Magnitudes Luminotécnicas: Flujo, Intensidad, Iluminancia y Luminancia

Las magnitudes de la luz son parámetros físicos que describen sus características, esenciales para el diseño y la evaluación de sistemas de iluminación.

La luz, definida como energía radiante capaz de estimular la retina y producir visión, se rige por propiedades como la longitud de onda (λ) y la frecuencia (f), relacionadas por la velocidad de la luz (c = λ · f).

Las magnitudes luminosas básicas son:
● Flujo luminoso (ϕ): cantidad total de luz emitida por una fuente en todas direcciones, medida en lúmenes (lm). Ejemplo: una bombilla LED puede emitir entre 800-1600 lm.
● Intensidad luminosa (I): flujo emitido por unidad de ángulo sólido (Ω), en candelas (cd). Depende de la dirección y se calcula como I = ϕ / Ω.
● Iluminancia (E): flujo recibido por unidad de superficie, en lux (lx = lm/m²). Usada para normativas de iluminación (ej.: 500 lx en zonas de lectura).
● Luminancia (L): intensidad luminosa reflejada por una superficie aparente, en cd/m². Determina el "brillo" percibido (ej.: un papel blanco bajo 500 lx puede reflejar 120 cd/m²).
● Eficiencia luminosa (ε): relación entre flujo emitido y potencia consumida (P), en lm/W. Las LED superan 100 lm/W, frente a los 15 lm/W de las incandescentes.

Las magnitudes luminosas se miden mediante unidades específicas que cuantifican diferentes aspectos de la luz y su percepción:

● Unidades de medida de la iluminación (luz incidente)
– Lux (lx): mide la iluminancia, es decir, el flujo luminoso (en lúmenes) que incide sobre una superficie (1 lx = 1 lm/m²). Se usa para evaluar niveles de luz en espacios (ej.: 500 lx en una oficina, 10 lx en una calle residencial). Representa la unidad de medida de la luminosidad en una superficie.

● Unidades de medida de la luz emitida o percibida
– Lumen (lm): cuantifica el flujo luminoso total emitido por una fuente en todas direcciones (ej.: una bombilla LED de 800 lm).
– Candela (cd): mide la intensidad luminosa en una dirección concreta (1 cd = 1 lm/sr). Importante en focos y proyectores.
– Candela por metro cuadrado (cd/m²): unidad de luminancia, que indica el brillo percibido de una superficie (ej.: una pantalla LED puede alcanzar 300 cd/m²).

● Unidad de medida de la eficacia luminosa
– Lumen por vatio (lm/W): expresa la relación entre la luz emitida (lm) y la potencia consumida (W). Las lámparas LED superan los 100 lm/W, frente a los 16 lm/W de las incandescentes.

El alumbrado se mide evaluando diferentes parámetros luminotécnicos mediante instrumentos especializados. La principal magnitud medida es la iluminancia, que cuantifica la cantidad de luz que incide sobre una superficie y se expresa en lux (lx).

El aparato que se utiliza para medir la iluminación es el luxómetro, un dispositivo portátil que incorpora una célula fotosensible que convierte la energía luminosa en señal eléctrica, mostrando directamente los valores en lux.

El proceso para medir con un luxómetro es el siguiente:
1º) Colocando el sensor del luxómetro paralelo a la superficie a medir
2º) Evitando sombras propias del operador
3º) Tomando múltiples puntos de medición
4º) Considerando el tiempo de adaptación del instrumento (1-2 minutos)

Para mediciones profesionales se recomiendan luxómetros clase C (precisión ±5%) o mejor. Algunos modelos avanzados permiten:
– Registrar mediciones en el tiempo (data-logging)
– Conectarse a sistemas de control
– Medir temperatura de color (CCT) e índice de reproducción cromática (CRI)

En proyectos de alumbrado público, se complementa con medición de luminancia (cd/m²) usando luminancímetros, importante para evaluar el deslumbramiento y el confort visual.

El lumen (lm) es la unidad del Sistema Internacional que mide el flujo luminoso (ϕ), es decir, la cantidad total de luz visible emitida por una fuente en todas direcciones por unidad de tiempo.

Técnicamente, 1 lumen equivale al flujo luminoso emitido dentro de un ángulo sólido de 1 estereorradián por una fuente puntual uniforme con intensidad de 1 candela (1 lm = 1 cd·sr).

Si los vatios (W) indican cuánta energía consume una lámpara, los lúmenes nos dicen cuánta luz útil está produciendo. Cuanto mayor sea el número de lúmenes, más brillante percibiremos la luz.

El lumen tiene en cuenta cómo el ojo humano percibe las diferentes longitudes de onda de la luz. Es decir, pondera la luz según nuestra sensibilidad visual. Por ejemplo, somos más sensibles a la luz verde-amarillenta que al rojo o al azul, y esto se refleja en la medida del lumen.

Al ver las especificaciones de una lámpara o una linterna, los lúmenes nos darán una buena idea de qué tan brillante será la luz que emite en general. Es un dato clave para elegir la lámpara.

La intensidad luminosa (I) es una magnitud fotométrica que cuantifica la potencia luminosa emitida por una fuente de luz en una dirección específica. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es la candela (cd).

La intensidad luminosa es por definición:
I = ϕ / Ω
(ϕ = flujo luminoso en lúmenes; Ω = ángulo sólido en estereorradianes)

La intensidad luminosa se puede calcular con la fórmula:
I = E · d²
Donde:
E = iluminancia (lux) que llega a un punto de una superficie perpendicular al rayo luminoso
d = distancia entre el foco luminoso y el punto considerado

Es una medida direccional (a diferencia del flujo luminoso total) y depende críticamente del diseño óptico de la fuente luminosa, que determina el alcance de proyectores y sistemas ópticos, evita deslumbramientos en alumbrado público y permite optimizar la distribución luminosa en aplicaciones de arquitectura.

Por ejemplo, los faros de los automóviles usan reflectores parabólicos para maximizar la intensidad luminosa direccional.

Una vela estándar tiene ≈1 cd (de ahí el nombre "candela") y una lámpara LED puede alcanzar 100-1.000 cd en su eje.

El ángulo sólido (Ω) es una medida tridimensional que cuantifica cuánto "abarca" una fuente de luz en el espacio, similar a cómo un ángulo plano mide apertura en 2D. En iluminación, es clave para calcular magnitudes como la intensidad luminosa. Es la extensión tridimensional de un ángulo.

Por ejemplo, supongamos que estamos sosteniendo una linterna. La luz que emite se expande formando un cono. El ángulo sólido describe la "amplitud" o "apertura" de ese cono de luz.

La unidad SI del ángulo sólido es el estereorradián (sr), donde 1 sr cubre un superficie de 1 m² sobre una esfera de 1 m de radio, si la fuente de luz estuviera situada en el centro de dicha esfera.

Se calcula el ángulo sólido de la siguiente manera:
Ω = S / r²
(S = área proyectada, r = radio de la esfera)

Una esfera completa son 4π sr, aproximadamente 12,57 sr, equivalente a toda la luz emitida en todas direcciones.

La relación del ángulo sólido con la intensidad luminosa es:
I = ϕ / Ω
(ϕ = flujo luminoso en lúmenes)

El instrumento principal para medir la intensidad luminosa (en candelas, cd) es el fotómetro de intensidad luminosa, aunque existen varios dispositivos especializados según la aplicación:
● Fotómetro de haz estrecho:
– Mide la intensidad luminosa en direcciones específicas
– Usado para evaluar faros, proyectores y luminarias direccionales
– Precisión típica de ±3% a ±5%
● Goniófotómetro:
– Dispositivo que mide la distribución angular completa de intensidad
– Combina un brazo giratorio con fotodetector de alta precisión
– Esencial para certificar luminarias según normas EN 13032 e IES LM-79
● Esfera integradora:
– Mide el flujo luminoso total (lúmenes) que luego se convierte a intensidad
– Requiere cálculos geométricos para determinar candelas
– Usada en combinación con software especializado

Estos instrumentos deben calibrarse regularmente con lámparas patrón (como las de tungsteno-halógeno) y operarse en condiciones controladas (temperatura 25±1°C, humedad <65%). La medición sigue el principio de la ley de la distancia inversa al cuadrado (I = E·d²), donde E es la iluminancia medida a distancia d de la fuente.

La norma CIE S 025 establece los requisitos mínimos para estos instrumentos de medición fotométrica.

Tanto el flujo luminoso como la intensidad luminosa indican cuánta luz produce una lámpara, pero el flujo luminoso (lúmenes) indica la producción total de luz de la lámpara en todas direcciones y la intensidad luminosa (candelas) especifica cuánta luz va en cada dirección concreta.

El flujo luminoso es una magnitud escalar (total sin dirección). Es el valor global que aparece en las características técnicas de una lámpara, determinando su eficiencia energética. Por ejemplo, una lámpara esférica emite 1.000 lm en todas direcciones por igual. El flujo total determina la eficiencia energética de una lámpara.

La intensidad luminosa es una magnitud vectorial (depende de la dirección). Su valor depende del diseño óptico de la lámpara (reflectores o lentes), siendo esencial para diseñar reflectores y sistemas ópticos. Por ejemplo, esa misma lámpara de 1.000 lm puede emitir 80 cd si se coloca en un reflector estrecho (haz concentrado) o 5 cd si se difunde en un globo opalescente (luz dispersa).

La iluminancia (E) es una magnitud fotométrica que mide la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área. Se expresa en lux (lx), donde 1 lx equivale a 1 lumen por metro cuadrado (1 lx = 1 lm/m²).

El concepto físico es:
E = ϕ / S
(ϕ = flujo luminoso en lúmenes; S = superficie en m²)

La iluminancia sigue la Ley de la distancia inversa al cuadrado, que indica que cuanto más lejos esté la superficie de la fuente de luz, menor será la iluminancia:
E = I / d²
(I = intensidad luminosa en cd; d = distancia en metros)

Además, el ángulo con el que la luz incide sobre la superficie también afecta a la iluminancia, siguiendo la Ley del coseno del ángulo de incidencia. La iluminancia máxima se da cuando la luz incide perpendicularmente a la superficie.

Por ejemplo, según normativas de iluminación, las oficinas deberían tener 500-1.000 lx, los quirófanos 15.000-25.000 lx y el alumbrado público: 5-30 lx.

La iluminancia determina la visibilidad y confort visual en espacios, siendo la base para cálculos de eficiencia energética en instalaciones.

El lumen (lm) y el lux (lx) son unidades fotométricas relacionadas pero miden conceptos distintos. Mientras los lúmenes indican "cuánta luz produce" una lámpara, los lux nos dicen "cuánta luz recibe" una superficie concreta:
– Para elegir lámparas se comparan lúmenes (flujo total)
– Para verificar instalaciones se miden lux (iluminación recibida). Normativas como UNE-EN 12464-1 especifican niveles de lux requeridos en diferentes espacios (ej. 500 lux en oficinas)

1º) Lumen (lm):
● Unidad de flujo luminoso
● Mide la cantidad total de luz emitida por una fuente en todas direcciones
● Es una propiedad intrínseca de la fuente luminosa
● Ejemplo: Una bombilla LED puede emitir 800 lúmenes, independientemente de dónde se instale

2º) Lux (lx):
● Unidad de iluminancia
● Mide la cantidad de luz que llega a una superficie
● Depende de la distancia a la fuente y su distribución angular
● 1 lux = 1 lumen por metro cuadrado (1 lx = 1 lm/m²)
● Ejemplo: Los mismos 800 lúmenes pueden producir 200 lux en una mesa a 1 m de distancia y 50 lux si se aleja a 2 m (ley del cuadrado inverso).

La luminancia es la magnitud que se relaciona directamente con nuestra percepción del brillo. Es fundamental en áreas como el diseño de pantallas, la iluminación de interiores para evitar el deslumbramiento y en cualquier situación donde la apariencia visual de las superficies sea importante.

Por ejemplo, supongamos que estamos viendo diferentes objetos iluminados en una habitación. Algunos nos parecerán más brillantes que otros, aunque estemos recibiendo la misma cantidad de luz. La luminancia nos dice qué tan brillante nos parece, como observadores, esa superficie que estamos mirando.

No se trata solo de cuánta luz llega al objeto (eso sería la iluminancia), sino de cuánta de esa luz sale del objeto en dirección a nuestros ojos.

La luminancia depende de la dirección desde la que estamos observando la superficie. Una superficie puede parecer más brillante desde un ángulo que desde otro.

La unidad oficial es la candela por metro cuadrado (cd/m²), que es una medida de la "intensidad de brillo" que vemos por cada porción de la superficie que estamos mirando. Cuanto mayor sea el número, más brillante nos parecerá esa superficie.

El parámetro de luminosidad, técnicamente llamado luminancia, se mide con un luminancímetro, un dispositivo especializado que cuantifica el brillo percibido de superficies iluminadas o fuentes de luz, expresado en candelas por metro cuadrado (cd/m²).

Las características principales de los luminancímetros son:
– Utilizan un sistema óptico con lentes que limitan el ángulo de medición (generalmente 1° o 2°)
– Incorporan filtros espectrales que simulan la curva de sensibilidad del ojo humano (fotópica V(λ))
– Disponen de detectores de silicio de alta precisión con compensación térmica

Las aplicaciones típicas son evaluación de pantallas (TV, monitores, smartphones), control de señalización vial y alumbrado público, análisis de deslumbramiento en instalaciones deportivas, etc.

Los modelos profesionales (como los de Konica Minolta o TechnoTeam) alcanzan precisiones de ±2% y rangos de 0,01 a 1.000.000 cd/m². Su calibración debe realizarse anualmente con fuentes patrón certificadas, siguiendo normas como la CIE 69-1987.

Para mediciones precisas, se considera:
✓ Ángulo de observación estandarizado (2° para la CIE)
✓ Condiciones ambientales controladas
✓ Posición perpendicular a la superficie
✓ Tiempo de estabilización (1-5 minutos)

Es fácil confundir luminancia e iluminancia, ya que ambas se relacionan con la luz y cómo la percibimos. La diferencia principal radica en qué se está midiendo y desde dónde se está midiendo.

Por ejemplo, imaginemos que estamos viendo una película en una pantalla de cine:

● Iluminancia: sería como medir cuánta luz está llegando a la pantalla desde el proyector. Es la cantidad de "luz incidente" sobre la superficie de la pantalla. No importa de qué color sea la pantalla o cuánta luz refleje, la iluminancia mide la luz que llega.

● Luminancia: sería como medir cuánta luz está llegando a nuestros ojos desde la pantalla. Esta medida sí depende de las propiedades de la pantalla (si es blanca, gris, mate, brillante) y de cuánta luz está reflejando o emitiendo en nuestra dirección. Es la "luz que sale" de la superficie y llega al observador.

Por tanto, mientras que la iluminancia depende de la fuente de luz (cantidad y distancia) y es independiente de las propiedades de la superficie, la luminancia depende de la fuente de luz, de las propiedades de la superficie y del ángulo de observación.

La eficacia luminosa (ε) es un parámetro que cuantifica la capacidad de una fuente de luz para convertir energía eléctrica en luz visible. Se define como la relación entre el flujo luminoso emitido (en lúmenes) y la potencia eléctrica consumida (en vatios), expresándose en lúmenes por vatio (lm/W).

Se calcula de la siguiente manera:
ε = ϕ / P
Donde:
ϕ = flujo luminoso total (medido con esfera integradora)
P = potencia eléctrica consumida (medida con vatímetro)

Los valores de referencia son los siguientes:
✓ Lámparas incandescentes: 10-15 lm/W
✓ Fluorescentes: 50-100 lm/W
✓ LED comerciales: 80-180 lm/W
✓ LED de última generación: >200 lm/W

La eficacia luminosa es importante para:
– Evaluar el ahorro energético
– Comparar tecnologías de iluminación
– Cumplir regulaciones ecológicas
– Calcular retorno de inversión en proyectos

Para obtener la eficacia luminosa se mide:
● Flujo luminoso (ϕ): con esfera integradora (UNE-EN 13032-4) que captura toda la luz emitida
● Potencia eléctrica (P): usando vatímetros de precisión

El rendimiento de una luminaria, también llamado eficiencia luminosa, es un parámetro que determina qué porcentaje de la luz generada por la fuente luminosa es efectivamente aprovechada por el sistema de iluminación. Se calcula mediante la fórmula:

Rendimiento (%) = (Flujo luminoso emitido por la luminaria / Flujo luminoso de la lámpara) × 100

La metodología para medir el rendimiento luminoso (según norma UNE-EN 13032-4) es la siguiente:
1º) Medición del flujo de la lámpara: se coloca la lámpara desnuda (sin luminaria) en una esfera integradora y se mide el flujo total (ϕ₁) con fotómetro calibrado.
2º) Medición del flujo de la luminaria: se instala la lámpara en su luminaria completa y se utiliza un goniófotómetro para medir el flujo útil emitido (ϕ₂).

Los factores que afectan el rendimiento:
– Pérdidas por absorción en reflectores o difusores
– Diseño óptico de la luminaria
– Calidad de los materiales componentes
– Temperatura de trabajo del sistema

Los valores típicos son:
✓ Luminarias industriales de alta eficiencia: 85-95%
✓ Luminarias decorativas: 60-75%
✓ Proyectores con óptica de calidad: >90%