Capítulo 3 - Grandezas Luminotécnicas e Elétricas 3.1

LEDs - Origem, atualidade, aplicações e futuro, por Mauri Luiz da Silva

Capítulo 3 - Grandezas Luminotécnicas e Elétricas

3.1 - Grandezas Luminotécnicas Temperatura de Cor

TEMPERATURA DE COR - K (Kelvin)

NAV®

Incand. Halógenas LUMILUX® 21 HQI® NDL HQI® D DULUX® 41 COLORSTAR DULUX® 21 Luz do Dia HQL Especial LUMILUX® 31 HQI® WDL HWL

6000K 6100K

5600K

5200K

4200K

4000K

3600K

3000K

2700K

2000K

5800 K - luz branca natural Sol em céu aberto ao meio-dia

Luz do Dia 10

Esta é a representação gráfica da variação da tonalidade da cor de luz e que é obtida através de uma analogia com a temperatura – calor mesmo – em Graus Célsius, transformados para Kelvin, que sempre definirá que: quanto mais branca for a luz , mais alta é a temperatura de cor; quanto mais baixa for a temperatura de cor em Kelvin, mas amarelada será essa luz. Na prática quando falarmos em cor de luz, diremos o número correspondente e o símbolo(K): 3.000K ou 4.000K. Quando tratamos de iluminação de ambientes, temos de conhecer esse conceito para definir se iluminaremos com luz mais branca (luz de trabalho) ou mais amarelada (luz de conforto), o que vale para iluminação com LEDs, onde, felizmente, já podemos contar com várias tonalidades de cor de luz.

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I R C - Índice de Reprodução de Cores

ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES

100 80 60 40

EXCELENTE

NÍVEL 1

MUITO BOM BOM

NÍVEL 2

RAZOÁVEL

1a - Ra 90 a 100

Testes de cor, floricultura,

1b - Ra 80 a 89

escritórios, residências, lojas

2a - Ra 70 a 79

Áreas de circulação, escadas,

2b - Ra 60 a 69

oficinas, ginásios esportivos

REGULAR

NÍVEL 3

Ra 40 a 59

Depósitos, postos de gasolina, pátio de montagem industrial

INSUFICIENTE

NÍVEL 4

Ra 20 a 39

Vias de tráfego, canteiros de obras, estacionamentos

IRC – Índice de Reprodução de Cores é a grandeza que define em quanto a luz artificial consegue imitar a luz natural do Sol. Quanto mais próxima da luz natural for a reprodução de cores, maior será esse número e quanto menor for, mais distante da reprodução de cores da luz natural será, ou seja, menos eficiente na reprodução de cores. A indústria da iluminação procura fazer produtos que tenham cada vez um maior IRC – Índice de Reprodução de Cores. Quando falamos de lâmpadas de filamento (Incandescentes comuns e Halógenas) temos um índice de 100, excelente, porque a sua forma de fazer luz, relembrando, imita o Sol, até nesse aspecto, claro. Quando vamos para outros tipos de luz, como descarga ( fluorescentes, métálicas etc) e mesmo os LEDs , o IRC não chega a ser 100, então temos que analisar cada tipo de lâmpada ou fonte de luz, com a definição de seu IRC. Em iluminação de qualidade, temos de desconsiderar produtos com IRC abaixo de 80.


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Por exemplo, as fluorescentes com tecnologia do pó tri-fósforo, com boa reprodução de cores, tem um IRC na faixa entre 80 e 89. Algumas já atingem um número acima de 90. Por outro lado, as antigas fluorescentes tubulares, tipo T-12 e T-10, sem a utilização dessa nova tecnologia na pintura dos bulbos, ficam na faixa um pouco abaixo de 70 e mostram toda a sua ineficiência nesse conceito.

Luz Luz é a radição eletromagnética na faixa entre 380 a 780 nanômetros (nm), capaz de produzir sensação visual Em nosso ambiente há inúmeras ondas eletromagnéticas circulando. Algumas bem conhecidas, como Raio X, Raio Gama, Raio Ultra-Violeta, Infra-Vermelho, Ondas Médias, Onda de FM(frequência modulada) e outros incontáveis tipos de ondas, nas mais diversas frequências.

Quando a frequência da onda ficar situada entre 380 e 780nm, chamamos de Espectro Visível, ou no popular, LUZ. Apenas em nível de comparação: o UV-Ultravioleta, fica abaixo dos 380nm, enquanto que o IR – Infravermelho fica acima dos 780nm, para falar em duas frequências bem conhecidas nossas. O que nos deixa ver, que nenhum desses dois está situado na faixa de luz.


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Durabilidade das Lâmpadas Consideram-se três formas de medir a vida de uma lâmpada, sempre entendendo que nenhuma delas é absoluta, ou seja, quando de define que uma lâmpada tem 2.000 horas de vida, não quer dizer, em hipótese alguma, que todas as lâmpadas desse tipo durarão 2.000 horas, mas sim, conforme os conceitos abaixo apresentados: Vida Média - A média da vida de todas as lâmpadas de um lote. Mede-se a duração de cada lâmpada instalada de um lote e se divide pelo número de lâmpadas desse mesmo lote. Vida Mediana - Mede-se o tempo que decorre entre a instalação de um lote e a queima de 50% desse lote. Vida Custo-Benefício - O tempo contado quando há a depreciação do fluxo luminoso do lote. Por exemplo, quando há uma queda de 30% da luz inicial, ou melhor dizendo, do fluxo luminoso inicial. A isso define-se como L70, ou seja, a lâmpada está produzindo apenas 70% do fluxo luminoso inicial, e a partir desse número, deixa de ter um bom custo-benefício. Passará a consumir 100% de energia, produzindo menos luz, no caso 70%.

Fluxo Luminoso (F): Quantidade de LUZ visível que uma fonte irradia em todas as direções - Unidade: Lumen (Lm)


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Intensidade Luminosa (I)- E a medida da radiação emitida por uma fonte de luz em uma determinada direção. Unidade: Candela (cd). Estará sempre associada a um refletor direcionando a luz. Quando não está direcionado por um refletor, a luz se espalha em todas as direções e temos, então, a grandeza anterior, que é o fluxo luminoso(Lm).

Iluminância (E) - É o fluxo luminoso incidente por unidade de área. Sua unidade é o lux (lx). E = Φ / A. É a densidade superficial de fluxo luminoso recebido. Supondo que um fluxo de 1 lumen incida uniformemente sobre uma superficie de 1 metro quadrado, a Iluminância será de 1 lux. Como a distribuição uniforme não ocorre na prática, consideramos a Iluminância média.


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Luminancia (L) - É a intensidade luminosa que emana de uma superficie. Sua unidade é a candela por metro quadrado (cd/m2). A luminância depende do coeficiente de reflexão de cada superficie (refletância). Este coeficiente é encontrado em tabelas luminotécnicas e é uma função dos materiais e das cores.

Equação de equivalência E e L

Tendo uma das duas medidas (Lux ou Candela), podemos transformá-la em outra, com a utilização da fórmula que segue:

Precisamos saber apenas a altura entre a fonte de luz e o plano a ser iluminado. No último exemplo, vemos que 960Cd, divididas pelo quadrado da distância(no caso 2m), fica, 960:4 = 240Lux.


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Vale, como é claro, para todos os tipos de lâmpadas. Essa fórmula é importante, pois quando se trata de lâmpadas refletoras, a quantidade de luz é fornecida nos catálogos e sites dos fabricantes em Candelas(Cd) e, se precisarmos definir a quantidade de Lux, fazemos a transformação com o uso dela.

Rendimento Luminoso/Energético: Define, na prática, a economia de energia. >Lumens emitidos por Watts consumidos. Lumens /Watt - L/W. Exemplo: Potência da lâmpada 20W e luz emitida 800 Lm 800 Lumens / 20W = 40 lumens / watt Potência da lâmpada 8 W e luz emitida 800 Lm 800 Lumens / 8W = 100 lumens / watt

3.2 - Grandezas Elétricas Tensão (V) : Também chamada de voltagem, por isso o símbolo é V, é a energia que a concessionária coloca a disposição do usuário e todo o produto elétrico tem em sua designação a tensão. Normal: 127 ou 220V Baixa Tensão: 12 ou 24 V Alta Tensão: Nos cabos que saem das substações elétricas, a tensão é altíssima e para chegar nas residências e outros consumidores, ela é dividida pelos Transformadores de Distribuição e chegam para nós em 380, 220, 127V. Exemplo: Lâmpada de 220V x 60W.


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Potência(P) – A potência é medida pelos watts consumidos e por isso seu símbolo mais conhecido é o Watt (W). Na prática, a energia que pagamos à concessionária é medida pelos Watts consumidos, ou mais popularmente Kw/h, kilowatt por hora. Em iluminação, está inserido também no nome dos produtos e indica a quantidade provável de luz que uma lâmpada emite e que nos produtos de última geração, como LEDs, foram modificados os parâmetros, pois em LEDs as potências são substancialmente mais baixas. Incandescente de 127V x 60W Fluor Compacta de 127V x 15W LED de 24V x 1,5W ou mesmo 90-240V x 3,5W e 127 ou 220V x 3,5W.

Corrente (I) - É a energia elétrica que efetivamente passa pelo fio ou cabo. A medição é em Ampéres (A). Uma corrente alta precisa de uma condutor elétrico (fio) mais grosso e numa corrente menor podemos usar um condutor mais fino. Normalmente em 220V precisamos de um fio mais fino e em 127V mais grosso, pois para uma mesma potência quanto maior a tensão, menor a corrente. Uma boa comparação prática é uma mangueira de água. Quanto maior for a corrente de água, mais grossa deverá ser a mangueira; quanto menor for o fluxo de água, mais fina poderá ser a mangueira. Fios, condutores elétricos e mangueiras, condutoras de água, tem tudo a ver, são similares no funcionamento. LEDs trabalham com correntes muito pequenas, mínimas mesmo, numa faixa em torno de 1A ou menos, sendo normalmente entre 350 a 750mA.


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Lei de OHM - Esta Lei é a que calcula a Resistência Elétrica, mas que usaremos agora, de forma prática-ditática. Para a Potência em Watts, tiramos da fórmula o seguinte: P=V.I

110 W = 220V . 0,5 A 110 W = 110V . 1 A

Quanto maior a tensão, menor a corrente, para uma mesma potência. Por essa razão é que nas instalações elétricas em geral, usamos fios mais finos para a tensão em 220V e mais grossos para 127V, como já falamos. Visto essas grandezas e esses conceitos de forma simplificada, vamos em frente, revendo um pouco da história dos LEDs, que como veremos, representam uma fonte de luz muito moderna, mas que, paradoxalmente foi descoberta há mais de um século.


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Capítulo 4 - LEDs 4.1 - LEDs na História:

1907 - Henry Joseph Round descobre acidentalmente os efeitos físicos da eletroluminescência. Sua pesquisa era sobre radio-transmissão, então o efeito ficou esquecido até 1921.

1962 - Primeiro diodo vermelho é introduzido no mercado, com a tecnologia de Fosfeto de Arseneto de Gálio.

1971 - LED torna-se disponível nas cores verde, laranja e amarelo, sendo os chamados LEDs Radiais.

1993 - O primeiro diodo de Nitreto de Gálio e Indio que emite luz nos espectros azul e verde de maneira extremamente eficiente é lançado. O LED azul é a base para o LED branco.


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1995 - Primeiro LED branco é lançado

2008 - É criado o LED de alta performance, que chega a eficiência de até 120 lm/w com IRC entre 80-89. Agora que conhecemos um pouco da evolução dessa “nova” fonte de luz, vamos estudar o seu funcionamento, características e tudo que devemos saber sobre a nova estrela da luz artificial-elétrica.

4.2 - Geração de Luz nos LEDs A obtenção da luz através de LEDs ocorre quando os mesmos são diretamente polarizados, permitindo a passagem de uma corrente eletrica. - Os elétrons se movem através da junção PN do semicondutor e se recombinam com as lacunas (cargas positivas). Quando as duas cargas são recombinadas, a luz é emitida.

Representação gráfica da geração de luz no LED Workshop On-Line - Portal Lighting Now - Out/2012

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A luz é gerada no LED quando o elétron da banda superior, decaindo, se encontra com o da banda inferior, gerando o fenômeno elétrico que se transforma em luz. Mas para que a luz aconteça, essa junção deve se dar num material que possibilite isso. Esse material não pode ser uma resistência de tungstênio, como no caso das lâmpadas de filamento e muito menos num tubo de descarga, como no caso das fluorescentes e outras lâmpadas de descarga. Na verdade esse material é um elemento químico da tabela periódica, a mesma que aprendemos nos bancos ecolares e que faz parte da matéria da chamada Química Geral. Abaixo vemos a nossa conhecida Tabela Periódica.

Esse fenômeno tem variações e, a cada elemento que é utilizado, uma cor de luz é emitida:

InGaN = Indium, Gallium, Nitride Para: GREEN, BLUE, WHITE ( tons:Verde, azul e branco)


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InGaAlP = Indium, Gallium, Aluminium, Phosphite Para: RED, ORANGE, YELLOW (tons: Vermelho, laranja, amarelo) Nos exemplos acima dá para notarmos que, realmente, cada elemento da tabela periódica proporcionará uma cor de luz. Antes de falarmos com mais detalhes sobre a cor de luz nos LEDs, precisamos esclarecer alguns conceitos da eletrônica, para que o entendimento seja mais fácil. Sendo o LED um Diodo Emissor de Luz, ou seja um dispositivo semicondutor que produz luz, quando polarizado na posição direta em determinado comprimento de onda, precisamos saber, por exemplo, o que é um diodo e o que é um semicondutor, certo? Diodo: É a contração de dois eletrodos. Semicondutor: É um material que não é condutor, nem isolante em relação à eletricidade. O fio elétrico é um condutor de eletricidade; a borracha é isolante na mesma relação. Outros materiais têm essas propriedades, como por exemplo, vários metais que são condutores de eletricidade. Por outro lado, além da borracha, a cortiça, o plástico são isolantes. Quando um material não é o tempo todo condudor e nem isolante, leva o nome de semicondutor. Alguns elementos têm esta propriedade e quando combinados de forma adequada formam o diodo semicondutor. O LED, tema de nosso estudo, é um tipo particular de diodo, ou seja, um semicondutor em estado sólido que converte energia elétrica diretamente em luz. Vimos que o principio de funcionamento do LED baseia-se nos niveis de energia. A tensão aplicada leva os elétrons aos niveis mais altos de energia, que é devolvida, quando eles retornam para seus niveis originais, em forma de luz. - Como elementos diferentes tem diferentes niveis de energia, a cor da luz irradiada(vermelha, verde, laranja, etc.) depende do material utilizado.


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Desta forma, os nomes dos LEDs vem dos elementos da Tabela Periodica que os compõe, conforme vimos nas imagens anteriores. Mas, se cada elemento gera uma cor de luz, sozinhos ou combinados, como se explica que tenhamos LEDs que emitem luz branca. A luz branca nos LEDs foi buscada por muito tempo, pois sem ela continuaríamos a ter apenas os LEDs coloridos, que são bonitos emitem muita luz, mas que na prática não resolviam o nosso problema, que é iluminar ambientes e outros locais onde não dá para abrir mão da luz em várias nuances de branco. Neste momento, temos que mostrar a diferença entre LEDs coloridos, historicamente utilizados para mostrar que o equipamento está ligado e por isso chamados de LEDs de Sinalização, representados pelos LEDs Radiais e os LEDs que hoje iluminam praticamente todos os ambientes e têm o nome de LEDs de Potência. O termo potência nesse caso tem amplo sentido, pois define potência no sentido de muita luz emitida, mas também pela comparação com as lâmpadas tradicionais que, quando com potências maiores, normalmente iluminam mais, mesmo que os LEDs consigam iluminar muito com pouca potência em watts, pouco consumo energético.

Geração de Luz Branca nos LEDs Existem três formas gerais de obteção de luz branca nos LEDs: - O primeiro método mistura diretamente luzes de três fontes monocromáticas, vermelhas, verdes e azuis (processo RGB – red, green, blue) para produzir uma fonte de luz branca através da combinação das três cores no olho humano. - A segunda técnica usa um LED ultravioleta para excitar uma combinação de fósforos vermelhos, verdes e azuis. - A terceira técnica usa um LED azul para excitar um ou mais fósforos emissores de luz visivel. O LED é projetado para deixar “vazar” um pouco da luz azul entre o fósforo, para gerar a porção azul do espectro, enquanto o fósforo converte a porção remanescente da luz azul em porções vermelhas e verdes do espectro.


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Das cores saturadas ao LED branco InGaN/ GaN

InGaAlP

Verde

Amarelo

V = VerdeGreen

505nm

T = TrueGreen (InGaN)

525nm

P = PureGreen (InGaAlP) 560nm G = Green (InGaAlP)

570nm

Y = Yellow (InGaAlP)

587nm

Laranja O = Orange (InGaAlP)

605nm

Verm. / Laran. A = Org. Red (InGaAlP)

617nm

Azul B = Blue (InGaN)

470nm

B = Blue (GaN)

466nm

Vermelho S = Super-Red (InGaAlP) 630nm H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm

No quadro acima, notamos os diversos elemento químicos e suas respectivas cores de luz que emitem nos LEDs, indicando o comprimento de onda de cada intervalo, em nanômetros (nm). Note que todos dentro do espectro de luz visível ( 380 à 780nm). O LED vermelho é particularmente muito eficiente na geração de luz. No centro do gráfico, notamos a cor branca, resultando da mistura apropriada de todas as cores, alías, como é conhecido do estudo das cores em termos de pigmentação, tintas etc. A maneira mais conhecida de conseguir a luz branca é com a utilização de um LED azul, colocando-se uma camada de fósforo amarelo na superfície. Quando a luz azul atravessa essa camada, se torna luz visível branca. Algo semelhante, mas com outra configuração, ao que acontece na geração de luz nas fluorescentes. LED Branco: Chip Azul + Conversor = Luz Branca


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Para identificar as cores dos LEDs, é utilizada a inicial da palavra em inglês que a define: Código de Cores para os LEDS. W White (Branco) B Blue (Azul) G Green (Verde) A Amber ( Âmbar) R Red (Vermelho Descrevemos algumas características básicas até aqui quanto ao funcionamento dos LEDs e antes que cheguemos naquilo que muitos esperam ansiosos por saber, que é como e onde usar produtos de LEDs, que na verdade são as aplicações dos tipos e nos mais diversos ambientes, temos que aprender um pouco mais sobres eles, justamente por serem um tipo de luz “recente” e que tem características muito especiais, que se não estudadas, podem nos levar a aplicações erradas.


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4.3 - Gerenciamento Térmico O LED na faixa de luz não emite calor, porém, como se trata de um sistema elétrico, quando em funcionamento, inapelavelmente há geração de calor. No caso dos LEDs, um calor muito intenso que se direciona para a parte de trás, ou seja, inversa a da emissão da luz. Quanto melhor for dissipado esse calor, melhor será o desempenho do produto, seja uma lâmpada ou um módulo de LEDs. A vida dos LEDs e seu desempenho, portanto, tem no calor seu maior inimigo e também deve haver um grande cuidado com a corrente elétrica, que deve ser constante e estabilizada de forma adequada, ou seja, se aumentarmos a corrente acima da que está nominalmente indicada no produto, teremos maior brilho – mais luz, porém uma menor vida útil. Comparemos a uma lâmpada de filamento em relação a tensão, quanto mais elevarmos a tensão em relação à nominal, maior será a luz e menor será a vida. Lembrem-se de uma lâmpada em 127V que se instale inadvertidamente numa tensão de 220V, terá um brilho muito intenso e queimará na hora. Ao contrário, quando colocamos uma lâmpada de 220V numa instalação de 127V, durará muitos e muitos anos, mas iluminará muito pouco, quase nada. Nos LEDs, usando esse exemplo, se aplicarmos uma corrente menor, durará mais em termos de vida útil, mas iluminará muito menos. Esse é um dos truques dos produtos que indicam uma vida muito longa, ou seja, não adianta durar muito, tem que durar muito iluminando adequadamente. Então: Mais Calor = Menos luz e menor vida útil Mais corrente = Mais luz e menor vida útil Frio = Bom resfriamento, mais luz, maior vida útil Com essas variáveis, nota-se que os fabricantes de produtos de LEDs podem “jogar” com elas, fazendo módulos ou lâmpadas de LEDs com mais ou menos vida e com mais ou menos luz, mas sabemos que para usarmos produtos de LEDs, eles devem ter uma


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corrente adequada, correta e um bom gerenciamento térmico. Isso explica porque os bons produtos são mais caros. Um caso sempre muito recorrente foi a iluminação de ambientes frios, como câmaras frias, balcões firgoríficos, pois até agora a única forma de iluminar com eficiência esses ambientes frios era com lâmpadas de filamento, que consomem muita energia mas não sofrem impacto do frio sobre seu funcionamento. As lâmpadas de descarga, como as fluorescentes, por exemplo, quanto mais frio, menos luz produzem e abaixo de zero grau seu funcionamento se torna inconfiável e se for abaixo de 10º negativos, não acendem, não conseguem partir. Os LEDs vieram para solucionar de vez esse problema e com grandes avanços, justamente porque quanto mais baixa for a temperatura ambiente, melhor será seu funcionamento, como vimos acima, e melhor será sua vida útil. Podem notar que esses balcões frigorifícos e freezers de bebidas, sorvetes e outros produtos gelados começam a utilizar de forma muito abundante produtos de LEDs, sejam lâmpadas de LEDS, mas especialmente fitas e barras com um bom IP, especialmente em relação à umidade.


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Capítulo 3 - Grandezas Luminotécnicas e Elétricas 3.1

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