La eficacia luminosa es una medida de qué tan bien una fuente de luz produce luz visible. Es la relación entre el flujo luminoso y la potencia , medida en lúmenes por vatio en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Dependiendo del contexto, la energía puede ser el flujo radiante de la salida de la fuente o puede ser la energía total (energía eléctrica, energía química u otras) consumida por la fuente. [1] [2] [3] Por lo general, el sentido del término que se pretende debe inferirse del contexto y, a veces, no está claro. El primer sentido a veces se denomina eficacia luminosa de la radiación , [4]y la última eficacia luminosa de una fuente de luz [5] o eficacia luminosa global . [6] [7]
No todas las longitudes de onda de la luz son igualmente visibles, o igualmente efectivas para estimular la visión humana, debido a la sensibilidad espectral del ojo humano ; la radiación en las partes infrarroja y ultravioleta del espectro es inútil para la iluminación. La eficacia luminosa de una fuente es el producto de qué tan bien convierte la energía en radiación electromagnética y qué tan bien el ojo humano detecta la radiación emitida.
Eficacia y eficiencia
La eficacia luminosa se puede normalizar mediante la máxima eficacia luminosa posible a una cantidad adimensional denominada eficacia luminosa . La distinción entre eficacia y eficiencia no siempre se mantiene cuidadosamente en las fuentes publicadas, por lo que no es raro ver "eficiencias" expresadas en lúmenes por vatio, o "eficacias" expresadas como porcentaje.
Eficacia luminosa de la radiación
Explicación
Las longitudes de onda de luz fuera del espectro visible no son útiles para la iluminación porque no pueden ser vistas por el ojo humano . Además, el ojo responde más a algunas longitudes de onda de luz que a otras, incluso dentro del espectro visible. Esta respuesta del ojo está representada por la función de luminosidad . Esta es una función estandarizada que representa la respuesta de un ojo "típico" en condiciones brillantes ( visión fotópica ). También se puede definir una curva similar para condiciones de poca luz ( visión escotópica ). Cuando no se especifica ninguno, generalmente se asumen condiciones fotópicas.
La eficacia luminosa de la radiación mide la fracción de potencia electromagnética que es útil para la iluminación. Se obtiene dividiendo el flujo luminoso por el flujo radiante . [4] La luz con longitudes de onda fuera del espectro visible reduce la eficacia luminosa, porque contribuye al flujo radiante mientras que el flujo luminoso de dicha luz es cero. Las longitudes de onda cercanas al pico de la respuesta del ojo contribuyen con más fuerza que las que están cerca de los bordes.
La eficacia luminosa fotópica de la radiación tiene un valor máximo posible de 683,002 lm / W , para el caso de luz monocromática a una longitud de onda de 555 nm (verde). La eficacia luminosa escotópica de la radiación alcanza un máximo de 1700 lm / W para luz monocromática a una longitud de onda de 507 nm .
Definición matemática
La eficacia luminosa , denominada K , se define como [4]
dónde
- Φ v es el flujo luminoso ;
- Φ e es el flujo radiante ;
- Φ e, λ es el flujo radiante espectral ;
- K ( λ ) = K m V ( λ ) es la eficacia luminosa espectral .
Ejemplos de
Visión fotópica
Tipo | Eficacia luminosa de la radiación (lm / W) | Luminosa eficiencia [nota 1] |
---|---|---|
Bombilla de luz de tungsteno, típica, 2800 K | 15 [8] | 2% |
Estrella de clase M ( Antares , Betelgeuse ), 3000 K | 30 | 4% |
Cuerpo negro , 4000 K, ideal | 54,7 [9] | 8% |
Estrella de clase G ( Sol , Capella ), 5800 K | 93 [8] | 13,6% |
Cuerpo negro, 7000 K, ideal | 95 [9] | 14% |
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a 400-700 nm (fuente "blanca" ideal) [nota 2] | 251 [8] [nota 3] [10] | 37% |
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a ≥ 2% del rango de sensibilidad fotópica [nota 4] | 292 [10] | 43% |
Cuerpo negro, 2800 K, truncado a ≥ 2% del rango de sensibilidad fotópica [nota 4] | 299 [10] | 44% |
Cuerpo negro, 2800 K, truncado a ≥ 5% del rango de sensibilidad fotópica [nota 5] | 343 [10] | 50% |
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a ≥ 5% del rango de sensibilidad fotópica [nota 5] | 348 [10] | 51% |
Fuente monocromática ideal: 555 nanómetro | 683.002 [11] | 100% |
Visión escotópica
Tipo | Eficacia luminosa de radiación (lm / W) | Luminoso eficiencia [nota 1] |
---|---|---|
Fuente ideal monocromática de 507 nm | 1699 [12] o 1700 [13] | 100% |
Eficiencia de iluminación
Las fuentes de luz artificial generalmente se evalúan en términos de eficacia luminosa de la fuente, también llamada a veces eficacia de enchufe de pared . Esta es la relación entre el flujo luminoso total emitido por un dispositivo y la cantidad total de energía de entrada (eléctrica, etc.) que consume. La eficacia luminosa de la fuente es una medida de la eficiencia del dispositivo con la salida ajustada para tener en cuenta la curva de respuesta espectral (la función de luminosidad). Cuando se expresa en forma adimensional (por ejemplo, como una fracción de la eficacia luminosa máxima posible), este valor puede ser llamado eficacia luminosa de una fuente , eficiencia luminosa global o eficiencia de la iluminación .
La principal diferencia entre la eficacia luminosa de la radiación y la eficacia luminosa de una fuente es que esta última representa la energía de entrada que se pierde en forma de calor o que sale de la fuente como algo distinto a la radiación electromagnética. La eficacia luminosa de la radiación es una propiedad de la radiación emitida por una fuente. La eficacia luminosa de una fuente es una propiedad de la fuente en su conjunto.
Ejemplos de
La siguiente tabla enumera la eficacia luminosa de una fuente y la eficiencia para varias fuentes de luz. Tenga en cuenta que todas las lámparas que requieren balasto eléctrico / electrónico se enumeran a menos que se indique (ver también voltaje) sin pérdidas , lo que reduce la eficiencia total.
Categoría | Tipo | Eficacia luminosa global (lm / W) | Eficiencia luminosa global [nota 1] |
---|---|---|---|
Combustión | Manto de gas | 1-2 [14] | 0,15-0,3% |
Incandescente | Incandescente de tungsteno de 15, 40, 100 W (230 V) | 8.0, 10.4, 13.8 [15] [16] [17] [18] | 1,2, 1,5, 2,0% |
Incandescente de tungsteno de 5, 40, 100 W (120 V) | 5, 12,6, 17,5 [19] | 0,7, 1,8, 2,6% | |
Incandescente halógena | Halógeno de tungsteno de 100, 200, 500 W (230 V) | 16,7, 17,6, 19,8 [20] [18] | 2,4, 2,6, 2,9% |
Halógeno de tungsteno de 2,6 W (5,2 V) | 19,2 [21] | 2,8% | |
Halógeno-IR (120 V) | 17,7-24,5 [22] | 2,6–3,5% | |
Halógeno de cuarzo de tungsteno (12-24 V) | 24 | 3,5% | |
Lámparas fotográficas y de proyección | 35 [23] | 5,1% | |
Diodo emisor de luz | Lámpara LED con base de tornillo (120 V) | 102 [24] [25] [26] | 14,9% |
Lámpara LED con base de tornillo de 5–16 W (230 V) | 75-120 [27] | 11-18% | |
Actualización LED de 21,5 W para tubo fluorescente T8 (230 V) | 172 [28] | 25% | |
Límite teórico para un LED blanco con mezcla de colores de fosforescencia | 260–300 [29] | 38,1–43,9% | |
Lámpara de arco | Lámpara de arco de carbono | 2-7 [30] | 0,29-1,0% |
Lámpara de arco de xenón | 30–50 [31] [32] | 4,4–7,3% | |
Mercury - lámpara de arco de xenón | 50–55 [31] | 7,3–8% | |
Lámpara de arco de vapor de mercurio de ultra alta presión (UHP) , montaje libre | 58–78 [33] | 8,5-11,4% | |
Lámpara de arco de vapor de mercurio de ultra alta presión (UHP), con reflector para proyectores | 30–50 [34] | 4,4–7,3% | |
Fluorescente | Tubo T12 de 32 W con balasto magnético | 60 [35] | 9% |
Fluorescente compacto de 9 a 32 W (con balasto) | 46–75 [18] [36] [37] | 8-11,45% [38] | |
Tubo T8 con balasto electrónico | 80-100 [35] | 12-15% | |
Tubo en U PL-S 11 W, excluida la pérdida de lastre | 82 [39] | 12% | |
Tubo T5 | 70-104,2 [40] [41] | 10-15,63% | |
Sistema de iluminación sin electrodos acoplado inductivamente de 70-150 W | 71–84 [42] | 10-12% | |
Descarga de gas | Lámpara de azufre de 1400 W | 100 [43] | 15% |
Lámpara de halogenuros metálicos | 65-115 [44] | 9,5-17% | |
Lámpara de sodio de alta presión | 85-150 [18] | 12-22% | |
Lámpara de sodio de baja presión | 100-200 [18] [45] [46] | 15-29% | |
Panel de pantalla de plasma | 2–10 [47] | 0,3–1,5% | |
Catodoluminiscencia | Luminiscencia estimulada por electrones | 30-110 [48] [49] | 15% |
Fuentes ideales | Cuerpo negro truncado de 5800 K [nota 3] | 251 [8] | 37% |
Luz verde en 555 nm (máxima eficacia luminosa posible por definición) | 683.002 [11] | 100% |
Las fuentes que dependen de la emisión térmica de un filamento sólido, como las bombillas incandescentes , tienden a tener una eficacia general baja porque, como explica Donald L. Klipstein, "un radiador térmico ideal produce luz visible de manera más eficiente a temperaturas de alrededor de 6300 ° C ( 6600 K o 11,500 ° F). Incluso a esta alta temperatura, gran parte de la radiación es infrarroja o ultravioleta, y la [eficacia] luminosa teórica es de 95 lúmenes por vatio. Ninguna sustancia es sólida y utilizable como filamento de bombilla en temperaturas cercanas a esto. La superficie del sol no es tan caliente ". [23] A temperaturas en las que el filamento de tungsteno de una bombilla normal permanece sólido (por debajo de 3683 kelvin), la mayor parte de su emisión se produce en el infrarrojo . [23]
Unidades de fotometría SI
Cantidad | Unidad | Dimensión | Notas | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nombre | Símbolo [nb 1] | Nombre | Símbolo | Símbolo [nb 2] | ||||
Energía luminosa | Q v [nb 3] | lumen segundo | lm ⋅s | T J | El segundo lumen a veces se llama talbot . | |||
Flujo luminoso , poder luminoso. | Φ v [nb 3] | lumen (= candela estereorradián ) | lm (= cd⋅sr) | J | Energía luminosa por unidad de tiempo | |||
Intensidad luminosa | Yo v | candela (= lumen por estereorradián) | cd (= lm / sr) | J | Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido | |||
Luminancia | L v | candela por metro cuadrado | cd / m 2 (= lm / (sr⋅m 2 )) | L −2 J | Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido por unidad de área de fuente proyectada . La candela por metro cuadrado a veces se llama liendre . | |||
Iluminancia | E v | lux (= lumen por metro cuadrado) | lx (= lm / m 2 ) | L −2 J | Incidente de flujo luminoso en una superficie | |||
Exitancia luminosa, emitancia luminosa. | M v | lumen por metro cuadrado | lm / m 2 | L −2 J | Flujo luminoso emitido desde una superficie | |||
Exposición luminosa | H v | lux segundo | lx⋅s | L −2 T J | Iluminancia integrada en el tiempo | |||
Densidad de energía luminosa | ω v | lumen segundo por metro cúbico | lm⋅s / m 3 | L −3 T J | ||||
Eficacia luminosa (de radiación) | K | lumen por vatio | lm / W | M −1 L −2 T 3 J | Relación de flujo luminoso a flujo radiante | |||
Eficacia luminosa (de una fuente) | η [nb 3] | lumen por vatio | lm / W | M −1 L −2 T 3 J | Relación entre el flujo luminoso y el consumo de energía | |||
Eficiencia luminosa, coeficiente luminoso. | V | 1 | Eficacia luminosa normalizada por la máxima eficacia posible | |||||
Ver también: SI · Fotometría · Radiometría |
- ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las cantidades fotométricas se denoten con un subíndice "v" (para "visual") para evitar confusiones concantidadesradiométricas o de fotones . Por ejemplo: Símbolos de letras estándar de EE. UU. Para ingeniería de iluminación USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
- ^ Los símbolos en esta columna denotan dimensiones ; " L ", " T " y " J " son para longitud, tiempo e intensidad luminosa respectivamente, no los símbolos para las unidades de litro, tesla y joule.
- ^ a b c Símbolos alternativos que se ven a veces: W para energía luminosa, P o F para flujo luminoso y ρ para eficacia luminosa de una fuente.
Ver también
- Fotometría
- Contaminación lumínica
- Eficiencia de enchufe de pared
- Coeficiente de utilización
- Lista de fuentes de luz
Notas
- ^ a b c Definido de manera que la máxima eficacia luminosa posible corresponda a una eficacia luminosa del 100%.
- ^ Fuente más eficiente que imita el espectro solar dentro del rango de sensibilidad visual humana.
- ^ a b Integral de la función de Planck truncada multiplicada por la función de luminosidad fotópica multiplicada por 683,002 lm / W.
- ^ a b Omite la parte del espectro donde la sensibilidad del ojo es muy baja.
- ^ a b Omite la parte del espectro donde la sensibilidad del ojo es baja (≤ 5% del pico).
Referencias
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enlaces externos
- La hiperfísica tiene estos gráficos de eficacia que no cumplen del todo con la definición estándar
- Bombillas de bajo consumo energético
- Otro poder