a luz é um item primordial para a vida dos seres humanos

8/18/2019 A Luz é Um Item Primordial Para a Vida Dos Seres Humanos

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A luz é um item primordial para a vida dos seres humanos.Os hábitos adquiridos pelo homem estão ligados àiluminação, seja ela proporcionada pelo sol ou pelailuminação articial. O !ogo é considerado como a primeira

!onte de luz articial, criado pelo homem ainda na "ra #ré$%ist&rica. Até este momento, o per'odo de trabalho eralimitado à luz solar. (esde então, o homem buscadesenvolver novas !ontes de iluminação, visando amelhoria da eci)ncia e qualidade. "ntretanto, na época do*mpério +omano, a evolução destas !ontes ainda era restritaao processo de queima, seja ela com combust'veisl-mpada a &leo ou paranas velas (alla /osta, 0112b34o5ers, 6781. (ando seq9)ncia a esta evolução, em

68:2, Amié Argand desenvolveu um sistema mais ecientee com maior luminosidade que os anteriores, conhecidocomo lampião /osta, 011;.

#orém, no in'cio do século homas "dison nos "stados ?nidos e por@5an na*nglaterra, emite luz através do aquecimento de umlamento de carbono. 4aseada neste princ'pio surge al-mpada incandescente, utilizando lamento de tungst)nio,permitindo uma pot)ncia luminosa superior à de >homas"dison %arris, 677. (es!rutando destas novasdescobertas, o homem pode estender seu per'odo produtivoe aumentar seu tempo de lazer ap&s o pBr$do$sol, o qualcolaborou com o desenvolvimento da economia, da culturae do conhecimento cient'co da sociedade /osta, 011;.@eja para proporcionar con!orto, auCiliar na decoração ouestimular a atividade !'sica, a iluminação articial estápresente em todos os locais, tanto em ambientes internoscomo resid)ncias, salas comerciais e indDstrias3 quantoeCternos, como parques, estacionamentos e rodovias.

"sta depend)ncia do homem pela luz tornou os sistemas deiluminação de emerg)ncia elementos importantes, podendo

ser considerados itens de segurança e atualmente, a


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iluminação articial passou a energia ocupar uma parcelaconsiderável da elétrica gerada atualmente.AproCimadamente 6: E do consumo total de energiaelétrica do pa's é destinado ao uso da iluminação /osta,

011;. "ste !ator, juntamente com o aumento do consumoem outros segmentos, tornou o desenvolvimento desistemas de iluminação ecientes cada vez maisimportante. As primeiras l-mpadas comercializadas !oramas incandescentes. O princ'pio de!uncionamento destas l-mpadas é baseado no aquecimentode um lamento de tungst)nioatravés da passagem de corrente elétrica. "nquanto houvercorrente elétrica circulando pelos

terminais da l-mpada, este lamento se mantém aquecidotornando$se incandescente. (evido ao !ato de emitirluz através do aquecimento semelhante ao processorealizado pelo sol, al-mpada incandescente apresenta algumas vantagenscomo alto 'ndice de reprodução de cores,ou seja, reproduz de !orma el as cores dos objetosiluminados, assim como acontece nailuminação natural. >ambém apresenta baiCa temperaturade cor possui uma luz comtonalidade amarelada que para algumas aplicaçFes podeser mais atrativa por proporcionarum maior con!orto ambiental em dormit&rios, sala deestar, etc.. "stas l-mpadas !oram utilizadas durante muitos anosprincipalmente em iluminação de interiores. Goentanto, este é um método pouco ecaz, "ntre eles estãoas l-mpadasHuorescentes, que apresentam rendimento superior àsl-mpadas incandescentes e por issotornaram$se populares na iluminação residencial.A l-mpada Huorescente possui um princ'pio de!uncionamento di!erente das l-mpadasincandescentes. "la é classicada entres as l-mpadas dedescarga. Gas l-mpadas de descarga, a luz é produzidapela passagem da corrente elétrica em um gás ou mistura

de gases contidos


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em um tubo. *sto acontece quando uma tensão elevada éaplicada em seus eletrodos, vencendoa rigidez dielétrica do meio gasoso, este processo éconhecido como ignição da l-mpada.

"ssas l-mpadas são classicadas em !unção da pressãointerna do bulbo, sendo asHuorescentes classicadas como l-mpadas de descarga embaiCa pressão./omparadas às incandescentes, as Huorescentesapresentam vida Dtil e ecácialuminosa superiores. Gão produzem calor eCcessivo porisso são chamadas também del-mpadas !rias e sua temperatura de cor geralmente é

elevada apresentam luz branca, o queestimula a atividade !'sica, sendo uma vantagem paraaplicaçFes em ambientes comoescrit&rios, cozinhas, ocinas, etc. #orém, estas l-mpadasapresentam gases em suacomposição que são prejudiciais ao meio ambiente quandodescartadas de !orma inadequada.

>ambém necessitam de um circuito eCterno paraacionamento, o reator, que contribui com oaumento do custo do sistema.As l-mpadas Huorescentes tubulares possuem grandecomprime a necessidade de um reator eCterno paraseu acionamento eCige uma atenção especial na instalação.*sto provoca algumas cr'ticas porarquitetos que pre!erem utilizar sistemas de iluminaçãocada vez mais discretos. 4uscando solucionar esteproblema !oram criadas as l-mpadas Huorescentescompactas IJ/.#or apresentarem um tamanho reduzido, reator integrado esoquete igual ao utilizadonas l-mpadas incandescentes, as Huorescentes compactas!acilitaram a substituição dasl-mpadas tradicionais incandescentes por sistemas deiluminação mais ecientes. "m 0116,ap&s a crise energética que abalou o pa's, o governo !ederalestimulou o uso das IJ/ e estasconquistaram uma parcela considerável do mercado,

principalmente na iluminação


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residencial. Go entanto, o que seria uma alternativa parareduzir o consumo de energia elétricado pa's tem ocasionado outro problema. A imensa procurapor IJ/ !ez com que produtos de

baiCa qualidade invadissem o mercado. Assim, desde o nalde 011:, o governo decidiuscalizar os produtos, determinando que estes sejamaprovados pelo *nstituto Gacional deKetrologia, Gormatização e Lualidade *ndustrial *nmetro epelo @elo Gacional de/onservação de "nergia "G/" antes de seremcomercializados "llert, 0118."m ambientes pequenos que necessitem de um consumo

de energia reduzido,aconselha$se o uso das l-mpadas Huorescentes,principalmente em aplicaçFes residenciais oudemais ambientes internos, substituindo as l-mpadasincandescentes. Go entanto, emambientes eCternos como parques, rodovias,estacionamentos e iluminação pDblica, o maisindicado é o uso de l-mpadas de vapor de s&dio em altapressão High-Pressure Sodium,%#@.A l-mpada %#@ é a mais eciente dentre as l-mpadas dedescarga em alta pressão, esua vida Dtil é superior à das l-mpadas incandescentes eHuorescentes. #ossuem alta ecácialuminosa 6;1 lmMN e seu tempo médio de uso podeatingir até 0.111 horas em algunsmodelos. #ara seu acionamento, também é necessário umreator espec'co. @ua principaldesvantagem está no baiCo 'ndice de reprodução de cores,ou seja, as cores dos objetosiluminados passam a ter um aspecto distorcido, di!erentesdo real. #orém, para aplicaçFesonde a reprodução el das cores não é tão importantequanto o baiCo consumo de energia e aquantidade de luz emitida, o uso deste tipo de l-mpada éaceitável. Além disso, sua elevadavida Dtil reduz consideravelmente o custo de manutençãoem um sistema de iluminação

pDblica de uma cidade #into, 011:.


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Go in'cio dos anos 1, surgiram os (iodos "missores de IuzLight Emitting Diode,I"(. O I"( é um dispositivo semicondutor que tem comoprinc'pio de !uncionamento

material s&lido @á Punior, 011:a. #ossuem a caracter'sticade emitir luz em uma !aiCaespec'ca do espectro vis'vel, principalmente nas cores azulverde, vermelho e branco e suascombinaçFes. >ambém são encontrados I"(s operando na!aiCa de ultravioleta ein!ravermelho.#rimeiramente, eram utilizados em iluminação indicativaindicando quando os

equipamentos elétricos e eletrBnicos estavam ligados, maso desenvolvimento de I"(s maispotentes e com maior luminosidade tornou poss'vel suautilização em outras aplicaçFes comosemá!oros, iluminação de emerg)ncia, lanternas eiluminação de ambientes 4ullough, 011.Atualmente, estes dispositivos apresentam maior ecácialuminosa agregada à longa vida Dtilcomparados às l-mpadas Huorescentes /ervi, 011;a.Além disso, o 'ndice de reprodução decores e a temperatura de cor são satis!at&rios para o usoem iluminação de interiores. @uadiscrição é outra vantagem na arquitetura por seremdispositivos de tamanho reduzido.Os I"(s, no entanto, não podem ser ligados diretamente àrede elétrica, pois operamcom n'veis de tensão di!erentes dos sinais !ornecidos pelarede. Assim, é necessáriodesenvolver um circuito para prover o !uncionamentoadequado destes dispositivos. O projetodeste conversor deve resultar ainda em um produto queseja compacto, eciente e de baiCocusto, para que as vantagens o!erecidas pelos I"(s nãosejam limitadas pelo uso de um, verde vermelho e branco e suascombinaçFes. >ambém são encontrados I"(s operando na!aiCa de ultravioleta ein!ravermelho.


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#rimeiramente, eram utilizados em iluminação indicativaindicando quando osequipamentos elétricos e eletrBnicos estavam ligados, maso desenvolvimento de I"(s mais

potentes e com maior luminosidade tornou poss'vel suautilização em outras aplicaçFes comosemá!oros, iluminação de emerg)ncia, lanternas eiluminação de ambientes 4ullough, 011.Atualmente, estes dispositivos apresentam maior ecácialuminosa agregada à longa vida Dtilcomparados às l-mpadas Huorescentes /ervi, 011;a.Além disso, o 'ndice de reprodução decores e a temperatura de cor são satis!at&rios para o uso

em iluminação de interiores. @uadiscrição é outra vantagem na arquitetura por seremdispositivos de tamanho reduzido.Os I"(s, no entanto, não podem ser ligados diretamente àrede elétrica, pois operamcom n'veis de tensão di!erentes dos sinais !ornecidos pelarede. Assim, é necessáriodesenvolver um circuito para prover o !uncionamentoadequado destes dispositivos. O projetodeste conversor deve resultar ainda em um produto queseja compacto, eciente e de baiCocusto, para que as vantagens o!erecidas pelos I"(s nãosejam limitadas pelo uso de um circuito de baiCa qualidade.Os I"(s normalmente são alimentados em corrente cont'nua,

possuem tensão decondução baiCa, e não necessitam de ignição, di!erente dasl-mpadas Huorescentes. "stascaracter'sticas tornam$se vantajosas quando se desejaalimentá$los através de uma bateria.

Além disso, a alta ecácia luminosa permite a utilização debaterias pequenas eMou uma maiorautonomia do sistema. (evido a estes !atores, a utilizaçãode I"(s torna$se um atrativo paraa aplicação em iluminação de emerg)ncia. #ara que os sistemas de iluminação utilizando I"(spossam ser di!undidos eempregados principalmente na iluminação residencial é!undamental que não haja grandes

alteraçFes na instalação elétrica eCistente. (esta !orma, oobjetivo deste trabalho consiste em


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desenvolver um sistema de iluminação compacto quepermita substituir diretamente asl-mpadas incandescentes e Huorescentes compactas porI"(s.

mesmo utilizado nas l-mpadas incandescentestradicionais, !acilita ao usuário a substituiçãopela l-mpada a I"( sem qualquer modicação nainstalação elétrica.Além disso, é proposto um sistema de iluminação deemerg)ncia integrado a estal-mpada, permitindo a utilização do mesmo equipamentonas atividades diárias, alimentadapela rede elétrica, e sob uma poss'vel !alta no !ornecimento

de energia, além da vantagem de!ácil instalação. #ara tanto, esta dissertação é organizadada seguinte !ormaQ eCistentes na literatura. @ão analisadas suasprincipais caracter'sticas e aplicaçFes, !uncionamento,volume e nDmero de componentes.

>ambém são descritas algumas !ormas de ondaempregadas na alimentação de I"(s e suainHu)ncia na eci)ncia luminosa destes dispositivos, osmétodos de controle de corrente e ostipos de coneCFes utilizadas no acionamento de umconjunto de I"(s. #or m, é propostauma solução para o principal problema da ligação em sériede um grupo de I"(s. uma delas com um sistema deiluminação de emerg)ncia integrado. @ão mencionadas ascaracter'sticas dos circuitos, Os semicondutores, quedurante anos !oramutilizados em sistemas eletrBnicos para acionamento econtrole de l-mpadas, tornaram$se!ontes luminosas capazes de substitu'$las em muitasaplicaçFes. #or serem dispositivospequenos e ecientes, a iluminação semicondutora tematra'do pesquisadores e !abricantespara o desenvolvimento de novos produtos empregandoesta tecnologia.Geste cap'tulo são apresentados o princ'pio de!uncionamento do diodo emissor de luze suas caracter'sticas !'sicas, elétricas e construtivas.

>ambém é realizado um comparativo


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entre os I"(s e outras !ontes de luz. "m !unção disto,alguns conceitos luminotécnicos sãodescritos para !acilitar o entendimento das grandezas ecaracter'sticas salientadas. #or m, são

mostrados alguns eCemplos de produtos e aplicaçFesempregando estes dispositivos.

Diodos Emissores de Luz

Os (iodos "missores de Iuz I"(s são dispositivos semicondutoresque surgiram

#or volta da década de 1 4ullough, 011. Assim como os diodostradicionais, o I"(permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido. "stapolarização direta resultana emissão de luz. Os I"(s podem ser classicados em tr)scategoriasQ indicativos, de altobrilho e de pot)ncia. A Jigura mostra um eCemplo de cada grupo.I"(s

I"(s indicativos


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I"(s de alto$brilho I"(s de #ot)ncia

"sta classicação se !ez devido à evolução dos I"(s e sua área deaplicação. Go

in'cio, estes dispositivos eram utilizados somente em iluminaçãoindicativa, principalmenteem equipamentos elétricos e eletrBnicos sinalizando se certas!unçFes destes produtos estavamativadas ou desativadas. Atualmente, eles continuam sendo utilizadospara este m, noentanto, o desenvolvimento desta tecnologia eCpandiu sua aplicaçãopara iluminação depequenas áreas, como painéis de autom&veis, visores de rádios, etc

#rinc'pio de Juncionamento dos I"(s

O I"( é composto por dois materiais distintos !ormando uma junção#$G, comoacontece em alguns dispositivos semicondutores. Gesta junção, olado # contémessencialmente lacunas ou !alta de elétrons enquanto o lado G

contém essencialmente cargas


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negativas eCcesso de elétrons. Luando polarizado diretamente, oselétrons e lacunas semovimentam em direção ao mesmo ponto. Assim, a combinaçãoentre estes elementos resultana emissão de !&tons

/aracter'sticas /onstrutivas dos I"(s

?m dos grandes desaos da arquitetura atual é proporcionar umailuminação dequalidade sem chamar a atenção para a !onte de luz. Assim, osprossionais de arquiteturat)m demonstrado interesse na utilização do I"( principalmente pelo

!ato de ele ser umdispositivo pequeno, comparado às l-mpadas tradicionais. Alémdisso, é poss'vel obter umailuminação colorida sem a necessidade de vidros ou lentescomplementares que

comprometem a eci)ncia do sistema.

A luz emitida pelo I"( é monocromática e o comprimento de ondaestá relacionadoao tipo de material utilizado na composição do semicondutor. Adopagem do cristal pode ser!eita com gálio, alum'nio, ars)nio, !&s!oro, 'ndio e nitrog)nio. "stavariedade de elementosqu'micos e a combinação deles permitem a emissão de luz em umaampla !aiCa do espectro/ervi, 011;b3 4ullough, 011. A Jigura 6.2 mostra o espectro deradiação e as corescorrespondentes. A Jigura 6.; mostra a caracter'stica dos di!erentes

modelos de I"(s quantoao comprimento de onda emitido IuCeon, 0118.


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"spectro de radiação e as cores correspondentes em relação ao comprimento deonda.

gura do gráco 6.2

Os modelos de I"(s mais conhecidos utilizam os compostos AlRa*n# AluminumGallium Indium Phosphide, !ormado por alum'nio, gálio, 'ndio e!os!eto, e *nRaG IndiumGallium Nitride, !ormado por 'ndio, gálio e nitrito. O primeirocomposto é responsável pela

emissão de luz vermelha, laranja e amarela e o segundo pelastonalidades verdes e azuis4ullough, 011.

Conceitos de Iluminação

?m sistema de iluminação de qualidade deve empregar a l-mpadacorreta levando emconsideração a aplicação, o ambiente a ser iluminado e a atividade a

ser desenvolvida nele. A


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uni!ormidade da luz, a temperatura de cor e o 'ndice de reproduçãode cores também sãocaracter'sticas importantes no projeto luminotécnico do ambiente.A temperatura de cor de uma l-mpada é a grandeza que eCpressa aapar)ncia da cor da

luz emitida +odrigues, 0110. A luz branca natural, produzida pelo sola céu aberto ao meiodiapossui uma temperatura de cor pr&Cima de ;811 S. I-mpadas comtemperatura de corabaiCo deste valor apresentam uma luz amarelada, como asincandescentes. #ara valoresacima, a luz emitida apresenta uma tonalidade azulada, comoacontece em algumas l-mpadasde descarga. A Jigura 6.: mostra a escala da temperatura de correlacionando eCemplos del-mpadas comerciais O@+AK, 011:.Jigura


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>emperatura de cor de di!erentes !ontes de luz

A cromaticidade da luz a!eta o corpo humano de diversas !ormas,ressaltandosensaçFes como !ome, sono, ansiedade, etc. A iluminação com coresde tonalidade !ria induza produtividade do ambiente. *sto porque a luz branca desperta o serhumano. #or este motivo,

as l-mpadas !rias são aconselháveis para locais de trabalho comocozinha, academia,


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escrit&rios e !ábricas. "m lugares onde se deseja proporcionarcon!orto, #or isso, a escolha da l-mpada adequada depende doambiente a ser iluminado. ?mavantagem do I"( com relação às demais !ontes de luz é o !ato de elepossuir di!erentes

modelos com uma larga !aiCa de temperatura de cor de 0.:1 S até61.111 S IuCeon,0118. "sta caracter'stica estende sua aplicação para diversos

ambient.

Os re!rigeradores de supermercados normalmente utilizam l-mpadasHuorescentes emseu interior. #ara esta aplicação este tipo de l-mpada não é ideal. Asl-mpadas de descarga,quando operadas em baiCas temperaturas, apresentam uma reduçãoda sua luminosidade deaté 0; E. *sto não acontece com os I"(s, pelo contrário, suaeci)ncia apresenta melhoresresultados em ambientes !rios abaiCo de 01T / @auerlUnder, 011.A Jigura 6.8 mostra umre!rigerador iluminado com Huorescente e outro com I"(s.

Geste eCemplo, a iluminação é mais uni!orme com a utilização deI"(s, mostrado àdireita na Jigura 6.8. /om a l-mpada Huorescente, a luminosidade

ca concentrada naslaterais do re!rigerador deiCando o centro mais escuro. *sto porque asl-mpadas Huorescentesirradiam sua luz em todas as direçFes, di!erentemente dos I"(s, queiluminam somente ointerior do re!rigerador e direcionado aos produtos. #ortanto, ailuminação empregando I"(sproporciona uma melhor visibilidade dos produtos além da redução doconsumo de energiaO I"(, apesar de apresentar uma luz direcionada, não possui um-ngulo de abertura

suciente para iluminar a mesma área considerada.


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Os I"(s, assim como as l-mpadas de descargas não podem serligados diretamente àrede elétrica. Assim, conversores operando em alta !req9)ncia sãoamplamente utilizados emsistemas de iluminação devido às vantagens apresentadas, entre

elas, o alto rendimento,redução do volume dos componentes magnéticos e aus)ncia de ru'do

aud'vel

Formas de Onda Aplicadas ao LED

O acionamento dos diodos emissores de luz é realizado por meio docontrole dacorrente que circula por este dispositivo

Outra possibilidade para alimentar o I"( é aplicar uma !orma de onda

dente de serra,Jigura 0.6 d, que pode ser obtida através de conversores //$// semcapacitores no ltro desa'da. "sta !orma de onda juntamente com uma !orma de ondasenoidal com reticação emponte completa, mostrada na Jigura 0.6 e, também !oi analisada.

gura da pagina 2;

Os resultados mostram que para o n'vel máCimo de luminosidade doI"(, as

di!erentes !ormas de onda não apresentam grandes di!erenças naeci)ncia luminosa.

Circuitos para Acionamento de LEDs/ada !onte de luz necessita de um circuito espec'co para seu correto!uncionamento.Reralmente, os reatores eletrBnicos possuem um estágio dereticação trans!ormando a tensãoalternada em cont'nua, alimentando um conversor //$// a partir darede elétrica. "stes

conversores operando em alta !req9)ncia t)m por objetivo adequaros n'veis de tensão econtrolar a corrente na sa'da, podendo ser circuitos redutores ouelevadores de tensão, com ousem isolação. Luando se deseja alimentar a l-mpada com uma !ormade onda alternada,normalmente são empregados indutores e capacitores na sa'dadestes conversores !ormando oltro de sa'da. #ara l-mpadas de descarga, um circuito ignitor deveser adicionado para

! @egundo a norma brasileira, sistemas de iluminação com pot)nciasuperior a 1 N,


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devem possuir correção do !ator de pot)ncia J#,ornecer um pulso detensão elevado e iniciar o processo de acionamento. Assim, estesreatoreseletrBnicos com esta caracter'stica devem possuir mais um estágiocomposto pelo circuito

para correção do !ator de pot)ncia, que pode ser implementado dediversas !ormas (alla /osta, 0112b3 @ilva, 0111. Os I"(s di!erentemente das l-mpadas de descarga não necessitamde um estágio deignição, uma vez que não possuem gás em sua composição. Goentanto, por operar com sinaisde tensão e corrente di!erentes do !ornecido pela rede elétrica,também necessitam de umcircuito para seu acionamento, conhecido também como driver.

+esistor @érie

Os I"(s possuem uma resist)ncia série intr'nseca, porém de valormuito baiCo @á

Punior, 011:b. *sto não é suciente para limitar a corrente quandoligado a uma !onte detensão. #or isso, necessitam de um driver para estabilizar a corrente.A maneira mais simples para alimentar um I"( é através de uma!onte de tensãocont'nua e um resistor conectado em série com este dispositivo,

a corrente que circula pelo I"( terá o mesmo valor da corrente quecircula peloresistor. "ste valor é limitado pela tensão aplicada ao resistor

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a luz é um item primordial para a vida dos seres humanos

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