Estudo de Lâmpadas Elétricas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Universidade Federal de São João del Rei - UFSJ Trabalho de Instalações Elétricas

ESTUDO DE LÂMPADAS ELÉTRICAS

DEPEL

São João del Rei

Universidade Federal de São João del Rei - UFSJ Trabalho de Instalações Elétricas

ESTUDO DE LÂMPADAS ELÉTRICAS

DEPEL

Pedro Henrique Lopes de Menezes Aluno do curso de Engenharia Elétrica UFSJ, São João del Rei – MG

Teresa Cristina Bessa Nogueira Assunção Professora da disciplina de Transformadores Elétricos. Doutorado em Engenharia Elétrica – UFMG Professora Adjunta II na Universidade Federal de São João del Rei – UFSJ UFSJ, São João del Rei – MG

São João del Rei 2012

1. INTRODUÇÃO

O uso de lâmpadas como fontes de luz caracteriza uma das aplicações mais significativas no ramo da eletricidade. Por volta de 1879, Tomas Alva Edison construiu as primeiras lâmpadas incandescentes comercializáveis. Esses dispositivos foram inicialmente constituídos a partir de uma haste de carvão muito fina que, por sua vez, era aquecida a uma temperatura de aproximadamente 900 K por meio do Efeito Joule. No entanto, as lâmpadas produzidas naquela época apresentavam uma eficiência muito baixa, ou seja, a potência consumida pela lâmpada era muito maior do que sua respectiva iluminância. Com os avanços tecnológicos e o desenvolvimento industrial, houve a necessidade de se obter sistemas de iluminação elétrica que oferecessem cada vez mais durabilidade e eficiência luminosa. Em resposta a essa demanda as lâmpadas foram aperfeiçoadas e vários outros tipos de dispositivos elétricos de iluminação também foram criados. Além disso, a estética e arquitetura das edificações também são fatores que passaram a ser levados em consideração no desenvolvimento das lâmpadas encontradas no mercado. Segundo a 8º edição do livro “Instalações Elétricas Industriais” de João Mamede Filho: “A iluminação é responsável atualmente por cerca de 17% de toda a energia elétrica consumida no Brasil. No setor industrial a participação do consumo da iluminação é de aproximadamente 2%, o que representa a produção de energia elétrica de Sobradinho no rio São Francisco, no Nordeste do Brasil.” Nesse trabalho procura-se abordar as características associadas aos principais modelos de lâmpadas utilizadas nos projetos de iluminação. Nesse âmbito, pretende- se destacar as peculiaridades de cada uma delas, além de catalogar diferentes tipos de fabricantes e seus respectivos elementos estudados.

2. CONCEITOS BÁSICOS Para melhor entendimento acerca de lâmpadas e iluminação de ambientes é conveniente uma abordagem prévia dos principais parâmetros e conceitos acerca do assunto.

2.1. Luz É uma fonte de radiação que emite ondas eletromagnéticas em diferentes comprimentos. Apenas algumas faixas de ondas, compreendidas em uma faixa de frequência, são visíveis ao ser humano. As radiações de frequências maiores , como o violeta e o azul, intensificam a sensação luminosa do olho humano quando o ambiente é iluminado com pouca luz. Já as radiações de frequências maiores, como o laranja e o vermelho, minimizam a sensação luminosa do olho humano quando o ambiente é iluminado com muita luz.

2.2. Iluminância É definida basicamente como sendo o limite do fluxo luminoso recebido pela superfície em torno de um ponto considerado para a área da superfície quando esta tende a zero. A iluminância também é conhecida como nível de iluminamento. É expressa em “lux”, que corresponde ao fluxo luminoso incidente numa determinada superfície por unidade de área. Com isso tem-se que:

Em que: -E = Iluminância, em Lux;

• = Fluxo luminoso, em Lumens; -S = Área da superfície iluminada, em m²;

2.3. Fluxo Luminoso É a radiação total emitida em todas as direções por uma fonte luminosa ou fonte de luz que pode produzir estímulo visual. Esses estímulos estão associados a luzes em que o comprimentos de onda estão compreendidos entre 380 a 780 nm. Sua unidade é o Lumen (Lm). Para aferir quantos lumens são emitidos por uma fonte luminosa, é preciso medir nas direções onde se deseja esta informação, já que a fonte luminosa quase nunca irradia luz uniformemente em todas as direções.

• = Intensidade luminosa, em Candelas;
• = Área da superfície iluminada, em m²;
• = Ângulo entre a superfície iluminada e a vertical, que é ortogonal à direção do fluxo luminoso; A Luminância é entendida como sendo a medida da sensação de claridade provocada por uma fonte de luz ou superfície iluminada e avaliada pelo cérebro.

2.7. Refletância É a relação entre fluxo luminoso refletido por uma dada superfície e o fluxo luminoso incidente sobre a mesma. Sabe-se que os objetos refletem a luz diferentemente uns dos outros. Assim, dois objetos colocados num ambiente de luminosidade conhecidas originam luminâncias diferentes.

2.8. Emitância É a quantidade de fluxo luminoso emitido por uma fonte superficial por unidade de área. Sua unidade é expressa em Lúmem/m².

2.9. Temperatura de cor Simboliza o aspecto de cor da luz emitida pela fonte de luz. Sua unidade de medida é o Kelvin (K). Quanto maior a temperatura de cor, mais clara é a tonalidade de cor da luz. Quando falamos em luz quente ou fria, não estamos querendo nos referir ao calor físico da lâmpada, e sim à tonalidade de cor que ela fornece ao ambiente. Luz com tonalidade de cor mais suave torna-se mais aconchegante e relaxante, luz mais clara torna-se mais estimulante.

3. TIPOS E CARACTERÍSTICAS DAS LÂMPADAS Atualmente existe uma diversidade de lâmpadas disponíveis no mercado. O uso específico de um determinado tipo de lâmpada está associado às características abordadas no projeto de iluminação, que leva em consideração basicamente os seguintes pontos fundamentais:  Nível de iluminamento suficiente para cada atividade específica;  Distribuição espacial da luz sobre o ambiente;

 Escolha da cor da luz e seu respectivo rendimento;  Escolha apropriada dos aparelhos de iluminação;  Tipo de execução das paredes e pisos;  Iluminação de acesso; A seguir são abordados os principais modelos de lâmpadas utilizados nos projetos de iluminação, destacando suas características construtivas e aplicações.

3.1. Lâmpadas incandescentes São compostas por um filamento de tungstênio enrolado geralmente em forma espiralada que atinge a incandescência por meio do Efeito Joule , e de um bulbo de vidro transparente, translúcido ou opaco, cheio de gás quimicamente inerte, como o nitrogênio, que evita a oxidação do filamento. Possui baixa eficiência luminosa, vida média reduzida e custos de manutenção elevados, fato que faz seu uso ser cada vez menor em aplicações que envolvem projetos industriais. Sua utilização é mais acentuada em dependências administrativas, mas mesmo assim em aplicações restritas. O custo de implantação inicial é muito reduzido. As principais características dessas lâmpadas são:  Vida útil: entre 600 e 1000 horas;  Eficiência luminosa média: 15 Lumens/Watts;  Temperatura de cor: 2700 K;  O rendimento cresce com a potência;  Não necessitam de dispositivos auxiliares;  As lâmpadas de tensão mais baixa apresentam maior rendimento;  A vida útil depende da tensão de tensão de alimentação; Para cada 10% de sobretensão, sua vida útil se reduz em 50%. O emprego de lâmpadas incandescentes em instalações industriais fica restrito a banheiros sociais, instalações decorativas, vitrines de amostras de produtos e outras aplicações, onde o consumo de energia seja pequeno. Na Figura 1 estão evidenciados os componentes construtivos de uma lâmpada incandescentes. Por meio dessa figura é possível verificar a estrutura básica para esse modelo.

Por meio da Figura 2 é possível verificar os componentes construtivos de uma lâmpada mista básica.

Figura 2: Componentes construtivos básicos da Lâmpada mista

3.3. Lâmpadas halógenas de tungstênio A lâmpada halógena de tungstênio é um tipo especial de lâmpada incandescente, em que o filamento é contido num tubo de quartzo, no qual é colocada uma certa quantidade de iodo. Durante seu funcionamento, o tungstênio evapora-se do filamento, combinando-se com o gás presente no interior do tubo e formando o iodeto de tungstênio. Devido as altas temperaturas, parte do tungstênio se deposita no filamento de modo a regenerá-lo, fato que cria um processo contínuo e repetitivo denominado ciclo do iodo. Sua principal aplicação se faz na iluminação de cenas. Nas lâmpadas incandescentes convencionais, o tungstênio evaporado do filamento se deposita nas paredes interna do bulbo, reduzindo a sua eficiência. No entanto, nas lâmpadas halógenas de tungstênio, o halogênio bloqueia as moléculas de tungstênio impedindo que elas se depositem nas paredes internas do bulbo. Resultando na combinação química após a qual retornam ao filamento. As paredes dessa lâmpada são de vidro de quartzo resistentes a altas temperaturas. As principais características das lâmpadas halógenas são:  Vida útil: entre 2000 e 4000 horas;  Eficiência luminosa média: 26 Lumens/Watts;  Temperatura de cor: inferior a 3000 K;  Não necessitam de dispositivos auxiliares;  Funcionam sob elevada temperatura, cerca de 3000 a 3400 K;

 Possui luz brilhante, fato que possibilita realçar cores de objetos com maior eficiência do que as lâmpadas incandescentes comuns. Na Figura 3 estão destacados os principais aspectos construtivos para o modelo de lâmpadas halógenas de tungstênio.

Figura 3: Componentes construtivos básicos da Lâmpada halógena de tungstênio

3.4. Lâmpadas de Descarga Podem ser classificadas em vários tipos. A vida útil das lâmpadas de descarga varia muito de acordo com o tipo e abrange geralmente a faixa de 7500 horas para lâmpadas fluorescentes até 24000 para lâmpadas a vapor de sódio. Em geral, possuem alto custo inicial. No entanto, apresentam um custo menor na manutenção. A seguir serão apresentados os tipos mais usuais de lâmpadas de descarga.

3.4.1. Lâmpadas Fluorescentes São constituídas a partir por um longo cilindro de vidro, cujo interior é revestido por uma camada de fósforo de diferentes tipos. O fósforo é um produto químico que possuí as características de emitir luz quando submetido a uma faixa de energia ultravioleta. Cada uma das extremidades dessa lâmpada possui um eletrodo de filamento de tungstênio revestido de oxido que, quando aquecido por uma corrente elétrica, libera uma nuvem de elétrons. Quando se energiza a lâmpada, os elétrons são submetidos a uma tensão elevada, o que resulta na formação de um arco entre os mesmos, de forma alternada. Os elétrons que constituem o arco se chocam com os átomos do gás argônio e de mercúrio, liberando certa quantidade de luz

Figura 4: Lâmpada Fluorescente Compacta integrada

• Fluorescentes compactas não integradas, com um tubo de 12 mm ou de 18 mm de diâmetro. Necessitam de dispositivos auxiliares, pois não possuem circuito eletrônico acoplado. São mais leves e econômicas quando comparadas com as fluorescentes compactas integradas. Na Figura 5 estão evidenciadas as características construtivas das lâmpadas fluorescentes não integradas.

Figura 5: Lâmpada Fluorescente Compacta não integrada b) Lâmpadas Fluorescentes tubulares: Não podem controlar o fluxo de corrente sozinhas e sempre necessitarão de dispositivos auxiliares para seu funcionamento. Nesse caso partida é feita basicamente por dois equipamentos: o reator e o starter. No entanto, existem algumas lâmpadas desse modelo que dispensam o uso do starter. São encontradas nas versões Standard (com eficiência energética de até 70 Lúmen/Watt, temperatura de cor entre 4.100 e 6.100K e índice de reprodução de cor de 85) e Trifósforo (eficiência energética de até 100 Lúmen/Watt, temperatura de cor entre 4.000 e 6.000K e índice de reprodução de cor de 85). O desempenho

dessas lâmpadas é otimizado por meio da instalação com reatores eletrônicos. São usadas em áreas comerciais e industriais. Por meio da Figura 6 é possível visualizar os aspectos construtivos de uma lâmpada fluorescente tubular:

Figura 6: Lâmpada Fluorescente Tubular

3.4.2. Lâmpadas a vapor de mercúrio São constituídas por um pequeno tubo de quartzo, onde são instalados nas extremidades, em geral, dois eletrodos principais e um eletrodo auxiliar ligados em série com uma resistência de valor elevado. Dentro do tubo são colocadas algumas gotas de mercúrio, juntamente com gás inerte, como o argônio, cuja a finalidade é facilitar a formação da descarga inicial. Por outro lado, o mercúrio é vaporizado durante o período de preaquecimento da lâmpada. O tubo de quartzo é colocado dentro de um invólucro de vidro contendo uma certa quantidade de azoto cuja função é a distribuição uniforme da temperatura. Ao aplicar a tensão nos terminais da lâmpada, cria-se uma campo elétrico entre os eletrodo auxiliar e o principal mais próximo, fato que provoca a formação de um arco elétrico entre os mesmos. Esse fenômeno aquece as substâncias emissoras de luz, o que resulta na ionização do gás e na consequente formação do vapor de mercúrio. O choque dos elétrons com os átomos do vapor de mercúrio no interior do tubo transforma sua estrutura atômica. A luz finalmente é produzida pela energia liberada pelos átomos atingidos quando esses retornam a sua estrutura normal. As principais características dessas lâmpadas são:  Vida útil: 18000 horas;  Eficiência luminosa média: 55 Lumens/Watt e decresce com o uso ao de sua vida útil, podendo chegar a até 35 Lumens/Watt;  Temperatura de cor: igual ou superior a 3300 K;  Necessitam de dispositivos auxiliares;

interior do tubo de descarga injeta-se uma certa quantidade de gás neon que favorece o acendimento, acrescida também de uma outra quantidade de sódio que se condensa e deposita-se em pequenas cavidades do tubo quando a lâmpada se resfria. Os gases são submetidos a uma pressão da ordem de 600 N/m². As principais características das lâmpadas a vapor de sódio a baixa pressão são:  Vida útil: cerca de 18000 horas;  Eficiência luminosa média: em torno de 200 Lúmens/Watt e apresentar;  Temperatura de cor: inferior a 3300 K  Emite uma radiação quase monocromática (luz amarela);  Devido sua característica monocromática, é desaconselhável o seu uso interno em instalações industriais. No entanto, podem ser utilizadas na iluminação de pátios de descarga;

b) Lâmpadas a vapor de sódio a alta pressão São constituídas por um tubo de descarga contendo um excesso de sódio que se vaporiza durante o período de acendimento em condições de saturação. Faz-se o uso de um gás inerte em alta pressão, o xenônio, para se obter uma baixa tensão de ignição. Ao contrário das lâmpadas a vapor de sódio de baixa pressão, essas lâmpadas apresentam um espectro visível contínuo, propiciando uma razoável reprodução de cor. As principais características das lâmpadas a vapor de sódio a alta pressão são:  Vida útil 18000 horas;  Eficiência luminosa média: 130 Lúmens/Watt;  Temperatura de cor: aproximadamente 2700 K, mas pode variar de acordo com os elementos adicionais agregados em sua produção;  Devido à sua característica de reprodução de cores, podem ser utilizadas no interior de instalações industriais cujas tarefas não demandem uma grande fidelidade de cor; Na Figura 8 estão retratados os principais componentes das lâmpadas a vapor de sódio de modo geral.

Figura 8: Lâmpadas a vapor de sódio

3.4.4. Lâmpadas a vapor metálico É um tipo particular da lâmpada a vapor de mercúrio em que são adicionadas iodeto de índio, tálio e sódio. A mistura adequada desses compostos no tubo de descarga proporcionam um fluxo luminoso de excelente reprodução de cores. Apresentam elevada eficiência luminosa, vida útil longa e baixa depreciação. Suas principais características são:  Vida útil: 24000 horas;  Eficiência luminosa média: 98 Lumens/Watt;  Temperatura de cor: cerca de 4000 K;  Custo elevado;  Ótima eficiência luminosa e vida útil;  Necessitam de dispositivos auxiliares;  São indicadas particularmente para aplicação em áreas de pátios de estacionamento, quadras esportivas, campos de futebol e galpões destinados a produtos de exposição; Os principias aspectos construtivos dessas lâmpadas podem ser observados a partir da Figura 8.

elevada, o tubo ilumina-se com uma cor que depende do gás utilizado. A tensão necessária para o funcionamento do tubo depende do comprimento do tubo, do seu diâmetro, bem como do gás utilizado. Geralmente são necessários entre 300 V a 1000 V por metro de tubo. A tensão pode ser obtida diretamente da rede ou intercalando um transformador.

3.5. Lâmpadas de LED’s A tecnologia LED chegou ao segmento de iluminação por volta do ano de

1999. Desde então, vem revolucionando o setor, proporcionando economia, durabilidade e eco-eficiência de uma forma jamais vista. Os LEDs estão cada vez mais presentes nos mais inovadores projetos de variados setores. As possibilidades de aplicações englobam desde a iluminação pública a painéis de publicidade, passando por iluminação de áreas comerciais, entre outros. Seja qual for o tamanho e escopo do projeto, o LED tem se tornado uma opção eficaz para iluminação com com baixo custo energético e durabilidade. As principais características dessas lâmpadas são:  Vida útil: superior a 50000 horas;  Eficiência luminosa média: de 10 a 90 Lumens/Watt;  Temperatura de cor: entre 3000 K e 6400 K;  Baixa manutenção;  Não emitem luz ultravioleta;  Custo de aquisição elevado ;  Quantidade luz emitida pelo LED reduz com o aumento da temperatura; Na Figura 9 estão evidenciados os principais aspectos construtivos dessas lâmpadas:

Figura 10: Lâmpadas de LED’s

4. ESPECIFICAÇÕES DAS LÂMPADAS

Apesar de existirem vários tipos distintos de lâmpadas, um mesmo modelo é geralmente comercializado em várias especificações distintas. Nesse etapa do trabalho pretende-se catalogar diferentes escalas comercializáveis para os tipos de lâmpadas estudados.

4.1. Especificações para lâmpadas incandescentes Na Tabela 1 é possível observar os modelos de lâmpadas incandescentes usualmente comercializáveis. Tabela 1: Lâmpadas incandescentes usualmente comercializadas