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8/20/2019 Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para aplicação em postos de combustível
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CENTRO UNIVERSITÁRIO SENAC
Vanessa Puggina de Holanda
Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para
aplicação em postos de combustível
SÃO PAULO2013
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VANESSA PUGGINA DE HOLANDA
Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para
aplicação em postos de combustível
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
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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
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Aluna: Vanessa Puggina de Holanda
Vapor Metálico e LED: Estudo comparativo de luminárias para
aplicação em postos de combustível
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
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Ao m eu querido esposo Dirceu,
pelo incent ivo, amizade e companheir ismo
em todos os momentos de minha vida
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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- 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
Fonte: [18] da Referência Bibliográfica
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
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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
Fonte: [1] da Referência Bibliográfica
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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)
Fonte: [1] da Referência Bibliográfica
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
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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
Fonte: [1] da Referência Bibliográfica
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.
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Figura 3.10 – Sistema de planos C
Fonte: [13] da Referência Bibliográfica
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
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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
Fonte: [1] da Referência Bibliográfica
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
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(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
Fonte: [33] da Referência Bibliográfica
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.
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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
Fonte: [18] da Referência Bibliográfica
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.
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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)
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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
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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
Fonte: [1] da Referência Bibliográfica
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.
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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.
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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
Fonte: [15] da Referência Bibliográfica
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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
Fonte: [4] da Referência Bibliográfica
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
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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
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- 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
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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/
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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
Fonte: Site www.conexled.com.br acessado em 27.02.13
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
http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/
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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
Fonte: [20] da Referência Bibliográfica
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.
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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).
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Figura 5.11 – Fluxo de corrente e dissipação térmica para:
(a) LED Convencional e (b) LED de Alta Potência.
Fonte: Site www.conexled.com.br acessado em 27.02.13
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
http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/http://www.conexled.com.br/
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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
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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.
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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.
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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.
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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,
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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
Fonte: [10] da Referência Bibliográfica
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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
Fonte: [10] da Referência Bibliográfica
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
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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
Fonte: [20] da Referência Bibliográfica
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.
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Figura 5.18 – Diagrama exemplificando LEDs ligados à fonte com driver de corrente constante.
Fonte: [20] da Referência Bibliográfica
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
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“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.
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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.
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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
Fonte: [12] da Referência Bibliográfica
Equipamentos com comportamento Classe C e D devem ser totalmente
evitados. Aqueles de Classe B podem ser aceitos desde que o equipamento não
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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)�