eficacia del sistema es:
2 x 2541 X 0.93 / 87 = 4726 lm / 87 = 54 lm/W
2 x 2541 X 0.72 / 57 = 3659 lm / 57 W = 64 lm/W
T8
F32T8 puede operar tanto en arranque instantáneo como en arranque
rápido o programado (doble pin). Vida nominal de 20,000 h
Datos de catálogo de fabricantes (4100 K):
2800 lm, 32 W  87.5 lm/W vs 65 lm/W!
Datos de catálogo de fabricantes:
2 lámparas, instantáneo, 58 W, BF=0.87, BEF=1.50
Eficacia sistema balastro-lámparas:
Lúmenes de salida = 2 x 2800 X 0.87 = 4872 lm
Eficacia = 4872 lm / 58 W = 84 lm/W vs 54 lm/W !
Super T8 o T8 de alto desempeño
Consortium for Energy Efficiency
(4100 K):
2944 lm, 32 W  92 lm/W Vida nominal de 30,000 h
2 lámparas, instantáneo, 55.5 W, BF=0.89, BEF=1.60
Eficacia sistema balastro-lámparas:
Lúmenes de salida = 2 x 2944 X 0.89 = 5240 lm
Eficacia = 5240 lm / 55.5 W = 94.4 lm/W
En México, estos sistemas son relativamente caros.
T12 balastro magnético vs T8 balastro electrónico
Consideremos una situación que requiere 10 sistemas de 2 lámparas cada uno,
con 3000 horas de operación al año y un costo de energía de 1$/kWh.
• T12 + balastro magnético: 87 W por sistema, 4726 lm de salida.
• T8 + balastro electrónico: 58 W por sistema, 4928 lm de salida.
El sistema T8 da un poco más del 4% extra en la salida.
Con flujos mensuales de efectivo: 250 horas al mes.
• T12:
• T8:
•
10 X 0.087 kW X 250 h/mes X 1 $/kWh = 217.5 $/mes
10 X 0.058 kW X 250 h/mes X 1 $/kWh = 145.0 $/mes
Ahorro mensual = 72.5 $/mes.
El costo aproximado de 10 sistemas de (balastro + 2 T8s) es del orden de 2400 $
2400$/72.5$/mes = 33 meses
70 % de Vida nominal de lámparas T8=
14,000 h 56 meses!