Erick Hidalgo Martínez Maestría en Ciencias en Energías Renovables

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DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO 
 
 
 
“Análisis y tendencias de las tecnologías actuales en iluminación 
aplicadas en el ahorro de energía eléctrica” 
 
 
 
TESIS 
Que para obtener el grado de: 
Maestro en Ciencias en Energías Renovables 
 
 
PRESENTA 
Ing. Erick Hidalgo Martínez 
 
 
DIRECTORES 
 Dr. José Alberto Duarte Moller 
Dr. Pedro Sánchez Santiago 
 
Chihuahua, Chih., Enero del 2013 
 
 
Agradecimientos 
 
A Dios por permitirme enfrentar un reto más, tanto en mi vida personal así 
como en mi vida profesional, por darme los conocimientos y plasmarlos en este 
trabajo de investigación. 
 
A mis padres: Francisco Hidalgo González y Rebeca Martínez Pérez, porque 
nunca dejan de mostrar su apoyo, que a base de sus vivencias cotidianas me 
siguen dando lecciones de cómo superar los obstáculos que se nos presentan 
día a día. 
 
A mis hermanos: Francisco, Mercedes, Hugo y Omar, que no dejan de mostrar 
su cariño, aprecio y apoyo a pesar de las distancias. De la misma manera, 
quisiera agradecerles su apoyo incondicional que me brindan sus respectivas 
esposas: Verónica, Anabel y Maribel. 
 
A mis sobrinos David, Zahid, Vania Isabel, Dalia Naomi, Cesar Uriel, Hugo 
Maximiliano, Mariana Carolina, Ariadna Monserrat, María José y María 
Fernanda. Cada uno de ellos a su manera siempre me han demostrado su 
cariño y respeto. 
 
Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) por brindarme las 
facilidades y medios para cumplir con este proyecto. 
 
A la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji, por darme la oportunidad y 
confianza para seguir superándome al brindarme la beca para realizar esta 
maestría. 
 
A Mis asesores: Dr. Duarte y Dr. Pedro por no solo tenerme la paciencia, sino 
también la confianza en que se pueden lograr las metas propuestas. Gracias 
por su valioso tiempo invertido en sus comentarios y/o sugerencias. 
 
 
Índice temático 
 
Justificación 1 
Objetivo 1 
Objetivos específicos 1 
Impactos 2 
 Ecológico 2 
 Tecnológico 2 
 Social 2 
Resumen 3 
Capítulo 1 “Introducción” 4 
1.1 Situación actual del consumo de energía eléctrica en México 5 
1.2 Clasificación de las luminarias 11 
1.2.1 Lámparas incandescentes 12 
1.2.2 Lámparas fluorescentes 13 
 1.2.3 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID) 16 
Capítulo 2 “Teoría de la luz” 20 
2.1 Introducción a la luz 21 
2.2 La luz y el ojo 25 
2.3 Espectro electromagnético 27 
2.4 Conceptos descriptivos de la luz 28 
2.4.1 Ángulo plano 28 
2.4.2 Ángulo sólido. 29 
2.4.3 Radiancia espectral 30 
2.5 Magnitudes radiométricas y fotométricas 30 
 2.5.1 Magnitudes radiométricas 32 
 2.5.2 Magnitudes fotométricas 36 
 
Capítulo 3 “Nuevas tecnologías en iluminación” 44 
3.1 Iluminación de estado sólido: Diodo Emisor de Luz 45 
3.1.1 Introducción 45 
3.1.2 Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode: LED) 45 
3.1.3 Propiedades eléctricas de los LEDs 44 
3.1.4 Intensidad de luz del LED 47 
3.1.5 Color y Cromaticidad del LED 48 
3.1.6 Estructura del LED 50 
3.1.7 Funcionamiento del LED 51 
3.1.8 Tipología y tecnologías básicas del LED 51 
3.1.9 Ventajas de la tecnología LED 53 
3.2 Diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) 55 
3.2.1 Introducción 55 
3.2.2 Configuración de un OLED 55 
3.2.3 Estructuras de los OLEDs 57 
3.2.4 Caracterización de un OLED 60 
3.2.5 Tiempo de vida útil de los OLEDs 60 
3.2.6 Comparación del LED con el OLED 61 
3.3 Lámparas de Inducción Magnética 63 
3.3.1 Principio de funcionamiento 63 
3.3.2 Operación de los elementos que la componen 64 
3.3.3 Alternativa Eficiente 65 
3.3.4 Energía más Limpia 65 
3.3.5 Ventajas y desventajas de las lámparas de inducción magnética 65 
Capítulo 4 “Análisis y Resultados 67 
 
4.1 Mediciones, análisis comparativo y estudio de ahorro de energía eléctrica68 
 
I.- Mediciones en el cuarto obscuro del Laboratorio de Eléctrica en las 
instalaciones del Instituto Tecnológico de Chihuahua. 68 
II.- Comparaciones de los datos técnicos de cada una de las lámparas 
empleadas en las mediciones. 73 
III.- Estudio de ahorro de energía eléctrica sustituyendo las luminarias de LEDs 
o inducción magnética en las luminarias actuales de los pasillos de la 
Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji. 75 
 
Capítulo 5 “Conclusiones” 81 
Referencias bibliográficas 83Índice de figuras 
 
Figura 1.- Consumo nacional de energía eléctrica (Escenario de planeación) 5 
Figura 2.- Consumo de energía eléctrica en México por sectores 6 
Figura 3.- Estadística de ventas del sector eléctrico nacional: Sector doméstico 7 
Figura 4.- Sectores de la región de Cuernavaca de los usos de la energía 
eléctrica. 8 
Figura 5.- Principales distribuciones del consumo de los principales 
electrodomésticos del Distrito Federal. 9 
Figura 6.- Principales usos de la energía eléctrica en la región cálida. 9 
Figura 7.- Porcentaje de la energía eléctrica empleada para la iluminación en 
los hogares de México. 10 
Figura 8.- Las siete áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica en 
México. 11 
Figura 9.- Clasificación de las lámparas eléctricas. 12 
Figura 10.- Porcentaje de radiaciones emitidas de las lámparas 
incandescentes. 12 
Figura 11.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas fluorescente 
tubulares. 13 
Figura 12.- Porcentaje de radiaciones emitidas por una lámpara fluorescente 
compacta. 14 
Figura 13.- Funcionamiento de las lámpara fluorescente tubular. 14 
Figura 14.- Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta. 15 
Figura 15.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas de alta 
intensidad de descarga. 16 
Figura 16.- Lámpara de vapor de mercurio de alta presión. 17 
Figura 17.- Lámpara de vapor de sodio de alta presión. 18 
Figura 18.- Luis de Broglie, en 1929 recibió el Premio Nobel de Física por sus 
trabajos en la naciente Mecánica Cuántica. 22 
Figura 19.- Partes principales del ojo. 26 
Figura. 20.- Dilatación y contracción de la pupila debido a la cantidad de luz 
que entra al ojo. 26 
Figura 21.- Grafica de la sensibilidad del ojo humano. 27 
Figura 22.- Longitudes de onda y frecuencias del espectro electromagnético. 28 
Figura 23.- Descripción del radian. 29 
Figura 24.- Descripción del ángulo sólido. 29 
 
Figura 25.- Representación de Ω cuando no es perpendicular al origen. 30 
Figura 26.- Representación de la Radiancia Espectral. 30 
Figura 27.- Representación de la energía radiante. 32 
Figura 28.- La Irradiancia se refiere al flujo radiante por unidad de área 
incidente en un punto de una superficie procedente de un ángulo sólido 
hemisférico. 33 
Figura 29.- Representación de la Radiancia. 35 
Figura 30.- Representación de la intensidad luminosa. 37 
Figura 31.- Punto sobre una superficie. 38 
Figura 32.- Calculo de la iluminancia de una superficie perpendicular al flujo 
luminoso incidente. 39 
Figura 33.- Representación de la iluminancia cuando una superficie forma una 
ángulo θ. 40 
Figura 34.- Representación de la Exitancia. 40 
Figura 35.- Cono limitado con un diafragma de entrada y otro de salida. 41 
Figura 36.- Representación de fuente emisora y la superficie receptora. 42 
Figura 37.- Representación de la luminancia. 43 
Figura 38.- Encapsulado, polarización de los pines y símbolo del LED. 46 
Figura 39.- Grafica del comportamiento de la corriente del diodo en función de 
su tensión. 46 
Figura 40.- Graficas del comportamiento de la corriente de diferentes LEDs de 
diferentes materiales en función del voltaje. 47 
Figura 41.- Intensidad óptica de un LED de In0.16 GA0.84As/GaAs de 1, 4, 6 y 8 
pozos cuánticos (QW). 48 
Figura 42.- Diagrama de Cromaticidad de un LED. 50 
Figura 43.- Estructura de un LED de 5mm. 51 
Figura 44.- LED radial. 52 
Figura 45.- LED de montaje superficial. 52 
Figura 46.- LED Multichip. 53 
Figura 47.- Estructura de un OLED- 
Figura 48.- Vista esquemática de una situación energética favorable en un 
OLED. 57 
Figura 49.- Estructura de un SM-OLED. 58 
Figura 50.- Estructura de un P-OLED. 58 
Figura 51.- Estructura de un T-OLED. 59 
Figura 52.- Estructura de un T-OLED. En comparación con los OLEDs 
convencionales, los T-LEDs utilizan como cátodo un compuesto transparente 
(electrodo superior) que permite que la luz emitida desde ambas superficies 
(Izquierda) o selectivamente desde la superficie superior utilizando un sustrato 
o película opaca (Derecha). 59 
Figura53.- Construcción de una lámpara de inducción magnética. 63 
Figura 54.- Luxómetro HER-40. 71 
Figura 55.- Comparación grafica de cada uno de los puntos en los que se 
tomaron las mediciones. 72 
Figura 56.- Equivalencia de cada tipo de lámpara con respecto a las lámparas 
incandescente. 75 
 
 
 
 
 
 
 
 
Índice de tablas 
 
Tabla 1.- Crecimiento medio anual del consumo de electricidad. Escenario de 
planeación (TMCA) 7 
Tabla 2.- Radiación de las lámparas eléctricas. 18 
Tabla 3.- Comparación de la eficiencia, vida útil e IRC de cada tipo de lámpara.18 
Tabla 4.- Ventajas y desventajas de las lámparas eléctricas. 19 
Tabla 5.- Vocabulario CIE para la región espectral. 31 
Tabla 6.- Principales magnitudes de la radiometría. 35 
Tabla 7.- Equivalencias entre las magnitudes radiométricas y las magnitudes 
fotométricas. 36 
Tabla 8.- Clasificación de los LEDs por su color y longitud de onda emitida. 49 
Tabla 9.- Comparación de los LEDs contra los OLEDs. 61 
Tabla 10.- Resultado de las mediciones de cada una de las luminarias. 71 
Tabla 11.- Potencia de consumo de cada tipo de lámpara. 73 
Tabla 12.- Lúmenes emitidos de cada tipo de lámpara. 73 
Tabla 13.- Vida útil de cada tipo de lámpara. 73 
Tabla 14.- Costo de cada tipo de lámpara. 74 
Tabla 15.- Eficiencia de cada tipo de lámpara. 74 
Tabla 16.- Lumen por peso (lum*$1) de cada tipo de lámpara. 74 
Tabla 17.- Horario de verano para tarifas base, intermedia y de punta. 76 
Tabla 18.- Horario de invierno para tarifas base, intermedia y de punta. 76 
Tabla 19.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que 
permanecen encendidas las lámparas en el periodo de verano. 77 
Tabla 20.- Total de horas en base a cada tarifa en base a los horarios que 
permanecen encendidas las lámparas en el periodo de invierno. 77 
Tabla 21.- Tarifas de CFE por $/kWHr en el año 2012. 77 
Tabla 22.- Gasto mensual por concepto de energía en el 2012 de la UTTT. 78 
Tabla 23.- Calculo de la facturación de la demanda para la UTTT. 78 
Tabla 24.- Calculo de la demanda facturable (DF) de la UTTT en el periodo 
2012. 78 
Tabla 25.- Gasto total que genera las lámparas que iluminan los pasillos de la 
UTTT en el periodo 2012. 79 
Tabla 26.- Gasto total que generarían las lámparas de LEDs que iluminarían los 
pasillos de la UTTT en el periodo 2012. 79 
Tabla 27.- Gasto total que generarían las lámparas de Inducción Magnética que 
iluminarían los pasillos de la UTTT en el periodo 2012. 79 
Tabla 28.- Tiempo de recuperación de la inversión tanto para las lámparas de 
LEDs, así como para las de Inducción Magnética. 80 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Justificación 
Debido a que hoy en día se están desarrollando distintas tecnologías aplicables 
en el sector de la iluminación, es importante determinar cuál de ellas será la 
que le propicie un mayor ahorro en la economía de los usuarios, sin dejar a un 
lado el aspecto de la eficiencia luminosa. Algunos de los que se dedican a 
proporcionar las nuevas tecnologías en iluminación ofrecen un panorama 
bastante prometedor para el ahorro en el consumo de energía eléctrica, 
dejando a un lado las características técnicas y la aplicación de sus luminarias, 
esto ha ocasionado que exista una mala selección por parte de los usuarios al 
momento de adquirir las luminarias y por ende, lejos de hacer un ahorro hacen 
una mala inversión por lo que se convierte en un gasto. 
 
Objetivo 
Hacer un análisis en base a sus características técnicas de las tecnologías en 
iluminación que hoy en día se están desarrollando para determinar cuál de 
ellas propicia un mayor ahorro de energía eléctrica, sin dejar a un lado su 
eficiencia luminosa, así como también dar una recomendación en base a sus 
campos de aplicaciones. 
 
Objetivos específicos 
• Realizar un análisis comparativo en bases a las características técnicas 
de algunas luminarias ahorradoras de energía eléctrica. 
• Determinar cuál de ellas puede ser la que más ahorro le otorgue a los 
consumidores en base a su aplicación. 
• Aplicar un estudio de costo-beneficio comparando las características 
técnicas en las lámparas de LEDs y en las lámparas de inducción 
magnética aplicadas a la iluminación de exteriores. 
 
 
 
 
 
 
1 
 
 
 
 
Impactos 
 
 
 
 
Ecológico 
Seguir impulsando la filosofía del ahorro de energía eléctrica, misma que otras 
organizaciones están promoviendo. Con ello también la concientización del 
cuidado del medio ambiente al no dañarlo con sustancias contaminantes 
utilizadas en algunas lámparas ahorradoras de energía eléctrica. 
 
 
 
Tecnológico 
Seguir promoviendo el desarrollo de nuevas tecnologías en iluminación, 
cuidando el impacto ecológico. Aún nos queda mucho por hacer, desarrollando 
nuevos sistemas de control para que se complementen con las luminarias y así 
hacer más eficientes los sistemas ahorradores de energía eléctrica. 
 
 
 
Social 
Cuando se empieza a generar un ahorro en el presupuesto de una sociedad, 
esos recursos pueden ser canalizados para que se siga teniendo un 
crecimiento y se sigan mejorando las condiciones de vida. 
 
2 
 
Resumen 
 
En el presente trabajo se pretende tener un panoramas sobre las nuevas 
tecnologías en iluminación que se están desarrollando, cual son los campos de 
aplicación de estas, determinar si es que existen áreas de oportunidad para ir 
teniendo una mejor selección en base al uso que se les quiera dar, también 
conocer los impactos que tienen sobre el medio ambiente y los seres 
humanos. 
Durante el desarrollo de esta investigación lo que se aborda en el capítulo 1 es 
como está la situación en México con respecto al ahorro energético, las 
tendencias que se tienen proyectadas a mediano plazo en el consumo de 
energía eléctrica por sector. Lo que se resalta es el sector de la iluminación, en 
particular en los hogares. También se analizan las características técnicas de 
las tecnologías en iluminación que actualmente se están empleando. 
En el capítulo 2 se hace un compendio de los conceptos que tiene que ver con 
la luz, se describen las principales magnitudes radiométricas y fotométricas. 
En el capítulo 3 se describen las principales tecnologías en iluminación que hoy 
en día tienen un futuro promisor, no solo por su eficiencia sino también por el 
ahorro energético que pueden proporcionar. Se empieza por el LED, 
posteriormente se aborda a los OLEDs y finalmente se termina con las 
lámparas de inducción magnética. 
En el capítulo 4 se llevan a cabo una serie de análisis para poder dar una 
sugerencia a los usuarios de cuál de esas tecnologías pueden ser más 
eficientes y más ahorradoras para emplearlas en el sector de la iluminación de 
hogares y la iluminación de alumbrados públicos. El primero de los análisis es 
en base a sus características técnicas. Posteriormente se llevó a cabo una 
serie de mediciones en un cuarto obscuro para observar el flujo luminoso de 
cada tecnología y finalmente, se llevó a cabo un estudio de costo-beneficio en 
la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji proponiendo sustituir 35 lámparas de 
vapor de mercurio/sodio que actualmente tienen para iluminar sus pasillos, por 
lámparas de LED e Inducción Magnética. 
En el capítulo 5 se muestran las conclusiones a las que se llegaron al llevar 
acabo los tres análisis y así poder dar una propuesta a los usuarios respecto a 
qué tipo de tecnología les conviene usar, ya sea para la iluminación de sus 
hogares o para aplicarlos en la iluminación de alumbrado público. 
 
3CAPÍTULO 1 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
1.1 Situación actual del consumo de energía eléctrica en México 
 
Hoy en día una de los sectores en los cuales se ha visto el incremento del 
consumo de energía eléctrica es en el aspecto de la Iluminación, no solo en los 
hogares, también en los alumbrados públicos debido a los incrementos 
poblacionales, así también en las industrias. Tal motivo ha implicado que se 
generen programas a nivel nacional para que existan ahorros significativos con 
el uso de las recientes tecnologías en iluminación. El ahorro de energía 
eléctrica es un elemento fundamental de las políticas públicas para el cuidado 
de los recursos energéticos no renovables, la diversificación energética, la 
protección del medio ambiente, el aumento de la productividad y de la 
competitividad de la economía de las familias (SENER, 2005). 
Tal como lo indica en sus estudios de la Secretaria de Energía, se prevé un 
incremento del consumo de la energía eléctrica en sus diferentes sectores. En 
forma consistente con el ritmo de actividad económica considerado en la 
planeación del SEN, el cual como se mencionó anteriormente, ha 
experimentado ajustes recientes, se estima que el consumo nacional de 
electricidad para el periodo 2007-2016 muestre una tasa de crecimiento anual 
de 4.8%. El incremento esperado en el consumo es de alrededor de 121 TWh 
al pasar de 197.4 TWh en 2006 a 318.4 TWh en 2016. Este crecimiento estará 
impulsado principalmente por las ventas del servicio público, que se estima 
crecerán con un ritmo de 5.1% en promedio anual (véase figura 1). Dentro de 
este rubro, se pueden identificar las ventas por tipo de usuarios, entre las 
cuales el sector industrial es de gran relevancia debido a su participación 
mayoritaria en las ventas totales, mismas que en 2006 ascendieron a 58.8% y 
se estima que alcancen una participación de 59.8% en 2016 (SEN, 2007). 
 
Figura 1.- Consumo nacional de energía eléctrica (Escenario de planeación). 
 
5 
La distribución de la energía eléctrica en México se divide principalmente en los 
sectores: industrial, comercial, doméstico y de servicios. Dentro de estos 
sectores el que más consume energía eléctrica tiene es el industrial con un 
59% del total, esto con el 0.6% de los usuarios. El sector comercial consume el 
7.91% con el 10.59% de los usuarios. El residencial consume el 24.91% con el 
87.90% de los usuarios, y por último, el sector público consume el 8.10% con 
menos del 0.92% de los usuarios. Estos valores se muestran en la figura 2 
(CFE, 2005). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uno de los sectores que cabe mencionar resaltar su incremento es el 
residencial. Si bien el crecimiento esperado en las ventas de energía eléctrica 
ha sido ajustado a la baja en años recientes, se estima que las ventas internas 
sigan una tendencia al alza como resultado de factores muy importantes como 
son el ritmo de crecimiento económico y el crecimiento poblacional. 
Específicamente, los sectores residencial, comercial y de servicios que integran 
el denominado desarrollo normal, crecerán anualmente 5.2% en conjunto 
(véase tabla 1) (SEN, 2007). 
Sector Consumo 
Industrial 59% 
Comercial 7.91% 
Residencial 24.91% 
Público 8.10% 
 
Consumos de energía eléctrica en México 
Industrial
Residencial
Público
Comercial
Figura 2.- Consumo de energía 
eléctrica en México por sectores. 
6 
 
Tabla 1.- Crecimiento medio anual del consumo de electricidad. Escenario de planeación 
(TMCA) 
 
En México la tasa de crecimiento de usuarios en el sector doméstico desde 
1988 a 2004 vario de un mínimo de 2.73% a un máximo de 5.46%, el promedio 
fue de 4.07%; la tasa de crecimiento de energía eléctrica vario de un mínimo de 
0.07% a un máximo de 11.81%, el promedio fue de 5.73% respectivamente. En 
la figura 3 se muestra la evolución del crecimiento de los usuarios y el consumo 
de 1988 a 2004 (CFE, 2005). 
 
 
Figura 3.- Estadística de ventas del sector eléctrico nacional: Sector doméstico. 
7 
 
Como se sabe, el nivel socioeconómico de los usuarios se ve reflejado en el 
consumo de energía eléctrico, y a su vez, el tipo de equipamiento depende de 
la región donde se encuentran estos usuarios. Al incrementarse el ingreso per 
cápita de los usuarios, se incrementa la compra de productos 
electrodomésticos cuya operación incrementa directamente el consumo y 
demanda de energía, tanto de los usuarios del Sistema Eléctrico Nacional 
(Maqueda, M. R. y Sánchez L.A., 2008). Así que el consumo de la energía 
varia en las diferentes regiones del país, en algunas por sus características 
socioeconómicas es mucho más el consumo de dicha energía. De aquí que se 
presentan estás graficas comparativas de tres regiones: Cálida, Semidesértica 
y Templada. En la región semidesértica los datos de los usos de la energía 
eléctrica se consideró a la ciudad de Cuernavaca en donde se encontró que el 
35.5% del consumo de energía corresponde al refrigerador, el 3.8% a la bomba 
de agua, el 1.1% a la cafetera, entre sus principales cargas; y del consumo del 
56.7% del consumo residual se considera que el consumo promedio de 
iluminación en el sector doméstico de la República Mexicana es de un 43%. En 
la figura 4 se presentan los datos de los consumos de la energía eléctrica. 
 
Figura 4.- Sectores de la región de Cuernavaca de los usos de la energía eléctrica. 
 
En la figura 5 se presenta la distribución de consumo de los principales 
electrodomésticos para un grupo de usuarios de una zona templada (Distrito 
Federal). Asimismo, se muestra que los equipos de refrigeración consumen el 
38.8%, el lavavajillas el 4.4%, la plancha participa con un 0.6%. El residual es 
del 56%, pero dentro de éste se encuentra la iluminación artificial, que presenta 
a nivel nacional el 43% de consumo de los usuarios domésticos. 
Refrigerador 
35.5% 
Microondas 
0.9% 
Lavadora 
0.9% 
Cafetera 
1.1% 
Aire acondicionado 
0.6% 
Bomba de agua 
3.8% 
Plancha 
0.5% 
Iluminación 
56.7% 
8 
 
Figura 5.- Principales distribuciones del consumo de los principales electrodomésticos 
del Distrito Federal. 
 
Ahora bien, para analizar a la región semidesértica, se hicieron obtuvieron los 
datos de la ciudad de Mérida, se pudo establecer que los equipos de uso final 
que más consumen energía eléctrica son: aire acondicionado 20%, refrigerador 
16% y ventilador 5%. Para la iluminación corresponde un 59%. Dichos datos se 
presentan en la figura 6. 
 
Figura 6.- Principales usos de la energía eléctrica en la región cálida. 
 
 
Plancha 
0.6% 
Lavatrastes 
4% 
Congelador 
18% 
Refrigerador 
21% 
Microondas 
0% 
Iluminación 
56% 
Ventilador 
5% 
Refrigerador 
16% 
Aire 
acondicionado 
20% 
Iluminación 
59% 
9 
Como se puede observar, en las tres regiones hay un consumo significativo en 
el sector de la iluminación, superior a la media nacional que es de 40%. En la 
figura 7 se presentan los consumos en iluminación, en cada las regiones: 
Cálida, Semidesértica y Templada; comparadas con la media nacional. 
 
Figura 7.- Porcentaje de la energía eléctrica empleada para la iluminación en los hogares 
de México. 
 
Estos datos presentan una importante área de oportunidad para que en México 
se empiece a desarrollar culturas del ahorro energético. Para ello, se han 
empleado distintos programas y uno de ellos es el que se está encargando de 
aplicarlo la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) el 
cual han denominado “Proyecto Nacional de Eficiencia Energética en 
Alumbrado Público Municipal”. En el que dicho proyecto han detectado siete 
áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica, los cuales son: 
Transporte, Iluminación, Equipos del hogar e inmuebles, Cogeneración, 
Edificaciones, Motores industriales y Bombas de agua. En la figura 8 se 
presentan las 7 áreas de oportunidad en las cuales, como se puede observarrepresentaran una oportunidad de costo-beneficio para aumentar la eficiencia 
energética en el mediano y largo plazo, por tanto, reducir el consumo de 
energía. 
 
56.70% 56.20% 
59% 
40% 
Región
semidesertica
Región Templada Región Calida Promedio en
México
10 
 
Figura 8.- Las siete áreas de oportunidad para el ahorro de energía eléctrica en México. 
 
El programa que se pretende implementar por la parte del área de iluminación 
consistirá en incrementar la eficiencia energética por iluminación mediante la 
sustitución acelerada de lámparas de alumbrado público que cumplan con 
mayores estándares en la materia. Se trata de fomentar la sustitución de las 
luminarias ineficientes del parque por luminarias de mayor eficiencia. Esta 
situación presenta una oportunidad para los gobiernos locales ya que al 
remplazar luminarias por otras con mayor eficiencia se promueve la 
disminución del consumo energético (CONUEE, 2009). Parte de este trabajo de 
investigación es hacer un aporte para que se empleen las lámparas más 
eficientes, no solo en el área de iluminación de alumbrado público, sino 
también en la iluminación de los hogares. 
 
1.2 Clasificación de las luminarias 
Los sistemas de iluminación artificial son en la actualidad y desde hace ya 
muchos años parte fundamental en todas las actividades y construcciones de la 
humanidad, tanto habitacionales como áreas de trabajo e inclusive en las 
transito y alumbrado público. Debido a esta necesidad se han tenido que 
desarrollas diversas técnicas de iluminación, cada vez más eficientes y 
ahorradoras, buscando con ello un mayor tiempo de vida útil de estos medios 
de iluminación artificial. A finales del siglo anterior, la clasificación de los 
sistemas de iluminación artificial era el siguiente: 
 
11 
 
 
1.2.1 Lámparas incandescentes 
Tienen una elevada generación de calor, como se puede observar esta 
característica en la figura 10, debido a que el 20% de su radiación emitida es 
conducción y convección y otro 70% son radiaciones infrarrojas, dejando así 
solo un 10% a la luz visible, por lo que es la lámpara eléctrica menos eficiente. 
Una lámpara incandescente tiene un índice de rendimiento de color de 100 y 
genera aproximadamente 15 lm/w con una temperatura del color de 2850 ºK 
para los focos de 100 W. Su tiempo de vida útil promedio es de 1000 hrs para 
la lámpara incandescente convencional y de hasta 2000 hrs para la lámpara 
incandescente de halógeno (Bolaños, V.A., 2009). 
 
Figura 10.- Porcentaje de radiaciones emitidas de las lámparas incandescentes. 
 
 
Lamparas 
electricas 
Flourescentes 
Fluoresentes 
Lámpara 
compacta 
Incandescentes 
incandescencia 
Halógeno 
Alta Intensidad 
de descarga 
Vapor de mercurio de alta 
presición 
Vapor de sodio de alta presiciòn 
Halógenuros metálicos 
Vapor de sodio a baja presión 
Figura 9.- Clasificación de las 
lámparas eléctricas 
12 
Funcionamiento de las lámparas de incandescencia.- La emisión de luz se 
produce por el calentamiento que genera una corriente a través de un filamento 
(Carburo de tungsteno), encerrado en una ampolla de vidrio, el cual contiene 
un gas inerte a alta presión ligeramente inferior a la atmosférica. 
Funcionamiento de las lámparas de Halógeno.- Esencialmente son lámparas 
incandescentes que contienen un aditivo de halógeno (generalmente yodo). La 
acción del yodo consiste en combinarse con el tungsteno vaporizado del 
filamento, en las proximidades de la ampolleta (a temperaturas superiores a los 
250 ºC) formando un yoduro de tungsteno, que se disocia al aproximarse al 
filamento (a temperaturas superiores a 2000 ºC) (Fernández, L.C. y De Landa, 
J., 1993). 
 
1.2.2 Lámparas fluorescentes 
Se dividen en dos grandes familias: las lámparas fluorescentes tubulares y las 
lámparas fluorescentes compactas. Que a pesar de estar construidas en 
tecnologías muy similares, si presentan diferencias importantes en su 
desempeño, lo más notable es que la lámpara fluorescente tubular no emite 
radiaciones ultravioletas, al contrario que las compactas, que producen 
cantidades pequeñas de este tipo de radiación. 
La lámpara fluorescente tiene una emisión de 20% de luz visible, pero tiene 
una alta generación de calor al producir 30% de radiación infrarroja y un 45% 
más de conducción y convección. Como se muestra en la figura 11. Una 
lámpara fluorescente tiene un IRC de entre 50 y 95, y genera hasta 100 lm/w, 
con una temperatura de color de entre 3200 y 6300 ºK. Su tiempo de vida útil 
va de las 7500 a las 3000 hrs. 
 
Figura 11.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas fluorescente tubulares. 
 
13 
Por su parte, la lámpara fluorescente compacta, emite hasta un 30% de la luz 
visible, 20% de radiación infrarroja, hasta 60% de conducción y convección y 
finalmente un 0,5% de radiación ultravioleta dañina para el ser humano. En la 
figura 12 se grafican estas características antes mencionadas. Una lámpara 
fluorescente compacta tiene un IRC de 80 y genera hasta 80 lm/W, con una 
temperatura de color de entre 3000 y 6500 ºK. Su tiempo de vida útil va de las 
6000 a las 15000 hrs. 
 
Figura 12.- Porcentaje de radiaciones emitidas por una lámpara fluorescente compacta. 
 
Funcionamiento de las lámparas fluorescentes tubulares.- Está formada por un 
tubo o bulbo fino de vidrio revestido interiormente con diversas sustancias 
químicas compuestas llamadas fósforos, aunque generalmente no contienen el 
elemento químico fósforo y no deben confundirse con él. Esos compuestos 
químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta. El tubo contiene 
además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte, 
habitualmente argón o neón, a una presión más baja que la presión 
atmosférica. En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de 
tungsteno, que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases. 
 
Figura 13.- Funcionamiento de las lámpara fluorescente tubular. 
14 
http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3sforo_(sustancia_fluorescente)
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3sforo_(elemento)
http://es.wikipedia.org/wiki/Luz
http://es.wikipedia.org/wiki/Ultravioleta
http://es.wikipedia.org/wiki/Mercurio_(elemento)
http://es.wikipedia.org/wiki/Arg%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Ne%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica
http://es.wikipedia.org/wiki/Wolframio
http://es.wikipedia.org/wiki/Ionizaci%C3%B3n
Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta.- El funcionamiento de 
una lámpara fluorescente compacta es el mismo que el de un tubo fluorescente 
tubular, excepto que es mucho más pequeña y manuable. 
 
Cuando se enrosca a la lámpara en un portalámpara (igual al que utilizan la 
mayoría de las lámparas incandescentes) y se le aplica una corriente eléctrica 
alterna fluye hacia el balasto electrónico, donde un rectificador diodo de onda 
completa se encarga de convertirla en corriente directa y mejorar, a su vez, el 
factor de potencia de la lámpara. A continuación un circuito oscilador, 
compuesto fundamentalmente por un circuito transistorizado en función de 
amplificador de corriente, un enrollado o transformador (reactancia inductiva) y 
un capacitor o condensador (reactancia capacitiva), se encarga de originar una 
corriente alterna con una frecuencia, que llega a alcanzar entre 20 mil y 60 mil 
hetz. La función de esa frecuencia tan elevada es disminuir el parpadeo que 
provoca el arco eléctrico que se crea dentro de las lámparas fluorescentes 
cuando se encuentran encendidas. De esa forma se anula el efecto 
estroboscópico que normalmente se crea en las antiguas lámparas 
fluorescentes tubulares que funcionan con balastos electromagnéticos (no 
electrónicos). 
 
Figura 14.- Funcionamiento de una lámpara fluorescente compacta. 
Fuente: www. we7.taringa.net. Web.15 
1.2.3 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID) 
 
Estas lámparas son más eficientes que las incandescentes, como se puede 
apreciar en la figura 15, ya que hasta 25% de su radiación emitida es luz 
visible, sin embargo, aun 50% de la radiación emitida es calor y entre 15 y 20% 
son radiaciones infrarrojas, además de tener la desventaja de emitir longitudes 
de onda ultravioleta, nocivas para el ser humano, de entre un 5 a un 20% del 
total de su radiación. Una lámpara de alta intensidad de descarga tiene un IRC 
de entre 65 y 90, y genera hasta 120 lm/W. Dependiendo del gas utilizado, con 
una temperatura de color de entre 3000 y 4200 ºK. Su tiempo de vida útil va de 
las 9000 a las 16000. 
 
Figura 15.- Porcentaje de radiaciones emitidas por las lámparas de alta intensidad de 
descarga. 
 
Funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio a baja presión.- Este 
tipo de lámparas funciona igual que la lámpara fluorescente compacta. 
Funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio a alta presión.- Este tipo 
de lámpara enciende con ayuda de un electrodo auxiliar, la tensión de 
suministro se aplica a dos electrodos principales, pero la distancia entre ellos 
es demasiada grande para iniciar la descarga. Simultáneamente, esa misma 
tensión aparece entre el electrodo auxiliar y el principal adyacente, de modo 
que se produce una descarga entre ellos, limitada por la resistencia del 
electrodo auxiliar. Esta pequeña descarga ioniza el mercurio y provoca el 
establecimiento de la descarga entre los electrodo principales. 
 
16 
La descarga inicial, se ve prácticamente en condiciones de baja presión, con 
emisión intensa de radiación ultravioleta; la descarga evoluciona, se incrementa 
la temperatura, el mercurio se evapora progresivamente y aumenta su presión 
confinando la descarga a una región estrecha en el eje del tubo y la emisión 
para a ser la propia del mercurio (Fernández, L.C. y De Landa, J., 1993). 
 
 
Figura 16.- Lámpara de vapor de mercurio de alta presión. 
Fuente: http://www.tuveras.com/luminotecnia/lamparasyluminarias.htm 
 
Funcionamiento de las lámparas de vapor de sodio de alta presión.- El método 
usual se basa en la utilización de un arrancador electrónico, capaz de 
proporcionar impulsos de tensión de 2-5 kV, según la potencia de la lámpara, 
necesarios para asegurar la descarga. 
Se utiliza generalmente un tiristor que descarga la energía almacenada en un 
condensador sobre el balastro, o bien, directamente sobre la lámpara. 
La descarga se produce, una vez iniciando el arco a través de xenón, 
sobretodo en la atmosfera del vapor de mercurio, con tensión de arco reducida 
e intensidad elevada (1,2-1,5 veces la corriente de régimen), evolucionando 
rápidamente hacia las características de la descarga de sodio. 
17 
 
Figura 17.- Lámpara de vapor de sodio de alta presión. 
Fuente: http://www.electricasas.com/electricidad/luminotecnia/lamparas-luminotecnia-electricidad/lamparas-
de-descarga/ 
 
A manera de resumen, se presentan diferentes tablas comparando las 
características de los tipos de radiación generados por cada tipo de lámpara, 
así como también su eficiencia, el tiempo de vida útil y el IRC (Guerrero, E., 
2008). 
 
Tabla 2.- Radiación de las lámparas eléctricas. 
 
 
Tabla 3.- comparación de la eficiencia, vida útil e IRC de cada tipo de lámpara. 
18 
Finalmente, se muestra en la tabla 4 las principales ventajas y desventajas de 
cada una de las lámparas eléctricas. 
 
Tabla 4.- Ventajas y desventajas de las lámparas eléctricas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
TEORIA DE LA LUZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
2.1 Introducción a la luz. 
Durante varios siglos se presentaron muchas controversias a cerca de la luz, a 
ciencia cierta no se sabía o aún no podían establecer puntos de acuerdo para 
el concepto de la luz. Muchos se hacían las siguientes cuestiones: ¿Qué es la 
luz? ¿La luz se comporta como una onda o un torrente de partículas? Se sabía 
que la luz viajaba desde el sol hasta la tierra y que el espacio es un vacío. Si la 
luz es una onda ¿Cómo puede desplazarse por el vacío, en donde no hay nada 
que la ondule? 
 
 El hombre está para conocer y como conocer es una actividad de hacer 
inteligible los fenómenos (Bachelard, G., 1973), se hace necesario aprender 
una de las ciencias fundamentales relacionada con la comprensión e 
interpretación de los fenómenos naturales que ocurren en el universo: La física. 
Para tal comprensión, el hombre parte de observaciones experimentales y 
mediciones cuantitativas empleando el lenguaje matemático como herramienta 
útil entre el experimento y la teoría (Dirac, P., 1958). Cuando se hace 
referencia a la comprensión e interpretación de los fenómenos físicos, se debe 
de tener en cuenta que para conocer, el hombre debe generar condiciones que 
agilicen el desarrollo de competencias (Bruner, J., 1980),(Redish, E., 1994), por 
lo cual se evidencia la actividad de organizar los hechos y los acontecimientos 
simplificando las teorías, de tal forma que en sólo unos cuantos conceptos, 
ecuaciones y leyes fundamentales logra alterar y ampliar nuestra visión del 
mundo (Dirac, P., 1958), (Feynman, R., 2000). 
 
 El entendimiento del mundo sensible, palpable, directo a los sentidos del ser 
humano, se ha mostrado en la historia de las ciencias cómo las teorías 
clásicas, las cuales dan cuenta del movimiento de los cuerpos (Dirac, P., 1958), 
(Feynman, R., 2000). Por lo cual para desarrollar cualquier fenómeno que 
describa una interpretación correcta del mundo es adecuado utilizar la 
mecánica clásica, cuyas ideas fundamentales y las leyes que rigen su 
aplicación constituyen un esquema tan sencillo y elegante, que parece 
imposible modificarlo sin destruir todas sus atractivas características (Dirac, P., 
1958),(Feynman, R.,1963). Sin embargo, la belleza de esta teoría se 
desvanece cuando se introduce en un campo más amplio, el campo de la 
mecánica cuántica (Feynman, R., 2000). Es cuando el hombre se ve obligado a 
construir herramientas que le permitan conocer las relaciones o vínculos que se 
establecen con la naturaleza microscópica (Dirac, P., 1958), (Redish, E., 1994), 
(Feynman, R.,1963), dando a conocer así la construcción de un nuevo modelo 
teórico para la descripción de los fenómenos de escala atómica que en ciertos 
aspectos es más elegante, satisfactorio y profundo que el modelo clásico 
(Dirac, P., 1958), (Lynn, H. and Caponigro, M.). Sin embargo, este conjunto de 
leyes se presenta al estudiante que inicia su estudio de la naturaleza desde la 
21 
teoría cuántica como una teoría anti-intuitiva (Laloë, F., 2001), (Kozhevnikov, 
A., 2001), cuyos principios resultan de difícil comprensión. Una de las razones 
por las que sucede esto es porque en mecánica cuántica se tiene un grado de 
abstracción tal que se pierden las imágenes directas que permiten 
familiarizarse con los fenómenos (Dirac, P., 1958), (Feynman, R., 2000), 
(Rosenfeld, L., 1973). 
Ante de iniciar el siglo XIX, la luz era considerada como un conjunto de 
partículas que eran emitidas por un objeto observado o emanaban de los ojos 
del observador. 
Uno de los científicos que trabajo mucho en definir el comportamiento de la luz 
ya sea como partícula o como onda fue De Broglie, quien en su discurso de 
recepción del Premio Nobel que obtuvo en 1929 afirmo que un electrón en 
movimiento muestra características de onda y de partícula: 
“Por un lado, no puede considerarse como satisfactoria la teoría cuántica de la 
luz, puesto que define la energía de un corpúsculo de luz como E=hf, que 
contiene la frecuencia f. Una teoría puramente corpuscular no contiene nada 
que nos permita definir una frecuencia; simplemente por esa razón, en el caso 
de la luz debemos introducir las ideas simultáneas de corpúsculo y de 
periodicidad. Por otrolado, la determinación de l movimiento estable de los 
electrones en el átomo introduce números enteros, y hasta ahora los únicos 
fenómenos que involucran a los números en la física eran los de interferencia y 
modos normales de vibración. Este hecho me sugirió la idea de que los 
electrones podrían considerarse no solo como corpúsculos, sino que debería 
asignarse a ellos una periodicidad.” (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2004). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 18.- Luis de Broglie, en 1929 recibió el Premio Nobel de Física por sus trabajos en 
la naciente Mecánica Cuántica. 
Fuente: www.spaceandmotion.com 
 
 
22 
De una manera asombrosa, las ecuaciones de Maxwell demuestran la 
existencia de que las ondas electromagnéticas se propagan a través del 
espacio a la velocidad c de la luz. Esto lo plasmo en cuatro ecuaciones 
fundamentales: 
 ∮ 
 
 
 (1) 
 ∮ (2) 
 ∮ 
 
 
 (3) 
 ∮ 
 
 
 (4) 
 
Debido a que las cargas eléctricas oscilantes generan ondas 
electromagnéticas, las cuales están constituidas por campos eléctricos y 
campos magnéticos que oscilan en ángulo recto respecto al otro y con la 
dirección de propagación de la onda. (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2005). Estas 
propiedades se pueden deducir de las ecuaciones de Maxwell (1)-(4), de las 
que se relaciona a el campo eléctrico (E) y al campo magnético (B) entre si con 
las ecuaciones (3) y (4). En el vacío, donde q=0 e I=0, la ecuación (3) se 
conserva igual y la ecuación (4) se va a transforma en: 
 ∮ 
 
 
 (5) 
 
 
Empleando las ecuaciones (3) y (5), así como también la superposición de 
onda plana, se aplica una ecuación diferencial considerando a E y B para 
obtener: 
 
 
 
 
 
 
 (6) 
 
 
 
 
 
 
 (7) 
 
23 
Se puede ver que son derivadas parciales, ahora bien, cuando se evalúa a 
 se parte del supuesto que t es constante. Así también cuando se evalúa 
a , x se considera constante. Para calcular la derivada de la ecuación (6) 
con respecto de x y combinando el resultado con la ecuación (7) se llega a: 
 
 
 
 
 
(
 
 
) 
 
 
(
 
 
) 
 
 
( 
 
 
) 
 
 
 (8) 
 
Resolviendo la derivada parcial de la ecuación (7) con respecto de x y 
combinándola con la ecuación (6) se obtiene: 
 
 
 
 
 
 
 (9) 
 
Se puede observar que las ecuaciones (8) y (9) tienes la forma general de la 
ecuación de la onda, de donde v es la rapidez de la onda e y es la función de la 
onda: 
 
 
 
 (
 
 
)
 
 
 (10) 
 
Si se remplaza de la ecuación (10) a c por la rapidez de la onda v: 
 
 
√ 
 (11) 
 
Otra solución más simple que se puede plantear para las ecuaciones (8) y (9) 
es mediante una onda senoidal, en las que las magnitudes de campo E y B 
varían en función de x y de t, de acuerdo a las expresiones: 
 E = Emax cos (kx-ω) (12) 
 B = Bmax cos (kx-ω) (13) 
 
Si se derivan parcialmente las ecuaciones (12) con respecto a x y (13) con 
respecto a t se llega a las siguientes ecuaciones: 
24 
 
 
 
 ( ) (14) 
 
 
 
 ( ) (15) 
 
Ahora, sustituyendo estos resultados en la ecuación (6) se obtiene: 
 k Emax = ω Bmax (16) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 = c (17) 
 
De aquí con esta expresión de la ecuación (17) se determina la relación de la 
magnitud del campo eléctrico a la magnitud del campo magnético en cada 
instante en una onda electromagnética es igual a la rapidez de la luz. 
 
2.2 La luz y el ojo 
Uno de los estudios mas antiguos de la luz era como se movía por el espacio. 
Al observar las sombras y las posiciones de las fuentes de luz y los objetos que 
causan las sombras, es fácil deducir que la luz viaja en líneas rectas. 
(Kirkpatrick, L. y Francys, G., 2011). Casi todas las fuentes no son puntuales, 
sino que se extienden sobre cierto espacio. Sin embargo, se puede considerar 
que cierta porción pequeña de la fuente puntual emite su propia sombra nítida. 
Todas esas sombras de fuentes puntuales se superponen en la pantalla detrás 
del objeto. La región más obscura es donde se superponen todas las sombras. 
Esta se le conoce como umbra. Lo que rodea a la umbra es la penumbra, en 
donde solo se le superponen algunas sombras individuales. Es evidente que 
las sombra que genera una fuente puntual es mucho más nítida, y con respecto 
a lo que pasa con las sombras que se generan con fuentes de luz extendidas, 
tienen una umbra central oscura, rodeada penumbra más clara. 
Para que se pueda distinguir la luz que es emitida por distintas fuentes de 
iluminación debe de tener un elemento capaz de procesar esta señal. En los 
humanos, el ojo es el instrumento por el cual entran los rayos de luz y este 
hace un increíble proceso para poder enviar la señal al cerebro y sea 
interpretada cada una de las longitudes de ondas que a su vez entran por el 
ojo. Debido a este asunto tan importante, se describirá los componentes 
básicos del ojo humano. La luz que entra en el ojo pasa a través de una 
estructura transparente llamada cornea (figura 19), por detrás de la cual existe 
un liquido transparente (el humor acuoso), una apertura variable (la pupila, que 
25 
es una apertura dentro del iris) y el cristalino. La mayor parte de la refracción 
ocurre en la superficie externa del ojo, donde la córnea está siempre cubierta 
por una película de lagrima. En la lente del cristalino existe relativamente poco 
refracción, ya que el humor acuoso en contacto con esta lente tiene un índice 
de refracción promedio similar al de la lente. El iris, que es la parte de color del 
ojo, es un diafragma muscular que controla el tamaño de la pupila. El iris regula 
la cantidad de luz que entra en el ojo al dilatar la pupila en condiciones de luz 
insuficiente y al contraer la pupila en condiciones de elevada luminosidad 
(figura 20). 
 
Figura 19.- Partes principales del ojo 
Fuente: www.centrodeojosmasenga.com.ar 
 
Figura. 20.- Dilatación y contracción de la pupila debido a la cantidad de luz que entra al 
ojo 
Fuente: www.centrodeojosmasenga.com.ar 
26 
http://www.centrodeojosmasenga.com.ar/
El sistema cornea-lente enfoca a la luz en la superficie posterior del ojo, la 
retina, constituida por millones de receptores sensibles, conocidos como 
bastones y conos. Al ser estimulados por la luz, estos receptores envían 
impulsos por el nervio óptico al cerebro, donde se percibe una imagen. 
Mediante este proceso, se observan una imagen nítida de un objeto cuando su 
imagen coincida con la retina. (Serway, R. y Jewett Jr., J. 2005). Para saber un 
poco más acerca de la sensibilidad del ojo, observe la gráfica de la figura 21, 
en la que se indica la respuesta del ojo a distintas longitudes de onda, como se 
puede ver, la forma que tiene la gráfica es de campana centrada 
aproximadamente en la región media del espectro visible. En condicionesnormales, el ojo es más sensible a la luz verde-amarilla de longitud de onda de 
555 nm. La sensibilidad recae rápidamente para las luces que se encuentras 
en las longitudes de onda de los extremos, es decir, cerca de los 400 nm y los 
700 nm. 
 
 
Figura 21.- Grafica de la sensibilidad del ojo humano.. 
 
2.3 Espectro electromagnético 
Ya se ha mencionado que el ojo es por donde entra la luz y se pueden 
distinguir los objetos que esta refleje. Pero dentro de toda la gama de luces, la 
visible solo es un pequeño porcentaje del espectro electromagnético que el 
humano puede apreciar. En el vacío, las ondas electromagnéticas se mueven a 
la misma rapidez, y difieren entre sí por la frecuencia. La clasificación de las 
ondas electromagnéticas por su frecuencia es el espectro electromagnético 
(figura 22). Se han detectado ondas electromagnéticas con frecuencias tan 
bajas como 0.01 hertz (Hz). Las ondas electromagnéticas de varios miles de 
hetz (KHz) se consideran de radio de muy baja frecuencia. Un millón de Hertz 
(MHz) esta a la mitad de la frecuencia del cuadrante de un radio de AM. La 
Longitud de onda (nm) 
Se
n
si
b
ili
d
ad
 r
e
la
ti
va
 
27 
banda de TV, de ondas de muy alta frecuencia (VHF) comienza en unos 50 
MHz; en tanto que las ondas de radio de FM van de 88 a 108 MHz. Después 
vienen las ultra frecuencias (UHF), seguidas de las microondas, más allá de las 
cuales están las ondas infrarrojas, que a menudo se llaman “ondas caloríficas”. 
Todavía más adelante está la luz visible, que forma menos de la millonésima 
parte del 1% del espectro electromagnético medido. La luz de frecuencia 
mínima que se puede ver es la roja. Las frecuencias máximas de la luz visible 
tienen casi el doble de la frecuencia del rojo y son violetas. Las frecuencias 
mucho mayores que el ultravioleta se extiende hasta la regiones de los rayos X 
y los rayos gamma. No hay limites definidos entre las regiones, que en realidad 
se traslapan entre sí. (Hewitt, P., 2007) 
 
Figura 22.- Longitudes de onda y frecuencias del espectro electromagnético 
Fuente: www. electricidad-viatger.blogspot.mx 
 
2.4 Conceptos descriptivos de la luz 
 
2.4.1 Ángulo plano 
Uno de los conceptos previos que hay que definir para poder ir comprendiendo 
las nociones que describen el comportamiento de la luz es del ángulo plano, el 
cual corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio. La 
unidad con la cual se mide son los radianes. Su fórmula se describe en la 
ecuación (18): 
28 
 
 
 
 ( ) (18) 
En donde “S” es la longitud del arco y “R” es el radio. 
 
Figura 23.- Descripción del radian. 
 
2.4.2 Ángulo sólido. 
Angulo sólido (Ω) que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es 
igual al cuadrado del radio de la esfera. A una magnitud de volumen le 
corresponde un ángulo sólido o estéreo que se mide en estereorradianes, la 
cual que el radian, son unidades adimensionales, es decir, puede haber 2π, 
4π, etc. 
 
 
 
Figura 24.- Descripción del ángulo sólido. 
 
En general, el ángulo sólido está dado por la ecuación (19): 
 
 
 
 (19) 
29 
Habrá circunstancias bajo las cuales el Ω no sea perpendicular al origen “O”, tal 
como se muestra en la figura 8, pues para estos casos se emplea la ecuación 
(20) para determinar el valor del ángulo solido. 
 
Figura 25.- Representación de Ω cuando no es perpendicular al origen. 
 
2.4.3 Radiancia espectral 
La magnitud básica a partir de la cual se derivan todas las otras magnitudes 
radiométricas es la radiancia espectral (sterance, Le), en la que se incluyen los 
conceptos básicos de área y ángulo solido que son necesarios para calcular el 
flujo radiante que incide en un sistema (González, E., 2006) 
La radiancia espectral Le, es así la cantidad de flujo radiante (Φ, energía por 
unidad de tiempo, Watts) por unidad de longitud de onda (micras, µm) radiada 
o emitida en un cono por unidad de ángulo sólido (estereorradián, Sr) por una 
fuente cuya área (A) se mide en metros. 
 
 ( )
 
 
 
 
 (21) 
 
Figura 26.- Representación de la Radiancia Espectral. 
 
(20) 
30 
2.5 Magnitudes radiométricas y fotométricas 
 
Dentro del espectro electromagnético se encuentra una pequeña región que 
solo el humano puede ver, parte de este se puede cuantificar de manera 
subjetiva, así que la medida de la radiación luminosa se puede analizar desde 
dos perspectivas: 
La radiometría describe la trasferencia de energía (o energía por unidad de 
tiempo, potencia) desde una fuente de un detector, admitiendo la validez del 
modelo geométrico de la trayectoria y la conservación de la energía a lo largo 
de un tubo de rayos. En consecuencia, los posibles efectos de interferencia y/o 
difracción no se consideran significativos. Cuando esta transferencia de 
energía del emisor al detector se normaliza a la respuesta espectral del ojo de 
un observador humano, se denomina fotometría (Holst, G., 1998). En otras 
palabras, La ciencia de la medición de energía en ondas electromagnéticas es 
la radiometría y su aplicación a la luz es la fotometría. Esta, sin embargo, se ha 
dado una plétora de unidades, surgiendo de la necesidad de definir la 
iluminación o visibilidad de una superficie en términos que dependen de las 
características espectrales del ojo humano. 
La Comisión Internacional de la Iluminación (CIE –Commission Internationale 
de l’Eclairage) ha normalizado la terminología mostrada en la tabla 5. Para las 
porciones del espectro que contienen y rodean la porción visible que trata con 
la mayoría de los campos de la radiometría y fotometría. El ámbito espectral de 
la radiación visible no tiene límites precisos ya que estos límites varían de 
persona a persona. 
 
Tabla 5.- Vocabulario CIE para la región espectral. 
 
La terminología usada en esta norma considera prácticas comunes en un gran 
número de campos que tratan con radiación óptica y está en acuerdo general 
con la terminología normalizada por CIE. CIE fue fundada en 1913 siguiendo 
las funciones de CIP (Commission Internationale de Photometrie) establecida 
31 
en 1903 y a crecido como cuerpo internacional de consenso de todos los 
países para desarrollar normas y procedimientos de mediciones en todos los 
campos de ingeniería de iluminación (Marín, L., 2006). 
 
2.5.1 Magnitudes radiométricas 
* Energía radiante, Q: 
Es la cantidad de energía que /incide sobre/ se propaga a través /es emitida 
desde /una superficie de área dada en un periodo de tiempo dado. En principio, 
se incluyen todas las longitudes de onda contenidas en la radiación. Si es 
preciso, debe indicarse explícitamente el rango de ∆λ considerado. Se mide en 
Julios (J=kg.m2/s). La energía radiante es interesante en las aplicaciones que 
usan pulsos de energía electromagnética en la que no sólo es necesario 
conocer el flujo instantáneo de radiación sino la cantidad total de energía 
aportada en un pulso de duración temporal especificada, como en las 
aplicaciones con láseres pulsados. 
 
 
Figura 27.- Representación de la energía radiante. 
 
* Flujo (potencia) radiante, Φ: 
Es el flujo de energía radiante por unidad de tiempo. 
Se mide en watts (W, 1 W = 1 J/s) 
 
 
 
 (22) 
 
No obstante, cuando la radiación incide en un dispositivo que produce una 
señal (voltaje u otra) proporcional a la radiación incidente, la magnitud 
importante es la “cantidad total de flujo” en vez del flujo por unidad de área, por 
32 
lo que, en estos casos, resulta necesario especificar la extensión especial del 
campo de radiación cuyo flujo se esta considerando. 
 
* Irradiancia,E: 
Es la densidad del flujo radiante por unidad de superficie que /incidente sobre 
/atraviesa /emerge /de un punto en la superficie especificada. Deben incluirse 
todas las direcciones comprendidas en el ángulo sólido hemisférico por encima 
o por debajo del punto en la superficie. Se mide en W/m2. 
 
 
 
 (23) 
 
Figura 28.- La Irradiancia se refiere al flujo radiante por unidad de área incidente en un 
punto de una superficie procedente de un ángulo sólido hemisférico. 
 
La Irradiancia es, por tanto, función de la posición específica del punto 
considerado sobre la superficie que, en general, debe indicarse. Cuando sea 
conocido o se pueda asumir que la Irradiancia es constante en la zona 
considerada de la superficie, puede omitirse la especificación del punto 
considerado. La Irradiancia es la magnitud más importante para caracterizar la 
incidencia o emisión de radiación por una superficie cuando no es necesario 
detallar la distribución angular o direccional de la radiación. 
* Exitancia, M: 
Se le denomina así a la Irradiancia saliente de una superficie y tiene las 
mismas unidades y expresiones para su definición, es decir, que se mide en 
W/m2. La Exitancia también se denomina anteriormente, Emitancia, aunque 
este término se aplica en la actualidad como equivalente a la Emisividad, 
propiedad de la superficie del elemento emisor. 
33 
 
* Intensidad radiante, I: 
Es la densidad de flujo radiante por unidad de ángulo sólido /incidente en 
/atravesando /emitido por /un punto en el espacio propagándose en una 
dirección especifica. Se mide en W/Sr. 
 
 
 
 (24) 
 
La intensidad radiante es una función de la dirección /desde el punto para el 
cual se define, siendo necesario indicar explícitamente el punto y dirección 
considerados. Para la mayoría de las fuentes luminosas reales es una función 
fuertemente dependiente de la dirección y es una magnitud muy útil para 
caracterizar fuentes puntuales o muy pequeñas comparadas con la distancia 
desde la fuente al observador o al detector. 
 
* Radiancia, L: 
Es la densidad de flujo radiante por unidad de área y de ángulo sólido 
/incidente en /atravesando /emitido por /un elemento de superficie centrado en 
un punto en el espacio propagándose en una dirección especifica. Se mide en 
W/(m2 . Sr) y esta definida por la ecuación (25): 
 
 
 
 
 
 
 (25) 
 
Donde ds = dso cos θ es una magnitud denominada “área proyectada” que es 
el área de proyección de la superficie elemental dso (de la superficie que 
contiene al punto) sobre un plano perpendicular a la dirección de propagación. 
34 
 
Figura 29.- Representación de la Radiancia. 
 
La radiancia se puede entender como la intensidad por unidad de área 
proyectada o como la Irradiancia por unidad de ángulo sólido desde al área 
proyectada. La radiancia es una función de la posición y dirección. Para la 
mayoría de las fuentes luminosas reales, esta función es fuertemente 
dependiente de la dirección, siendo la magnitud de uso más general para 
caracterizar la propagación de radiación por el espacio o través de medios y 
materiales transparentes o semitransparentes. El flujo radiante y la Irradiancia 
pueden obtenerse a partir de la radiancia mediante el proceso matemático de 
integración sobre una superficie de área finita y/o sobre un ángulo sólido finito. 
Al ser la radiancia una función tanto de la posición sobre una superficie definida 
como la dirección considerada desde ella, es muy importante expresar con 
claridad la superficie considerada, el punto sobre la misma y la dirección desde 
ella. 
A manera de resumen, en la tabla 6 se indican las principales magnitudes de la 
radiometría, así como también sus símbolo y unidades en las que se expresan. 
 
Tabla 6.- Principales magnitudes de la radiometría. 
35 
 
2.5.2 Magnitudes fotométricas 
El conjunto de magnitudes estándares de la fotometría se indica en la tabla 7, 
en la que se puede observar que se hace una comparación con respecto a las 
magnitudes de la radiometría. 
 
Tabla 7.- Equivalencias entre las magnitudes radiométricas y las magnitudes 
fotométricas. 
 
Flujo luminoso, Φv: 
Es la parte del flujo radiante que sensibiliza al ojo humano, es decir, la cantidad 
total de luz radiada o emitida por una fuente durante un segundo. Se 
representa por medio de la ecuación (26). Su unidad es el Lumen (lm), el cual 
se define como el flujo luminoso emitido por una fuente puntual de intensidad 
luminosa uniforme de una candela, dentro de un ángulo sólido de un 
estereorradián. Otra definición es: Un lumen (lm) es el flujo luminoso (o 
potencia radiante visible) emitido desde una abertura de 1/60 cm2 de una 
fuente patrón e incluido dentro de un ángulo sólido de 1 sr. 
 
 
 
 (26) 
De donde: 
 Q= Cantidad de luz emitida en lúmenes por segundo 
 t= Tiempo en segundos 
 
 
 
36 
* Intensidad luminosa, Iv: 
La intensidad luminosa (Iv) de una fuente puntual de luz en dirección 
determinada es el cociente entre el flujo luminoso que abandona la fuente y se 
propaga en un elemento de ángulo sólido que contiene la dirección en cuestión, 
y dicho elemento de ángulo sólido. Se representa mediante la ecuación (27): 
 
 
 
 (27) 
 
Figura 30.- Representación de la intensidad luminosa 
 
La luz viaja radialmente hacia afuera en líneas rectas desde una fuente que es 
pequeña en comparación con sus alrededores. Para una fuente de luz de ese 
tipo, el flujo luminoso incluido en un ángulo sólido Ω permanece igual a 
cualquier distancia de la fuente. Por lo tanto, con frecuencia es más útil hablar 
del flujo por unidad de ángulo sólido que hablar simplemente del flujo total. La 
cantidad física que expresa esta relación se llama intensidad luminosa. 
La unidad de intensidad es el lumen por estereorradián (lm/sr), llamada 
candela. La candela o bujía, como a veces se le llama, se originó cuando el 
patrón internacional quedó definido en términos de la cantidad de luz emitida 
por la llama de cierta bujía. Este patrón no resultó adecuado y se remplazó 
finalmente por el patrón de platino. 
 
 
 
 
 
37 
* Iluminancia 
Considere un punto (P) en una superficie y alrededor de ese punto un 
diferencial de área de la superficie en cuestión. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 31.- Punto sobre una superficie. 
 
La Iluminancia en un punto sobre una superficie es el flujo incidente por unidad 
de área de la superficie de dicho punto, tal como se muestra en la ecuación 
(28): 
 
 
 
 (28) 
 
Su unidad es el Lux (lx), de donde un Lux= 1 lumen/m2. Es importante aclarar 
que no se trata de radiación absorbida o reflejada por la superficie sino sólo del 
flujo luminoso que llega o incide en la misma. De aquí que la iluminancia sea 
independiente del tipo de superficie sobre la cual incide el flujo luminoso y por 
lo tanto independiente de sus propiedades reflectora, transmisoras o 
absorbentes. 
Para entender la relación entre intensidad e iluminación, consideremos una 
superficie A con una distancia R de una fuente puntual de intensidad I, como 
muestra la figura 32. El ángulo sólido Ω subtendido por la superficie es el que 
se expresó en la ecuación (19), donde el área A es perpendicular a la luz 
emitida. 
𝑑𝛷 
dA 
P 
38 
 
Figura 32.- Calculo de la iluminancia de una superficie perpendicular al flujo luminoso 
incidente. 
 
Si el flujo luminoso forma un ángulo θ con lanormal a la superficie, como se 
puede ver en la figura 33, en la cual se debe de considerar en área proyectada 
A Cos θ. Con esto se representa al área efectiva del flujo, por lo tanto, el 
ángulo sólido se puede determinar a partir de la ecuación (20). Sí de la 
ecuación (27) se despeja al flujo luminoso, se obtiene: 
 
 
 
 (29) 
 
Ahora ya es posible expresar la iluminancia como una función de la intensidad. 
Sustituyendo la ecuación (29) en la ecuación (28) se obtiene: 
 
 
 
 (30) 
 
39 
 
Figura 33.- Representación de la iluminancia cuando una superficie forma una ángulo θ. 
 
* Exitancia, Mv: 
Es la medida del flujo luminoso que abandona una superficie. Le Exitancia se 
define como el cociente entre el flujo luminoso que abandona un elemento de 
superficie y el área de ese elemento. Matemáticamente se expresa en la 
ecuación (31): 
 
 
 
 (31) 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 34.- Representación de la Exitancia. 
 
 
𝑑𝛷 
dA 
P 
40 
* Extensión geométrica del haz: 
Este concepto permite medir las dimensiones de un cono limitando los rayos 
que parten desde un punto o llegan al mismo. Dos diafragmas cualesquiera son 
suficientes para limitar un campo de radiación, así como se muestra en la figura 
35, un diafragma de entrada y otro de salida: 
 
Figura 35.- Cono limitado con un diafragma de entrada y otro de salida. 
 
Ambos diafragmas determinan una extensión geométrica. Se trata de una 
especie de conducto de forma cualquiera delimitado por todas las rectas que se 
apoyan sobre los contornos de ambos diafragmas. En el interior de esta 
superficie reglada se hallan todos los rayos que unen cualquier punto de la 
superficie de entrada con cualquier punto de la superficie de salida. El flujo de 
entrada es el mismo que el que aparece a la salida y será, por supuesto, el 
mismo en cualquier sección intermedia del conducto. Este haz contiene una 
doble multiplicidad de rayos, ya que se tiene una multiplicidad de salidas y una 
multiplicidad de llegadas. Es decir, que para un punto del diafragma de entrada 
se consideran todos los rayos que salen de este y llegan al diafragma de salida 
lo cual se repite para cada punto de diafragma de entrada. De aquí que se 
trabaje primero con diferenciales de segundo orden ya que la integración se 
realiza en dos pasos: el primero para todos los rayos que salen del diafragma 
de entrada (este puede ser la superficie de una fuente) y llegan a todos los 
puntos del diafragma de salida (este puede ser la superficie receptora); repetir 
esta operación tantas veces como puntos haya en el diafragma de entrada (o 
fuente). Para analizar este fenómeno, considere por ejemplo como fuente una 
lámpara incandescente y una superficie receptora como la de la figura 36: 
(Álvarez, D. y Mosquera, R., 2008) 
41 
 
Figura 36.- Representación de fuente emisora y la superficie receptora. 
 
Ya con la representación tanto de la fuente emisora, así como de la superficie 
receptora, a continuación se indicará como es que el ángulo sólido dΩs bajo el 
cual se ve dAr desde el punto de la fuente, queda representado en la ecuación 
(32): 
 
 
 
 (32) 
Recíprocamente, el ángulo sólido dΩr bajo el cual se be a dAs desde el punto 
receptor se representa con la ecuación (33): 
 
 
 
 (33) 
Ya con estas dos ecuaciones (32) y (33) se puede definir a la extensión 
geométrica a la relación: 
 
 
 
 (34) 
 
O también se puede representar mediante las ecuaciones (35) y (36) 
 (35) 
 (36) 
42 
Como conclusión a esta definición, se puede decir que esta cantidad es 
proporcional al área aparente del elemento de superficie considerado (dAs Cos 
θs si es la fuente o dAr Cos θr si es el receptor) y el ángulo sólido que 
determina el otro elemento de superficie opuesto. Las relaciones que definen la 
cantidad son simétricas con relación a la fuente y al receptor. La extensión 
geométrica es, por tanto, una magnitud puramente geométrica y su unidad es 
m2Sr. La extensión geométrica d2G sirve para medir las dimensiones de un haz 
de rayos. 
 
* Luminancia, Lv: 
La luminancia en una dirección, en un punto sobre la superficie de una fuente o 
de un receptor o en punto sobre la trayectoria de un haz, se define como el 
cociente entre el flujo luminoso que abandona, alcanza o atraviesa un elemento 
de superficie en ese punto y se propaga en las direcciones definidas por un 
cono elemental que contiene la dirección dada, y el producto del ángulo sólido 
del cono por el área de la proyección ortogonal del elemento de superficie 
sobre un plano perpendicular a la dirección dada. Su unidad es la cd/m2. 
De esta manera, se puede expresar la luminancia en función de la intensidad 
luminosa en la ecuación (37): 
 
 
 
 (37) 
 
Figura 37.- Representación de la luminancia. 
43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3 
NUEVAS TECNOLOGÍAS EN 
ILUMINACIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
44 
3.1 Iluminación de estado sólido: Diodo Emisor de Luz 
3.1.1 Introducción 
El primer reporte de un diodo emisor de estado sólido fue en 1907 por el 
científico británico H.J. Round, sin embargo no se encontró uso práctico a dicho 
descubrimiento durante varias décadas. En 1955 Rubin Braustein de la 
Corporación Radio de América reportó por primera vez emisiones infrarrojas 
provenientes de arseniuro de galio y otras aleaciones. En 1961 científicos de 
Texas Instruments reportaron emisiones infrarrojas al aplicarse corriente al 
arseniuro de galio. Un año más tarde, Nick Holonyak Jr. de General Electric 
Company desarrollo el primer diodo de espectro visible. Los primeros Diodos 
Emisores de Luz (del acrónimo en inglés: Diode Emmiting Light, LED) se 
convirtieron comerciales en 1970 y casi todos eran rojos. Eran comúnmente 
usados como reemplazos de indicadores incandescentes, en displays de siete 
segmentos, en equipos de laboratorios y posteriormente en radios, televisiones, 
teléfonos, calculadoras y hasta relojes. Los LEDs eran sólo usados como 
indicadores debido a que su luz emitida era muy escasa como para iluminar un 
área. En 1971 se reporta el primer LED azul, sin embargo la cantidad de luz 
emitida era muy pequeña además de requerir grandes cantidades de energía 
para su funcionamiento y tener un tiempo de vida muy corto. Con el paso de los 
años, una década más tarde la tecnología en LEDs cuya intensidad luminosa 
es de hasta 10 veces más luz que la generación anterior. En la década de los 
90´s investigadores japoneses consiguen desarrollar el primer LED azul con 
voltaje de polarización de 3.5 V., y con ello, de uso práctico. A partir del año 
2000 se han conseguido grandes avances en la tecnología de los diodos 
emisores de luz, que han permitido construir LEDs que soportan conducir 
mayores cantidades de corriente y disipar mayores cantidades de calor, con lo 
que la intensidad luminosa que emiten se incrementa sustancialmente. Estos 
avances han permitido al LED ser utilizados en aplicaciones tan innovadoras 
como excéntricas. Los LEDs ahora pueden ser utilizados en ropa, pisos 
luminosos, señales de tránsito y en la iluminación en general, por citar algunos 
ejemplos. (Bolaños, V.A., 2009). 
 
3.1.2 Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode: LED) 
Se puede