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De forma detalhada os principais tipos de lâmpadas disponíveis atualmente, incluindo lâmpadas incandescentes, halógenas e de descarga. O texto descreve as características, funcionamento e aplicações de cada tipo de lâmpada, além de discutir conceitos importantes como fluxo luminoso, eficiência luminosa e temperatura de cor. Um recurso valioso para estudantes de engenharia elétrica e profissionais que trabalham com iluminação.
Tipologia: Resumos
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Figura 2.0.2 - Curva de sensibilidade do olho humano a radiações monocromáticas
As radiações infravermelhas são radiações invisíveis ao olho humano e seu comprimento de onda se situa entre 760 nm a 10.000 nm. Caracterizam-se por se forte efeito calorífico e são radiações produzidas normalmente através de resistores aquecidos ou por lâmpadas incandescentes especiais cujo filamento trabalha em temperatura mais reduzida (lâmpadas infravermelhas). As radiações infravermelhas são usadas na Medicina no tratamento de luxações, ativamento da circulação, na indústria na secagem de tintas e lacas , na secagem de enrolamentos de motores e transformadores, na secagem de grãos, como trigo e café, etc. Já as radiações ultravioletas caracterizam-se por sua elevada ação química e pela excitação da fluorescência de diversas substâncias.
Normalmente dividem-se em 3 grupos:
- UV-A : Ultravioleta próximo ou luz negra (315 a 400 nm)
O UV-A compreende as radiações ultravioletas da luz solar, podendo ser gerado artificialmente através de uma descarga elétrica no vapor de mercúrio em alta pressão. Essas radiações não afetam perniciosamente a visão humana, não possuem atividades pigmentárias e eritemáticas sobre a pele humana, e atravessam praticamente todos os tipos de vidros comuns. Possuem grande atividade sobre material fotográfico, de reprodução e heliográfico (l à 380 nm). O UV-B tem elevada atividade pigmentária e eritemática. Produz a vitamina D, que possui ação anti-raquítica. Esses raios são utilizados unicamente para fins terapêuticos. São também gerados artificialmente por uma descarga elétrica no vapor de mercúrio em alta pressão. O UV-C afeta a visão humana, produzindo irritação dos olhos. Essas radiações são absorvidas quase integralmente pelo vidro comum, que funciona como filtro, motivo pelo qual as lâmpadas germicidas possuem bulbos de quartzo.
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Luminotécnica é o estudo minucioso das técnicas das fontes de iluminação artificial, através da energia elétrica. Portanto, toda vez que se pensa em fazer um estudo das lâmpadas de um determinado ambiente, está se pensando em fazer um estudo luminotécnico. Na luminotécnica distinguem-se as seguintes grandezas:
Intensidade Luminosa Símbolo: I Unidade: candela (cd)
Se a fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as direções, o Fluxo Luminoso se distribuiria na forma de uma esfera. Tal fato, porém, é quase impossível de acontecer, razão pela qual é necessário medir o valor dos lumens emitidos em cada direção. Essa direção é representada por vetores, cujo comprimento indica a Intensidade Luminosa. Em outras palavras é a potência da radiação luminosa em uma dada direção. Como a maioria das lâmpadas não apresenta uma distribuição uniformemente em todas as direções é comum o uso das curvas de distribuição luminosa, chamadas CDL´s.
Curva de Distribuição Luminosa Símbolo: CDL Unidade: candela (cd)
Considerando a fonte de luz reduzida à um ponto no centro de um diagrama e que todos os vetores que dela se originam tiverem suas extremidades ligadas por um traço, obtém-se a Curva de Distribuição Luminosa (CDL). Em outras palavras, é a representação da Intensidade Luminosa em todos os ângulos em que ela é direcionada num plano. Para a uniformização dos valores das curvas, geralmente essas são referidas a 1000 lm. Nesse caso, é necessário multiplicar-se o valor encontrado na CDL pelo Fluxo Luminoso da lâmpada em questão e dividir o resultado por 1000 lm. A curva CDL geralmente é encontrada nos catálogos dos fabricantes de lâmpadas e iluminarias como o mostrado no final deste material.
Fluxo Luminoso Símbolo: ϕ Unidade: lúmen (lm)
É a potência de radiação total emitida por uma fonte de luz em todas as direções do espaço e capaz de produzir uma sensação de luminosidade através do estímulo da retina ocular. Em outras palavras, é a potência de energia luminosa de uma fonte percebida pelo olho humano. Um lúmen é a energia luminosa irradiada por uma candela sobre uma superfície esférica de 1 m^2 e cujo raio é de 1 m. Assim o fluxo luminoso originado por uma candela é igual à superfície de uma esfera unitária de raio ( r = 1 m). ϕ = 4π.r^2 = 12.57 lm
As lâmpadas conforme seu tipo e potência apresentam fluxos luminosos diversos:
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leitura de uma página escrita em letras pretas (refletância 10%) sobre um fundo branco (papel, refletância 85%) revela que a luminância das letras é menor do que a luminância do fundo e, assim, a leitura “cansa menos os olhos”. A luminância depende tanto do nível de iluminação ou iluminância quanto das características de reflexão das superfícies. A equação que permite sua determinação é:
Onde: L = Luminância, em cd/m² I = Intensidade Luminosa, em cd A = área projetada, em m² α= ângulo considerado, em graus.
Como é difícil medir-se a Intensidade Luminosa que provém de um corpo não radiante (através de reflexão), pode-se recorrer à outra fórmula, a saber:
Onde: ρ= Refletância ou Coeficiente de Reflexão E = Iluminância sobre essa superfície
Vale lembrar que o Coeficiente de Reflexão é a relação entre o Fluxo Luminoso refletido e o Fluxo Luminoso incidente em uma superfície. Esse coeficiente é geralmente dado em tabelas, cujos valores são função das cores e dos materiais utilizados. A luminância de uma fonte luminosa ou de uma superfície luminosa estabelece a reação visual da vista. Quando a luz de uma fonte ou de uma superfície que reflete a luz, atinge a vista com elevada luminância, então ocorre o ofuscamento, sempre que a luminância é superior a 1 sb. As luminâncias preferenciais em um ambiente de trabalho pode variar entre as pessoas, principalmente se estiverem desenvolvendo tarefas diferentes. O melhor conceito de iluminância talvez seja “densidade de luz necessária para realização de uma determinada tarefa visual”. Isto permite supor que existe um valor ótimo de luz para quantificar um projeto de iluminação. Esses valores relativos a iluminância foram tabelados por atividade.
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Vida Útil de uma Lâmpada
É definida pela média aritmética do tempo de duração de cada lâmpada ensaiada e é dado em horas. Comparadas com as lâmpadas incandescentes, as lâmpadas de descarga têm vida média muito mais longa. Ciclos de funcionamento mais curtos partidas mais freqüentes, encurtam a vida das lâmpadas de descarga e os ciclos de funcionamento mais longos, partidas menos freqüentes, aumentam a vida.
Figura 2.2.1 - Gráfico da vida útil dos principais tipos de lâmpadas
Eficiência Luminosa ou Energética Símbolo: ηw (ou K, conforme IES) Unidade: lm/W
As lâmpadas se diferenciam entre si não só pelos diferentes Fluxos Luminosos que elas irradiam, mas também pelas diferentes potências que consomem. Para poder compará-las, é necessário que se saiba quantos lumens são gerados por watt absorvido, ou seja, a razão entre o fluxo luminoso total emitido φ e a potência elétrica total P consumida pela mesma. A essa grandeza dá-se o nome de Eficiência Energética (antigo “Rendimento Luminoso”). É útil para averiguarmos se um determinado tipo de lâmpada é mais ou menos eficiente do que outro. A Eficiência Luminosa é um indicador da eficiência do processo de emissão de luz utilizada sob o ponto de vista do aproveitamento energético.
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Figura 2.2.3 - Energia espectral dos radiadores integrais segundo a lei de Planck
A figura acima permite observar que quanto maior for a temperatura, maior será a energia produzida, sendo que a cor da luz está diretamente relacionada com a temperatura de trabalho (mais fria quanto maior for a temperatura). Um aspecto importante é que a temperatura da cor não pode ser empregada isoladamente e sim em conjunto com o IRC, mas independentemente deste aspecto, se aceita que cores quentes vão até 3.000K, as cores neutras situam-se entre 3.000 e 4.000K e as cores frias acima deste último valor. As cores quentes são empregadas quando se deseja uma atmosfera íntima, sociável, pessoal e exclusiva (residências, bares, restaurantes, mostruários de mercadorias); as cores frias são usadas quando a atmosfera deva ser formal, precisa, limpa (escritórios, recintos de fábricas). Seguindo esta mesma linha de raciocínio, conclui-se que uma iluminação usando cores quentes realça os vermelhos e seus derivados; ao passo que as cores frias, os azuis e seus derivados próximos. As cores neutras ficam entre as duas e são, em geral, empregadas em ambientes comerciais. Abaixo são mostradas as diversas temperaturas de cor. as
Figura 2.4 - Tonalidade de Cor e Reprodução de Cores Índice de reprodução de cores
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Símbolo: IRC ou Ra Unidade: R
Objetos iluminados podem nos parecer diferente, mesmo se as fontes de luz tiverem idêntica tonalidade. As variações de cor dos objetos iluminados sob fontes de luz diferentes podem ser identificadas através de um outro conceito, Reprodução de Cores, e de sua escala qualitativa Índice de Reprodução de Cores (Ra ou IRC). O mesmo metal sólido, quando aquecido até irradiar luz, foi utilizado como referência para se estabelecer níveis de Reprodução de Cor. Define-se que o IRC neste caso seria um número ideal = 100. Sua função é como dar uma nota (de 1 a
Fator de fluxo luminoso Símbolo: BF Unidade: % A maioria das lâmpadas de descarga opera em conjunto com reatores. Neste caso, observamos que o fluxo luminoso total obtido neste caso depende do desempenho deste reator. Este desempenho é chamado de fator de fluxo luminoso (Ballast Factor) e pode ser obtido de acordo com a equação:
fluxoluminoso nominal
fluxoluminoso obtido BF =
Como geralmente a lâmpada é instalada dentro de luminárias, o Fluxo Luminoso final que se apresenta é menor do que o irradiado pela lâmpada, devido à absorção, reflexão e transmissão da luz pelos materiais com que são construídos.
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Figura 2.5 - Representação do pé direito útil
Como já visto, o Fluxo Luminoso emitido por uma lâmpada sofre influência do tipo de luminária e a conformação física do recinto onde ele se propagará.
Fator de Utilização (Fu)
O Fluxo Luminoso final (útil) que incidirá sobre o plano de trabalho, é avaliado pelo Fator de Utilização. Ele indica, portanto, a eficiência luminosa do conjunto lâmpada, luminária e recinto.
O produto da Eficiência do Recinto,ηR (anexo III, pág. 52) pela Eficiência da
Luminária, ηL(pág. 51) nos dá o Fator de Utilização (Fu).
Fu =ηL .η R Determinados catálogos indicam tabelas de Fator de Utilização direto para suas luminárias. Apesar de estas serem semelhantes às tabelas de Eficiência do Recinto, os valores nelas encontrados não precisam ser multiplicados pela Eficiência da Luminária, uma vez que cada tabela é específica para uma luminária e já considera a sua perda na emissão do Fluxo Luminoso.
Fator ou índice de Reflexão
É a relação entre o fluxo luminoso refletido e o incidente, ou ainda, é a porcentagem de luz refletida por uma superfície em relação à luz incidente. Devem ser considerados os índices de reflexão do teto, paredes e piso.
Tabela 2.1 - Índices de Reflexão Refletâncias das diversas cores Branco 75 a 85% Marfim 63 a 80% Creme 56 a 72% Amarelo claro 64 a 75% Marrom 17 a 41% Verde claro 50 a 65%
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Verde escuro 10 a 22% Azul claro 50 a 60% Rosa 50 a 58% Vermelho 10 a 20% Cinza 40 a 50%
Tabela 2.2 - Índices de Reflexão para diversos materiais.
Fator de Depreciação (Fd)
Com o tempo, paredes e tetos ficarão empoeirados e sujos e, com isso, os equipamentos de iluminação acumularão poeira, fazendo com que menos quantidade de luz seja fornecida por estes equipamentos. Alguns desses fatores poderão ser eliminados por meio de manutenção. Na prática, para amenizar-se o efeito desses fatores e admitindo-se uma boa manutenção periódica, podem-se adotar os valores de depreciação constantes na tabela abaixo.
AMBENTE Período de Manutenção 2.500 h 5.000 h 7.500 h Limpo 0,95 0,91 0, Normal 0,91 0,85 0, Sujo (^) 0,80 0,66 0, Tabela 2.3 – Fator de depreciação
3. Lâmpadas Elétricas
As lâmpadas comerciais utilizadas para iluminação são caracterizadas pela potência elétrica absorvida (W), fluxo luminoso produzido (lm), temperatura de cor (K) e índice de reprodução de cor. Em geral as lâmpadas são classificadas, de acordo com o seu mecanismo básico de produção de luz. As com filamento convencional ou halógenas produzem luz pela incandescência, assim como o sol. As de descarga aproveitam a luminescência, assim como os relâmpagos e as descargas atmosféricas. E os diodos utilizam a fotoluminescência, assim como os vaga-lumes.
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Figura 3.1 – Lâmpada Incandescente Tradicional
A base da lâmpada incandescente têm por finalidade fixar mecanicamente a lâmpada em seu suporte e completar a ligação elétrica ao circuito de iluminação. A maior parte das lâmpadas usa a base de rosca tipo Edison. Elas são designadas pela letra E seguidas de um número que indica aproximadamente seu diâmetro externo em milímetros. É constituída de uma caneca metálica, geralmente presa com resina epóxi sobre o bulbo. Existem outras padronizações, por exemplo, baioneta e tele-slide, ambas utilizadas em lâmpadas miniatura. As lâmpadas incandescentes de médio e grande porte geralmente utilizam uma base que suporta temperaturas até 250 °C. A eficácia luminosa resultante cresce com a potência da lâmpada, variando de 7 a 15 lm/W. Estes valores são relativamente baixos, quando comparados com lâmpadas de descarga com fluxo luminoso semelhante. No entanto, esta limitação é compensada, pois possui temperatura de cor agradável, na faixa de 2700K (amarelada) e reprodução de cores 100%. A resistência específica do tungstênio na temperatura de funcionamento da lâmpada (2800 K) é aproximadamente 15 vezes maior do que à temperatura ambiente (25 °C). Portanto, ao ligar uma lâmpada in candescente, a corrente que circula pelo seu filamento a frio é quinze vezes a corrente nominal de funcionamento em regime. A temperatura do filamento sobe rapidamente, atingindo valores elevados em frações de segundo. Ligações muito freqüentes reduzem a vida útil da lâmpada, pois o filamento geralmente não apresenta um diâmetro constante. A corrente de partida causa aquecimento excessivo e localizado nos pontos onde a seção do filamento apresenta constrições, provocando seu rompimento. A vida útil de uma lâmpada incandescente comercial é da ordem de 1000 horas. Quando uma lâmpada incandescente é submetida a uma sobretensão, a temperatura de seu filamento, sua eficiência, potência absorvida, fluxo luminoso e corrente crescem, ao passo que sua vida se reduz drasticamente. As variações podem ser calculadas pelas seguintes expressões empíricas:
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Sendo φ : fluxo luminoso T: temperatura V: tensão L: tempo de vida.
Lâmpada Incandescente Halógena
As lâmpadas halógenas têm o mesmo princípio de funcionamento das lâmpadas incandescentes convencionais, porém foram incrementadas com a introdução de gases halógenos (iodo ou bromo) que, dentro do bulbo se combinam com as partículas de tungstênio desprendidas do filamento. Esta combinação, somada à corrente térmica dentro da lâmpada, faz com que as partículas se depositem de volta no filamento, criando assim o ciclo regenerativo do halogênio. Porem, este ciclo halógeno só se torna eficaz para temperaturas de filamento elevadas (3200 K) e para uma temperatura da parede do bulbo externo acima de 250 °C. O resultado é uma lâmpada com vantagens adicionais, comparada às incandescentes tradicionais:
Figura 3.2 – Vista em corte de uma lâmpada incandescente halógena do tipo lapiseira
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Nas lâmpadas de descarga utilizadas em iluminação, a luz é produzida pela radiação emitida pela descarga elétrica através de uma mistura gasosa composta de gases inertes e vapores metálicos. A mistura gasosa encontra-se confinada em um invólucro translúcido (tubo de descarga) em cujas extremidades encontram-se inseridos eletrodos (hastes metálicas ou filamentos) que formam a interface entre a descarga e o circuito elétrico de alimentação. A corrente elétrica através da descarga é formada majoritariamente por elétrons emitidos pelo eletrodo negativo (catodo) que são acelerados por uma diferença de potencial externa em direção ao eletrodo positivo (anodo) gerando colisões com os átomos do vapor metálico. Ao contrário da lâmpada incandescente, na qual o filamento metálico é um condutor elétrico, na lâmpada a descarga o composto metálico responsável pela emissão de radiação encontra-se em estado sólido ou líquido na temperatura ambiente e o gás inerte no interior do tubo (conhecido como gás de enchimento ou “filling gas”) é isolante. Portanto, inicialmente é necessário um processo de ignição para o rompimento da rigidez dielétrica da coluna gasosa. O calor gerado pela descarga através do gás inerte nos instantes iniciais após a partida da lâmpada vaporiza o composto metálico. Após a partida, a lâmpada de descarga apresenta uma impedância dinâmica (derivada da tensão em relação à corrente) negativa, ou seja, à medida que a corrente na lâmpada aumenta, a diferença de potencial entre os seus terminais diminui. Portanto, toda lâmpada de descarga necessita de um elemento com impedância positiva ligado em série para estabilizar a corrente no ponto de operação nominal da lâmpada. Caso contrário, para qualquer variação de tensão da fonte de alimentação, a lâmpada se comportaria como um curto-circuito e a corrente assumiriam valores elevados. O elemento de estabilização é denominado “reator”. Na prática, as lâmpadas a descarga são alimentadas em corrente alternada (C.A.). Desta forma, cada eletrodo assume a função de catodo e anodo em semi ciclos consecutivos e a lâmpada passa apresentar uma curva tensão versus corrente dinâmica, podendo ser modelada por uma resistência não linear equivalente. Por questões de eficiência, a estabilização da corrente em corrente alternada não é feita com resistores, utilizando-se no seu lugar uma associação de elementos reativos (capacitores e indutores) para evitar a dissipação desnecessária de potência ativa. Temos então a eletricidade passando por reator, que joga para dentro da lâmpada uma tensão acima do normal, permitindo que o sistema dê a partida. O reator serve para dar a partida da lâmpada e também como limitador de corrente. A energia transferida ao átomo pelas colisões elásticas excita elétrons para órbitas mais elevadas e as colisões inelásticas provocam sua ionização gerando novos elétrons. A subseqüente transição do átomo para um estado de menor energia é acompanhada da emissão de radiação. As lâmpadas a descarga podem ser classificadas pela pressão no interior do tubo com a lâmpada em operação em lâmpadas de descarga de baixa pressão e lâmpadas de descarga de alta pressão, abordados neste sub-item.
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Existem basicamente dois tipos de lâmpadas comerciais: as lâmpadas de descarga de baixa pressão de vapor de mercúrio, conhecidas como lâmpadas fluorescentes, e as lâmpadas de descarga de baixa pressão de vapor de sódio.
Lâmpadas Fluorescentes
Desenvolvida na década de 1940 [4,5] e conhecida comercialmente como lâmpada tubular fluorescente em função da geometria do seu tubo de descarga, este tipo de lâmpada encontra aplicações em praticamente todos os campos de iluminação. O tubo de descarga, de vidro transparente, é revestido internamente com uma camada de pó branco, genericamente conhecido como "fósforo". O "fósforo" atua como um conversor de radiação, ou seja, absorve um comprimento de onda específico de radiação ultravioleta, produzida por uma descarga de vapor de mercúrio a baixa pressão, para emitir luz visível.
Figura 3.4 – Estrutura interna e princípio de funcionamento de uma LF tubular
As lâmpadas fluorescentes comercialmente disponíveis utilizam bulbos de vidro transparente, designados por uma letra T (de tubular) seguida de um número que indica o seu diâmetro máximo em oitavos de polegada. Por exemplo, T significa um bulbo tubular com diâmetro de 12/8 polegadas. As características colorimétricas (temperatura de cor correlata, reprodução de cores) e a eficácia da lâmpada fluorescente são determinadas pela composição e espessura do pó fluorescente ("fósforo"). Os "fósforos" são compostos que emitem luz por fluorescência quando expostos à radiação ultravioleta. Na década de 1980 foi desenvolvida uma nova família de "fósforos", conhecida comercialmente como "trifósforos", que é constituída de três compostos, cada um com banda de emissão estreita e centrada nos comprimentos de onda do azul, vermelho e verde respectivamente. A combinação adequada destes compostos, junto a uma camada de halofosfato, possibilitou uma melhora no índice de reprodução de cores e um aumento considerável na eficácia luminosa. As lâmpadas fluorescentes de nova geração utilizam um tubo com diâmetro menor (T8 em vez de T12) e o custo mais elevado do tri-fósforo é compensado pelo aumento de eficiência resultante. As lâmpadas fluorescentes tubulares são utilizadas para iluminação de interiores em instalações comerciais, industriais e residenciais. A lâmpada fluorescente não oferece riscos à saúde, pois a quase totalidade da radiação ultravioleta emitida pela descarga é absorvida pelo pó fluorescente e pelo vidro do tubo de descarga.
