UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
ANDERSSON ANDRÉ PELLENZ
ANÁLISE DA QUALIDADE DAS LÂMPADAS LED COMERCIAZADAS
NO MERCADO BRASILEIRO
Santa Rosa 2016
ANDERSSON ANDRÉ PELLENZ
ANÁLISE DA QUALIDADE DAS LÂMPADAS LED COMERCIAZADAS
NO MERCADO BRASILEIRO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Douglas Camponogara
Santa Rosa 2016
ANDERSSON ANDRÉ PELLENZ
ANÁLISE DA QUALIDADE DAS LÂMPADAS LED COMERCIAZADAS
NO MERCADO BRASILEIRO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Santa Rosa, 04 de julho de 2016
Prof. Douglas Camponogara Doutor pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador Prof.(a). Taciana Paula Enderle Coordenadora do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA Douglas Camponogara (UNIJUÍ) Doutor pela Universidade Federal de Santa Maria Gilson Rogério Batista (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal de Campina Grande
À minha família e aos meus amigos.
AGRADECIMENTOS
A minha família, especialmente aos meus pais, Édio e Maria, e à meu irmão Fernando, por todo apoio, motivação e confiança depositada em mim.
A minha namorada Luciane, que esteve sempre ao meu lado me apoiando e incentivando durante essa caminhada.
Ao meu orientador professor Dr. Eng. Douglas Camponogara, pelos ensinamentos e disposição durante o decorrer deste trabalho.
Ao professor Dr. Eng. Marco Antônio Dalla Costa da Universidade Federal de Santa Maria que possibilitou e disponibilizou o uso do laboratório do GEDRE para realização dos ensaios luminotécnicos e elétricos.
Ao professor Me. Eng. Diogo Vargas que me auxiliou e acompanhou na realização dos ensaios elétricos no laboratório da UFSM.
Ao acadêmico em Engenharia Elétrica, Rudimar Spannemberg Jr. que dedicou algumas horas de seu tempo para me auxiliar na realização dos ensaios luminotécnicos.
“A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original”
RESUMO
PELLENZ, Andersson. André. Analise da qualidade das lâmpadas LED comercializadas no mercado brasileiro. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016. Este trabalho apresenta uma análise da qualidade das lâmpadas bulbo LED comercializadas no mercado brasileiro. Inicialmente são apresentados e definidos alguns termos técnicos relacionados a área de iluminação, bem como as características das lâmpadas LED, os tipos de chip LED e os drivers de acionamento utilizados em lâmpadas desse modelo. Na sequência temos um breve resumo da portaria 389, a qual estabelece os requisitos mínimos para o processo de certificação das lâmpadas LED. Definidos e expostos os parâmetros utilizados nos ensaios realizados, são então apresentados os resultados obtidos nos ensaios luminotécnicos e elétricos. E por fim uma análise dos drivers utilizados pelas lâmpadas em questão, avaliando o desempenho dessas em relação ao que define a portaria 389.
ABSTRACT
PELLENZ, Andersson. André. Análise da qualidade das lâmpadas LED comercializadas no mercado brasileiro. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Santa Rosa, 2016. This paper presents a quality analysis of LED light bulbs that are sold in the Brazilian market. First, some technical terms related to lighting area, as well as LED light bulbs features, LED chip types, and the drive circuits used on this model of light bulbs are presented and defined. Next, is presented a summary of ordinance 389, which establishes the minimum requirements for LED bulbs certification. After, we introduce and define the parameters used on the tests; and present the results of lighting and electrical tests. Lastly, an analysis of the drive circuits used on the lamps in question is shown, evaluating its performance related to what ordinance 389 defines. Keywords: LED. Ordinance 389. Certification.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Temperatura de cor de diferentes lâmpadas. ... 23
Figura 2 - LED HP (a) e LED HB (b). ... 25
Figura 3 - Encapsulamento dos LEDs (a) HB e (b) HP. ... 26
Figura 4 - Lâmpada bulbo LED. ... 40
Figura 5 - Parte interna da esfera integradora... 42
Figura 6 - Lâmpada Philips. ... 45
Figura 7 - Relatório de teste na esfera integradora. ... 46
Figura 8 - Lâmpada marca 'A'. ... 47
Figura 9 - Relatório de teste da lâmpada A1 na esfera integradora. ... 48
Figura 10 - Lâmpada marca 'B'. ... 49
Figura 11 - Relatório de teste da lâmpada B1 na esfera integradora. ... 50
Figura 12 - Lâmpada marca 'C'. ... 51
Figura 13 - Relatório de teste da lâmpada C1 na esfera integradora. ... 52
Figura 14 – Tensão e corrente na lâmpada Philips. ... 55
Figura 15 - Forma de onda da lâmpada A1. ... 56
Figura 16 – Forma de onda da lâmpada A2. ... 57
Figura 17 – Forma de onda da lâmpada A3. ... 58
Figura 18 – Forma de onda da lâmpada B1. ... 59
Figura 19 – Forma de onda da lâmpada B2. ... 60
Figura 20 – Forma de onda da lâmpada B3. ... 61
Figura 21 – Forma de onda da lâmpada C1. ... 62
Figura 22 – Forma de onda da lâmpada C2. ... 63
Figura 23 – Forma de onda da lâmpada C3. ... 64
Figura 24 - Circuito da lâmpada Philips. ... 66
Figura 25 - Circuito e placa LED da lâmpada Philips. ... 67
Figura 26 - Circuito da lâmpada da marca "A". ... 68
Figura 27 - Circuito e placa LED da lâmpada da marca "A". ... 68
Figura 28 - Circuito da lâmpada da marca "B". ... 70
Figura 29 - Circuito e placa LED da lâmpada da marca "B". ... 70
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Temperatura de cor correlata e tolerâncias. ... 36
Tabela 2 - Limite para 6.000 H... 38
Tabela 3 - Dados luminotecnicos da amostra referência. ... 46
Tabela 4 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "A". ... 47
Tabela 5 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "B". ... 49
Tabela 6 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "C". ... 51
Tabela 7 - Dados elétricos da amostra referência. ... 54
Tabela 8 - Dados elétricos das amostras da marca "A". ... 56
Tabela 9 - Dados elétricos das amostras da marca "B". ... 59
Tabela 10 - Dados elétricos das amostras da marca "C". ... 62
Tabela 11 - Componentes da lâmpada Philips... 67
Tabela 12 - Componentes da lâmpada da marca "A". ... 69
Tabela 13 - Componentes da lâmpada da marca "B". ... 71
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas EBTS Extra Baixa Tensão de Segurança
IEC Comissão Eletrotécnica Internacional IRC Índice de Reprodução de Cor
LED Diodo Emissor de Luz
LFC Lâmpadas Fluorescentes Compactas NBR Norma Brasileira
SUMÁRIO
1 Introdução ... 16 2 Revisão Bibliográfica ... 21 2.1 Fluxo luminoso ... 21 2.2 Eficácia luminosa ... 21 2.3 Vida útil ... 22 2.4 Temperatura de cor ... 222.5 Índice de reprodução de cor (IRC) ... 23
2.6 LED ... 24
2.7 LEDs como fonte de luz. ... 24
2.8 Caraterísticas construtivas dos LEDs ... 25
2.9 Diferentes tipos de chip LED ... 25
2.10 LEDs de Potência ... 26
2.11 Influência da forma de onda de corrente sobre a fotometria do LED ... 27
2.12 Temperatura de operação do LED ... 28
2.13 Obtenção da cor branca no LED ... 28
2.14 Circuitos de acionamento de LEDs ... 29
2.15 Eficiência luminosa média das lâmpadas LED ... 30
3 Portaria n. ° 389 – Certificação lampadas LED ... 31
3.1 Objetivo ... 31
3.2 Aplicação da portaria ... 31
3.3 Definições ... 32
3.3.1 Lâmpadas LED com dispositivo de controle integrado ... 32
3.3.2 Valor nominal ... 32
3.3.4 Valores Iniciais ... 33
3.3.5 Vida útil – Manutenção de fluxo do LED (L70) ... 33
3.3.6 Tempo de estabilização ... 33
3.4 Requisitos técnicos referente a segurança ... 33
3.4.1 Requisitos gerais ... 33
3.4.2 Marcação ... 34
3.4.3 Proteção contra contato acidental com partes vivas ... 34
3.4.4 Resistencia de isolação ... 34
3.4.5 Rigidez dielétrica ... 34
3.5 Requisitos técnicos referentes a eficiência energética ... 35
3.5.1 Características Elétricas e Fotométricas ... 35
3.5.2 Ensaio de manutenção de fluxo e definição de vida nominal ... 37
3.5.3 Qualificação para realização de ensaios de 3 000 h ... 37
3.5.4 Realização dos ensaios de 3 000 h e 6 000 h ... 38
3.5.5 Ensaio a resistência ... 39
3.5.6 Ciclos térmicos e ciclos de comutação ... 39
4 Ensaios Luminotécnicos ... 40
4.1 lÂmpadas analisadas ... 40
4.2 Esfera Integradora ... 41
4.3 ensaios luminotécnicos ... 43
4.3.1 Ensaio da amostra referência ... 45
4.3.2 Ensaio das amostras marca “A” ... 47
4.3.3 Ensaio das amostras marca “B” ... 49
4.3.4 Ensaio das amostras marca “C” ... 51
5 Ensaios Elétricos ... 54
5.1 Amostra referência - Philips ... 54
5.2 Amostras da marca “A” ... 56
5.3 Amostras da marca “B” ... 59
5.4 Amostras da marca “C” ... 62
5.5 Resultados dos ensaios elétricos ... 65
6 Circuito elétricos das lâmpadas em análise. ... 66
6.1 Circuito e componentes da lâmpada Philips ... 66
6.2 Circuito e componentes da lâmpada da marca “A”... 68
6.3 Circuito e componentes da lâmpada da marca “B” ... 70
6.4 Circuito e componentes da lâmpada da marca “C” ... 72
6.5 Resultados da análise dos drivers ... 73
7 Conclusão ... 74
1 INTRODUÇÃO
O uso de fonte de luz artificial ocorreu pela primeira vez na era pré-histórica, quando o homem descobriu o fogo, que é considerado a primeira fonte de luz artificial. Esse foi por séculos o único meio de se obter luz artificial, tendo algumas evoluções com o surgimento das velas de parafinas e do lampião, mas que mesmo assim ainda usavam o fogo como meio de obtenção de energia em forma de luz (COSTA, 2005).
No entanto a evolução das fontes de iluminação teve uma avanço significativo no século XVIII, quando após inúmeros experimentos surgiu a primeira lâmpada comercialmente viável, criada por Thomas Edison e Joseph Swan. A mesma emitia luz através do aquecimento de um filamento de carbono quando esse era percorrido por uma corrente elétrica, o funcionamento é similar ao das lâmpadas incandescentes atuais. Havia sido criado a primeira forma de obtenção de luz por meio de energia elétrica, um avanço importante para a história da humanidade (CAMPONOGARA, 2015).
A possibilidade da obtenção de luz através de energia elétrica causou inúmeras mudanças no cenário mundial. As empresas puderam estender seus períodos de trabalho uma vez não dependiam mais apenas da iluminação natural.
Com o aumento considerável do uso de lâmpadas, a iluminação artificial começou a representar uma parcela significativa do consumo de energia elétrica produzida. O crescente aumento na demanda de energia elétrica tornou a busca por sistemas de iluminação mais eficientes cada vez mais importante.
O fato da emissão de luz das lâmpadas incandescentes ocorrer através de aquecimento, permite que essas apresentem vantagens como, um alto índice de reprodução de cor, fator importante que faz com que os objetos por essa iluminados tenham sua cor reproduzida de maneira semelhante do que quando estão iluminados pela luz natural. A aplicação dessas também é atrativa quando busca-se conforto visual uma vez que apresentam baixa temperatura de cor.
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Por outro lado o baixo rendimento e eficiência desse modelo foi um fator de grande importância para a busca por fontes de iluminação alternativas, já que apenas aproximadamente 8% da energia consumida pelas lâmpadas incandescentes é transformada em luz visível.
Com baixa eficácia luminosa e vida útil reduzida aos poucos as lâmpadas incandescentes foram perdendo espaço para as lâmpadas fluorescentes tubulares, também conhecidas com lâmpadas de descarga. Nesse modelo a luz é produzida através da passagem de corrente elétrica em um gás ou mistura de gases contidas em um tubo, é aplicada uma tensão elevada nos eletrodos o que faz a tensão vencer a rigidez dielétrica do meio gasosos (PINTO, 2008).
Além de apresentar eficácia luminosa e vida útil maior as lâmpadas fluorescentes apresentam ainda algumas outras vantagens, como o fato de não produzir calor excessivo e a possibilidade de obter uma temperatura de cor de 6500 K, o que resulta em uma luz branca.
Por outro lado essas lâmpadas apresentam como desvantagens a necessidade do uso de reatores externos e seu tamanho grande em comprimento o que torna o uso das mesma complicado quando a intensão é o uso de uma luminária pequena. Além disso os gases presentes na composição dessas são tóxicos e por isso a necessidade do descarte correto no fim da vida útil das mesmas (PINTO, 2008).
Com o intuito de eliminar o uso de reatores externos e a necessidade de reduzir o tamanho desse modelo de lâmpada, foram criadas as lâmpadas fluorescentes compactas (LFC). Apresentando tamanho reduzido, reator integrado e base igual a das lâmpadas incandescentes, as fluorescentes compactas facilitaram a substituição das incandescentes.
No Brasil esse modelo de lâmpada ganhou força em 2001, após a crise energética que afetou o país. Como a demanda de energia elétrica aumentou muito o governo incentivou o uso das lâmpadas fluorescentes compactas na tentativa de reduzir o consumo, o que funcionou em partes. Com aumento na procura pelas LFC, principalmente para aplicação na iluminação residencial, ouve uma invasão de produtos de baixa qualidade. Para resolver isso o governo decidiu fiscalizar essas lâmpadas, determinando em 2007 que as mesmas devem passar por um processo de certificação e serem aprovadas pelo INMETRO para que possam ser comercializadas no mercado brasileiro (PINTO, 2008).
Dessa forma conseguiu-se fazer um controle da qualidade das lâmpadas FLC comercializadas, garantindo segurança e confiabilidade aos consumidores, tanto que esse modelo é o mais usado atualmente em iluminação de residências e ambientes internos.
Mesmo com todas essas vantagens as lâmpadas FLC ganharam um grande concorrente e provável substituto, as lâmpadas LED que entraram no mercado brasileiro nos últimos anos. As lâmpadas LED (Diodos Emissores de Luz), dispositivos semicondutores que produzem luz através da combinação de elétrons e lacunas em um material solido. Esse modelo vem ganhando mercado pelo fato de apresentar maior eficácia luminosa e vida útil do que as LFC. No intuito de normatizar e certificar a qualidade dessas lâmpadas foram estabelecidas algumas normas técnicas mínimas que devem ser seguidas para a comercialização dessas.
Trata-se do programa de certificação para as lâmpadas LED que entrou em vigor em dezembro de 2015 (ROSADO, 2015). Existe porém algumas questões em discussão, pelo fato de se tratar de tecnologia inteiramente diferente da tecnologia das lâmpadas convencionais no mercado o processo de certificação desse modelo é mais complexo e mais demorado.
A Abilumi (Associação Brasileira de Importadores de Produtos de Iluminação) tem insistido na necessidade de certificação para esses produtos, pois entende que é a única maneira de tirar do mercado as lâmpadas importadas de baixa qualidade que, além de promoveram um concorrência injusta no mercado, colocam em risco os usuários e suas instalações (ROSADO, 2015).
Outro fator que leva ao grande interesse da Abilumi em certificar os produtos LED, é o fato de muitas lâmpadas não corresponderem ao que indicam em cima da embalagem, o que faz com que o consumidor possa estar levando para casa um produto que consume mais do que indicado na embalagem ou que tenha um fluxo luminoso menor do que o informado.
Para que esse processo de certificação seja eficiente, é de extrema importância que ocorra um estudo integrado entre as partes interessadas (importadores, fabricantes, agentes certificadores e laboratórios) e que os mesmo definam parâmetros e aspectos técnicos que resultem em um produto de qualidade com valor a altura do nicho de mercado a qual são destinadas.
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É necessário compreender que não adianta querer lâmpadas LED de alto padrão, pois isso iria torna-las muito caras. É importante sim, ter produtos de qualidade, porém sem um custo muito elevado, tendo em vista que uma grande fatia do mercado consumidor é constituída por brasileiros de baixa renda, que até pouco tempo compravam lâmpadas incandescentes.
Entende-se que o processo de certificação tem como objetivo oferecer a todos os brasileiros um produto com boa relação custo-benefício, com eficiência, consumo baixo e que dure e ilumine o que informa na embalagem.
Como o LED é uma tecnologia em franca evolução, e o Brasil ainda não possui instituições desenvolvendo trabalhos e pesquisas na questão da qualidade e eficiência e durabilidade dos produtos LED, cabe aos órgãos de normatização adotar e seguir as pesquisas, bem como os programas de qualidade desenvolvidos em outros países como nos Estado Unidos (ROSADO, 2015). Isso tornará as lâmpadas LED comercializadas no Brasil um produto globalizado, com padrões semelhantes a outros países.
Seguindo esse conceito de um produto globalizado e vendo a necessidade de adotar um critério seguro e confiável de certificação a Abilumi, insiste para que o Inmetro adote os parâmetros e critérios de certificação do programa Norte Americano, ENERGY STAR. Renomado e respeitado programa de qualificação e certificação de produtos, trata-se de um programa com critérios rígidos que foram criados após testes em laboratórios conceituados mundialmente.
A adoção de métodos de certificação comprovadamente eficientes é sem dúvida, um fator de grande importância para que se tenha em um curto espaço de tempo produtos LED importados e produzidos de qualidade e com uma boa relação custo benefício.
A implementação e adoção de metodologias que ainda não estão em estudo pode acabar trazendo produtos de baixa qualidade para o Brasil, ou fazendo com que os produtos trazidos sejam desnecessariamente sofisticados e consequentemente caros e com valores fora de mercado (ROSADO, 2015).
Além de todo esse processo de certificação e de garantia de qualidade e eficiência das lâmpada LED, cabe aos fabricantes e entidades certificadoras a difícil missão de ensinar e
conscientizar o consumidor a escolher os produtos LED pelo fluxo luminoso que produzem e não só pela potência.
Com base na portaria 389, a qual regulamenta a certificação das lâmpadas LED com dispositivo de controle integrado, será apresentado no decorrer desse trabalho uma análise da qualidade desses produtos comercializados atualmente no mercado brasileiro. Esse estudo foi realizados seguindo parâmetros definidos na portaria citada acima.
Esse trabalho tem como objetivo demonstrar a real necessidade da aplicação de um processo de certificação de qualidade e eficiente nas lâmpadas LED.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Com o intuito de facilitar a compreensão e o entendimento ao leitor serão apresentados e definidos alguns termos técnicos relacionados a área de iluminação que serão citados no decorrer do trabalho. Além disso esse capitulo também apresentada a definição dos tipos de chip LED bem como suas características construtivas e funcionamento dos mesmos.
2.1 FLUXO LUMINOSO
É chamado de fluxo luminoso a quantidade total de radiação emitida em todas as direções por uma fonte luminosa ou fonte de luz, que pode produzir estimulo visual. É designado pelo símbolo F e é expressa em lumens.
Para conseguir verificar o fluxo luminoso de uma fonte de luz é necessário o uso de um instrumento chamado de esfera integradora, equipamento esse que permite uma distribuição homogênea dos raios de luz, permitindo assim uma verificação precisa do fluxo total emitido pela fonte luminosa em questão. O uso desse equipamento se faz necessário pelo fato da luz emitida pela fonte luminosa não ser uniforme.
Enquanto que nas lâmpadas convencionais o feixe de luz é irradiado em todas as direções, no caso das lâmpadas LEDs ele é direcional, o que proporciona um melhor aproveitamento da luz emitida pelas mesmas. (PINTO,2008).
2.2 EFICÁCIA LUMINOSA
Eficácia luminosa é um indicador utilizado para avaliar o rendimento da conversão de energia em luz por uma determinada fonte luminosa.
Esse valor é calculado pela divisão entre o fluxo luminoso em lúmens e a potência consumida em Watts, sendo sua unidade lúmens por watts (lm/W). Quanto mais eficaz for uma fonte de luz, maior será o fluxo luminoso produzido com a mesma potência (DIAS, 2012).
2.3 VIDA ÚTIL
É a expectativa de durabilidade de uma fonte luminosa. Atualmente considera-se que o término da vida útil de uma lâmpada ocorre quando a mesma atinge 70% do fluxo luminoso inicial, diferente do que nas lâmpadas incandescentes, onde o término da vida útil ocorria com a queima da mesma.
Para estipular a vida útil de lâmpadas incandescentes, realizavam-se teste de laboratórios, nos quais as lâmpadas ficavam acesas até que queimassem, definindo dessa forma uma valor de vida útil mediana.
No caso das lâmpada LEDs o sistema de análise para determinação da vida útil é outro, uma vez que é tecnicamente inviável realizar teste de durabilidade de 30.000 horas ou mais. Nesse caso, as lâmpadas são submetidas a testes de 6.000 a 10.000 horas, permitindo aos fabricantes garantir uma vida útil de aproximadamente 6 vezes a quantidade de horas testadas em laboratório, isso se os valores aferidos em testes permitam afirmar que ao final de vida útil estimada a lâmpada ainda esteja fornecendo no mínimo 70% do fluxo luminoso inicial.
Existem vários fatores que influenciam na vida útil de uma lâmpada LED, mas sem dúvida o circuito eletrônico e o dissipador de calor são os fatores relevantes para que se possa ter uma lâmpada com uma vida útil longa (SILVA, 2012).
2.4 TEMPERATURA DE COR
A temperatura de cor de uma lâmpada é a cor da luz emitida por essa, valor esse que varia de acordo com o tipo de lâmpada. Temperatura de cor igual ou menor de 3000K é considerada uma “luz quente”, luz amarelada. Lâmpadas com temperatura de cor de 6000K ou mais são chamadas de lâmpadas de “luz fria”. A cor da luz emitida pelo sol em céu aberto ao meio dia é considerada “luz branca natural”, e apresenta temperatura de cor de 5800K (RODRIGUES, 2002 apud DIAS, 2012).
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Na Figura 1, é apresentada uma escala da temperatura de cor das lâmpadas.
Figura 1- Temperatura de cor de diferentes lâmpadas.
Fonte: DIAS, 2012, p. 7.
2.5 ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR (IRC)
Esse fator indica o quanto a luz artificial se aproxima da natural, quanto a fidelidade de reprodução de cores. O IRC da luz do sol é igual a 100%, o que representa que sua luz reproduz perfeitamente as cores dos objetos iluminados. Quanto mais próximo de 100% for o IRC da lâmpada melhor a luz dessa lâmpada reproduzirá a cor de um objeto iluminado. Dessa forma, locais onde existe a necessidade de um bom índice de reprodução de cor, deve ser usadas lâmpadas de IRC alto, como no caso de escritórios. Já em uma rua, não há necessidade do uso de lâmpada com alto IRC (DIAS, 2012).
2.6 LED
Objeto principal em estudo o LED (Diodo Emissor de Luz ou Light Emitting Diode) é um componente eletrônico semicondutor, que tem a propriedade de transformar energia elétrica em luz. Esse processo ocorre na matéria, sendo por esse motivo chamado de luz de estado sólido. Diferente da transformação encontrada nas lâmpadas convencionais que utilizam filamentos metálicos, descarga de gases, dentre outras.
Trata-se de um componente cuja invenção ocorreu em 1963 por Nick Holonyac, inicialmente somente na cor vermelha e com baixa intensidade luminosa (UTILUZ, 2015). Por muitos anos foi utilizado somente para indicação de estado em aparelho elétricos e eletrônicos, indicando se o aparelho estava ligado ou desligado.
Teve suas primeiras aplicações como lâmpada somente nos 80, onde conseguiu-se obter intensidade luminosa suficiente para que pudesse ser usado em algumas aplicações na indústria automotiva. Mas foi somente no início dos anos 90, com surgimento de novas tecnologias, que foi possível obter-se LEDs de todo o espectro de cores.
A grande revolução na tecnologia LED ocorreu somente no final dos anos 90, como o aparecimento do primeiro LED de potência com fluxo luminoso de 30 a 40 lumens. Fluxo luminoso esse que hoje em dia é baixo comparado com os LED disponíveis no mercado (UTILUZ, 2015).
2.7 LEDS COMO FONTE DE LUZ.
Os LED são formados basicamente pela junção de duas camadas semicondutores, uma do tipo P e outro do tipo N. No momento que esse junção for polarizada diretamente, ocorrerá fluxo de elétrons. No instante que os elétrons transporem a junção P-N, haverá geração de calor e luz devido a diferença de energia entre a camada de valência e a camada de condução.
O uso de materiais diferentes na dopagem do semicondutor permite a obtenção de comprimentos de onda da radiação diferentes, uma vez que estes materiais influenciam na diferença de energia entre as camadas de condução e valência. O fluxo luminoso produzido por um LED é diretamente proporcional à corrente média que circula pelo mesmo (SOARES, 2014).
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2.8 CARATERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS LEDS
Dispositivos de iluminação semicondutora, com características semelhantes de um diodo normal, o LED se diferencia pela capacidade de produzir luz quando polarizado diretamente.
O feixe luminoso é monocromático e é obtido através da excitação de um cristal semicondutor. Com a variação do comprimento de onda emitido pode-se obter várias cores sem a necessidade de utilizar lentes coloridas (CERVI, 2005).
Através do uso de elementos como o gálio, alumínio, arsênio, fosforo, índio e nitrogênio na dopagem do cristal semicondutor é possível a obtenção das mais diversas cores do espectro de cores (DENBAARS, 1997 apud CERVI, 2005).
2.9 DIFERENTES TIPOS DE CHIP LED
Componente base das lâmpadas LED, os chips LED de alto brilho podem ser divido em duas categorias básicas: os chips LED do tipo HP de alta potência, que funcionam com faixa de corrente acima de 300mA, e os chips LED do tipo HB de baixa potência que operam com correntes de até 50mA (SOARES, 2014).
A Figura 2 apresenta o aspecto físico de dispositivos comerciais destas duas tecnologias.
Figura 2 - LED HP (a) e LED HB (b).
Pelo fato de apresentarem uma estrutura de dissipação de calor bem mais eficiente do que o modelo HB, os chips do modelo HP suportam níveis de corrente muito maiores que o modelo HB, o que resulta na possibilidade de obter uma potência final e um rendimento maior (SOARES, 2014).
A Figura 3 mostra as diferenças construtivas destes semicondutores.
Figura 3 - Encapsulamento dos LEDs (a) HB e (b) HP.
Fonte: SOARES, 2014, p. 40.
Essas vantagens do modelo LED HP, que o faz mais eficiente em relação ao modelo HB, faz com que esse seja o modelo mais adotado atualmente nos mais diversos tipos de lâmpadas e luminárias.
2.10 LEDS DE POTÊNCIA
Diferente do primeiros modelos de LEDs que eram usados basicamente em sinalização de equipamentos eletrônicos, os LEDs de potência, os quais operam com valores iguais ou superiores a 1 W, apresentam elevado fluxo luminoso e também um ângulo de abertura do feixe luminoso bem maior, em torno de 150°.
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A possibilidade da obtenção de fluxo luminoso maior está permitindo o uso do mesmo em iluminação residencial e pública, o que era inviável anteriormente com o modelo de LED de baixa potência (DIAS, 2012).
Para que seja possível manter a eficiência do LED é necessário fazer um projeto térmico de maneira correta, uma vez que a elevação da temperatura da junção altera seu desempenho e reduz a vida útil do mesmo.
A elevação excessiva da temperatura da junção pode levar aos seguintes problemas (DIAS, 2012).
Redução da vida útil e necessidade de substituição da lâmpada devido a depreciação do fluxo luminoso;
Redução da sua tensão direta, o que pode gerar desequilíbrio de corrente no caso de LEDs ligados em paralelo;
Deslocamento do pico de comprimento de onda.
Em temperatura ambiente, o dissipador térmico e a corrente são os fatores que influenciam na temperatura da junção dos LEDs. Por esse motivo, esses são requisitos que devem ser levados em consideração na hora de dimensionar um sistema de iluminação LED para que não se tenha alterações na qualidade da iluminação durante o seu funcionamento (KITSINELIS, 2011 apud DIAS, 2012).
2.11 INFLUÊNCIA DA FORMA DE ONDA DE CORRENTE SOBRE A FOTOMETRIA DO LED
O fluxo luminoso emitido por um LED tem relação direta com a corrente que circula por este dispositivo. Devido a isto, um driver para LEDs deve controlar a corrente que flui através destes dispositivos, para que assim seja possível ter controle sobre a variável de saída do sistema, que no caso é o fluxo luminoso destes dispositivos (SOARES, 2014).
A análise do fluxo luminoso emitido em relação a corrente que circula pelo LED é necessária para que se possa verificar o valor da corrente onde o LED apresenta a maior emissão de fluxo luminoso.
2.12 TEMPERATURA DE OPERAÇÃO DO LED
Para garantir que os LEDs trabalhem dentro da temperatura de junção admitida por cada fabricante é necessário utilizar dissipadores de calor para reduzir sua temperatura de operação. A eficiência de um dissipador depende basicamente do material utilizado (geralmente alumínio) e da área em contato com o ar. Quanto maior a área, maior a dissipação térmica.
Os LEDs apresentam degradação média de 10% a cada 100.000 horas no modelo de alto brilho e a cada 25.000 horas no modelo de alta potência, quando essas estiverem sob condições corretas de operação. O uso de um dissipador de calor correto reduz a degradação do LED, garantindo assim uma vida útil maior, uma vez que a temperatura de operação influência diretamente na vida útil desses dispositivos (STASIAK, 2013).
2.13 OBTENÇÃO DA COR BRANCA NO LED
A obtenção do LED de cor branca pode ser feita através do método de aplicação de uma camada de fósforo sobre o LED de feixe luminoso azul, o qual absorve parte da energia proveniente da luz azul e converte em um espectro complementar ao azul que combinado com a luz azul que atravessa a camada de fosforo acaba gerando um feixe de luz branca (CERVI, 2005).
Outro método de obtenção da luz na cor branca no LED se dá através do método de combinação de cores. Utilizando-se a combinação de vermelho, verde e azul consegue-se a obtenção do LED na cor branca, bem como outro conjunto de cores que apresentem comprimentos de onda dentro do plano formado por essas três cores, de acordo com (CERVI, 2005).
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2.14 CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DE LEDS
As lâmpadas LEDs comercializadas no mercado brasileiro funcionam com tensão da rede elétrica fornecida pelas concessionárias de energia, não sendo necessário o uso de circuitos auxiliares externos. Porém, existe dentro das mesmas circuitos específicos que desempenham essa função, circuitos esses conhecidos como driver.
Os drivers são circuitos eletrônicos compostos geralmente por um retificador e por um conversor do tipo Buck, Buck-Boost ou similar. A definição do tipo de conversor é feita de acordo com o modelo dos LEDs e as tensões e corrente de controle dos mesmos, para que dessa forma seja possível conseguir o maior aproveitamento da luz e durabilidade das lâmpadas (MARTELETO, 2011).
Os drivers devem ser projetados para ter um vida útil elevada, um consumo de energia baixo, e ao mesmo tempo devem utilizar poucos componentes para que seu valor seja baixo. O driver é considerado a parte mais fraca de um sistema de iluminação LED, e geralmente apresenta falhas em função das elevadas temperaturas a que é submetido (TARASHIOON et al., 2011 apud DIAS, 2012).
Variações nas tensões diretas dos LEDs provocam alterações significativas na corrente, o que faz com que a eficiência luminosa seja afetada, sendo necessário dessa forma que o circuito alimentador dos LEDs consiga garantir um corrente média constante no LED, mesmo com oscilações na tensão direta. No caso dos LEDs de potência o uso de um resistor em série como limitador de corrente não é eficiente, uma vez que a corrente de operação é maior do que nos LED tradicionais, o que causa uma perda considerável de potência.
São admitidos dois tipos básicos para alimentação de LEDs. Os modelos ativos que permitem controlar a corrente que flui pelo LED, são os mais usados, porém mais complexos de serem projetados. E os modelos passivos que não permitem o controle da corrente nos LEDs e são mais simples de serem projetados (DIAS, 2012).
2.15 EFICIÊNCIA LUMINOSA MÉDIA DAS LÂMPADAS LED
Atualmente as lâmpadas LED do tipo bulbo e tubular apresentam eficácia luminosa que varia na faixa de 80 a 110 lm/W, valores esses fornecidos e informados por fabricantes e importadores (PESSOA; GHISI, 2013).
Se analisarmos a eficiência luminosa encontrada nas lâmpadas fluorescentes compactadas comercializadas no mercado brasileiro é possível afirmar que as lâmpadas LED são mais eficientes do que as lâmpadas fluorescentes compactas, uma vez que a eficiência média encontrada nessas é de 60 lm/W.
A maior eficiência luminosa das lâmpadas LED, combinado com a longa vida útil e a redução de impactos ambientais, são fatores que impulsionam cada vez mais a busca e aceitação desses produtos no mercado brasileiro (PESSOA; GHISI, 2013).
3 PORTARIA N. ° 389 – CERTIFICAÇÃO LAMPADAS LED
Esse capítulo apresenta todo regulamento técnico da qualidade para lâmpadas LED com dispositivos integrados, seu desenvolvimento foi feito em sua totalidade levando em consideração a portaria n° 389.
A portaria n° 389 entrou em vigor em 25 de agosto de 2014, data na qual foi publicada no Diário Oficial da União. A referida portaria estabelece os requisitos mínimos necessários que as lâmpadas LED devem atender para que possam receber selo de certificação do INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia).
3.1 OBJETIVO
A criação de uma portaria que estabelece requisitos mínimos para comercialização de produtos LED é de extrema importância para que seja possível garantir eficiência energética, segurança e compatibilidade eletromagnética desses produtos aos consumidores.
3.2 APLICAÇÃO DA PORTARIA
Essa portaria se aplica as lâmpadas LED que dispõe de dispositivo de controle integrado a base ou corpo compondo peça única, não destacável. Quanto a tensão de operação e potência o regulamento estabelece as seguintes requisitos:
- potência nominal de até 60 W;
- tensão em corrente alternada (CA) maior que 50V e menor que 250V, com bases da lâmpada de acordo com ABNT NBR IEC 62560:2013 (B15d, B22d, E11, E12, E14, E17, E27, G5, G9, G13, GU10, GZ10);
- tensão em corrente alternada (CA) ou corrente continua (CC) de até 50V, com bases G4 GU4, GY4, GX5.3, GU5.3, G6.32, GY6.35, G53, GU7, G5, G5.3 e G13;
- lâmpada LED tubular, conhecida comercialmente também como tubo LED, com dispositivo de controle integrado, que substituem as lâmpadas fluorescentes tubulares de dimensões de acordo com NBR IEC 60081 e base G5, G13 ou R17DC.
3.3 DEFINIÇÕES
Para fins deste Regulamento Técnico da Qualidade, são adotadas as definições a seguir.
3.3.1 Lâmpadas LED com dispositivo de controle integrado
Consiste em uma lâmpada na qual não há necessidade do uso de nenhum equipamento adicional para acionamento da mesma. Pode ser composta por uma ou duas base que ligadas a fonte de energia elétrica transformem essa em luz.
3.3.2 Valor nominal
Valor quantitativo para uma determinada característica de uma lâmpada LED em condições de operação especificas.
3.3.3 Tensão de ensaio
Entende-se por tensão de ensaio a tensão nominal da rede elétrica 127 VCA ou 220 VCA, ou tensão nominal CC. É requerido um tensão estável dentro de 0,5% durante o período de estabilização da lâmpada, e de 0,2% no momento da realização da medição. Essa tolerância aumenta para 2% durante o período de medições do ensaio de envelhecimento manutenção de fluxo luminoso.
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3.3.4 Valores Iniciais
São as características fotométricas e elétricas medidos na lâmpada depois do tempo de estabilização.
3.3.5 Vida útil – Manutenção de fluxo do LED (L70)
É definida com vida útil o período de tempo em que a lâmpada LED sob condições normais de ensaio leva até apresentar fluxo luminoso menor que 70% do inicial.
A vida útil das lâmpadas LED é definida dessa forma uma vez que esse modelo não está sujeito a falha súbita e sim a uma perda gradual do fluxo luminoso. Sendo considerado dessa forma que o fim da vida útil das lâmpadas LED se dá quando a essa apresentar fluxo luminoso menor que 70% do inicial.
3.3.6 Tempo de estabilização
A estabilização da lâmpada deve ocorrer em um tempo máximo de 2 horas. A verificação desse período é realizada através de medições sucessivas de fluxo luminoso onde poderão ocorrer variações máximas de 0,5% entre três medições consecutivas com intervalo de 15 minutos entre essas.
3.4 REQUISITOS TÉCNICOS REFERENTE A SEGURANÇA 3.4.1 Requisitos gerais
As lâmpadas LED com dispositivo de controle integrado devem funcionar nas condições especificadas abaixo:
Tensão de operação entre 92 e 100% da tensão nominal de alimentação especificada;
Instaladas em luminárias em conformidade com a ABNT NBR IEC 60598-1.
3.4.2 Marcação
A marcação das especificações técnicas deve ser feita de forma clara e indelével, pelo fornecedor. Manuais de instrução e instalação quando aplicáveis, além de todas as informações necessárias devem ser em língua portuguesa. As unidades devem ser expressas conforme o Sistema Internacional de Medidas (SI).
3.4.3 Proteção contra contato acidental com partes vivas
As lâmpadas não devem apresentar nenhuma parte metálica viva acessível quando estas estiverem conectadas a rede e energizadas
3.4.4 Resistencia de isolação
Para o ensaio de resistência da isolação as lâmpadas são condicionadas em uma câmara contendo ar com umidade relativa entre 91 % e 95% e temperatura entre 20 °C e 30 °C durante um período de 48 h.
A medição deve ser realizada em câmara de umidade com uma tensão de aproximadamente 500VCC aplicada sobre a lâmpada em ensaio, 1 minuto após aplicação da tensão.
A resistência medida entre partes vivas da base e as partes acessíveis (material isolante) não pode ser inferior a 4 MΩ.
3.4.5 Rigidez dielétrica
Após o ensaio de resistência de isolação, as mesmas peças devem resistir a uma ensaio de tensão por 1 minuto com uma tensão alternada.
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Para a realização do ensaio as partes isolantes acessíveis da lâmpada são revestidas por uma película de metal. Os contatos da base de alimentação são curto-circuitados. O ensaio é iniciado com aplicação de 50% da tensão definida, esse valor é elevado gradualmente até chegar no valor integral.
Para as lâmpadas classificadas como EBTS (Extra Baixa Tensão de Segurança), a tensão de ensaio é de 500 VAC. Para os outros modelos o valor aplicado é 2U + 1000 VAC, onde U representa a tensão nominal da lâmpada.
Para o bom desempenho do produto não deverá ocorrer nenhum centelhamento ou ruptura no ensaio. Esse deve ser realizado na câmara de umidade.
3.5 REQUISITOS TÉCNICOS REFERENTES A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Os ensaios fotométricos devem ser realizados a uma temperatura ambiente de 25 °C e umidade relativa de 65 % no máximo. Os ensaios fotométricos requerem limitação da velocidade do ar em 0,2 m/s.
A frequência nominal nos ensaio deve ser de 60 Hz para lâmpadas alimentadas em corrente alternada. As lâmpadas devem ser operadas fora de luminária.
3.5.1 Características Elétricas e Fotométricas
A tensão de ensaio deve ser a tensão nominal informada.
As medições só devem ser inicializadas após transcorrido o tempo de estabilização da lâmpada.
A medição das grandezas fotométricas (fluxo luminoso, IRC, ângulo de facho) deve ser realizada com o uso de uma esfera integradora ou com um goniofotômetro.
A potência consumida e constatada no ensaio da lâmpada não pode ser 10 % maior do que da declara pelo fabricante.
No caso das lâmpada de baixa potência, de 5 W a 25 W, o fator de potência deve ser maior ou igual a 0,70. Para lâmpadas de potência inferior a 5 W não é exigido FP mínimo.
Já no caso de lâmpadas de potência superior a 25W é necessário FP superior a 0,92. O fluxo luminoso inicial medido não pode ser menor que 90 % do fluxo luminoso declarado
pelo fabricante.
Quanto ao ângulo do facho luminoso, o mesmo não pode apresentar desvio em mais de 25 % do valor informado. Esse ensaio deve ser realizado através do goniofotômetro.
A temperatura de cor correlata (TCC) de uma lâmpada é calcula a partir das medidas de distribuição espectral ou das coordenadas de cromaticidade sem sazonamento, de acordo com a norma IES LM-79-08.
Tabela 1 - Temperatura de cor correlata e tolerâncias.
TCC Nominal (K) TCC Objetiva e Tolerância (K)
2700 2725 ± 145 3000 3045 ± 175 3500 3465 ± 245 4000 3985 ± 275 4500 4503 ± 243 5000 5029 ± 283 5500 5500 ± 351 5700 5667 ± 355 6000 6000 ± 413 6500 6532 ± 510 Fonte: Portaria 389, 2014, p. 13.
O valor da temperatura de cor obtido em um lâmpada LED não poderá ultrapassar a tolerância da categoria de TCC que ela for indicada pelo fornecedor.
O índice de reprodução de cor IRC é determinado pelo valor da média dos índices R1 a R8 que são obtido através de ensaio na esfera integradora. Para lâmpadas com dispositivo de controle integrado o valor de IRC calculado deve ser superior a 80. Além disso, o valor do índice R9 que também é obtido através de ensaio, deve ser maior que 0.
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3.5.2 Ensaio de manutenção de fluxo e definição de vida nominal
A vida de uma lâmpada LED é o resultado combinado do desempenho de manutenção do fluxo luminoso e da vida útil do dispositivo de controle incorporado.
Requisito mínimo de vida declarada:
- para lâmpadas decorativas: 15 000 h para manutenção de 70 % do fluxo luminoso (L70) - para os demais tipos: 25 000 h para manutenção de 70 % do fluxo luminoso (L70) O ensaio de manutenção de fluxo luminoso deve ser realizado em 10 lâmpadas do modelo em processo de certificação, obedecendo a orientações a seguir:
Temperatura ambiente:
(25 ± 10) º C para lâmpadas decorativas ou de potência inferior a 10 W; (45 ± 5) º C para os demais modelos de lâmpadas.
Posição das lâmpadas: 5 com a base para cima e 5 com a base para baixo.
Tensão de alimentação: aplicar tensão nominal da lâmpada 127V ou 220V. Quando a lâmpada for bivolt, deverá ser aplicada a tensão de 127V. Para lâmpada DC deve ser aplicado tensão nominal.
Os ensaios fotométricos devem ser realizados em temperatura ambiente de (25 ± 2) º C (interior da esfera integradora).
3.5.3 Qualificação para realização de ensaios de 3 000 h
Para lâmpadas que utilizam LED com tecnologia de conversão por fósforo e que dispõe de dados referentes a norma LM 80, existe a possibilidade da redução do tempo de ensaio para 3000 h ou invés das 6000 h.
Nesse caso são realizados ensaios de 3000 h nas lâmpadas, os quais são comparados com os ensaios do componente LED que devem ser fornecidos pelo fabricante do chip LED. Se os
valores verificados no ensaio da lâmpada LED forem compatíveis com os resultados apresentados pelo fabricante do chip não haverá a necessidade do ensaio de 6000 h da lâmpada.
Para ser aprovada a lâmpada deverá apresentar manutenção de fluxo luminoso superior a 95,8 % após decorrida as 3000 h de ensaios.
Os valores de fluxo luminoso de cada uma das 10 lâmpadas deve ser medidos no instante inicial e a média aritmética deverá ser calculada. O mesmo deverá acontecer no final do período de 3 000 h. A depreciação é calculada considerando as médias iniciais e finais do fluxo luminoso. Se qualquer uma das 10 lâmpadas deixar de funcionar é considerado não conformidade.
3.5.4 Realização dos ensaios de 3 000 h e 6 000 h
Para o caso do fornecedor não possuir os dados dos LED referentes a norma LM 80 conforme processo de medição, o processo de qualificação exigirá que o ensaio de manutenção do fluxo luminoso seja realizado em 3 000 h inicial e 6 000 h.
A declaração da vida nominal da lâmpada quando não houver histórico (ensaios de vida em andamento) para este modelo, é chamada de processo inicial.
A definição da vida nominal está condicionada a tabela abaixo, e considera o resultado do ensaio de fluxo luminoso de 3 000 h e 6 000 h.
Tabela 2 - Limite para 6.000 H.
Tipo de lâmpada Mínimo fluxo no final de 3 000 h comparado com o fluxo inicial Mínimo fluxo no final de 6 000 h comparado com o fluxo inicial Máxima vida nominal declarada (L70) – em h Decorativa 93,1 % 86,7 % 15 000 Outros modelos 95,8 % 91,8 % 25 000 Fonte: Portaria 389, 2014, p. 16.
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3.5.5 Ensaio a resistência
Pelo fato de tratar-se de lâmpadas de dispositivo de controle integrado, as mesmas não podem ser desmontadas sem ser danificada permanentemente, dessa forma o dispositivo de controle deve ser ensaiado como parte de uma lâmpada completa.
3.5.6 Ciclos térmicos e ciclos de comutação
A lâmpada em análise deve ser submetida a ensaio de ciclos térmicos, processo realizado com a lâmpada não energizada, onde a mesma é inicialmente armazenada em ambiente a temperatura de -10 °C pelo período de 1 hora. Passado o período de 1 hora a mesma deve ser transferida imediatamente para uma estufa com temperatura de 50 °C, onde deve ficar por mais 1 hora. Devem ser realizados 5 ciclos.
No ensaio de ciclos de comutação a lâmpada é submetida a ciclos onde a mesma permanece ligada por 2 minutos e na sequencia desligada por 2 minutos. Esse processo deve ser realizado o número de vezes igual a metade da vida nominal da lâmpada em h (por exemplo, 12 500 ciclos se a vida da lâmpada for 25 000 h).
4 ENSAIOS LUMINOTÉCNICOS
Nesse capitulo serão apresentadas algumas informações sobre a esfera integradora utilizada nos ensaios, e seu modo de funcionamento.
Além disso serão apresentadas também as lâmpadas analisadas e os dados informados pelos fabricantes bem como o comparativo com os valores verificados nos ensaios luminotécnicos realizados. Através dos ensaios luminotécnicos realizados foi possível verificar parâmetros como, o fluxo luminoso, o índice de reprodução de cor e a temperatura de cor das lâmpadas em questão.
4.1 LÂMPADAS ANALISADAS
As lâmpadas analisadas são do tipo bulbo LED com potência entre 9 W e 14 W, com base padrão E-27 (base encontrada na maioria das residências), que operam com tensão entre 100 e 240 V e frequência de 60 Hz.
A mostra o modelo de lâmpada analisada nesse estudo de caso. As lâmpadas podem apresentar tamanho e peso diferente de acordo com a marca, mesmo essas sendo de mesma potência.
Figura 4 - Lâmpada bulbo LED.
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4.2 ESFERA INTEGRADORA
Para o ensaio de verificação de fluxo luminoso foi usada uma esfera integradora, equipamento que possibilita a verificação de alguns parâmetros como o fluxo luminoso, IRC e temperatura de cor (TCC).
A esfera integradora consiste em um instrumento óptico capaz de medir o fluxo luminoso total e espectro, produzido por uma fonte de luz.
A estrutura básica da esfera integradora é composta por uma esfera oca, que pode ter diâmetro de algumas dezenas de centímetros até alguns metros. Na superfície da esfera são encontradas algumas pequenas abertura onde estão instalados os sensores e onde são colocadas as amostras para o ensaio.
A parte interna da esfera é revestida por material difusor que permite uma iluminação homogênea no interior da mesma. Geralmente os sensores são protegidos por uma barreira que evita a exposição direta dos mesmos à fonte luminosa, reduzindo dessa forma a possibilidade de ocorrer uma medida errônea.
Para que se possa garantir um bom desempenho do equipamento é extremamente importante que as paredes internas da esfera tenham um revestimento com tinta branca que irá servir de difusor espalhando a luz por toda esfera, de maneira que a esfera esteja igualmente iluminada. A Figura 5 mostra a esfera internamente.
Figura 5 - Parte interna da esfera integradora.
Fonte: Wikipédia.
O princípio de funcionamento da esfera integradora é de que, dada uma iluminação homogênea, a iluminação indireta em seu interior será proporcional ao fluxo luminoso da fonte.
Para que os resultados obtidos nas medições sejam os mais próximos dos valores calculados são necessários alguns cuidados na hora de realizar os ensaios.
O revestimento deve ser uniforme de maneira a garantir que o coeficiente ρ seja igual em toda a esfera.
O sensor deve ser protegido através de uma barreira de forma a evitar a exposição direta do sensor à fonte.
As aberturas no qual são instalados os sensores devem ser as menores possíveis.
Um detalhe interessante é que a localização da fonte luminosa na esfera não interfere no resultado da medição, sendo assim pode-se instalar a o objeto em análise de acordo com a necessidade sobre a superfície da esfera integradora.
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Uma vantagem da esfera integradora é que o mesmo instrumento pode ser usado para fazer diferentes medidas. Muitas vezes, no entanto, é necessário adaptar a configuração das aberturas e por isso algumas esferas acompanham tampões que facilitam esse processo.
Utiliza-se uma esfera integradora previamente calibrada para determinar o fluxo desconhecido de uma fonte. Para obter-se resultados só é necessário uma fonte e um fotômetro acoplados à estrutura da esfera (ALMEIDA, 2011).
4.3 ENSAIOS LUMINOTÉCNICOS
Os ensaios foram realizados na esfera integradora do modelo Inventfine CMS-5000 no laboratório do GEDRE – Inteligência em iluminação, na UFSM (Universidade Federal de Santa Maria).
Para os ensaios luminotécnicos em questão a portaria 389 estabelece que sejam atendidos os seguintes requisitos técnicos:
Ensaio de 10 amostras do mesmo modelo;
Alimentação em corrente alternada com frequência nominal de 60 Hz; Iniciar medição de fluxo após tempo de estabilização da lâmpada;
Ensaio de 50% das amostras com base para cima e 50% com base para baixo; Temperatura ambiente de (25 ± 1) °C;
Umidade relativa de no máximo 65%;
Ensaio em tensão 127 V e 220 V, para modelos que indiquem as duas tensões.
Pelo fato de tratar-se de um estudo de caso e não de um processo de certificação os requisitos mencionados acima não foram atendidos na sua integralidade, uma vez que no momento era praticamente inviável atender a todos os parâmetros definidos em norma
No caso da tensão de ensaio, as amostras ensaiadas tiveram aplicada apenas a tensão nominal da rede de 220 V, não atendendo dessa forma o requisito que estabelece ensaio também em tensão de 127 V.
Quanto a questão do número de amostras, foram ensaiadas 3 amostras de cada modelo, quantidade abaixo da requerido pela portaria.
Referente a posição das amostras na esfera integradora, todas foram ensaiadas com a base para cima, diferente do que pede a portaria.
A umidade relativa não foi observada pelo fato da esfera integradora não apresentar o sensor que faz a leitura desse parâmetro.
No entanto os requisitos que não foram atendidos não interferem nos resultados uma vez que esses não alteram drasticamente o funcionamento das lâmpadas em análise.
Desta forma apenas os requisitos mencionados abaixo foram atendidos durante os ensaios luminotécnicos realizados na esfera integradora.
Alimentação em corrente alternada com frequência de 60 Hz; Tensão de alimentação de 220V;
Iniciar medição de fluxo após tempo de estabilização da lâmpada; Temperatura ambiente de (25 ± 1) °C;
Conforme requisitos mencionados acima os ensaios foram realizados em 3 marcas diferentes, as quais não serão expostas, uma vez que o intuito desse trabalho não é julgar uma determina marca, mas sim analisar a qualidade dos produtos em questão de uma forma geral. Dessa forma os produtos serão apresentados como lâmpadas das marcas A, B e C, e com o número das amostras na sequência uma vez que foram analisadas 3 amostras de cada marca.
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4.3.1 Ensaio da amostra referência
A lâmpada da Philips que foi usada como amostra referência tem selo ANCE (Associação nacional de normatização e certificação do setor elétrico), e segue padrões de desempenho e qualidade conforme estabelecido pela norma norte americana IES LM-80-08, norma essa que em partes serviu como base para a portaria n° 389. A Figura 6 mostra a lâmpada da Philips que foi usada como amostra referência e que apresenta as seguintes especificações técnicas fornecidas pelo fabricante:
Potência: 13.5 W
Fluxo luminoso: 1400 lumens IRC: 80%
FP: 0,9 TCC: 6500 K
Tensão Nominal: 100-240 V Vida útil: 25.000 H
Figura 6 - Lâmpada Philips.
Fonte: autoria própria.
De acordo com informações do fabricante o modelo analisado, apresenta fluxo luminoso de 1400 lm, temperatura de cor de 6500K, e IRC de 80%. Conforme Tabela 3, no ensaio realizado foi verificado fluxo luminoso de 1332,1 lm, valor que atende o mínimo requerido pela norma. A mesma também atendeu de forma satisfatória os parâmetros de TCC e IRC, onde apresentou 6714 K e 87,4% respectivamente, valores superiores aos 6500K e 80% declarados pelo fabricante.
Tabela 3 - Dados luminotecnicos da amostra referência.
Amostra Referência Informações do
fabricante. Amostra 1
Fluxo Luminoso 1400 lm 1332,1 lm
TCC 6500 K 6714 K
IRC 80 % 87,4 % Fonte: autoria própria.
A Figura 7 apresenta o relatório emitido pela esfera integradora no ensaio da lâmpada da referência da Philips.
Figura 7 - Relatório de teste na esfera integradora.
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4.3.2 Ensaio das amostras marca “A”
A Figura 8 mostra uma lâmpada da marca ‘A’, a qual apresenta as seguintes especificações fornecidas pelo fabricante:
Potência: 10 W
Fluxo luminoso: 806 lumens IRC: 80%
FP: 0,7 TCC: 6000 K
Tensão Nominal: 100-240 V Vida útil: 25.000 H
Figura 8 - Lâmpada marca 'A'.
Fonte: autoria própria.
Na Tabela 4 são apresentados os valores obtidos através dos ensaios realizados comparados com os valores informados pelo fabricante.
Tabela 4 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "A".
MARCA “A” Informações do
fabricante. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Fluxo Luminoso 806 lm 803,4 lm 790 lm 783,7 lm
TCC 6000 K 6594 K 6666 K 6662 K
IRC 80 % 77,8 % 78,4 % 78,6 % Fonte: autoria própria.
A Figura 9 apresenta o relatório da esfera integradora da lâmpada A1, do qual são extraídos os valores de fluxo luminoso, TCC e IRC.
Figura 9 - Relatório de teste da lâmpada A1 na esfera integradora.
Fonte: autoria própria.
A lâmpada A1 (marca A, amostra 1), apresentou fluxo luminoso de 803,4 lm, valor bem próximo do informado pelo fabricante e dentro do exigido pela portaria 389 que é de 90% do valor declarado. No entanto a mesma não atendeu a norma nos parâmetros TCC e IRC. Na TCC o valor de 6594 K, ficou acima do máximo estipulado que é de 6413 K e no IRC abaixo do mínimo necessário com 77,8%, onde deveria chegar a 80%.
As lâmpadas A2 e A3 apresentam comportamentos semelhantes a lâmpada A1, com fluxo luminoso de 790 lm e 783,7 lm respectivamente, valores que também atendem o mínimo definido pela norma. Da mesma forma que a lâmpada A1, as amostras A2 e A3, também não atendem os valores mínimos nos parâmetros TCC e IRC, apresentando TCC de 6666K e 6662K e IRC de 78,4% e 78,6% respectivamente.
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4.3.3 Ensaio das amostras marca “B”
A Figura 10 mostra a lâmpada da marca ‘B’, esse modelo apresenta as seguintes especificações:
Potência: 9 W
Fluxo luminoso: 880 lumens IRC: 80%
FP: 0,5 TCC: 6500 K
Tensão Nominal: 100-240 V Vida útil: 25.000 H
Figura 10 - Lâmpada marca 'B'.
Fonte: autoria própria.
Tabela 5 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "B".
MARCA “B” Informações do
fabricante. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Fluxo Luminoso 880 lm 747,8 lm 757,2 lm 756,5 lm
TCC 6500 K 6856 K 6888 K 6900 K
IRC 80 % 75,9 % 75,8 % 76 % Fonte: autoria própria.
A Figura 11 apresenta o relatório da esfera integradora da lâmpada B1, do qual são extraídos os valores de fluxo luminoso, TCC e IRC.
Figura 11 - Relatório de teste da lâmpada B1 na esfera integradora.
Fonte: autoria própria.
Conforme valores expressos na Tabela 5 a lâmpada B1 (Marca B, amostra 1) apresentou fluxo luminoso de 747,8 lm, valor muito abaixo do declarado pelo fabricante que promete 880 lm. Dessa forma a mesma não atingiu o valor mínimo exigido pela norma, que é de no mínimo de 90% do valor declarado na embalagem do produto. Já em relação ao TCC a mesma apresentou um valor aceitável e dentro da faixa estabelecida, com 6857K. Contudo, também não atendeu a exigência no IRC onde ficou abaixo dos 80%, apresentando 75,9%.
As lâmpadas B2 e B3 apresentaram comportamentos similares a B1, com valores de fluxo luminoso bem abaixo do declarado, com 757,2 lm de B2 e 756,5 lm de B3.
Da mesma forma que a lâmpada B1 as amostras B2 e B3 também atingiram valores de 6888K e 6900 K respectivamente, no entanto, no IRC as mesmas ficaram abaixo do valor declarado pelo fabricante com valores de 75,8% de B2 e 76% de B3.
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4.3.4 Ensaio das amostras marca “C”
Como pode ser observado Figura 12 a lâmpada da marca ‘C’ é muito similar as lâmpadas das outros duas marca. Na sequência são apresentadas as especificações da lâmpada em questão:
Potência: 9 W
Fluxo luminoso: 810 lumens IRC: 70%
FP: 0,5 TCC: 6500 K
Tensão Nominal: 127-220 V Vida útil: 25.000 H
Figura 12 - Lâmpada marca 'C'.
Fonte: autoria própria.
Tabela 6 - Dados luminotecnicos das amostras da marca "C".
MARCA “C” Informações do
fabricante. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Fluxo Luminoso 810 lm 574,5 lm 693,2 lm 695,2 lm
TCC 6500 K 7904 K 6812 K 6784 K
IRC 70 % 78,4 % 75,6 % 75,7 % Fonte: autoria própria.
A Figura 13 apresenta o relatório da esfera integradora da lâmpada B1, do qual são extraídos os valores de fluxo luminoso, TCC e IRC.
Figura 13 - Relatório de teste da lâmpada C1 na esfera integradora.
Fonte: autoria própria.
Como pode ser observado na Tabela 6 a lâmpada C1 (marca C, amostra 1) apresentou valores muito diferentes dos verificados nas amostras C2 e C3. O fluxo luminoso verificado nesta amostra foi de 574,5 lm, valor bem abaixo do declarado pelo fabricante que é de 810 lm. No parâmetro TCC a mesma apresentou o valor de 7904 K, valor totalmente fora do aceitável, uma vez que o declarado é de 6500 K.
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No IRC o valor verificado foi de 78,4%, valor que satisfaz o que foi declarado pelo fabricante, no entanto o mínimo definido na portaria 389 para esse parâmetro é de 80%, dessa forma a lâmpada não atingiu o valor mínimo requerido pela norma.
As amostras C2 e C3 apresentaram um fluxo luminoso maior que C1, mas ainda abaixo do mínimo necessário com valores de 693,2 lm e 695,2 lm respectivamente.
Os valores apresentados pelas duas amostras no parâmetro TCC atenderam o que é apresentado pelo fabricante e ao definido pela portaria com 6812 K na amostra de C2 e 6784 K na C3.
Quanto ao IRC, da mesma forma que a amostra C1, as amostras C2 e C3 atingiram o informado na embalagem mas não o valor definido da norma, com IRC de 75,6 % de C2 e 55,7% de C3.
4.4 RESULTADOS DOS ENSAIOS LUMINOTÉCNICOS
Conforme valores verificados nos ensaios luminotécnicos é possível afirmar que somente a lâmpada da Philips atende os requisitos estabelecidos pela Portaria 389 quanto ao fluxo luminoso, índice de reprodução de cor (IRC) e temperatura de cor correlata (TCC).
As outras 3 marcas analisadas atenderam de forma parcial os parâmetros avaliados nessa etapa da análise, sendo assim possível afirmar que tais não seriam aprovadas no processo de certificação.
Como já apresentado anteriormente o paramento IRC não foi atendido em nenhuma das 3 marcas avaliadas. Além disso, duas marcas apresentaram fluxo luminoso muito abaixo do mínimo necessário e informado pelo fabricante.
5 ENSAIOS ELÉTRICOS
Após os ensaios luminotécnicos realizados na esfera integradora, as amostras passaram por ensaios elétricos, de forma a analisar a qualidade da corrente drenada da rede pelas mesmas.
Através desses foram verificados os seguintes valores: potência ativa, potência aparente, potência reativa, Fator de Potência (FP) e corrente exigida na entrada. A tensão aplicada nos ensaios foi de 220 V com frequência de 60 Hz.
5.1 AMOSTRA REFERÊNCIA - PHILIPS
A lâmpada da marca Philips foi usada como uma amostra referência, pelo fato de tratar-se de um produto de qualidade superior, por seguir padrões de qualidade e normas internacionais e também pelo fato da mesma já estar em conformidade com a norma regulamentadora. Na Tabela 7 é apresentado um comparativo entre os valores declarados pelo fabricante e os observados no ensaio.
Tabela 7 - Dados elétricos da amostra referência. REFERÊNCIA PHILIPS Informações do fabricante. Amostra 1 Tensão 220 – 240 V 214 V Potencia Ativa 14 W 12,98 W Fator Potência 0,92 0,926 Potência Aparente 15,12 VA 14 VA
Potencia Reativa 5,71 VAr 5,3 VAr
Corrente 69 mA 66 mA
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A tensão aplicada na lâmpada durante o ensaio foi de 214V conforme mostra a Figura 14. O modelo analisado tem potência de 14 W e FP de 0,92. Os valores obtidos através dos ensaios foram 12,98W e 0,92, respectivamente, atendendo assim de forma satisfatória os parâmetros requeridos pelo norma.
Figura 14 – Tensão e corrente na lâmpada Philips.
5.2 AMOSTRAS DA MARCA “A”
A Tabela 8 apresenta os valores informados pelo fabricante e os valores verificados através de ensaios em cada uma das amostras analisadas, com tensão aplicada nas lâmpadas de 215 V.
Tabela 8 - Dados elétricos das amostras da marca "A".
MARCA “A” Informações do
fabricante. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Tensão 100 – 240 V 215 V 215 V 215 V
Potencia Ativa 10 W 8,146 W 8,144 W 8,135 W
Fator Potência 0,7 0,488 0,491 0,486
Potência Aparente 14,28 VA 16,7 VA 16,6 VA 16,7 VA
Potencia Reativa 10,2 VAr 14,6 VAr 14,5 VAr 14,6 VAr
Corrente 65 mA 77 mA 77 mA 78 mA
Fonte: autoria própria.
Como pode ser verificado na Figura 15 a amostra A1 apresentou potência ativa de 8,15 W fato que a qualifica com lâmpada em conformidade com a norma, no entanto a mesma apresentou FP de 0,49, valor bem abaixo do informado pelo fabricante e requerido pela norma.
Figura 15 - Forma de onda da lâmpada A1.
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Conforme verificado na Figura 16 a amostra A2 apresentou potência ativa de 8,14 W, valor de acordo com o que estabelece a norma. Porem da mesma forma que A1, essa também apresentou FP abaixo do mínimo necessário, com valor verificado de 0,49, enquanto que o desejável seria 0,7.
Figura 16 – Forma de onda da lâmpada A2.
Fonte: autoria própria.
Através da Figura 20 é possível verificar que a amostra A3 teve comportamento similar as outras duas amostras dessa marca. Com potência ativa de 8,13 W a amostra A3 apresentou valor satisfatório nesse parâmetro. Com FP igual a 0,49, a amostra A3 não atendeu o que é definido em norma.
Figura 17 – Forma de onda da lâmpada A3.
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5.3 AMOSTRAS DA MARCA “B”
A Tabela 9 apresenta os valores apresentados pelo fabricante do produto, comparados com os verificados no osciloscópio, quando essas tiveram tensão aplicada de 216 V.
Tabela 9 - Dados elétricos das amostras da marca "B".
MARCA “B” Informações do
fabricante. Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Tensão 100 – 240 V 216 V 216 V 216 V
Potencia Ativa 9 W 8,237 W 8,118 W 7,943 W
Fator Potência 0,5 0,551 0,547 0,543
Potência Aparente 18 VA 14,9 VA 14,9 VA 14,6 VA
Potencia Reativa 15,6 VAr 12,5 VAr 12,4 VAr 12,3 VAr
Corrente 82 mA 69 mA 69 mA 68 mA
Fonte: autoria própria.
Conforme pode ser observado na Figura 18 a amostra B1 apresentou potência ativa de 8,24 W, o que deixa essa em conformidade com a norma. No entanto a mesma apresentou FP 0,55, valor bem abaixo do mínimo necessário para esse parâmetro que é de 0,7.
Figura 18 – Forma de onda da lâmpada B1.
Como pode ser observado na Figura 19 a amostra B2 apresentou a potência ativa de 8,12 W, valor que a qualifica como lâmpada em conformidade com a norma, porem a mesma também apresentou FP abaixo dos 0,7 desejáveis, com valor medido de 0,55, apresentando assim não conformidade nesse parâmetro.
Figura 19 – Forma de onda da lâmpada B2.
