luminotecnica, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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LUMINOTÉCNICA

Profa. Jeanine Marchiori da Luz

CURSO DE LUMINOTÉCNICA

1 – INTRODUÇÃO

Radiações Infra-vermelhas 5 Radiações Ultra-violetas 5

2- CONCEITOS E GRANDEZAS FUNDAMENTAIS

Fluxo luminoso 7 Eficiência luminosa 8 Intensidade luminosa 8 Curva de distribuição luminosa 8 Iluminância 8 Luminância 9 Índice de reprodução de cor 10 Temperatura de cor 11 Vida média 12

3- TIPOS DE LÂMPADAS

Lâmpadas incandescentes 13 Efeito da variação da tensão no funcionamento das lâmpadas incandescentes 15 Lâmpadas halógenas 16 Lâmpadas de descarga 18 Lâmpadas Fluorescentes 18 Lâmpadas de Luz Mista 21 Lâmpadas a Vapor de Mercúrio 22 Lâmpadas a Vapor de Sódio 23 Lâmpadas Multi-Vapor Metálico 23 Lâmpadas de Luz Negra 24

4- TIPOS DE LUMINÁRIAS 24

5- CÁLCULO LUMINOTÉCNICO

Método dos Lumens ou Método do Fluxo Luminoso 26 Método do ponto a ponto 28

6 – EXEMPLOS E APLICAÇÕES 33

As novas tecnologias sempre causam esse tipo de conflito, da vantagem tecnológica contra o custo de investimento. O problema enfrentado por Edison também ocorre hoje em dia, com as novas tecnologias.

Nos últimos anos, houve um avanço na utilização de sistemas mais eficientes, certamente motivado pelo aumento nos custos da energia elétrica nos países desenvolvidos – principalmente nos EUA, onde a energia é gerada principalmente em usinas nucleares. O investimento necessário para construir usinas e sistemas de transmissão é tamanho que os governos adotam programas intensivos para promover a utilização de equipamentos de utilização energeticamente mais eficientes.

Recentemente foi decretada uma nova lei nos EUA para regulamentar a iluminação sob seu aspecto energético. Foi simplesmente proibido o uso de sistemas de iluminação com baixa eficiência, incluindo lâmpadas bastante utilizadas no Brasil, como as incandescentes, as fluorescentes tradicionais, as de vapor de mercúrio e as mistas. Em alguns produtos do EUA, como lâmpadas comuns e equipamentos auxiliares, encontra-se a inscrição “proibida a venda no território americano”, ou “somente para exportação”. A mesma lei dá prazo para que as instalações antigas sejam reformadas e, para motivar a população, prevê financiamento destinado à troca de sistemas, além da aplicação de pesadas multas.

O motivo pelo qual essa resolução foi tomada é lógico: minimizar o consumo de energia elétrica. Os governos pretendem reduzir ao máximo os investimentos em eletricidade, que, além dos custos financeiros, geram custos ambientais significativos. A estratégia para atingir esses objetivos reside no desenvolvimento de novas fontes de luz, equipamentos auxiliares, sensores e luminárias mais econômicas.

A luz é uma modalidade da energia radiante verificada pela sensação visual de claridade. A faixa de radiações das ondas eletromagnéticas detectada pelo olho humano e situa entre 380 nm e 780 nm. ( 1 nanometro = 10-9^ m ).

O espectro eletromagnético visível esta limitado, em um dos extremos pelas radiações infravermelhas (de maior comprimento de onda) e no outro, pelas radiações ultravioletas (de menor comprimento de onda), conforme pode ser visto pela figura 1.

Figura 1 – Sensibilidade visual do olho humano

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 luxuações, 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.

RADIAÇÕS ULTRAVIOLETAS

BANCOS: identificação e verificação de papel moeda (A).

NO LAR: desodorização de ambientes, devido a produção de ozona ( C).

O ESPECTRO VISÍVEL

Examinando a radiação visível, verifica-se que, além da impressão luminosa, obtém- se também a impressão de cor. Essa sensação de cor está intimamente ligada aos comprimentos de ondas das radiações. Verifica-se que os diferentes comprimentos de onda ( as diferentes cores) produzem diversas sensações de luminosidade; isto é, o olho humano não é igualmente sensível a todas as cores do espectro visível.

2- CONCEITOS E GRANDEZAS FUNDAMENTAIS

FLUXO LUMINOSO ( Φ ): é a potência de radiação total emitida por uma fonte de luz, ou é a potência de energia luminosa de uma fonte percebida pelo olho humano. O lúmen pode ser definido como o fluxo luminoso emitido segundo um ângulo sólido de um esterradiano, por uma fonte puntiforme de intensidade invariável em todas as direções e igual a 1 candela.

As lâmpadas conforme seu tipo e potência apresentam fluxos luminosos diversos:

• lâmpada incandescente de 100 W: 1000 lm;
• lâmpada fluorescente de 40 W: 1700 a 3250 lm;
• lâmpada vapor de mercúrio 250W: 12.700 lm;
• lâmpada multi-vapor metálico de 250W: 17.000 lm

EFICIÊNCIA LUMINOSA: é a relação entre o fluxo luminoso emitido por uma lâmpada e a potência elétrica desta lâmpada.

• lâmpada incandescente de 100W: 10 lm/W
• lâmpada fluorescente de 40 W: 42,5 lm/W a 81,5 lm/W.
• lâmpada vapor de mercúrio de 250W: 50 lm/W

• lâmpada multi-vapor metálico de 250W: 68 lm/W.

INTENSIDADE LUMINOSA: ( I ): é a potência da radiação luminosa numa dada direção. A intensidade luminosa é a grandeza de base do sistema internacional para iluminação, e a unidade é a candela (cd).

Para melhor se entender a intensidade luminosa, é importante o conceito da curva de distribuição luminosa.

CURVA DE DISTRIBUIÇÃO LUMINOSA: trata-se de um diagrama polar no qual se considera a lâmpada ou luminária reduzida a um ponto no centro do diagrama e se representa a intensidade luminosa nas várias direções por vetores, cujos módulos são proporcionais a velocidades, partindo do centro do diagrama. A curva obtida ligando-se as extremidades desses vetores é a curva de distribuição luminosa.

Costuma-se na representação polar, referir os valores de intensidade luminosa constantes a um fluxo de 1000 lumens.

ILUMINÂNCIA OU ILUMINAMENTO (E): é a relação entre o fluxo luminoso incidente numa superfície e a superfície sobre a qual este incide; ou seja é a densidade de fluxo luminoso na superfície sobre a qual este incide. A unidade é o LUX, definido como o iluminamento de uma superfície de 1 m^2 recebendo de uma fonte puntiforme a 1m de distância, na direção normal, um fluxo luminoso de 1 lúmen, uniformemente distribuído.

EXEMPLOS DE ILUMINÂNCIA

Dia ensolarado de verão em local aberto ≈ 100.000 lux Dia encoberto de verão ≈ 20.000 lux Dia escuro de inverno ≈ 3.000 lux Boa iluminação de rua ≈ 20 a 40 lux

A: área da superfície [m^2 ] α: direção da observação [ ° ] I: intensidade luminosa [cd] ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR - IRC

O índice de reprodução de cor é baseado em uma tentativa de mensurar a percepção da cor avaliada pelo cérebro. O IRC é o valor percentual médio relativo à sensação de reprodução de cor, baseado em uma série de cores padrões. Para indicar de forma consistente as propriedades de reprodução de cor de uma fonte de luz, idealizou-se um índice de reprodução de cores padrões (no caso 8) sob diferentes iluminantes. O método de avaliação, numa explicação bem simplificada, consiste na avaliação das cores padrões, quando submetidas à luz da fonte a ser analisada e sob a luz de uma fonte de referência que deveria ser um corpo negro (radiador integral), que apresenta um valo de 100%. Costuma-se, então, afirmar que está relacionado com a lâmpada incandescente, pois esta tem um comportamento próximo ao do radiador integral. Então se uma fonte luminosa apresenta um índice de 60%, este está relacionado como radiador integral que é de 100%. Isto é verdade em parte. Como a percepção varia segundo o indivíduo e suas experiências anteriores, nem sempre esta avaliação corresponde à realidade. Para facilitar o esclarecimento, é costume, entre os fabricantes, a apresentação de uma tabela que informe comparativamente o índice de reprodução de cores, a temperatura de cor e a eficácia ou eficiência luminosa.

Um IRC em torno de 60 pode ser considerado razoável, 80 é bom e 90 é excelente. Claro que tudo irá depender da exigência da aplicação que uma lâmpada deve atender. Um IRC de 60 mostra-se inadequado para uma iluminação de loja, porém, é mais que suficiente para a iluminação de vias públicas.

Exemplos

Lâmpada IRC Incandescente 100 Fluorescente 60 Vapor de mercúrio 55 Vapor metálico 70 Vapor de sódio A.. P. 30 Vapor de sódio B. P. 0

TEMPERATURA DE COR

No instante que um ferreiro coloca uma peça de ferro no fogo, esta peça passa a comportar-se segundo a lei de Planck e vai adquirindo diferentes colorações na medida que sua temperatura aumenta. Na temperatura ambiente sua cor é escura, tal qual o ferro, mas será vermelha a 800 K, amarelada em 3.000 K, branca azulada em 5.000K. Sua cor será cada vez mais clara até atingir seu ponto de fusão. Pode- se então, estabelecer uma correlação entre a temperatura de uma fonte luminosa e sua cor, cuja energia do espectro varia segundo a temperatura de seu ponto de fusão. Por exemplo, uma lâmpada incandescente opera com temperaturas entre 2.700 K e 3.100 K, dependendo do tipo de lâmpada a ser escolhido. A temperatura da cor da lâmpada deve ser preferencialmente indicada no catálogo do fabricante.

A observação da experiência acima indica que, quando aquecido o corpo negro (radiador integral) emite radiação na forma de um espectro contínuo. No caso de uma lâmpada incandescente, grande parte desta radiação é invisível, seja na forma de ultravioletas, seja na forma de calor (infravermelhos), isto é, apenas uma pequena porção está na faixa da radiação visível, motivo pelo qual o rendimento desta fonte luminosa é tão baixo conforme pode ser visto na figura 2.

Considera-se “morta” a lâmpada que não mais se acende. O fluxo luminoso nominal é o fluxo produzido pela lâmpada depois de ter sido “sazonada”, isto é, tenha funcionado aproximadamente 10% de sua vida provável. O conceito de “vida” é bastante variável conforme os fabricantes e usuários.

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.

No passado a relação entre o número de operações liga/desliga e a redução da vida útil das lâmpadas fluorescentes era bastante crítica, hoje em dia já não é, uma vez que o volume de pó ionizante sobre o filamento é bastante grande. No entanto, não se deve ligar/desligar uma lâmpada fluorescente a cada um ou dois minutos. Se a freqüência for de 10 a 15 minutos, já vale a pena, pois o custo da lâmpada em relação ao consumo de energia é compensador.

3- TIPOS DE LÂMPADAS

3.1 – LÂMPADAS INCANDESCENTES

As lâmpadas incandescentes possuem bulbo de vidro, em cujo interior existe um filamento de tungstênio espiralado, que é levado a incandescência pela passagem da corrente (efeito Joule). Sua oxidação é evitada pela presença de gás inerte (Níquel e Argônio) ou vácuo dentro do tubo. O alto fluxo luminoso das novas lâmpadas incandescente é obtido com filamentos de dupla espiralagem feitos de tungstênio puríssimo, pois as exigências da nova norma NBR IEC 64, ao definir que as novas lâmpada incandescentes apresentem fluxo luminoso mais alto, obriga os produtores a usarem essa tecnologia, que hoje constitui o ponto alto da fabricação de incandescentes. Embora o filamento duplo tenha custo bem maior que os filamentos normais, os fabricantes nacionais empenharam-se para que a norma incluísse a exigência de alto fluxo luminoso, de modo a dificultar a entrada em nosso mercado de lâmpadas importadas de qualidade inferior.

O bulbo pode ser incolor ou leitoso, este último usado para reduzir a luminância ou ofuscamento. A cor da luz é branco-avermelhada. Na reprodução de cores sobressaem as cores amarela e vermelha, ficando amortecidas as tonalidades verde e azul.

As principais finalidades dos bulbos das lâmpadas são:

• separar o meio interno, onde opera o filamento do meio externo
• diminuir a luminância da fonte de luz
• modificar a composição espectral do fluxo luminoso produzido
• alterar a distribuição fotométrica do fluxo luminoso produzido
• finalidade decorativa.

O vidro empregado na fabricação dos bulbos é normalmente o vidro cal, macio, de baixa temperatura de amolecimento.

Em lâmpadas ao ar livre, são empregados vidros duros ou vidros-borossilicatos, que resistem ao choque térmico. Em lâmpadas especiais tubulares, onde o filamento é colocado axialmente muito próximo ao bulbo são utilizados tubos de quartzo, que resistem a elevadas temperaturas sem ocorrer o seu amolecimento, como nas lâmpadas halógenas.

Para diminuir a luminância da fonte de luz, com o que se diminui a probabilidade de ofuscamentos os bulbos podem ser fosqueados internamente ou pintados. O fosqueamento interno corresponde ao tratamento do vidro com ácido fluorídrico, ficando a parte externa do bulbo lisa para evitar-se a aderência de poeira. Esse fosqueamento interno absorve de 1 a 2% do fluxo luminoso produzido pelo filamento. A pintura branca é executada com óxido de titânio diminuindo também a eficiência da lâmpada.

As bases têm por finalidade fixar mecanicamente a lâmpada em seu suporte e completar a ligação elétrica ao circuito de iluminação. A maior parte das lâmpadas

0 , 424 (^0 0)

V

T T V

13 , 1 (^00)

−



V

L L V

onde: Φ : fluxo luminoso V: tensão P: potência elétrica T: temperatura L; vida OBS: os valores com sub-índice 0 , são os valores nominais.

EXEMPLO:

Seja uma lâmpada incandescente de 100 W, 1500 lumens e vida de 1000 horas, cuja tensão nominal é de 120V. Calcule essas grandezas para o caso de uma variação de tensão de ± 5% da tensão nominal.

3.1.3 – LÂMPADAS HALÓGENAS

São lâmpadas incandescentes nas quais se adicionam internamente ao bulbo, elementos halógenos como o iodo ou bromo. Realiza-se no interior do bulbo o chamado “ciclo do iodo, ou ciclo do bromo”. O tungstênio evaporado combina-se (em temperaturas abaixo de 1400° C com o halogênio adicionado ao gás presente no bulbo. O composto formado (iodeto de tungstênio), fica circulando dentro do bulbo, devido às correntes de convecção aí presentes, até se aproximar novamente do filamento. A alta temperatura aí reinante decompõe o iodeto, e parte do tungstênio se deposita novamente no filamento regenerando-o. O halogêneo liberado começa o ciclo. Temos assim, uma reação cíclica que reconduz o tungstênio evaporado para o filamento. Com isso, o filamento pode trabalhar em temperaturas mais elevadas (aproximadamente 3200 a 3400K), obtendo-se maior eficiência luminosa, fluxo luminoso de maior temperatura de cor, ausência de depreciação do fluxo luminoso por enegrecimento do bulbo e dimensões reduzidas.

Para que o ciclo do iodo ocorra, a temperatura do bulbo deve estar acima de 250°C, obrigando a utilização de bulbos de quartzo, o que encarece a produção e exige que a lâmpada funcione nas posições para a qual foi projetada.

Recomenda-se os seguintes cuidados em sua instalação:

• não tocar o bulbo de quartzo com as mãos para evitar engordurá- lo; caso necessário, limpar as manchas com álcool;
• nas lâmpadas de maior potência, protegê-las individualmente por fusíveis pois, devido a suas reduzidas dimensões, no fim de sua vida, poderão ocorrer arcos elétricos internos;
• verificar a correta ventilação das bases e soquetes, pois temperaturas elevadas poderão danificá-los e romper a selagem na entrada dos lides;
• só instalar a lâmpada na posição para a qual foi projetada.

São lâmpadas de grande potência, mais duráveis, de melhor rendimento luminoso, menores dimensões e que reproduzem mais fielmente as cores, sendo todavia, mais caras. São utilizadas para iluminação de praças de esporte, pátios de

3.2.1- LÂMPADAS FLUORESCENTES

São lâmpadas que utilizam a descarga elétrica através de um gás para produzir energia luminosa. As lâmpadas fluorescentes tubulares consistem de um bulbo cilíndrico de vidro, tendo em suas extremidades eletrodos metálicos de tungstênio recobertos de óxidos que aumentam seu poder emissor, por onde circula a corrente elétrica. Em seu interior existe vapor de mercúrio ou argônio a baixa pressão e as paredes internas do tubo são pintadas com materiais fluorescentes conhecidos por cristais de fósforo (phósphor, complexo de cálcio, bário, zinco, etc, conforme tipo e fabricante, contendo microcristais de fósforo).

Para as lâmpadas fluorescentes chamadas da “partida lenta”, são necessários dois equipamentos auxiliares: o starter e o reator.

O starter é um dispositivo constituído de um pequeno tubo de vidro dentro do qual são colocados dois eletrodos imersos em gás inerte, responsável pela formação inicial do arco que permitirá estabelecer um contato direto entre os referidos eletrodos e destina-se a provocar um pulso de tensão a fim de deflagrar a ignição da lâmpada. Existem dois tipos de reatores, o eletromagnético que consiste essencialmente de uma bobina com núcleo de ferro, ligada em série com a alimentação da lâmpada, o qual tem por finalidade provocar um aumento da tensão durante a ignição e uma redução na intensidade da corrente durante o funcionamento da lâmpada; e o reator eletrônico, que tem a mesma função do reator eletromagnético e consiste basicamente de um circuito de retificação e um inversor oscilante (oscilador), de 16 a 50 kHz. Segundo os fabricantes, os reatores eletrônicos oferecem inúmeras vantagens em relação aos eletromagnéticos, a saber: menor ruído audível; menor aquecimento; menores níveis de interferência eletromagnética, menor consumo de energia elétrica e redução da cintilação (flicker).

PRÍNCIPIO DE FUNCIONAMENTO

Ao se fechar o interruptor, ocorre no starter uma descarga de efeito corona, o elemento bimetálico aquecido fecha o circuito, a corrente que passa aquece os eletrodos da lâmpada. Depois de fechados os contatos (no starter), cessa a descarga o que provoca rápido esfriamento do bimetálico, que dessa forma abrem os contatos e cessa a corrente pelo starter. Em conseqüência da abertura do contato, é gerado no reator uma sobretensão que faz romper o arco, e o circuito passa a fechar-se no interior da lâmpada. Os elétrons deslocando-se de um filamento a outro, esbarram em seu trajeto com átomos do vapor de mercúrio que provocam liberação de energia luminosa não visível (freqüências muito elevadas) tipo radiação ultravioleta.

As radiações em contato com a pintura fluorescente do tubo, produzem radiação luminosa visível. A tensão final no starter é insuficiente para gerar uma nova descarga, o que faz com que o mesmo fique fora de serviço, enquanto a lâmpada estiver acesa.

Como os reatores eletromagnéticos são bobinas (indutâncias), absorvem potência reativa da rede e podem apresentar baixo fator de potência. Para melhorar o fator de potência e eliminar o efeito da interferência em rádio e TV, o starter é provido de um capacitor ligado em paralelo com o elemento bimetálico. Ainda, para melhorar o FP e reduzir o efeito estroboscópico pode-se executar uma ligação em paralelo de 2 lâmpadas fluorescentes, utilizando um reator duplo. Neste caso uma das lâmpadas é ligada normalmente com o reator e a outra em série com um reator e um capacitor de compensação constituindo um reator capacitivo.

Existem dois tipo de reatores eletromagnéticos: Comuns ou convencionais: necessitam de starter para prover a ignição, podendo ser simples ou duplos;

De partida rápida: não necessitam de starter, podendo ser simples ou duplos.