Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Centro de Engenharia Elétrica e Informática Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica Grupo de Sistemas Elétricos Laboratório de Alta Tensão LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Guia experimental de Fotometria Autoria: Edson Guedes da Costa Vicente Delgado Moreira Revisão de agosto de 2008: Tarso Vilela Ferreira Revisão de fevereiro de 2011: George Rossany Soares de Lira 2 1. Objetivos Pretende-se com o experimento entender os princípios gerais da iluminação. Além disso, deseja-se traçar curvas de isolux, construir curva fotométrica de um projetor e fazer um projeto de iluminação a partir de uma curva fotométrica. 2. Princípios Gerais O grupo de radiações compreendidas entre os comprimentos de onda de 380 e 760 nm é especialmente para o estudo da iluminação. Estas radiações são capazes de estimular a retina do olho humano produzindo a sensação luminosa. O espectro visível está limitado em um dos extremos pelas radiações infravermelhas (de maior comprimento de onda), e no outro extremo pelas radiações ultravioletas (de menor comprimento de onda). Os diferentes comprimentos de onda das radiações estão ligados à impressão de cor, conforme mostrado na Fig. 1. Figura 1. Espectro eletromagnético. 3. Grandezas e Unidades Utilizadas em Iluminação As definições aqui apresentadas estão de acordo com a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). 3.1. Intensidade Luminosa A intensidade luminosa é o limite da relação entre o fluxo luminoso em um ângulo sólido em torno de uma direção dada, e o valor desse ângulo sólido, quando o ângulo sólido tende para zero. A unidade de intensidade luminosa é a candela (cd). A Fig. 2 mostra uma fonte puntiforme iluminando um ângulo sólido. Figura 2. Fonte luminosa puntiforme iluminando um ângulo sólido. 3 Pode-se entender mais claramente a definição de intensidade luminosa como sendo a potência da radiação luminosa numa dada direção. A intensidade luminosa pode ser calculada por: dw dI , em que d é o fluxo luminoso e dw é o ângulo sólido. 3.2. Curva Fotométrica (ou Curva de Distribuição Luminosa) Segundo a ABNT, uma curva fotométrica representa a variação da intensidade luminosa de uma fonte segundo um plano passando pelo centro, em função da direção. Uma representação espacial torna-se difícil de ser visualizada, assim, adotam-se projeções das superfícies fotométricas sobre um plano. 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. 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. Exemplos de curvas fotométricas podem ser vistos na Fig. 3. (a) (b) Figura 3. (a) Curvas Fotométricas Horizontais e Verticais; (b) Curva Fotométrica Vertical de uma Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Cor Corrigida de 250W (Moreira, 2001). Outra maneira de representar por curvas uma superfície de igual intensidade luminosa é utilizando o Diagrama de Isocandelas, definidos como a linha traçada num plano e referida a um sistema de coordenadas que permita representar direções no espaço em torno de um ponto luminso ligando pontos do espaço em que as intensidades luminosas são iguais (ABNT). 3.3. Fluxo Luminoso O fluxo luminoso é a grandeza característica de um fluxo energético, exprimindo sua aptidão de produzir uma sensação luminosa no ser humano através do estímulo da retina ocular. A unidade de fluxo luminoso é o lúmen [lm]. O fluxo luminoso é definido como o fluxo emitido por uma fonte luminosa puntiforme de intensidade invariável e igual a uma candela, de mesmo valor em todas as direções, no interior de um ângulo sólido igual a um esterradiano1. Na prática, não existe fonte puntiforme, porém, quando o diâmetro da fonte for menor que 20% da distância que a separa do ponto onde se considera seu efeito, a fonte pode ser considerada puntiforme. As lâmpadas conforme seu tipo e potência apresentam fluxos luminosos diversos: ◘ Lâmpada incandescente de 100 W: 1000 lm; 1 Definições complementares em http://pt.wikipedia.org/wiki/Esferorradiano 4 ◘ Lâmpada fluorescente de 40 W: 1700 a 3250 lm; ◘ Lâmpada vapor de mercúrio 250 W: 12.700 lm; ◘ Lâmpada multi-vapor metálico de 250 W: 17.000 lm. 3.4. Eficiência Luminosa A eficiência luminosa de uma fonte é a relação entre o fluxo luminoso total emitido pela fonte e a potência por ela consumida. A unidade de eficiência luminosa é o lúmen por Watt [lm/W]. Exemplos: ◘ Lâmpada incandescente de 100 W: 10 lm/W; ◘ Lâmpada fluorescente de 40 W: 42,5 lm/W a 81,5 lm/W; ◘ Lâmpada vapor de mercúrio de 250 W: 50 lm/W. 3.5. Iluminamento (ou Iluminância) Define-se por iluminamento a razão entre o fluxo luminoso incidente por unidade de área iluminada, ou seja, é a densidade de fluxo luminoso na superfície sobre a qual este incide. A unidade é o Lux [lux], definido como o iluminamento de uma superfície de 1 m2 recebendo de uma fonte puntiforme a 1 m de distância, na direção normal, um fluxo luminoso de 1 lúmen, uniformemente distribuído. A Fig. 4 mostra o fluxo luminoso de 1 lúmem irradiado num ângulo sólido de 1 esterorradiano. Figura 4. Fluxo de 1 lm Irradiado num Ângulo Sólido de 1 sr (Moreira, 2001). Exemplos de valores típicos de iluminamento: ◘ 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; ◘ Noite de lua cheia 0,25 lux; ◘ Luz de estrelas 0,01 lux. 3.6. Diagrama de Isolux Uma curva de isolux é uma linha traçada em um plano, referida a um sistema de coordenadas apropriadas, ligando pontos de uma mesma superfície que têm iluminamento igual. Um diagrama de isolux é um conjunto de curvas de isolux. A Fig. 5 exibe um diagrama de isolux. 5 Figura 5. Diagrama Isolux de uma Luminária para Iluminação Pública (Moreira, 1976). 3.7. Índice de Reprodução de Cor (IRC) 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 sob diferentes iluminantes. Um IRC em torno de 60 pode ser considerado razoável, 80 é bom e 90 é excelente (Luz, 2008). A exigência do grau de IRC depende da aplicação: uma via pública está adequadamente iluminada com um IRC de 60, utilizando lâmpadas de vapor cuja luz apresenta-se amarelada. Todavia, uma loja de roupas deve ter IRC acima de 80, uma vez que as cores dos produtos devem ser reproduzidas de maneira fidedigna. 3.8. Temperatura de Cor Segundo a Lei de Planck, um objeto muda de coloração em função de sua temperatura. Uma peça de ferro não polido tem cor escura na temperatura ambiente, mas será vermelha a 800 K, amarelada em 3.000 K, branca azulada em 5.000 K. 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.Uma lâmpada incandescente opera com temperaturas entre 2.700 K e 3.100 K, dependendo do tipo de lâmpada a ser escolhido. A escolha de um determinado tipo de lâmpada deve basear-se na temperatura da cor e no IRC. É consensual que cores quentes vão até 3.000K, as cores neutras situam-se entre 3.000 K e 4.000 K, e as cores frias acima deste último valor. Cores quentes são empregadas quando se deseja uma atmosfera íntima, sociável, pessoal e exclusiva (residências, bares, restaurantes); as cores frias são usadas quando a atmosfera deva ser formal, precisa, limpa (escritórios, recintos de fábricas, salas de cirurgia). 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. 4. Leis do Iluminamento Produzido por uma Fonte Puntiforme Deseja-se calcular o iluminamento causado por uma fonte pontual num elemento de área dS , cuja localização relativa à fonte é dada pela Fig. 6. 6 Figura 6. Fonte puntiforme iluminando uma área elementar no plano P (Moreira, 1976). O ângulo sólido subentendido por dS , de vértice em L , será: 2 cos d dSdw . (1) Sabe-se também que intensidade luminosa é dada por dw dI , ou ainda, dwId . (2) Substituindo (1) em (2), temos: 2 cos d dSId . (3) O iluminamento, por sua vez, é matematicamente definido por: dS dE . (4) Finalmente, substituindo (3) em (4): 2 cos d IE (5) O resultado obtido resume as três leis do iluminamento proporcionado por uma fonte puntiforme em um ponto de uma superfície: a. o iluminamento varia na razão direta da intensidade luminosa na direção do ponto considerado; b. o iluminamento varia na razão inversa do quadrado da distância da fonte ao ponto iluminado e c. o iluminamento varia proporcionalmente ao co-seno do ângulo formado pela normal à superfície no ponto considerado e pela direção do raio luminoso que incide sobre o mesmo. 7 5. Noções de Fotometria A fotometria consiste de uma série de métodos e processos de medida das grandezas luminosas. Os fotômetros são equipamentos utilizados nas medições de iluminação e seus primeiros modelos eram aparelhos comparadores, que avaliavam uma grandeza óptica mediante a utilização de um padrão. Os fotômetros atuais são fotoelétricos, a exemplo do luxímetro. O elemento principal de um fotômetro atual é a célula fotoelétrica, dispositivo capaz de transformar as variações de fluxo luminoso em variações de grandezas elétricas. Os princípios básicos de funcionamento são três: fotoemissão, efeito fotovoltaico e fotocondução. A fotoemissão consiste na remoção, a frio, de elétrons da superfície de um sólido. A remoção é causada pela incidência de energia luminosa ou outro tipo de energia eletromagnética. A célula fotoemissiva consta de um cátodo frio e de um ânodo. O cátodo é recoberto de material fotoemissivo, que pela incidência de luz, emite elétrons. Os elétrons são atraídos pelo ânodo, quando ele estiver polarizado por uma fonte CC. A circulação de corrente pode ser monitorada para dar informação sobre a intensidade luminosa incidente. Quando um de dois eletrodos imersos em um eletrólito é iluminado, uma diferença de potencial aparece entre os eletrodos. As células fotovoltaicas transformam diretamente a energia radiante incidente em energia elétrica, não necessitando de baterias ou de fontes de polarização. A fotocondução consiste na alteração da resistividade elétrica de um sólido pela incidência da luz. Os dispositivos fotocondutores empregam semicondutores, que podem ser fotoresistivos ou de fotojunção. O LDR (light dependent resistor) ou resistor dependente da luz é um dispositivo fotoresistivo que pode ser utilizado na construção de fotômetros. Os fotodiodos são exemplos de dispositivos de fotojunção. (a) (b) Figura 7. (a) Célula Fotoemissiva; (b) Célula Fotovoltaica: (1) Contato Elétrico Frontal; (2) Material Fotosensível; (3) Placa-base (Moreira, 2001). Existem alguns cuidados que devem ser tomados quando se utilizam fotômetros. A corrente gerada por uma fotocélula varia com a temperatura. Por isso, os luxímetros deverão ser utilizados nas temperaturas para as quais foram aferidos. Além disso, os luxímetros de boa qualidade deverão ser dotados de filtros para adequar a sua sensibilidade espectral. Finalmente, os luxímetros deverão ter uma correção para os diversos ângulos de incidência da luz. 5.1. Medição de Iluminamentos Quando se deseja conhecer os níveis de iluminamento de um ambiente, utilizam-se fotômetros calibrados em lux (luxímetros) para realizar as medições. O medidor deverá deslocar-se no plano de trabalho. O luxímetro deverá ser do tipo cor e co-seno corrigidos, que leva em consideração a sensibilidade espectral e o ângulo de incidência do feixe luminoso. A Fig. 8(a) mostra curvas de resposta espectral usadas para correção de cor em luxímetros. A Fig. 8(b) mostra um artifício para a correção do co-seno em uma célula fotoelétrica. 8 (a) (b) Figura 8. (a) Curva de Resposta Espectral de um Fotoresistor Típico: (1) Fotoresistor; (2) Curva Internacional de Luminosidade Espectral Relativa (b) Princípio Básico da Correção do Co-seno em uma Célula Fotoelétrica: (a) Incidência Normal; (b) Incidência Oblíqua (Moreira, 2001). A norma brasileira prescreve os níveis de iluminamento indicados na Tabela 1, para alguns ambientes. Para uma perfeita medição de iluminamentos deve ser utilizada um equipamento chamado banco óptico. A Fig. 9 mostra um banco óptico. Tabela 1 - Níveis de Iluminamento para alguns ambientes. Área Atividade Iluminação (lux) Indústria Trabalho pesado Máquinas operatrizes Trabalho de precisão Trabalho fino 250-500 250-500 500-1000 1000-2000 Comercial Escritórios Datilografia Computadores Desenho 500-1000 500-1000 500-1000 1000-2000 Escolas Salas de aula Laboratórios Bibliotecas 250-500 250-500 250-500 Fig. 9. Banco Óptico (Moreira, 2001). 5.2. Medição de Iluminamento de Interiores Um dos métodos para medição de iluminamento de interiores consiste na divisão da superfície em pequenas áreas elementares, nas quais se medem os iluminamentos. Em seguida, pode-se calcular o iluminamento médio ou traçar as curvas de isolux do recinto. Um dos processos mais simples e utilizável em áreas regulares e que conduz a resultados com erros inferiores a 10% é o recomendado pela ABNT NBR 5382, de 1985 e Illuminating Engineering Society. O processo é descrito a seguir: Primeiro caso. Área com luminárias individuais dispostas simetricamente em duas ou mais fileiras, como pode ser visto na Fig. 10. O luxímetro deve ser colocado nos pontos indicados na Fig. 10 e selecionados conforme as instruções abaixo: 9 a. Em oito pontos “r”, escolhidos em áreas elementares aproximadamente no centro da sala e tendo em vista a posição das luminárias; as luminárias são representadas por círculos brancos e os pontos de medição por círculos pequenos e pretos; b. Em quatro pontos “q”, sendo dois em cada uma das áreas elementares aproximadamente centrais dos lados da sala; c. Em quatro pontos “t” , sendo dois em cada uma das áreas elementares aproximadamente centrais dos outros dois lados da sala; d. Em dois pontos “p”, centros das duas áreas elementares situadas em cantos opostos da sala. Figura 10. Posições de medições de nível de iluminamento – Primeiro caso. O iluminamento médio para o primeiro caso deverá ser calculado pela equação: MN PMTNQMNRL )1()1()1()1( (6) em que R é a média dos iluminamentos (lux) medidos nos pontos “r” (oito medições); N, o número de luminárias por fila; M, o número de filas de luminárias;Q, a média dos iluminamentos dos quatros pontos “q”; T, a média dos iluminamentos dos quatros pontos “t”; e P, a média dos iluminamentos dos dois pontos “p”. Segundo caso. Área com uma única fila de luminárias individuais dispostas simetricamente em duas ou mais fileiras, como pode ser visto na Fig. 11. O luxímetro deverá ser colocado nas seguintes posições: a. Em oito pontos “q” sendo dois em cada uma das quatro áreas elementares quaisquer, tomadas duas da cada lado da fila; b. Em dois pontos “p”, centro das duas áreas elementares situadas em opostos da sala. Fig. 11 – Posições de medições de nível de iluminamento – Segundo caso. O iluminamento médio será dado por: N PNQL )1( (7) em que, N, é o número de luminárias; Q é a média dos iluminamentos dos oito pontos “q”; e P, a média dos iluminamentos dos oito pontos “p”. 10 Terceiro caso. Área com luminária única, como pode ser visto na Fig. 12(a). O luxímetro deverá ser colocado nos quatro pontos “p”. O iluminamento médio será a média das quatro leituras. Quarto caso. Área com duas ou mais filas contínuas de luminárias, como pode ser visto na Fig. 12(b). O luxímetro deverá ser colocado: a. Em quatro pontos “r” quaisquer, situados aproximadamente no centro da sala; b. Em dois pontos “q”, situados um em cada centro das partes laterais da sala; c. Em quatro pontos “t”, sendo dois em cada uma das áreas elementares aproximadamente centrais dos outros dois lados da sala; d. Em dois pontos “p”, centro das duas áreas elementares situadas em cantos opostos da sala. O iluminamento médio para o quarto caso deverá ser calculado pela fórmula: )1( )1()1( NM PMTNQMNRL (8) em que, R é a média dos iluminamentos medidos nos quatro pontos “r”; N, o número de luminárias por fila; M, o número de filas; Q, a média dos iluminamentos medidos nos dois pontos “q”; T, a média dos iluminamentos medidos nos dois pontos “t”; e P, a média dos iluminamentos medidos nos pontos “p”. (a) (b) Figura 12. (a) Posições de medições de nível de iluminamento – Terceiro caso; (b) Posições de medições de nível de iluminamento – Quarto caso. Quinto caso. Área regular com uma fila contínua de luminárias, como pode ser visto na Fig. 13. A sala deve ser dividida em quatro partes iguais e o luxímetro deverá ser colocado nas seguintes posições: a. Em seis pontos “q” (três de cada lado) opostos dois a dois e situados na linha imaginária da divisão feita anteriormente; b. Em dois pontos “p”, centro de duas áreas situadas em cantos opostos da sala. Fig. 13 – Posições de medições de nível de iluminamento – Quinto caso. 11 O iluminamento médio para o quinto caso deverá ser calculado pela equação: )1( N PNQL (9) em que, N é o número de luminárias por fila; Q, a média dos iluminamentos medidos nos seis pontos “q”; e P, a média dos iluminamentos medidos dos dois pontos “p”. 5.3. Método Ponto a Ponto para Cálculo de Iluminamento O método ponto a ponto para cálculo de iluminamento por projetores consiste em obter o iluminamento em um ponto, a partir do iluminamento de cada projetor individualmente. Utiliza-se para tal a Lei de Lambert 2 cos d IE , (10) de acordo com a Fig. 14: Figura 14. Iluminação de uma Superfície Vertical por um Projetor. MN = Normal ao Plano; P = Projetor de Facho Luminoso Simétrico em Relação ao Eixo; I = Intensidade luminosa Irradiada pelo Projetor em Direção ao Ponto M; D = Distância Horizontal entre o Projetor e o Plano Vertical que Contém M; H = Altura do Ponto M em Relação ao Projetor; L = Distância Horizontal entre P e a Normal ao Ponto M (Moreira, 1976). Nas condições supracitadas, a Lei de Lambert torna-se: )( cos 222 LDH IE , (11) ou ainda: 2/3222 )( LDH DIE . (12) O algoritmo para cálculo de iluminamentos utilizando o método ponto a ponto se desenvolve da seguinte maneira: a. Considera-se um ponto para qualquer; b. Calcula-se o ângulo entre a direção do feixe principal do projetor (foco) e o ponto considerado; c. Da curva fotométrica do projetor, obtém-se a intensidade luminosa do feixe com o ângulo determinado anteriormente. Esta intensidade luminosa é referente à 12 inclinação do feixe com relação ao eixo principal do projetor; d. Calculam-se as distâncias nas direções H, D e L com relação à posição do projetor; e. Determina-se o iluminamento no ponto considerado devido ao projetor aplicando-se a Lei de Lambert e f. Aplicam-se os procedimentos anteriores para os demais refletores em todos os pontos onde se deseja calcular o iluminamento. 6. Roteiro Experimental 6.1. Medição do Nível de Iluminamento de um Ambiente Interior O procedimento básico para a medição de iluminamento é: a. Verifique se o luxímetro está requerendo troca de bateria através do indicador no display; b. Divida a sala estudada em áreas quadradas de no máximo 0,50 m e meça de forma adequada o iluminamento indicado pelo professor ou monitor; c. Aplique as recomendações da ABNT estudadas na Seção 5.2 e meça de forma adequada o iluminamento indicado pelo professor ou monitor, se for necessário; d. Use um croqui da sala e anote nele os valores dos iluminamentos obedecendo às recomendações da ABNT; e. Faça as suas observações sobre as condições do recinto indicado para medição. 6.2. Medição de Intensidade Luminosa de um Projetor O procedimento sugerido para a medição de iluminamento do projetor é: a. Coloque o arranjo projetor-lâmpada posicionado sobre um plano horizontal; b. Trace um semicírculo na frente da iluminação com raio de 1,5 m; c. Proceda a medição do iluminamento com o auxílio do luxímetro, sobre o semicírculo traçado, à altura do eixo longitudinal do arranjo projetor-lâmpada; d. Meça os iluminamentos em pontos espaçados de 10°, a partir do ângulo de 5°. Observe a Fig. 15 para melhor compreensão; e. Gire o projetor de 90° em relação ao seu eixo longitudinal; f. Repita as medições de iluminamento seguindo o procedimento sugerido anteriormente. Anote os dados da lâmpada. Figura 15. Medição de Iluminamento de um Arranjo Projetor-Lâmpada sobre um Semicírculo no Plano Horizontal do Eixo do Arranjo. 13 7. Relatório 7.1. Acerca das medições realizadas na Seção 6.1, pede-se: a. Calcular o iluminamento seguindo as recomendações da ABNT b. Verificar se o valor encontrado condiz com as recomendações da norma. c. Faça a média com todos os pontos medidos e compare o valor obtido com o resultado atingido utilizando-se a norma. d. Utilize software já disponível2 ou escreva uma rotina para o cálculo e desenho das curvas isolux. e. Fazendo uso da ferramenta empregada no item “d”, simule uma configuração de luminárias que atenda às exigências da norma da ABNT. Sinta-se livre para modificar lâmpadas, luminárias, ou ambas. Como resultado, exponha as curvas isolux da simulação. f. Indique na Bibliografia as normas e o software utilizado, ou anexe a rotina utilizada para o cálculo e desenho. 7.2. Acerca das medições realizadas na Seção 6.2, pede-se: a. Trace as curvas fotométricas do projetor utilizado no experimento, referidas a 1000 lm para a lâmpada utilizada. (Valor da questão 1,0 ponto). 7.3. Calcule o iluminamento produzido em dois pontos da fachada vertical lisa representada na Fig. 16, quando iluminada por três projetores de iguais, cuja curva fotométrica foi calculada no item 7.2. Os pontos para o cálculo deverão corresponder a duas letras diferentes dentre as que constam no seu nome, que não deverão guardar simetria de iluminamento. O métodoutilizado deverá ser o ponto por ponto. Os projetores são dotados de lâmpadas de 15 klm, e estão montados ao nível do solo, apontados para os pontos T1, T2 e T3. Figura 16. Diagrama esquemático para o item 7.3. 7.4. Nesta questão, propõe-se que o aluno realize o projeto de iluminação utilizando o software DIALux®. Escolha um tema de ambientação: comercial, industrial ou residencial3. Neste contexto, construa um ambiente no DIALux®, incluindo nele as pessoas, móveis, texturas e demais elementos que podem ter impacto no resultado do iluminamento. Justifique o uso das luminárias e lâmpadas (potência, rendimento, IRC, etc.), bem 2 Visite [ http://www.dial.de/ ] para baixar o software gratuito DIALux® e seu manual. 3 Exemplos: sala de estar, quarto, sala de aula, restaurante, ateliê, quadra desportiva, praça, avenida, monumento, sala de cirurgia, etc. 14 como sua disposição. Certifique-se de que seu projeto satisfaz as exigências da norma. Caso tenha dúvidas que não estejam esclarecidas no manual do software, consulte o professor ou o monitor da disciplina. O ambiente pode ser fictício. A complexidade do ambiente, a completeza do relatório elaborado (excetuando-se, claro, os relatórios automaticamente emitidos pelo DIALux®) e a segurança do aluno no momento da defesa terão impacto majoritário na avaliação da questão. (Valor da questão 3,0 pontos. O melhor projeto dentre os apresentados terá nota máxima, e os demais serão avaliados tendo-o como referência). 7.5. Que tipos de lâmpadas você escolheria para os ambientes abaixo? Justifique sua resposta. a. Escritório; b. Sala de TV; c. Cubículo de conexões de uma central telefônica; d. Loteamento residencial (iluminação pública); e. Quadra de esportes. Bibliografia Arruda, Paulo Ribeiro de - Iluminação e instalações elétricas (Domiciliares e Industriais). Livraria Luso - Espanhola e Brasileira, 196X. Marco, Adolfo Di - Luz, Fotometria y Luminotecnia. Editorial Hispano Americana S. A., 1951. Moreira, Vinícius de Araújo - Iluminação e Fotometria teoria e aplicação. Editora Edgard Blücher Ltda., 1976. Moreira, Vinícius de Araújo - Iluminação Elétrica. Editora Edgard Blücher Ltda., 2001. NBR 5382 – Verificação de Iluminância de Interiores – Procedimento, Abril/1985. DIALux, Manual do Usuário. 2008. [ www.dial.de ]. Luz, Jeanine Marchiori – Curso de Luminotécnica. UNICAMP, 2008. 15 Figura A.1. Diagrama Esquemático de lâmpada incandescente convencional (Moreira, 2001). Figura A.2. Lâmpada halógena. Anexo A – Tipos de Lâmpadas A.1. Lâmpadas Incandescentes As lâmpadas incandescentes possuem bulbo de vidro, em cujo interior existe um filamento de tungstênio espiralado, que é levado a incandescência por efeito Joule. Sua oxidação é evitada pela presença de gás inerte ou vácuo dentro do tubo. O alto fluxo luminoso das novas lâmpadas incandescente é obtido com filamentos de dupla espiralagem feitos de tungstênio puríssimo, exigência da norma NBR IEC 64 (1997). 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. 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. 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. 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 usa a base de rosca tipo Edison. Elas são designadas pela letra “E” seguida de um número que indica aproximadamente seu diâmetro externo em milímetros. As bases tipo baioneta são indicadas quando se deseja uma fixação que resista a vibrações intensas (lâmpadas para trens e automóveis, etc.) ou nos tipos “focalizados”, onde a fonte de luz tenha uma posição precisa num circuito óptico (projetores de cinema, slides, etc.). Em casos particulares, são utilizadas bases de desenho especial. As bases tipo baioneta são designadas pela letra “B” seguida de seu diâmetro em milímetros. Existem ainda as bases tipo pino as quais são designadas pela letra “T”, e são as bases utilizadas pelas lâmpadas fluorescentes tubulares, e os número escritos após a letra, significam o diâmetro em milímetros. 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. A.2. Lâmpadas Halógenas 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 circula dentro do bulbo, devido às correntes de convecção presentes, até se aproximar novamente do filamento e reiniciar o ciclo (evaporação e circulação). A reação cíclica que reconduz o tungstênio evaporado para o filamento permite a operação em temperaturas mais elevadas (aproximadamente 3200K 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. 16 Figura A.3. Lâmpada de descargas fluorescente. (a) Bulbo; (b) Revestimento fluorescente; (c) Vapor onde ocorrerão as descargas; (d) Filamentos; (e) Terminais externos. (Moreira, 2001) Figura A.4. Starter para lâmpadas fluorescentes. C, capacitor; D, capa de proteção; M, eletrodo fixo; N, lâmina bimetálica recurvada; P, terminais; T, bulbo de vidro. (Moreira, 2001) 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 engordurálo; ◘ 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 da entrada dos lides; ◘ Sóinstalar 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, todavia, são mais caras. São utilizadas para iluminação de praças de esporte, pátios de armazenamento de mercadorias iluminação externa em geral, teatros, estúdios de TV museus, monumentos, projetores, fotocopiadoras, etc. A lâmpada dicróica é uma lâmpada halógena com bulbo de quartzo, no centro de um refletor com espelho multifacetado numa base bipino. Possui facho de luz bem delimitado, homogêneo, de abertura controlada e mais frio, pelo fato de transmitir aproximadamente 65% da radiação infravermelha para a parte superior da lâmpada. As lâmpadas halógenas com refletor dicróico possuem uma luz mais branca, mais brilhante e intensa , são ótimas para fins decorativos, transmitem menos calor ao ambiente e possuem um facho de luz homogêneo bem definido. A.3. Lâmpadas de Descarga Nas lâmpadas de descargas o fluxo luminoso é gerado diretamente ou indiretamente pela passagem da corrente elétrica através de um gás, mistura de gases ou vapores. As lâmpadas de descarga podem ser construídas baseadas em diversos princípios. Os mais representativos princípios serão abordados nas seções a seguir. A.3.1. Lâmpadas de descargas fluorescentes Lâmpadas de descargas fluorescentes 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. Para as lâmpadas fluorescentes chamadas da “partida lenta”, são necessários dois equipamentos auxiliares: o dispositivo de partida (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 impulso 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, consiste basicamente de um circuito de retificação e um inversor oscilante, 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. 17 Figura A.5. Circuito básico de funcionamento de uma lâmpada fluorescente. Figura A.6. Tipos de lâmpadas fluorescentes. (a) Fluorescente compacta integrada; (b) Fluorescentes compactas não integradas; (c) Fluorescente circular; (d) Fluorescentes tubulares. Ao se fechar o interruptor (X), ocorre no starter (S) uma descarga, e o elemento bimetálico aquecido fecha o circuito. A corrente se estabelece através do starter, do reator (R) e dos eletrodos da lâmpada (F). Depois que a lâmina bimetálica recurvada toca o eletrodo fixo, os contatos do starter fecham-se e a descarga cessa, o que provoca rápido esfriamento do elemento bimetálico. Resfriado o contato bimetálico volta à sua posição original e, desta forma, abrem-se os contatos, cessando a corrente pelo starter. Todavia, o reator (indutor) tende a manter a corrente através do circuito, e expõe o gás interno à lâmpada a uma tensão suficientemente elevada para romper a sua rigidez dielétrica. Os elétrons, deslocando-se de um filamento a outro, esbarram em seu trajeto com átomos do vapor (de mercúrio ou argônio) que provocam liberação de energia luminosa não visível (ultravioleta e freqüências superiores). 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 (FP). Para melhorar o FP, 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 duas 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 tipos de reatores eletromagnéticos: os comuns ou convencionais necessitam de starter para prover a ignição, podendo ser simples ou duplos; os reatores de partida rápida (eletrônicos) não necessitam de starter, podendo ser simples ou duplos. O uso de reatores eletrônicos permite que seja feito o ajuste de intensidade luminosa das lâmpadas fluorescentes. Existe atualmente uma imensa gama de tipos de lâmpadas fluorescentes, desde tubulares, até compactas ou de formato circular, podendo o projetista optar conforme suas necessidades e preferências. Resumidamente pode-se citar os seguintes tipos de lâmpadas fluorescentes: a. Lâmpadas fluorescentes compactas integradas: foram desenvolvidas visando obter grande economia de energia através de sua instalação em lugar das incandescentes comuns. São lâmpadas mais eficientes, pois economizam até 80% de energia em relação às lâmpadas incandescentes, vida longa (> 10.000 h), ótimo índice de reprodução de cores (>80) e adaptável a base comum (E-27), com potências que variam de 9 a 23W. São disponíveis em várias temperaturas de cor e formatos de bulbo. Como são dispositivos não-lineares, podem ser origem de injeção de harmônicos na rede elétrica, quando utilizadas em grandes quantidades. b. Lâmpadas fluorescentes compactas não integradas: são lâmpadas de dois pinos constituídas por um grupo de pequenos tubos revestidos de pó fluorescente, interligados de modo a formar uma lâmpada com dimensões muito compactas, e reator eletromagnético acoplável. O revestimento das lâmpadas é feito com fósforos tricomáticos, e apresentam um IRC de 82. São lâmpadas ideais para serem utilizadas em luminárias de mesa, arandelas, luminárias de pedestais ou embutidas. c. Sistema fluorescente circular: composto de uma lâmpada fluorescente circular e um adaptador para soquetes comuns, também podendo substituir diretamente as lâmpadas incandescentes em suas diversas aplicações. d. Lâmpadas fluorescentes tubulares: são as tradicionais lâmpadas fluorescentes de comprimentos diversos que variam entre aproximadamente 40 cm, 60 cm, 120 cm e 240 cm, cuja potência varia de 15 W a 110 W, tonalidades de cor distintas e em dois diâmetros (26 mm e 33,5 mm) para operação em partida rápida, convencional ou eletrônica. As lâmpadas fluorescentes da Série 80 apresentam IRC igual a 85, possibilitando muito boa reprodução de cores sendo muito utilizadas em iluminação de grandes áreas como escritórios, bancos, lojas, escolas, hospitais, hotéis, supermercados, etc. 18 Figura A.8. Lâmpada de vapor de sódio. 1, apoio superior do tubo de descarga; 2 e 8, lide do eletrodo superior; 3, bulbo exterior;4, tubo de descarga de óxido de alumínío sinterizado; 5, camada de correção de cor; 6, junta de dilatação; 7, lide do eletrodo inferior: 9, rosca Edison. A.3.2. Lâmpadas de luz mista As Lâmpadas de luz mista constituem-se de um tubo de arco de vapor de mercúrio em série com um filamento incandescente de tungstênio que, além de produzir fluxo luminoso, funciona como elemento de estabilização da lâmpada. Reúne características da lâmpada incandescente, fluorescente e vapor de mercúrio, pois a luz do filamento emite luz incandescente, luz do tubo de descarga a vapor de mercúrio emite intensa luz azulada e a radiação invisível, em contato com a camada fluorescente do tubo, transforma-se em luz avermelhada. As lâmpadas de luz mista dispensam o reator uma vez que o filamento além de produzir luz, limita a corrente de funcionamento, podendo ser ligadas diretamente à rede (eliminando o custo do reator e tendo FP unitário). O IRC dessas lâmpadas é 60, e a eficiência luminosa é em torno de 25 lm/W (baixa, se comparada com a lâmpada a vapor de mercúrio). Além disso, existem restrições quanto a posição de funcionamento. Sua potência varia entre 160W a 500W. A.3.3. Lâmpadas de vapor de mercúrio Lâmpadas de vapor de mercúrio são constituídas de um tubo de descarga feito de quartzo, para suportar elevadas temperaturas, tendo em cada extremidade um eletrodo principal, de tungstênio recoberto com material emissor de elétrons. Quando uma tensão é aplicada à lâmpada, cria-se um campo elétrico entre o eletrodo auxiliar e o principal. Forma-se um arco elétrico entre eles provocando o aquecimento dos óxidos emissores, a ionização do gás e a formação de vapor de mercúrio. Depois que o meio interno tornou-se ionizado, a impedância equivalente do meio torna-se reduzida e, como a impedância do circuito de partida é elevada (devido a um resistor de partida), a parcela majoritária da corrente circula pelo vapor de mercúrio e eletrodos principais. Com o aquecimento do meio interno, a pressão dos vapores cresce, incrementando o fluxo luminoso. O período de partida leva alguns segundos, e a lâmpada só entra em regime aproximadamente 6 minutos após ligada a chave. Se a lâmpada é apagada, o mercúrio não pode ser re-ionizado até que a temperatura do arco seja diminuída suficientemente, isto leva de 3 a 10 minutos, dependendo das condições externas e da potência da lâmpada. O IRC é de 45, a eficiência luminosa varia entre 45 a 55 lm/W, e a vida útil tem valor aproximado de 18.000 horas. São prediletas em vias públicas, fábricas, parques, praças, estacionamentos, etc. A.3.4. Lâmpadas de vapor de sódio As lâmpadas de vapor de sódio produzem uma luz monocromática amarela, sem ofuscamento, e são apresentadas como a melhor solução para iluminação em locais onde existe névoa ou bruma. Lâmpadas a vapor de sódio a alta pressão têm um tubo de descarga de óxido de alumínio sinterizado, encapsulado por um bulbo oval de vidro. O tubo de descarga é preenchido por uma amálgama de sódio- mercúrio, além de uma mistura gasosa de neônio e argônio, utilizada para a Figura A.7. Lâmpada de luz mista. 1, bulbo; 2, filamento de tungstênio; 3, tubo de arco de vapor de mercúrio; 4, lide para conexão elétrica do eletrodo superior; 5, eletrodos principal e de partida; 6, camada de correção de cor; 7, lide para conexão elétrica do eletrodo inferior; 8, rosca Edison. (Moreira, 2001) Figura A.8. Lâmpada de vapor de mercúrio. 1, Dispositivo de fixação do bulbo interno; 2, bulbo; 3, camada de fósforo; 4, lide para conexão elétrica do eletrodo superior; 5, bulbo de descarga; 6, eletrodo auxiliar de partida; 7, eletrodo principal; 8, resistor de partida; 9, rosca Edison. 19 Figura A.9. Exemplos de lâmpadas de luz negra. partida. As lâmpadas de sódio são produzidas para substituir as lâmpadas vapor de mercúrio diretamente nas potências equivalentes, devendo-se observar que as luminárias não devem causar um excessivo aumento da tensão de arco. O IRC das lâmpadas a vapor de sódio é 23, a temperatura de cor é em torno de 2.000K e a vida varia em torno de 16.000 horas, necessitando de reator e ignitor de boa qualidade para operação e ignição confiável, não devendo ser utilizadas com circuitos capacitivos. São usadas em estradas, pontes, viadutos, túneis, aeroportos, etc. A.3.4. Lâmpadas de multi-vapor metálico As lâmpadas de multi-vapor metálico são lâmpadas de vapor de mercúrio nas quais se introduzem outros elementos (iodetos, brometos) em seu tubo de descarga, de forma que o arco elétrico se realize numa atmosfera de vários vapores misturados. Obtêm-se assim maiores eficiências luminosas, até 90 lm/W e melhor composição espectral. São especialmente recomendadas quando se quer ótima qualidade na reprodução de cores como em lojas, shoppings, estádios, pistas de corrida, principalmente quando se pretende televisionamento em cores. O IRC varia entre 65 e 85, conforme tipo e potência, bem como a temperatura de cor, que varia entre 3000K a 4900K. Todas as lâmpadas a vapor metálico requerem um reator e um ignitor, os quais influenciam sua performance, ademais a tensão não deve flutuar mais que 0.5% da tensão do reator. A.3.5. Lâmpadas de luz negra Lâmpadas de luz negra podem ser baseadas em diversos tipos de lâmpadas, diferindo destas somente no vidro utilizado na confecção da ampola externa. Nesse caso utiliza-se o bulbo externo de vidro com óxido de níquel (vidro de Wood), que sendo transparente ao ultra-violeta próximo absorve em grande parte o fluxo luminoso produzido. São usadas em exames de gemas e minerais, apurações de fabricações, setores de correio, iluminação de casas noturnas, levantamento de impressões digitais, na indústria alimentícia para verificar adulterações, etc.
Compartilhar