K - Lighting Now

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
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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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