Manual de Luminotécnica: Prof. Rodrigo Arruda Felício Ferreira

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 16 Considerações iniciais inic iais ...................................................... ........................................................... ............ 16 Exemplo de aplicação .......................................................................... .................................................... 26 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. 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.

1



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 =

ϕ

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 ⋅ cosα 2



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=

ρ ⋅ E π

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. o

Eficiência: extremamente baixa

o

Vida útil: 800 horas

o

Índice de Reprodução de cores (IRC): 100%

o

Uso: geral, residencial, plafons, arandelas, abajures, luminárias de pé

o

Tensão de rede: 110 ou 220v

o

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). o

Eficiência: alta eficiência (baixa tensão de rede)

o

IRC: 100%

o

Vida útil: 2.500 horas

o

Tensão de rede: 110v/220v e 12v

o

Uso: residencial decorativo e comercial

o

Lâmpadas de baixa tensão (12v) tem o controle de abertura de faixo (dicróicas e AR) e potência. 4

Manual de Luminotécnica o


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). o

Eficiência: alta eficiência

o

IRC: 85%

o

Vida útil: de 7.500 à 10.000 horas

o

Tensão de rede: 110/220v

o

Uso: residencial e comercial

o

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:

o

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.

o

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.

o

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.

o

Vapor Mercúrio: aparência branca azulada, eficiência de até 55lm/W, usadas em vias públicas e indústrias.

o

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 o

Potência: 0,1W à 0,5W

o


o

Tensão de rede: 10v ou 24v (necessita de fonte alimentadora)

o

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. o

Eficiência: baixa

o


o

Tensão de rede: 110/220v

o

Uso: em iluminação de destaque, comercial e residencial.

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 <50 8500 <50 14500 <50 3800 60 6300 60 13000 60

TCC (K) 2000-2700 2000-2700 2000-2700 2000-2700 2000-2700 2000-2700 2000-2700 6500 5250 6500 5350 2700-4000 2700-4000 2700-4000 2700-4000 2000 2000 2000 4000 4000 4000 11



Fatores de influência na qualidade da iluminação Nível de Iluminância Adequada Quanto mais elevada a exigência visual da atividade, maior deverá ser o valor da Iluminância Média (E m) sobre o plano de trabalho. Deve-se consultar a norma NBR-5413 [2] para definir o valor de E m pretendido (discussão mais detalhada posteriormente, na apostila). Deve-se considerar também que, com o tempo de uso, se reduz o Fluxo Luminoso da lâmpada devido tanto ao desgaste, quanto ao acúmulo de poeira na luminária, resultando em uma diminuição da Iluminância. Por isso, quando do cálculo do número de luminárias, estabelece-se um Fator de Depreciação d , o qual, elevando o número previsto de luminárias, evita que, com o desgaste,o nível de Iluminância atinja valores abaixo do mínimo recomendado. Reprodução de Cores A cor de um objeto é determinada pela reflexão de parte do espectro de luz que incide sobre ele. Isso significa que uma boa Reprodução de Cores está diretamente ligada à qualidade da luz incidente, ou seja, à equilibrada distribuição das ondas constituintes do seu espectro. É importante notar que, assim como para Iluminância média, existem normas que regulamentam o uso de fontes de luz com determinados índices, dependendo da atividade a ser desempenhada no local. Tonalidade de Cor da Luz ou Temperatura de Cor Um dos requisitos para o conforto visual é a utilização da iluminação para dar ao ambiente o aspecto desejado. Sensações de aconchego ou estímulo podem ser provocadas quando se combinam a correta Tonalidade de Cor da fonte de luz ao nível de Iluminância pretendido. Estudos subjetivos afirmam que para Iluminâncias mais elevadas são requeridas lâmpadas de Temperatura de Cor mais elevada também. Chegou-se a esta conclusão baseando-se na própria natureza, que ao reduzir a luminosidade (crepúsculo), reduz também sua Temperatura de Cor. A ilusão de que a Tonalidade de Cor mais clara ilumina mais, leva ao equívoco de que com as “lâmpadas frias” precisa-se de menos luz.

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Pé-direito útil Pé-direito útil é o valor do pé-direito total do recinto (H), menos a altura do plano de trabalho (hpl.tr.), menos a altura do pendente da luminária (hpend). Isto é, a distância real entre a luminária e o plano de trabalho.

Proporção Harmoniosa entre Luminâncias Acentuadas diferenças entre as Luminâncias de diferentes planos causam fadiga visual, devido ao excessivo trabalho de acomodação da vista, ao passar por variações bruscas de sensação de claridade. Para evitar esse desconforto, recomenda-se que as Luminâncias de piso, parede e teto se harmonizem numa proporção de 1:2:3,e que, no caso de uma mesa de trabalho,a Luminância desta não seja inferior a 1/3 da do objeto observado, tais como livros, etc. Limitação de Ofuscamento Duas formas de ofuscamento podem gerar incômodos: •

Ofuscamento direto, através de luz direcionada diretamente ao campo visual.

•

Ofuscamento reflexivo, através da reflexão da luz no plano de trabalho, direcionando-a para o campo visual.

Considerando que a Luminância da própria luminária é incômoda a partir de 200 cd/m², valores acima deste não devem ultrapassar o ângulo indicado na figura abaixo. O posicionamento e a 13



Curva de Distribuição Luminosa devem ser tais que evitem prejudicar as atividades do usuário da iluminação.

Efeitos Luz e Sombra Deve-se tomar cuidado no direcionamento do foco de uma luminária, para se evitar que essa crie sombras perturbadoras, lembrando, porém, que a total ausência de sombras leva à perda da identificação da textura e do formato dos objetos. Uma boa iluminação não significa luz distribuída por igual. Ar-Condicionado e Acústica O calor gerado pela iluminação não deve sobrecarregar a refrigeração artificial do ambiente. Há um consenso que estabelece que um adulto irradia o calor equivalente a uma lâmpada incandescente de 100W. Portanto, fontes de luz mais eficientes colaboram para bem-estar, além de se constituir numa menor carga térmica ao sistema de condicionamento de ar. O sistema de iluminação pode comprometer a acústica de um ambiente através da utilização de equipamentos auxiliares (reatores e transformadores eletromagnéticos). Uma solução bastante eficiente, com ausência total de ruídos é o emprego de sistemas eletrônicos nas instalações. Iluminação Direta ou Indireta A iluminação sempre pode ser de maneira direta ou indireta, veja cada situação: Direta: é dirigida diretamente para o alvo a ser iluminado. Pode ser implementada com spots, luminárias de mesa, abajures, entre outros. Lembre-se que quanto maior a distancia entre a fonte e o objeto a ser iluminado, menor é a intensidade da iluminação e maior é a área atingida pelos raios de luz. 14



Indireta: ilumina o ambiente como um todo. Como não tem um foco dirigido, é uma luz de ambientação. Uma iluminação pode conter focos de luz diretos e indiretos num mesmo ambiente. Os primeiros sobre objetos específicos, fazendo com que estes objetos sejam realçados e ambientados com luzes indiretas. Tipo de Iluminação Componente p/ cima (%) Componente p/ baixo (%)

Direta

Semi-direta

DiretaIndireta

Semiindireta

Indireta

0-20

20-40

40-60

60-80

80-100

80-100

60-80

40-60

20-40

0-20

Equipamentos auxiliares utilizados em iluminação •

Luminária: abriga a lâmpada e direciona a luz.

•

Soquete: tem como função garantir fixação mecânica e a conexão elétrica da lâmpada.

•

Transformador: equipamento auxiliar cuja função é converter a tensão de rede (tensão primária) para outro valor de tensão (tensão secundária). Um único transformador poderá alimentar mais de uma lâmpada, desde que a somatória das potências de todas as lâmpadas a ele conectadas, não ultrapasse a potência máxima do mesmo.

•

Reator: equipamento auxiliar ligado entre a rede e as lâmpadas de descarga, cuja função é estabilizar a corrente através da mesma. Cada tipo de lâmpada requer um reator específico.

•

Reator para corrente contínua: oscilador eletrônico alimentado por uma fonte de corrente contínua, cuja função é fornecer as características necessárias para perfeito funcionamento das lâmpadas.

•

Starter: elemento bimetálico cuja função é pré-aquecer os eletrodos das lâmpadas fluorescentes, bem como fornecer em conjunto com reator eletromagnético convencional, um pulso de tensão necessário para o acendimento da mesma. Os reatores eletrônicos e partida rápida não utilizam starter.

•

Ignitor (ou starter ): dispositivo eletrônico cuja função é fornecer à lâmpada um pulso de tensão necessário para acendimento da mesma.

•

Capacitor: acessório que tem como função corrigir o fator de potência de um sistema que utiliza reator magnético. Da mesma forma que para cada lâmpada de descarga existe seu reator específico, existe também um capacitor específico para cada reator.

•

Dimmer: tem como função variar a intensidade da luz de acordo com a necessidade.

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Método dos Lumens (General Electric) Considerações iniciais Parte das seguintes considerações a) Quando se considera a iluminação de um compartimento, interessa especialmente conhecer o iluminamento médio no chão, mas, quando se tratar de salas de trabalho, deve-se considerar o iluminamento médio no plano de trabalho (mesas, bancada, máquinas, etc.). O plano de trabalho ou plano útil está situado, geralmente, entre 0,80 m e 1,00 m de altura do piso. Níveis de iluminamento médio adotados são descritos na tabela 8.21 extraída de [7]. b) Em um compartimento contendo uma ou várias fontes luminosas, há emissão de um fluxo luminoso φ e apenas parte desse fluxo atinge diretamente o plano de trabalho ou o plano do chão. Parte deste é absorvido/refletido por teto, paredes e objetos localizados no local. Assim, o fluxo total φ para iluminar o plano de trabalho é:

φ =

E × S u × d

onde: S – área do compartimento, em m2; E – iluminamento desejado, em lx; u – fator de utilização; d - fator de depreciação.

Fator de utilização, u O fator u, sempre menor que 1, é denominado coeficiente de utilização ou fator de utilização, e é a razão entre o fluxo utilizado e o fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas. O coeficiente de utilização depende:

•

Da distribuição e da absorção de luz, efetuadas pelos aparelhos de iluminação (globos, refletores, etc.); 16

Manual de Luminotécnica •


Das dimensões do local. Esta dependência exprime-se através de um coeficiente que se denomina índice do local ;

•

Das cores das paredes e do teto, caracterizado pelo fator de reflexão.

Índice do local Por meio da tabela 8.22 (retirada de [7]), determina-se o índice do local. Para tanto, é necessário definir:

•

A largura e comprimento do local;

•

A altura do teto, se a iluminação for indireta ou semi-indireta; 17

Manual de Luminotécnica •


A distância do foco luminoso ao chão.

Deve-se ressaltar que é necessário levar em conta o tipo de compartimento para o qual está sendo realizado o projeto. Como foi dito anteriormente, em caso de salas de trabalho, deve-se determinar a distância entre o foco luminoso e o plano de trabalho. Fator de reflexão Obtido o índice do local, para se determinar o coeficiente de utilização, utiliza-se a tabela 8.23 definindo-se o tipo de luminária e o índice do local. Além disso, consideram-se também os fatores de reflexão de teto e paredes, listados na tabela 8.24 ou 8.25. Fator de depreciação O fluxo emitido por um aparelho de iluminação decresce com o uso. Este fato tem três causas: 1) A diminuição do fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas ao longo da vida útil das mesmas; 2) A poeira e sujeira que se depositam sobre os aparelhos e lâmpadas quando expostas; 3) A diminuição do poder refletor das paredes e tetos, em conseqüência de acúmulo de sujeira ou escurecimento progressivo. A tabela 8.23, em sua primeira coluna, apresenta valores de fator de depreciação d , definido pela relação entre o fluxo luminoso emitido por uma luminária ao fim de um período de manutenção e o fluxo emitido pela mesma luminária no início de seu uso.

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Número de luminárias, n Após definir o tipo de luminária, o número de lâmpadas por luminária nl fica estabelecido. O número de luminárias, portanto, será dado por:

n=

φ

nl ⋅ ϕ

onde: φ - Fluxo luminoso total;

ϕ - Fluxo luminoso de cada lâmpada da luminária; nl - Número de lâmpadas por luminária.

Arredonda-se n para o valor inteiro imediatamente superior ou para um valor superior de forma a estabelecer a melhor distribuição possível de luminárias no local.

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Exemplo de aplicação Exemplo extraído de [7].

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