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22/04/2015

Aplicação de LED's e Fotometria

1. Introdução:

A iluminação artificial tem sido objeto de evolução tecnológica ao longo dos anos. Nos dias de hoje, em face da necessidade do aumento da eficiência energética dos dispositivos de iluminação, devido a escassez cada vez maior de recursos naturais, a procura por soluções com baixo consumo e grande eficiência luminosa tem sido buscada incessantemente [1]. A Figura 1 mostra a evolução das diversas tecnologias de fontes de luzes artificiais, nos últimos duzentos anos, com especial destaque para os leds brancos, que a partir de 1996 iniciaram sua escalada rumo ao aumento de eficiência energética (lm/W), atingindo, em 2012, a eficiência energética de 160 lm/W, considerando produtos comerciais.


Figura 1 – 200 anos de evolução da eficácia luminosa das tecnologias de iluminação

Nesse sentido a iluminação de estado sólido preenche os requisitos necessários para que os resultados obtidos pela substituição de fontes luminosas artificiais de maior eficiência sejam feitas de forma concreta. A aplicação de novas fontes de luz e luminárias com tecnologia de estado sólido está alterando os conceitos tradicionais de medição fotométrica desses dispositivos [2].

Visando estimular a comercialização de produtos eficientes, do ponto de vista do consumo de energia, os órgãos governamentais, via leis federais, têm estabelecido padrões mínimos de eficiência energética. [3]

Em conjunto com esses padrões mínimos existem os requisitos de desempenho e segurança que são criados em função do estado do conhecimento da comunidade científica nacional e internacional sobre esses produtos. Para que as medições realizadas a fim de atender aos requisitos mínimos de eficiência energética, segurança e desempenho possam ter credibilidade e rastreabilidade a padrões nacionais de medidas existe uma Rede de Laboratórios Acreditados pelos órgãos Nacionais de Metrologia [4].

2. A Iluminação de Estado Sólido

Atualmente, existe uma grande demanda por ensaios laboratoriais em dispositivos de iluminação que utilizam a tecnologia de estado sólido, devido a entrada de uma grande quantidade desses produtos no mercado.

Essa tecnologia utiliza basicamente os diodos emissores de luz (LED´s) como fonte de luz artificial para gerar os efeitos fotométricos necessários para a substituição da fonte de luz convencional (lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes compactas e lâmpadas a vapor de sódio e/ou vapor metálico).

Esses LED´s, quando utilizados como fonte de luz artificial, dependem de um Projeto criterioso para que a sua aplicação em iluminação seja realizada de forma eficaz. Esse Projeto apresenta alguns parâmetros que não eram relevantes no passado, considerando-se os conceitos tradicionais em Iluminação [5].     

Os parâmetros que devem ter especial atenção por parte dos Projetistas de Sistemas de Iluminação de Estado Sólido são: Ângulo de Emissão de Luz, Tecnologia de Fabricação, Índice de Reprodução de Cor, Temperatura da Junção, Tensão Direta, Corrente, Temperatura de Cor, Fluxo Luminoso, Tempo de Estabilização e Vida Útil dos LED´s. Esses parâmetros são interdependentes e devem ser gerenciados de forma a se obter o melhor projeto possível, dentro das especificações necessárias para o produto que se deseja obter.  

Os refletores das luminárias não são mais os pontos de referência, do ponto de vista óptico, para o direcionamento correto e eficaz da luz emitida pela luminária.

As lentes ópticas passaram a ter um papel relevante no direcionamento do feixe de luz. Os projetistas devem ter um bom conhecimento de óptica e de cálculos térmicos, assim como do dimensionamento dos parâmetros elétricos dos LED´s para que o produto final tenha o desempenho elétrico e fotométrico desejado.

A Figura 2 mostra os raios de luz sendo direcionados dentro da luminária que foi projetada com LED´s. Esses raios compõem a curva fotométrica simulada anteriormente a fabricação do produto final.


Figura 2 – Raios de luz gerados pelos LED´s – Simulação Óptica

O resultado desse projeto é em geral um produto que economiza energia elétrica e tem um desempenho fotométrico igual ou superior ao que é conseguido quando utilizado com fontes de luzes tradicionais.

Quando esses produtos são avaliados em laboratório existem outros conceitos tradicionais em fotometria, que foram sendo alterados, pois fisicamente os novos projetos não possuem as mesmas características dos produtos convencionais. As luminárias convencionais possuem lâmpadas que podem ser retiradas para que seja determinado o fluxo luminoso em esfera integradora e calculado o rendimento luminoso desses produtos.

As Figuras 3 e 4 mostram as montagens realizadas com lâmpadas de tecnologia convencional.


Figura 3 – Lâmpada a vapor de sódio


Figura 4 – Conjunto Lâmpada - Luminária

Devido ao fato das luminárias com tecnologia de estado sólido utilizar em geral iluminação direta e a fonte de luz ser integrada ao corpo dessas luminárias, os cálculos tradicionais, considerando separadamente as lâmpadas e o conjunto lâmpada-luminária não são mais utilizados da mesma forma.

No caso das luminárias com tecnologia de estado sólido, na maioria dos casos, a fonte de luz (LED´s) não pode ser desmontada e retirada da luminária para a realização do mesmo cálculo. Considerando as luminárias convencionais e as luminárias com tecnologia de estado sólido surge o conceito de fotometria absoluta, que é utilizado quando o resultado fotométrico é apresentado em candelas.

A Figura 5 mostra uma luminária com tecnologia de estado sólido onde a fonte de luz está integrada ao corpo da luminária.


Figura 5 – Luminária com tecnologia de estado sólido

As curvas fotométricas que antigamente eram fornecidas em candelas por mil lumens, atualmente são fornecidas em candelas fazendo com que os usuários dessas curvas tenham maior dificuldade em comparar os resultados das luminárias com tecnologia de estado sólido com as luminárias convencionais [6].

A Figura 6 demonstra a curva de distribuição de intensidades luminosas de uma luminária de tecnologia convencional.

A Figura 7 demonstra a curva de distribuição de intensidades luminosas de uma luminária com tecnologia de estado sólido.


Figura 6 - Curva distribuição de intensidades luminosas - Luminária    

Convencional – valores em cd/klm


Figura 7 - Curva distribuição de intensidades luminosas -  Luminária    

com tecnologia de estado sólido – valores em candelas

A resposta espectral angular do feixe de luz das luminárias também é um parâmetro extremamente relevante, pois algumas luminárias emitem luz frontal com temperatura de cor de espectro mais azulado e nas bordas emitem feixe de luz com temperatura de cor de espectro mais amarelado. A desuniformidade da cor de alguns LED´s faz com que a visão humana enxergue manchas nas superfícies de objetos coloridos, quando iluminados por esses tipos de LED´s. Esses detalhes são mostrados nas Figuras 8 e 9 e no Gráfico 1.

 


Gráfico 1 – Aparência de cor angular – Luminária a LED

 

Outro fator extremamente importante para um bom projeto de Iluminação com tecnologia de estado sólido é o comportamento psicobiofísico dos usuários desse tipo de iluminação. Alguns usuários relatam desconforto visual com uma iluminação mais fria, ou seja, com temperatura de cor acima de 5000K, outros relatam desconforto visual com uma iluminação mais quente, ou seja, com temperatura de cor entre 2700 a 3000K.

Alguns conceitos, como o Índice de Reprodução de Cor de uma fonte de luz com tecnologia de estado sólido, estão sendo revisados e brevemente será publicada recomendação internacional sobre esse tema como forma de adaptar esse índice à resposta obtida pelo olho humano para esse tipo de fonte de luz. O conceito de índice de reprodução de cor (I.R.C.) utilizado amplamente em fontes de luzes convencionais está sendo questionado devido a reprodução da cor vermelha intensa quando iluminada por LED´s.  

Os conceitos de classificação fotométrica de luminárias de uso externo estão sendo alterados com a finalidade de simplificar a análise desses produtos. Dentre esses conceitos destaca-se o índice “BUG”, que tende a ser tornar uma informação para ser validada por Laboratórios de Ensaio e poderá ser utilizado por programas de etiquetagem em luminárias com a finalidade caracterizá-las quanto à eficiência e desempenho. [7].

Todos esses novos conceitos estão fazendo uma verdadeira revolução no entendimento da iluminação e alterando a forma como os profissionais ligados a esse setor passaram a atuar.

3.  A Rastreabilidade de Medições

As medições fotométricas e elétricas são realizadas pelos Laboratórios Acreditados pelo Inmetro com a finalidade de avaliar o desempenho e a segurança de produtos e processos. Os Laboratórios Acreditados pelo Inmetro possuem reconhecimento internacional. Existem duas redes de Laboratórios distintas atuando no Brasil: a Rede Brasileira de Calibração (R.B.C.) e a Rede Brasileira de Ensaios (R.B.L.E.), na qual faz parte a Seção Técnica de Fotometria do Instituto de Ambiente e Energia da Universidade de São Paulo (IEE/USP).

Essas medições podem aprovar ou reprovar produtos e processos que estejam acima ou abaixo de determinados valores que constam em normas e regulamentos nacionais ou internacionais.

As medições são realizadas com base em valores verdadeiros convencionais nos quais as grandezas elétricas e fotométricas envolvidas fazem parte do Sistema Internacional de Medidas (S.I.). Os instrumentos que realizam essas medições devem ter seus Certificados de Calibração com rastreabilidade a padrões nacionais de medida. Essa rastreabilidade garante que o mesmo produto ou processo ao ser ensaiado em qualquer parte do mundo por um laboratório com reconhecimento internacional tenha resultado similar.

As grandezas fotométricas tais como: fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminância, temperatura de cor, coordenadas de cromaticidade e luminância e as grandezas elétricas tais como: tensão, corrente, potência e distorção harmônica são as mais utilizadas em ensaios de produtos de iluminação.

O Inmetro mantém padrões com rastreabilidade a padrões nacionais de medida e podem realizar calibrações dos instrumentos utilizados em ensaios em dispositivos de Iluminação com a finalidade de conceder a Etiqueta Nacional de Eficiência Energética (E.N.C.E.) ou o Selo Procel/Inmetro para uma determinada relação de produtos.    

Os resultados gerados pelos Laboratórios Acreditados pelo Inmetro são verificados periodicamente, através de Ensaios de Proficiência por Comparação Interlaboratorial, nas grandezas de interesse, com a finalidade de reduzir continuamente os desvios relativos das medições realizados pelos Laboratórios no Brasil.

Atualmente no Brasil existe um Programa de Certificação Compulsória para Reatores Eletrônicos para Lâmpadas Fluorescentes Tubulares e existe um Programa Brasileiro de Etiquetagem Compulsório para vários produtos de iluminação tais como: Lâmpadas Fluorescentes Compactas, Incandescentes, Lâmpadas a Vapor de Sódio a Alta Pressão e Reator Eletromagnético para Lâmpada a Vapor de Sódio a Alta Pressão.

A cadeia produtiva do setor de iluminação, através dos laboratórios dos fabricantes e importadores, pode calibrar os seus instrumentos e comparar as medições realizadas com os Laboratórios Acreditados pelo Inmetro.

Considerando que essas comparações estão sendo feitas regularmente, desde 2001, os resultados obtidos demonstram que o Programa Brasileiro de Etiquetagem e o Programa de Certificação Compulsória atingiram um grau de maturidade importante, que colabora para a melhoria da qualidade dos Produtos de Iluminação disponíveis para os consumidores brasileiros.

4. Conclusão

O presente trabalho abordou aspectos importantes sobre a entrada no mercado brasileiro de dispositivos de iluminação utilizando tecnologia de estado sólido (LED´s) e as principais mudanças de conceitos em medições fotométricas, face às novas tecnologias, assim como demonstrou as inter-relações entre a cadeia produtiva da área de Iluminação e os Laboratórios, devido à necessidade de rastreabilidade das medições a padrões nacionais.

O Programa Brasileiro de Etiquetagem e o Programa de Certificação Compulsória atingiram um grau de maturidade importante, que colabora para a melhoria da qualidade dos Produtos de Iluminação disponíveis para os consumidores brasileiros, além de proporcionar uma diminuição significativa no consumo de energia elétrica nos setores comercial, residencial e industrial no Brasil.
 
5. Referências Bibliográficas

[1]   Sá Júnior, E. M. Estudo de Estruturas de Reatores Eletrônicos para LED´s de Iluminação. Florianópolis, 2010. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Santa Catarina.
[2]   Lewin, Ian. Absolute Photometry has relative benefits for LED and SSL performance evaluation.
[3]  Lei No 10.295, de 17 de outubro de 2001.
[4]   www.inmetro.gov.br/credenciamento/laboratoriosacreditados.asp. Consulta realizada em 30/05/2010.
[5]   ENERGY STAR. Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires – Eligibility Criteria – Version 1.0. Draft: 12/20/06
[6]     Handling of absolute photometry data in EULUMDAT files, 14/08/2009.
[7]     The BUG System—A New Way To Control Stray Light from Outdoor Luminaires – Volume 2: Issue 1 : 2009.

José Gil Oliveira é Engenheiro Eletrônico, Mestre em Ciências da Energia pela Universidade de São Paulo e Doutorando pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (PEA-USP).  Email: gil@iee.usp.br

Os artigos assinados não expressam, necessariamente, a opinião da ABRASI. A publicação visa a estimular o debate de questões técnicas e institucionais que envolvem a iluminação urbana.

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