lâmpadas e luminotécnica

1313.1 INTRODUO

Lmpadas Eltricas e Luminotcnica

Este Captulo apresenta inicialmente alguns conceitos bsicos de viso e fotometria, incluindo a estrutura e o funcionamento do olho humano e as principais grandezas fsicas utilizadas em luminotcnica. O tema da colorimetria, embora complexo, abordado brevemente apenas para permitir a introduo dos conceitos de Temperatura de Cor e ndice de Reproduo de Cor. Em seguida so apresentados detalhadamente os principais tipos de lmpadas disponveis atualmente: lmpadas incandescentes (convencionais e halgenas) e lmpadas de descarga (de baixa e de alta presso). Um objetivo adicional desta seo mostrar a complexidade relacionada comparao entre as diferentes lmpadas, a qual envolve diversas grandezas tais como eficcia luminosa, reproduo de cores, custo de investimento e custo operacional das lmpadas. Finalmente apresenta-se os principais aspectos relacionados ao projeto de iluminao, no qual so estabelecidos o tipo e o nmero de lmpadas e luminrias necessrias para obter uma iluminao adequada em funo da aplicao. So discutidos brevemente os principais mtodos utilizados em projetos de iluminao: o Mtodo dos Lumens e o Mtodo Ponto a Ponto.

13.2 CONCEITOS BSICOS DE VISO E FOTOMETRIA13.2.1 Consideraes GeraisNeste item so inicialmente apresentados os principais aspectos da estrutura e do funcionamento do olho humano, com destaque sua curva de sensibilidade em funo do comprimento de onda da radiao incidente, o qual determina a sensao de cor percebida pelos seres humanos. Em seguida so apresentadas as principais grandezas utilizadas em luminotcnica, com as quais possvel caracterizar o funcionamento das lmpadas eltricas. Finalmente so discutidos alguns aspectos relacionados a colorimetria.

302

LMPADAS ELTRICAS E LUMINOTCNICA

13.2.2 O Olho HumanoO olho humano apresenta uma estrutura complexa, sendo constitudo de uma lente (cristalino) que focaliza a radiao incidente, previamente colimada pela pupila, numa regio da retina (fvea) na qual se concentram os receptores fotossensveis (bastonetes e cones) das clulas nervosas como mostra o diagrama da Figura 13.1 (a). Os bastonetes so totalmente insensveis a cores, respondem a estmulos em baixa luminosidade e determinam as caractersticas da viso noturna (ou escotptica). A discriminao de cores resulta da sensibilizao dos trs tipos de cones, os quais se diferenciam pelo tipo de fotopigmento e necessitam de nveis mnimos de luminosidade que caracterizam a viso diurna (ou fotptica).

Curva de sensibilidade do olho humano Sob o ponto de vista de engenharia, o olho pode ser considerado um sensor de radiao seletivo que detecta apenas uma parcela restrita do espectro (380 nm 780 nm) da energia radiante. A curva de resposta do olho seletiva pois, para uma potncia radiante constante, a luminncia1 na retina varia com o comprimento de onda . Em 1924, a CIE (Commission Internationale de lEclairage)2, com o objetivo de tornar a avaliao da radiao visvel (luz) independente das idiossincrasias do ser humano, criou um observador padro, cujo olho encontra-se adaptado a luz do dia para caracterizar a viso fotptica representada por uma curva de sensibilidade V ( ) . Em 1951 foi elaborada uma curva suplementar V' ( ) para caracterizar a viso escotptica de um observador padro, cujo olho encontra-se adaptado pouca luz. Os dados so fornecidos sob forma de tabelas [1], cujos grficos apresentados na Figura 13.1 (b), so normalizados pelo valor de mxima sensibilidade da viso fotptica que ocorre para = 555 nm (amarelo esverdeado). Estas curvas revelam as diferentes sensaes de claridade que os vrios comprimentos de onda, com mesma intensidade de radiao, causam sobre o olho humano.

1

Luminncia a intensidade luminosa (fluxo luminoso por unidade de ngulo slido) por unidade de rea medida segundo o eixo normal da superfcie. 2 CIE (Commission Internationale de lEclairage) com sede em Viena um rgo internacional criado em 1913 como frum para troca de informaes e padronizao de grandezas relacionadas com iluminao.

ELETROTCNICA GERAL

303

Nervo tico Cristalino ris

Viso Escotptica

Viso Fotptica

Ponto cego

Crnea Pupila

Retina Fvea

(a) Diagrama esquemtico do olho

(b) Curva de sensibilidade

Figura 13.1 - Caracterstica de um observador padro segundo a CIE

13.2.3 Grandezas Fsicasngulo Slido ngulo slido a regio do espao limitada por um cone, conforme ilustra a Figura 13.2. O conceito de ngulo slido serve para definir direes no espao, atravs de elementos infinitesimais de ngulo slido.

1m

Figura 13.2 - ngulo slido

A unidade de medida de ngulos slidos o esferorradiano, cuja definio anloga definio de 1 radiano no plano, conforme mostra a Figura 13.3.

304


S1

S2

r1

r2

Figura 13.3 - Definio de esferorradiano

Na Figura 13.3 tem-se:

ng. sol. = =

S1 S 2 = = ... = const. , r12 r22

(13.1)

em que S1 representa a rea da interseo do cone com uma esfera de raio r1 e centro coincidente com o vrtice do cone (da mesma forma, S2 representa a rea da interseo do cone com uma esfera de raio r2). Da Eq. (13.1) nota-se que 1 esferorradiano um ngulo slido cuja interseo com uma esfera de raio r possui uma rea igual a r2. Como a rea total da esfera de raio r 4r2, conclui-se que o ngulo slido que abarca todas as direes (esfera completa) mede 4 esferorradianos. Fluxo Radiante - R Uma fonte luminosa na verdade uma fonte de radiao eletromagntica, caracterizada pelo fluxo radiante R, medido em watt (W), que corresponde energia total por unidade de tempo irradiada em todos os comprimentos de onda. A sua distribuio espectral S( ) medida utilizando-se um espectroradimetro.

ELETROTCNICA GERAL

305

Fluxo Luminoso - O olho funciona como um filtro seletivo que aproveita somente uma parcela da energia recebida. Portanto para efeito de iluminao, uma fonte de luz caracterizada pelo seu fluxo luminoso , definido pela convoluo da distribuio espectral S( ) da fonte luminosa com a curva de sensibilidade fotptica V ( ) do observador padro:

= 683 S ( ) V ( ) d .380

780

(13.2)

O seu valor dado em lmen (lm), que o fluxo luminoso emitido em um ngulo slido de 1 esferorradiano e uma dada direo por uma fonte pontual com intensidade luminosa uniforme de 1 candela.

Intensidade Luminosa - I A intensidade luminosa I, medida em candela, a unidade bsica de luz estabelecida em 1979 pela 11th CGPM (General Conference on Weights and Measures). Um candela a intensidade luminosa em uma dada direo emitida por uma fonte monocromtica de 5,4 x1014 Hz ( = 555 nm) cuja intensidade radiante nesta direo de 1/683 W/esferorradianos. Uma direo definida atravs de um elemento infinitesimal de ngulo slido, conforme indica a Eq. (13.3):

I=Eficcia Luminosa -

d = lim d 0

.

(13.3)

Define-se eficcia luminosa de uma lmpada, medida em lumen/watt (lm/W), como a razo entre o fluxo luminoso total emitido e a potncia eltrica total P consumida pela mesma. A eficcia luminosa um indicador da eficincia do processo de emisso de luz utilizada sob o ponto de vista do aproveitamento energtico.

306


13.2.4 Conceitos Bsicos de ColorimetriaA cor um aspecto subjetivo da sensao visual fotptica (para nveis de iluminamento elevados) que permite a um observador distinguir diferenas entre duas fontes de luz de mesmo tamanho, forma e intensidade. Os processos de avaliao da cor so fundamentados nas teorias de tricromaticidade de Young-Helmholtz (1896). As diferentes cores so obtidas por processos combinatrios (aditivos ou subtrativos) que obedecem aos seguintes postulados propostos em 1853 por Grassmann: i) qualquer cor pode ser obtida pela combinao linear de trs cores primrias, desde que nenhuma delas possa ser obtida pela combinao das outras duas; ii) cores idnticas, porm com distribuies espectrais distintas (metmeros), produzem o mesmo efeito num processo de combinao aditivo de cores, e iii) duas cores mantm sua equivalncia, independente dos nveis de luminncia, desde que respeitados os limites da viso fotptica [2]. A cor avaliada atravs de modelos [3]. Para iluminao so adotados os modelos elaborados pela CIE [2,3] que representam a cor atravs de coordenadas de cromaticidade. Para esta finalidade a CIE especificou em 1931 um observador padro com campo de viso de 2o (CIE observer 1931) e em 1964 criou um segundo observador para um campo de viso para 10o (CIE observer 1964). Cada um deles representado por um conjunto de trs curvas (vide Figura 13.4 (b)), geradas a partir da mdia dos resultados obtidos com grupos de 15 a 20 indivduos adultos, com viso de cor considerada normal, submetidos ao seguinte teste. Cada candidato observava uma tela branca (100% de refletncia) atravs de uma fenda (vide figura 3.14 (a)), sobre a qual, numa metade era projetada uma cor espectral3 gerada por uma lmpada de teste. Na outra metade, a pessoa reproduzia a cor da lmpada de teste ajustando a intensidade de trs lmpadas monocromticas de mesma potncia emitindo comprimentos de onda R=700,0 nm (vermelho), G=546.1 nm (verde) e B=435 nm (azul) respectivamente. O procedimento foi repetido para comprimentos de onda entre 380 nm e 780 nm em intervalos de 5 nm, e a Figura 13.4 (b) apresenta a contribuio relativa das trs lmpadas monocromticas para cada comprimento de onda.

3

Cor espectral a cor produzida por uma fonte real, cujo espectro de emisso apresenta uma nica raia com comprimento de onda bem definido.

ELETROTCNICA GERAL

307

2

z 10

zESTMULOS RGB1.5

x y z CIE 1931 x10 y10 z 10 CIE 1964

x10

y1

x

y100.5

LMP. DE TESTE

OBSERVADOR

0 360

400

450

500

550

600

650

700

750

780

Comprimento de onda (nm)

(a) Procedimento de medio

(b) Distribuio espectral dos observadores

Figura 13.4 - Observadores padro CIE

Para a determinao da cor de uma fonte luminosa, realiza-se a convoluo da distribuio espectral S( ) da fonte luminosa com um observador padro segundo as expresses:780

X = S() X () d;380

780

Y = S() Y () d;380

780

Z = S() Z( ) d .380

(13.4)

As coordenadas de cromaticidade so os valores normalizados dados pelas expresses:

x=

X ; X +Y + Z

y=

Y ; X +Y + Z

z=

Z ; X +Y + Z

(x + y + z = 1) .

(13.5)

Temperatura de Cor - TC Como so necessrias duas coordenadas de cromaticidade para representao da cor, em iluminao adotou-se a temperatura de cor TC em Kelvin para caracterizao colorimtrica de um fonte luminosa. Esta corresponde temperatura absoluta de um corpo negro ou irradiador de Planck, cuja radiao emitida tem as mesmas coordenadas de cromaticidade da fonte em questo [2].

308


ndice de Reproduo de Cor - CRI Uma caracterstica importante de uma fonte luminosa a sua capacidade de reproduzir a cor natural de objetos iluminados pela mesma. O ndice de reproduo de cor CRI (Color Rendering Index) [2] definido como um nmero adimensional (de 1 a 100) que compara a qualidade da reproduo de cores de uma fonte de luz com a de um iluminante CIE padro de mesma cor (na realidade com coordenadas de cromaticidade similares s da fonte).

13.3 LMPADAS ELTRICAS13.3.1 Consideraes GeraisAs lmpadas comerciais utilizadas para iluminao so caracterizadas pela potncia eltrica absorvida (W), fluxo luminoso produzido (lm), temperatura de cor (K) e ndice de reproduo de cor. Em geral as lmpadas so classificadas, de acordo com o seu mecanismo bsico de produo de luz, em lmpadas incandescentes e lmpadas de descarga. Ambos tipos sero apresentados detalhadamente neste item.

13.3.2 Lmpadas Incandescentes13.3.2.1 Consideraes GeraisA lmpada incandescente foi a primeira a ser desenvolvida e ainda hoje uma das mais difundidas. A luz produzida por um filamento aquecido pela passagem de corrente eltrica alternada ou contnua. O filamento opera em uma temperatura elevada e luz somente uma parcela da energia irradiada pela transio de eltrons excitados para rbitas de maior energia devido vibrao dos tomos. A distribuio espectral da radiao emitida segue o comportamento descrito pela equao desenvolvida por Planck para descrever a radiao de um corpo negro. As primeiras lmpadas incandescentes surgiram por volta de 1840 e utilizavam filamento de bambu carbonizado no interior de um bulbo de vidro a vcuo. Seguiram-se as lmpadas com filamento de carbono, at que, por volta de 1909, Coolidge desenvolveu um mtodo para tornar o tungstnio mais dctil e adequado para a elaborao de filamentos uniformes por trefilao. A caracterstica de emisso, as propriedades mecnicas e o seu elevado ponto de fuso (3655 K) foram determinantes na escolha do tunsgtnio como o material mais adequado para fabricao de filamentos para lmpadas incandescentes. As lmpadas incandescentes podem ser classificadas de acordo com a sua estrutura interna em convencionais ou halgenas. Ambas sero abordadas neste sub-item.

ELETROTCNICA GERAL

309

13.3.2.2 Lmpada Incandescente ConvencionalNas lmpadas incandescentes convencionais (vide Figura 13.5 (a)) o filamento de tungstnio sustentado por trs ou quatro suportes de molibdnio no interior de um bulbo de vidro alcalino (suporta temperaturas de at 370 C) ou de vidro duro (suporta temperaturas de at 470 C). O bulbo apresenta diversos formatos, sendo a forma de pra a mais comum, podendo ser transparente ou com revestimento interno de fsforo neutro difusor.

(a) Estrutura mecnica

(b) Vista ampliada do filamento

Figura 13.5 - Lmpada incandescente convencional Lmpadas convencionais trabalham com temperaturas de filamento entre 2300 K e 2800 K. Devido elevada temperatura de operao do filamento, nas lmpadas comerciais injeta-se nitrognio ou argnio a presso de 0,8 atm no interior do bulbo para prover uma atmosfera protetora que reduz a taxa de sublimao do tungstnio, aumentando a vida da lmpada e minimizando o depsito de tungstnio sobre a superfcie interna do bulbo, evitando o enegrecimento da mesma. Os filamentos so constitudos de fio de tungstnio enrolado em dupla espiral (vide Figura 13.5 (b)) para aumentar a rea radiante e otimizar o comprimento total do filamento para um dado valor de projeto de resistncia eltrica. A base da lmpada incandescente constituda de uma caneca metlica, geralmente presa com resina epxi sobre o bulbo. Existem diversas padronizaes, por exemplo, baioneta e tele-slide, ambas utilizadas em lmpadas miniatura. As lmpadas incandescentes de mdio e grande porte geralmente utilizam uma base que suporta temperaturas at 250 C e seguem um padro conhecido por rosca Edison. A eficcia luminosa resultante cresce com a potncia da lmpada, variando de 7 a 15 lm/W. Estes valores so relativamente baixos, quando comparados com lmpadas de

310


descarga com fluxo luminoso semelhante. No entanto, esta limitao compensada pelo elevado ndice de reproduo de cor (CRI = 100). A tenso de alimentao atua diretamente sobre a temperatura do filamento que, por sua vez, determina a vida til da lmpada incandescente. Cada tipo de lmpada apresenta suas particularidades, porm as relaes abaixo se aplicam com razovel preciso para maioria das lmpadas comerciais, inclusive halgenas. Potncia [ W ] Tenso [V ] = Potncia no min al [ W ] Tenso no min al [V ] Temp Cor [K ] Tenso [V] = Temp Corno min al [K ] Tenso no min al [V] 1, 6

Fluxo Lum[lm] Tenso [V ] = Fluxo Lumno min al [lm] Tenso no min al [V ]

3, 4

0, 42

Eficcia Lum [lm / W ] Tenso [V] = Eficcia Lum no min al [lm / W ] Tenso no min al [V] 13

1,3

Vida til[h ] Tenso [V ] = Tenso Vida til no min al [h ] no min al [ V ]

A resistncia especfica do tungstnio na temperatura de funcionamento da lmpada (2800 K) aproximadamente 15 vezes maior do que temperatura ambiente (25 C). Portanto, ao ligar uma lmpada incandescente, a corrente que circula pelo seu filamento a frio quinze vezes a corrente nominal de funcionamento em regime. A temperatura do filamento sobe rapidamente, atingindo valores elevados em fraes de segundo. Ligaes muito freqentes reduzem a vida til da lmpada, pois o filamento geralmente no apresenta um dimetro constante. A corrente de partida causa aquecimento excessivo e localizado nos pontos onde a seo do filamento apresenta constries, provocando seu rompimento. A vida til de uma lmpada incandescente comercial da ordem de 1000 horas.

13.3.2.3 Lmpada Incandescente HalgenaA lmpada halgena uma lmpada incandescente na qual se substitui atmosfera no interior do bulbo por um elemento halgeno, em geral iodo ou bromo. O elemento halgeno reage quimicamente com as partculas de tungstnio sublimadas, formando haletos que apresentam uma temperatura de condensao inferior a 250 C. Mantendo-se a temperatura do bulbo acima deste valor, evita-se o depsito de material sublimado sobre o mesmo. Por outro lado, correntes trmicas transportam os haletos novamente para as regies de alta temperatura, prximas ao filamento, onde ocorre a sua dissociao e o tungstnio retorna em algum ponto do filamento. Este ciclo halgeno s se torna eficaz para temperaturas de filamento elevadas (3200 K) e para uma temperatura da parede do bulbo externo acima de 250 C, evitando-se a condensao e o depsito dos haletos. A

ELETROTCNICA GERAL

311

necessidade de elevadas temperaturas de filamento exige a presena de uma atmosfera protetora, geralmente uma mistura de nitrognio com um gs inerte (argnio ou criptnio) na proporo de 0.1% a 1% do elemento halgeno, para reduzir a taxa de evaporao do tungstnio. A lmpada incandescente halgena tambm apresenta um filamento de tungstnio enrolado em dupla espiral, o qual sustentado por suportes de molibdnio no interior de um bulbo de quartzo, globular ou com formato de lapiseira. A base , em geral, cermica para suportar temperaturas e presses elevadas e alm disso apresentar boa condutibilidade trmica, limitando a temperatura dos suportes de molibdnio em 350 C para evitar fenmenos de corroso. O bulbo de quartzo no deve ser tocado com a mo para evitar que depsitos de gordura na sua superfcie externa provoquem pontos de desvitrificao, isto , alteraes na rede cristalina com elevado coeficiente de expanso trmica, que podem resultar em microfissuras e rompimento do bulbo. A Figura 13.6 apresenta uma vista em corte de um lmpada halgena de 300 W do tipo lapiseira, mostrando as trs zonas de temperatura e as reaes qumicas envolvidas.

250 C < T < 800 C (recombinao de tomos halgenos e presena de haletos) 800 C < T < 2600 C (formao de haletos) 2600 C < T < 3200 C (dissociao dos haletos em tungstnio e halogno)

Figura 13.6 - Vista em corte de uma lmpada incandescente halgena do tipo lapiseira

312


As temperaturas elevadas no filamento s so atingidas com a circulao de um nvel mnimo de corrente. Por esta razo, lmpadas com potncias inferiores a 50 W so alimentadas em baixa tenso, geralmente 12 V ou 24 V. Lmpadas halgenas emitem mais radiao ultravioleta que as lmpadas incandescentes normais, uma vez que a sua temperatura de filamento significativamente maior e o bulbo de quartzo no absorve a radiao nesta faixa de comprimento de onda. Os nveis so inferiores aos presentes na luz solar, no oferecendo perigo sade. No entanto, deve-se evitar a exposio prolongada das partes sensveis do corpo luz direta e concentrada. As caractersticas construtivas das lmpadas incandescentes halgenas permitem uma substancial reduo no seu tamanho (da ordem de 10 a 100 vezes) em relao s suas similares convencionais. Sua eficincia da ordem de 15 lm/W a 25 lm/W, para uma vida til de 2000 horas. Seu custo ainda significativamente maior que o das lmpadas incandescentes convencionais.

Refletores Dicricos A reduo de volume torna as lmpadas halgenas adequadas para iluminao direcionada ("spot light"), porm a irradiao trmica emitida bastante elevada. Por esta razo, certos tipos de lmpadas so providos de um refletor espelhado especial, chamado dicrico, que reflete a radiao visvel e absorve a radiao infravermelha. A Figura 13.7 mostra a fotografia de duas lmpadas de 50 W com refletor dicrico.

Figura 13.7 - Lmpada incandescente halgena de 50 W com refletor espelhado dicrico

O espelho dicrico consiste de uma base de vidro, sobre a qual so aplicadas, alternadamente, camadas com espessuras quase moleculares, de materiais translcidos com ndices de refrao diferentes, por exemplo, um deles com ndice refrao de 1.5 (slica) e outro com 2.3 (sulfito de zinco). Este arranjo provoca uma defasagem de 180

ELETROTCNICA GERAL

313

entre a radiao incidente e refletida para certos comprimentos de onda, resultando no seu cancelamento por interferncia. A radiao visvel, que apresenta um comprimento de onda da ordem da metade da radiao infravermelha, refletida e emitida em direo ao objeto a ser iluminado. Por outro lado, atravs da escolha adequada do material e das espessuras das camadas, a maior parte da radiao infravermelha absorvida pelo espelho e eliminada pela base da lmpada. Com este tipo de espelho, consegue-se uma reduo da ordem de 70% na radiao infravermelha, resultando um feixe de luz emergente "frio" ("cold light beam"), ou seja, que no aquece o ambiente.

13.3.3 Lmpadas a Descarga13.3.3.1 Consideraes GeraisNas lmpadas de descarga utilizadas em iluminao, a luz produzida pela radiao emitida pela descarga eltrica atravs de uma mistura gasosa composta de gs(es) inerte(s) e vapor(es) metlico(s). A mistura gasosa encontra-se confinada em um invlucro translcido (tubo de descarga) em cujas extremidades encontram-se inseridos eletrodos (hastes metlicas ou filamentos) que formam a interface entre a descarga e o circuito eltrico de alimentao. A corrente eltrica atravs da descarga formada majoritariamente por eltrons emitidos pelo eletrodo negativo (catodo) que so acelerados por uma diferena de potencial externa em direo ao eletrodo positivo (anodo) gerando colises com os tomos do vapor metlico. A energia transferida ao tomo pelas colises elsticas excita eltrons para rbitas mais elevadas e as colises inelsticas provocam sua ionizao gerando novos eltrons. A subseqente transio do tomo para um estado de menor energia acompanhada da emisso de radiao. Dependendo da sua distribuio espectral, esta radiao utilizada como fonte de luz ou absorvida por um revestimento, aplicado na parede interna do tubo de descarga (conhecido genericamente por "fsforo"), que emite uma radiao com uma distribuio espectral mais adequada. Ao contrrio da lmpada incandescente, na qual o filamento metlico um condutor eltrico, na lmpada a descarga o composto metlico responsvel pela emisso de radiao encontra-se em estado slido ou lquido na temperatura ambiente e o gs inerte no interior do tubo (conhecido como gs de enchimento ou filling gas) isolante. Portanto, inicialmente necessrio um processo de ignio para o rompimento da rigidez dieltrica da coluna gasosa. O calor gerado pela descarga atravs do gs inerte nos instantes iniciais aps a partida da lmpada vaporiza o composto metlico. Aps a partida, a lmpada a descarga apresenta uma impedncia dinmica (derivada da tenso em relao corrente) negativa, ou seja, medida que a corrente na lmpada aumenta, a diferena de potencial entre os seus terminais diminui como mostra a Figura

314


13.8. Portanto, toda lmpada de descarga necessita de um elemento com impedncia positiva ligado em srie para estabilizar a corrente no ponto de operao nominal da lmpada. Caso contrrio, para qualquer variao de tenso da fonte de alimentao, a lmpada se comportaria como um curto-circuito e a corrente assumiriam valores elevados. No jargo tcnico o elemento de estabilizao denominado reator.

VLmpada

I EbatPonto de operao

V (V)

Elemento de estabilizao

I( A )

Figura 13.8 - Curva esttica tenso vs. corrente de um tubo de descarga com gs neon

Na prtica, as lmpadas a descarga so alimentadas em corrente alternada (C.A.) para evitar processos cataforticos4. Desta forma, cada eletrodo assume a funo de catodo e anodo em semiciclos consecutivos e a lmpada passa apresentar uma curva tenso versus corrente dinmica, podendo ser modelada por uma resistncia no linear equivalente. Por questes de eficincia, a estabilizao da corrente em corrente alternada no feita com resistores, utilizando-se no seu lugar uma associao de elementos reativos (capacitores e indutores) para evitar a dissipao desnecessria de potncia ativa. As lmpadas a descarga podem ser classificadas pela presso no interior do tubo com a lmpada em operao em: a) lmpadas de descarga de baixa presso e b) lmpadas de descarga de alta presso. Ambos tipos sero abordados neste sub-item.4

Cataphoresis caracteriza o processo de concentrao de partculas carregadas do plasma nas vizinhanas do ctodo devido presena de uma diferena de potencial CC entre os eletrodos.

ELETROTCNICA GERAL

315

13.3.3.2 Lmpadas a Descarga de Baixa PressoAs lmpadas descarga de baixa presso apresentam as seguintes caractersticas: i) presso dos vapores metlicos da ordem de 10-4 a 10-5 atmosferas; ii) densidade de potncia da descarga de 0.5 W/cm a 2 W/cm; iii) eletrodos em forma de filamentos; iv) espectro da radiao caracterizado por bandas e v) tubo de descarga com dimetro da ordem de cm e comprimento de dezenas de cm a metros. Existem basicamente dois tipos de lmpadas comerciais: as lmpadas de descarga de baixa presso de vapor de mercrio, conhecidas como lmpadas fluorescentes, e as lmpadas de descarga de baixa presso de vapor de sdio. Neste captulo sero analisadas somente as lmpadas fluorescentes, uma vez que as lmpadas de sdio de baixa presso so monocromticas e seu ndice de reproduo cores muito reduzido.

Lmpadas Fluorescentes Desenvolvida na dcada de 1940 [4,5] e conhecida comercialmente como lmpada tubular fluorescente em funo da geometria do seu tubo de descarga, este tipo de lmpada encontra aplicaes em praticamente todos os campos de iluminao. O tubo de descarga, de vidro transparente, revestido internamente com uma camada de p branco, genericamente conhecido como "fsforo". O "fsforo" atua como um conversor de radiao, ou seja, absorve um comprimento de onda especfico ( = 253.7 nm) de radiao ultravioleta, produzida por uma descarga de vapor de mercrio a baixa presso, para emitir luz visvel. As lmpadas fluorescentes comercialmente disponveis utilizam bulbos de vidro transparente, historicamente designados por uma letra T (de tubular) seguida de um nmero que indica o seu dimetro mximo em oitavos de polegada. Por exemplo, T12 significa um bulbo tubular com dimetro de 12/8 polegadas. O diagrama da Figura 13.9 mostra a estrutura interna de uma lmpada fluorescente tubular e ilustra o seu princpio de funcionamento.

Figura 13.9 - Estrutura interna e princpio de funcionamento de uma lmpada fluorescente tubular

316


Os eletrodos encontram-se hermeticamente selados no interior do tubo, um em cada extremidade. Existem basicamente dois tipos: a) o catodo frio, utilizado em lmpadas com o mesmo nome e atualmente j fora de linha, constitudo de um cilindro metlico coberto com uma substncia que emite eltrons, quando aquecida pelo prprio calor gerado na descarga, e b) o catodo quente ou filamento, utilizado na quase totalidade das lmpadas atualmente disponveis. Os filamentos das lmpadas fluorescentes so construtivamente semelhantes aos das lmpadas incandescentes, porm operam em temperaturas mais baixas (800 C a 1100 C) e apresentam um revestimento de material com baixa funo de trabalho (por exemplo xido de brio) que emite eltrons por efeito termo-inico (vide detalhes na Figura 13.10). Durante a partida, os filamentos so alimentados por uma fonte de tenso, sendo aquecidos pela circulao da corrente, at atingir a temperatura de emisso desejada, a qual mantida pelo calor gerado na descarga com a lmpada j em funcionamento. Este procedimento denominado pr-aquecimento dos filamentos. O praquecimento influi na vida til dos filamentos e, portanto, da prpria lmpada.

Helicoide dupla Helicoide tripla

(a) Detalhe do soquete

(b) Detalhe do filamento

Figura 13.10 - Soquete e filamento de uma lmpada fluorescente tubular

Como gs de enchimento utilizado um gs inerte com baixo potencial de ionizao (argnio puro ou uma mistura de argnio, nenio e criptnio) para facilitar a ignio da lmpada. O gs e a sua presso tambm influem na eficincia da lmpada, j o gs inerte atua como um moderador que ajusta a velocidade mdia dos eltrons de forma a maximizar a produo de radiao ultravioleta com comprimento de onda = 253.7 nm. As caractersticas colorimtricas (temperatura de cor correlata, reproduo de cores) e a eficcia da lmpada fluorescente so determinadas pela composio e espessura do p fluorescente ("fsforo"). Os "fsforos" so compostos que emitem luz por fluorescncia quando expostos radiao ultravioleta. So fabricados a partir de substncias de elevada pureza, cuja estrutura cristalina modificada pela adio de ativadores, que determinam a distribuio espectral da radiao emitida. Uma famlia amplamente utilizada so os

ELETROTCNICA GERAL

317

halofosfatos cuja composio qumica bsica 3Ca(PO4)2CaF2. Na dcada de 1980 foi desenvolvida uma nova famlia de "fsforos", conhecida comercialmente como "trifsforos" ou "fsforos tri-estmulo", que constituda de trs compostos, cada um com banda de emisso estreita e centrada nos comprimentos de onda do azul, vermelho e verde respectivamente. A combinao adequada destes compostos, juntamente com uma camada de halofosfato, possibilitou uma melhora no ndice de reproduo de cores e um aumento considervel na eficcia luminosa, ou seja, permitiu a construo de lmpadas com menor potncia para emisso do mesmo fluxo luminoso. As lmpadas fluorescentes de nova gerao utilizam um tubo com dimetro menor (T8 em vez de T12) e o custo mais elevado do tri-fsforo compensado pelo aumento de eficincia resultante. A Tabela 13.1 apresenta as principais caractersticas de algumas lmpadas fluorescentes e incandescentes. Pode-se verificar que: a) as lmpadas fluorescentes so aproximadamente 6 vezes mais eficientes que as incandescentes; b) as lmpadas fluorescentes apresentam uma vida til 8 vezes superior s incandescentes e c) as lmpadas fluorescentes com trifsforo so mais eficientes que as com halofosfato e apresentam um ndice de reproduo de cores mais elevado, porm ainda inferior s incandescentes. Tabela 13.1 - Caractersticas de algumas lmpadas fluorescentes e incandescentes Fluorescente Halofosfato (T12) Tri-fsforo (T8) Potncia (W) 40 36 Fluxo luminoso (lm) 3150 3275 Eficcia lum.(lm/W) 78,7 90,9 Vida til (horas) 8000 8000 nd. Reprod. Cores 62 82 Tipo de Lmpada Incandescente 60 730 12 1000 100 100 1380 13,8 1000 100

As lmpadas fluorescentes tubulares so utilizadas para iluminao de interiores em instalaes comerciais, industriais e residenciais. A lmpada fluorescente no oferece riscos sade, pois a quase totalidade da radiao ultravioleta emitida pela descarga absorvida pelo p fluorescente e pelo vidro do tubo de descarga.

Lmpadas Fluorescentes Compactas A lmpada fluorescente compacta CFL (Compact Fluorescent Lamp) foi introduzida no mercado no incio da dcada de 1980 para substituir a lmpada incandescente. Estas lmpadas apresentam alguns detalhes construtivos que as diferenciam das lmpadas fluorescentes tubulares convencionais, porm, seu princpio de funcionamento idntico. Os modelos comerciais utilizam um tubo de vidro do tipo T4 ou T5, com revestimento de tri-fsforo e filamentos nas suas extremidades. Existem diversas formas construtivas

318


para o tubo de descarga, sendo duas as mais comuns: a) um tubo nico curvado em U e b) dois tubos independentes, unidos por uma ponte. A Figura 13.11 apresenta uma lmpada fluorescente com dois tubos independentes, mostrando um de seus filamentos e o percurso da descarga no interior da lmpada.

Figura 13.11 - Lmpada fluorescente compacta com starter incorporado A lmpada fluorescente compacta, em geral s apresenta duas conexes eltricas, uma vez que os filamentos encontram-se ligados em srie atravs de um starter (vide Figura 3.12 (b)), o qual fica alojado num invlucro na base da lmpada. A estabilizao da lmpada feita atravs de um reator indutivo, conectado externamente. Algumas lmpadas j apresentam um reator incorporado na sua base, em geral do tipo rosca Edison, que utilizada em lmpadas incandescentes. O reator poder ser indutivo ou eletrnico, sendo este ltimo mais leve de forma a reduzir o peso do conjunto. A Tabela 13.2 apresenta as caractersticas de alguns modelos comerciais de lmpadas incandescentes e fluorescentes compactas com dimenses fsicas similares. Nota-se que a CFL consome um sexto da potncia a apresenta uma vida til 8 vezes maior, sendo adequada para aplicaes onde a fonte de luz deve ser compacta e com baixo consumo de energia eltrica. Tabela 13.2 - Caractersticas de algumas lmpadas fluorescentes compactas e incandescentesTipo de Lmpada Potncia nominal (W) Fluxo luminoso (lm) Efic. lum. lamp. (lm/W) Efic.lum. lamp+reat. (lm/W)* Vida til (horas) ndice Reproduo Cor Comprimento total (mm) 7 400 57 36 8000 81 133 Fluorescente compacta 9 13 18 600 900 1200 67 69 67 46 60 57 8000 81 165 8000 81 188 8000 81 232 40 430 10,8 1000 100 105 Incandescente 60 75 730 960 12,2 12,8 1000 100 105 1000 100 105 100 1380 13,8 1000 100 105

(*) Os valores da eficcia luminosa do conjunto lmpada + reator foram obtidos com um reator indutivo

ELETROTCNICA GERAL

319

Reatores para Lmpadas Fluorescentes A maioria das instalaes de iluminao com lmpadas fluorescentes so alimentadas em corrente alternada na freqncia usual de rede (50 ou 60 Hz). Para ignio e estabilizao da corrente da lmpada utiliza-se um dispositivo, conhecido popularmente por reator (em ingls "ballast"). Existem vrias configuraes, desde simples indutores at sofisticados circuitos eletrnicos. O reator deve realizar basicamente trs funes: a) possibilitar a ignio da lmpada; b) estabilizar a corrente da lmpada no seu valor nominal de operao e c) atender s especificaes da forma de onda normatizadas para a corrente da lmpada5.

Reatores Eletromagnticos So constitudos basicamente de bobinas com um ncleo, obtido pelo empilhamento de chapas de ferro-silcio, apresentando portanto caractersticas indutivas. Podem ser simples indutores ou transformadores com caractersticas especiais. A tenso v(t) sobre um indutor ideal em funo da corrente i(t) obedece a relao v(t)=L(di/dt), onde L uma constante denominada indutncia. Portanto, qualquer variao de corrente imposta pelo circuito externo transformada pelo indutor em uma diferena de potencial entre os seus terminais, que proporcional taxa de variao da corrente. Em corrente alternada, o indutor funciona como um dispositivo que oferece resistncia s variaes de corrente, o que justifica sua escolha como elemento de estabilizao para lmpadas de descarga. Um indutor real pode ser representado por um indutor ideal em srie com a resistncia eltrica (do fio de cobre) da bobina, sendo que esta ltima determina a potncia dissipada (em watt) pelo conjunto. Os reatores indutivos para lmpadas fluorescentes tubulares so, em geral, classificados de acordo com o tipo de ignio em: a) reator com pr-aquecimento (utilizando "starter"), mostrado na Figura 13.12 (a); b) reator de partida rpida, apresentado na Figura 13.12 (c).

5

As normas de lmpadas fluorescentes especificam que a corrente na lmpada, operando em regime permanente, deve ter um fator de crista inferior a 1,7. O fator de crista o quociente do valor de pico da forma de onda pelo seu valor eficaz.

320


(a) Reator c/ praquecimento

(b) detalhe do starter

(c) Reator de partida rpida

Figura 13.12 - Reatores indutivos para lmpadas fluorescentes tubulares

Reator com Pr-Aquecimento (Utilizando "Starter") Os reatores para lmpadas fluorescentes que realizam pr-aquecimento dos filamentos so simples indutores, que operam em conjunto com um dispositivo de chaveamento, que pode ser do tipo mecnico (chave liga/desliga) ou trmico ("starter"). O valor de pico da tenso de alimentao C.A. fornecida pelas concessionrias de energia eltrica , em geral, significativamente inferior tenso de ignio, na temperatura ambiente, para a grande maioria das lmpadas fluorescentes tubulares. Uma maneira de reduzir a tenso de ignio da lmpada realizar um pr-aquecimento dos seus filamentos, que passam a emitir eltrons livres, reduzindo a rigidez dieltrica (capacidade de suportar tenso) da coluna gasosa entre os eletrodos. Este processo iniciado com o fechamento da chave em paralelo com a lmpada, conforme indicado na Figura 13.12 (a). Desta forma, os filamentos da lmpada so conectados em srie e alimentados pela tenso C.A., para permitir a circulao de uma corrente eltrica (de 0,8 A a 1,2 A), cujo valor determinado pelo reator. Quando os filamentos atingem a incandescncia, a chave aberta, interrompendo a corrente no circuito. A variao brusca da corrente provoca uma diferena de potencial momentnea e de valor elevado entre os terminais do reator, que, somada tenso C.A. naquele instante, ser aplicada sobre a lmpada provocando a ignio da descarga.

ELETROTCNICA GERAL

321

A maioria das instalaes que adotam esta tcnica, utiliza uma chave trmica, denominada "starter", mostrada em detalhe na Figura 13.12 (b). O "starter" constitudo de uma ampola de vidro (com aproximadamente 20 mm de comprimento e 10 mm de dimetro), contendo um gs (em geral nenio ou hlio) a uma certa presso, alm de dois contatos separados entre si. Um contato fixo em forma de haste e o outro, constitudo de uma lmina bimetlica em forma de U, mvel. O elemento bimetlico obtido laminando-se duas chapas metlicas com coeficientes de dilatao trmica significativamente diferentes. O princpio de funcionamento do reator com "starter" similar seqncia de eventos descrita anteriormente. A tenso da rede C.A., insuficiente para realizar a ignio da lmpada, consegue abrir um arco de baixa resistncia eltrica entre os contatos do "starter", provocando a circulao de corrente pelos filamentos. O calor gerado pelo arco deforma a lmina bimetlica, aproximando-a da haste fixa at estabelecer contato mecnico. Neste instante o "starter" se comporta como um curto-circuito, extinguindo o arco. Na ausncia do arco a lmina bimetlica esfria rapidamente, afastando-se do contato fixo (o aquecimento prprio por efeito Joule na lmina bimetlica desprezvel). Quando os contatos do "starter" se separam, ouve-se um "clic" caracterstico. A interrupo brusca da corrente provoca uma tenso de valor elevado entre os eletrodos da lmpada que pode ou no provocar a ignio da descarga. Em caso afirmativo, o "starter" permanecer em circuito aberto, pois a tenso da lmpada acesa insuficiente para abrir um arco entre os seus contatos. Caso contrrio, o ciclo de pr-aquecimento se inicia novamente. A partida da lmpada demora, em geral, alguns segundos e a escolha do "starter" feita em funo da tenso da lmpada. O sucesso da ignio da lmpada aps o primeiro ciclo de pr-aquecimento depende, entre outros fatores, da temperatura ambiente e da umidade atmosfrica. Em ambientes frios e midos so necessrios, em geral, de trs a seis ciclos. A partida com pr-aquecimento implica a utilizao de um conjunto individual, formado por reator e "starter", para cada lmpada.

Reator de Partida Rpida Os reatores de partida rpida no utilizam "starter". Portanto, para se garantir a partida da lmpada, esta topologia deve aplicar um valor de tenso suficientemente elevado para realizar a partida da lmpada (numa ampla faixa de temperatura ambiente) ou reduzir a tenso de ignio da lmpada de alguma forma. Estes reatores utilizam um transformador, cujos enrolamentos encontram-se magneticamente acoplados com um indutor, para realizar o aquecimento adequado dos filamentos de forma a reduzir a tenso de ignio da lmpada para valores prximos da

322


tenso C.A. de alimentao. A Figura 13.12 (c) mostra uma verso simplificada desta configurao. O transformador dispe de enrolamentos de baixa tenso (3 V a 4 V), ligados em srie com o enrolamento secundrio, aos quais so conectados os filamentos. Ao contrrio dos reatores com pr-aquecimento, existe circulao permanente de corrente pelos filamentos, cujo valor significativamente reduzido, aps a ignio da lmpada, pelo aumento da resistncia dos filamentos com a temperatura e pela queda de tenso no indutor, imposta pela circulao de corrente na lmpada. A ignio da lmpada ocorre em menos de 1 segundo, justificando a denominao "partida rpida". Para o bom funcionamento, necessria uma superfcie metlica plana e aterrada, de mesmo comprimento da lmpada e disposta a uma distncia no superior a 25 mm da mesma. Em geral utilizam-se luminrias metlicas, as quais devem ser adequadamente aterradas. A presena de uma superfcie equipotencial aterrada sob a lmpada possibilita uma distribuio de cargas estticas na parede do tubo, que altera a distribuio de potencial entre os eletrodos, reduzindo ainda mais a tenso de ignio da lmpada. Reatores eletrnicos Reator eletrnico a denominao popular de um equipamento que converte a tenso de rede (50 Hz ou 60 Hz) em uma tenso de alta freqncia (acima de 18 kHz), adequada para alimentar lmpadas fluorescentes. Um reator eletrnico, representado pelo diagrama funcional da Figura 13.13, composto de: a) um conversor C.A./C.C., que transforma a tenso da rede em tenso contnua; b) um inversor que converte a tenso C.C. em uma tenso C.A. de alta freqncia e c) circuitos que realizam a ignio e estabilizao da corrente na lmpada.

Figura 13.13 - Diagrama de blocos de um reator eletrnico

ELETROTCNICA GERAL

323

O inversor gera uma tenso com freqncia constante, cujo valor superior ao limiar da audio (18 kHz) e inferior a 50 kHz para evitar problemas de interferncia em transmisses por rdio. A maioria dos reatores eletrnicos alimenta a lmpada com corrente senoidal. Um reator eletrnico de boa qualidade apresenta filtros nos seus terminais de alimentao com a finalidade de: a) evitar a circulao pela rede de correntes de freqncia elevada que podem provocar interferncia em sistemas de comunicao; b) providenciar a filtragem adequada da corrente absorvida pelo reator, eliminando os seus componentes harmnicos e mantendo-a em fase com a tenso de alimentao para assegurar um fator de potncia elevado. As funes de ignio e estabilizao da corrente da lmpada so em geral realizadas por circuitos utilizando indutores e capacitores. Os indutores apresentam dimenses fsicas reduzidas, uma vez que os valores de indutncia so, em geral, 2 a 3 ordens de grandezas inferiores aos utilizados nos reatores indutivos convencionais. A versatilidade e diversidade de recursos oferecidos pela eletrnica permitem incluir o pr-aquecimento de filamentos e funes de proteo, as quais desligam o reator em caso de falha de ignio da lmpada ou desconectam-no da rede em caso de curto-circuito interno. Alguns reatores eletrnicos permitem variar a luminosidade da lmpada (dimming) e possuem interfaces para sistemas de controle centralizado. Vantagens dos reatores eletrnicos sobre os eletromagnticos a) Reduo de perdas no reator As perdas dos reatores eletrnicos so significativamente inferiores aos de seus similares indutivos. Por exemplo, o conjunto constitudo de um reator indutivo de partida rpida e duas lmpadas fluorescentes de 40 W (T12), ambas operando na condio nominal de fluxo luminoso, absorve 102 W. J um conjunto equipado com reator eletrnico nas mesmas condies consome apenas 79 W, resultando uma economia de energia eltrica de 25%. No entanto, a escolha do reator eletrnico deve ser criteriosa, pois existem diversos modelos que alimentam a lmpada fora da sua especificao nominal de fluxo luminoso. As normas estabelecem que a temperatura da carcaa de reatores indutivos deve ser tal que o salto trmico (T) entre ela e a temperatura ambiente no pode ultrapassar 65 C, ou seja, a temperatura da carcaa de um reator indutivo no pode exceder 100 C quando a temperatura ambiente for 35 C. Por outro lado, nos reatores eletrnicos comerciais a elevao de temperatura na carcaa no ultrapassa 20 C. Portanto, luminrias com

324


reatores eletrnicos aquecem menos, reduzindo a carga trmica do sistema de ar condicionado e proporcionando uma economia adicional de energia eltrica. b) Aumento de eficincia da lmpada Lmpadas fluorescentes, alimentadas em alta freqncia (acima de 5 kHz) com tenso senoidal operando na sua potncia nominal, apresentam uma elevao de fluxo luminoso de 6% a 12%, em relao ao valor obtido na freqncia da rede. A eficincia da lmpada aumenta com a elevao da freqncia da tenso de alimentao, at atingir um patamar para freqncias em torno de 10 kHz. O valor percentual do aumento de fluxo luminoso depende, entre outros fatores, das dimenses fsicas do tubo de descarga. Analisando o oscilograma da Figura 13.14 (a) obtido com a lmpada alimentada em 60 Hz, verifica-se que a tenso sobre a lmpada tem um formato aproximadamente retangular, com oscilaes de alta freqncia provocadas por instabilidades da descarga nas proximidades da regio andica. Quando a freqncia de alimentao ultrapassa a freqncia destas instabilidades, as oscilaes desaparecem, o valor eficaz da tenso na lmpada diminui assim como a potncia fornecida lmpada. Esta passa se comportar como um resistor, pois a tenso torna-se praticamente senoidal, em fase com a corrente (vide Figura 13.14 (b)).Vlamp Vlamp

Ilamp Ilamp

20V/div 0.2A/div 2ms/div

20V/div 0.2A/div 10s/div

(a) Reator eletromagntico f = 60 Hz (b) Reator eletrnico f = 25 kHz Figura 13.14 - Tenso e corrente de uma lmpada CFL de 9 W emitindo fluxo luminoso nominal

c) Reduo da modulao da intensidade luminosa A intensidade luminosa de lmpadas fluorescentes, alimentadas por reatores indutivos, apresenta uma modulao de amplitude que acompanha a freqncia da rede. Quando a luz da lmpada ilumina um corpo que gira com uma rotao igual ou prxima a um mltiplo da freqncia da rede, o observador v a imagem de um corpo em repouso ou girando lentamente. Este fenmeno, conhecido por efeito estroboscpico, desaparece

ELETROTCNICA GERAL

325

quando se utilizam reatores eletrnicos, devido alimentao da lmpada ser de alta freqncia.

13.3.3.3 Lmpadas a Descarga de Alta PressoAs lmpadas descarga de alta presso, tambm conhecidas como lmpadas HID (High Intensity Discharge) utilizam vapores metlicos (em geral mercrio e/ou sdio) a presses da ordem de 1 a 10 atmosferas e operam com uma densidade de potncia de arco da ordem de 20 a 200 W/cm. A radiao emitida pela descarga apresenta uma distribuio espectral contnua, sobre a qual se encontram superpostas as raias predominantes dos tomos que constituem o vapor metlico. Os eletrodos so bastes irradiadores e o tubo de descarga tem dimenses reduzidas (dimetro de mm e comprimento de cm). Existem basicamente trs tipos bsicos de lmpadas comerciais: a) a lmpada de vapor de mercrio de alta presso; b) a lmpada de sdio de alta presso, e c) as lmpadas de alta presso de vapores metlicos.

Lmpada de Vapor de Mercrio de Alta Presso A lmpada de vapor de mercrio de alta presso HPM (High Pressure Mercury), apresentada na Figura 13.15 constituda de um tubo de descarga transparente, de dimenses reduzidas inserido em um bulbo de vidro, revestido internamente com uma camada de "fsforo" para correo do ndice de reproduo de cor.


(b) Detalhe do tubo de descarga

Figura 13.15 Lmpada de vapor de mercrio de alta presso

326


O tubo de descarga contm vapor de mercrio presso de 2 a 4 atmosferas e argnio a 0.03 atmosferas. O argnio atua como gs de partida, reduzindo a tenso de ignio e gerando calor para vaporizar o mercrio. O tubo de descarga de quartzo para suportar temperaturas superiores a 340C e evitar absoro da radiao ultravioleta emitida pela descarga. O bulbo de vidro transparente, com formato ovide, contm nitrognio, formando uma atmosfera protetora para: a) reduzir a oxidao de partes metlicas, b) limitar a intensidade da radiao ultravioleta que atinge o revestimento de "fsforo" e c) melhorar as caractersticas de isolao trmica. A lmpada de vapor de mercrio de alta presso apresenta trs eletrodos, dois principais, um em cada extremidade do tubo de descarga, e outro auxiliar, prximo de um dos eletrodos principais, conforme mostra a Figura 13.16 (b). Cada eletrodo principal constitudo de fio de tungstnio, coberto com um material que emite eltrons (xido de brio) e enrolado em dupla camada sobre uma haste do mesmo metal. A estabilizao da descarga realizada atravs de um reator indutivo, mostrado no diagrama da Figura 13.16 [8]. O eletrodo auxiliar encontra-se conectado em srie com o eletrodo principal, localizado na extremidade oposta do tubo, atravs de um resistor de partida. Nestas condies a tenso C.A. da rede suficientemente elevada para realizar a ignio da descarga de argnio entre o eletrodo auxiliar e o principal adjacente, que vaporiza o mercrio lquido e produz ons necessrios para estabelecer o arco entre os eletrodos principais. Aps a ignio do arco principal, a queda de tenso sobre o resistor de partida reduz a diferena de potencial entre os eletrodos auxiliar e principal adjacente, extinguindo o arco entre ambos.

Figura 13.16 Reator para lmpada de vapor de mercrio de alta presso

ELETROTCNICA GERAL

327

Nos instantes iniciais da descarga, a lmpada emite uma luz verde clara. A intensidade luminosa aumenta gradativamente at estabilizar-se aps 6 a 7 minutos, quando a luz se torna branca com uma tonalidade levemente esverdeada. A radiao visvel emitida pelo tubo de descarga apresenta um espectro contnuo, de baixa intensidade, sobre o qual se encontram superpostas as raias caractersticas do mercrio. A luz emitida por uma lmpada sem revestimento de fsforo, apresenta um baixo ndice de reproduo de cor (CRI = 20), devido ausncia de raias vermelhas. O "fsforo" utilizado em lmpadas de vapor de mercrio de alta presso tem uma banda de emisso de 620 nm a 700 nm e consegue melhorar o significativamente o ndice de reproduo (CRI = 50). A tenso de ignio da lmpada aumenta com a presso vapor de mercrio, ou seja, com a temperatura do tubo de descarga. Quando se desliga uma lmpada alimentada por um reator indutivo convencional, a sua reignio s possvel aps 3 a 5 minutos, intervalo de tempo necessrio para o esfriamento da lmpada e conseqnete queda de presso. A Tabela 13.3 apresenta as caractersticas de alguns modelos comerciais com revestimento de "fsforo" e base com rosca tipo Edison, utilizada nas lmpadas de vapor de mercrio de alta presso. Tabela 13.3 - Caractersticas de alguns modelos de lmpadas de vapor de mercrio de alta presso Potncia (W) Fluxo luminoso (lm) Eficcia lum.(lm/W) Comprimento total (mm) Dimetro mximo (mm) Vida til (horas) 50 1800 36 129 56 16000 80 3700 46 156 72 16000 125 6300 50 177 77 16000 250 13000 52 227 92 16000 400 22000 55 292 122 16000

A lmpada de mercrio apresenta fluxo luminoso elevado e vida til longa, porm, a sua eficcia luminosa relativamente baixa. Este tipo de lmpada utilizado em sistemas de iluminao de exteriores, em especial, na iluminao pblica urbana. Lmpada de Luz Mista A lmpada de luz mista, mostrada na Figura 13.17, uma lmpada de vapor de mercrio de alta presso que dispensa reator, substitudo por um filamento interno (semelhante ao de uma lmpada incandescente), localizado no interior do bulbo conectado em srie com o tubo de descarga.

328


Figura 13.17 - Lmpada de luz mista

Este tipo de lmpada apresenta um ndice de reproduo de cor variando de 50 a 70, porm sua efccia luminosa baixa em razo da potncia dissipada no filamento, que determina a sua vida til, em geral de 6000 horas a 10000 horas. A Tabela 13.4 apresenta as caractersticas de alguns modelos comerciais com base tipo rosca Edison.

Tabela 13.4 - Caractersticas de alguns modelos de lmpadas de luz mista Potncia (W) Fluxo luminoso (lm) Eficcia lum.(lm/W) Comprimento total (mm) Dimetro mximo (mm) 160 3150 20 129 56 250 5500 22 156 72 500 14000 28 177 77

Esta lmpada utilizada no Brasil em sistemas de iluminao de interiores no setor comercial em substituio s lmpadas incandescentes.

Lmpada de Vapor de Sdio de Alta Presso A lmpada de vapor de sdio de alta presso HPS (High Pressure Sodium), constituda de um tubo de descarga cilndrico e translcido, com um eletrodo em cada extremidade. O tubo de descarga sustentado por uma estrutura mecnica, sob vcuo, no interior em um bulbo de vidro borosilicado, com formato ovide ou cilndrico. A Figura 13.18 apresenta a estrutura interna de uma lmpada HPS com bulbo cilndrico.

ELETROTCNICA GERAL

329

(b) Detalhe do tubo de descarga


(c) Tenso e corrente

Figura 13.18 - Lmpada de vapor de sdio de alta presso A lmpada de vapor de sdio de alta presso comeou a ser produzida em escala industrial na dcada de 60 [7], aps a sntese da almina policristalina ou p.c.a. (policristalline aluminium oxide). O p.c.a. um material cermico com elevado ponto de fuso, translcido (coeficiente de transmisso de luz de 90%) e resistente quimicamente ao vapor de sdio sob alta presso e a temperatura elevada. Em lmpadas convencionais, o tubo de descarga contm vapor de sdio a presso de 0.13 atmosferas, vapor de mercrio a presso de 0.5 a 2 atmosferas e xennio, que atua como gs de partida, gerando calor para vaporizar o mercrio e o sdio. O mercrio, na forma de vapor e a uma presso significativamente superior ao sdio, reduz a perda por calor e eleva a tenso de arco da lmpada. O tubo de descarga possui uma seco reduzida, com espao suficiente para alojar apenas um eletrodo em cada extremidade. O eletrodo, mostrado em detalhe na Figura 13.18, construtivamente similar ao da lmpada de vapor de mercrio de alta presso. A haste de tungstnio fixada por solda no interior de um tubo passante de nibio que funciona como uma camisa e oferece um grau de liberdade para o posicionamento do tubo de descarga no interior do bulbo.

330


O bulbo das lmpadas HPS em geral transparente ou apresenta um revestimento de fsforo neutro para tornar a superfcie difusa, sem alterar a distribuio espectral da luz emitida. A lmpada de vapor de sdio convencional apresenta, em geral, um baixo ndice de reproduo de cor (CRI 20), porm, uma elevada eficcia luminosa (120 lm/W para a lmpada de 400 W) e vida til longa (24 000 horas). No entanto, existem lmpadas especiais que apresentam um elevado ndice de reproduo de cor (CRI = 85), porm, com uma eficcia luminosa de 80 lm/W. Para a estabilizao da lmpada, a utilizao de reatores indutivos atualmente a melhor soluo sob o aspecto tcnico-econmico. Para a ignio da lmpada, aplicam-se pulsos de tenso com amplitude de 1.8 a 5.0 kilovolts e largura de 1s a 15s entre os seus eletrodos. Nas lmpadas HPS convencionais, esta funo desempenhada por um dispositivo externo lmpada, conhecido por ignitor. Os ignitores podem ser classificados em dois tipos: a) ignitor conjugado, utilizado em conjunto com um reator indutivo com derivao, conforme mostrado na Figura 13.19 (a), e b) ignitor independente do reator, apresentado na Figura 13.19 (b).

(a)Reator c/ ignitor conjugado

(b) Reator c/ ignitor independente

(c) tenso de ignio

Figura 13.19 Reator e ignitores para lmpada de vapor de sdio de alta presso

Os pulsos de alta tenso so aplicados entre os eletrodos da lmpada somente at que se estabelea a circulao de corrente pelo tubo de descarga, devendo ser inibidos em seguida. As normas internacionais especificam que o ignitor deve fornecer pelo menos um pulso a cada ciclo da rede (50 ou 60 Hz), o qual deve estar sobreposto tenso da rede no instante de pico (mxima amplitude) da senide, conforme mostra a Figura 13.19 (c). A tenso de arco da lmpada fortemente dependente da temperatura e aumenta naturalmente ao longo da sua vida til. Portanto, as lmpadas HPS necessitam de luminrias com caractersticas geomtricas especiais, para limitar o aquecimento do tubo de descarga pela reflexo das componentes infravermelhas do espectro geradas pela

ELETROTCNICA GERAL

331

lmpada. Caso contrrio, podem ocorrer aumentos anormais da tenso de arco e uma reduo significativa da vida til da lmpada. Quando se desliga uma lmpada HPS alimentada por um reator indutivo com ignitor convencional, a sua reignio s possvel aps 3 a 7 minutos, intervalo de tempo necessrio para o esfriamento da lmpada. A Tabela 13.5 apresenta as caractersticas de alguns modelos comerciais de lmpadas HPS convencionais com bulbo em forma de ovide, utilizadas em instalaes de iluminao pblica. Tabela 13.5 - Caractersticas de alguns modelos de lmpadas de vapor de sdio de alta presso Potncia (W) Fluxo luminoso (lm) Eficcia lum.(lm/W) Comprimento total (mm) Dimetro mximo (mm) Vida til (horas) 70 6500 93 156 72 24000 125 14000 93 227 92 24000 250 25000 100 227 92 24000 400 47000 117 292 122 24000

Pode-se verificar que a eficcia da lmpada HPS quase o dobro da lmpada de vapor de mercrio de alta presso. Por outro lado, o investimento inicial para uma instalao com lmpadas HPS significativamente superior, mas a economia de energia ao longo da vida til viabiliza a instalao.

Lmpada HPS com Dispositivo de Ignio Interno As lmpadas HPS com dispositivo de ignio interno so projetadas para serem intercambiveis com lmpadas de vapor de mercrio, ou seja, utilizando o mesmo reator e dispensando o ignitor. O tubo de descarga monoltico e similar ao da lmpada HPS convencional. Geralmente adiciona-se argnio ou nenio para reduzir a tenso de ignio e utiliza-se uma concentrao de mercrio mais elevada, para se obter uma tenso de arco prxima da lmpada de mercrio de alta presso. O dispositivo de ignio, ilustrado na Figura 13.20, constitudo de uma chave trmica (disjuntor bimetlico), inicialmente em curto-circuito e uma espiral de fio envolvendo o tubo de descarga. A circulao de corrente eltrica pela espiral impe uma distribuio de potencial eletrosttica no interior do tubo de descarga, que reduz a tenso de ignio da lmpada. Aps a ignio, o tubo de descarga aquece e a espiral eletricamente desconectada do circuito pelo disjuntor trmico.

332


Figura 13.20 - Reator para a lmpada HPS com ignitor incorporado

As lmpadas HPS com ignitor incorporado de 110 W, 210 W e 350 W podem ser utilizadas no lugar das lmpadas de mercrio de alta presso de 125 W, 250 W e 400 W respectivamente. A eficcia da lmpada HPS com ignitor interno similar da HPS convencional, porm, sua vida til 30% menor.

Lmpadas de vapor metlico A lmpada de vapor metlico HPMH (High Pressure Metal Halide) construtivamente semelhante lmpada de mercrio de alta presso, ou seja, utiliza um tubo de descarga de slica fundida inserida no interior de um bulbo de quartzo transparente. Os modelos mais comuns so do tipo lapiseira, ilustrado na Figura 13.21 (a).

(a) Estrutura mecnica (b) Ciclo halgeno Figura 13.21 - Lmpada de vapor metlico

O tubo de descarga contm vapor de mercrio, um gs para ignio (argnio) e haletos metlicos. A temperatura de vaporizao dos metais em geral superior mxima temperatura suportvel pelo material do tubo de descarga. J o metal na forma de um

ELETROTCNICA GERAL

333

haleto vaporiza a uma temperatura significativamente inferior. Geralmente utilizam-se iodetos, pois so quimicamente menos reativos. A adio de metais introduz raias no espectro que melhoram as caractersticas de reproduo de cores da lmpada. Um ciclo regenerativo similar ao das lmpadas incandescentes halgenas ocorre nas lmpadas HPMH. A maioria das lmpadas com potncias entre 70 e 400 W utilizam os mesmos ignitores e reatores das lmpadas HPS. As lmpadas de vapor metlico apresentam uma eficcia luminosa de 65 a 100 lm/W e um ndice de reproduo de cores superior a 80. A sua vida til em geral inferior a 8000 horas. So comercialmente disponveis lmpadas de 70 W a 2000 W, sendo utilizadas em aplicaes onde a reproduo de cores determinante, como por exemplo, em estdios cinematogrficos, iluminao de vitrines e na iluminao de eventos com transmisso pela televiso.

13.4 PROJETO DE ILUMINAO13.4.1 Consideraes GeraisO projeto de iluminao tem por objetivo estabelecer o melhor sistema de iluminao para uma dada aplicao, notando que muitas vezes a definio de melhor complexa e leva em conta fatores subjetivos. Na elaborao de um projeto de iluminao so considerados, por um lado, os diferentes tipos de lmpadas e luminrias disponveis comercialmente e, por outro lado, os requisitos da aplicao, os quais incluem o tipo e o grau de preciso da atividade a ser desenvolvida no local, as pessoas que desenvolvero essa atividade, etc. De uma forma geral, o sistema de iluminao deve garantir nveis de iluminamento mdio adequados em funo das caractersticas do local e da atividade a ser desenvolvida (o iluminamento mdio ser definido em seguida) . Para tanto, as normas tcnicas possuem valores de referncia [9] habitualmente utilizados em projetos de iluminao. Uma vez escolhida a luminria a ser utilizada, a etapa final do projeto consiste em determinar o nmero de luminrias necessrias para alcanar o valor de iluminamento mdio especificado e ainda proceder a ajustes de uniformizao levando em conta a simetria do local. Define-se iluminamento mdio Em em uma dada superfcie como sendo o fluxo luminoso total que atravessa a superfcie dividido pela rea da mesma:

Em =

S

,

(13.6)

334


em que:

S

- o fluxo luminoso total que atravessa a superfcie (lm); - a rea da superfcie considerada (m2).

A unidade do iluminamento lm/m2, mais conhecida por lux. atravs do iluminamento mdio que so fixados os requerimentos de iluminao em funo da atividade a ser desenvolvida em um determinado local [9]. Outro conceito fundamental em luminotcnica o de curva fotomtrica. A curva fotomtrica consiste em um diagrama polar que fornece a intensidade luminosa (em candela) de uma luminria em cada direo (o ngulo zero, de referncia, corresponde direo vertical descendente). Os valores de intensidade luminosa so sempre fornecidos considerando que a luminria est equipada com uma fonte luminosa padro com fluxo luminoso total de 1000 lm. Caso a lmpada utilizada produza um fluxo diferente, os valores de intensidade da curva fotomtrica devero ser corrigidos proporcionalmente. A Figura 13.22 apresenta um exemplo de curva fotomtrica.

Figura 13.22 - Exemplo de curva fotomtrica

Nos prximos itens sero abordados o Mtodo dos Lumens e o Mtodo Ponto a Ponto. O primeiro se destina principalmente a projetar a iluminao de recintos fechados, onde a luz refletida por paredes e teto contribui significativamente no iluminamento mdio do plano de trabalho (o plano onde sero desenvolvidas as atividades; por exemplo, o plano das mesas em um escritrio). O Mtodo Ponto a Ponto se destina principalmente ao projeto de iluminao de reas externas, onde a contribuio da luz refletida pode ser

ELETROTCNICA GERAL

335

desprezada sem incorrer em erros significativos. Alm disso, o Mtodo Ponto a Ponto pode ser utilizado como clculo verificador de um projeto elaborado pelo Mtodo dos Lumens.

13.4.2 Mtodo dos LumensO Mtodo dos Lumens tem por finalidade principal determinar o nmero de luminrias necessrias para garantir um valor de iluminamento mdio especificado a priori. Ele pode ser resumido nos passos a seguir. Passo 1 Estabelecer o iluminamento mdio do local, em funo das dimenses do mesmo e da atividade a ser desenvolvida. Conforme mencionado anteriormente, as normas tcnicas [9] possuem valores de referncia para o iluminamento mdio. Passo 2 Estabelecer o tipo de lmpada e de luminria a serem utilizadas no local. A experincia do projetista muito importante neste passo, pois um determinado conjunto lmpada/luminria disponvel comercialmente pode-se adaptar melhor a algumas aplicaes e no a outras. Por exemplo, iluminao fluorescente convencional bastante indicada para iluminao de escritrios, e iluminao incandescente a opo preferencial para galerias de arte, devido a sua excelente reproduo de cores. Passo 3 Para a luminria escolhida no passo anterior determina-se o Coeficiente de Utilizao, CUt. Este coeficiente, menor ou igual a 1, representa uma ponderao que leva em conta as dimenses do local e a quantidade de luz refletida por paredes e teto. A contribuio das dimenses do local feita atravs do chamado ndice do Local, K, definido de acordo com:

K=em que:

CL , H (C + L)

(13.7)

C - comprimento do local, considerado como tendo formato retangular (m); L - largura do local (m); H - altura de montagem das luminrias (m).

336


O ndice do local permite diferenciar locais com mesma superfcie total mas com formato diferente (quadrado, retangular, retangular alongado, etc.), e tambm incorpora a influncia da distncia entre o plano das luminrias e o plano de trabalho. De posse do ndice do local, o coeficiente de utilizao facilmente obtido atravs de tabelas cujas outras variveis de entrada so a frao de luz refletida por paredes e teto [9]. Passo 4 Para o local de instalao determina-se o Coeficiente de Manuteno, CMan. Este coeficiente, menor ou igual a 1, representa uma ponderao que leva em conta a perda de eficincia luminosa das luminrias devido contaminao do ambiente. Existem bacos [9] que fornecem valores deste coeficiente em funo do grau de contaminao do local e da freqncia de manuteno (limpeza) das luminrias. Passo 5 Determina-se o fluxo luminoso total (em lumen) que as luminrias devero produzir, de acordo com a seguinte expresso:

=em que: E

ES , CUt C Man

(13.8)

S = C L - rea do local (m2).

- iluminamento mdio (em lux) estabelecido no Passo 1;

Note-se que na Eq. (13.8) os coeficientes de utilizao e de manuteno, por serem menores ou iguais a 1, impem normalmente um aumento no fluxo luminoso que seria obtido se ambos no fossem levados em conta. Passo 6 Determina-se o nmero necessrio de luminrias nL:

nL =

, L

(13.9)

em que L representa o fluxo luminoso (em lumen) de uma luminria (este valor conhecido uma vez escolhidas a luminria e a lmpada - Passo 2).

ELETROTCNICA GERAL

337

Passo 7 Ajusta-se o nmero de luminrias de forma a produzir um arranjo uniformemente distribudo (por exemplo, um certo nmero de linhas cada uma com o mesmo nmero de colunas de tal forma que o nmero de luminrias resulte o mais prximo possvel do valor determinado no Passo 6).

13.4.3 Mtodo Ponto a PontoPara descrever o Mtodo Ponto a Ponto imprescindvel apresentar antes duas leis bsicas da Luminotcnica, a Lei do Inverso do Quadrado e a Lei dos Cosenos. A Lei do Inverso do Quadrado estabelece que o iluminamento mdio cai com o quadrado da distncia fonte luminosa. De fato, conforme ilustra a Figura 13.23, o mesmo fluxo luminoso atravessa as superfcies S1 e S2, situadas a distncias d1 e d2 da fonte luminosa, respectivamente.S1 S2

I Fonte puntiforme de luz

d1

d2

Figura 13.23 - Lei do Inverso do Quadrado

Como o ngulo slido correspondente s duas superfcies o mesmo, conclui-se que vlida a seguinte relao:

338


S1 d12 d1 = = . 2 S 2 d 2 d 2 Por outro lado, da definio de intensidade luminosa I =

2

(13.10)

resulta:

I=

2 d1 = E1 d12 = = S1 S1 2 d 1 , (13.11)

I=

2 2 = = d 2 = E2 d 2 S 2 S 2 2 d 2

em que E1 e E2 indicam o iluminamento mdio nas superfcies S1 e S2, respectivamente. Das Eqs. (13.11) resulta imediatamente que:

E (d ) =

I , d2

(13.12)

em que E(d) indica o iluminamento mdio a uma distncia genrica d da fonte luminosa. A Eq. (13.12) a expresso matemtica da Lei do Inverso do Quadrado. A Lei dos Cosenos estabelece que se a superfcie (plana) considerada no for normal direo definida pela intensidade luminosa, o iluminamento mdio na superfcie ser menor que no caso da superfcie ser normal e, ainda, a relao entre ambos valores dado pelo coseno do ngulo formado entre as normais das duas superfcies. A Figura 13.24 ilustra esta situao.

ELETROTCNICA GERAL

339

S1 (normal)

I

S2 (inclinada)

Figura 13.24 - Lei dos Cosenos

Entre as superfcies S1 e S2 vlida a relao:

S1 = cos . S2Nestas condies, a relao entre os iluminamentos mdios em S1 e S2 :

(13.13)

E2 =

I I = = cos = E1 cos . S 2 S1 S1 cos

(13.14)

A Eq. (13.14) a expresso matemtica da Lei dos Cosenos. O Mtodo Ponto a Ponto permite calcular, em qualquer ponto do plano de trabalho, o iluminamento mdio causado por uma fonte luminosa localizada em qualquer ponto do local. Inicialmente considere-se a situao da Figura 13.25. O problema determinar o iluminamento mdio no plano horizontal no ponto P, causado pela fonte luminosa.

340


Fonte I()

h

D

P d

Figura 13.25 - Mtodo Ponto a Ponto Destaca-se que a intensidade luminosa I() dada pela curva fotomtrica da luminria, considerada conhecida. O iluminamento no ponto P, no plano perpendicular intensidade luminosa, calculado atravs da Lei do Inverso do Quadrado:

EP =

I ( ) I ( ) I ( ) = = 2 cos 2 . 2 2 D h h cos

(13.15)

No ponto P, o iluminamento no plano horizontal determinado atravs a Lei dos Cossenos:

E PH = E P cos =

I ( ) cos 3 . 2 h

(13.16)

Finalmente, considerando todas as luminrias existentes no local, o iluminamento total no plano horizontal em P determinado atravs de:

E PH

Total

= E PHi =1

n

i

,

(13.17)

ELETROTCNICA GERAL

341

em que n indica o nmero total de luminrias e EPH i o iluminamento horizontal em P causado pela luminria i. Para obter o iluminamento mdio do local, aplica-se a Eq. (13.17) a um conjunto adequado de pontos de verificao e calcula-se finalmente a mdia aritmtica de todos os valores de iluminamento obtidos. Na prtica o iluminamento total em um determinado ponto tem contribuio significativa apenas das luminrias mais prximas ao ponto, sendo que a contribuio das luminrias distantes muito pequena por causa da Lei do Inverso do Quadrado. De todos modos, o clculo do iluminamento atravs do Mtodo Ponto a Ponto (Eq. (13.17)) feito normalmente atravs de programa computacional, pois o clculo manual s vivel em casos simples com poucas luminrias e poucos pontos de clculo.

Referncias Bibliogrficas do Captulo 13 [1] KAUFMANN, J. E. HAYES, H., ed., IES Lighting Handbook, New York, Illuminating Engineering Society of North America, 1981, Vol.1. [2] GRUM, F.; BARTLESON, C. J., Optical Radiation Measurement, Vol 2 Color Measurement, New York, Academic Press, 1980. [3] ADOBE SYSTEMS, Color and color management and technical guides, http://www.adobe.com/support/techguides/color, visitado em 08/2001. [4] ELENBAAS, W., Light Sources, Crane Rusch & Company, New York, 1972. [5] HENDERSON, S. R., MASDEN A. M., Lamps and Lighting, Crane Rusch & Company, New York, 2. edition, 1972. [6] COATON, J.R., Special Issue on Lighting Sources Technology, IEE Proceedings, Part A, Vol. 127, No. 3, April 1981. [7] GROOT, J., van VLIET, J., The High Pressure Sodium Lamp, London MacMillan Educational, 1986. [8] WAYMOUTH, J. F., Levin, R. E., Designers Handbook, Light Sources and Applications, Sylvania GTE Products, Danvers, 1980. [9] NBR-5413 - Iluminncia de Interiores (Norma Tcnica ABNT).

lâmpadas e luminotécnica

Documents