ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL
RENATO G. CASTANHEIRA CASTANHEI RA Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Instituto de Tecnologia Departamento de Arquitetura e Urbanismo - 2014-
SUMÁRIO CAPÍTULO 1 - LUMINOTÉCNICA........................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... .............. 1 1.1 Grandezas físicas .......................... ............. .......................... .......................... ......................... .......................... ........................... .................... ....... 1 1.1.1 Ângulo sólido ........................... .............. .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... ................ .. 1 1.1.2 Fluxo radiante.............................................................................................. 2 1.1.3 Fluxo luminoso ............................................................................................ 2 1.1.4 Intensidade luminosa .................................................................................. 3 1.1.4.1 Curva de distribuição luminosa .......................... ............. .......................... .......................... ...................... ......... 3 1.1.5 Eficácia luminosa ........................................................................................ 7 1.1.6 Iluminância .................................................................................................. 7 1.1.7 Luminância ................................................................................................ 10 CAPÍTULO 2 - O OLHO HUMANO E A VISÃO .......................... ............. .......................... .......................... .................. ..... 12 2.1 Estrutura .............................................................................................................. 12 2.2 Curva de sensibilidade ........................................................................................ 12 2.3 Acomodação ....................................................................................................... 13 2.4 Acuidade visual ................................................................................................... 14 2.5 Contraste .......................... ............ ........................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .................. ..... 15 2.6 Efeitos da idade ................................................................................................... 16 2.7 Campo visual ....................................................................................................... 16 CAPÍTULO 3 - A LUZ ................................................................................................ 18 3.1 Como funciona a luz .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .............. 18 3.2 A luz e as cores ................................................................................................... 18 3.3 Temperatura de cor ............................................................................................. 19 3.4 Índice de reprodução r eprodução de cor ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 21 CAPÍTULO 4 - A ILUMINAÇÃO.......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 23 4.1 Objetivo ............................................................................................................... 23 4.2 Fatores que influenciam as tarefas visuais........................... .............. .......................... .......................... .................. ..... 24 4.2.1 A vista e a visão ........................................................................................ 24 4.2.2 A tarefa visual a ser desenvolvida .......................... ............. ......................... .......................... ....................... ......... 25 4.2.3 O campo visual.......................................................................................... 25 4.2.4 A iluminância .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .............. 26 4.2.4.1 Níveis ideais de iluminância ............................................................... 26 4.2.5 Perturbações visuais .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 27 4.2.5.1 O processo visual ............................................................................... 27 4.2.5.2 Fadiga e relaxamento ........................... ............. ........................... .......................... .......................... .................... ....... 28 4.2.5.3 Ofuscamento ...................................................................................... 29
CAPÍTULO 5 - FONTES ARTIFICIAIS DE LUZ ................ .......................... ............. ........................... .............. 32 5.1 Lâmpadas incandescentes ........................... .............. .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 32 5.2 Lâmpadas fluorescentes ..................................................................................... 38 5.2.1 Indução ..................................................................................................... 41 5.2.2 O Starter .................................................................................................... 42 5.2.3 Fator de potência ...................................................................................... 42 5.2.4 Ligando uma lâmpada l âmpada fluorescente convencional................... .................. ............. ..... 43 5.2.5 Ligando uma lâmpada l âmpada fluorescente de partida rápida .......................... ............. .................. ..... 44 5.2.6 O reator ..................................................................................................... 45 5.2.7 Formas comerciais co merciais de distribuição di stribuição das lâmpadas fluorescentes............... fluorescentes........ ....... 47 5.3 Lâmpadas de vapor de mercúrio ........................... ............. ........................... .......................... .......................... .................... ....... 48 5.3.1 Ligando a lâmpada de vapor de mercúrio ........................... .............. ......................... ...................... .......... 49 5.4 Lâmpadas de luz mista .......................... ............. .......................... ........................... .......................... .......................... ....................... ......... 51 5.5 Lâmpadas de vapor mercúrio com iodetos metálicos....... ......................... ............. ...................... .......... 52 5.6 Lâmpadas de vapor de sódio .............................................................................. 53 5.6.1 Lâmpadas de vapor de sódio sob baixa pressão ............................... .................. .................... ....... 53 5.6.2 Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão......................... ............ .......................... .................. ..... 54 5.7 Vida útil e rendimento das lâmpadas................................................................... 55 5.8 Diodos emissores de luz ..................................................................................... 56 5.8.1 Semicondutores ........................................................................................ 56 5.8.1.1 Tipos de dopagem ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ............... 58 5.8.2 Leds (princípio teórico) ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ............... 60 5.8.3 Os LEDs e a iluminação ......................... ............ .......................... ........................... .......................... ........................ ............ 63 5.8.3.1 Vantagens do uso de LEDs na iluminação il uminação .......................... ............ .......................... ............... ... 64 5.8.3.2 Cuidados necessários com os LEDs ....................... .......... .......................... .......................... ............... 65 5.8.3.3 Equipamentos auxiliares ........................... .............. .......................... .......................... .......................... ................ ... 65 5.8.3.4 Soluções comerciais ........................... ............. ........................... .......................... ......................... ...................... .......... 66 CAPÍTULO 6 - LUMINÁRIAS .................................................................................... 70 CAPÍTULO 7 - DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO ........................... .............. ......................... .......................... ........................... .................. ..... 72 7.1 Método dos lumens ............................................................................................. 72 7.1.1 Roteiro básico ........................................................................................... 72 7.1.1.1 Iluminância recomendada: NBR 5413 – ABNT.......................... ............ ....................... ......... 72 7.1.1.2 Fluxo luminoso das lâmpadas lâmpadas ........................... .............. .......................... .......................... .................... ....... 73 7.1.1.3 Fator de utilização .............................................................................. 73 7.1.1.4 Fator de perdas luminosas ........................... ............. .......................... ......................... ......................... ............ 75 7.1.1.5 Estimativa da quantidade de luminárias necessárias necessárias ........................ ............ ............ 75 7.1.1.6 Estimativa da iluminância média .......................... ............. .......................... .......................... .................. ..... 76 7.1.1.7 Distribuição das luminárias luminári as ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ............... 76 7.2 Método do ponto a ponto.......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ..................... ....... 83
1
CAPÍTULO 1 LUMINOTÉCNICA 1.1 GRANDEZAS FÍSICAS 1.1.1 Ângulo sólido É a região do espaço limitado por um cone, conforme mostra a figura 1.1. Serve para definir direções no espaço através de elementos infinitesimais de ângulo sólido. A unidade é o esferorradiano, estéreo radiano, esterradiano, esteroradiano ( sr).
Figura 1.1 Ângulo sólido
Propriedade geométrica:
Figura 1.2 Relação geométrica
S1 2
r1
S2 r 2
2
constante
2
1.1.2 Fluxo radiante Uma fonte luminosa é na realidade, uma fonte de radiação eletromagnética, caracterizada por um fluxo radiante ( ), medido em watt (W). Este fluxo corresponde R
à energia total por unidade de tempo, irradiada em todos os comprimentos de onda. A sua distribuição espectral S() é medida através de um equipamento chamado espectroradiômetro.
Figura 1.3 Distribuição espectral para uma lâmpada incandescente
1.1.3 Fluxo luminoso O olho funciona como um filtro seletivo que aproveita somente uma parcela da energia recebida. Para efeito de iluminação, uma fonte de luz é caracterizada pelo seu fluxo luminoso ( ), definido pela distribuição espectral S() da fonte luminosa e a sensibilidade fotóptica V( ) de um observador padrão. 780
683. S().V().d 380
Figura 1.4 Fluxo luminoso
A unidade utilizada é o lúmen (lm), que é o fluxo luminoso emitido em um ângulo sólido de 1 esferorradiano em uma dada direção, por uma fonte pontual com uma intensidade luminosa uniforme de 1 candela (cd).
3
1.1.4 Intensidade luminosa A intensidade luminosa I, medida em candela, é a unidade básica de luz estabelecida pela 11 th CGPM ( General Conference on Weights and Measures ). Um candela é a intensidade luminosa em uma dada direção, emitida por uma fonte monocromática de 5.4 x 1014Hz ( 555nm ), cuja intensidade nesta direção é de
1
.
W
683 sr
. A direção é
definida através de um elemento infinitesimal de ângulo sólido. É importante ressaltar que a intensidade luminosa normalmente não é constante em todas as direções. I lim0
d d
Figura 1.5 Intensidade luminosa
1.1.4.1 Curva de distribuição luminosa (CDL) Se em um plano transversal à lâmpada, todos os vetores de intensidade luminosa que dela se originam tiverem suas extremidades ligadas, obtém-se a curva de distribuição luminosa (CDL). A CDL representa a intensidade luminosa em todos os ângulos em que ela é direcionada, considerando o plano transversal à lâmpada. As curvas, normalmente, se referem a 1000lm, sendo assim é necessário multiplicar o valor obtido na CDL pelo fluxo luminoso da lâmpada em questão e dividir o resultado por 1000 lm. As CDLs fornecem os valores de
Figura 1.6 Princípio para o traçado das CDL
I
.
4
Figura 1.7 CDLs para uma lâmpada fluorescente com luminária e sem luminária
Na figura 1.7, a CDL(A) representa uma lâmpada fluorescente sem qualquer l uminária. A CDL(B) representa a mesma lâmpada montada em uma luminária comum. A figura 1.8 mostra um conjunto fornecido pela Philips. É constituído pela luminária HDK/HDL 458 e a lâmpada de vapor de mercúrio HPL-N. Considerando que o fluxo luminoso vertical da lâmpada é 21800lm, qual será a intensidade luminosa na direção vertical ? Qual será o fluxo segundo um ângulo de 50º ?
Figura 1.8 Luminária HDK/HDL 458 (antiga)
5
Da CDL da luminária, tem-se aproximadamente: I Para 21800lm, tem-se:
I
21800 1000
292
21800 1000
cd
292
1000lm
6356cd
Da CDL da luminária, tem-se aproximadamente: I Para 21800lm, tem-se: I
0º
50º
150 3270cd (
150
cd 1000lm
51% - redução)
Atualmente são disponibilizados arquivos fotométricos digitais para as luminárias. Para nós, o maior problema é que alguns fabricantes nacionais importantes ainda não disponibilizam estes arquivos para os seus produtos. Os arquivos fotométricos eletrônicos são disponibilizados em diversos formatos. Os mais importantes são os que seguem os padrões definidos pela Illuminating Engineering Society (.ies) e o padrão europeu Eulumdat (.ldt). Existem outros formatos menos importantes, tais como: Dialux (.uld), Relux (.rolf) e Philum (.phl). Para a visualização e manipulação destes arquivos existem diversos aplicativos computacionais, entre eles, podemos citar o IES Viewer. O IES Viewer oferece uma série de ferramentas para analisar estes arquivos e ainda permite converter .ldt em .ies. A figura 1.10 mostra os resultados obtidos no IES Viewer para a luminária Itaim 4813 (4813 1xHIE 400W), mostrada na figura 1.9.
Figura 1.9 Itaim 4813
6
Figura 1.10 CDL fornecida pelo IES Viewer
A figura 1.11 mostra o aspecto interno do arquivo ies da luminária apresentada anteriormente.
Figura 1.11 Detalhes internos do arquivo ies
7
1.1.5 Eficácia luminosa Define-se eficácia luminosa de uma lâmpada ( ), a razão existente entre o fluxo luminoso total emitido ( ) e a potência elétrica consumida pela mesma. A eficácia luminosa é um indicador do processo de emissão de luz, sob o ponto de vista dos gastos energéticos.
Figura 1.12 Desempenho de alguns tipos de lâmpadas
1.1.6 Iluminância (Iluminamento) É a relação existente entre um fluxo luminoso e a área da superfície sobre a qual ele incide. A NBR-5413 passou a tratar o iluminamento por Iluminância. A unidade de iluminância ( E ) é o lux (lx), que é definido como a iluminância em uma superfície de área igual a 1m², recebendo de uma fonte puntiforme um fluxo luminoso igual 1lm, distribuído de maneira uniforme. O lux também pode ser definido com a razão existente entre a intensidade luminosa e o quadrado da distância.
Figura 1.13 Iluminância de 1 lux E
Países de língua inglesa
A
I 2
d
1lm cd 1 lx 2 2 m m
1footcandle
1lm 10.76lx ft 2
8
A iluminância calculada por
E
A
é um valor médio, porque o fluxo não se distribui
de maneira uniforme na área iluminada. Em alguns casos se considera a iluminância em um ponto. Esta consideração é válida quando a fonte pode ser considerada puntiforme, isto é, com dimensões pequenas em comparação com a distância à superfície iluminada.
Figura 1.14 Lei da iluminância
Veja na figura 1.14: A esfera
E1
2
4d1
Então:
(o raio da esfera é igual a d)
2
4d
;
E2 E1
Fazendo:
E2
2
d1
d1
2
d2
2
4d2
d 1 d2
1 ; d2
4d12 .E1 4d22 .E2
2
d ; E1
1 lx
e
E2
E
E
1 d2
A intensidade da iluminância é inversamente proporcional ao quadrado da distância da fonte ao ponto iluminado.
9 De acordo com a lei da iluminância ou do iluminamento, a iluminância em um ponto (A), afastado de uma distância (d) da fonte luminosa (figura 1.14), é dada por: E A
I
2
d
Figura 1.15 Fluxo perpendicular e oblíquo à superfície iluminada
Se a incidência da luz for oblíqua, a iluminância no ponto (B) será calculada por: cos
EB
I 2
d
h
d .cos
d
h cos EB
l 2
.cos
h
EB
l 2
3
.cos
h
2
cos
Tabela 1.1 Exemplos de iluminâncias
Tabela 1.2 Iluminâncias recomendadas pela NBR 5413 para pessoas com 40 a 55 anos
10
1.1.7 Luminância Consideremos uma superfície que está sendo iluminada. Um observador ao olhar para esta superfície terá a sensação de maior ou menor claridade, detectada pelo olho e analisada no cérebro, através dos processos de conhecimento sensitivo e intelectivo. A medida desta sensação de claridade da superfície iluminada denomina-se luminância1. A luminância pode ser definida como a densidade luminosa superficial. É
uma grandeza que depende da capacidade da superfície observada refletir a luz. Para a iluminância, o que importa é a luz incidente, que não é a luz visível pelo olho humano. Para a luminância, o que importa é a luz refletida, que é a luz visível pelo olho humano. Enquanto a iluminância é uma grandeza física, a luminância é uma grandeza subjetiva.
Figura 1.16 Iluminância
Figura 1.17 Luminância
A figura 1.18 mostra bem a diferença entre iluminância e luminância.
Figura 1.18 Diferença entre iluminância e luminância
Não confundir com iluminância.
1
11 A luminância, quando avaliada em superfícies iluminadas, tais como áreas internas ou pavimentação de vias públicas, é medida em nits (NT), ou seja: Nit Existem também o Stilb(sb)
cd
cm2
Pode ser estimada pela equação:
cd m2
e o footlambert 1footlambert(fl) 3.42
L
.E
- é a refletância ou coeficiente de reflexão da superfície.
E
- é a iluminância incidente sobre a superfície em lux (lx).
Tabela 1.3 Exemplos da reflexão da luz em função da cor da superfície.
cd . m2
12
CAPÍTULO 2 O OLHO HUMANO E A VISÃO 2.1 ESTRUTURA Representa uma estrutura complexa. É constituído de uma lente (cristalino) que possibilita o foco da radiação incidente, previamente colimada pela pupila, em uma região da retina (fóvea) na qual se concentram os receptores fotossensíveis (bastonetes e cones) das células nervosas como mostra a figura 2.2. Os bastonetes são totalmente insensíveis as cores, respondem a estímulos de baixa luminosidade e determinam a visão noturna (escotóptica). A discriminação das cores resulta da sensibilização dos três tipos de cones, os quais se diferenciam pelo tipo de fotopigmento e necessitam de níveis mínimos de luminosidade que caracterizam a visão diurna (fotóptica)
Figura 2.1 Estrutura do olho humano
2.2 CURVA DE SENSIBILIDADE Sob o ponto de vista técnico, o olho pode ser considerado um sensor de radiação seletivo que detecta apenas uma parcela restrita do espectro ( 380nm 780nm ) da energia radiante. A curva de resposta do olho é seletiva, para uma potência radiante constante, a luminância na retina varia com o co mprimento de onda
.
Em 1924, a CIE ( Commission Internationale de l’Eclaraige), com o objetivo de tornar a avaliação da radiação solar visível (luz) independentes das idiossincrasias do ser humano, criou um observador padrão, cujo olho encontra-se adaptado a luz do dia para caracterizar a visão fotóptica representada por uma curva de sensibilidade V( ). Em 1951 foi elaborada uma curva suplementar V ' ( ) para caracterizar a visão escotóptica de um observador padrão, cujo olho se encontra adaptado à pouca luz.
13 Os resultados mostraram que a máxima sensibilidade da visão fotóptica ocorre para 555nm
(amarelo esverdeado). A visão escotóptica é incrementada para radiações
com menores comprimentos de onda (azuis, verdes, violetas)
Figura 2.2 Curvas de sensibilidade
2.3 ACOMODAÇÃO É a capacidade que o olho tem de se ajustar às diferentes distâncias dos objetos para a geração de uma imagem nítida na retina. Esta capacidade pode ser afetada pela quantidade de luz no ambiente. A tabela 2.1 mostra uma correlação entre as distâncias e a luz disponível. Tabela 2.1 Distâncias equivalentes
Iluminância (lux)
Distância para igual visão (cm)
10 20
35 40
40
45
100
48
200
52
500 1000
59 63
14
2.4 ACUIDADE VISUAL A boa visão resulta da combinação de uma iluminação e de uma boa vista. Uma pessoa com a vista fraca, pode ser bastante ajudada por uma boa iluminação. Do mesmo modo, uma pessoa com uma vista boa consegue ver relativamente bem com uma iluminação deficiente, mas uma visão boa só é alcançada com a combinação de uma boa vista e um sistema de iluminação eficiente. A capacidade de distinguir detalhes sutis é, geralmente, conhecida como acuidade visual. Esta é uma propriedade inerente aos olhos de qualquer pessoa. Depende do sistema ótico do olho, da condição física da retina e também do cérebro para interpretar os sinais visuais enviados pelos olhos. A acuidade visual também está relacionada com a luminância dos objetos observados, obtendo, qualquer pessoa, uma melhor acuidade visual quando existe boa iluminação. Existem muitas maneiras de se medir a relação existente entre a acuidade visual e a iluminância de um objeto. Um bom exemplo é o quadro de Snellen, utilizado pelos oftalmologistas e mostrado na figura 2.3. Neste método, a acuidade visual é medida pelo tamanho das letras menores que são vistas à uma determinada distância. Os resultados obtidos mostram que quanto maior é a quantidade de luz que incide sobre o quadro, menores são as letras vistas pelas pessoas
Figura 2.3 Quadro de Snellen
15
2.5 CONTRASTE Uma boa visão também depende da capacidade dos olhos distinguir os contrastes, isto é, para distinguir as diferenças de brilho. A sensibilidade ao contraste é uma propriedade da visão, inerente aos olhos, da mesma forma que a acuidade visual. Mostra-se que a percepção ao contraste aumenta com a lu minância (brilho) do objeto observado. Com uma iluminação fraca, pode não ser possível distinguir-se um cartão cinza escuro de um outro cartão preto, colocados lado a lado. A figura 2.4 mostra a variação das diferenças de brilho, em função da luminância disponível, para que o olho humano possa perceber, de forma clara, os contrastes no objeto observado.
Figura 2.4 Relação entre as diferenças de brilho e o nível de luminância
Ponto 1
pouca iluminância
são necessárias grandes diferenças de brilho para
que o contraste possa ser percebido pelo observador. Ponto 2
aumenta a iluminância
ocorre uma menor necessidade de brilhos muito
diferentes, para que o contraste possa ser percebido pelo observador. Ponto 3
muita iluminância
são necessárias pequenas diferenças de brilho para
que o contraste possa ser percebido pelo observador.
16
2.6 EFEITOS DA IDADE Com o passar dos anos, ocorre uma redução na acuidade visual das pessoas, a velocidade de percepção diminui e aumenta o tempo de adaptação às condições ambientais. Ocorrem, também, a redução na habilidade de perceber os movimentos no campo visual periférico e a capacidade de suportar o ofuscamento. A figura 2.5 mostra o comportamento da acuidade visual com a idade.
Figura 2.5 Redução na acuidade visual com a idade
2.7 CAMPO VISUAL O campo de visão humana está compreendido basicamente a 130º no senti do vertical e a 180º no sentido horizontal. É o campo visual total obtido com o movimento dos olhos.
Figura 2.6 Campo visual total
17 A retina possui zonas concêntricas de sensibilidade que variam de acordo com o campo visual projetado pela lente, formando no interior do campo visual total, quatro zonas distintas, tratadas por:
centro de atenção
a tarefa visual
o entorno
reg ião a
reg ião b
reg ião c
o limite da zona de visão - visão periférica
reg ião d
Figura 2.7 As quatro zonas do campo visual
A visão, no campo visual central (região a), é cheia de cores e detalhada. Na volta (região b), temos os bastonetes sensíveis à forma, produzindo uma imagem de uma pequena parte do campo visual (tarefa visual), precisa em cores e luminosidade. Na região destinada ao entorno (região c), percebemos detalhes e cores sem movermos os olhos. A quarta região 2 (região d) é ampla, nela não vemos as cores, pois a visão resulta dos bastonetes e não dos cones (cores).
Visão periférica
2
18
CAPÍTULO 3 A LUZ 3.1 COMO FUNCIONA A LUZ Sob o ponto de vista quântico, a luz é composta de milhares de partículas pequenas que possuem energia e força, mas não possuem massa. Estas partículas são chamadas de fótons de luz. São as unidades básicas de luz. Quando um átomo ganha ou perde energia, a troca é expressa pelo movimento dos elétrons. Quando algum tipo de energia, como o calor por exemplo, passa energia para um átomo, um elétron é temporariamente empurrado para uma órbita mais alta e mais distante do núcleo. O elétron fica nesta posição durante uma pequena fração de tempo. Quase que imediatamente, ele é puxado de volta para o centro do núcleo, retornando à sua órbita original e liberando uma quantidade de energia na forma de um fóton.
Figura 3.1 Emissão do fóton
3.2 A LUZ E AS CORES É um erro pensarmos que os objetos tem cores próprias. A cor de um objeto é função da iluminação a qual o mesmo está submetido. Sob luz branca, uma maçã aparece vermelha (reflete o vermelho do espectro). Uma maçã sob luz monocromática verde aparece preta, pois não reflete (absorve) a radiação verde.
19 A luz é composta de três cores primárias. A combinação do vermelho, verde e do azul resulta o branco. A combinação de duas cores primárias resulta as cores secundárias, magenta, amarelo e ciano. As dosagens diferenciadas das três cores primárias permite obter outras cores de luz. As cores aparecem diferentes ao longo das horas do dia e também variam com as fontes artificiais de luz. As lâmpadas incandescentes reproduzem com maior fidelidade as cores vermelha e amarela (luz quente) do que o verde e o azul (luz fria).
Figura 3.2 As cores
3.3 TEMPERATURA DE COR Na tentativa de se qualificar o espectro visível emitido pelas lâmpadas (cor da luz), foi concebida a ideia da temperatura de cor para uma lâmpada (fonte luminosa). A temperatura de cor pode ser explicada através do ponto de vista apresentado a seguir.
Figura 3.3 Corpo negro emitindo a 2000K
A figura 3.3 mostra o espectro visível emitido por um corpo negro na temperatura de 2000K. Observe que ocorre a emissão é predominante nos comprimentos de onda (cores) pertinentes a faixa do amarelo ao vermelho. Estabelece-se, então, que as lâmpadas que emitirem um espectro visível na faixa do amarelo ao vermelho (luz de aspecto amarelo avermelhado), terão uma temperatura de cor na faixa dos 2000K. Esta situação ocorre tipicamente para as lâmpadas incandescentes e algumas fluorescentes (compactas de 2700K)
20
Figura 3.4 Corpo negro emitindo a 4000K
A figura 3.4 mostra o espectro visível emitido por um corpo negro na temperatura de 4000K. Observe que ocorre a emissão é predominante nos comprimentos de onda (cores) pertinentes a faixa do amarelo ao vermelho, mas possui uma significativa parcela de comprimentos de onda na faixa do violeta ao verde. Neste caso, as lâmpadas que emitirem um espectro visível com esta distribuição aproximada (luz de aspecto branco) terão uma temperatura de cor na faixa dos 4000K. Esta situação ocorre tipicamente para as lâmpadas fluorescentes (compactas de 4000K).
Figura 3.5 Corpo negro emitindo a 6000K
A figura 3.5 mostra o espectro visível emitido por um corpo negro na temperatura de 6000K. Observe que ocorre a emissão é predominante nos comprimentos de onda (cores) pertinentes a faixa do violeta ao azul. Neste caso, as lâmpadas que emitirem um espectro visível com esta distribuição aproximada (luz de aspecto branco azulado) terão uma temperatura de cor na faixa dos 6000K. Esta situação ocorre tipicamente para as lâmpadas fluorescentes (compactas de 6400K). Diz-se, então, que quanto mais branca é a luz, maior será a sua temperatura de cor. As lâmpadas que emitem luz amarelada são consideradas lâmpadas com menores temperatura de cor, enquanto as lâmpadas que emitem luz branca azulada são consideradas lâmpadas de maior temperatura de cor. É importante destacar que a cor da luz em nada interfere na eficiência energética da lâmpada, não sendo válida a impressão de que quanto mais clara, mais potente é a lâmpada.
21
Figura 3.6 Temperaturas de cor
Convém ressaltar que, do ponto de vista psicológico, quando dizemos que um sistema de iluminação apresenta luz quente 3 não significa que a luz apresenta uma maior temperatura de cor, mas sim que a luz apresenta uma tonalidade mais amarelada. Um exemplo deste tipo de iluminação é a utilizada em salas de estar, quartos ou locais onde se deseja tornar um ambiente mais aconchegante. Da mesma forma, quanto mais alta for a temperatura de cor, mais fria4 (mais azulada) será a luz. Um exemplo deste tipo de iluminação é a utilizada em escritórios, cozinhas ou locais em que se deseja estimular ou realizar alguma atividade. Esta característica é muito importante de ser observada na escolha de uma lâmpada, pois dependendo do tipo de ambiente há uma temperatura de cor mais adequada. É importante ressaltar que as luzes quentes têm baixas temperatura de cor, enquanto as luzes frias têm altas temperaturas de cor.
3.4 ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR (IRC) A CIE recomenda um método para a medição da capacidade de reproduzir cores das fontes luminosas, baseada nas amostras de Munsell . A avaliação consiste em estabelecer um índice geral de reprodução de cor, derivado do quadro de oito cores de teste apresentado na figura 3.7.
Luz que lembra fontes de calor (fogo, Sol)
3
Luz que lembra o frio (gelo)
4
22
Figura 3.7 Quadro de Munsell
O índice geral de reprodução de cor poderá ser complementado por um jogo de seis índices de reprodução de cor especiais. Uma dessas cores é a cor da pele humana, que deverá ser considerada nos casos que a cor da face humana deve ser reproduzida com qualidade (televisão, cinema, fotografia,...). O valor teórico máximo de referência do IRC é 100 (1 a 100), quando as cores são reproduzidas de maneira idêntica àquelas reproduzidas por uma fonte de referência (próxima da luz natural).
Figura 3.8 Índices de reprodução de cores
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CAPÍTULO 4 A ILUMINAÇÃO 4.1 OBJETIVO O objetivo de qualquer iluminação é proporcionar um ótimo desempenho de uma tarefa visual, seja ela qual for. Isso não significa, necessariamente, que esse ótimo desempenho da tarefa esteja diretamente ligado ao conceito de produtividade produtividade, ditado
pelo sistema de produção capitalista, que propiciou um grande desenvolvimento dos sistemas de iluminação, principalmente a partir da segunda segu nda guerra mundial. As figuras 4.1 e 4.2 mostram exemplos de sistemas de iluminação destinados a atividades produtivas
Figura 4.1 Atividade industrial
Figura 4.2 Atividade intelectual
24 O conceito de ótimo desempenho deve ser ampliado para as tarefas que não nada têm a ver com produtividade, por exemplo, lazer, cultos religiosos, atividades românticas e outras. A figura 4.3 mostra um sistema de iluminação projetado para uma atividade religiosa.
Figura 4.3 Atividade religiosa
4.2 FATORES QUE INFLUENCIAM AS TAREFAS VISUAIS Uma série de fatores devem ser respeitados na realização de qualquer tarefa visual. a vista e a visão;
a tarefa visual a ser desenvolvida;
o campo visual;
a iluminância;
perturbações visuais (ofuscamento).
4.2.1 A vista e a visão Conforme visto anteriormente, os fatores fat ores determinantes para boas condições de visão são: Acomodação do olho humano;
Acuidade visual;
Contraste;
A idade e seus efeitos;
Campo visual.
25
4.2.2 A tarefa visual a ser desenvolvida A precisão necessária necessária para a realização de uma uma tarefa visual depende de: tamanho do detalhe a ser distinguido;
contraste e cor do detalhe, em relação ao entorno imediato;
velocidade e cuidados requeridos requeridos pela tarefa tarefa a ser realizada; realizada;
tempo de duração sem iinterrupções. nterrupções.
O tratamento do campo visual total tem uma importância muito grande para a correta percepção correta da tarefa visual. O fundo pode causar distrações ou favorecer o processo de concentração na tarefa realizada. Contrastes excessivos e movimentos no fundo podem favorecer a distração. A utilização de uma iluminância alta ou uma correta aplicação das cores podem favorecer a concentração na tarefa. A figura 4.4 mostra que se deve aumentar a iluminância no campo visual relativo à realização da tarefa.
Figura 4.4 A tarefa deve ser iluminada com destaque
4.2.3 O campo visual Toda a imagem no campo visual é basicamente basicamente composta por três elementos básicos: linha, cor e luminosidade. A linha sempre tem te m uma u ma direção e nossos olhos têm uma tendência a segui-la. No nosso campo de visão, do qual nós só vemos claramente uma parte, nós estamos conscientes das principais linhas que dele fazem parte. Essas linhas podem convergir para a tarefa ou não ter nenhuma relação perceptível com ela. Podem facilitar ou dificultar esta percepção. As cores têm uma uma influência muito muito grande na visão. Os elementos elementos básicos do uso das cores no campo visual são a saturação e os contrastes entre elas. Ao usar as cores, temos que considerar cuidadosamente as relações mantidas entre elas, pois podem favorecer ou perturbar a visão dentro do campo visual. Devemos procurar sempre uma situação de equilíbrio.
26
4.2.4 A iluminância Durante uma grande parte do desenvolvimento industrial (1840 – 1940), a maioria dos trabalhadores realizava suas tarefas em condições desfavoráveis de iluminação, tanto em qualidade (contrastes, ofuscamento), quanto em quantidade (iluminância). Nesta época, por razões técnicas e econômicas, os sistemas de iluminação artificiais não eram utilizados de forma intensiva e a luz natural ocupava seu lugar com destaque. A maioria dos trabalhadores eram submetidos a todos os benefícios e problemas inerentes da iluminação natural. Durante a segunda guerra ocorreu um grande desenvolvimento da il uminação artificial com a sua intensa utilização, principalmente na industria bélica. Altos níveis de iluminância (2000lx) eram mantidos nestas fábricas ao longo das 24 horas do dia para aumentar a produção. Esperava-se que estes altos de níveis de iluminância fossem abandonados após o término da guerra, mas ocorreu justamente o contrário, eles se tornaram comuns e novas fontes artificiais de luz foram desenvolvidas (lâmpadas fluorescentes).
4.2.4.1 Níveis ideais de iluminância (quantidade de luz) O olho humano tem uma capacidade muito grande de se adaptar às condições de iluminação existentes. Por exemplo, veja como o olho se adapta para ver de dia e de noite. É sempre importante lembrar que ao realizar tarefas visuais em condições desfavoráveis de iluminação, os olhos podem causar sensações de cansaço e até mesmo dores e desconfortos severos. Vários estudos realizados para a determinação dos níveis ideais para as diversas tarefas visuais realizadas pelas pessoas mostraram que estes dependem dos seguintes fatores: tamanho e detalhes críticos da tarefa;
a distância que estes detalhes serão vistos;
a luminância da tarefa (a luz refletida que chega aos olhos);
os contrastes entre a tarefa e o entorno;
a velocidade de execução da tarefa;
a precisão exigida;
a idade de quem realiza a tarefa.
27 O nível de iluminância e a sua distribuição são importantes no processo de iluminação. Para a visão, o melhor nível de iluminância não é o mais alto, economicamente possível. É na realidade, aquele que possibilita a melhor visão, um entendimento fácil e rápido da mensagem visual transmitida, tudo isto com o menor cansaço possível. É uma norma, que, quanto maior a quantidade de luz, melhor as pessoas desenvolvem atividades mais precisas e também distinguem e apreciam melhor as cores. Entretanto, essa melhoria da visão com o aumento da iluminância é limitada, basicamente, por dois fatores principais: fator econômico: quanto maior for o nível de iluminância adotado, maior será o
consumo de energia, maior será o custo do projeto, sua instalação e manutenção; saturação: existe um valor para a iluminância, a partir do qual qualquer aumento não
traz melhora nenhuma na acuidade visual. Este limite pode estar próximo a 2000 lx, quando se atinge o ponto de saturação.
4.2.5 Perturbações visuais 4.2.5.1 O processo visual O processo visual envolve duas partes: o estímulo físico da luz sobre o olho;
a sensação que este estímulo provoca.
É importante ressaltar que um estímulo produz uma sensação subjetiva, que segue uma lei logarítmica (lei de Flechner ). Por exemplo, se em um ambiente substitui-se uma lâmpada de 60W por outra de 120W, a sensação de luminosidade não dobra. 120 ( S é o aumento da sensibilidade) 60
Pela lei de Flechner: S k.log Considerando:
k 1 S 0.3 (+30%)
O aumento na sensação de luminosidade é cerca de 30% e não 100%, conforme esperado . É importante ressaltar que, nos procedimentos de iluminar, o objetivo que é proporcionar boas condições visuais para as pessoas ocorre na área do subjetivo, enquanto as intervenções a serem realizadas ocorrem na área do objetivo.
28 A luz é uma forma de energia que estimula os órgãos receptores no olho, possibilitando ao cérebro registrar uma imagem visual, mas a partir daí o que nós vemos não depende apenas desta imagem focada na retina, mas da interpretação dada pela mente a ela. Nossa mente tem uma grande influência na percepção visual, ou seja, todo ser humano, com sua experiência, seus desejos, interesses e aversões dá uma interpretação subjetiva a esta imagem. Um ambiente pode parecer extremamente confortável para uma determinada pessoa e extremamente desconfortável para outra. O conceito de visão depende dos aspectos físicos e fisiológicos da ótica e da psicologia do ser humano. A visão é uma atividade muito dinâmica, ou seja, é interrompida e dirigida para muitas direções ao longo de um tempo relativamente curto. Nós olhamos o tempo todo, mas só vemos aquilo que nossa mente está procurando ou interessada em ver. Normalmente percebemos aquilo que tem um significado especial para nós, ou seja, algo que nos chama atenção. Quantas vezes frequentamos um determinado ambiente com frequência e não percebemos uma série de detalhes do mesmo. É preciso que aconteça algo que nos chame a atenção para percebê-los. Normalmente nos interessamos pelo que gostamos muito ou pelo incomum. Aquilo de que não gostamos, muitas vezes, não vemos (ou fingimos não ver). É importante lembrar que, quando a nossa preocupação é a acuidade visual, o elemento principal é a quantidade de luz (nível de iluminância). Quando nos preocupamos em caracterizar um espaço, dois fatores se mostram muito importantes, a luminância e as cores.
4.2.5.2 Fadiga e relaxamento Quando nossos olhos estão submetidos à uma iluminação com focos intensos dentro do campo visual ou quando não existe luz suficiente para a elaboração da tarefas necessárias, eles podem atingir uma situação de fadiga (cansaço), ocorrendo uma redução na sensibilidade visual, devido ao esforço exagerado para a adaptação a essas condições desfavoráveis. O sentido da visão consome grande quantidade de energia e, por isso, uma grande parte da nossa fadiga diária deve-se ao esforço realizado para ver. Quando abusamos das nossas faculdades visuais, pagamos de forma direta ou indireta através de perturbações físicas e fisiológicas.
29 Um fato interessante é o olho após algum tempo de concentração em uma tarefa visual, automaticamente começa a vagar pelo ambiente em momentâneas paradas, para que ocorra uma descontração e um relaxamento, possibilitando uma breve recuperação, para que a tarefa possa ser continuada. Devido a este fato, os ambientes com uma iluminação extremamente uniforme, pobres em termos de cores, causam depois de um certo tempo uma sensação de sonolência, cansaço, o que reduz a disposição para o trabalho (monotonia). Deve-se sempre que possível propiciar-se no ambiente, áreas com iluminâncias menores e cores diferentes, sempre tendo o cuidado para não exagerar para não causar ofuscamento e desatenção através de contrastes excessivos.
4.2.5.3 Ofuscamento O ofuscamento pode ocorrer diretamente pela visão direta da fonte de luz ou através das reflexões. Pode ser perturbador, causando deslumbramento ou inibição. É resultante de um excesso de contrastes de luminâncias. Dificulta o entendimento da mensagem visual, interferindo diretamente na comunicação visual, podendo ainda causar situações de fadiga em um tempo muito curto. Na figura 4.5, observa-se que o ofuscamento será menor, tanto quanto for maior o ângulo
.
Figura 4.5 Visão direta da fonte de luz
O ofuscamento varia em função dos seguintes parâmetros: luminância da fonte;
luminância do fundo;
tamanho aparente da fonte luminosa;
número de fontes presentes no campo visual;
posição relativa da fonte de luz em relação à direção de visão.
30 As seguintes medidas podem ser tomadas para minimizar os efeitos do ofuscamento: redução da luminância da fonte;
colocação de elementos de controle na fonte luz;
posicionamento da fonte de luz fora do ângulo de visão (acima de 45°);
evitar reflexões indesejáveis (superfícies mais opacas);
aumento na luminância do entorno à fonte (paredes claras próximas às janelas).
A figura 4.6 mostra a utilização de persianas nas janelas para o controle da direção e da intensidade da luz.
Figura 4.6 Utilização de persianas nas janelas
A figura 4.7 mostra uma luminária com dispositivo para minimizar o ofuscamento
Figura 4.7 luminárias com dispositivos para reduzir o ofuscamento
Dois aspectos caracterizam o ofuscamento. O fisiológico que pode causar a perda temporária da visão e o psicológico que causa desconforto visual.
31 O ofuscamento fisiológico impede a visão, sem necessariamente causar desconforto. Na iluminação natural, isto ocorre geralmente em um interior quando se tem a visão direta ou refletida de um céu muito claro (farto em iluminância). Tem-se a sensação de véu, que obscurece a visão dos objetos na proximidade da janela. Para minimizar este problema recorre-se ao bom senso, pois os métodos de cálculo não conduzem a uma solução. O ofuscamento psicológico, definido como aquele que causa incômodo, sem necessariamente impedir a visão. Pode conduzir a sensações de desatenção, fadiga e até dor (dor de cabeça). É resultante, nos locais iluminados de forma natural, pela visão do interior dos edifícios de grandes áreas do céu com iluminâncias altas. O efeito do ofuscamento pode ser classificado em dois tipos: o direto, quando o observador direciona a sua visão para a fonte de luz (arti ficial ou natural), enquanto o indireto se dá pela reflexão da imagem da fonte de luz em uma determinada superfície.
Figura 4.8 Ofuscamento direto
Figura 4.9 Ofuscamento indireto (reflexão)
32
CAPÍTULO 5 FONTES ARTIFICIAIS DE LUZ 5.1 LÂMPADAS INCANDESCENTES Desenvolvidas no final do século XIX, as lâmpadas incandescentes representam uma das maiores invenções da história da humanidade. As lâmpadas incandescentes têm uma estrutura muito simples, conforme mostra a figura 5.1. Na base, existem dois contatos de metal, que são conectados nas extremidades de um circuito elétrico. Os contatos de metal são ligados a dois fios rígidos, que são conectados ao filamento de metal fino.
Figura 5.1 Lâmpada incandescente básica
O filamento fica no meio da lâmpada, protegido por uma cápsula de vidro (bulbo). Os fios e o filamento estão dentro da lâmpada de vidro, que é cheia de um gás inerte (Argônio). Quando a lâmpada é ligada a um sistema de energia, uma corrente elétri ca fui de um contato para o outro, passando pelos fios e pelo filamento. A corrente elétrica em um condutor sólido é o movimento em massa de elétrons livres (elétrons que não estão fortemente presos a um átomo) de uma área de carga negativa para uma área carregada positivamente.
33 Como os elétrons movem-se rapidamente, eles estão constantemente batendo nos átomos que compõem o filamento. A energia de cada impacto faz um átomo vibrar, ou seja, a corrente aquece o átomo. Um condutor fino aquece mais facilmente do que um grosso, pois, é mais resistente ao movimento dos elétrons. Elétrons presos aos átomos vibrantes, podem ser impulsionados temporariamente para o nível mais alto de energia. Quando eles voltam ao seu nível normal, os elétrons liberam energia extra na forma de fótons. Geralmente, os átomos de metais liberam fótons de luz infravermelha, que é invisível ao olho humano. Porém, se os átomos forem aquecidos a aproximadamente 2.200ºC, como no caso da lâmpada elétrica, emitirão uma quantidade considerável de radiação visível (luz). O filamento da lâmpada é feito de um longo e fino fio de tungstênio. Em uma lâmpada comum de 60W, o tungstênio mede quase 2m de comprimento e somente um centésimo de uma polegada de largura. O tungstênio é colocado em uma bobina dupla, para que caiba em um espaço pequeno. O filamento é enrolado para fazer uma bobina que depois é recoberta por uma bobina maior. Na lâmpada de 60W, a bobina tem menos de uma polegada de largura.
Figura 5.2 O filamento
O metal deve ser aquecido a temperaturas extremamente altas para que emita uma quantidade útil de radiação visível (luz). As lâmpadas são fabricadas com filamentos de tungstênio devido à sua alta resistência a temperatura de fusão. É importante lembrar que o tungstênio pode entrar em combustão se for submetido a altas temperaturas e à uma condição favorável. A combustão é causada pela reação entre dois elementos químicos e começa quando um dos elementos chega ao ponto de ignição. Na Terra, a combustão é geralmente resultado de uma reação entre o oxigênio da atmosfera e algum material aquecido.
34 O filamento de uma lâmpada é colocado em uma câmara ausente de oxigênio para evitar a combustão. Nas primeiras lâmpadas elétricas, todo o ar era sugado para fora para criar um quase vácuo, uma área sem matéria. Como não havia nenhum gás, ou quase nenhum, não poderia haver combustão. O problema era a evaporação dos átomos de tungstênio. Em temperaturas tão altas, os átomos de tungstênio vibram o bastante para se liberarem dos outros átomos e ficarem livres pelo ar. Em uma lâmpada a vácuo, os átomos livres de tungstênio são atirados em linha reta e ficam no vidro da lâmpada e à medida que eles evaporam, o filamento começa a se desintegrar e o vidro vai ficando escuro, reduzindo consideravelmente a vida útil da lâmpada. Em uma lâmpada moderna, os gases inertes, geralmente argônio, reduzem muito a perda do tungstênio. Quando um átomo deste material evapora, as chances de colidir com um átomo de argônio são grandes, fazendo com que ele volte para o filamento, onde se juntará novamente à estrutura sólida. Como os gases inertes normalmente não reagem com outros elementos, não há chance de que esses elementos se combinem em uma reação de combustão. As lâmpadas incandescentes liberam a maior parte de sua energia sob a forma de fótons de luz infravermelha (calor), conforme mostra a figura 5.3. Apenas cerca de 10% da radiação emitida alcança o espectro visível, desperdiçando muita energia elétrica. Fontes de luz fria, como lâmpadas fluorescentes e LEDs, não gastam tanta energia gerando calor e liberam muito mais luz visível. Por esta razão, demoram mais para acabar do que a antiga e confiável lâmpada elétrica
Figura 5.3 Emissão das lâmpadas incandescentes
35 A seguir são mostrados os principais tipos de bases encontrados nas lâmpadas incandescentes disponíveis no comercio: Tipo rosca:
Figura 5.4 Base do tipo rosca
Tipo baioneta:
Figura 5.5 Base do tipo baioneta
Tipo pino:
Figura 5.6 Base do tipo pino
A figura 5.7 mostra os principais tipos de bulbos encontrados nas lâmpadas incandescentes disponíveis no comercio:
Figura 5.7 Tipos comerciais de bulbos
36 As lâmpadas incandescentes podem ser classificadas em:
Comuns ou de uso geral
São empregadas em residências, lojas e locais de trabalho que não exijam iluminâncias elevadas. Podem ser de bulbo transparente ou translúcido.
Figura 5.8 Bulbos transparente e translúcido
Com bulbo temperado
Funcionam ao tempo, dispensando a luminária.
Com bulbo de quartzo ou halógenas
Possuem um bulbo tubular de quartzo no qual são colocados aditivos de iodo ou bromo (halógenos), que, através de uma reação cíclica conduzem o tungstênio evaporado de volta ao filamento, evitando o escurecimento do bulbo e prolongando a vida da lâmpada. São lâmpadas de grande potência, de alta durabilidade, de melhor rendimento luminoso, com dimensões menores e melhor reprodução de cores e também bem mais caras. São utilizadas na iluminação de praças de esporte, áreas de armazenamento e iluminação externa em geral, teatros, estúdios de TV, museus, monumentos, etc.
Figura 5.9 Lâmpadas com bulbos de quartzo (halógenas)
37
Usos especiais
Coloridas para uso ornamental;
Figura 5.10 Lâmpada decorativas
Lâmpadas automotivas;
Figura 5.11 Lâmpadas automotivas
Lâmpadas para flashes fotográficos,
Figura 5.12 Lâmpada fotográfica (xenon)
Lâmpadas para projetores;
Figura 5.13 Lâmpada para projetores
38
Lâmpadas repelentes;
Figura 5.14 Lâmpada repelente para insetos
Infravermelhas para secagem de tintas, aquecimento e fisioterapia;
Figura 5.15 Lâmpada infravermelha
Refletoras (fontes de alto rendimento e facho dirigido);
Figura 5.16 Lâmpadas refletoras
5.2 LÂMPADAS FLUORESCENTES (BAIXA PRESSÃO) As lâmpadas de descarga são lâmpadas que funcionam segundo um princípio totalmente diferente ao da lâmpada incandescente. São lâmpadas que existem desde o início do século XIX, sendo utilizadas em muitas regiões da antiga Inglaterra como opção às luminárias a gás. Dentre as lâmpadas de descarga, a lâmpada fluorescente é a de maior destaque. Inventada nas primeiras décadas do século XX, a lâmpada fluorescente é a mais popular lâmpada de descarga do mundo, sendo utilizada em aplicações residenciais, comerciais, industriais, dentre tantas outras. Existem diversos tipos de lâmpadas fluorescentes, porém, todas obedecem ao mesmo princípio de funcionamento, ou seja, a excitação e desexcitação de átomos de uma mistura gasosa e das paredes fosforescentes do tubo ao qual damos o nome de tubo de descarga.
39 O elemento principal de uma lâmpada fluorescente é o tubo selado de vidro. Este tubo contém uma pequena porção de mercúrio e um gás inerte, tipicamente o argônio, mantidos sob pressão muito baixa (lâmpadas de baixa pressão). O tubo também contém um revestimento de pó de fósforo na parte interna do vidro e dois eletrodos, um em cada extremidade, conectados a um circuito elétrico. O circuito elétrico, que examinaremos mais tarde, é ligado a uma alimentação de corrente alternada.
Figura 5.17 Interior de uma lâmpada fluorescente
Quando você acende a lâmpada, a corrente flui pelo circuito elétrico até os eletrodos. Existe uma voltagem considerável através dos eletrodos, então os elétrons migram através do gás de uma extremidade para a outra. Esta energia transforma parte do mercúrio dentro do tubo de líquido em gás. Como os elétrons e os átomos carregados se movem dentro do tubo, alguns deles irão colidir com os átomos dos gases de mercúrio. Estas colisões excitam os átomos, jogando-os para níveis de energia mais altos. Quando os elétrons retornam para seus níveis de energia originais, eles liberam fótons de luz (ultravioleta).
Figura 5.18 Geração de fótons ultravioleta
40 Na figura 5.18:
1- As colisões com as partículas em movimento (elétrons e íons) excitam os átomos do vapor de mercúrio;
2- No átomo excitado de mercúrio, um elétron passa para um nível mais alto de energia;
3- Quando o elétron volta para o seu nível de energia original, o átomo libera uma quantidade de energia na forma de um fóton ultravioleta. O comprimento da onda de um fóton é determinado pelo arranjo específico do elétron no átomo. Os elétrons nos átomos de mercúrio estão dispostos de tal maneira que liberam fótons de luz na faixa de comprimento de onda da ultravioleta. Nossos olhos não registram os fótons ultravioleta, então este tipo de luz precisa ser convertida em luz visível para iluminar a lâmpada. É aqui que o revestimento de pó de fósforo do tubo entra em ação. Os fosforosos são substâncias que emitem luz quando expostas à luz (ultravioleta). Quando um fóton atinge com um átomo de fósforo, um dos elétrons do fósforo pula para um nível mais alto de energia e o átomo se aquece. Quando o elétron volta para o seu nível normal de energia, ele libera energia na forma de outro fóton. Este fóton tem menos energia do que o original porque parte desta energia foi perdida na forma de calor. Em uma lâmpada fluorescente, a luz emitida está no espectro visível, o fósforo emite luz branca que podemos enxergar. Os fabricantes podem variar a cor da luz usando combinações de fosforosos diferentes. As lâmpadas incandescentes convencionais também emitem uma boa quantidade de luz ultravioleta, mas elas não convertem nenhuma parte em luz visível. Consequentemente, muito da energia usada para iluminar em uma lâmpada incandescente é desperdiçada. Uma lâmpada fluorescente coloca esta luz invisível para funcionar e por isso ela é mais eficiente. As lâmpadas incandescentes perdem mais energia através da emissão de calor do que as lâmpadas fluorescentes. Geralmente, uma lâmpada fluorescente comum é de quatro até seis vezes mais eficiente do que uma lâmpada incandescente. As pessoas geralmente usam as lâmpadas incandescentes em casa porque elas emitem uma luz mais quente, mais vermelha e menos azul e também porque são mais baratas e de simples instalação e substituição.
41
5.2.1 Indução (princípio básico) Seja um pequeno transformador alimentado por uma fonte através uma chave. Na figura 5.19, a chave está fechada e a corrente flui através do enrolamento primário do transformador.
Figura 5.19 Circuito com a chave ligada
Quando a chave é subitamente aberta e o fluxo no primário (baixa tensão) é interrompido, gerando uma flutuação na corrente elétrica, então ocorre um pulso indutivo e uma quantidade de energia elétrica passa por indução para o enrolamento secundário (alta tensão), conforme mostra a figura 5.20.
Figura 5.20 Corrente induzida
Em função do número de espiras do primário e do secundário do transformador, pode ocorrer um aumento ou uma redução na tensão. Veja a relação: nP nS
VS -
VP VS
VS
(
nS nP
).VP
tensão no secundário;
VP - tensão no primário; nP - número de espiras do primário;
nS - número de espiras do secundário.
42
5.2.2 O Starter O starter funciona como um interruptor. É constituído por uma lâmpada de descarga pequena que contém néon ou algum outro gás e uma lâmina bimetálica. A lâmpada de descarga tem dois eletrodos posicionados um ao lado do outro, conforme mostra a figura 5.21.
Figura 5.21 Funcionamento do starter
Na figura 5.21:
1- A corrente ao passar, acende acende a lâmpada, gerando gerando calor. 2- O calor gerado deforma a lâmina bimetálica, fechando o contato. A lâmpada se apaga e começa a esfriar.
3- Após esfriar, esfriar, a lâmina bimetálica deforma-se deforma-se novamente novamente e retorna a forma forma original, interrompendo (bruscamente) (bruscamente) a passagem da corrente elétrica.
Figura 5.22 Starter na forma comercial
5.2.3 Fator de potência Revela a eficiência eficiência na qual uma uma instalação está utilizando a energia elétrica. É definido como a razão existente entre a potência consumida (kW) e potência fornecida pela concessionária de energia (kVA). Veja a fi gura 5.23.
Figura 5.23 Fator de potência
43 A potência reativa é consumida nos enrolamentos enrolamentos dos aparelhos elétricos e deve ser corrigida nas instalações elétricas, através da instalação de capacitores. Da figura 5.23, tem-se: FP cos
Pativa Paparente
Paparente
Pativa cos
Pativa FP
Quanto menor for o ângulo , maior será o
cos
,
ou seja, maior será o valor de FP,
de onde se pode concluir que menores serão as perdas com a potência reativa e mais eficiente será a utilização da energia elétrica. Considera-se um bom valor para o fator de potência
FP 0.92 .
5.2.4 Ligando uma lâmpada fluorescente convencional convencional (antiga) A forma clássica de uma lâmpada fluorescente, que praticamente está fora de uso hoje em dia, usava um starter especial para iluminar o tubo. Você pode ver como este sistema funciona no diagrama mostrado na figura 5.24.
Figura 5.24 Esquema de ligação de uma lâmpada fluorescente antiga
Quando a lâmpada liga, o caminho de menor resistência é através do circuito que contém o starter. Ao percorrer este caminho a corrente elétrica passa pelos filamentos (eletrodos) nas duas extremidades do tubo e os aquece, vaporizando o mercúrio, liberando elétrons da superfície metálica metálica e ionizando o gás. gás. Após a ionização do gás no tubo fluorescente e a criação de um meio eletricamente condutivo, o starter interrompe bruscamente a passagem da corrente elétrica, gerando, no reator, um pulso indutivo de alta tensão que estabelece um arco elétrico entre os eletrodos. Os elétrons livres colidem com os átomos, liberando outros elétrons que criam íons. O resultado é um plasma, um gás composto principalmente de íons e elétrons livres, todos se movendo livremente. Isto cria um caminho para uma corrente elétrica.
44 O impacto dos elétrons em movimento mantém os dois filamentos quentes que continuam a emitir emitir novos elétrons para dentro do plasma. Enquanto Enquanto houver corrente e os filamentos não estiverem desgastados, a corrente irá continuar a fluir através do tubo produzindo luz. O problema com este tipo de lâmpada é que leva alguns segundos para iluminar. Hoje em dia, a maioria das lâmpadas fluorescentes é projetada para acender quase instantaneamente.
Figura 5.25 O starter e o reator (eletromagnético)
5.2.5 Ligando uma lâmpada fluorescente de partida rápida Atualmente, o modelo mais popular de lâmpada fluorescente é a lâmpada de partida rápida. Este modelo funciona com os mesmos princípios básicos da lâmpada tradicional, mas não tem starter. Ao invés disso, o reator da lâmpada canaliza corrente constantemente através dos dois eletrodos. Este fl uxo de corrente é configurado para que exista uma diferença de carga entre os dois eletrodos, estabelecendo uma voltagem através do tubo.
Figura 5.26 Lâmpada de acendimento rápido
45
Figura 5.27 Suporte para as lâmpadas fluorescentes (com starter e partida rápida)
Nas lâmpadas fluorescentes de acendimento instantâneo, é aplicada uma voltagem inicial alta nos eletrodos. Esta voltagem alta cria uma descarga de coroa . Um excesso de elétrons na superfície do eletrodo força alguns elétrons para dentro do gás. Estes elétrons livres ionizam o gás e, quase instantaneamente, a diferença de voltagem entre os eletrodos estabelece um arco elétrico. Não importa como o mecanismo de ignição é configurado, o resultado final é o mesmo: um fluxo de corrente elétrica através de um gás ionizado. Este tipo de descarga elétrica através de um meio gasoso tem uma qualidade peculiar e problemática: se a corrente não for cuidadosamente controlada, ela irá aumentar continuamente e possivelmente explodirá o tubo.
5.2.6 O reator Os gases não conduzem eletricidade da mesma maneira que os sólidos. Uma diferença importante entre os sólidos e os gases é a resistência elétrica. Em um condutor metálico sólido como um fio, a resistência é praticamente constante em qualquer temperatura, controlada pelo tamanho do condutor e pela natureza do material. Em uma descarga de corrente elétrica através de um meio gasoso, como nas lâmpadas fluorescentes, a corrente causa a diminuição da resistência. Isto porque como mais elétrons e íons fluem através de uma área em particular, eles se chocam com mais átomos que liberam elétrons e criam mais partículas carregadas. Desta maneira, a corrente aumenta sozinha em uma descarga elétrica através do gás, contanto que exista voltagem adequada. Se a corrente de uma lâmpada fluorescente não for controlada, ela pode queimar. Uma das funções do reator é resolver este problema. O tipo mais simples de reator, geralmente conhecido como reator magnético, funciona mais ou menos como um indutor. Um indutor básico consiste de uma bobina de fios em um circuito que podem ser enrolados em um pedaço de metal. Quando você envia corrente elétrica por um fio, ele gera um campo magnético.
46 Posicionar o fio em espiras concêntricas (bobinas) amplifica este campo. Este tipo de campo afeta não somente os objetos ao redor da espira, mas também a própria espira. Aumentando a corrente do circuito, aumenta-se o campo magnético que aplica uma voltagem oposta ao fluxo de corrente do fio. Resumindo, um pedaço enrolado de fio em um circuito (um indutor) oferece resistência ao fluxo da corrente através dele. Os elementos transformadores de um reator magnético usam este pri ncípio para regular a corrente de uma lâmpada fluorescente. Um reator pode reduzir as mudanças na corrente, mas não pode pará-las. A corrente alternada que fornece energia a uma lâmpada fluorescente está constantemente se revertendo, então o reator tem que inibir o aumento da corrente em um sentido em particular por um curto período de tempo. Os reatores magnéticos modulam a corrente elétrica em uma taxa de ciclo relativamente baixa, que pode causar uma instabilidade perceptível. Os reatores magnéticos podem vibrar em uma frequência baixa. Esta é a fonte do zunido que as pessoas associam às lâmpadas fluorescentes.
Figura 5.28 Reatores magnéticos
Os projetos dos reatores modernos usam componentes eletrônicos avançados para regular mais precisamente o fluxo da corrente através do circuito elétrico. Como eles usam uma taxa de ciclo mais alta, você não nota a instabilidade ou o zunido do reator eletrônico, mas eles podem causar interferências significativas nos rádios. Lâmpadas diferentes necessitam de reatores especialmente projetados para manter a voltagem específica e os níveis de corrente necessários para projetos de tubos variados.
Figura 5.29 Reator eletrônico
47 Os reatores eletrônicos possuem as seguintes vantagens: menor consumo de energia elétrica;
menor dissipação de calor;
ausência de ruídos;
ausência (redução) do efeito estroboscópico e cintilação;
alto fator de potência;
partida instantânea.
5.2.7 Formas comerciais de distribuição das lâmpadas fluorescentes As lâmpadas fluorescentes de baixa pressão são distribuídas de vários formatos e configurações. As principais formas comerciais são:
Tubulares: forma cilíndrica com seção reta circular (tubo)
Figura 5.30 Tubular de 16 mm (5/8")
Figura 5.31 Tubular de 38 mm (12/8")
Circulares: forma de um toro com seção reta circular (tubo)
Figura 5.32 Circular (toroidal)
48
Compactas: apresentadas em varias formas.
Figura 5.33 Reator integrado
Figura 5.34 Reator externo
5.3 LÂMPADAS DE VAPOR DE MERCÚRIO (ALTA PRESSÃO) A lâmpada de mercúrio sob alta pressão, como o próprio nome diz, é uma lâmpada que tem como princípio de funcionamento a descarga entre dois eletrodos imersos numa atmosfera de argônio, com uma pequena quantidade de mercúrio. Esse tipo de lâmpada foi desenvolvido por volta de 1930 e teve seu sucesso associado a grande expansão da indústria automotiva norte americana. A lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão opera com uma pressão aproximada de 10atm para lâmpadas de potência mais elevadas (250W, 400W, 700W e 1000W) e pressões acima de 10atm para lâmpadas de menor potência (50W, 80W e 125W). Seu funcionamento difere do funcionamento da lâmpada fluorescente pelo fato de não necessitar de nenhum pico de ignição para a partida, isto se deve a presença de um eletrodo auxiliar no seu tubo de descarga, que ioniza o gás argônio nas suas vizinhanças, dando início a descarga. A lâmpada de vapor de mercúrio, é constituída de um bulbo protetor contendo gás nitrogênio sob baixa pressão, um tubo de descarga com três eletrodos, sendo dois eletrodos principais e um auxiliar, também conhecido como eletrodo de partida. Ligado ao eletrodo de partida existe um pequeno resistor, cuja finalidade é limitar a corrente elétrica no eletrodo auxiliar, de maneira que o mesmo só funcione durante a partida da lâmpada (ver figura 5.35) .
49 A maior dificuldade para a construção das primeiras lâmpadas a vapor de mercúrio sob alta pressão, foi a confecção do tubo de descarga, mais especificamente, a selagem do mesmo, isto porque, a temperatura do mercúrio sob a forma de plasma de alta pressão é extremamente elevada, sendo necessária a utilização de quartzo para a produção de seu tubo de descarga e como o quartzo tem um coeficiente de dilatação térmica muito baixo quando comparado ao coeficiente de dilatação térmica dos metais, os eletrodos de tungstênio encerrados dentro do tubo de descarga, terão uma dilatação maior que a dilatação do quartzo, podendo fazer com que o tubo de descarga rache nos pontos de selagem, ou seja, nas suas extremidades. A solução desse problema, foi obtida com a utilização de finíssimas placas condutoras, que são ligadas aos eletrodos e aos terminais do tubo de descarga. Essas placas são constituídas de nióbio e quando o tubo se aquece, as mesmas terão ainda uma dilatação um pouco maior que a do tubo, porém, por serem extremamente delgadas, elas não vão forçar o tubo, eliminando a possibilidade de rachaduras.
5.3.1 Ligando a lâmpada de vapor de mercúrio Tal como a lâmpada fluorescente, a lâmpada de vapor de mercúrio possui dentro do tubo de arco, mercúrio e argônio, que depois de vaporizados, causam uma grande pressão interna.
Figura 5.35 Componentes e esquema de ligação
Para ocorrer a vaporização do mercúrio, fecha-se o interruptor e uma tensão suficiente para a partida é aplicada entre o eletrodo auxiliar e o principal, formando um arco elétrico. Este arco ioniza o argônio e vaporiza o mercúrio simultaneamente, que possibilita o aparecimento do arco de um arco elétrico entre os eletrodos principais. Logo após o aparecimento do arco, a corrente elétrica passa direto de um eletrodo principal para o outro (menor resistência) e o impacto entre os elétrons do arco com o
50 mercúrio liberam a energia luminosa. Para que a lâmpada a vapor de mercúrio possa funcionar com segurança, a mesma deve operar com um reator, semelhante ao da lâmpada fluorescente, para que a corrente e a tensão sejam limitadas a valores aceitáveis para o seu funcionamento. Existem lâmpadas a vapor de mercúrio construídas com os mais variados tipos de bulbo e podem ter bulbos revestidos com camada fosforescente para converter a radiação ultravioleta em luz visível, melhorando o seu espectro, ou bulbos claros, onde o espectro emitido deve-se apenas a descarga no mercúrio. A lâmpada a vapor de mercúrio possui um espectro um pouco mais rico que o da lâmpada fluorescente. Este tipo de lâmpada era considerado na década de 80, um dos mais importantes em aplicações como a iluminação pública, porém, com o advento da lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão, sua utilização vem s e tornando cada vez menos comum, dada a sua baixa eficiência energética, eficiência essa de aproximadamente 50 lumens/watt. Após a ligação, a lâmpada leva cerca de três minutos para atingir a totalidade do fluxo luminoso nominal. Depôs de apagada a lâmpada acenderá somente após três minutos para resfriamento.
Figura 5.36 Lâmpada de vapor de mercúrio comum
As lâmpadas de luz negra são lâmpadas de mercúrio de baixa pressão num bulbo e cristal wood que absorve as radiações visíveis, deixando passar apenas os raios ultravioletas de onda longa. Necessitam de um starter e um reator. São usadas em diversas aplicações, tais como o exame de gemas e minerais, no setor de correio, levantamento de impressões digitais, marcas de sangue, efeitos especiais em vitrines e discotecas e na indústria alimentícia.
Figura 5.37 Lâmpada de luz negra
51
5.4 LÂMPADAS DE LUZ MISTA Um outro tipo de lâmpada a vapor de mercúrio muito importante é a chamada lâmpada de luz mista, mostrada na figura 5.38.
Figura 5.38 Lâmpada de luz mista
É uma lâmpada de vapor de mercúrio que possui no mesmo bulbo um tubo de descarga contendo mercúrio e ligado em série ao mesmo, um filamento de lâmpada incandescente, que melhora o espectro luminoso da lâmpada e ao mesmo tempo, desempenha o papel de reator, ou seja, a lâmpada de luz mista pode ser ligada diretamente a rede elétrica, tal como a lâmpada incandescente.
Figura 5.39 Aspecto comercial
Reúne em uma só lâmpada as vantagens das lâmpadas incandescentes, fluorescentes e vapor de mercúrio. A luz do filamento emite luz incandescente, o tubo de descarga emite uma intensa luz azulada e a radiação invisível ultravioleta em contato com a camada fluorescente do tubo, emite uma luz avermelhada. O resultado disso tudo é uma luz bastante semelhante a luz do dia. O fluxo luminoso é cerca de 20 a 30% maior do que o da lâmpada incandescente e a duração cerca de seis vezes maior.
52
5.5 LÂMPADAS DE VAPOR MERCÚRIO COM IODETOS METÁLICOS Após a popularização da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão, foi uma questão de tempo para que aperfeiçoamentos da tecnologia começassem a surgir, e um bom exemplo desse fato é a lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos, ou simplesmente, lâmpada de vapor metálico. A lâmpada de vapor metálico, é extremamente semelhante a lâmpada de vapor de mercúrio, exceto pela presença de iodetos metálicos, pelo seu desempenho muito maior e pela possibilidade de se variar a coloração da lâmpada pela seleção dos iodetos metálicos colocados no interior do tubo de descarga. Esse tipo de lâmpada também conta com um revestimento de alumina nas extremidades do tubo de descarga, cujo objetivo é refletir o calor produzido pela descarga para os eletrodos, impedindo a condensação dos iodetos no interior do tubo de descarga da lâmpada. A lâmpada de vapor metálico, opera em conjunto com um reator adequado, que produz picos de alta tensão de até 5.000V para a ignição, existindo porém versões que dispõem de eletrodo auxiliar, tal como ocorre com a l âmpada a vapor de mercúrio, tornando desnecessária a geração de pulsos de alta tensão, ou ainda, modelo provido de um ignitor interno tipo starter, tal como ocorre com as lâmpadas fluorescentes. As lâmpadas de vapor metálico estão disponíveis nos mais variados formatos, existindo ainda lâmpadas de altíssima potência que são desprovidas de bulbo, utilizando portanto um refletor fechado hermeticamente.
Figura 5.40 Lâmpadas de baixa potência
Figura 5.41 Lâmpadas de alta potência
53 Atualmente, a lâmpada de vapor metálico, devido à sua luz extremamente branca e brilhante que realça e valoriza espaços, ilumina com intensidade com longa duração e baixa carga térmica é a que apresenta o maior número de aplicações, a se destacar a iluminação de lojas de departamentos, estádios de futebol, monumentos, industrias, iluminação residencial, e até mesmo, iluminação automotiva, com as chamadas lâmpadas de xenônio, que são lâmpadas de vapor metálico com atmosfera de xenônio, capazes de ascender instantaneamente. A lâmpada de vapor metálico está disponível numa enorme gama de potências, indo de 10W até 18000W, e seu rendimento gira em torno de
100
lm W
, ou seja, o dobro da tradicional lâmpada de vapor
de mercúrio. Têm um índice de reprodução de cores na faixa de 90% e temperatura de cor de 4000 a 6000K. São apresentadas nas formas elipsoidais, tubulares e compactas.
5.6 LÂMPADAS DE VAPOR DE SÓDIO 5.6.1 Lâmpadas de vapor de sódio sob baixa pressão Foi desenvolvida por volta de 1930, objetivando o melhor rendimento possível além da maior segurança possível na iluminação das grandes vias expressas. Este tipo de lâmpada, tem como princípio de funcionamento a descarga num tubo de vidro especial em forma de U, contendo uma atmosfera composta de 99% de neônio e 1% de argônio, além do sódio.
Figura 5.42 Lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão (antiga)
Esta lâmpada possui algumas peculiaridades que a tornam semelhante a lâmpada fluorescente, no que diz respeito às características funcionais, como por exemplo, os catodos aquecidos e o circuito de ligação, constituído de um reator e um starter, similares aos da lâmpada fluorescente. A lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão, é a fonte de luz artificial de maior rendimento, chegando a apresentar rendimento superior a 180
lm W
, porém tem como ponto negativo o seu espectro
praticamente monocromático na região do amarelo.
54 Essa lâmpada foi extremamente popular na década de 50, começando a cair em desuso com o advento das modernas lâmpadas a vapor de sódio sob alta pressão.
5.6.2 Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão é, sem dúvida, a ultima palavra em matéria de eficiência, durabilidade e confiabilidade. É uma lâmpada que funciona segundo o mesmo princípio da lâmpada de vapor metálico sob alta pressão, diferindo pelo fato de que a lâmpada de sódio utiliza uma mistura de sódio com mercúrio, além de gases nobres que iniciam a ignição da l âmpada. A lâmpada de sódio sob alta pressão, foi idealizada por pesquisadores dos principais fabricantes de lâmpadas do mundo, a GE, que apresentou um dos primeiros protótipos desse tipo de lâmpada. O maior obstáculo para a elaboração desse audacioso projeto, foi a confecção de um tubo de descarga que suportasse a agressividade do sódio sob altas temperaturas e pressões, obstáculo este transposto com o desenvolvimento de um tipo especial de cerâmica translúcida, denominada alumina. A lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão difere da lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão pelo fato de seu espectro ser muito mais rico, sendo até mais rico que o espectro da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão. Isto ocorre devido o fato de que sob altas temperaturas e pressões, as linhas monocromáticas do espectro do sódio começam a se superpor, produzindo através de interferências construtivas e destrutivas outras linhas espectrais, que normalmente seriam imperceptíveis.
Figura 5.43 A Formas elipsoidal e tubular
O rendimento típico de uma lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão é um pouco menor que o da lâmpada a vapor de sódio sob baixa pressão, sendo no entanto o segundo maior rendimento dentre as fontes de luz artificial.
55
Possuem uma eficiência energética de até
130
lm W
, longa durabilidade e são muito
econômicas. Estão disponíveis, assim como as lâmpadas de vapor metálico numa enorme gama de formatos, indo da forma elipsoidal a for ma refletora parabólica, sendo extremamente úteis a diversas aplicações. Em versões tubulares e elipsoidais se diferenciam pela emissão de uma luz branca dourada, indicada para locais onde a reprodução de cores não um fator decisivo. São utilizadas na iluminação externa, em avenidas, auto-estradas, viadutos, complexos viários, etc. Atualmente estão sendo usadas em aeroportos, estaleiros, portos, ferrovias, pátios e estacionamentos.
Figura 5.44 Iluminação com vapor de sódio tubular
5.7 VIDA ÚTIL E RENDIMENTO DAS LÂMPADAS As lâmpadas podem funcionar durante um número de horas designado como vida útil. As variações na tensão, vibrações, frequência de liga-desliga, condições ambientais e outras afetam a duração das lâmpadas. A tabela 5.1 mostra uma previsão para a vidas das lâmpadas, conforme o tipo. Tabela 5.1 Vida útil das lâmpadas Tipo da lâmpada
Vida útil (horas)
Incandescente
1000 a 6000
Infravermelha
2000 a 5000
Mista
6000 a 8000
Fluorescente
7500 a 12000
Vapor de Sódio (baixa pressão)
12000 a 16000
Multivapores metálicos
10000 a 20000
Vapor de Mercúrio
12000 a 24000
Vapor de Sódio (alta pressão)
24000
56 A figura 5.45 mostra o comportamento das lâmpadas em função da tensão aplicada.
Figura 5.45 O comportamento das lâmpadas em função da tensão aplicada
A tabela 5.2 apresentada a seguir mostra o rendimento luminoso aproximado para os tipos de lâmpadas. Tabela 5.2 Valores para o rendimento luminoso Tipo da lâmpada
Rendimento luminoso (lm/W)
Incandescente
10 a 20
Mista
17 a 25
Vapor de mercúrio
44 a 63
Fluorescente
43 a 84
Vapor de Sódio (baixa pressão)
75 105
Multivapores metálicos
69 a 115
Vapor de Sódio (alta pressão)
68 a 140
5.8 DIODOS EMISSORES DE LUZ (LED) 5.8.1 Semicondutores Os semicondutores têm tido um impacto incrível em nossa sociedade. Eles são encontrados nos chips de microprocessadores e nos transistores. Tudo que é computadorizado ou que utiliza ondas de rádio depende de semicondutores. Atualmente, a maioria dos chips semicondutores e transistores é produzida com Sílicio. Você já deve ter ouvido expressões como Vale do Silício e Economia do Silício,
exatamente por que o Silício é o coração de qualquer aparelho eletrônico.
57
Figura 5.46 Componentes eletrônicos que utilizam o Silício
O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível e, por isso, um excelente início para entender como funcionam os semicondutores. O Silício é um elemento muito comum. É o principal elemento na areia e no quartzo. Se você procurar Silício na tabela periódica (figura 5.47) verá que ele está ao lado do Alumínio, abaixo do Carbono e sobre o Germânio.
Figura 5.47 Posição do Silício na tabela periódica
O Carbono, o Silício e o Germânio possuem uma propriedade única em sua estrutura de elétrons, cada um deles possui quatro elétrons em sua órbita mais externa. Isso permite que eles formem bons cristais. Os quatro elétrons formam ligações covalentes perfeitas com quatro átomos vizinhos, criando um reticulado.
Figura 5.48 Reticulado de Silício
58 No Carbono, a forma cristalina é o diamante. No silício, a forma cristalina é uma substância prateada de aspecto metálico, conforme mostra a figura
Figura 5.49 Silício
Os metais tendem a ser bons condutores de eletricidade, já que normalmente possuem elétrons livres, que conseguem se mover facilmente entre os átomos e a eletricidade envolve o fluxo de elétrons. Apesar de os cristais de Silício terem aparência metálica, não são, de fato, metálicos. Todos os elétrons externos em um cristal de Silício estão envolvidos em ligações covalentes perfeitas, de forma que não podem se mover entre os átomos. Um cristal de silício puro é praticamente um isolante, ou seja, muito pouca eletricidade passa por ele, mas é possível alterar o comportamento do Silício e transformá-lo em um condutor através de um procedimento chamado de dopagem. Na dopagem, uma pequena quantidade de impurezas é misturada a um cristal de silício.
5.8.1.1 Tipos de dopagem Conforme a impureza adicionada ao Silício, temos:
Tipo N - Na dopagem tipo N, o Fósforo ou o Arsênico é adicionado ao Silício em pequenas quantidades. O Fósforo e o Arsênico possuem cinco elétrons externos cada um, de forma que ficam fora de posição quando entram no reticulado de silício. O quinto elétron (elétron livre) não tem a que se ligar, ganhando liberdade de movimento. Apenas uma pequena quantidade de impurezas é necessária para criar elétrons livres. O suficiente para permitir que uma corrente elétrica flua pelo Silício. O Silício tipo N é um bom condutor. Os elétrons possuem uma carga negativa, daí o nome tipo N.
59
Tipo P - Na dopagem tipo P, o Boro ou o Gálio é o dopante. O Gálio e o Boro possuem apenas três elétrons externos cada um. Quando misturados no reticulado de silício, formam buracos ou lacunas (falta de elétrons) na treliça. A ausência de um elétron cria o efeito de uma carga positiva, daí o nome tipo P. Uma lacuna aceita muito bem um elétron vindo de um vizinho, promovendo o movimento de elétrons (corrente elétrica). O Silício tipo P também é um bom condutor. Uma quantidade minúscula de dopagem tipo N ou tipo P leva um cristal de Silício de bom isolante a um condutor razoável, mas não excelente, daí o nome semicondutor. Os Silícios tipo N e tipo P não impressionam sozinhos, mas quando você os coloca juntos, consegue um comportamento bastante interessante da junção dos dois. O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples possível. Um diodo permite que a corrente flua em uma direção, mas não na outra. Você já deve ter visto catracas em um estádio ou em uma estação de metrô, que deixam as pessoas passarem em apenas uma direção. Um diodo é uma catraca de sentido único para elétrons.
Figura 5.50 A zona vazia
Um diodo é composto por uma seção de material tipo-N ligado a uma seção de material tipo-P, com eletrodos em cada final. Essa combinação conduz eletricidade apenas em uma direção. Quando nenhuma voltagem é aplicada ao diodo, os elétrons do material tipo-N preenchem os buracos do material tipo-P ao longo da junção entre as camadas, formando uma zona vazia. Na chamada zona vazia, o material semicondutor volta ao seu estado isolado original (isolante), todos os buracos são preenchidos, de modo que não haja elétrons livres nos espaços vazios, e a corrente não pode fluir. Para se livrar da zona vazia, você precisa que elétrons se movam da área tipo-N para a área tipo-P e os buracos se movam na direção inversa. Para fazer isto, você conecta o lado tipo-N do diodo no pólo negativo do circuito e o lado tipo- P ao pólo positivo.
60 Os elétrons livres no material tipo-N são repelidos pelo eletrodo negativo e atraídos para o eletrodo positivo e os buracos no material tipo-P se movem na direção contrária. Quando a diferença de voltagem entre os eletrodos é alta o suficiente, os elétrons da zona vazia são retirados de seus buracos e começam a se mover livremente de novo. A zona vazia desaparece e a carga se move através do diodo.
Figura 5.51 Diodo deixando passar a corrente elétrica
Se você tentar mover a corrente na direção oposta, com o lado tipo-P conectado ao pólo negativo do circuito e o lado tipo-N conectado ao pólo positivo, a corrente não fluirá. Os elétrons negativos no material tipo-N são atraídos para o eletrodo positivo. Os buracos positivos no material tipo-P são atraídos para o eletrodo negativo. Nenhuma corrente flui através da junção porque os buracos e os elétrons estão cada um se movendo na direção errada. A zona vazia então aumenta.
Figura 5.52 Diodo bloqueando a passagem da corrente elétrica
5.8.2 Leds (princípio teórico) Como vimos na última seção, elétrons livres se movendo através de um diodo podem cair em buracos de uma camada tipo-P. Isto envolve uma queda da banda de condução para uma órbita mais baixa, liberando energia na forma de fótons. Isso acontece em qualquer diodo, mas você pode apenas ver os fótons quando o diodo é composto por um material específico. Por exemplo, os átomos em um diodo de Silício padrão são arrumados de forma que os elétrons saltem uma distância relativamente curta. Como resultado, a frequência do fóton é tão baixa que é invisível ao olho
61 humano, está na porção infravermelha do espectro de luz. Certamente, isto não é necessariamente algo ruim, pois os LEDs infravermelhos são ideais para controles remotos, entre outras coisas.
Figura 5.53 Emissão luz nos LEDs
Figura 5.54 A luz dos LEDs
Os LEDs são feitos com materiais que possuem uma grande distância entre a banda de condução e as órbitas mais baixas. A distância determina a frequência do fóton, em outras palavras, ela determina a cor da luz.
Figura 5.55 As cores disponíveis
Figura 5.56 Aspectos comerciais
62
Cor do LED
Semicondutor utilizado
Vermelho
Fosfoarsenieto de Gálio
Verde e amarelo
Fosforeto de Gálio
Infravermelho
Arsenieto de Gálio
Enquanto todos os diodos liberam luz, a maioria não o faz muito efetivamente. Em um diodo comum, o próprio material semicondutor termina absorvendo parte da energia da luz. Os LEDs são fabricados especialmente para liberar um grande número de fótons para fora. Além disso, eles são montados em bulbos de plásticos que concentram a luz em uma direção específica. Como você pode ver na figura 5.57, a maior parte da luz do diodo ricocheteia pelas laterais do bulbo, viajando na direção da ponta redonda (reflexão total)
Figura 5.57 LED aceso
Os LEDs têm muitas vantagens sobre lâmpadas incandescentes convencionais. Uma delas é que eles não têm um filamento que se queime e durarão muito mais tempo. Além disso, seus pequenos bulbos de plástico os tornam muito mais duráveis. Eles também cabem mais facilmente nos modernos circuitos elétricos. Mas a principal vantagem é a eficiência. Em uma lâmpada incandescente convencional, o processo de produção de luz envolve a geração de muito calor, desperdiçando energia, a menos que você use lâmpadas para aquecimento. Os LEDs geram pouco calor. Uma porcentagem muito mais alta de energia elétrica está indo diretamente para a geração de luz, o que reduz consideravelmente o consumo de energia.
63 Até recentemente, os LEDs eram muito caros para serem usados na maioria das aplicações de iluminação, porque eles são feitos com material semicondutor avançado. Entretanto, o preço de dispositivos semicondutores tem caído na última década, tornando os LEDs uma opção de iluminação viável para uma grande variedade de aplicações. Embora inicialmente eles possam ser mais caros que as luzes incandescentes, seu custo mais baixo ao longo do tempo de uso faz deles uma melhor aquisição. É importante lembrar que um grande passo dado no sentido da utilização dos LEDs nos sistemas de iluminação foi a descoberta do LED na cor branca.
5.8.3 Os LEDs e a iluminação Os LEDs podem ser de baixa potência (0.1W), média potência (0.2W à 0.5W) e de alta potência (acima de 0.5W). Em geral, os LEDs de baixa e média potência são utilizados para sinalização e efeitos decorativos. Os de alta potência já podem ser aplicados em iluminação geral.
Figura 5.58 LED de baixa potência
Figura 5.59 LED de média e alta potência
64
5.8.3.1 Vantagens do uso de LEDs na iluminação
baixo custo de manutenção : vida útil de 50.000h, evitando distúrbios, prejuízos e
aborrecimentos;
máximo efeito visual : possibilidade de colorir superfícies com luz, variando o aspecto
de fachadas e ambientes em geral. Por ser uma fonte de luz monocromática, sem geração de ultra-violeta e infra-vermelho, alcança uma saturação de cor e brilho maior que as opções atuais;
acendimento Imediato: possibilita a criação de efeito tipo flashing; acendimento instantâneo (mesmo com temperaturas de até 20ºC): criação de
ambientes diferenciados. A dimerização (intensidade controlada), além de economizar energia, ao contrário de outras fontes de luz, favorece o aumento da vida útil dos LEDs;
confiabilidade: resiste a grandes variações de temperatura e a vibração,
garantindo a continuidade de operação independentemente das condições do local de uso, criando novas possibilidades para aplicação de luz, como por exemplo, a orientação do trânsito em vias públicas;
novas possibilidades para o design: as soluções disponíveis favorecem o design
de luminárias, maximizando o rendimento dos sistemas de iluminação, graças ao tamanho reduzido e à sua geometria.
Figura 5.60 Iluminação artística utilizando LEDs
65
5.8.3.2 Cuidados necessários com os LEDs Para garantir confiabilidade e sucesso na aplicação da tecnologia LED em aplicações de iluminação, alguns pontos de atenção merecem destaque:
os LEDs apresentam variação de tensão entre si : desta maneira, caso a montagem
destes componentes seja realizada em série, a tensão final poderá ultrapassar 33V, não mais podendo ser considerado o produto final (ou solução) como de baixa tensão;
fluxo Luminoso: por apresentarem variação de fluxo luminoso entre si, a aplicação
de LEDs em soluções de iluminação sem cuidados adicionais, poderá acarretar em uma iluminação não uniforme, causando, inclusive, manchas na superfície iluminada; sensibilidade à temperatura: a temperatura influi diretamente na performance de
fluxo luminoso dos LEDs de alta potência, desta maneira, é essencial o desenvolvimento de uma solução de dissipação de calor extremamente eficiente.
Figura 5.61 Influência da temperatura no fluxo luminoso dos LEDs
cores: a tonalidade de cor entre um grupo aleatório de LEDs pode ter variações
consideráveis, prejudicando o resultado final da iluminação.
5.8.3.3 Equipamentos auxiliares Outro aspecto importante é a necessidade de um equipamento au xiliar para trabalhar com os LEDs, que serve de interface com a rede. Trata –se do Driver , que desempenha um papel duplo nos sistemas formados por LEDs:
reduz a tensão da rede para níveis mais baixos; converte a corrente alternada da rede de energia em corrente contínua.
66
5.8.3.4 Soluções comerciais
Lâmpadas de LEDs
São conjuntos de LEDs agrupados na forma de lâmpadas
Figura 5.62 Lâmpadas feitas com LEDs
Figura 5.63 Lâmpada de LEDs com 9W (equivalente a 70W)
LED String
O LED String é um sistema de iluminação desenvolvido para montagem direta em quaisquer superfícies (letreiros, pisos, frisos, etc.). É um sistema formado por LEDs conectados através de fio e controlados por drivers, que servem de interface do LED String com a rede elétrica.
As versões coloridas do LED String alcançam alto grau de saturação e as versões branco claro e suave possuem excelente índice de reprodução de cor. Cada módulo é composto de um LED selado, sistema óptico e dissipador de calor.
Figura 5.64 Aspecto comercial do LED String
67
Figura 5.65 Utilizando o LED String
LED Module
O LED Module é um sistema de iluminação versátil e autônomo.Você pode criar praticamente qualquer configuração, conectando facilmente um LED Module a outro. Além disso, com as interfaces de controle compatíveis com DALI e DM X. É possível mudar a intensidade da luz e criar uma iluminação que complementa a hora do dia e cria o clima desejado.
Figura 5.66 Aspecto comercial do LED Module
LED Comp onent :
São placas de circuito impresso que oferecem o máximo de flexibilidade para que você possa incorporar totalmente os LEDs aos seus novos projetos de produtos. Também estão disponíveis separadamente drivers Xitanium compatíveis, interfaces de controle e várias opções óticas.Os sistemas LED Module e LED Component são ideais para várias aplicações:
68
Figura 5.67 Aspecto comercial do LED Component
Figura 5.68 Iluminação com LED Module e LED Component
Figura 5.69 Iluminação com LED Module e LED Component
69
: LED Line
O conceito LED line2 é uma nova linha de projetores lineares baseados em LEDs utilizado na iluminação e melhoria da arquitetura contemporânea e histórica. O efeito controlado de banho suave do LED line2 cria planos de luz, transformando as superfícies com cor, para que com a chegada da noite a luz torne-se um elemento integrante da arquitetura. O facho preciso possibilita ao designer gerar blocos de luz e cor bem definidos para realçar a forma e a estrutura. Aos olhos dos cidadãos e visitantes, a riqueza e intensidade assombrosa da luz proporciona uma dimensão totalmente nova, inspiradora e gratificante da pai sagem urbana à noite.
Figura 5.70 LED line
Figura 5.71 Iluminação com LED Line
70
CAPÍTULO 6 LUMINÁRIAS As luminárias são constituídas pelos aparelhos com as lâmpadas. Nos aparelhos são colocadas as lâmpadas. Os aparelhos as protegem, orientam ou concentram o facho luminoso, difundem a luz, reduzem o brilho e o ofuscamento e ainda podem proporcionar um efeito decorativo. Na escolha da luminária ou aparelho de iluminação, além dos objetivos mencionados, deve-se atender a fatores de ordem econômica, durabilidade, facilidade de manutenção, além das características do ambiente a ser iluminado. Existem aparelhos para os mais diversos fins e gostos. Podem ser para iluminação direta, indireta, indireta e semi-indireta.
Figura 6.1 Luminárias para iluminação direta
Figura 6.2 Luminárias para iluminação direta
Figura 6.3 Luminárias para iluminação indireta
71 Tabela 6.1 Esquemas para as luminárias mais comuns
72
CAPÍTULO 7 DIMENSIONAMENTO 7.1 MÉTODO DOS LUMENS Apesar de existirem métodos para o dimensionamento de sistemas de iluminação que fornecem resultados mais precisos, o método dos lumens é muito utilizado nos projetos de iluminação artificial mais comuns. É simples e fornece rapidamente uma boa estimativa para a quantidade e disposição dos aparelhos de iluminação em um determinado ambiente. Para auxiliar nos cálculos de iluminação através do método dos lumens utilizando o computador está disponível o aplicativo computacional CalcLum.
7.1.1 Roteiro básico A seguir é apresentada uma sequência para o dimensionamento.
7.1.1.1 Iluminância recomendada (E) : NBR 5413 – ABNT Estima-se a quantidade de luz necessária, conforme a atividade a desenvolvida, através da tabela 7.1. Os valores a serem considerados no projeto podem ser mínimos, médios ou máximos, conforme critério do projetista. Tabela 7.1 Valores recomendados para iluminância
Tipo de atividade
E(min)
E(méd)
E(max)
100lx
150lx
200lx
200lx
300lx
500lx
300lx
500lx
750lx
750lx
1000lx
1500lx
Trabalho não contínuo ou de transição como circulação, sanitário, depósito, saguão, sala de espera, etc.. Trabalho simplificado com requisitos visuais limitados como sala de controle, sala de aula, arquivo, industria, etc. Tarefa realizada continuamente com requisitos visuais normais como escritórios, bancos, bibliotecas, lojas, etc. Situações onde se exige visualização de detalhes como em exposição em vitrine ou display, desenho, etc.
73
7.1.1.2 Fluxo luminoso das lâmpadas ( ) A tabela 7.2 fornece uma estimativa inicial, mas o ideal é consultar o catálogo do fabricante da lâmpada a ser utilizada. Tabela 7.2 Fluxo luminoso das lâmpadas mais comuns Tipo de lâmpada
Potência (W)
Fluxo luminoso (lm)
Incandescente
60
730
Incandescente
100
1380
Fluorescente compacta simples
9
600
Fluorescente compacta dupla
18
1200
Fluorescente compacta dupla
26
1800
Fluorescente tubular comum
20
1060
Fluorescente tubular comum
40
2700
Fluorescente tubular fósforo
16
1200
Fluorescente tubular fósforo
32
2700
Fluorescente tubular fósforo
110
9350
7.1.1.3 Fator de utilização (U): O fator de utilização (U) considera as condições de montagem no local. O catálogo da luminária deve estar disponível (pode ser obtido na i nternet). a) Calcula-se a altura de montagem das luminárias ( h ):
Figura 7.1 Esquema de montagem
Na figura 7.1: h pd hs ht , onde: pd – pé direito. hs – altura da suspensão. ht – altura do plano de trabalho. h – altura de montagem.
74
b) Calcula-se o índice do local: K
c l h (c l)
, onde:
c – comprimento do recinto. l – largura do recinto. h – altura de montagem. c) Estima-se as refletâncias das superfícies do ambiente, em função da cor das paredes, do teto e do piso: Cor da superfície
Refletância
Muito clara
70% - 75% (para o teto)
Clara
50% (teto, paredes)
Média
30% (teto, paredes)
Escura
10% (teto, paredes e piso)
Preta
0% (teto, paredes e piso)
d) Com base nas informações obtidas anteriormente, através no catálogo da luminária (fornecido pelo fabricante), obtém-se o fator de utilização U. A seguir é apresentada a tabela 7.3, obtida no catálogo da luminária 2790 da Itaim, mostrada na figura 7.2.
Figura 7.2 Luminária 2790 da Itaim Tabela 7.3 Valores encontrados no catálogo do fabricante
75 Exemplo prático - Considerar um recinto com 8 x 5 x 3m, utilizando luminárias 2790 (Itaim), embutidas no teto e o plano de trabalho a 0,80 m do piso. O teto e paredes na cor branca e o piso escuro. Têm-se: h
K
3 0 0.80
85 2.2 (8 5)
2.20m (hs
0)
1.4 1.5
Refletâncias: Teto (70%), Paredes (50%) e Piso (10%) Da tabela da luminária (tabela 7.3)
U
0.58
7.1.1.4 Fator de perdas luminosas (FPL) As perdas luminosas consideram o acúmulo de poeiras na luminárias, nas lâmpadas e nas superfícies do recinto e também a depreciação da lâmpada (envelhecimento). São estimadas através da tabela 7.4. Tabela 7.4 Estimativa para as perdas luminosas Estado
FPL
Limpo
0.80
Médio
0.70
Sujo
0.60
7.1.1.5 Estimativa da quantidade de luminárias necessárias (N) N
Ecl n
U FPL
E - iluminância requerida
c - comprimento do recinto
l – largura do recinto
n – nº de lâmpadas por luminária
- fluxo luminoso por lâmpada
U – fator de utilização
FPL – fator de perdas luminosas
76
7.1.1.6 Estimativa da iluminância média EMédia
N n U FPL c l
7.1.1.7 Sugestão para a distribuição das luminárias (matriz: m x n) Os pontos de iluminação devem preferencialmente ser distribuídos uniformemente no recinto, levando-se em conta o layout do mobiliário, o direcionamento da luz para a mesa de trabalho e o próprio tamanho da luminária. Recomenda-se que as distâncias
a e b entre as luminárias sejam o dobro da distância entre estas e as paredes laterais, conforme mostra o exemplo da figura 7.3.
Figura 7.3 Esquema inicial para a distribuição da luminárias
Na figura 7.3, têm-se uma matriz 4 x 3 ( m 4 e n 3 ) a 2 b 2
a a a bb
b 2
a 2
comprimento
largura
b 2
a a (m 1).a comprimento 2 2
(n 1).b
b 2
largura
Generalizando: a
Comprimento m
e b
Largura n
Esta distribuição é apenas uma sugestão e não uma imposição técnica.
77 Para facilitar os cálculos, está disponível o aplicativo CalcLum . Três casos devem ser considerados na utilização do aplicativo:
no caso da utilização de reatores eletromagnéticos, considerar o fluxo luminoso igual
a 1 (100%) e a potência instalada igual a soma das potências das lâmpadas ligadas ao reator, acrescida de 15%.
para o caso do sistema de iluminação não utilizar reatores (lâmpadas
incandescentes), considerar, hipoteticamente, o fluxo luminoso do reator (fictício) igual a 1 (100%) e potência instalada igual a soma das potências das lâmpadas utilizadas.
no caso de não se dispor do fator de fluxo luminoso do reator (lâmpadas
fluorescentes compactas), considerar o fluxo luminoso do reator igual a 1 (100%) e potência instalada igual a soma das potências das lâmpadas utilizadas. Exemplo prático - Escritório com 8m de comprimento, 5m de largura e 2,80m de pé direito. O plano de trabalho está situada a 0,8m do piso. As paredes e o teto são brancos. Escolhas iniciais: Lâmpada:
Do catálogo da Osram, escolhe-se a lâmpada: F032W/840 LDE, cujas características técnicas são apresentadas abaixo.
78 Luminária:
Do catálogo da Itaim, escolhe-se a luminária 2790 (código:2790.232.100), cujas dimensões são: 70 x 244 x 1243mm, para duas l âmpadas fluorescentes tubulares de 32W, conforme mostra a tabela 7.3, reapresentada a seguir.
Reator:
Do catálogo da Phillips, foi escolhido o reator eletrônico EL232A16, para duas lâmpadas fluorescentes tubulares de 32W (127V), conforme mostra a fi gura abaixo.
1) Iluminância prevista: 500lx (norma NBR 5413) 2) Fluxo luminoso: 2.1) do catálogo do fabricante da lâmpada => Lâmpada 2700lm 2.2) do catálogo do fabricante do reator => Real 2700 1.00 2700lm 3) Altura de montagem: h pd hs ht 2.80 0 0.80 2.00m
79
4) Índice do local: k
c l h (c l)
85 2 (8 5)
1.54 1.5
5) Refletâncias: Teto (70%), paredes (50%) e piso (10%) 6) Fator de utilização: da tabela da luminária =>
U 0.58 (catálogo)
7) Fator de perdas luminosas: ambiente limpo => 8) Número de lâmpadas por aparelho: 9) Número de luminárias estimado:
n
N
2
FPL
0.8
(2 x 32W)
Ecl n U FPL
500 8 5 2 2700 0.58 0.8
8
10) Distribuição das luminárias: distribuídas segundo uma matriz de 4 x 2 ou 2 x 4. Têm-se, a
b
8
2
5
4
m
4
2
(comprimento) e
a
2 1.25
2
4 (largura),
então:
2m
b
n
0.63m
11) Esquema de distribuição:
Figura 7.4 Sugestão para a distribuição dos aparelhos
Este esquema de distribuição não é definitivo. Pode ser alterado de acordo com a
distribuição dos locais a serem iluminados com maior rigor.
80 12) Iluminância média: EMédia
N n U FPL c l
8 2 2700 0.58 0.8 85
500lx (ok!)
13) Potência instalada: Do catálogo do reator, tem-se: 67W por aparelho com duas lâmpadas, então: P(W )
8 67 540W (importante para o dimensionamento da instalação elétrica)
A figura 7.5 mostra a tela do aplicativo CalcLum para o exemplo anterior.
Figura 7.5 Tela do aplicativo CalcLum
Atualmente estão disponíveis de forma gratuita, aplicativos computacionais para estudos de iluminação, tanto artificial, quanto natural. Um dos mais conhecidos e utilizado pela sua qualidade e facilidade de obtenção é o programa alemão DIALux 5 . O uso do DIALux exige atenção do projetista, pois o aplicativo foi desenvolvido para as condições da Europa, desta forma é necessário ter cuidado para não especificar e utilizar nos projetos equipamentos que não comercializados no Brasil.
5
www.dial.de/DIAL/en/dialux-international-download.html )
81 Utilizando o DIALux para resolver o exemplo prático, apresentado anteriormente e considerando o arquivo ies ( 2790 2xT26 32W_2790232100_rev0.ies), para a luminária Itaim utilizada, obtemos alguns resultados interessantes, apresentados a seguir.
Figura 7.6 Resultados apresentados em false colors
Figura 7.7 Resultados apresentados em uma matriz (malha 1m x 1m) - plano de trabalho
82
Figura 7.8 Resultados apresentados em curvas isolux - plano de trabalho
Figura 7.9 Resultados apresentados em regiões isolux - plano de trabalho
83 Está disponível uma versão do DIALux desenvolvida para elaborar os cálculos luminotécnicos de forma mais rápida e prática. O DIALux light é distribuído e instalado juntamente com DIALux. A figura 7.10 mostra a tela obtida no DIALux light para o exemplo prático elaborado.
Figura 7.10 Resultados apresentados no DIALux light
O material para a utilização do Dialux está disponível no material de apoio.
7.2 MÉTODO DO PONTO A PONTO Quando as dimensões da fonte luminosa são muito pequenas em relação ao plano que deve ser iluminado, pode-se admitir a fonte como puntiforme (pontual) e utilizar a lei do iluminamento, base para o método conhecido como ponto a ponto (PaP).
Figura 7.11 Lei do iluminamento para planos horizontal e vertical
84
Pela lei do iluminamento, tem-se no plano perpendicular ao raio luminoso: E Na figura 7.11:
I( ) d2
h
d
cos
No plano horizontal: EH No plano vertical: EV
I() I() cos cos3 2 2 d h
I() 2
d
sen
I( ) h
2
sen.cos2
Para facilitar os cálculos foi desenvolvido um aplicativo computacional, denominado PaP2, que utilizando conceitos básicos de cálculo vetorial, permite calcular a iluminância nos planos XY (Face Z – piso), YZ (Face X) e XZ (Face Y). O aplicativo permite também estabelecer um ponto alvo para o foco luminoso, através de um ponto de referência. O principal ponto desfavorável deste aplicativo é o fato do usuário ter que consultar as curvas CDL da luminária utilizada ou quando se dispõe dos arquivos fotométricos da luminária (ies ou ldt), utilizar um aplicativo computacional do tipo IES Viewer para obter o valor de I() para cada ângulo
calculado (precisão apenas
razoável). Exemplo prático - Com base na figura 7.12 abaixo, estimar a iluminância no plano de trabalho, considerando as seguintes situações: a) a mesa está embaixo da luminária; b) a mesa está na posição mostrada na figura.
Figura 7.12 A luminária e o plano de trabalho
85
Figura 7.13 Curvas CDL para a luminária utilizada
Figura 7.14 Lâmpadas utilizadas (duas)
Caso a: a mesa está embaixo da luminária Da CDL:
0 =>
I(0) 220
cd 1000lm
Das lâmpadas utilizadas: 2 3350 6700lm Tem-se então: I(0) EH
1474 4
220 6700 1474cd 1000
3
cos 0 368lx
Caso b: a mesa está na posição mostrada na figura 7.12. Das CDL:
30 =>
I(30) 340
cd 1000lm
Das lâmpadas utilizadas: 2 3350 6700lm Tem-se então: I(30) EH
2278 4
340 1000
cos3 30 370lx
6700
2278cd
86 Exemplo prático - Na figura 7.15, o lado das quadrículas é igual a 1m. É adotado um conjunto, composto pela luminária HPK080, utilizando uma lâmpada HPI-P400W-BU (vapor metálico). Considerar que a luminária está montada em um poste a 6m de altura, estimar a iluminância na base do poste e nos pontos A, B e C no piso, considerando os seguintes casos: a) O foco está dirigido para a base do poste. b) O foco está dirigido para o ponto M.
Figura 7.15 Figura para o exemplo prático
Utilizando o seletor de equipamentos fornecido pela Philips (PCat)6 , obtém-se:
Figura 7.16 Tela obtida no PCat
Disponível no material de apoio
6
87 Do aplicativo IESviewer, tem-se a CDL da luminária:
Figura 7.17 CDL para a luminária (sistema polar)
Uma solução mais precisa e prática é utilizar o aplicativo IES Viewer299n7 , desde que esteja disponível o arquivo fotométrico da luminária (ies ou ldt). Vamos utilizar o aplicativo PaP2 e o IESviewer (sistema polar). Veja que o fluxo luminoso da lâmpada utilizada é 32500 lm.
Coordenadas cartesianas dos pontos importantes: Origem: interseções dos eixos (0,0,0). Fonte luminosa (ponto L): (6,4,6) Base do poste: (6,4,0)
Ponto C: (6,10,0)
Ponto A: (8,5,0)
Ponto M: (2,3,0)
Ponto B: (1,7,0)
Caso a: EBP
Caso b:
E(0º ) 209 lx
EBP
E(34 º ) 210 lx
E A
E( 20) 153 lx
E A
E(55) 113 lx
EB
E( 44) 82 lx
EB
E(30) 77 lx
EC
E( 45)
76 lx
Disponível no material de apoio
7
EC E(61) 24 lx
88 A tela mostrada na figura 7.18 mostra o estudo elaborado para o ponto C do caso a.
Figura 7.18 Tela do aplicativo para o ponto C do caso a
A figura 7.19 mostra a tela do aplicativo IES viewer para a luminária utilizada.
Figura 7.19 Tela do aplicativo IESviewer para a luminária utilizada
É importante ressaltar que os resultados obtidos são aproximações apenas razoáveis e que resultados mais precisos podem ser obtidos no DIALux.
89 A figura 7.20 mostra uma representação realística no DIALux para o caso a.
Figura 7.20 Representação para o caso a
A tabela 7.5 mostra a matriz com os resultados obtidos no Dialux para o caso a. Tabela 7.5 Valores obtidos no Dialux
90 A figura 7.21 mostra uma representação realística no DIALux para o caso b.
Figura 7.21 Representação para o caso b
A tabela 7.6 mostra a matriz com os resultados obtidos no Dialux para o caso b. Tabela 7.6 Valores obtidos no Dialux
Repare as diferenças encontradas entre a solução com o PaP2 e o Dialux.
91 Apenas por curiosidade foram elaborados, a partir do arquivo .ies da luminária, uma tabela e um gráfico cartesiano. O objetivo é aumentar a precisão, pois o gráfico cartesiano é de mais fácil leitura. Tabela 7.7 Valores obtidos para a luminária
Figura 7.22 CDL para a luminária (sistema cartesiano)
Vamos repetir o exercício.
