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Apostila auxiliar da disciplina ENE-065 para o curso de Engenharia Elétrica da UFJF

Manual de Luminotécnica

Prof. Rodrigo Arruda Felício Ferreira

2010

Sumário

Grandezas e conceitos ........................................................................................................................... 1 Tipos e características de lâmpadas............................................................................................ 4 Tipos de Lâmpadas..................................................................................................................................... 4 Características das lâmpadas e acessórios ........................................................................................ 8

Fatores de influência na qualidade da iluminação ......................................................... 11 Método dos Lumens (General Electric) ................................................................................... 16 Considerações iniciais ............................................................................................................................. 16 Exemplo de aplicação .............................................................................................................................. 26

Referências bibliográficas ................................................................................................................ 28

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ENE 065 – Instalações Elétricas I

Grandezas e conceitos

As grandezas e conceitos a seguir relacionados são fundamentais para o entendimento dos elementos da luminotécnica. As definições são extraídas do Dicionário Brasileiro de Eletricidade, reproduzidas das normas técnicas da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT. A cada definição, seguem-se as unidades de medida e símbolo gráfico do Quadro de Unidades de Medida, do Sistema Internacional - SI, além de interpretações e comentários destinados a facilitar o seu entendimento. Fluxo Luminoso Símbolo: φ Unidade: lúmen (lm) Fluxo Luminoso é a radiação total da fonte luminosa, entre os limites de comprimento de onda de luz visível (380 e 780m). O fluxo luminoso é a quantidade de luz emitida por uma fonte, medida em lumens, na tensão nominal de funcionamento.

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. Portanto é o Fluxo Luminoso irradiado na direção de um determinado ponto.

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Iluminância (Iluminamento) Símbolo: E Unidade: lux (lx) A luz que uma lâmpada irradia, relacionada à superfície a qual incide, define uma nova grandeza luminotécnica, denominada de Iluminamento ou Iluminância. Expressa em lux (lx), indica o fluxo luminoso de uma fonte de luz que incide sobre uma superfície situada a uma certa distância desta fonte. Em outras palavras a equação que expressa esta grandeza é:

E

A

.

Luminância Símbolo: L Unidade: cd/m2 Das grandezas mencionadas, nenhuma é visível, isto é, os raios de luz não são vistos, a menos que sejam refletidos em uma superfície e aí transmitam a sensação de claridade aos olhos. Essa sensação de claridade é chamada de Luminância. Em outras palavras, é a Intensidade Luminosa que emana de uma superfície, pela sua superfície aparente. A equação que permite sua determinação é:

L

I A cos 2

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onde: L = Luminância, em cd/m² I = Intensidade Luminosa, em cd A = área projetada, em m² a = 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 a outra fórmula, a saber:

L

E

onde: ρ = Refletância ou Coeficiente de Reflexão; E = Iluminância sobre essa superfície.

Como os objetos refletem a luz diferentemente uns dos outros, fica explicado porque a mesma Iluminância pode dar origem a Luminâncias diferentes. 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

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Tipos e características de lâmpadas

Tipos de Lâmpadas Lâmpadas Incandescentes

Funcionam através da passagem da corrente elétrica por um filamento de tungstênio, que com o aquecimento, gera a luz. Eficiência: extremamente baixa Vida útil: 800 horas Índice de Reprodução de cores (IRC): 100% Uso: geral, residencial, plafons, arandelas, abajures, luminárias de pé Tensão de rede: 110 ou 220v Podem ser dimmerizadas

Lâmpadas Halógenas

Funcionam em tensão de rede (110v/220v ou baixa tensão, possuem filamento de tungstênio e trabalham em conjunto com o gás halogênio). Eficiência: alta eficiência (baixa tensão de rede) IRC: 100% Vida útil: 2.500 horas Tensão de rede: 110v/220v e 12v Uso: residencial decorativo e comercial Lâmpadas de baixa tensão (12v) tem o controle de abertura de faixo (dicróicas e AR) e potência. 4

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Podem ser dimmerizadas, aumentam a vida útil, reduz o consumo, reduz fluxo luminoso e a luz fica mais amarela.

Lâmpada halógena

Lâmpada AR70 50W 12v

Lâmpadas Fluorescentes

Funcionam a base de gases, trifósforos (combinação de fósforos e terras raras) para possibilitar alta eficiência, boa aparência e baixo consumo. Reatores são necessários. Quatro grupos: tubulares (comuns e alta resolução), eletrônicas (reatores integrados), circulares e compactas. Lâmpadas (18W/36W/58). Eficiência: alta eficiência IRC: 85% Vida útil: de 7.500 à 10.000 horas Tensão de rede: 110/220v Uso: residencial e comercial Podem ser dimmerizadas com reatores específicos

Lâmpada Fluorescente tubular T5 / Lâmpada Fluorescentes Compacta Integrada / Lâmpada Fluorescente Espiral / Lâmpada Fluorescente Circular

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Lâmpadas de Descarga

Uma descarga (alta pressão) elétrica entre os eletrodos leva os componentes internos (gases sódio, xenon, mercúrio) do tubo de descarga a produzirem luz, levam reatores e ignitores em sua composição. Necessitam de 2 a 15 min. para seu acendimento completo. Seus tipos são: Multivapores Metálicos: são lâmpadas que combinam iodetos metálicos, com altíssima eficiência energética, excelente IRC, longa durabilidade e baixa carga térmica. Sua luz é muito branca e brilhante. Vapor de Sódio: com eficiência energética de até 130 lm/W,de longa durabilidade,é a mais econômica fonte de luz. Com formatos tubulares e elipsoidais, emitem luz branca e dourada, baixo IRC, usadas em portos, estradas, estacionamentos, ferrovias, etc. Vapor de Sódio Branca: emissão de luz branca, decorrente da combinação dos vapores de sódio e xenon, resultando numa luz brilhante como as halógenas e aparência de cor das incandescentes. Excelente IRC,usadas em hotéis, edifícios históricos, teatros, stands, etc. Vapor Mercúrio: aparência branca azulada, eficiência de até 55lm/W, usadas em vias públicas e indústrias. Lâmpadas Mistas: composta por filamento e um tubo de descarga, funcionam em 220v, sem uso de reator. Alternativa para a substituição das lâmpadas incandescentes.

Vapor de Sódio Ovóide / Vapor Metálico Tubular

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LED´s

Lighting Emitted Diodes. Led´s são dispositivos semicondutores que convertem energia elétrica diretamente em energia luminosa, através de chips de minúscula dimensão. Aquecidos, estes materiais condutores são constituídos de cristais de silício e é encapsulado por uma resina de epóxi transparente para direcionar a emissão da luz e proteger o elemento semicondutor. A composição para Led´s coloridos (vermelho,azul,verde,laranja e âmbar) se faz dos elementos químicos (gálio, arsênio, fósforo, alumínio e nitrogênio). A cor branca foi a mais recente a ser desenvolvida. De baixo consumo, vida útil extremamente longa, os led´s estão cada vez mais eficientes superando a eficiência das lâmpadas incandescentes. Os led´s são monocromáticos, emitem luz somente numa faixa do espectro da luz, por isso não se aplica IRC, nem temperatura de cor.

Lâmpada Dicróica Bipino | 18leds Potência: 0,1W à 0,5W Vida útil: 100.000 horas Tensão de rede: 10v ou 24v (necessita de fonte alimentadora) Uso: iluminação de destaque, residencial, comercial e público. Sinalizadores de trânsito, fachadas de prédios, balizadores, iluminação de casas noturnas, etc.

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Fibra Ótica

É um filamento de vidro ou de elementos poliméricos utilizado para transmitir pulsos de luz. Não pode ser dimmerizada. Eficiência: baixa Vida útil: 3.000 horas Tensão de rede: 110/220v Uso: em iluminação de destaque, comercial e residencial.

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Características das lâmpadas e acessórios Serão apresentadas a seguir características que diferenciam as lâmpadas entre si, bem como algumas características dos acessórios utilizados com cada sistema. Eficiência Energética Símbolo: hw (ou K, conforme IES) Unidade: lm / W (lúmen / watt) 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 lúmens são gerados por watt absorvido. A essa grandeza dá-se o nome de Eficiência Energética (antigo “Rendimento Luminoso”).

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Nota: DULUX, Metálica HQI, LUMILUX e Sódio NAV são marcas registradas da Osram. Temperatura de cor correlata Símbolo: TCC Unidade: K (Kelvin) Em aspecto visual, admite-se que é bastante difícil a avaliação comparativa entre a sensação de Tonalidade de Cor de diversas lâmpadas. Para estipular um parâmetro, foi definido o critério Temperatura de Cor (Kelvin) para classificar a luz. Assim como um corpo metálico que, em seu aquecimento, passa desde o vermelho até o branco, quanto mais claro o branco (semelhante à luz diurna ao meio-dia), maior é a Temperatura de Cor (aproximadamente 6500K). A luz amarelada, como de uma lâmpada incandescente, está em torno de 2700 K. É importante destacar que a cor da luz em nada interfere na Eficiência Energética da lâmpada, não sendo válida a impressão de que quanto mais clara, mais potente é a lâmpada. Convém ressaltar que, do ponto de vista psicológico, quando dizemos que um sistema de iluminação apresenta luz “quente” não significa que a luz apresenta uma maior temperatura de cor, mas sim que a luz apresenta uma tonalidade mais amarelada. Um exemplo deste tipo de iluminação é aquela utilizada em salas de estar, quartos ou locais onde se deseja tornar um ambiente mais aconchegante.

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Da mesma forma, quanto mais alta for a temperatura de cor, mais “fria” será a luz. Um exemplo deste tipo de iluminação é a utilizada em escritórios, cozinhas ou locais em que se deseja estimular ou realizar alguma atividade. Esta característica é muito importante de ser observada na escolha de uma lâmpada, pois dependendo do tipo de ambiente há uma temperatura de cor mais adequada para esta aplicação.

Índice de reprodução de cores Símbolo: IRC ou Ra Unidade: R Objetos iluminados podem nos parecer diferentes, 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 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. Portanto, quanto maior a diferença na aparência de cor do objeto iluminado em relação ao padrão (sob a radiação do metal sólido) menor é seu IRC. Com isso, explica-se o fato de lâmpadas de mesma Temperatura de Cor possuírem Índice de Reprodução de Cores diferentes.

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Características de diferentes lâmpadas (baseado em [3], [4], [5], [6]) Tipo de Lâmpada

Transparente Incandescente Branca

Convencional Fluorescentes Compacta

Vapor de Sódio Descarga Vapor de Mercúrio

Potência (W) 40 60 100 150 40 60 100 15 20 30 40 9 14 20 23 70 100 150 80 125 200

Fluxo IRC (%) Luminoso (lm) 516 100 864 100 1640 100 2180 100 465 100 580 100 1170 100 740 70-79 1060 70-79 1900 70-79 2700 70-79 490 80-89 730 80-89 1050 80-89 1400 80-89 5600...