Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Luminotecnia
Tiago Samuel de Almeida Pereira Ribeiro
Dissertação realizada no âmbito do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador: Professora Doutora Maria Teresa Costa Pereira da Silva Ponce de Leão
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Luminotecnia – Métodos de avaliação
Tiago Samuel de Almeida Pereira Ribeiro
VERSÃO FINAL
Dissertação realizada no âmbito do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Energia
Orientador: Professora Doutora Maria Teresa Costa Pereira da Silva Ponce de Leão
Fevereiro de 2010
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Métodos de avaliação
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Resumo
A luminotecnia, enquanto área que estuda a iluminação artificial, tem uma importância grande dentro dos sistemas de energia na medida em que cerca de 20 % do consumo mundial de electricidade é destinado a esse fim. Nesse sentido, torna-se pertinente fazer um estudo dos meios de produção de iluminação tendo em vista a redução do consumo de energia dedicado para este efeito. Para esse desiderato é particularmente importante a nova tecnologia de iluminação de estado sólido feita com os díodos emissores de luz ou Led.
Este trabalho vai pois focar-se na compreensão das principais formas de iluminação do ponto de vista da sua tecnologia de base e procurar compará-las tendo em conta os critérios mais relevantes.
Assim, irá ser estudada a viabilidade da aplicação de técnicas de análise de ciclo de vida no contexto da iluminação. Para isso será apresentado o standard internacional de Avaliação de Ciclo de Vida, como o método de apuramento de impactes ambientais associados aos produtos desde o seu fabrico até ao seu final de vida e destruição.
Finalmente, irão ser estudados os principais indicadores que deverão presidir a uma escolha consciente da tecnologia de iluminação. Irá ser feita uma separação entre aplicações exteriores e interiores, com a identificação das práticas mais usuais para avaliar em que medida a introdução de iluminação Led se justifica com base nos indicadores estudados.
Abstract
Lighting has a great importance in today’s energy system since it represents close to 20 % of worldwide electricity consumption. It becomes important to do a study of lighting production techniques as a way of reducing the energy costs associated with general lighting. In that regard it is particularly important the new technology of solid state lighting with light emitting diodes.
This work will therefore focus on the comprehension of the different technologies and compare them with the use of the most relevant criteria.
It will be studied the viability for the application of life cycle tools for the lighting products. For that it will be presented the Life Cycle Assessment as the international standard for evaluation of environmental burdens associated with products since manufacturing until disposal.
Finally it will be studied the main aspects which should be taken into account when deciding for a lighting production technique. It will be made a distinction between indoor and outdoor lighting and identified the most usual scenarios and accessing how the introduction of light emitting diodes would be of value.
Agradecimentos
• À minha família e amigos.
• À professora Teresa Ponce de Leão pela orientação neste trabalho.
• Ao Dr. Paulo Partidário do LNEG pelas valiosas informações e esclarecimentos.
• A todos as restantes pessoas que tiveram a gentileza de me prestar informações valiosas para a execução deste trabalho.
• A todos os professores e colegas que me acompanharam no meu percurso académico.
Índice
Resumo ...iii
Abstract ... v
Agradecimentos ... vii
Índice ... ix
Lista de figuras ... xii
Abreviaturas ... xv Capítulo 1 ... 1 Introdução ... 1 1.1 Caracterização do tema ... 1 1.2 Objectivos do trabalho ... 2 1.3 Estrutura do trabalho ... 4 Capítulo 2 ... 5 A Iluminação ... 5 2.1 Perspectiva Histórica ... 5
2.2 Luz e Radiação Electromagnética ... 6
2.2 Principais Grandezas e Parâmetros ... 8
2.4 Qualidade da luz ... 14
2.4 Comentários ... 17
Capítulo 3 ... 18
Tecnologias de Iluminação – Estado da Arte ... 18
3.2 Incandescência ... 18
3.2.1 Lâmpada de incandescência normal ... 18
3.2.2 Lâmpada de halogéneo ... 21
3.2.3 Lâmpada de incandescência reflectora ... 22
3.3 Descarga eléctrica em gases ... 22
3.3.1 Luminescência em gases e vapores metálicos ... 23
3.3.2 Lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão ... 26
3.3.3 Lâmpadas de luz mista ... 28
3.3.4 Lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos ... 29
3.3.5 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão ... 30
3.3.6 Lâmpada fluorescente ... 31
3.3.7 Lâmpada fluorescente compacta ... 33
3.3.8 Lâmpada vapor de sódio a baixa pressão ... 34
3.4 Iluminação de estado sólido (díodos emissores de luz – Led) ... 34
3.4.1 Constituição e princípio de funcionamento. ... 35
3.4.2 Características da luz ... 39
3.4.3 Led - Notas finais ... 42
3.5 Comentários ... 42
Capítulo 4 ... 44
Análise de Ciclo de vida ... 44
4.1 Generalidades, metodologias e normas ... 44
4.2 Aplicação à iluminação ... 46
4.3 Estudo de ciclo de vida ... 47
4.4 Comentários ... 51 Capítulo 5 ... 53 Aplicações da tecnologia ... 53 5.1 Introdução ... 53 5.2 Iluminação interior ... 53 5.3 Iluminação exterior ... 56
5.5 Comentários ... 63
Capítulo 6 ... 65
Caso de estudo ... 65
6.1 Introdução ... 65
6.2 Aplicação de tecnologia Led à iluminação pública ... 66
6.3 Caso prático ... 72
6.3.1 Cenário 1 - Substituição com iluminação Led. ... 76
6.3.2 Cenário 2 – Implementação de raiz. ... 79
6.4 Análise de resultados ... 81
6.5 Comentários ... 82
Capítulo 7 ... 83
Conclusões ... 83
Lista de figuras
Figura 1.1 – Distribuição relativa da iluminação a nível mundial segundo categoria de uso. ... 2
Figura 1.2 – Iluminação - distribuição por tipo de tecnologia e sector de aplicação [2]. ... 3
Figura 2.1 – Espectro Electromagnético... 7
Figura 2.2 – Curva de sensibilidade do olho humano à radiação em função do comprimento de onda () [6]. ... 8
Figura 2.3 – Ângulo sólido. ... 9
Figura 2.4 – Intensidade luminosa de uma fonte de luz em função do seu ângulo sólido. ... 10
Figura 2.5 – Triângulo de cores CIE e escala de temperaturas de cor. ... 12
Figura 3.1 – Constituição de lâmpada de incandescência. ... 19
Figura 3.2 – Ciclo de halogéneo regenerativo. ... 21
Figura 3.3 – Montagem para descarga eléctrica num gás [5]. ... 24
Figura 3.4 – Curva de corrente eléctrica em função da tensão num tubo de descarga [5]. ... 24
Figura 3.5 – Constituição da lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão. ... 27
Figura 3.6 – Constituição da lâmpada de vapor de sódio a alta pressão. ... 30
Figura 3.7 – Constituição da lâmpada fluorescente. ... 31
Figura 3.8 – Emissão de luz num Led. ... 36
Figura 3.9 – Espectro da radiação Led [14]... 36
Figura 3.10 – produção de luz branca com Led´s pelo método RGB. ... 38
Figura 3.11 – Produção de luz branca em Leds com camada fosforescente. ... 38
Figura 3.12 – Constituição de uma lâmpada Led [11]. ... 39
Figura 3.13 – Tempo de vida esperado em função da temperatura do ponto-T [18]. ... 41
Figura 3.14 – Depreciação de fluxo luminoso em Led, em função do tempo de funcionamento para várias temperaturas ambientes [18]. ... 41
Figura 4.1 – Enquadramento de um LCA [21]. ... 45
Figura 5.1 – Evolução do custo da luz [27]. ... 58
Figura 5.2 – Rendimentos Luminosos para várias fontes de luz. ... 59
Figura 6.1 – Iluminação pública com luminária VSAP e luminária Led. ... 66
Figura 6.2 – Eficácia luminosa nas regioões mesópica e estocópica. ... 67
Figura 6.3 – Lâmpada emitindo fluxo em todas as direcções. ... 70
Figura 6.4 – Distribuição do fluxo luminoso de uma luminária de iluminação pública [30]. ... 71
Figura 6.5 – Planta Auto-Cad da Rede de iluminação Pública. ... 72
Figura 6.6 – Rua 1 ... 73
Figura 6.7 – Rua 2 ... 73
Figura 6.8 – Rua 3 ... 74
Figura 6.9 – Rua 4 ... 74
Figura 6.10 – Valor anual líquido entre os dois investimentos (cenário 1). ... 78
Lista de tabelas
Tabela 2.1 – Tonalidade da luz em função da sua temperatura de cor ... 12
Tabela 2.2 – Nível de iluminância recomendado para algumas tarefas. ... 15
Tabela 3.1 – Fluxos e rendimentos luminosos típicos para lâmpadas incandescentes... 20
Tabela 3.2 – Materiais constituintes da camada semicondutora para diferentes tipos de Led [14]. ... 37
Tabela 6.1- Rácio S/P para vários tipos de lâmpada [29]. ... 69
Tabela 6.2 – Eficácia luminosa de Leds a várias temperaturas de cor na região fotópica e mesópica [30]. ... 70
Tabela 6.3 – Dados em avaliação para cenário 1. ... 76
Tabela 6.4 – Fluxos financeiros para cenário 1. ... 77
Tabela 6.5 – Fluxos financeiros anuais actualizados (cenário 1). ... 78
Tabela 6.6 – Dados em avaliação para cenário 2. ... 79
Tabela 6.7 – Fluxos financeiros para cenário 2. ... 79
Abreviaturas
CFL Compact Fluorescent Lamp.
CIE Commission International de l’Eclairage.
IRC Índice de restituição de cores.
ISO International Organization for Standardization.
LCA Life Cycle Assessment.
LED Light emitting diodes.
VMAP Vapor de mercúrio de alta pressão. VSAP Vapor de sódio de alta pressão. VSBP Vapor de sódio de baixa pressão. UGR Unified Glare Rating.
Capítulo 1
Introdução
1.1 Caracterização do tema
Este trabalho é realizado no âmbito das tecnologias de iluminação artificial. Tem como objectivo fazer um estudo abrangente do ponto de vista da investigação científica que é responsável por novos desenvolvimentos, bem como a aplicação prática dessas descobertas. Assim, pretende-se fazer uma abordagem às principais soluções praticadas nesta área e relacioná-las, por um lado com os novos desenvolvimentos técnicos e a forma como estes poderão ser integrados às necessidades de iluminação de hoje, e por outro com as crescentes considerações a nível ambiental, e consequentes restrições legislativas, que urgem a adopção de meios cada vez mais eficientes e causadores de menores impactes ambientais.
Actualmente a iluminação representa aproximadamente 20% do consumo mundial de electricidade a que corresponde aproximadamente 2651 terawatt-hora por ano, e previsões apontam para que até 2030 a quantidade de energia usada para este fim possa aumentar cerca de 80%. Mas a iluminação não é apenas conseguida com recurso à energia eléctrica, havendo ainda diversos meios de iluminação alimentados directamente por outras fontes de energia como gasolina, gasóleo, etc. De facto, dados do ano 2005 indicam que mais de um quarto da população mundial usa ainda meios de iluminação alimentados por querosene dado não terem acesso a redes de electricidade [1] e [2].
Com base neste cenário torna-se necessário considerar as actuais práticas e avaliá-las em função dos novos desenvolvimentos tecnológicos para identificar estratégias que permitam reduzir desde já o peso energético associado com a iluminação.
Em concreto podem-se distinguir duas vertentes essenciais sobre as quais se pode actuar com vista a uma utilização mais racional dos recursos luminosos. Por um lado constata-se que em muitas situações há um uso desproporcionado da iluminação, sendo aplicada em lugares sem que a presença de pessoas o justifique, ou devido a projectos antigos, desactualizados ou mal dimensionados cuja revisão torna-se importante ser feita. Por outro lado, verifica-se que já existem actualmente os meios tecnológicos que permitem um uso substancialmente mais eficiente do recurso luminoso e cuja implementação trará grandes proveitos a nível económico e ambiental [2].
Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos meios de iluminação com conteúdo
avaliar a implementação de nova práticas que respondam a estas exigências
1.2 Objectivos do trabalho
O objectivo deste trabalho é fazer a avaliação das fontes de diferentes necessidades.
Podem distinguir-se essencialmente quatro áreas distintas
generalidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso industrial, e a iluminação exterior
Figura 1.1 – Distribuição relativa da
As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às seguintes tecnologias:
• Incandescência – A produção
meio da elevação de temperatura de um corpo. Estas
normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, e constituiu, de entre as principais tecnolog
antiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia são as lâmpadas de incandescência e de halogéneo
• Descargas eléctricas em gases energia a nível atómico dos corpos em gases e vapores metálicos
28%
16%
Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos
de iluminação com conteúdos de mercúrio e outros elementos tóxicos, torna avaliar a implementação de nova práticas que respondam a estas exigências [3]
Objectivos do trabalho
O objectivo deste trabalho é fazer a avaliação das fontes de iluminação e da sua adequação a se essencialmente quatro áreas distintas (figura 1.1) que contemplam a generalidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso
exterior [4].
Distribuição relativa da iluminação a nível mundial segundo categoria de uso.
As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às
A produção de luz é obtida através da emissão de radiações por meio da elevação de temperatura de um corpo. Estas radiações
normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, e constituiu, de entre as principais tecnologias em uso actualmente
antiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia são as lâmpadas de incandescência e de halogéneo [5].
Descargas eléctricas em gases – As radiações emitidas resultam de variações de rgia a nível atómico dos corpos produzidas habitualmente pela descarga eléctrica e vapores metálicos. São radiações que não dependem da temperatura dos
48% 8% 16% Serviços Iluminação Exterior Residencial Industria
Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos torna-se necessário [3].
iluminação e da sua adequação a que contemplam a generalidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso
iluminação a nível mundial segundo categoria de uso.
As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às
através da emissão de radiações por radiações são conseguidas normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, em uso actualmente, a forma mais antiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia
As radiações emitidas resultam de variações de produzidas habitualmente pela descarga eléctrica . São radiações que não dependem da temperatura dos
Iluminação Exterior Residencial Industria
corpos, mas fundamentalmente da estrutura interna dos elementos químicos constituintes sendo denominadas de radiações luminescentes. As lâmpadas de vapor de sódio, vapor de mercúrio, fluorescentes são exemplos de equipamentos que usam esta tecnologia [5].
Estas tecnologias estão totalmente desenvolvidas e largamente disseminadas nas diversas aplicações de iluminação artificial (figura 1.2).
Figura 1.2 – Iluminação - distribuição por tipo de tecnologia e sector de aplicação [2].
Actualmente, verifica-se que em resultado das investigações científicas e desenvolvimento tecnológico existem novos meios de iluminação capazes de responder às necessidades. Fala-se em concreto da iluminação de estado sólido feita com recurso a materiais semicondutores, mais especificamente os díodos emissores de luz (Led – Light emitting diodes). Pretende-se então avaliar estes meios de iluminação artificial, estudando as suas características técnicas, e fazendo uma análise comparativa através dos indicadores mais pertinentes, nomeadamente a nível de eficiência energética, custo, e adequação às tarefas. É com base nestes indicadores que será realizado um caso de estudo concreto para a implementação de iluminação Led.
Será feito também um estudo relacionado com o desenvolvimento sustentável da tecnologia, especialmente tendo em linha de conta a iluminação Led, e a necessidade de avaliar os impactes ambientais decorrentes da sua produção e utilização. Para esse efeito irá estudar-se a possibilidade da execução de um estudo de avaliação de ciclo de vida.
1.3 Estrutura do trabalho
Este documento encontra-se organizado num total de sete capítulos, dos quais este é o primeiro onde se faz a caracterização do trabalho.
No capítulo dois começa-se por fazer uma abordagem histórica sobre a iluminação artificial desde o seu aparecimento como necessidade básica para o homem, até se tornar numa disciplina científica, e as várias invenções que foram ocorrendo ao longo dos anos. Seguidamente são apresentados os principais conceitos associados à iluminação, e as grandezas e parâmetros de interesse, cujo conhecimento é necessário para fazer a caracterização das tecnologias. Estas, por sua vez, são apresentadas no capítulo três onde é feita a descrição do estado da arte das fontes de luz, em especial das mais importantes, nomeadamente as lâmpadas de incandescência, de descarga e os díodos emissores de luz.
No capítulo quatro é abordada a problemática do desenvolvimento sustentável da tecnologia tendo em conta os progressos feitos no âmbito da iluminação de estado sólido com os díodos emissores de luz. Será apresentada a avaliação de ciclo de vida (Life Cycle Assessment) como um método estandardizado e reconhecido internacionalmente para avaliar os impactes ambientais associados ao ciclo de vida de um produto, serviço ou processo. Seguidamente é definida a utilidade da aplicação deste método no contexto da iluminação, as vantagens e conclusões que dessa aplicação podem resultar, e uma aplicação parcial de um estudo de ciclo de vida, bem como os factores que limitam a possibilidade da sua execução completa num trabalho de carácter académico como este.
O capítulo cinco tratará mais uma vez com especial atenção a tecnologia Led, desta vez numa vertente mais prática, do ponto de vista de aplicações concretas para se poder fazer uma comparação de desempenho com as outras tecnologias. Será realizada uma distinção entre iluminação interior e exterior para identificar situações em que a aplicação dos díodos emissores de luz tem utilidade. Nesse sentido, será feita uma comparação de parâmetros característicos e a eleição dos principais indicadores que servem para avaliar a utilidade e o mérito das várias opções.
Com base neste trabalho, o capítulo seis consistirá na realização de um caso estudo de aplicação de Leds em iluminação pública.
O capítulo sete final apresenta as principais conclusões do trabalho desenvolvido, indicando possivelmente linhas de acção para a melhoria das práticas na área da iluminação.
Também serão indicadas as dificuldades encontradas no decorrer desta dissertação e as principais limitações do seu resultado final.
5
Capítulo 2
A Iluminação
2.1 Perspectiva Histórica
A iluminação artificial data de há milhares de anos desde que o Homem descobriu e aprendeu a controlar o fogo usando-o para se aquecer, cozinhar, protecção contra animais e finalmente para iluminação. De facto, a iluminação constitui uma das necessidades básicas para o Homem que desde cedo procurou arranjar formas de poder imitar as fontes de luz naturais e conseguir desenvolver actividades independentes destas.
Da descoberta do fogo ter-se-ão criado as primeiras formas de iluminação portáteis como tochas a partir de troncos de árvores. A partir daí foram criadas as primeiras lâmpadas primitivas com recurso a óleo e gorduras vegetais e animais, seguindo-se a criação das velas e da lâmpada a óleo.
É já a partir do século dezoito que consideráveis progressos são feitos desenvolvendo a lâmpada a óleo com a descoberta de matérias-primas mais adequadas para o combustível e novas aplicações sendo usadas na indústria, marinha, iluminação pública e de veículos, etc. Foi o início da era da tecnologia da iluminação [6].
O próximo grande desenvolvimento foi dado com a criação de iluminação por meios alternativos à chama sendo usados corpos sólidos incandescentes. Destacam-se a invenção da lâmpada incandescente, com o conhecido contributo de Thomas Edison, e da camisa de gás em finais do século 19.
Seguiu-se a produção de lâmpadas incandescentes com filamentos metálicos sendo usados inicialmente o ósmio e o tentálio, para finalmente em 1903 ser apresentada a primeira lâmpada funcional incandescente com filamento de tungsténio, começando a sua produção comercial em 1907 com o contributo de conhecidas companhias como a Philips e a Siemens. Consideráveis progressos foram paulatinamente sendo feitos nesta tecnologia ao longo de todo o século vinte [6].
Paralelamente foram feitas investigações relativas à produção de luz como resultado da descarga eléctrica em gases e vapores metálicos sendo já em pleno século vinte que são
produzidas as primeiras lâmpadas de vapor de mercúrio e vapor de sódio às quais se seguiram as lâmpadas fluorescentes.
A tecnologia mais recente é a da produção de luz através da passagem de corrente eléctrica em semicondutores sendo os LED (díodos emissores de luz) o grande passo tecnológico. Grandes progressos foram realizados desde a segunda metade do século vinte para que hoje se assuma como a potencial e mais promissora forma de iluminação do futuro.
O enorme desenvolvimento que ocorreu nos últimos dois séculos nas formas de produção de luz artificial levou à criação de uma disciplina científica e tecnológica que se dedicasse ao estudo destes assuntos. Foi em 1880 que, no resultado da criação da lâmpada de incandescência, Werner Von Siemens referiu o termo “Tecnologia da Iluminação” pela primeira vez. A base científica para este termo está nas medições quantitativas de luz, ou seja na fotometria, que remonta a cerca de 1760 com a publicação de trabalhos de Pierre Bouguer e Johann Heinrich Lambert sobre a comparação da luminosidade entre diversas fontes de luz. Estes e outros estudos levaram, por exemplo à construção do fotómetro, aparelho capaz de medir a intensidade da luz [6].
Com o avanço da investigação surgiu a preocupação de encontrar os parâmetros que permitissem dominar esta ciência e definir grandezas convenientes, como por exemplo um padrão de luz reproduzível. Este e outros assuntos foram pois sendo discutidos em diversos encontros e congressos, e paralelamente foram sendo criadas várias associações de iluminação sendo a mais conhecida e influente a Comissão Internacional de Iluminação (CIE – Commission International de l’Eclairage) fundada em 1900 [7].
A disponibilidade cada vez maior de fontes de luz, e o aumento dos níveis de eficiência e de luminosidade, levaram a que progressivamente a iluminação viesse a ser encarada como um bem essencial aumentando assim a dependência da sociedade face a esta comodidade. Como tal, tornou-se necessário que cada vez mais atenção seja dada às aplicações concretas de iluminação e também aos efeitos que esta tem nos seus utilizadores. Actualmente a tecnologia de iluminação ou Luminotecnia é uma área científica muito diversificada que engloba não só as vertentes técnicas, nomeadamente de Engenharia, e Engenharia Electrotécnica em particular, mas também outras áreas importantes como as ligadas à medicina e saúde ou ainda arquitectura, economia, etc.
2.2 Luz e Radiação Electromagnética
A radiação Electromagnética é uma forma de energia composta por uma componente de campo eléctrico e outra de campo magnético que se propagam simultaneamente no espaço. Trata-se de um fenómeno físico complexo que se encontra estudado e descrito essencialmente através de duas teorias distintas.
A primeira teoria é a de Maxwell que descreve a radiação electromagnética como um fenómeno de natureza ondulatória em que as suas diferentes propriedades são dependentes do comprimento de onda da radiação.
A outra teoria foi formulada por Planck e é denominada teoria quântica. Esta refere que todas as formas de radiação consistem em pequenas quantidades indivisíveis de energia designadas por quanta, de tal forma que diferentes tipos de radiação consistirão em quantas de nível de energia diferente.
Ambas as teorias fornecem uma explicação perfeita para partes distintas da radiação electromagnética. A teoria de Maxwell explica as leis da propagação da luz, sendo a teoria quântica adequada para explica a forma como a radiação é emitida e absorvida. Dessa forma tornou-se impossível escolher uma teoria principal que regule os fenómenos físicos associados à radiação, o que foi em parte conseguido por De Broglie e Heisenberg que publicou em 1927 uma equação matemática que indica o grau de impossibilidade em observar simultaneamente a radiação na sua natureza ondular e de partícula, naquela que ficou conhecida como a teoria unificada ou princípio da incerteza de Heisenberg [6].
A radiação electromagnética envolve então um conjunto alargado de fenómenos que podem portanto ser definidos pelo seu comprimento de onda. Diferentes comprimentos de onda referem-se portanto a diferentes regiões do espectro electromagnético como mostrado na figura 2.1.
Figura 2.1 – Espectro Electromagnético.
A luz consiste então em radiação electromagnética com um comprimento de onda tal que pode ser percepcionada pelo olho humano. O espectro visível situa-se entre os comprimentos de onda de 380 a 780 nanómetros [5].
Para comprimentos de onda superiores a este limite situam-se as radiações infravermelhas que se caracterizam pela emissão de calor sensível ao ser humano. Seguindo ainda mais no sentido crescente dos comprimentos de onda do espectro encontram-se as ondas de radar, seguindo-se as ondas de televisão e rádio FM e AM, e finalmente as ondas largas associadas com os geradores de corrente alternada e transformadores por exemplo de centrais eléctricas.
Com comprimentos de onda inferiores aos 380 nanómetros existem as radiações ultravioletas emitidas por exemplo pelo sol e que provocam bronzeamento da pele ou outros efeitos mais nocivos. Para ainda menores comprimentos de onda situam-se os raios X, capazes de penetrar os corpos, seguindo-se a perigosa radiação gama e os raios cósmicos [6].
As radiações visíveis situam-se portanto numa porção muito limitada do espectro electromagnético. Para diferentes comprimentos de onda dentro desse limite é possível
distinguir diversas regiões que se manifestam através da maior ou menor sensibilidade para o olho humano, e se traduzem na percepção das diferentes cores. O espectro visível, normalmente designado como luz branca, é composto por uma combinação desses diferentes comprimentos de onda, ou seja das várias cores. Uma fonte de luz emite portanto radiação com comprimentos de onda no espectro visível podendo também conter radiação infravermelha e ultravioleta.
2.2 Principais Grandezas e Parâmetros
Nesta secção apresentam-se as grandezas e os parâmetros que permitem avaliar a iluminação em geral, e mais concretamente os diversos tipos de lâmpadas que serão apresentadas no próximo capítulo.
Inicialmente serão apresentadas as seguintes grandezas fundamentais: fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminância e luminância. Seguidamente definem-se alguns dos principais parâmetros luminotécnicos usados para comparação das fontes de iluminação como o rendimento luminoso, temperatura de cor, índice de restituição de cores e duração de vida.
O processo de quantificação das radiações electromagnéticas é geralmente feito com base em medidas relacionadas com grandezas tradicionais como a potência ou energia. Para o caso particular da radiação visível existe um conjunto específico de grandezas porque, para além de levar em conta as quantidades de energia presentes na radiação, devem ser considerados os efeitos que esta tem no olho humano.
Como já foi referido, a luz é apenas a pequena porção de todo o espectro electromagnético que consegue ser percepcionada pelo olho humano e está compreendida para comprimentos de onda entre os 380 e os 780 nanómetros [5]. Mas nem toda essa radiação produz a mesma luminosidade. A figura 2.2 mostra a curva de sensibilidade ocular ao espectro electromagnético em função do comprimento de onda (), verificando-se que a sensibilidade é máxima (=1) para a radiação na região verde com um comprimento de onda aproximado de 555 nanómetros. Com base nisso seria possível definir uma unidade de medida correspondente ao watt luminoso, que equivaleria à radiação de 1 Watt a um comprimento de onda de 555 nm, pelo que para diferentes comprimentos de onda, ter-se-ia de afectar esse valor por um factor dado pela curva de sensibilidade [6].
No entanto, a unidade adoptada resultou de um conceito anterior que caracteriza a intensidade luminosa emitida por uma fonte de luz numa dada direcção. Assim, definiu-se que uma fonte de luz emitindo uma candela de intensidade luminosa em todas as direcções produz uma conhecida quantidade de luz por segundo, ou seja um lúmen. Este tornou-se então o padrão generalizado de medida de luz.
Definem-se então as seguintes grandezas.
Fluxo luminoso
O fluxo luminoso (Φ) é a quantidade total de luz emitida por segundo por uma fonte luminosa e a sua unidade é o lúmen (lm). É a energia radiada por segundo sob a forma de luz em função da sensibilidade do olho humano. Uma radiação de 1 watt com comprimento de onda de 555 nm, ou seja um watt luminoso, corresponde a um fluxo luminoso de 683 lúmen que corresponde portanto à máxima eficácia luminosa espectral perceptível pelo olho humano [5].
Intensidade luminosa.
A intensidade luminosa (I) é a concentração de luz emitida por segundo numa determinada direcção e a sua unidade é a candela (cd). É definida pelo fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz numa dada direcção por unidade de ângulo sólido.
Um ângulo sólido () define-se como o quociente entre a área abraçada por uma esfera com centro no vértice do ângulo e o quadrado do raio dessa esfera, e a unidade é o esferoradiano (sr). Considere-se uma esfera (figura 2.3) de raio r com o seu centro coincidente com o vértice de um cone. Então, a área S da superfície da esfera abrangida pelo cone é proporcional ao ângulo sólido do cone = / .
Figura 2.3 – Ângulo sólido.
Como a área total da superfície de uma esfera vale 4 , o maior ângulo sólido possível, que abrange toda essa superfície, terá o valor = 4 .
Para se perceber a aplicação do conceito de ângulo sólido à iluminação atente-se na seguinte figura:
Figura 2.4 – Intensidade luminosa de uma fonte de luz em função do seu ângulo sólido.
Uma fonte de luz não deverá em geral emitir um fluxo luminoso constante em todas as direcções mas, considerando um cone suficientemente estreito com o seu vértice situado na fonte de luz, pode-se considerar que o fluxo luminoso emitido nesse cone é uniforme. A concentração desse fluxo no cone dividido pela abertura do cone, expressa por meio do seu ângulo sólido , indica a intensidade luminosa = /.
É um conceito fundamental em iluminação já que graças a ele se tem a possibilidade de definir as aplicações práticas das diferentes fontes luminosas ao serem expressas em função das direcções de interesse a serem iluminadas, ao passo que outras têm mesmo de ser evitadas para, por exemplo evitar o encandeamento [8].
A unidade de Intensidade Luminosa candela é a unidade fundamental da fotometria, e é a partir desta que são derivadas as restantes unidades. Era inicialmente definida como a sexagésima parte da luminosidade emitida pela superfície de 1 cm2 de um corpo negro. A definição mais recente de candela remonta a 1979 correspondendo à intensidade luminosa numa direcção específica de uma fonte emitindo radiação monocromática de frequência 540 ∙ 1012 Hertz (555nm), e em que a intensidade de radiação nessa direcção é de 1/683 watt por esferoradiano.
Iluminância
A iluminância (E), também por vezes referida como iluminação, é a quantidade de luz ou fluxo luminoso ( ) recebido por unidade de área iluminada (S). = /, e a sua unidade é o lux ou lúmen por metro quadrado. É uma unidade base para a luminotecnia e é normalmente muito usada para fazer alusão ao nível de iluminação necessário para as diversas aplicações. Alguns valores de iluminância típicos são os seguintes:
100000 lux, para um dia limpo de sol. 1000 lux, para um escritório de trabalho. 30 lux, para iluminação artificial de via pública.
Luminância
A Luminância (L) especifica a intensidade luminosa emitida por unidade de área numa determinada direcção. É definida como o quociente entre a intensidade luminosa emitida por uma fonte sobre uma superfície pela área aparente dessa superfície ( = /), e é medida em candela por metro quadrado (cd/m2). A área aparente corresponde à área projectada num plano perpendicular à direcção de observação.
Como se verá esta grandeza é particularmente importante porque se relaciona mais directamente com aquilo que é captado pelo olho humano uma vez que corresponde a uma característica dos objectos ao serem iluminados.
As quatro definições apresentadas (fluxo luminoso, intensidade luminosa, luminância, iluminância) constituem as grandezas fundamentais da luminotecnia sendo normalmente á custa destas que são projectadas as aplicações práticas de iluminação e existem relações conhecidas entre elas que são úteis nessas aplicações.
Para além destas grandezas existem alguns parâmetros adicionais que são igualmente importantes, particularmente na avaliação das características das diferentes fontes de iluminação que vão ser apresentadas no capítulo seguinte. Como tal é feita em seguida a apresentação e explicação destes parâmetros.
Rendimento luminoso
O rendimento luminoso é definido como o quociente do fluxo luminoso emitido por um fonte de iluminação e a sua potência eléctrica absorvida. É expresso em lúmen por watt (lm/W). Este é o principal parâmetro de medida da eficácia energética de uma fonte de iluminação, uma vez que avalia a proporção de energia que efectivamente é convertida em luz. De facto, como se irá ver, todos os processos de produção de luz acarretam, de uma maneira ou outra, perdas de energia. Essas perdas significam pois transformações de energia eléctrica em outras formas de energia que não a Luz como sejam a radiação ultravioleta ou infravermelha ou perdas de calor por condução ou convecção [5].
Obviamente que o rendimento luminoso, sendo definido à custa do fluxo luminoso, é dependente da sensibilidade do olho humano à radiação emitida, ou seja, mesmo a energia que é convertida em radiação de comprimento de onda perceptível pelo olho humano causa diferentes níveis de sensação, e como tal o rendimento luminoso relaciona-se directamente com a curva de sensibilidade espectral da figura 2.2. Como já foi visto a máxima percepção visual ocorre para um comprimento de onda de 555 nanómetros. Então uma radiação de 1 Watt com este comprimento de onda produz um fluxo luminoso de 683 lúmen pelo que o rendimento luminoso teórico máximo é de 683 lm/W. Na prática contudo os valores são bastante inferiores devido aos processos de funcionamento das diversas lâmpadas e às perdas de energia associadas.
Finalmente interessa salientar que o rendimento luminoso pode ser referido à lâmpada, luminária ou todo o sistema produtor de luz, uma vez que, como se irá ver, alguns tipos de lâmpadas necessitam de aparelhagem auxiliar para o seu funcionamento e portanto os valores de rendimento luminoso devem-se referir ao processo integral de produção de luz de uma determinada tecnologia luminotecnica.
Temperatura de cor
A temperatura de cor é uma característica da luz que indica a cor aparente de luz emitida e vem expressa em graus Kelvin. Ela é determinada através da escala de temperatura de cores inserida no triângulo de cores (figura 2.5) da CIE (Comissão de Iluminação Internacional) que é um sistema de classificação de cores. Essa escala, designada como curva de corpo negro ou de Planck, resulta da comparação com a temperatura de cor de um corpo negro ideal.
Um corpo negro é um conceito físico derivado da propriedade de emissão de radiações dos corpos quando aquecidos. Assim um corpo que, quando aquecido acima de uma determinada temperatura, emita energia em todo o espectro até ao valor máximo teórico de acordo com a sua temperatura é um emissor térmico perfeito. É também um objecto capaz de absorver toda a radiação sobre ele emitida o que significa que nenhuma radiação o atravessa ou é reflectida. Assim, a temperaturas tão baixas que não seja possível a emissão de radiação visível ele terá um aspecto perfeitamente negro, daí a sua designação de corpo negro radiador [5].
Figura 2.5 – Triângulo de cores CIE e escala de temperaturas de cor.
Se uma fonte de luz tiver uma distribuição espectral semelhante à do corpo negro, como acontece com as fontes térmicas (e.g. lâmpadas de incandescência), ele terá a sua localização no triângulo de cores na curva de corpo negro ou muito próxima desta. Para outras fontes, como as lâmpadas fluorescentes, com uma distribuição espectral diferente existem linhas isotérmicas que permitem calcular a sua temperatura de cor desde que não estejam demasiado afastadas da linha de corpo negro [6].
As temperaturas de cor da luz emitida por uma fonte luminosa têm uma relação próxima com a sua aparência e que é apresentada na tabela seguinte:
Tabela 2.1 – Tonalidade da luz em função da sua temperatura de cor
Temperatura de cor
(ºK) Tonalidade
<3300 Branco Quente >3330 e <5000 Branco Neutro
Índice de restituição de cores.
O índice de restituição de cores (IRC) é a propriedade das fontes de iluminação que indica a sua capacidade de restituir correctamente as cores de um objecto ou superfície. Assim, sobre diferentes formas de iluminação, um mesmo objecto pode ter aparências distintas como por exemplo, uma tonalidade branca quando iluminado por uma lâmpada fluorescente ou mais amarelada por uma lâmpada de incandescência.
O IRC é expresso numa escala de 0 a 100 em que o valor maior corresponde à máxima restituição possível. A determinação do IRC é feita através de um método publicado em 1965 pela CIE que consiste no uso de uma amostra de 8 cores, ou mais em métodos mais recentes, de teste em que se avalia quão correctamente essas cores são reproduzidas pela fonte de luz em comparação com uma fonte padrão como o corpo negro. O valor final do índice de restituição de cores, frequentemente referido como Ra, é dado pela média dos oito valores de teste Ri[6].
= ∙18
Tempo de vida.
Este parâmetro refere-se ao tempo de funcionamento de uma lâmpada até deixar de poder operar nas suas condições normais. É impossível de uma forma geral prever a duração de uma lâmpada individual pois isso depende de um grande número de factores como as tensões e correntes de funcionamento, temperatura ambiente, condições de operação, etc. Contudo, existem formas de estimar o tempo médio de vida de um conjunto de lâmpadas através de testes e medições em determinadas condições.
O indicador mais usual relacionado com o tempo de vida útil é a duração de vida média que é definida como o tempo após o qual 50% de um número significativo de lâmpadas deixa de emitir fluxo luminoso. Para além deste indicador, os fabricantes podem definir outros valores de referência como um tempo de vida mínimo ou a depreciação de lúmen emitido ao longo do seu tempo de funcionamento.
Em todo o caso, a análise da duração de funcionamento de uma lâmpada varia grandemente com a tecnologia de iluminação em questão, já que as causas de falha são muito diversas, pelo que os parâmetros adequados serão usados na descrição das diversas tecnologias no capítulo seguinte.
Finalmente é importante referir que a curva de sensibilidade apresentada, e portanto as grandezas e parâmetros que daí resultam, referem-se ao funcionamento do olho humano no modo de visão fotópica. Com efeito, o olho humano tem a capacidade de se adaptar às condições de iluminação existentes havendo pois partes específicas deste a funcionar consoante o nível de iluminação.
Assim, para níveis de luminância mais elevados, normalmente acima dos 10 cd/m2, o olho funciona no modo de visão fotópica ou visão diurna que se caracteriza pelo funcionamento dos cones oculares existentes principalmente no centro da retina. É nesta situação que a maioria das aplicações luminotécnicas irá trabalhar e é para níveis de iluminâncias entre os 500 e os 2000 lux, que compreende a maioria das tarefas de trabalho, que são realizadas a generalidade das investigações relativas ao funcionamento do olho humano. Como tal, é com base na curva de
sensibilidade espectral fotópica, ou seja com as grandezas fotométricas, que se caracterizam as fontes de iluminação [9].
A visão estocópica ou nocturna ocorre para valores de luminância normalmente inferiores a 0,01 cd/m2. É o que acontece geralmente para noites estreladas em que os cones oculares deixam de funcionar e a sensibilidade à luz provem essencialmente dos bastonetes situados na zona periférica da retina. Nesta situação não há percepção de cor, e a maior eficácia visual desloca-se no espectro visível para a zona do azul esverdeado para um comprimento de onda de 507 nanómetros.
Entre os extremos da visão fotópica e da visão estocópica, ou seja para uma luminância compreendida aproximadamente entre 0,01 e 10 cd/m2, situa-se a visão mesópica característica de situações de entardecer ou de noite com um luar intenso. Nesta situação tanto os cones como os bastonetes oculares encontram-se em funcionamento, e é o que acontece na generalidade das situações de iluminação externa. Este facto é importante, tanto mais porque uma das mais importantes aplicações de iluminação, e que constituirá o caso de estudo neste trabalho, é a iluminação pública em que a situação de visão mesópica deve ser levada em conta na avaliação das diferentes soluções. Acresce a isso a dificuldade de não haver actualmente um padrão internacional bem definido para esta zona de visão, nomeadamente uma curva de sensibilidade espectral [9].
2.4 Qualidade da luz
A qualidade da luz é uma noção em larga medida abstracta que reflecte a adequabilidade da iluminação artificial à realização de uma tarefa pelo ser humano. A projecção e implementação de uma aplicação luminotécnica devem ser baseadas em função da área a ser iluminada e respeitando alguns parâmetros concretos relativos à percepção visual humana. Esses parâmetros são: o nível de iluminação, a distribuição da luminosidade ao campo de visão, ausência de encandeamento, a direcção da luz e sombras, cor da luz, aparência de cor e a reprodução de cor.
Nível de iluminação.
O nível de iluminação é um dos aspectos mais importantes a considerar relativamente à concepção de uma instalação. É normalmente especificado com recurso à grandeza iluminância já previamente referida como o fluxo luminoso recebido por unidade de área iluminada e cuja unidade é o lux (lúmen por metro quadrado). Dependendo do cenário concreto da aplicação são definidos os planos de interesse, ou seja, a altura mais indicada para considerar as actividades que aí vão decorrer. Para uma aplicação em ambiente interno é comum considerar-se o plano de trabalho, por exemplo a uma altura de 0.75m. Se for em ambiente externo o plano de interesse será normalmente a altura do chão [6].
A escolha da iluminância adequada para uma aplicação tem de ter em conta o grau de exigência ao olho humano que as tarefas a serem realizadas acarretam. Quanto mais exigente for o trabalho maior deve ser a iluminância. Assim, o nível de iluminação depende de factores como a duração do trabalho, a velocidade a que este deve ser realizado, o risco de se cometer erros, a idade do trabalhador, quantidade de luz natural presente, etc. Tendo isso em conta, são estabelecidas recomendações por entidades como a comissão internacional de iluminação CIE.
Em seguida apresenta-se uma recomendação da iluminância aconselhada para a maior parte das tarefas.
Tabela 2.2 – Nível de iluminância recomendado para algumas tarefas.
Tarefa Iluminância
recomendada (lux) Iluminação exterior 30
Nível geral para indústria 300 Oficinas, lojas, armazéns 500 Escritórios, laboratórios 750 Trabalho de precisão, montagem
instrumental, avaliação de cores > 1000
A qualidade de iluminação abrange ainda um conjunto mais alargado de parâmetros. Estes são em geral de difícil quantificação mas nem por isso devem ser considerados menos importantes porque reflectem essencialmente noções relativas ao conforto do olho humano face à luminosidade existente.
Distribuição de luminâncias.
A distribuição da luminosidade no campo de visão relaciona-se com a grandeza luminância. Esta exprime a densidade de radiação emitida por uma superfície luminosa vista de uma direcção específica e é medida em candela por metro quadrado. Quanto maior for a luminância de uma superfície melhor ela será vista pelo olho humano. Percebe-se pois que, embora a iluminância possa ser adequada a determinada tarefa, não é garantida uma boa qualidade de iluminação se não houver um bom equilíbrio de luminâncias. O que acontece é que os objectos não são vistos directamente da fonte de luz que os aLcança. Na realidade o que se vê é a luz reflectida pela superfície dos objectos para os nossos olhos. Como as propriedades de reflexão dos diferentes objectos num mesmo lugar podem ser muito diferentes, pode haver um conjunto de luminâncias muito diversas o que implica grandes contrastes para o olho humano, podendo provocar dificuldade de percepção ou concentração e cansaço. Assim, deve procurar-se ter uma distribuição de luminâncias num mesmo lugar o mais uniforme possível, sendo recomendado que não ultrapassem a relação 3 para 1 [6]. Então a escolha do equipamento luminotécnico deve garantir que, quando combinado com os objectos presentes num lugar, origine um nível de distribuição de luminância adequado.
Ausência de encandeamento.
O encandeamento ou ofuscamento é a situação de dificuldade de ver em resultado da presença de uma fonte de luz muito intensa, como acontece por exemplo ao olhar directamente para o sol. O encandeamento resulta em geral da diferença entre a luminancia da tarefa visual a ser executada, ou seja o que se está a ver, e a luminância de uma fonte de luz muito intensa. O encandeamento pode resultar na acção instintiva de desviar o olhar da fonte de luz, ou pode impossibilitar a realização de uma determinada tarefa se, por exemplo esta se situar na mesma linha de visão da fonte causadora de encandeamento. É habitual por isso fazer-se a distinção entre o encandeamento de desconforto e o encandeamento inibidor para os quais existem diferentes formas de avaliação.
Destaca-se por isso a necessidade de os equipamentos luminosos serem desenhados de forma a evitar o mais possível as situações de encandeamento, com a introdução de elementos como difusores e reflectores, e ainda que os projectos de iluminação sejam cuidadosamente efectuados. Por exemplo, para projectos de iluminação da rede viária é imperativo que não haja situações de encandeamento pelas graves consequência em termos de acidentes que daí podem resultar. Devem portanto ser usadas as normas e métodos existentes, nomeadamente os publicados pela Comissão Internacional de Iluminação como é exemplo o UGR (Unified Glare Rating), para garantir o mais possível a inexistência de encandeamento.
Direcção do fluxo luminoso e sombras.
A direcção do fluxo luminoso e a produção de sombras no campo de visão são outros parâmetros relativos à qualidade da iluminação já que influenciam a forma como é percepcionado o ambiente em redor.
O fluxo luminoso pode ser emitido essencialmente de duas maneiras. Uma é a luz direccional que é aquela que é emitida sob a forma de um feixe estreito e que ao aLcançar um objecto produz altos contrastes com zonas de sombra e zonas altamente iluminadas. Este tipo de iluminação causa uma forte modelagem e facilita a percepção das formas. Por outro lado, a luz pode ser emitida de forma difusa, ou seja aLcançando os objectos desde várias direcções o que resulta na produção de pouca ou quase nenhuma sombra. Nesse caso a capacidade de modelagem é limitada sendo por isso difícil percepcionar as formas e os contornos dos objectos [6].
Na concepção das soluções de iluminação devem-se balancear o uso entre luz difusa e direccional para que seja obtido o efeito de modelagem adequado, sendo esta prática especialmente indicada para situações de iluminação decorativa ou com um elevado nível estético. Factores como a luz indirecta, ou seja aquela que é obtida por reflexão em superfícies claras ou transparentes, são também importantes no que diz respeito ao design das aplicações de iluminação e mais especificamente na escolha das fontes luminosas. É levando em conta estes factores que se conseguem as melhores soluções contribuindo para uma melhor segurança, através por exemplo da iluminação de objectos perigosos, ou um bom nível estético como no caso da iluminação de montras, vitrinas, etc.
A cor da luz, aparência de cor e a reprodução de cor
O espectro electromagnético visível é constituído por um conjunto de comprimentos de onda ao qual estão associadas cores. A cor da fonte de luz depende pois da composição espectral da radiação emitida, sendo a cor branca uma composição de diferentes cores do espectro visível. Em contrapartida, a cor aparente das superfícies ou objectos iluminados depende não só da composição espectral da luz incidente, mas também das características desses mesmos objectos ou superfícies que reflectem a luz incidente para poder ser captada pelo olho humano. Isto significa que um objecto percepcionado pelo olho humano como colorido tem a característica de reflectir a luz selectivamente, ou seja, um objecto vermelho reflecte principalmente a radiação de comprimento de onda na zona do vermelho absorvendo a maioria da restante radiação. Por outro lado, o mesmo objecto pintado de vermelho só vai ser percepcionado dessa cor se a radiação incidente tiver uma componente significativa de cor vermelha, caso contrário o objecto será visto com uma cor diferente, o que se relaciona
intimamente com o índice de restituição de cores das fontes luminosas que já foi atrás explicado.
Serve isto para referir que as fontes de iluminação, e mais especificamente a componente espectral da luz por elas emitidas, influenciam decisivamente a forma como são vistos todos os objectos, superfícies, e demais componentes do mundo que nos rodeia. Tal deve ser levado em conta nos projectos de iluminação mas também em actividades banais do dia-a-dia. Por exemplo, a escolha de cortinados pode ser feita com recurso à luz natural do sol sem se levar em conta que na maior parte do tempo em que eles estão a ser utilizados terão a iluminação proveniente de uma fonte de iluminação artificial, e como tal podem ter um efeito diferente do pretendido. Situação análoga pode acontecer para a escolha de vestuário para um evento nocturno sem se considerar as condições de iluminação concretas. Por outro lado, há ocasiões em que a correcta reprodução de cores tem menos interesse, como acontece na iluminação pública de estradas onde o objectivo é iluminar a via para distinguir correctamente os seus limites e os seus utilizadores sejam veículos ou peões. Nestes casos, critérios de natureza económica e prática devem ter predominância na escolha concreta das fontes de iluminação [6].
2.4 Comentários
Este capítulo serviu como forma introdutória à vasta área de conhecimentos dedicada às tecnologias de iluminação.
Apresentou-se uma perspectiva histórica da ciência, que é importante para conhecer a sua evolução, mas principalmente para se perceber a forma como as novas descobertas vão sendo feitas, integradas nas aplicações práticas e quais os desafios a que a investigação cientifica foi dando resposta ao longo dos anos, e aqueles para os quais ainda têm de ser realizados esforços.
Foram expostas as principais noções físicas directamente ligadas com as tecnologias de iluminação como radiação electromagnética, e as principais grandezas e parâmetros luminotécnicos indispensáveis para a caracterização do estado da arte a ser apresentada no próximo capítulo.
Também foram apresentados, de uma forma breve, alguns conceitos relativos à qualidade da luz que se considerou ser importantes na perspectiva do objectivo principal do trabalho, ou seja, métodos de avaliação luminotecnica, e que serão usados no decorrer desta dissertação.
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Capítulo 3
Tecnologias de Iluminação – Estado da Arte
3.1 Introdução
Neste capítulo irá ser feita a descrição das principais tecnologias de iluminação. Em concreto serão tratadas as tecnologias de incandescência e de descarga eléctrica em gases as quais são usadas na generalidade das situações de iluminação. Também será estudada a tecnologia de iluminação de estado sólido através de díodos emissores de luz ou Leds. Para o caso da tecnologia de incandescência e de descarga serão apresentados os seus principais produtos, ou seja os vários tipos de lâmpadas que usam essa tecnologia.
O estudo das diferentes tecnologias consistirá na descrição da sua constituição, o seu princípio de funcionamento, o respectivo balanço energético bem como as características do espectro electromagnético produzido. Igualmente serão apresentados valores típicos de rendimento luminoso, tempo de vida, índice de restituição de cores e temperatura de cores.
3.2 Incandescência
A incandescência constitui a forma tradicional de produção de luz artificial. É realizada com um aparelho emissor de radiações por elevação da temperatura que resultam da passagem de corrente eléctrica por um material condutor. As radiações emitidas desta forma, ou seja, em resultado do aquecimento de materiais, têm em geral a denominação de radiações térmicas ou caloríficas já que dependem exclusivamente da temperatura do corpo emissor. Quando parte dessa radiação é emitida dentro do espectro visível dá-se o fenómeno de incandescência, sendo por isso denominada radiação incandescente [5].
3.2.1
Lâmpada de incandescência normal
Uma lâmpada de incandescência tradicional é constituída pelas seguintes partes principais: filamento, ampola, gás de enchimento e base (figura 3.1).
O filamento é a parte da lâmpada responsável pela produção de luz. Quanto mais alta for a temperatura do filamento, maior será a proporção de radiação visível emitida, ou seja, maior é o rendimento da lâmpada. Desta forma, o material constituinte do filamento deverá ser capaz de aguentar temperaturas tão altas quanto possíveis tendo portanto um ponto de fusão elevado. Por outro lado, a temperatura à qual se consegue elevar o material pela passagem de corrente eléctrica é tanto maior quanto a sua resistência, pelo que são necessários materiais com elevada resistividade. Nas lâmpadas de incandescência modernas o material constituinte do filamento é o tungsténio.
O gás de enchimento é inserido dentro da ampola envolvendo o filamento com a função de reduzir a vaporização deste decorrente do funcionamento contínuo a altas temperaturas. Usam-se para o efeito gaUsam-ses inertes como o azoto, árgon ou crípton conUsam-seguindo-Usam-se maiores temperaturas de funcionamento e consequentemente maiores rendimentos luminosos. Por outro lado, o funcionamento da lâmpada numa envolvência gasosa acarreta o inconveniente de acrescentar perdas de calor por condução e convecção através do gás. Para combater esta situação é comum espiralar-se o filamento, conseguindo-se reduzir o seu tamanho e diminuir a superfície de contacto com o gás, reduzindo assim as perdas de calor e aumentando o rendimento.
A ampola de uma lâmpada incandescente é um invólucro de vidro que envolve o filamento com função de protecção e distribuição do fluxo luminoso. Pode ter diversas formas e pode ser transparente ou ter um acabamento opalino que permite uma melhor distribuição do fluxo luminoso evitando ou atenuando o encandeamento.
A base ou casquilho da lâmpada serve para fazer a ligação desta ao seu suporte. É a partir do casquilho que se montam os suportes de vidro que por sua vez contêm os fios condutores que transportam a corrente eléctrica até ao filamento. Os casquilhos podem ter diversas formas e tamanhos sendo mais utilizados os do tipo Edison (E) ou Baioneta (B).
Como já foi referido a produção de luz artificial por incandescência implica a elevação da temperatura de um corpo. No entanto verifica-se que, de toda a radiação emitida pela elevação da temperatura, grande parte é infra-vermelha e apenas uma pequena porção corresponde a radiações com comprimento de onda sensível ao olho humano. Isto significa que a maioria da energia eléctrica fornecida para o funcionamento de uma lâmpada de incandescência é usada numa função diferente do seu objectivo principal. Para além disso existem ainda as perdas por convecção e por condução resultantes da atmosfera gasosa que envolve o filamento. Assim, numa lâmpada de incandescência tem-se aproximadamente a seguinte distribuição energética decorrente do seu funcionamento: 70% de radiação infra-vermelha; 20 % de perdas por condução e convecção; 10 % de radiação incandescente visível para o olho humano [5].
As lâmpadas de incandescência são fabricadas numa gama alargada de potências para serem aplicadas em diversas aplicações consoante as necessidades de luz emitida. Na tabela seguinte apresentam-se valores usuais de potência usados em lâmpadas de incandescência e o respectivo fluxo luminoso emitido.
Tabela 3.1 – Fluxos e rendimentos luminosos típicos para lâmpadas incandescentes.
Potência (W) Fluxo Luminoso (lm) Rendimento Luminoso (lm/W) 25 230 9,2 40 430 10,8 60 730 12,2 75 960 12,8 100 1380 13,8 150 2220 14,8 200 3150 15,8
Os valores dos rendimentos luminosos obtidos pelas lâmpadas de incandescência variam aproximadamente entre os 9 a 20 lm/W. Para além disso, estes valores diminuem durante o seu funcionamento devido principalmente ao desgaste do filamento de tungsténio que vai sendo lenta mas progressivamente desagregado por vaporização e origina o depósito de material nas paredes interiores das ampolas provocando o seu enegrecimento. Esse desgaste, e consequente diminuição da secção do filamento, provoca um aumento da resistência e como tal uma diminuição da intensidade de corrente que o percorre o que implica uma diminuição do fluxo luminoso emitido. Por fim o filamento metálico acaba por desagregar-se terminando então a produção de fluxo luminoso na lâmpada. Adicionalmente, é conveniente que as condições de alimentação das lâmpadas se mantenham aproximadamente constantes, especialmente a tensão de alimentação, porque causam uma redução considerável do tempo de vida útil. A duração de vida média das lâmpadas de incandescência varia aproximadamente entre 1000 e 2500 horas [10].
Relativamente às características da luz emitida salienta-se que os níveis de luminância directos provenientes do filamento são altos, aproximadamente entre os 500 e os 2000 cd/m2. De facto estes são valores demasiadamente elevados para se poder olhar directamente pois causam encandeamento e podem ser prejudiciais ao olho humano. Para evitar isso devem ser usados acessórios adicionais como difusores, ampolas especiais, como as de acabamento opalino, ou outras condições especiais de instalação que permitam apresentar níveis de
luminância adequados às tarefas concretas a que se destinam e que sejam seguros para os seus utilizadores.
A luz emitida tem uma temperatura típica de cores de aproximadamente 2700 ºK, apresentando portanto uma tonalidade branca quente. O seu espectro electromagnético abrange grande parte do espectro visível emitindo portanto comprimentos de onda de todas as cores. Assim, este tipo de lâmpadas possui habitualmente um índice de restituição de cores óptimo (100).
3.2.2
Lâmpada de halogéneo
Para evitar o enegrecimento das ampolas nas lâmpadas de incandescência decorrentes da degradação do filamento existe um processo (figura 3.2) que consiste na adição de um elemento químico com propriedades especiais (halogéneo) ao gás de enchimento. Assim, é adicionado iodo, flúor ou bromo, o que vai permitir o funcionamento de um ciclo de halogéneo regenerativo, que consiste na combinação do halogéneo com o tungsténio vaporizado formando um gás que, por meio de correntes de convecção, se aproxima do filamento. Devidos às altas temperaturas esse gás é decomposto em tungsténio voltando a depositar-se no filamento [5].
Figura 3.2 – Ciclo de halogéneo regenerativo.
Para suportar os elevados valores de temperatura necessária ao ciclo de halogéneo é usado uma ampola feita em quartzo.
A reutilização do tungsténio permite aumentar a duração de vida média deste tipo de lâmpadas para as 2000/3000 horas. Permite também temperaturas de funcionamento maiores o
que causa um aumento dos fluxos luminosos e dos rendimentos luminosos que podem chegar aos 25lm/W [10].
3.2.3
Lâmpada de incandescência reflectora
De entre as lâmpadas de incandescência é ainda de referir as lâmpadas reflectoras. Para além de particularidades construtivas, como diversas formas e materiais usados, elas têm como principal característica o facto de possuírem uma cobertura espelhada incorporada na superfície interior da ampola que permite a reflexão do fluxo luminoso emitido pelo filamento.
O material usado, normalmente o alumínio, é denominado reflector dicróico ao ter a propriedade de reflectir alguns comprimentos de onda e absorver outros, alterando portanto as características do espectro emitido, permitindo assim modelar as características da luz. É possível, com a adequada escolha do material reflector, fazer com que apenas comprimentos de onda abaixo de determinado valor sejam reflectidos, conseguindo-se assim filtrar radiações infravermelhas e diminuir por isso grande parte do calor transmitido no feixe de luz pelas lâmpadas incandescentes. Dada a localização do espelho no interior da ampola, este está completamente protegido contra efeitos de corrosão ou desgaste de qualquer tipo, não havendo por isso aumentos nos custos de manutenção nem diminuição dos rendimentos luminosos [5].
3.3 Descarga eléctrica em gases
Contrariamente às radiações incandescentes, as radiações que não dependem da temperatura do corpo denominam-se luminescentes. Este tipo de radiação depende fundamentalmente da estrutura atómica do corpo emissor e não se pode expressar em função da temperatura, mas antes relaciona-se com as trocas energéticas que ocorrem a nível dos seus átomos.
É este tipo de radiações que acontecem nas lâmpadas de descarga e segundo as quais é baseado o seu principio de funcionamento. Para se perceber de que forma ocorre este tipo de radiação há que considerar a matéria a nível atómico e dos seus principais constituintes.
Um átomo é constituído pelo núcleo com neutrões de carga eléctrica nula, e protões de carga eléctrica positiva. Fora do núcleo existem electrões em número igual ao de protões com carga negativa que executam trajectórias ou orbitas à volta do núcleo. As referidas orbitas que cada electrão realiza, correspondem a um nível de energia potencial associado a essa partícula. Assim, electrões com órbitas mais afastadas do núcleo têm maior energia potencial do que aqueles que circulam mais perto. Se não houver perturbações exteriores o átomo encontra-se num estado de equilíbrio em que o número de cargas positivas e negativas é igual, não havendo qualquer emissão ou absorção de energia por parte dos electrões. No entanto, se houver uma actuação externa nos átomos, por exemplo devido á aplicação de uma tensão eléctrica no material, o átomo pode ir para um estado de excitação que poderá conduzir ao aparecimento de diferentes fenómenos. Por um lado, os electrões mais exteriores alargam as suas orbitas podendo libertar-se da estrutura atómica tornando-se electrões livres. Outros electrões passam a ocupar órbitas mais exteriores devido ao excedente de energia. Finalmente, outros electrões podem passar a ocupar órbitas mais interiores, que ficam entretanto desocupadas devido às variações de energia, e como para o fazer têm de diminuir o seu nível de energia potencial, transformam esse excedente sob a forma de radiação.
