temperatura de cor - k (kelvin)

LEDs - Origem, atualidade, aplicações e futuro, por Mauri Luiz da Silva

Workshop On-Line - Portal Lighting Now - Out/2012 21

Capítulo 3 - Grandezas Luminotécnicas e Elétricas

3.1 - Grandezas Luminotécnicas

Temperatura de Cor

TEMPERATURA DE COR - K (Kelvin)

2000

K

2700

K

3000

K

3600

K

4000

K

5200

K

5600

K

6000

K61

00K

4200

K

NAV® Incand.DULUX® 41

HalógenasCOLORSTARLUMILUX® 31

HQI® WDLHWL

LUMILUX® 21DULUX® 21

HQL

HQI® NDLLuz do Dia

Especial

HQI® D Luz do Dia10

5800 K - luz branca naturalSol em céu aberto ao meio-dia

Esta é a representação gráfica da variação da tonalidade da cor de luz e que é obtida

através de uma analogia com a temperatura – calor mesmo – em Graus Célsius,

transformados para Kelvin, que sempre definirá que: quanto mais branca for a luz ,

mais alta é a temperatura de cor; quanto mais baixa for a temperatura de cor em

Kelvin, mas amarelada será essa luz.

Na prática quando falarmos em cor de luz, diremos o número correspondente e o

símbolo(K): 3.000K ou 4.000K. Quando tratamos de iluminação de ambientes, temos

de conhecer esse conceito para definir se iluminaremos com luz mais branca (luz de

trabalho) ou mais amarelada (luz de conforto), o que vale para iluminação com LEDs,

onde, felizmente, já podemos contar com várias tonalidades de cor de luz.



I R C - Índice de Reprodução de Cores

ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES

EXCELENTE NÍVEL 1 1a - Ra 90 a 100 Testes de cor, floricultura,

MUITO BOM 1b - Ra 80 a 89 escritórios, residências, lojas

BOM NÍVEL 2 2a - Ra 70 a 79 Áreas de circulação, escadas,

RAZOÁVEL 2b - Ra 60 a 69 oficinas, ginásios esportivos

REGULAR NÍVEL 3 Ra 40 a 59 Depósitos, postos de gasolina,pátio de montagem industrial

INSUFICIENTE NÍVEL 4 Ra 20 a 39 Vias de tráfego, canteiros de obras, estacionamentos

100

80

60

40

IRC – Índice de Reprodução de Cores é a grandeza que define em quanto a luz artificial

consegue imitar a luz natural do Sol. Quanto mais próxima da luz natural for a

reprodução de cores, maior será esse número e quanto menor for, mais distante da

reprodução de cores da luz natural será, ou seja, menos eficiente na reprodução de

cores.

A indústria da iluminação procura fazer produtos que tenham cada vez um maior IRC –

Índice de Reprodução de Cores.

Quando falamos de lâmpadas de filamento (Incandescentes comuns e Halógenas)

temos um índice de 100, excelente, porque a sua forma de fazer luz, relembrando,

imita o Sol, até nesse aspecto, claro.

Quando vamos para outros tipos de luz, como descarga ( fluorescentes, métálicas etc)

e mesmo os LEDs , o IRC não chega a ser 100, então temos que analisar cada tipo de

lâmpada ou fonte de luz, com a definição de seu IRC.

Em iluminação de qualidade, temos de desconsiderar produtos com IRC abaixo de 80.



Por exemplo, as fluorescentes com tecnologia do pó tri-fósforo, com boa reprodução

de cores, tem um IRC na faixa entre 80 e 89. Algumas já atingem um número acima de

90.

Por outro lado, as antigas fluorescentes tubulares, tipo T-12 e T-10, sem a utilização

dessa nova tecnologia na pintura dos bulbos, ficam na faixa um pouco abaixo de 70 e

mostram toda a sua ineficiência nesse conceito.

Luz

Luz é a radição eletromagnética na faixa entre 380 a 780 nanômetros (nm), capaz de

produzir sensação visual

Em nosso ambiente há inúmeras ondas eletromagnéticas circulando. Algumas bem

conhecidas, como Raio X, Raio Gama, Raio Ultra-Violeta, Infra-Vermelho, Ondas

Médias, Onda de FM(frequência modulada) e outros incontáveis tipos de ondas, nas

mais diversas frequências.

Quando a frequência da onda ficar situada entre 380 e 780nm, chamamos de Espectro

Visível, ou no popular, LUZ.

Apenas em nível de comparação: o UV-Ultravioleta, fica abaixo dos 380nm, enquanto

que o IR – Infravermelho fica acima dos 780nm, para falar em duas frequências bem

conhecidas nossas. O que nos deixa ver, que nenhum desses dois está situado na faixa

de luz.



Durabilidade das Lâmpadas

Consideram-se três formas de medir a vida de uma lâmpada, sempre entendendo que

nenhuma delas é absoluta, ou seja, quando de define que uma lâmpada tem 2.000

horas de vida, não quer dizer, em hipótese alguma, que todas as lâmpadas desse tipo

durarão 2.000 horas, mas sim, conforme os conceitos abaixo apresentados:

Vida Média - A média da vida de todas as lâmpadas de um lote. Mede-se a

duração de cada lâmpada instalada de um lote e se divide pelo número de lâmpadas

desse mesmo lote.

Vida Mediana - Mede-se o tempo que decorre entre a instalação de um lote e

a queima de 50% desse lote.

Vida Custo-Benefício - O tempo contado quando há a depreciação do fluxo

luminoso do lote. Por exemplo, quando há uma queda de 30% da luz inicial, ou melhor

dizendo, do fluxo luminoso inicial. A isso define-se como L70, ou seja, a lâmpada está

produzindo apenas 70% do fluxo luminoso inicial, e a partir desse número, deixa de ter

um bom custo-benefício. Passará a consumir 100% de energia, produzindo menos luz,

no caso 70%.

Fluxo Luminoso (F): Quantidade de LUZ visível que uma fonte irradia em todas as

direções - Unidade: Lumen (Lm)



Intensidade Luminosa (I)- E a medida da radiação emitida por uma fonte de luz

em uma determinada direção. Unidade: Candela (cd).

Estará sempre associada a um refletor direcionando a luz. Quando não está

direcionado por um refletor, a luz se espalha em todas as direções e temos, então, a

grandeza anterior, que é o fluxo luminoso(Lm).

Iluminância (E) - É o fluxo luminoso incidente por unidade de área. Sua unidade é o

lux (lx).

E = Φ / A. É a densidade superficial de fluxo luminoso recebido.

Supondo que um fluxo de 1 lumen incida uniformemente sobre uma superficie de 1

metro quadrado, a Iluminância será de 1 lux.

Como a distribuição uniforme não ocorre na prática, consideramos a Iluminância

média.



Luminancia (L) - É a intensidade luminosa que emana de uma superficie. Sua

unidade é a candela por metro quadrado (cd/m2). A luminância depende do

coeficiente de reflexão de cada superficie (refletância). Este coeficiente é encontrado

em tabelas luminotécnicas e é uma função dos materiais e das cores.

Equação de equivalência E e L

Tendo uma das duas medidas (Lux ou Candela), podemos transformá-la em outra, com

a utilização da fórmula que segue:

Precisamos saber apenas a altura entre a fonte de luz e o plano a ser iluminado. No

último exemplo, vemos que 960Cd, divididas pelo quadrado da distância(no caso 2m),

fica, 960:4 = 240Lux.



Vale, como é claro, para todos os tipos de lâmpadas. Essa fórmula é importante, pois

quando se trata de lâmpadas refletoras, a quantidade de luz é fornecida nos catálogos

e sites dos fabricantes em Candelas(Cd) e, se precisarmos definir a quantidade de Lux,

fazemos a transformação com o uso dela.

Rendimento Luminoso/Energético:

Define, na prática, a economia de energia.

>Lumens emitidos por Watts consumidos.

Lumens /Watt - L/W.

Exemplo:

Potência da lâmpada 20W e luz emitida 800 Lm

800 Lumens / 20W = 40 lumens / watt

Potência da lâmpada 8 W e luz emitida 800 Lm

800 Lumens / 8W = 100 lumens / watt

3.2 - Grandezas Elétricas

Tensão (V) : Também chamada de voltagem, por isso o símbolo é V, é a energia que

a concessionária coloca a disposição do usuário e todo o produto elétrico tem em sua

designação a tensão.

Normal: 127 ou 220V

Baixa Tensão: 12 ou 24 V

Alta Tensão: Nos cabos que saem das substações elétricas, a tensão é altíssima e para

chegar nas residências e outros consumidores, ela é dividida pelos Transformadores de

Distribuição e chegam para nós em 380, 220, 127V.

Exemplo: Lâmpada de 220V x 60W.



Potência(P) – A potência é medida pelos watts consumidos e por isso seu símbolo

mais conhecido é o Watt (W).

Na prática, a energia que pagamos à concessionária é medida pelos Watts consumidos,

ou mais popularmente Kw/h, kilowatt por hora.

Em iluminação, está inserido também no nome dos produtos e indica a quantidade

provável de luz que uma lâmpada emite e que nos produtos de última geração, como

LEDs, foram modificados os parâmetros, pois em LEDs as potências são

substancialmente mais baixas.

Incandescente de 127V x 60W

Fluor Compacta de 127V x 15W

LED de 24V x 1,5W ou mesmo 90-240V x 3,5W e 127 ou 220V x 3,5W.

Corrente (I) - É a energia elétrica que efetivamente passa pelo fio ou cabo.

A medição é em Ampéres (A).

Uma corrente alta precisa de uma condutor elétrico (fio) mais grosso e numa corrente

menor podemos usar um condutor mais fino.

Normalmente em 220V precisamos de um fio mais fino e em 127V mais grosso, pois

para uma mesma potência quanto maior a tensão, menor a corrente.

Uma boa comparação prática é uma mangueira de água. Quanto maior for a corrente

de água, mais grossa deverá ser a mangueira; quanto menor for o fluxo de água, mais

fina poderá ser a mangueira. Fios, condutores elétricos e mangueiras, condutoras de

água, tem tudo a ver, são similares no funcionamento.

LEDs trabalham com correntes muito pequenas, mínimas mesmo, numa faixa em torno

de 1A ou menos, sendo normalmente entre 350 a 750mA.



Lei de OHM - Esta Lei é a que calcula a Resistência Elétrica, mas que usaremos

agora, de forma prática-ditática.

Para a Potência em Watts, tiramos da fórmula o seguinte:

P = V . I 110 W = 220V . 0,5 A

110 W = 110V . 1 A

Quanto maior a tensão, menor a corrente, para uma mesma potência.

Por essa razão é que nas instalações elétricas em geral, usamos fios mais finos para a

tensão em 220V e mais grossos para 127V, como já falamos.

Visto essas grandezas e esses conceitos de forma simplificada, vamos em frente,

revendo um pouco da história dos LEDs, que como veremos, representam uma fonte

de luz muito moderna, mas que, paradoxalmente foi descoberta há mais de um século.



Capítulo 4 - LEDs

4.1 - LEDs na História:

1907 - Henry Joseph Round descobre acidentalmente os efeitos

físicos da eletroluminescência. Sua pesquisa era sobre radio-transmissão, então o

efeito ficou esquecido até 1921.

1962 - Primeiro diodo vermelho é introduzido no mercado, com

a tecnologia de Fosfeto de Arseneto de Gálio.

1971 - LED torna-se disponível nas cores verde, laranja e

amarelo, sendo os chamados LEDs Radiais.

1993 - O primeiro diodo de Nitreto de Gálio e Indio que emite

luz nos espectros azul e verde de maneira extremamente eficiente é lançado. O LED

azul é a base para o LED branco.



1995 - Primeiro LED branco é lançado

2008 - É criado o LED de alta performance, que chega a eficiência

de até 120 lm/w com IRC entre 80-89.

Agora que conhecemos um pouco da evolução dessa “nova” fonte de luz, vamos

estudar o seu funcionamento, características e tudo que devemos saber sobre a nova

estrela da luz artificial-elétrica.

4.2 - Geração de Luz nos LEDs

A obtenção da luz através de LEDs ocorre quando os mesmos são diretamente

polarizados, permitindo a passagem de uma corrente eletrica.

- Os elétrons se movem através da junção PN do semicondutor e se recombinam com

as lacunas (cargas positivas). Quando as duas cargas são recombinadas, a luz é emitida.

Representação gráfica da geração de luz no LED



A luz é gerada no LED quando o elétron da banda superior, decaindo, se encontra com

o da banda inferior, gerando o fenômeno elétrico que se transforma em luz. Mas para

que a luz aconteça, essa junção deve se dar num material que possibilite isso. Esse

material não pode ser uma resistência de tungstênio, como no caso das lâmpadas de

filamento e muito menos num tubo de descarga, como no caso das fluorescentes e

outras lâmpadas de descarga.

Na verdade esse material é um elemento químico da tabela periódica, a mesma que

aprendemos nos bancos ecolares e que faz parte da matéria da chamada Química

Geral. Abaixo vemos a nossa conhecida Tabela Periódica.

Esse fenômeno tem variações e, a cada elemento que é utilizado, uma cor de luz é

emitida:

InGaN = Indium, Gallium, Nitride

Para: GREEN, BLUE, WHITE ( tons:Verde, azul e branco)



InGaAlP = Indium, Gallium, Aluminium, Phosphite

Para: RED, ORANGE, YELLOW (tons: Vermelho, laranja, amarelo)

Nos exemplos acima dá para notarmos que, realmente, cada elemento da tabela

periódica proporcionará uma cor de luz.

Antes de falarmos com mais detalhes sobre a cor de luz nos LEDs, precisamos

esclarecer alguns conceitos da eletrônica, para que o entendimento seja mais fácil.

Sendo o LED um Diodo Emissor de Luz, ou seja um dispositivo semicondutor que

produz luz, quando polarizado na posição direta em determinado comprimento de

onda, precisamos saber, por exemplo, o que é um diodo e o que é um semicondutor,

certo?

Diodo: É a contração de dois eletrodos.

Semicondutor: É um material que não é condutor, nem isolante em relação à

eletricidade. O fio elétrico é um condutor de eletricidade; a borracha é isolante na

mesma relação. Outros materiais têm essas propriedades, como por exemplo, vários

metais que são condutores de eletricidade. Por outro lado, além da borracha, a cortiça,

o plástico são isolantes.

Quando um material não é o tempo todo condudor e nem isolante, leva o nome de

semicondutor. Alguns elementos têm esta propriedade e quando combinados de

forma adequada formam o diodo semicondutor.

O LED, tema de nosso estudo, é um tipo particular de diodo, ou seja, um semicondutor

em estado sólido que converte energia elétrica diretamente em luz.

Vimos que o principio de funcionamento do LED baseia-se nos niveis de energia. A

tensão aplicada leva os elétrons aos niveis mais altos de energia, que é devolvida,

quando eles retornam para seus niveis originais, em forma de luz.

- Como elementos diferentes tem diferentes niveis de energia, a cor da luz

irradiada(vermelha, verde, laranja, etc.) depende do material utilizado.



Desta forma, os nomes dos LEDs vem dos elementos da Tabela Periodica que os

compõe, conforme vimos nas imagens anteriores.

Mas, se cada elemento gera uma cor de luz, sozinhos ou combinados, como se explica

que tenhamos LEDs que emitem luz branca.

A luz branca nos LEDs foi buscada por muito tempo, pois sem ela continuaríamos a ter

apenas os LEDs coloridos, que são bonitos emitem muita luz, mas que na prática não

resolviam o nosso problema, que é iluminar ambientes e outros locais onde não dá

para abrir mão da luz em várias nuances de branco.

Neste momento, temos que mostrar a diferença entre LEDs coloridos, historicamente

utilizados para mostrar que o equipamento está ligado e por isso chamados de LEDs de

Sinalização, representados pelos LEDs Radiais e os LEDs que hoje iluminam

praticamente todos os ambientes e têm o nome de LEDs de Potência.

O termo potência nesse caso tem amplo sentido, pois define potência no sentido de

muita luz emitida, mas também pela comparação com as lâmpadas tradicionais que,

quando com potências maiores, normalmente iluminam mais, mesmo que os LEDs

consigam iluminar muito com pouca potência em watts, pouco consumo energético.

Geração de Luz Branca nos LEDs

Existem três formas gerais de obteção de luz branca nos LEDs:

- O primeiro método mistura diretamente luzes de três fontes monocromáticas,

vermelhas, verdes e azuis (processo RGB – red, green, blue) para produzir uma fonte

de luz branca através da combinação das três cores no olho humano.

- A segunda técnica usa um LED ultravioleta para excitar uma combinação de fósforos

vermelhos, verdes e azuis.

- A terceira técnica usa um LED azul para excitar um ou mais fósforos emissores de luz

visivel. O LED é projetado para deixar “vazar” um pouco da luz azul entre o fósforo,

para gerar a porção azul do espectro, enquanto o fósforo converte a porção

remanescente da luz azul em porções vermelhas e verdes do espectro.



Das cores saturadas ao LED branco

AmareloY = Yellow (InGaAlP) 587nm

Laranja

O = Orange (InGaAlP) 605nm

Verm. / Laran.

A = Org. Red (InGaAlP) 617nm

Vermelho

S = Super-Red (InGaAlP) 630nm

H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm

Azul

B = Blue (InGaN) 470nm

B = Blue (GaN) 466nm

Verde

V = VerdeGreen 505nm

T = TrueGreen (InGaN) 525nm

P = PureGreen (InGaAlP) 560nm

G = Green (InGaAlP) 570nm

InGaAlPInGaN/ GaN

No quadro acima, notamos os diversos elemento químicos e suas respectivas cores de

luz que emitem nos LEDs, indicando o comprimento de onda de cada intervalo, em

nanômetros (nm). Note que todos dentro do espectro de luz visível ( 380 à 780nm).

O LED vermelho é particularmente muito eficiente na geração de luz.

No centro do gráfico, notamos a cor branca, resultando da mistura apropriada de

todas as cores, alías, como é conhecido do estudo das cores em termos de

pigmentação, tintas etc.

A maneira mais conhecida de conseguir a luz branca é com a utilização de um LED azul,

colocando-se uma camada de fósforo amarelo na superfície. Quando a luz azul

atravessa essa camada, se torna luz visível branca. Algo semelhante, mas com outra

configuração, ao que acontece na geração de luz nas fluorescentes.

LED Branco: Chip Azul + Conversor = Luz Branca



Para identificar as cores dos LEDs, é utilizada a inicial da palavra em inglês que a

define:

Código de Cores para os LEDS.

W White (Branco)

B Blue (Azul)

G Green (Verde)

A Amber ( Âmbar)

R Red (Vermelho

Descrevemos algumas características básicas até aqui quanto ao funcionamento dos

LEDs e antes que cheguemos naquilo que muitos esperam ansiosos por saber, que é

como e onde usar produtos de LEDs, que na verdade são as aplicações dos tipos e nos

mais diversos ambientes, temos que aprender um pouco mais sobres eles, justamente

por serem um tipo de luz “recente” e que tem características muito especiais, que se

não estudadas, podem nos levar a aplicações erradas.



4.3 - Gerenciamento Térmico

O LED na faixa de luz não emite calor, porém, como se trata de um sistema elétrico,

quando em funcionamento, inapelavelmente há geração de calor. No caso dos LEDs,

um calor muito intenso que se direciona para a parte de trás, ou seja, inversa a da

emissão da luz.

Quanto melhor for dissipado esse calor, melhor será o desempenho do produto, seja

uma lâmpada ou um módulo de LEDs.

A vida dos LEDs e seu desempenho, portanto, tem no calor seu maior inimigo e

também deve haver um grande cuidado com a corrente elétrica, que deve ser

constante e estabilizada de forma adequada, ou seja, se aumentarmos a corrente

acima da que está nominalmente indicada no produto, teremos maior brilho – mais

luz, porém uma menor vida útil.

Comparemos a uma lâmpada de filamento em relação a tensão, quanto mais

elevarmos a tensão em relação à nominal, maior será a luz e menor será a vida.

Lembrem-se de uma lâmpada em 127V que se instale inadvertidamente numa tensão

de 220V, terá um brilho muito intenso e queimará na hora. Ao contrário, quando

colocamos uma lâmpada de 220V numa instalação de 127V, durará muitos e muitos

anos, mas iluminará muito pouco, quase nada.

Nos LEDs, usando esse exemplo, se aplicarmos uma corrente menor, durará mais em

termos de vida útil, mas iluminará muito menos. Esse é um dos truques dos produtos

que indicam uma vida muito longa, ou seja, não adianta durar muito, tem que durar

muito iluminando adequadamente.

Então:

Mais Calor = Menos luz e menor vida útil

Mais corrente = Mais luz e menor vida útil

Frio = Bom resfriamento, mais luz, maior vida útil

Com essas variáveis, nota-se que os fabricantes de produtos de LEDs podem “jogar”

com elas, fazendo módulos ou lâmpadas de LEDs com mais ou menos vida e com mais

ou menos luz, mas sabemos que para usarmos produtos de LEDs, eles devem ter uma



corrente adequada, correta e um bom gerenciamento térmico. Isso explica porque os

bons produtos são mais caros.

Um caso sempre muito recorrente foi a iluminação de ambientes frios, como câmaras

frias, balcões firgoríficos, pois até agora a única forma de iluminar com eficiência esses

ambientes frios era com lâmpadas de filamento, que consomem muita energia mas

não sofrem impacto do frio sobre seu funcionamento.

As lâmpadas de descarga, como as fluorescentes, por exemplo, quanto mais frio,

menos luz produzem e abaixo de zero grau seu funcionamento se torna inconfiável e

se for abaixo de 10º negativos, não acendem, não conseguem partir.

Os LEDs vieram para solucionar de vez esse problema e com grandes avanços,

justamente porque quanto mais baixa for a temperatura ambiente, melhor será seu

funcionamento, como vimos acima, e melhor será sua vida útil.

Podem notar que esses balcões frigorifícos e freezers de bebidas, sorvetes e outros

produtos gelados começam a utilizar de forma muito abundante produtos de LEDs,

sejam lâmpadas de LEDS, mas especialmente fitas e barras com um bom IP,

especialmente em relação à umidade.

temperatura de cor - k (kelvin)

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