vapor metálico e led: estudo comparativo de luminárias para aplicação em postos de combustível

8/20/2019 Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para aplicação em postos de combustível

1/98

CENTRO UNIVERSITÁRIO SENAC

Vanessa Puggina de Holanda

Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para

aplicação em postos de combustível

SÃO PAULO2013


2/98

VANESSA PUGGINA DE HOLANDA



SÃO PAULO2013

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao Centro Universitário

Senac – Campus Santa Cecília, como

exigência parcial para a obtenção do

grau de Especialista em Projetos de

Iluminação.

Orientadores:

Prof. Dr. Nelson Solano

Profª. Coord. Regina Adorno


3/98

Holanda, Vanessa Puggina de

Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para aplicação

em postos de combustível./ Vanessa Puggina de Holanda – São Paulo,

2013. 80f.

Orientadores: Prof. Dr. Nelson Solano e Profª Coord. Regina Adorno

Trabalho de Conclusão de Curso – Centro Universitário Senac – Campus

Santa Cecília, São Paulo, 2013.

1.LED 2.Iluminação de postos de combustível 3.Análise comparativade luminárias 4.Viabilidade econômica LED x Vapor Metálico


4/98

Aluna: Vanessa Puggina de Holanda



A banca examinadora dos Trabalhos de Conclusão em sessão

pública realizada em ___/___/_____, considerou a candidata:

1) Examinador(a):

2) Examinador(a):

3) Presidente

Trabalho de conclusão de curso

apresentado ao Centro Universitário

Senac – Campus Santa Cecília, comoexigência parcial para a obtenção do

grau de Especialista em Projetos de

Iluminação.

Orientadores:

Prof. Dr. Nelson Solano

Profª Coord. Regina Adorno


5/98

Ao m eu querido esposo Dirceu,

pelo incent ivo, amizade e companheir ismo

em todos os momentos de minha vida


6/98

AGRADECIMENTOS

A Deus pela oportunidade de ver, ouvir, sentir, degustar, tocar e refletir sobre a

beleza da criação.

Ao Mestre Durvalino Ferreira Holanda (in Memorian) pelo maior exemplo de amor,

sabedoria, fé e entusiasmo pela vida que já pude presenciar e conviver.

Ao meu esposo Dirceu Ferreira Holanda pela amizade e amor verdadeiros e por

me ensinar a acreditar e confiar na força natural da vida.

À minha amiga Ernestina Pereira de Holanda pelo exemplo de força, dedicação e

pelos cuidados especiais nas horas difíceis.

Aos padrinhos José Luiz e Waltirene Costa pelo companheirismo, exemplos e

conselhos preciosos que ajudam no meu caminhar.

Ao grande amigo Engº Jorge Luiz Y. Maeda, colega de Universidade e Diretor da

empresa Mundialtech Engenharia de Instalações Ltda, pelo apoio com a pesquisa

de custos apresentada neste trabalho.

Ao amigo e colega de profissão Engº Radamés Toth Garcia, especialista em

projetos de fontes de alimentação, pela colaboração e disponibilidade na troca de

informações para este trabalho. A todos os professores do curso de Pós-Graduação em projetos de iluminação do

Senac pelo desprendimento em compartilhar conhecimento, em especial aos

professores Nelson Solano, Ruy Soares e Silvia Bigoni pelo exemplo de

profissionalismo, simplicidade e por estarem sempre acessíveis e dispostos a

ajudar.

A todos os funcionários do Senac, que possibilitaram a existência e estrutura do

curso, em especial à Coord. Regina Adorno e a funcionária da secretariaeducacional Lidiane Matos, pelo atendimento cordial de sempre, profissionalismo

e pela ajuda contínua através dos esclarecimentos durante todo o curso.

Aos colegas de sala por proporcionarem, através da convivência com visões e

opniões profissionais diferentes, a ampliação de meu conhecimento e habilidade

de trabalho em grupo.

Às empresas GDE(CREE) e Meanwell pelo material didático fornecido, e aos

amigos da época de Conexled, em especial Joelmir, Sr. Oswaldo, Sr. Paulo,Jorge, Cleiton, Alan e José Henrique pela troca de conhecimento.


7/98

Quando o ser contempla o SER, e nisto acha consolo,

Quando conhece a inefável alegria fora do alcance dos sentidos, revelada à alma

e conhecendo-a não se agita,...

...chamem a este estado ‘ paz ’

BHAGAVAD GITA VI: 19-23


8/98

RESUMO

Considerando o crescente interesse a respeito da aplicação de LEDs

em projetos luminotécnicos, a linha de embasamento que direciona este trabalho

é a busca por apresentar elementos que auxiliem na análise do desempenho de

luminárias LED em relação às luminárias do tipo Vapor metálico, aplicadas no

ambiente da pista de abastecimento de um posto de combustível.

Assim, com o intuito de dar subsídios para o entendimento das análises

das simulações fotométricas, das comparações com relação ao desempenho dos

dispositivos constituintes das luminárias e dos requisitos para um sistema de

iluminação eficiente e que proporcione um ambiente confortável e seguro; serão

apresentadas definições a respeito de grandezas fotométricas, de fontes de luz

vapor metálico e LED, de reatores e fontes de alimentação, de refletores e lentes,

da classificação construtiva das luminárias e das exigências normativas para

realização de projetos de iluminação de postos de combustível. Reunindo todos

esses aspectos na apresentação de uma análise comparativa, para avaliar,

através da atribuição de pontos, qual dos sistemas de iluminação (LED ou Vapormetálico) possuirá mais benefícios de aplicação.

Palavras-chave: LED; Iluminação de postos de combustível; Análise comparativa

de luminárias; viabilidade econômica LED x Vapor metálico.


9/98

ABSTRACT

Considering the increasing interest on the application of LEDs in lighting

projects, the line of foundation that drives this work is the search for presenting

elements that assist in analyzing the performance of LED light fixtures compared

to metal halide fixtures, applied in the gas station supply area.

Therefore, in order to give insight into the analysis of photometric

simulations, comparisons regarding the performance of the devices light fixtures

and the requirements for an efficient lighting system that provides a comfortable

and safe environment; definitions will be presented to about photometric

magnitudes, metal halide and LED light sources, ballasts and power supplies,

reflectors and lenses, constructive classification of fixtures lighting and normative

requirements for lighting projects of gas stations. Bringing together all these

aspects in presenting a comparative analysis, to evaluate, by assigning points,

which of lighting systems (LED or Metal Halide) has more advantages application.

Keywords: LED, Lighting gas stations; Comparative analysis of luminaires;

Economic viability LED x Metal Halide.


10/98

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

PÁG Figura 3.1 – Espectro Eletromagnético........................................................... 03

Figura 3.2 – Curva internacional de intensidade espectral relativa................. 04

Figura 3.3 – Processo de dispersão da luz..................................................... 04

Figura 3.4 – Exemplos de difração da luz....................................................... 05

Figura 3.5 – Incidência de luz branca em superfície com propriedade de

reflexão para o vermelho................................................................................. 05

Figura 3.6 – Exemplos de fontes com seus respectivos valores de fluxoluminoso........................................................................................................... 06

Figura 3.7 – Conversão de potência em fluxo luminoso (eficiência luminosa) 07

Figura 3.8 – Eficiência luminosa típica de algumas fontes de luz................... 07

Figura 3.9 – Intensidade luminosa.................................................................. 08

Figura 3.10 – Sistema de planos C,.............................................................. 09

Figura 3.11 – Exemplo de curva fotométrica, para identificação docomportamento de irradiação da luminária..................................................... 09

Figura 3.12 – Representação de iluminância igual a 1 lux.............................. 10

Figura 3.13 – Representação ilustrativa para a equação 3.2.......................... 11

Figura 3.14 – Representação ilustrativa para a equação 3.3.......................... 12

Figura 3.15 – Escala de temperatura de cor em graus Kelvin........................ 14

Figura 3.16 – Curvas de distribuição espectral de algumas fontes................. 15

Figura 4.1 – Classificação de valores de UGR segundo a norma CIE 117 – 1995.................................................................................................................. 18

Figura 5.1 – Interior da lâmpada vapor metálico com tubo de quartzo............ 19

Figura 5.2 – Exemplo de lâmpada vapor metálico formato tubular.................. 20

Figura 5.3 – Exemplo de lâmpada vapor metálico formato elipsoidal.............. 20


11/98

Figura 5.4 – Exemplo de lâmpada vapor metálico tipo PAR............................ 21

Figura 5.5 – Estrutura geral de luminária vapor metálico para posto de

combustível...................................................................................................... 21

Figura 5.6 – Estrutura geral de um chip semicondutor com liberação defótons em resposta ao estímulo causado pela corrente contínua que oatravessa.......................................................................................................... 22

Figura 5.7 – Estrutura de construção geral do: (a) LED convencional e (b)LED de alta potência........................................................................................ 23

Figura 5.8 – O princípio de Bining.................................................................... 24

Figura 5.9 – Exemplificação da organização de um lote de LEDs de acordocom seu tipo de BIN......................................................................................... 24

Figura 5.10 – Estrutura LED RGB ampliada para visualização dos três tiposde chip semicondutor que a constituem........................................................... 25

Figura 5.11 – Fluxo de corrente e dissipação térmica: (a) LED convencionale (b) LED de alta potência................................................................................ 26

Figura 5.12 – Estrutura geral de luminária LED para posto de combustível.... 26

Figura 5.13 – Reator eletromagnético para lâmpada vapor metálico ou sódiode 70W com informações elétricas e diagrama de ligação impressos nacarcaça............................................................................................................. 28

Figura 5.14 – Diagrama de blocos de uma fonte linear................................... 32

Figura 5.15 – Diagrama de blocos de uma fonte chaveada............................. 33

Figura 5.16 – Diagrama de blocos exemplificando o sistema fonte de

alimentação + driver.........................................................................................

33Figura 5.17 – Diagrama exemplificando LEDs ligados à fonte com driver detensão constante.............................................................................................. 34

Figura 5.18 – Diagrama exemplificando LEDs ligados à fonte com driver decorrente constante............................................................................................ 35

Figura 5.19 – Copo de chopp ilustrando explicação do fator de potência....... 35

Figura 5.20 – Exemplo de sinal com distorção harmônica............................... 37

Figura 5.21 – Exemplos de ângulos de emissão luminosa.............................. 40


12/98

Figura 5.22 – Exemplo de fotometria de uma placa com 48 LEDs (a) semlente e (b) com lente......................................................................................... 41

Figura 5.23 – Influência da temperatura de trabalho (derivação) dos LEDsna emissão de luminosidade da luminária....................................................... 45

Figura 5.24 – Depreciação do fluxo luminoso ao longo do tempo paradiferentes temperaturas de trabalho................................................................ 46

Figura 5.25 – Caminho da dissipação térmica de uma luminária LED............ 46

Figura 6.1 – Demarcação de áreas classificadas em um posto decombustível...................................................................................................... 48

Figura 6.2 – Elevação com demarcação de áreas classificadas em um postode combustível................................................................................................. 48

Figura 6.3 – Valores de uniformidade para áreas de tarefa e entornoimediato............................................................................................................ 50

Figura 7.1 – Planta da pista de abastecimento pedágio 3 ilhas (medidasdadas em centímetros)..................................................................................... 51

Figura 7.2 – Corte transversal da pista de abastecimento pedágio 3 ilhas

(medidas dadas em centímetros)..................................................................... 51

Figura 7.3 – Luminária Philips modelo MBS 901............................................. 52

Figura 7.4 – Luminária Conexled modelo CLC-P120....................................... 52

Figura 7.5 – Distribuição das luminárias Philips modelo MBS-901 na áreapadrão escolhida do posto de combustível (medidas apresentadas emmetros)............................................................................................................. 54

Figura 7.6 – Dados gerais utilizados na simulação computacional para oambiente com luminárias Philips MBS-901 (fator de manutenção, potênciageral de consumo do sistema entre outros)..................................................... 55

Figura 7.7 – Efeito luminoso da área do posto com luminárias Philipsmodelo MBS-901.............................................................................................. 55

Figura 7.8 – Gráfico de valores de iluminância E (horizontal) relativos aoplano de trabalho em Z=0,75m com luminárias Philips modelo MBS-901....... 56

Figura 7.9 – Gráfico de valores de UGR para luminárias MBS-901, segundo

olhos do observador posicionados à altura Z=1,75m, considerando que osfrentistas trabalham em pé............................................................................... 56


13/98

Figura 7.10 – Distribuição de luminárias Conexled modelo CLC-P120 naárea padrão escolhida do posto de combustível (medidas apresentadas emmetros)............................................................................................................. 58

Figura 7.11 – Dados gerais utilizados na simulação computacional para oambiente com luminárias Conexled CLC-P120 (fator de manutenção,potência geral de consumo do sistema entre outros)...................................... 59

Figura 7.12 – Efeito luminoso da área do posto com luminárias Conexledmodelo CLC-P120............................................................................................ 59

Figura 7.13 – Gráfico de valores de iluminância E (horizontal) relativos aoplano de trabalho em Z=0,75m com luminárias Conexled modelo CLC-P120 60

Figura 7.14 – Gráfico de valores de UGR para luminárias CLC-P120,segundo olhos do observador posicionado à altura Z=1,75m, considerandoque os frentistas trabalham em pé................................................................... 60


14/98

LISTA DE TABELAS

PÁG Tabela 1 – Classificação do comportamento de equipamentos em ensaiosde compatibilidade eletromagnética................................................................ 38

Tabela 2 – Graus de proteção indicados pelo primeiro numeral daclassificação IP.............................................................................................. 42

Tabela 3 – Graus de proteção indicados pelo segundo numeral daclassificação IP................................................................................................ 43

Tabela 4 – Graus de proteção ao impacto (IK)................................................ 44

Tabela 5 – Especificação de Em, UGR e Ra de acordo com o tipo deambiente de trabalho e tarefas ou atividades neles executadas..................... 49

Tabela 6 – Recomendação do tamanho da grade de pontos paraelaboração de projetos e cálculos de verificação via softwares...................... 50

Tabela 7 – Cálculo para estimativa do fator de manutenção utilizandoluminária Philips com lâmpada Osram HQI-T250W/DPro............................... 54

Tabela 8 – Cálculo para estimativa do fator de manutenção utilizandoluminária Conexled com LED XTE CREE....................................................... 58

Tabela 9 – Custos de compra, instalação e manutenção de luminárias ecomponentes.................................................................................................... 61

Tabela 10 – Estudo comparativo de viabilidade econômica........................... 62

Tabela 11 – Características de fabricação das luminárias e seuscomponentes.................................................................................................... 63

Tabela 12 – Resultados das simulações fotométricas avaliandoatendimento do projeto de substituição para NBR-5413................................. 64

Tabela 13 – Análise de pontos para os sistemas de iluminação LED e vapormetálico analisados no trabalho...................................................................... 67


15/98

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

A’ – Área Aparente

cd – unidade da Intensidade luminosa (candelas)

CIE – Comission Internacionale L’Eclairage

E – Iluminância

EMC – Compatibilidade Eletromagnética

EMI – Interferência Eletromagnética

Ex – Simbologia de equipamento com proteção para áreas classificadas

FP – Fator de potência

Hz – unidade da Frequência (Hertz)

I – Intensidade luminosa

J – unidade da Energia de impacto (joules)

kV – 10³ volts (kilovolt)

L – Luminância

LED – Diodo emissor de luz

lm – unidade do Fluxo luminoso ( lúmens)

lx – unidade da Iluminância (lux)

MTBF – Tempo médio entre falhas

nm – m (Nanômetro)

P – Potência Ativa

R – Potência Reativa

S – Potência Aparente


16/98

Sr – ângulo sólido em esferorradianoTHD – Distorção Harmônica Total

Tj – Temperatura de junção

U – Fator de uniformidade luminosa

UGR – Índice de ofuscamento unificado

W – unidade da Potência (Watts)

- Fluxo luminoso

η – Eficiência luminosa

- ângulo sólido

- Refletância

- Transmitância

- Fator de absorção

λ – Comprimento de onda


17/98

SUMÁRIO

P G

1 – INTRODUÇÃO................................................................................................................. 01

2 – OBJETIVO....................................................................................................................... 02

3 – LUZ, GRANDEZAS E UNIDADES FOTOM TRICAS.................................................... 03

3.1 – Luz: Conceituação e propriedades................................................................... 03

3.2 – Grandezas e unidades fotométricas................................................................. 06

3.2.1 – Fluxo radiante (P) e fluxo luminoso ()........................................................... 063.2.2 – Eficiência luminosa ().................................................................................. 073.2.3 – Intensidade luminosa (I)................................................................................ 083.2.4 – Iluminância (E)............................................................................................. 103.2.5 – Luminância (L)............................................................................................. 113.2.6 – Refletância ()............................................................................................. 133.2.7 – Transmitância ()......................................................................................... 133.2.8 – Fator de Absorção ()................................................................................... 133.2.9 – Temperatura de Cor ..................................................................................... 143.2.10 – Índice de reprodução de cores (IRC ou Ra)................................................... 153.2.11 – Vida útil, média e mediana.......................................................................... 16

4 – FATORES E NDICES UTILIZADOS NA AN LISE DE PROJETOSLUMINOTÉCNICOS.............................................................................................................. 17

4.1 – Fator de Uniformidade (U).................................................................................. 17

4.2 – Índice de ofuscamento unificado (UGR)........................................................... 17

5 – VAPOR METÁLICO E LED: CONCEITUAÇÃO E DISPOSITIVOS PERIFÉRICOSPARA FUNCIONAMENTO.................................................................................................... 19

5.1 – Lâmpada vapor metálico.................................................................................... 19

5.2 – LED: Diodo Emissor de Luz............................................................................... 22

5.3 – Dispositivos de acionamento, estabilização e controle.................................. 275.3.1 – Reatores..................................................................................................... 27

5.3.1.1 – Reatores Eletromagnéticos.................................................................... 295.3.1.2 – Reatores Eletrônicos............................................................................ 30

5.3.2 – Ignitores...................................................................................................... 315.3.3 – Fontes de alimentação para LEDs................................................................. 325.3.4 – Alguns parâmetros de qualificação e desempenho.......................................... 35

5.3.4.1 – Fator de Potência (FP).......................................................................... 355.3.4.2 – Distorção Harmônica Total (THD)............................................................ 365.3.4.3 – Interferência e compatibilidade eletromagnética.......................................... 385.3.4.4 – Tempo médio entre falhas (MTBF) e vida útil.............................................. 395.3.4.5 – Fator de fluxo luminoso(FFL)/Fator de reator(FR)/ Ballast factor(BF)................ 39

5.4 – Elementos para direcionamento da luz: Refletores e lentes.......................... 40


18/98

5.5 – Proteção da fonte de luz e equipamentos auxiliares....................................... 42

5.5.1 – Índice de proteção (IP).................................................................................. 425.5.2 – Índice de impacto (IK).................................................................................... 445.5.3 – Dissipação térmica........................................................................................ 45

6 – NORMAS E EXIGÊNCIAS PARA ILUMINAÇÃO DE POSTOS DE COMBUSTÍVEL 47

6.1 – Exigências para equipamentos instalados em ambientes de áreasclassificadas................................................................................................................. 47

6.2 – Requisitos para iluminação de ambientes de trabalho................................... 49

7 – PROJETO: ELEMENTOS DE ANÁLISE COMPARATIVA............................................. 51

7.1 – Introdução............................................................................................................ 51

7.2 – Simulações de desempenho fotométrico com as luminárias escolhidas..... 537.2.1 – Simulações, cálculos e resultados para luminária Philips modelo MBS-901......... 537.2.2 – Simulações, cálculos e resultados para luminária Conexled modelo CLC-P120.. 57

7.3 – Análise da viabilidade econômica..................................................................... 61

7.4 – Análise global...................................................................................................... 63

8 – CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................................ 66

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................... 69

GLOSSÁRIO......................................................................................................................... 72

ANEXO A............................................................................................................................... 73

ANEXO B............................................................................................................................... 76

ANEXO C............................................................................................................................... 78

ANEXO D............................................................................................................................... 79

ANEXO E............................................................................................................................... 80


19/98

1

1. INTRODUÇÃO

Com o advento do LED (Diodo emissor de luz) a iluminação e os

profissionais que realizam projetos luminotécnicos entraram numa nova era. Não

há mais individualização entre fonte emissora de luz (lâmpada) e elementos para

distribuição/direcionamento de luz (luminária), mas sim o tratamento desses

novos dispositivos como sistema de iluminação.

A utilização do LED em projetos exigiu mais dos profissionais de

luminotécnica. Hoje, além da necessidade do conhecimento dos conceitos

fotométricos (como efeitos de luz, direcionamento, ofuscamento, etc) e da visão

para realização da integração entre o espaço arquitetônico e sua iluminação; a

busca pelos conhecimentos de eletrônica tornou-se essencial para permitir aos

profissionais, segurança na aplicação e no entendimento do funcionamento

desses sistemas de iluminação. Pois isso é o que possibilita ao projetista ou

especialista da área, ser capaz de avaliar a qualidade dos tipos de luminárias LED

entre as muitas opções hoje comercializadas. As quais, infelizmente, pela falta de

informação e conhecimento do mercado, abrem portas para divulgação maciça deinformações distorcidas.

Com o intuito de esclarecer e tornar-se uma referência a mais no

contexto citado, este trabalho apresenta uma análise comparativa entre luminárias

vapor metálico e luminárias/sistemas de iluminação LED para aplicação em

postos de combustível. Tratando desde o detalhamento dos elementos

constituintes até a análise dos resultados fotométricos de cada um dos tipos de

luminárias; com o propósito de avaliar a aplicabilidade, em termos dedesempenho luminotécnico e viabilidade econômica, de uma em relação à outra.


20/98

2

2 – OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é ser capaz de apresentar elementos

analíticos e objetivos para o entendimento da avaliação do desempenho de

luminárias vapor metálico e LED, considerando parâmetros importantes tanto para

o projetista quanto para o usuário final (cliente/funcionário) e o proprietário do

posto de combustível.

A escolha pela apresentação de um estudo comparativo que envolve

um sistema de iluminação com LED se dá pela necessidade, considerando as

inúmeras e confusas novas informações do mercado, de saber identificar um LED

de qualidade e como avaliar seu desempenho em relação à tecnologia vapor

metálico. Que por sua vez foi escolhida por possuir características como luz

branca, eficiência luminosa e IRC (índice de reprodução de cores) relativamente

altos; características semelhantes às dos sistemas de iluminação LED utilizados

para aplicação em postos de combustível.

Pelo fato desse tipo de ambiente possuir dimensões padrão, com

pouca ou nenhuma variação, e por isso fazer com que o trabalho possa servir debase para comparações e pesquisas futuras, foi escolhida como área de estudo e

aplicação um posto de combustível.

Os objetivos específicos estão relacionados ao levantamento dos

termos e elementos a serem considerados na realização da análise comparativa

final do projeto. Entre eles é possível destacar: o desempenho fotométrico

(iluminância, fluxo luminoso, IRC, depreciação luminosa e etc), desempenho dos

dispositivos que constituem as luminárias, normas exigidas para nível deiluminação e vedação do equipamento para o tipo de local especificado, conforto

do usuário e viabilidade econômica.


21/98

3

3 – LUZ, GRANDEZAS E UNIDADES FOTOMÉTRICAS

Para o entendimento dos parâmetros apresentados nos catálogos das

luminárias (como curvas fotométricas) e interpretação dos resultados das

simulações de desempenho fotométrico presentes neste trabalho, faz-se

imprescindível a breve introdução sobre luz, conceitos e grandezas fotométricas

presentes neste capítulo.

3.1 – Luz: Conceituação e propriedades

À faixa de radiações do espectro eletromagnético visível ao olho

humano denomina-se luz. Esta faixa, compreendida entre 380 e 780 nm

(nanômetros), possui cada um de seus comprimentos de onda com uma

determinada cor e uma sensação diferente aos nossos olhos; pois estes não são

igualmente sensíveis a todas as cores do espectro visível.

Figura 3.1 – Espectro eletromagnético

Fonte: site http://refensdafisica.tumblr.com/post/19975814934/espectro-eletromagnetico acessado em 25.03.13

http://refensdafisica.tumblr.com/post/19975814934/espectro-eletromagneticohttp://refensdafisica.tumblr.com/post/19975814934/espectro-eletromagneticohttp://refensdafisica.tumblr.com/post/19975814934/espectro-eletromagneticohttp://refensdafisica.tumblr.com/post/19975814934/espectro-eletromagnetico


22/98

4

Figura 3.2 – Curva internacional de intensidade espectral relativa

Fonte: site http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-

relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.html

Acessado em 25.03.13

A figura 3.2 indica como varia a sensibilidade de um olho humano

médio aos diversos comprimentos de onda da luz. A curva tracejada à direita

corresponde à sensibilidade média do olho humano para altos níveis de luz

incidentes na superfície de um local ou objeto, através dela pode-se notar que

nossa maior acuidade visual é para o comprimento de onda de 555nm, que

corresponde ao amarelo-esverdeado. Para o vermelho e o violeta, nossa

acuidade visual é pequena.

Alguns fenômenos também podem interferir em nossa percepção ou

maneira de enxergar a luz e suas cores. São eles:

- Dispersão: Ocorre quando a luz passa através de um prisma ou

similar. Neste caso o aparecimento das cores segue sempre a ordem da onda de

maior para a de menor comprimento;

Figura 3.3 – Processo de dispersão da luz

Fonte: [32] da Referência Bibliográfica

http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.htmlhttp://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.htmlhttp://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.htmlhttp://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.htmlhttp://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.htmlhttp://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-materias-relacionadas/326-o-espectro-das-fontes-de-luz-e-os-niveis-baixos-de-iluminacao-o-basico.html


23/98

5

- Difração: Ocorre quando a luz fragmenta-se a partir de um desvio;

Figura 3.4 – Exemplos de difração da luz

Fonte: Site http://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/10/difracao.html

Acessado em 25.03.13

-Transmissão: Ocorre quando a luz atravessa um material praticamente

sem alteração. Exemplo: luz atravessando material transparente;

- Interferência: Ocorre quando a luz passa entre películas muito finas,

como óleo ou água, ou em situações que não permitem a completa penetração

das ondas da luz. Este fenômeno ocorre geralmente acompanhado dos

fenômenos de absorção e reflexão da luz.

- Absorção e reflexão: Todos os objetos ou materiais sobre os quais a

luz se incide possuem propriedades de reflexão seletiva. Isto é, absorvem certos

comprimentos de onda da luz incidente e refletem outros, fazendo com que a

composição espectral da luz refletida seja diferente da incidente. Assim é que

podemos identificar a aparência de cor dos materiais e objetos.

Figura 3.5 – Incidência de luz branca em superfície com propriedade de reflexão para o vermelho


http://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/10/difracao.htmlhttp://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/10/difracao.htmlhttp://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/10/difracao.htmlhttp://2.bp.blogspot.com/-ayMD8_Ki_ts/UJKA9Ji808I/AAAAAAAABys/uqwnh6s-leE/s1600/difra.jpghttp://polemicascmm.blogspot.com.br/2012/10/difracao.html


24/98

6

3.2 – Grandezas e unidades fotométricas

3.2.1 – Fluxo radiante (P) e fluxo luminoso (ø)

O fluxo radiante (P), potência (W) da radiação eletromagnética emitida

ou recebida por um corpo, é composto por frações visíveis e não visíveis, como

no caso da radiação térmica (infravermelho) sentida ao se acender uma lâmpada

incandescente.

À componente visível do fluxo radiante dá-se o nome de fluxo luminoso

(ø), que possui unidade no SI (sistema internacional) dada em lúmem (lm). O

lúmem é definido como “fluxo luminoso emitido no interior de um ângulo sólido

igual a um esterradiano, por uma fonte puntiforme de intensidade invariável e

igual a 1 candela (ver item 3.2.3), de mesmo valor em todas as direções. Na

prática, fontes consideradas puntiformes são aquelas que possuem uma distância

do objeto iluminado 5 vezes maior que sua maior dimensão.

Figura 3.6 – Exemplos de fontes com seus respectivos valores de fluxo luminoso



25/98

7

3.2.2 – Eficiência Luminosa (η)

Eficiência luminosa (η) de uma fonte de luz é a relação entre o fluxo

luminoso total emitido pela fonte e a potência por ela absorvida.

η =

(3.1)

Figura 3.7 – Conversão de potência em fluxo luminoso (eficiência luminosa)


A unidade da eficiência luminosa no SI é lúmen/Watt (lm/W).

Essa grandeza é muito utilizada pelos luminotécnicos para análise

comparativa dos rendimentos das fontes de luz utilizadas nos projetos.

A figura 3.8 aponta e compara as eficiências luminosas de algumas das

principais fontes luminosas do mercado em relação aos diversos tipos de LED da

empresa CREE, uma das maiores produtoras mundiais de diodo emissor de luz.

Figura 3.8 – Eficiência luminosa típica de algumas fontes de luz

Fonte: Apresentação comercial CREE IS LED LIGHTING 2011


26/98

8

3.2.3 – Intensidade luminosa (I)

Apesar de o fluxo radiante exprimir a potência de uma fonte de luz, não

indica como esta distribui a energia irradiada. A importância da direção de sua

propagação é vital no estudo do comportamento das fontes luminosas, pois

mesmo que estas possuam igual potência, uma delas, numa dada direção, pode

emitir muito mais energia que a outra, e assim modificar os efeitos e resultados

luminotécnicos desejados para o ambiente.

À propagação da luz numa determinada direção, dentro de um ângulo

sólido (ω), dá-se o nome de intensidade luminosa (I), sendo sua unidade no SIdesignada por candela cd.

Figura 3.9 – Intensidade luminosa


A distribuição dos valores de intensidade luminosa máxima de uma

fonte de luz em cada direção do espaço pode ser representada por meio da

chamada curva fotométrica. Esta curva é levantada por meio de um sistema de

planos que interseccionam a luminária. Sendo que o método mais utilizado, tantopara luminárias de interior quanto para de exterior, é o sistema C, .

O sistema C, , definido pela Comission Internacionale L`Eclairage

(CIE), é um sistema de planos ortogonais (figura 3.10), sendo que dentro de cada

plano C são definidos ângulos , os quais identificam a direção para realização

das medições dos valores de intensidade luminosa.


27/98

9

Figura 3.10 – Sistema de planos C


No Brasil o Inmetro (Instituto Nacional de metrologia, qualidade e

tecnologia) utiliza este sistema para realizar a medição e elaboração das curvas

fotométricas para as luminárias comercializadas no país.

Figura 3.11 – Exemplo de curva fotométrica, para identificação do comportamento de irradiação da

luminária

Fonte: Montagem realizada pela autora


28/98

10

3.2.4 – Iluminância (E)

A iluminância (E), ou também conhecida como iluminamento, é a

medida da quantidade de luz incidente numa superfície por unidade de área.

Sendo sua unidade no SI dada por lux (lx = lúmen/m²). A Inglaterra e os Estados

Unidos utilizam como unidade de iluminância o foot-candle(fc = lúmem/pé²).

Figura 3.12 – Representação de iluminância igual a 1 lux


A figura 3.12 mostra o fluxo luminoso de 1 lm irradiado pela fonte de

intensidade de 1cd, num ângulo de 1 esferorradiano (sr), incidindo sobre uma

área de 1m². A iluminância também pode ser relacionada com a intensidade

luminosa de uma fonte através da equação 3.2.

E =

(3.2)

Onde I é a intensidade luminosa (cd), E a iluminância (lx) em um

determinado ponto de um plano horizontal, h altura de instalação (m) da luminária

em relação ao plano horizontal onde se encontra o ponto, e α ângulo de abertura


29/98

11

(º) entre o vetor que representa a posição do ponto no plano citado e o vetor

perpendicular ao eixo da luminária, conforme pode ser observado através da

figura 3.13.

Figura 3.13 – Representação ilustrativa para a equação 3.2


A equação 3.2 representada acima é conhecida como expressão para

cálculo do iluminamento horizontal presente no método conhecido como cálculo

do ponto a ponto.

3.2.5 – Luminância (L)

Fisicamente, a luminância é um tipo de estímulo visual que tem como

resposta a sensação de brilho e matematicamente é definida como a intensidade

luminosa por unidade de área aparente de uma superfície numa dada direção.

Sendo que a área aparente, A’, é a área que a superfície parece ter do ponto devista do observador.


30/98

12

A unidade da luminância no SI é a candela/metro² (cd/m²), sendo

representada pela equação 3.3 abaixo.

L =

(3.3)

Figura 3.14 – Representação ilustrativa para a equação 3.3


Onde A’ é a área aparente da superfície; A é a área real da superfície; β é o ângulo entre o vetor normal da superfície e a direção de observação e é

a intensidade luminosa na direção considerada.

A luminância pode ser representada através de um fator que a

relaciona com o valor de iluminância e fator de reflexão da superfície como pode

ser observado através da equação 3.4.

L =

(3.4)

Onde ρ é o fator de reflexão da superfície.

O fator de luminância, como é conhecido o L da equação 3.4, é

utilizado pelo método das iluminâncias para realização de cálculos para

iluminação exterior.


31/98

13

3.2.6 – Refletância (ρ)

À relação entre o fluxo luminoso refletido () por uma superfície e o

fluxo luminoso incidente (ø) sobre a mesma é dado o nome de refletância (ou

fator de reflexão), sendo geralmente apresentada em forma de porcentagem.

ρ =

(3.5)

3.2.7 – Transmitância ()

Transmitância (ou fator de transmissão) () é definido pela relação

entre o fluxo luminoso transmitido por uma superfície () e o fluxo luminoso que

incide sobre a mesma (ø).

=

(3.6)

3.2.8 – Fator de absorção ()

Fator de absorção () é a relação entre o fluxo luminoso absorvido por

uma superfície () e o fluxo luminoso que incide sobre a mesma (ø).

=

(3.7)

A reflexão, transmitância e absorção podem ser relacionadas através

da equação 3.8. = 1 (3.8)


32/98

14

3.2.9 – Temperatura de cor

Tendo em vista a dificuldade em se avaliar, classificar ou comparar a

sensação de tonalidade de cor da luz emitida pelas fontes luminosas, foi

estipulado um parâmetro definido como temperatura de cor, medida em Kelvin

(K).

Para entendimento da forma de classificação da temperatura de cor

das fontes luminosas é utilizado um exemplo conhecido tecnicamente como

Radiador de Plank. Que nada mais é que a observação do aquecimento de uma

barra de ferro. E à medida que esta é aquecida começa a mudar de cor passandode avermelhado para laranja, amarelo até à cor branca azulada no ponto de

fusão. Portanto, quanto mais próxima a tonalidade da cor estiver do branco

azulado, mais alto será o valor de sua temperatura de cor.

Figura 3.15 – Escala de temperatura de cor em graus Kelvin

Fonte: Autora


33/98

15

3.2.10 – Índice de reprodução de cores (IRC ou Ra)

Embora a luz branca contenha as sete cores do espectro, nem todas

as fontes de luz branca contêm igual composição espectral. Por exemplo, a luz do

sol ao meio-dia apresenta espectro de cores bastante uniforme (figura 3.16a),

enquanto uma lâmpada incandescente contém uma grande quantidade de

vermelho (figura 3.16b). Lâmpadas fluorescentes são normalmente deficientes no

vermelho, mas apresentam picos de amarelo/verde e algumas partes de azul

(figura 3.16c).

Figura 3.16 – Curvas de distribuição espectral de algumas fontes


Como cada fonte de luz possui um tipo de distribuição espectral, um

objeto pode ter sua cor real com aparência modificada dependo da fonte que o

ilumina. Assim, à relação de correspondência entre a cor real de um objeto e a

fidelidade com a qual esta se apresenta quando iluminada por uma fonte de luz

dá-se o nome de índice de reprodução de cores (IRC ou Ra).

Esse índice possui um método de classificação derivado de um jogo de

8 cores teste, que são iluminadas por uma fonte de luz de referencia (IRC = 100)

e pela fonte de luz a ser testada, onde as duas são comparadas visualmente para

definir o quão próximo a luz de teste reproduz as cores vistas sob a fonte de

referência. Esta forma de classificação foi definida pela CIE e é um das maisconhecidas.


34/98


35/98

17

4 – FATORES E ÍNDICES UTILIZADOS NA ANÁLISE DE

PROJETOS LUMINOTÉCNICOS

4.1 – Fator de uniformidade (U)

O fator de uniformidade (U) é um dos critérios que os projetistas

utilizam para avaliar a qualidade da distribuição da luz no projeto, encontra-se nas

normas referenciado através de valores mínimos de acordo com cada tipo de

projeto, e é utilizado para assegurar que os usuários possuam iluminação

suficiente para realização da tarefa em todos os pontos da área analisada. Assim

como o valor de iluminância média necessária num ambiente, a exigência para o

valor ideal do fator de uniformidade pode variar; para ambientes internos de

acordo com o tipo de atividade ou precisão desejada; para áreas desportivas varia

de acordo com o tipo de esporte e modalidade (recreativo, competitivo ou

profissional) e para os casos de iluminação pública varia de acordo com o tipo de

via e o movimento de veículos e pessoas pela mesma. Este fator é definido pela

relação entre a iluminância mínima e a média da área de trabalho considerada,

como pode ser observado na equação 4.1.

(4.1)

4.2 – Índice de ofuscamento unificado (UGR)

O ofuscamento é a sensação visual produzida por áreas brilhantes

dentro do campo de visão e pode ser experimentado tanto como um ofuscamento

desconfortável quanto um ofuscamento inabilitador. É interessante limitá-lo, pois

pode causar fadiga visual, erros e até mesmo acidentes.


36/98

18

O ofuscamento pode também ser causado por reflexões em superfícies

especulares sendo conhecido neste caso como ofuscamento refletido.

Para controlar o ofuscamento desconfortável e inabilitador, a CIE

definiu um índice conhecido como UGR (Unified Glare Rating ), traduzido como

índice de ofuscamento unificado. Este índice é representado através de uma

expressão matemática (equação 4.2) com variáveis que possuem relação direta e

indireta com a causa de um possível ofuscamento, tais como, brilho da luminária,

luminância do fundo da tarefa, ângulo sólido entre fonte e o olho do observador e

etc.

(4.2)

Onde:

- Lb é a luminância de fundo (cd/m²);

- Ls é a luminância da parte parte luminosa de cada luminária na direção do olho

do observador;

- ω é o ângulo sólido entre a parte luminosa de cada luminária junto ao olho do

observador (esterradiano);- p é o índice de posição Guth de cada luminária individualmente relacionado ao

seu deslocamento a partir da linha de visão.

Figura 4.1 – Classificação de valores de UGR segundo a norma CIE 117 - 1995



37/98

19

5 – VAPOR METÁLICO E LED: CONCEITUAÇÃO E DISPOSITIVOS

PERIFÉRICOS PARA FUNCIONAMENTO

5.1 – Lâmpada Vapor Metálico

A lâmpada vapor metálico, ou também conhecida como multivapores

metálicos, é uma lâmpada de vapor de mercúrio aperfeiçoada. Além do mercúrio,

contém em seu interior iodetos metálicos que permitem a alteração do espectro

de irradiações, possibilitando uma luz com maior qualidade na reprodução de

cores (IRC> 90), alto rendimento luminoso e alteração da temperatura de cor na

faixa entre 3000K e 6000K (dependendo do fabricante).

Figura 5.1 – Interior da lâmpada de vapor metálico com tubo de quartzo


Patenteada no início do século XX por Charles Steinmetz, a produção

de luz pela lâmpada vapor metálico é realizada por meio de descarga elétrica

através do gás no interior de um tubo, necessitando de reator e ignitor para

estabilização da corrente e realização do pulso de partida respectivamente. Este

último podendo chegar a até 4500 volts.

A descarga elétrica normalmente se processa através de um tubo dequartzo, mas um desenvolvimento em relação ao modelo tradicional trouxe a


38/98

20

tecnologia do tubo cerâmico. As lâmpadas de tubo cerâmico possuem vida mais

longa, são mais eficientes e apresentam um IRC mais constante ao longo da vida

útil, em comparação às de tubo de quartzo.

As lâmpadas de vapor metálico podem ser dividas em três grupos

principais, segundo seu formato: tubulares, elipsoidais e refletoras.

- Tubulares: Com arco curto (para luminárias compactas e luz predominantemente

concentrada ou dirigida), ou arco longo (para luminárias grandes e luz difusa),

tanto com tecnologia tradicional de tubo de quartzo quanto a mais recente de tubo

cerâmico. Com valores de potência baixa, média ou alta, podem ser fabricadas

contendo uma única base ou com base bilateral, mas devem ser utilizadasapenas em luminárias fechadas com vidro de proteção.

Figura 5.2 – Exemplo de lâmpada vapor metálico formato tubular

Fonte: Pesquisa Google imagens 25.02.13 – referência à lâmpada vapor metálico tubular

- Elipsoidais: Possuem um bulbo exterior em forma ovoide. As potências inferiores

a 150W podem ser utilizadas em luminárias abertas, mas as de potência maior

(250W ou 400W, com bulbo externo revestido com camada fluorescente) só

podem ser instaladas em luminárias fechadas.

Figura 5.3 – Exemplo de lâmpada vapor metálico formato elipsoidal

Fonte: Pesquisa Google imagens 25.02.13 – referência à lâmpada vapor metálico elipsoidal

http://lampadasrj.com.br/image/cache/data/2/powerstar_hqi_e__46880-500x500.jpg


39/98

21

- Refletoras: Lâmpadas do tipo PAR (sigla para refletor parabólico de alumínio em

inglês) com vidro duro e prensado, que as fazem suficientemente resistentes para

utilização em ambientes comerciais como shopping centers, dispensando vidros

para proteção adicional ou uso de luminárias. Neste caso o refletor, que tem a

função de direcionar a luz, já faz parte do corpo da lâmpada.

Figura 5.4 – Exemplo de lâmpada vapor metálico tipo PAR

Fonte: Google imagens acessado em 25.02.13 – referência à lâmpada vapor metálico PAR.

A estrutura geral que possibilita o funcionamento adequado de uma

lâmpada vapor metálico para posto de combustível, foco do trabalho em questão,possui composição conforme apresentado na figura 5.5.

Figura 5.5 – Estrutura geral de luminária vapor metálico para posto de combustível

Fonte: Montagem realizada pela autora com fotos de catálogo Philips

Onde resumidamente temos:

1) – Lâmpada: Fonte emissora de luz;

http://lampadasrj.com.br/image/cache/data/2/lamp._hci_par_30__01669-500x500.jpg


40/98

22

2) – Corpo da Luminária: Função de proteger a lâmpada contra impactos, água,

poeira e pó, além de realizar o direcionamento da luz através do refletor interno,

sendo que alguns modelos podem possuir aletas antiofuscamento;

3) – Reatores: Limitação e estabilização da corrente aos níveis exigidos pelo

projeto da lâmpada;

4) – Ignitor: Fornecer o pico de tensão para iniciar a descarga da lâmpada

5.2 – LED: Diodo emissor de luz

O LED (Sigla em inglês para Diodo emissor de luz) é um componente

eletrônico semicondutor que tem a propriedade de transformar energia elétrica em

luz através de um processo conhecido como eletroluminescência.

A eletroluminescência, diferente dos processos encontrados nas

lâmpadas convencionais (aquecimento de filamento até sua incandescência,descarga elétrica através de gases, entre outros), consiste na produção de luz

(fótons) em resposta a um estímulo causado pela passagem de uma corrente

elétrica através de um material (no caso, o chip Semicondutor).

Figura 5.6 – Estrutura geral de um Chip semicondutor com liberação de fótons em resposta ao

estímulo causado pela corrente contínua que o atravessa.

Fonte: Site www.conexled.com.br acessado em 27.02.13

http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/


41/98

23

Na figura 5.7 é possível visualizar a estrutura geral interna de dois tipos

diferentes de LED, o convencional (figura 5.7 (a)) e o de alta potência (figura 5.7

(b)). O LED convencional possui principal aplicação na função de sinalizador

(como por exemplo, luz que identifica aparelhos eletroeletrônicos em stand by ), já

os de alta potência possuem principal aplicação na iluminação funcional (em

aparelhos como luminárias para iluminação residencial, pública, corporativa,

iluminação de corredores em ônibus e metrôs, entre outros.).

Figura 5.7 – Estrutura de construção geral do:

(a) LED Convencional e (b) LED de alta potência


O componente mais importante de um LED é o chip semicondutor,

responsável pela geração de luz. Este chip possui dimensões muito reduzidas,

mas sua estrutura geral amplificada pode ser observada através da figura 5.6.

A temperatura de cor da luz emitida por um LED está relacionada ao

tipo de dopagem (interferência na composição química) do chip semicondutor,

que devido ao processo de eletroluminescência libera fótons em um determinado

comprimento de onda, caracterizando assim sua aparência de cor.

Apesar disso, essa temperatura de cor pode ser modificada através da

inserção de uma camada de fósforo revestindo o encapsulamento do chip

semicondutor. Por exemplo, um LED branco de alta potência pode ser originado a

partir do revestimento com fósforo no encapsulamento de um chip semicondutor

que emite luz no comprimento de onda que corresponde à cor Azul.

Os LEDs são produzidos em lotes, mas, ainda que pertençam a ummesmo lote, podem ter variações de dopagem e de fósforo que resultam em



42/98

24

variações para sua aparência de cor de luz. Por esse fato foi criada a divisão dos

LEDs de acordo com o princípio de Binning de cor. O princípio de Binning de cor

consiste na organização dos LEDs por meio de subdivisões identificadas por

coordenadas x e y centradas em torno de temperaturas de cor definidas,

conforme pode ser observado através da figura 5.8.

Figura 5.8 – O princípio de Bining

Fonte: Norma ANSI C78.377A - Especificações para cromaticidade de produtos de iluminação

em estado sólido

Figura 5.9 – Exemplificação da organização de um lote de LEDs de acordo com seu tipo de BIN


Quanto mais subdivisões forem exigidas para seleção de cor de um

LED, mais uniforme será a temperatura de cor da placa de LEDs composta por

eles e mais cara ela se tornará.


43/98

25

No caso dos LEDs RGB (do inglês Red – Green – Blue) a aparência de

cor mutável se dá através do acendimento simultâneo de mais de um tipo de chip

semicondutor, sendo que estes são dopados de forma a emitir luz nos

comprimentos de onda que correspondem à cor vermelha, verde e azul; podendo

gerar outras cores através do sistema de combinação de cores de luz que é

aditivo (isto é, vermelho, verde e azul juntos formam a cor Branca). Muitas vezes

não percebemos que existem três tipos diferentes de chips semicondutores na

constituição do LED RGB pelo fato dos mesmos estarem agrupados num só

encapsulamento, como pode ser observado na figura 5.10.

Figura 5.10 – Estrutura LED RGB ampliada para visualização dos três tipos de chip semicondutor

que a constituem

Fonte: Google imagens acessado em 11.03.13 – referência à Encapsulation-RGB.

A luz emitida pelos LEDs é fria devido a não emissão de infravermelho

em seu feixe luminoso. Entretanto, durante o processo de eletroluminescência, no

qual há uma recombinação entre elétrons e lacunas no material do chip

semicondutor, além de luz também há potência dissipada em forma de calor; com

valores maiores ou menores dependendo do tipo e potência do LED. Nos LEDs

convencionais esse calor é quase imperceptível, seu fluxo percorre o mesmo

caminho da corrente elétrica, sendo dissipado através da trilha de cobre da placa

de circuito impresso. Já os LEDs de Alta potência, por gerarem mais luz e,

consequentemente, uma quantidade de calor maior que os convencionais,

possuem caminhos térmicos e elétricos distintos, com retirada de calor através do

acoplamento de um dissipador térmico à sua base (ver figura 5.11).


44/98

26

Figura 5.11 – Fluxo de corrente e dissipação térmica para:

(a) LED Convencional e (b) LED de Alta Potência.


Assim, para os LEDs de Alta potência, as interfaces térmicas e

dissipadores de calor são essenciais para garantir a operação dentro dos limites

de temperatura de junção especificados pelo fabricante, evitando uma

depreciação luminosa mais rápida e consequente diminuição da vida útil do LED.

A estrutura geral que possibilita o funcionamento adequado de sistema

de iluminação LED de alta potência para posto de combustível, foco do trabalhoem questão, possui composição conforme apresentado na figura 5.12.

Figura 5.12 – Estrutura geral de luminária LED para posto de combustível

Fonte: Montagem realizada pela autora com fotos de catálogos das empresas Cree, Conexled,

Meanwel, Khatod e Dow Corning



45/98

27

Onde resumidamente temos:

1) – Placa de LED: Fonte emissora de luz;

2) – Lentes: Realizar o direcionamento da luz, evitando também o ofuscamento.

Este item pode não existir em alguns modelos de luminárias, pois dependendo de

sua altura de instalação, o ângulo de abertura de fabricação do LED (algo em

torno de 100º à 140º simétrico), originado pela lente plástica de encapsulamento

do chip semicondutor, já pode ser suficiente para promover o direcionamento da

luz e o valor de uniformidade adequado às exigências normativas;

3) – Corpo da Luminária: Função de proteger a placa de LED contra impactos,

água, poeira e pó, além de realizar a função de dissipação de calor através de

uma estrutura de metal aletada (Geralmente de alumínio, com variações de

pureza dependendo do fabricante);

4) – Interface Térmica: Auxiliar na transferência de calor, preenchendo o espaço

entre a placa de LED e a estrutura de metal aletada, reduzindo a resistênciatérmica e melhorando o desempenho do dissipador através da diminuição da

quantidade de ar entre as áreas de contato.

5) – Fonte Chaveada/Driver: Função de conversão AC/DC, isto é, conversão do

sinal da rede de alternado (AC) para Contínuo (DC), no qual o LED opera.

5.3 – Dispositivos de acionamento, estabilização e controle

5.3.1 – Reatores

São equipamentos auxiliares necessários para proporcionar o

funcionamento contínuo de uma lâmpada de descarga através da


46/98

28

limitação/estabilização da corrente de alimentação ao nível de operação

adequado à exigência de projeto do tipo de lâmpada ao qual estejam conectados.

Quando o reator não possui as características elétricas adequadas ao

funcionamento da lâmpada à qual está conectado, há uma estabilização de

corrente abaixo ou acima do necessário, podendo causar baixa emissão de luz ou

a queima prematura da lâmpada; além de um superaquecimento que pode

aumentar o consumo de energia e colocar a segurança da instalação em risco.

Normalmente os reatores para qualquer tipo de lâmpada de descarga

trazem impressas, na parte superior da carcaça, as informações do tipo de

lâmpada, potência, corrente e tensão de funcionamento, diagrama de ligação e

etc. Como pode ser observado na figura 5.13.

Figura 5.13 – Reator eletromagnético para lâmpada vapor metálico ou sódio de 70W com

informações elétricas e diagrama de ligação impressos na carcaça

Fonte: Foto autora

Existem no mercado dois tipos diferentes de reatores, oseletromagnéticos e os eletrônicos.


47/98

29

5.3.1.1 – Reatores eletromagnéticos

São os mais antigos, compostos de um núcleo de ferro e de um

enrolamento de cobre, impregnados com resina de poliéster adicionado com

carga mineral tendo grande poder de isolamento. Conhecidos como reatores

pesados, trabalham numa frequência de 60 Hz; sendo esta baixa frequência

responsável pela intermitência e efeito estroboscópico. Podem ainda ser

subdivididos em duas categorias, segundo o tipo de partida:

- Partida convencional: Necessitam de um starter para o acendimento dalâmpada. Indicados para locais úmidos, de baixa temperatura ou sem condições

de aterramento;

- Partida Rápida: Não há a necessidade de starter e a lâmpada acende

rapidamente (desde que associado ao uso de uma luminária com chapa metálica

devidamente aterrada). Neste tipo, os filamentos da lâmpada são constantemente

aquecidos pelo reator, possibilitando o acendimento da lâmpada num curtoespaço de tempo. Indicados para ambientes agressivos, por exemplo, onde há

atividades de galvanoplastia.

Com vida média em torno de 20 anos, os reatores eletromagnéticos

atendem lâmpadas de todas as potências (até 3500W) e são extremamente

resistentes tanto à intempéries atmosféricas quanto às oscilações da rede

elétrica. Estes são alguns dos motivos que fazem com que reatores desse tiposejam largamente utilizados em lâmpadas de descarga a alta pressão (vapor de

mercúrio, sódio e multivapores metálicos) com potências superiores à 150W.


48/98

30

5.3.1.2 – Reatores eletrônicos

São reatores conhecidos como “leves”, constituídos por componentes

eletrônicos (capacitores, indutores, resistores, circuitos integrados entre outros)

que compõem três diferentes blocos funcionais:

Fonte: Responsável pela redução da tensão de alimentação da rede e

conversão desta de alternada para contínua, assim como supressão de sinais de

radiofrequência, proteção dos componentes eletrônicos do conversor contra

surtos de tensão e limitação da injeção de componentes harmônicos na rede dealimentação;

Inversor: Responsável pela conversão da tensão/corrente contínua em

tensão/corrente alternada de alta frequência;

Circuito de partida e estabilização: Este circuito está associado normalmente

ao inversor. Em geral, são utilizadas indutâncias e capacitâncias combinadas de

forma a fornecer parâmetros elétricos adequados aos requisitos da lâmpada àqual o reator está conectado.

Quanto ao acendimento da lâmpada podem ser subdivididos em:

- Partida Rápida: O acendimento é controlado eletronicamente pelo sistema de

pré-aquecimento dos filamentos da lâmpada. O reator gera uma pequena tensão

em cada filamento e, em seguida, uma tensão de circuito aberto entre osextremos da lâmpada. Esta partida possibilita a emissão de elétrons por efeito

termo-iônico. O tempo entre a energização do reator e o acendimento da lâmpada

ocorre em torno de 1s a 2,5 s.

- Partida instantânea: Nesse sistema não há o pré-aquecimento dos filamentos. O

reator gera diretamente a tensão de circuito aberto para o acendimento da

lâmpada.


49/98

31

Os reatores eletrônicos possuem grandes vantagens em relação aos

eletromagnéticos, entre elas é possível destacar:

Operam a alto fator de potência, chegando a cerca de 0,99;

Reduzem as oscilações das lâmpadas e praticamente eliminam o efeito

estroboscópico devido à alta frequência com que operam;

Apresentam baixa distorção harmônica;

Permite elevar a vida útil da lâmpada;

Possibilitam redução do consumo de energia através da dimerização e

utilização de sistemas inteligentes.

OBS: O fato de um reator ser eletrônico não significa que ele apresentará todos

os benefícios que um reator que utiliza essa tecnologia pode oferecer. Por

exemplo, um reator eletrônico que trabalha em alta frequência pode ser de um

modelo que não possua filtros eficientes capazes de impedir interferências em

computadores, sistemas de segurança, equipamentos hospitalares, entre outros.

Assim, quando se deseja um sistema elétrico de qualidade, deve-se ficar atento

às informações técnicas que indicam a performance do reator, antes de realizarsua compra. Além disso, é importante ressaltar que os reatores eletrônicos ainda

não atendem todas as faixas de potência de lâmpadas.

5.3.2 – Ignitores

São equipamentos auxiliares utilizados em lâmpadas do tipo vapor de

sódio e metálico, para gerar uma série de pulsações de tensão, da ordem de 1 a 5

kV (dependendo do projeto de fabricação do tubo da lâmpada, do tipo de gás e

sua pressão), com o intuito de iniciar a descarga destas, processo popularizado

como “dar a partida na lâmpada”. Uma vez iniciada a operação da lâmpada o

ignitor deixa automaticamente de emitir pulsos.

Quando se compra um reator, em alguns casos, o ignitor pode ter suaexistência despercebida pelo fato de já estar incorporado ao primeiro, em outros,


50/98

32

apesar de haver comercialmente três tipos diferentes de ignitores (ignitor

derivação, série e paralelo), a maior parte dos fabricantes já indica no catálogo de

venda qual o conjunto (reator + ignitor) ideal para o tipo e potência da lâmpada à

qual serão conectados. Dessa forma, para o trabalho em questão, esse assunto

não necessitará de uma abordagem mais aprofundada.

OBS: Para não comprometer o acendimento das lâmpadas de descarga, deve-se

manter o ignitor e o reator o mais próximo possível desta e estar sempre atento à

especificação do fabricante com relação à distância máxima permitida.

5.3.3 – Fontes de alimentação para LEDs

As fontes de alimentação dos sistemas de iluminação LED possuem a

função de realizar a conversão do sinal da rede, que é alternado (AC), para

contínuo (DC), no qual o LED opera. Existem dois tipos diferentes de fontes, as

lineares e as chaveadas.Uma das principais características de uma fonte do tipo linear é o

trabalho em baixa frequência, que faz com que seus elementos construtivos,

como o transformador, possuam maior peso e tamanho físico, caracterizando-a

como grande e pesada. Além disso, esse tipo de fonte praticamente não emite

interferências eletromagnéticas. Uma desvantagem desse tipo de fonte é o baixo

rendimento, em torno de 30 à 60%, devido à alta potência dissipada sobre o

transistor principal da fonte. A figura 5.14 apresenta o diagrama de blocos de umafonte do tipo Linear.

Figura 5.14 – Diagrama de blocos de uma fonte linear



51/98

33

A fonte do tipo chaveada trabalha em alta frequência, o que torna seus

dispositivos de construção menores e mais leves. No entanto, a operação em alta

frequência leva à geração de interferências eletromagnéticas, fazendo essencial

nesse tipo de fonte a presença de filtros que minimizem esses efeitos; tornando

necessária a padronização da fonte dentro das normas que limitam as taxas de

EMI, assim como acontece com os reatores eletrônicos. Umas das maiores

vantagens da fonte chaveada, além do tamanho e peso reduzidos, é o alto

rendimento, algo em torno de 80 a 90%, devido à menor dissipação de potência

na chave; características que têm contribuído para o emprego maciço desse tipo

de fonte no mercado de iluminação com LED. A figura 5.15 apresenta o diagrama

de blocos de uma fonte do tipo chaveada.

Figura 5.15 – Diagrama de blocos de uma fonte chaveada


Tanto as fontes lineares quanto as chaveadas podem ter seus

parâmetros de saída (tensão ou corrente) controlados através de um circuito que

leva a denominação de driver . O driver é comercializado incorporado ao circuito

da fonte de alimentação formando um sistema único. Assim, pelo fato de

visualmente constituírem um único bloco, muitos nomeiam, equivocadamente, afonte de alimentação com saída controlada apenas como driver .

Figura 5.16 – Diagrama de blocos exemplificando o sistema fonte de alimentação + driver

Fonte: Autora


52/98

34

Os drivers podem promover dois tipos de controle para a saída, tensão

constante ou corrente constante.

Os drivers do tipo tensão constante fornecem uma saída com tensão

fixa para a alimentação dos LEDs, sendo a limitação da corrente feita por meio de

resistores ligados em série com os LEDs ou por meio de um circuito limitador que

pode vir junto da placa de LED ou já estar integrado dentro do próprio driver . O

driver de tensão constante é empregado em casos onde não se conhece a

quantidade de LEDs que farão parte do circuito; pois a fixação da tensão permite

que mais cargas possam ser conectadas em paralelo com a saída do driver, até

que seja atingida a corrente máxima/limite especificada por seu projeto. A

aplicação desses tipos de drivers é comum em fontes de alimentação para, porexemplo, painéis de LED de sinalização de tráfego ou propaganda, onde a

quantidade de LEDs acesos é variável.

Figura 5.17 – Diagrama exemplificando LEDs ligados à fonte com driver de tensão constante


Os drivers do tipo corrente constante fornecem uma saída com

corrente fixa para a alimentação dos LEDs, sendo que o valor da tensão cresce

proporcionalmente ao aumento da quantidade de LEDs ligados em série,

respeitando-se o valor máximo/limite da tensão de projeto do driver . Este tipo de

driver é utilizado quando a quantidade de LEDs do circuito é conhecida/fixa e

quando se deseja manter invariável o fluxo luminoso do LED mesmo que haja

oscilação no valor de tensão de alimentação da Rede; sendo esta ultima

característica diretamente ligada à vida útil do LED.


53/98

35

Figura 5.18 – Diagrama exemplificando LEDs ligados à fonte com driver de corrente constante.


5.3.4 – Alguns Parâmetros de qualificação e desempenho

5.3.4.1 - Fator de Potência (FP)

O fator de potência de um equipamento, à grosso modo, é um

parâmetro utilizado para auxiliar na identificação de sua eficiência energética, isto

é, quanto da energia drenada da rede de alimentação esse equipamento

efetivamente aproveitará para realizar seu funcionamento.

Para melhor entendimento podemos ilustrar a explicação com o famoso

exemplo do copo de chopp.

Figura 5.19 – Copo de chopp ilustrando explicação do fator de potência

Fonte: Google imagens acessado em 19.02.13 – referência ao Fator de potência.

Como pode ser observado na figura 5.19, a porção líquida do copo

representa a potência ativa “P” (com unidade de medida em W), isto é, energia

que será efetivamente utilizada em trabalho (que realmente será utilizada para


54/98

36

“matar a sede”). Junto com o líquido há uma espuma ocupando espaço no copo,

que restará no recipiente e não será aproveitada para “matar a sede”, ela

representa a potência reativa “R” (com unidade de medida em KVAr) e está

relacionada à energia que não é aproveitada para realização do funcionamento

efetivo do equipamento, à produção dos campos elétrico e magnético e às perdas

devido aquecimento de condutores ou dispositivos. Por fim, o copo, com líquido e

espuma, representa a energia total drenada da rede de alimentação chamada de

potência aparente “S” (com unidade de medida em VA); este nome facilita o

entendimento, pois a potência aparente é a energia que “parece” estar disponível

para utilização efetiva, mas que na realidade só terá uma parte aproveitada para

realização de trabalho (só o líquido “mata a sede”). A partir dos conceitos básicos apresentados acima é possível

identificar o fator de potência conforme a equação 5.1.

(5.1)

5.3.4.2 - Distorção Harmônica Total (THD)

É uma taxa expressa em porcentagem (%) que, simplificadamente,

quantifica a capacidade do dispositivo em gerar interferências no sinal de

alimentação da rede à qual está conectado. Estas interferências são

denominadas harmônicas, que, por sua vez, são ondas que possuem amplitude

menor e frequência múltipla da onda fundamental (no caso, sinal senoidal puro da

rede) possuindo efeito destrutivo sobre a última.


55/98

37

Figura 5.20 – Exemplo de sinal com distorção harmônica

Fonte: Google imagens acessado em 19.02.13 – referência à distorção harmônica

Quanto menor o valor de THD de um equipamento mais apropriado ele

será para utilização em redes que necessitam de um sistema elétrico de

qualidade.

Entre os efeitos danosos das harmônicas sobre os equipamentos

elétricos e eletrônicos é possível destacar:

(1) Em máquinas rotativas (motores e geradores): Alterações de acionamento

e aumento de aquecimento no ferro e no cobre (afetando a eficiência

energética, o torque disponível e a vida útil do equipamento);

(2) Em transformadores: Perdas no cobre devido à redução da área

efetivamente condutora, causada pela elevação da frequência da corrente;

(3) Em cabos de Alimentação: Aumento da resistência do condutor em função

do campo magnético produzido pelos condutores adjacentes;

(4) Em equipamentos eletrônicos: Alteração ou inviabilidade do funcionamento

ou acionamento do equipamento, principalmente se este utilizar a dinâmica

de cruzamento com o “zero”, como ocorre em alguns sistemas de

automação para controle de iluminação (por exemplo);

(5) Em relés de proteção e fusíveis: Aquecimento, redução da vida útil e

eventual operação inadequada.


56/98

38

5.3.4.3 - Interferência e compatibilidade eletromagnética

Interferência eletromagnética (EMI) é uma perturbação ou distúrbio

eletromagnético provocado por elementos dos circuitos internos de equipamentos

eletroeletrônicos (ou por eventos naturais, como descargas atmosféricas), capaz

de se propagar tanto no vácuo quanto por meios físicos, e que pode provocar

uma degradação no desempenho de um equipamento. Esta degradação pode

resultar, por exemplo, em uma obstrução ou falha na comunicação de dispositivos

de uma rede de computadores, problemas no acionamento de alarmes ou

sistemas de segurança, queima de circuitos eletrônicos, ruídos elétricos na redede alimentação, falhas em sistemas de iluminação automatizados e etc.

A coexistência de equipamentos de tecnologias diferentes, emissores

de energia eletromagnética, cria a problemática de torná-los compatíveis com o

ambiente onde estão instalados. Assim surge o conceito de compatibilidade

eletromagnética (EMC), que possibilita a classificação de um equipamento

segundo o tipo de ambiente eletromagnético ao qual será empregado.

As normas de compatibilidade eletromagnética da IEC (InternationalElectrotechnical Commission) classificam os equipamentos em classes de A à D,

conforme o comportamento dos mesmos durante os ensaios. Esta classificação é

apresentada na tabela 1.

Tabela 1 – Classificação do comportamento de equipamentos em ensaios de

compatibilidade eletromagnética


Equipamentos com comportamento Classe C e D devem ser totalmente

evitados. Aqueles de Classe B podem ser aceitos desde que o equipamento não


57/98

39

vá operar em locais de processos críticos e seja admitido seu desligamento

momentâneo e ocasional, por exemplo, ambientes residenciais; mas o julgamento

fica a critério do comprador.

Os equipamentos do tipo Classe A podem ser aceitos sem restrições,

com principal aplicação em ambientes industriais.

5.3.4.4 - Tempo médio entre Falhas (MTBF) e vida útil

O MTBF (Mean Time Between Failures)�

vapor metálico e led: estudo comparativo de luminárias para aplicação em postos de combustível

Documents