Eficacia luminosa
Medida de qué tan bien una fuente de luz produce luz visible
Eficacia luminosa
Símbolos comunes
K
Unidad SIlm⋅W −1
En unidades base del SIcd⋅s 3 ⋅kg −1 ⋅m −2
Dimensión Yo yo 3 METRO − 1 yo − 2 {\displaystyle {\mathsf {J}}{\mathsf {T}}^{3}{\mathsf {M}}^{-1}{\mathsf {L}}^{-2}}

La eficacia luminosa es una medida de la calidad con la que 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). Según el contexto, la potencia puede ser el flujo radiante de la salida de la fuente o la potencia total (energía eléctrica, energía química u otras) consumida por la fuente. [1] [2] [3] El sentido que se pretende dar al término normalmente se debe inferir del contexto y, a veces, no está claro. El primer sentido se denomina a veces eficacia luminosa de la radiación [4] y el segundo 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 ni igualmente eficaces 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 lo bien que convierte la energía en radiación electromagnética y de lo bien que el ojo humano detecta la radiación emitida.

Eficacia y eficiencia

La eficacia luminosa se puede normalizar mediante la eficacia luminosa máxima posible hasta una cantidad adimensional denominada eficiencia 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 un porcentaje.

Eficacia luminosa de la radiación

Por definición, la luz fuera del espectro visible no puede ser vista por el sistema de visión humano estándar y, por lo tanto, no contribuye a la eficacia luminosa y, de hecho, puede restarle eficacia.

Explicación

La respuesta típica de la visión humana a la luz durante el día o en condiciones brillantes, según lo estandarizado por la CIE en 1924. El eje horizontal es la longitud de onda en nanómetros. [8]

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] Las longitudes de onda de luz fuera del espectro visible reducen la eficacia luminosa, porque contribuyen 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 más fuertemente que las cercanas a los bordes.

Las longitudes de onda de la luz fuera del espectro visible no son útiles para la iluminación general [nota 1] . Además, la visión humana responde más a algunas longitudes de onda de luz que a otras. Esta respuesta del ojo está representada por la función de eficiencia luminosa . Esta es una función estandarizada que representa la visión fotópica , que modela la respuesta de las células cónicas del ojo , que están activas en condiciones típicas de luz diurna. Se puede definir una curva separada para condiciones oscuras/nocturnas, que modela la respuesta de las células bastón sin conos, conocida como visión escotópica . ( La visión mesópica describe la zona de transición en condiciones de poca luz, entre fotópica y escotópica, donde tanto los conos como los bastones están activos).

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.  . [nota 2] 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 . [nota 3]

Definición matemática

La eficacia luminosa (de la radiación) , denotada por K , se define como [4]

K = Φ en Φ mi = ∫ 0 ∞ K ( la ) Φ mi , la d la ∫ 0 ∞ Φ mi , la d la , {\displaystyle K={\frac {\Phi _{\mathrm {v} }}{\Phi _{\mathrm {e} }}}={\frac {\int _{0}^{\infty }K (\lambda )\Phi _{\mathrm {e} ,\lambda }\,\mathrm {d} \lambda }{\int _{0}^{\infty }\Phi _{\mathrm {e} ,\ lambda }\,\mathrm {d} \lambda }},}

dónde

Ejemplos

Visión fotópica

TipoEficacia luminosa
de la radiación (lm/W)
Eficiencia luminosa [nota 4]
Bombilla de tungsteno, típica, 2800 K15 [9]2%
Estrella de clase M ( Antares , Betelgeuse ), 3300  K304%
Cuerpo negro , 4000 K, ideal54.7 [nota 5]8%
Estrella de clase G ( Sol , Capella ), 5800  K93 [9]13,6%
Cuerpo negro, 7000 K, ideal95 [nota 5]14%
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a 400–700 nm (fuente "blanca" ideal) [nota 6]251 [9] [nota 7] [10]37%
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a un rango de sensibilidad fotópica ≥ 2 % [nota 8]292 [10]43%
Cuerpo negro, 2800 K, truncado a un rango de sensibilidad fotópica ≥ 2 % [nota 8]299 [10]44%
Cuerpo negro, 2800 K, truncado a un rango de sensibilidad fotópica ≥ 5 % [nota 9]343 [10]50%
Cuerpo negro, 5800 K, truncado a un rango de sensibilidad fotópica ≥ 5 % [nota 9]348 [10]51%
Fuente monocromática en540 THz683 (exacto)99,9997%
Fuente monocromática ideal:555 nm (en el aire)683.002 [11]100%

Visión escotópica

TipoEficacia luminosa

de radiación (lm/W)

Luminoso

eficiencia [nota 4]

Fuente monocromática ideal de 507 nm1699 [12] o 1700 [13]100%
Radiancia espectral de un cuerpo negro . La energía fuera del rango de longitud de onda visible (~380–750  nm, que se muestra mediante líneas punteadas grises) reduce la eficiencia luminosa.

Eficiencia de la iluminación

Las fuentes de luz artificial se evalúan generalmente en términos de eficacia luminosa de la fuente, también llamada a veces eficacia luminosa 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 llamarse eficiencia luminosa de una fuente , eficiencia luminosa global o eficiencia de iluminación .

La principal diferencia entre la eficacia luminosa de la radiación y la eficacia luminosa de una fuente es que esta última tiene en cuenta la energía de entrada que se pierde en forma de calor o que sale de la fuente en forma de 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

En la siguiente tabla se enumeran la eficacia luminosa de una fuente y la eficiencia de varias fuentes de luz. Tenga en cuenta que todas las lámparas que requieren balasto eléctrico o electrónico se enumeran sin pérdidas , a menos que se indique lo contrario (consulte también el voltaje), lo que reduce la eficiencia total.

CategoríaTipoEficacia luminosa global
(lm/W)
Eficiencia luminosa global [nota 4]
CombustiónManto de gas1–2 [14]0,15–0,3 %
IncandescenteBombillas incandescentes de tungsteno de 15, 40 y 100  W (230 V)8,0, 10,4, 13,8 [15] [16] [17] [18]1,2, 1,5, 2,0%
Bombillas incandescentes de tungsteno de 5, 40 y 100  W (120 V)5,0, 12,6, 17,5 [19]0,7, 1,8, 2,6%
Lámpara incandescente halógenaHalógeno 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 y tungsteno (12-24 V)243,5%
Lámparas fotográficas y de proyección35 [23]5,1%
Diodo emisor de luzLámpara LED con base de rosca (120 V)102 [24] [25] [26]14,9%
Lámpara LED con casquillo roscado de 5 a 16  W (230 V)75–217 [27] [28] [29] [30]11–32%
Retrofit LED de 21,5  W para tubo fluorescente T8 (230  V)172 [31]25%
Límite teórico para un LED blanco con mezcla de colores fosforescente260–300 [32]38,1–43,9%
Lámpara de arcoLámpara de arco de carbono2–7 [33]0,29–1,0 %
Lámpara de arco de xenón30–90 [34] [35] [36]4,4–13,5%
Lámpara de arco de xenón de mercurio50–55 [34]7,3–8%
Lámpara de arco de vapor de mercurio de ultraalta presión (UHP) , montada libremente58–78 [37]8,5–11,4%
Lámpara de arco de vapor de mercurio de ultraalta presión (UHP), con reflector para proyectores30–50 [38]4,4–7,3%
FluorescenteTubo T12 de 32  W con balasto magnético60 [39]9%
Lámpara fluorescente compacta de 9–32  W (con balasto)46–75 [18] [40] [41]8–11,45 % [42]
Tubo T8 con balasto electrónico80–100 [39]12–15%
PL-S 11  W Tubo en U, sin pérdida de balasto82 [43]12%
Tubo T570–104,2 [44] [45]10–15,63%
 Sistema de iluminación sin electrodos acoplado inductivamente de 70 a 150 W71–84 [46]10–12%
Descarga de gasLámpara de azufre de 1400  W100 [47]15%
Lámpara de halogenuros metálicos65–115 [48]9,5–17%
Lámpara de sodio de alta presión85–150 [18]12–22%
Lámpara de sodio de baja presión100–200 [18] [49] [50] [51]15–29%
Panel de pantalla de plasma2–10 [52]0,3–1,5%
CatodoluminiscenciaLuminiscencia estimulada por electrones30–110 [53] [54]15%
Fuentes idealesCuerpo negro truncado de 5800 K [nota 7]251 [9]37%
Luz verde en555 nm (máxima eficacia luminosa posible por definición)683.002 [11] [55]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 explicó 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 a temperaturas cercanas a esta. La superficie del sol no es tan caliente". [23] A temperaturas en las que el filamento de tungsteno de una bombilla ordinaria permanece sólido (por debajo de 3683 kelvin), la mayor parte de su emisión es en el infrarrojo . [23]

Unidades de fotometría del SI

Magnitudes de fotometría del SI
CantidadUnidadDimensión
[nb 1]		Notas
NombreSímbolo [nb 2]NombreSímbolo
Energía luminosaQ v [número 3]lumen segundolm⋅s​T⋅J​​El segundo lumen a veces se llama talbot .
Flujo luminoso , potencia luminosaΦ v [nota 3]lumen (= candela estereorradián )lm (=cd⋅sr)YoEnergía luminosa por unidad de tiempo
Intensidad luminosaYo vcandela (= lumen por estereorradián)cd (= lm/sr)YoFlujo luminoso por unidad de ángulo sólido
LuminanciaLv​candela por metro cuadradocd/m2 ( =lm/(sr⋅m2 ) )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 denomina nit .
IluminanciaYo vlux (= lumen por metro cuadrado)lx (= lm/ m2 )L - 2⋅J​Flujo luminoso incidente sobre una superficie
Salida luminosa , emitancia luminosaMv​lumen por metro cuadradolm/ m2L - 2⋅J​Flujo luminoso emitido desde una superficie
Exposición luminosaYo vlux segundolx⋅sL - 2⋅T⋅J​​​Iluminancia integrada en el tiempo
Densidad de energía luminosaωv​lumen segundo por metro cúbicolm⋅s/ m3L - 3⋅T⋅J​​​
Eficacia luminosa (de la radiación)Klumen por vatioluz/ WM - 1⋅L - 2⋅T3⋅J​​​​​Relación entre el flujo luminoso y el flujo radiante
Eficacia luminosa (de una fuente)η [nb 3]lumen por vatioluz/ WM - 1⋅L - 2⋅T3⋅J​​​​​Relación entre el flujo luminoso y el consumo de energía
Eficiencia luminosa , coeficiente luminosoV1Eficacia luminosa normalizada por la máxima eficacia posible
Ver también:
  1. ^ Los símbolos en esta columna denotan dimensiones ; " L ", " T " y " J " son para longitud, tiempo e intensidad luminosa respectivamente, no los símbolos de las unidades litro, tesla y julio.
  2. ^ Las organizaciones de normalización recomiendan que las magnitudes fotométricas se denoten con un subíndice "v" (de "visual") para evitar confusiones con magnitudes radiométricas o fotónicas . Por ejemplo: Símbolos de letras estándar de EE. UU. para ingeniería de iluminación USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
  3. ^ abc Símbolos alternativos que a veces se ven: W para energía luminosa, P o F para flujo luminoso y ρ para eficacia luminosa de una fuente.

Véase también

Notas

  1. ^ Existen casos especiales de iluminación que involucran longitudes de onda de luz que están fuera del rango visible para los humanos. Un ejemplo es la luz ultravioleta , que no es visible en sí misma, pero puede excitar algunos pigmentos para que emitan fluorescencia, lo que hace que estos vuelvan a emitir la luz en el rango visible. Estos casos especiales no son parte de los cálculos de eficacia luminosa.
  2. ^ La visión estándar generalmente percibe 555 nm como un tono de color verde amarillento. , que se puede emular en una pantalla sRGB con valor de color CSSrgb(120,255,0) o hexadecimal #78ff00.
  3. ^ Bajo la visión fotópica estándar, 507 nm se percibe como un tono azul verdoso similar al verde viridiano.  Sin embargo, la visión escotópica basada únicamente en bastones no crea una sensación de color en el sistema de visión humano estándar.
  4. ^ abc Definido de tal manera que la máxima eficacia luminosa posible corresponde a una eficiencia luminosa del 100%.
  5. ^ ab Espectro visible del cuerpo negro
  6. ^ La fuente más eficiente que imita el espectro solar dentro del rango de la sensibilidad visual humana.
  7. ^ ab Integral de la función de Planck truncada por la función de luminosidad fotópica por 683,002 lm/W.
  8. ^ ab Omite la parte del espectro donde la sensibilidad del ojo es muy pobre.
  9. ^ ab Omite la parte del espectro donde la sensibilidad del ojo es baja (≤ 5% del pico).

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  • La hiperfísica tiene estos gráficos de eficacia que no cumplen del todo con la definición estándar.
  • Bombillas de bajo consumo
  • Otro poder
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