Iluminação

2º. semestre, 2017

Eficiência energética ambiental

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Sistemas de iluminação artificial são responsáveis por fornecer o nível de iluminação desejada em ambientes, de forma a garantir condições adequadas para a realização de tarefas próprias do local.

Algumas definições básicas necessárias:

� Fluxo luminoso (ϕ): potência de radiação total emitida por uma fonte de luz ou potência de energia luminosa de uma fonte percebida pelo olho humano, cuja unidade é dada em lumens (lm);

� Intensidade luminosa (I): potência da radiação luminosa em determinada direção, cuja unidade é dada em candela (cd = lm/sr);

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� Iluminância (Ep): relação entre o fluxo luminoso (ϕ) incidente sobre uma superfície e a superfície sobre a qual esse fluxo incide, cuja unidade é dada por lumens/m2 (lm/m2 ou lux);

� Nível de luminância (L): intensidade luminosa emitida por unidade de área de uma superfície em uma direção específica, dada em cd/m2.

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� A temperatura de cor expressa a aparência da cor da luz emitida por uma fonte. Baseia-se na relação entre a temperatura de um material hipotético e padronizado (corpo negro radiador), e a distribuição de energia da luz emitida, à medida que a temperatura do corpo negro é elevada a partir do zero absoluto. A unidade da medida de temperatura da cor é o kelvin (K). Quanto mais alta a temperatura de cor, mais clara é a tonalidade de cor da luz;

� Índice de reprodução de cor (IRC): parâmetro que classifica a qualidade de reprodução de cor de uma fonte, em comparação com uma fonte de referência de mesma temperatura de cor. O IRC identifica a aparência das cores dos objetos quando iluminados pela fonte de luz de referência.

� Eficácia luminosa: descrita como a relação entre o fluxo luminoso de uma lâmpada em relação ao seu consumo de potência (lm/W). O máximo valor teórico, alcançado quando a potência radiante total é transformada em luz visível, é de 683 lm/W.

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Cor das lâmpadas:

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Tipos (ou classificação) das lâmpadas:

Lâmpadas LED

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Lâmpadas incandescentes:

Em uma lâmpada incandescente uma corrente elétrica percorre o filamento, geralmente de tungstênio, aquecendo-o até uma alta temperatura (3000 K), até que ele comece a brilhar, fazendo com que o espectro mude para menores comprimentos de onda.

Para proteger o filamento, é utilizado um bulbo de vidro preenchido com um gás inerte ou evacuado.

Lâmpadas incandescente convertem menos que 5% da energia utilizada em luz visível (em geral, 2,2%). O restante é transformada em calor.

Eficácia luminosa na ordem de 16 lm/W. Durabilidade em torno de 750 h.

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Potência vs. fluxo luminoso em lâmpadas incandescentes.

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Lâmpadas halôgenas:

O incremento da temperatura das lâmpadas incandescentes produz evaporação do filamento (a temperatura de fusão do tungstênio é de 3653 K), baixando sua performance até a queima.

Para melhorar seu desempenho adicionam-se halogênios à mistura de gás dentro da lâmpada. O tungstênio evaporado se combina com o halogênio para formar um hidreto metálico, que assume a forma de um gás e, portanto, não deixa depósitos na parte interna do bulbo.

A temperatura do bulbo interno deve ser maior que 250 °C enquanto que o filamento opera entre 3000 e 3500 K, fornecendo uma luz mais clara (espectro mais próximo do visível).Eficácia luminosa: 60 lm/W

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Lâmpadas de descarga:

Ao contrário das lâmpadas incandescentes, a luz nas lâmpadas de descarga não é produzida pelo aquecimento de um filamento mas sim através da excitação elétrica de gases ou vapores metálicos, obtida pela aplicação de tensão entre dois eletrodos localizados dentro de um tubo preenchido com gás inerte ou vapor metálico, produzindo corrente elétrica. Os elétrons colidem com os átomos do gás e através dessa excitação, emitem luz, em uma determinada faixa de comprimentos de onda.

Se a velocidade dos elétrons aumenta, o gás não é mais excitado na colisão, mas ionizado. Os átomos do gás são decompostos criando um elétron livre e um íon carregado positivamente, aumentando o número de partículas no tubo, aumentado com isso a radiação.

Além disso, é possível exceder o limite de 3650 K e produzir luz de qualidade similar à luz do dia

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Lâmpadas de descarga:

Essas lâmpadas podem ser divididas em dois grupos, dependendo da pressão de operação.

� As lâmpadas de baixa pressão contém gases inertes ou vapores metálicos a pressão bem abaixo de 1 bar. A eficácia luminosa dessas lâmpadas é dependente do seu volume, necessitando tubos de descarga relativamente longos.

� As lâmpadas de alta pressão são operadas em pressões bem maiores que 1 bar. Devido a essas altas pressões, há uma grande interação no gás de descarga e a luz não é mais produzida em linhas espectrais estreitas mas sim em faixas de frequências maiores, prioritariamente para as regiões mais próximas ao infra vermelho.

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Lâmpadas fluorescentes:

É uma lâmpada de descarga de baixa pressão, usando vapor de mercúrio. O vapor de mercúrio produz radiação UV quando excitado. A parede interna do tubo é recoberta com uma substância fluorescente que transforma a radiação UV em luz visível.

Morna

Neutra

Luz do dia

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Lâmpadas fluorescentes compactas:

Nessas lâmpadas, uma corrente elétrica é dirigida através de um tubo contendo argônio e uma pequena quantidade de vapor de mercúrio (em torno de 1 mg por tubo). Isso gera luz ultravioleta invisível que excita uma cobertura fluorescente de fósforo, dentro do tubo, que então emite luz visível. Ou seja, é similar às lâmpadas fluorescentes.

As lâmpadas compactas necessitam mais energia quando são primeiramente acionadas mas, logo em seguida (30 s a 3 min), utilizam em torno de 70% menos que as lâmpadas incandescentes.

Eficácia luminosa: 60 lm/W e durabilidade maior que 3.000 h.

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Lâmpadas compactas:

Similares às fluorescentes mas com alimentação incorporada, geralmente eletrônica, não necessitando de acessórios externos.

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Tensão e corrente para uma lâmpada fluorescente compacta (120 V, 60 Hz, 30 W). Devido a elevada distorção da corrente, o fator de potência dessa lâmpada é de apenas 0,61. A lâmpada consome 29 W mas usa 39 VA devido a essa distorção.

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Lâmpadas de sódio a baixa pressão:

Em termos de construção e operação são similares às lâmpadas fluorescentes. Nessas lâmpadas, vapor de sódio em lugar de vapor de mercúrio é excitado. Em função disso, são mais difíceis de acender (o sódio sólido, ao contrário do mercúrio líquido, não produz vapor a temperatura ambiente, necessitando a presença de gases raros, que entrarão em ignição permitindo então a formação do vapor de sódio).

Necessitam tensão de ignição elevada e um tempo relativamente longo para atingir a eficácia máxima.

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Lâmpadas de sódio a baixa pressão:

Outra diferença dessas lâmpadas é que produzem luz diretamente, sem a necessidade de substâncias fluorescentes. Sua eficácia luminosa é extremamente elevada necessitando volumes menores que as lâmpadas fluorescentes e sua vida útil é longa (é a lâmpada mais econômica).

No entanto, produz luz em apenas duas linhas espectrais, muito próximas uma da outra, no amarelo monocromático. Em função disso, não produz aberração cromática para o olho humano e que garante acuidade visual.

Muito utilizadas em iluminação pública.

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Lâmpadas de mercúrio a alta pressão:

Possuem um tubo de descarga curto, de quartzo, contendo um mistura de gases inertes e mercúrio e eletrodos situados nas duas extremidades do tubo. O tubo circundante ao tubo de quartzo estabiliza a temperatura da lâmpada e protege o tubo da corrosão. Eficácia luminosa moderada mas vida longa. Luz branca azulada em função da inexistência da faixa espectral do vermelho.O tubo externo pode ser recoberto com uma camada fluorescente para controlar a cor.

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Lâmpadas de LED:

O LED (Light Emitting Diode) é um diodo semicondutor emissor de luz.Em um processo típico de fabricação de LED, um revestimento de fósforo é depositado na matriz do LED. A temperatura exata da cor ou da luz branca produzida pelo LED é determinada pelo comprimento de onda dominante do LED, azul ou perto da luz UV, e a composição do fósforo.

Quando a corrente elétrica passa através do chip de estado sólido, os fótons azuis gerados no LED viajam através da camada de fósforo sem alteração ou são convertidos em fótons amarelos na camada de fósforo. As combinaçõesdos fótons azuis e amarelos se combinam para gerar luz branca. Ao longo do tempo, a matriz azul e o fósforo amarelo irão degradar, resultando em uma mudança de cor da luz fornecida.

Os LEDs não emitem calor por radiação no espectro do infravermelho, como outras fontes de luz, de modo que o calor deve ser removido do dispositivo por meio de condução ou convecção e o gerenciamento térmico é indiscutivelmente o aspecto mais importante do design bem sucedido do sistema LED.

Durabilidade: 50.000 a 60.000 h (70% saída inicial). Eficácia luminosa: 150 lm/W

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Características das lâmpadas:

CRI (color rendering index) =IRC: índice de reprodução de cor

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Exemplo de análise econômica