Iluminao Slida Como Inovao e Diferencial Positivo Para A...
Transcript of Iluminao Slida Como Inovao e Diferencial Positivo Para A...
Ministério da Educação Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.
Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Projeto Final de Graduação
MURYLLO AMALIO DE SOUZA ULISSES CHEMIN NETTO
VLADEMIR BANDEIRA
ILUMINAÇÃO SÓLIDA COMO INOVAÇÃO E DIFERENCIAL POSITIVO PARA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E MODERNIZAÇÃO
DA LUMINOTÉCNICA BRASILEIRA
CURITIBA
2004
MURYLLO AMALIO DE SOUZA ULISSES CHEMIN NETTO
VLADEMIR BANDEIRA
ILUMINAÇÃO SÓLIDA COMO INOVAÇÃO E DIFERENCIAL POSITIVO PARA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E MODERNIZAÇÃO
DA LUMINOTÉCNICA BRASILEIRA
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.
Orientador: Prof. Celso Fabrício de Mello Jr.
Co-orientador: Prof. Joaquim Eloir Rocha
CURITIBA
2004
MURYLLO AMALIO DE SOUZA
ULISSES CHEMIN NETTO
VLADEMIR BANDEIRA
ILUMINAÇÃO SÓLIDA COMO INOVAÇÃO E DIFERENCIAL POSITIVO PARA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E MODERNIZAÇÃO DA
LUMINOTÉCNICA BRASILEIRA
Este Projeto Final de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.
Curitiba, 01 de abril de 2004.
______________________________ Prof. Carlos Alberto Dallabona
Coordenador de Curso Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica
______________________________ Prof. Paulo Sérgio Walenia
Coordenador de Projeto Final de Graduação Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica
______________________________ Prof. Celso Fabrício de Melo Jr.
Orientador
______________________________ Prof. Ayrton Roberto Lopes
Membro da Banca de Defesa
______________________________ Prof. Antônio Carlos Pinho
Membro da Banca de Defesa
i
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................1 1.1 JUSTIFICATIVA............................................................................................3 1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................4
2. BASE TEÓRICA PARA A PESQUISA ....................................................................5 2.1 HISTÓRIA DA ILUMINAÇÃO .....................................................................5 2.2 NATUREZA DA LUZ ....................................................................................6 2.3 GRANDEZAS LUMINOTÉCNICAS .........................................................10
2.3.1 Fluxo Radiante ..........................................................................................10 2.3.2 Intensidade Luminosa ...............................................................................10 2.3.3 Diagrama Fotométricos .............................................................................12 2.3.4 Fluxo Luminoso.........................................................................................13 2.3.5 Quantidade De Luz ...................................................................................14 2.3.6 Eficiência Luminosa ..................................................................................14 2.3.7 Iluminância ................................................................................................15 2.3.8 Exitância Luminosa ...................................................................................17 2.3.9 Luminância................................................................................................18 2.3.10 Temperatura De Cor ...............................................................................18 2.3.11 Índice De Reprodução De Cor – Irc ........................................................19 2.3.12 Conversão De Unidades .........................................................................19
2.4 FOTOMETRIA .............................................................................................20 2.4.1 Fotômetros ................................................................................................20 2.4.2 Medição De Iluminância ............................................................................20 2.4.3 Determinação Das Intensidades Luminosas .............................................21
2.5 TIPOS DE LÂMPADAS .............................................................................25 2.5.1 Lâmpadas Incandescentes .......................................................................25 2.5.2 Lâmpadas Fluorescentes ..........................................................................30
2.6 Estudo dos semicondutores – cristais ..................................................36 2.6.1 Quebra Das Ligações Covalentes.............................................................40 2.6.2 Impurezas Doadoras .................................................................................42 2.6.3 Junções PN...............................................................................................43 2.6.4 Polarização inversa e direta ......................................................................46
2.7 DIODO EMISSOR DE LUZ – LED ..........................................................48 2.7.1 Histórico ....................................................................................................52 2.7.2 Confiabilidade dos LEDs ...........................................................................53 2.7.3 Características Qualitativas.......................................................................53
2.8 CIRCUITOS RETIFICADORES ...............................................................54 2.8.1 Retificador Monofásico De Onda Completa ..............................................55 2.8.2 Definição De Fator De Potência................................................................58
2.9 INCERTEZA.................................................................................................60 2.9.1 Incerteza do Tipo A ...................................................................................62 2.9.2 Incerteza do Tipo B ...................................................................................63 2.9.3 Incerteza Padrão Combinada....................................................................63 2.9.4 Incerteza Expandida..................................................................................64 2.9.5 Roteiro para Cálculo da Incerteza.............................................................65
3. METODOLOGIA....................................................................................................66 4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS..................................................................69
4.1 FORNECEDORES DOS LEDS DE ALTO BRILHO .............................69
ii
4.2 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E ÓPTICAS DOS LEDS .............73 4.3 CIRCUITO ELETRÔNICO ASSOCIADO ...............................................77 4.4 MONTAGEM EM BANCADA ....................................................................79 4.5 ENSAIOS .....................................................................................................80
5. CONCLUSÃO........................................................................................................83 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................88 REFERÊNCIAS......................................................................................................89 ANEXO A – GONIOFOTÔMETRO ....................................................................91 ANEXO B – PRIMEIRO PROTÓTIPO ..............................................................92 ANEXO C – CURVA FOTOMÉTRICA PARA O 1º PROTÓTIPO ................93 ANEXO D – INCERTEZA PARA O PRIMEIRO PROTÓTIPO .....................94 ANEXO E – SEGUNDO PROTÓTIPO .............................................................95 ANEXO F – CURVA FOTOMÉTRICA PARA O 2º PROTÓTIPO ...............96 ANEXO G – INCERTEZA PARA O SEGUNDO PROTÓTIPO .....................97 ANEXO H – CURVA FOTOMÉTRICA PARA LÂMPADA INCANDESCENTE DE 60W ...............................................................................98 ANEXO I – CURVA FOTOMÉTRICA PARA LÂMPADA PLE DE 15W ......99
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Espectro Eletromagnético ..........................................................................7 Figura 2 – Curva de Sensibilidade do olho a radiações monocromáticas. ..................8 Figura 3 – Representação esquemática da reflexão ...................................................8 Figura 4 – Representação esquemática da refração...................................................9 Figura 5 – Noção de intensidade luminosa ...............................................................11 Figura 6 – Superfície fotométrica ..............................................................................12 Figura 7 – Curvas fotométricas horizontais e verticais ..............................................13 Figura 8 – Gráfico comparativo de eficiência luminosa para vários tipos de lâmpadas
...........................................................................................................................15Figura 9 – Fluxo luminoso de 1 lm irradiado num ângulo sólido de 1 sr....................16 Figura 10 – Exemplo de curvas isolux.......................................................................17 Figura 11 – Temperatura de cor das lâmpadas elétricas ..........................................19 Figura 12 – Exemplo de luxímetro.............................................................................21 Figura 13 - Goniofotômetro .......................................................................................22 Figura 14 – Exemplo de Construção do diagrama de Rousseau ..............................23 Figura 15 – Partes constituintes da lâmpada incandescente típica...........................26 Figura 16 – Variação do comprimento de onda com a temperatura..........................27 Figura 17 – Efeito da variação de tensão de alimentação em uma lâmpada
incandescente ....................................................................................................29 Figura 18 – Diagrama esquemático da lâmpada fluorescente ..................................31 Figura 19 – Elementos básicos da lâmpada .............................................................33 Figura 20 – Lâmpada Fluorescente compacta ..........................................................34 Figura 21 – Partes principais da lâmpada .................................................................35 Figura 22 – Construção básica..................................................................................36 Figura 23- Cubo de face centradas ...........................................................................37 Figura 24 Cubo de corpo centrado ..................................................................38 Figura 25- Estrutura cristalina do diamante. As setas indicam ligações
covalentes. ......................................................................................................39 Figura 26 – Representação dos elétrons da camada de valência, dos
átomos de C, Ge e Si. ..................................................................................39 Figura 27 – Formação de lacuna...............................................................................40 Figura 28 – Caminhamento de elétrons e lacunas. ...................................................42 Figura 29 – Efeitos de impurezas tipo N e P na estrutura do germânio.
...........................................................................................................................43Figura 30 – Junção P-N ......................................................................................44 Figura 31 – Difusão de elétrons da região N para a região P e
consequente difusão de buracos da região P para a região N .........45 Figura 32 – Região de transição ......................................................................45 Figura 33 – Barreira de potencial devido à difusão ....................................46 Figura 34 – Polarização inversa de uma junção P-N, aumentando a
barreira de potencial ....................................................................................47 Figura 35 – Polarização direta de uma junção P-N .....................................48 Figura 36 – Anatomia do LED ...................................................................................49 Figura 37 – Detalhe da composição do Chip.............................................................49 Figura 38 – bandas de energia, (a) semicondutor puro; (b) semicondutor com
material doador de elétrons; (c) semicondutor com material receptor de elétrons............................................................................................................................50
iv
Figura 39 – bandas de energia de uma junção p-n, (a) sem aplicação de campo elétrico; (b) com a aplicação de campo elétrico .................................................51
Figura 40 – Evolução da performance dos LEDs ......................................................52 Figura 41 – Retificador Monofásico de Onda Completa............................................56 Figura 42 – Formas de onda na entrada do retificador .............................................58 Figura 43 – Variação de Intensidade Luminosa x Corrente ......................................78 Figura 44 – Arranho da Matriz de Leds .....................................................................80
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Conversão entre unidades para Intensidade Luminosa ..........................19 Tabela 2 – Conversão entre unidades para Iluminância ...........................................20 Tabela 3 – Conversão entre unidades para Luminância ...........................................20 Tabela 4 – Conseqüências da variação de tensão sobre a lâmpada ........................29 Tabela 5 – Dados Elétricos e Ópticos dos Leds de 9500 mcd ..................................76 Tabela 6 – Dados Elétricos e Ópticos do Leds de 4000 mcd....................................76 Tabela 7 – Valores obtidos no Ensaio do Protótipo...................................................81
1. INTRODUÇÃO
Dentro de um contexto de possível escassez de energia
dissemina-se a util ização de equipamentos ditos mais econômicos a f im
de se alcançar um melhor aproveitamento da energia gerada. Tomado o
ano de 2001 como referência histórica, para os que não se lembram foi
o ano do “apagão” brasileiro, o governo federal fomentou a adoção das
lâmpadas fluorescentes compactas como uma medida auxil iadora para
diminuir o consumo energético, medida essa que, em um primeiro
momento, foi adequada, pois a i luminação, por exemplo, em empresas
comerciais e de prestação de serviço, pode chegar a 80% do consumo
de energia elétrica1, e garantir a continuidade do fornecimento a todo o
país. De fato, as citadas lâmpadas podem economizar a energia,
especialmente se o foco da economia for à fatura de energia do
consumidor f inal2, tendo em vista a sua maior eficiência, se
comparadas com as lâmpadas incandescentes. Essas lâmpadas
necessitam de um disposit ivo adicional denominado reator, o qual
possui alguns efeitos colaterais para o sistema elétrico, sendo
separado entre os tradicionais reatores eletromagnéticos e os mais
recentes reatores eletrônicos. Esses efeitos colaterais serão citados ao
longo deste texto.
1 Guia de Eficiência Energética nas Micro, Pequenas e Médias Empresas. Grupo de Elaboração e Gerenciamento do Programa Energia Brasil, Governo Federal, p. 25. 2 Souza, Muryllo Amalio de. Estudo comparativo entre lâmpadas incandescentes e fluorescentes compactas - qualidade de energia e eficiência luminosa. Curitiba. CEFET-PR, 2003, p. 13.
2
Assim como o consumo, propriamente dito, o fator de potência também
é uma grandeza importante para qualif icar um aparelho eletro-
eletrônico. O fator de potência (ao qual se associam valores entre 0 e
1) retrata como a energia que flui em uma instalação está sendo
uti l izada, ou seja, a parcela desta energia que esta sendo efetivamente
uti l izada na realização de trabalho. As lâmpadas incandescentes
possuem fator de potência 1, valor considerado ideal, enquanto que as
lâmpadas fluorescentes possuem, t ipicamente, um fator de potência em
torno de 0,53. Logo, chegamos, ao ponto crucial entre as duas
lâmpadas: de um lado, temos as lâmpadas incandescentes, com fator
de potência ideal, mas de baixa eficiência, uma vez que a maior parte
da energia é transformada em calor, e do outro lado temos as lâmpadas
fluorescentes, mais eficientes, que consomem menos energia, mas que,
na maior parte dos casos, possuem um baixo fator de potência.
Pode-se dizer que o conjunto de equipamentos que compõe a
estrutura das lâmpadas fluorescentes compactas, apesar do baixo
consumo, são poluidoras do sistema elétrico (devido aos harmônicos),
ou seja, uma característica igualmente indesejável. A poluição citada
acima se caracteriza pela distorção da corrente no sistema elétr ico,
podendo interferir seriamente em outros aparelhos eletrônicos. Já
existem elementos que “f i l tram” essa poluição, porém, normalmente
não são agregados as lâmpadas, pois, são caros e a tornam
economicamente inviável4.
3 Pomilio, José Antenor . Lâmpadas fluorescentes compactas: Consumo e Qualidade – SOBRAEP4 Pomilio, José Antenor . Lâmpadas fluorescentes compactas: Consumo e Qualidade
3
O cenário acima suscita a possibil idade de criação de um
disposit ivo de i luminação que congregue o que de melhor há nos dois
t ipos apresentados e ainda traga consigo novas qualidades e
vantagens. A análise preliminar da tecnologia de estado sólido
disponível e aplicável para sistemas de i luminação sugere que sim.
1.1 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento futuro de um equipamento de i luminação
com tecnologia de estado sólido poderá proporcionar um elemento
manufaturado com vida úti l maior do que os existentes atualmente
(cerca de 100.000h somente para os leds), mecanicamente mais
resistente, pois não uti l iza elementos frágeis (como o fi lamento da
lâmpada incandescente feito de um delgado fio de tungstênio), com
possibil idade de apresentar baixa distorção da corrente, elevado fator
de potência, alto rendimento e baixo consumo. Um novo conceito em
iluminação está sendo proposto, uma forma de gerar luz visível
aplicada à i luminação de interiores feita de forma inovadora e criativa.
Durante o curso da pesquisa uma nova l inha de base para trabalhos
correlatos estará sendo aberta, pois se sabe que hoje o CEFET-PR não
possui pesquisa nesta área. Assim sendo, o interesse dos alunos por
i luminação devolve à graduação em Engenharia Industrial Elétrica
motivação e formação de recursos humanos capazes de fomentar
conhecimento sobre o tema, garantindo competit ividade ao egresso.
4
1.2 OBJETIVOS
Obtenção de um fluxo luminoso total compreendido na faixa de
240 a 400 lm. Optou-se por essa faixa, pois ela representa lâmpadas
de 25 a 40W (incandescentes) facilmente encontradas comercialmente.
Dessa forma, podemos avaliar a aplicabil idade da tecnologia de
i luminação sólida.
Parece imperativo neste ponto responder: “Qual será a
composição desta etapa da pesquisa?”. Grosso Modo, serão
investigados os seguintes pontos:
- Levantar o estado da arte das tecnologias disponíveis para
disposit ivos de i luminação;
- Levantar os leds de alto bri lho existentes atualmente no mercado;
- Estudar e pesquisar as característ icas dos leds;
- Conceber a forma inicial do protótipo em bancada;
- Estudar o circuito eletrônico associado;
- Avaliar os dados levantados nos testes;
- Exibir os desdobramentos e conclusões obtidas.
A partir do que foi descrito acima iremos focar nossos esforços
na obtenção de soluções para aqueles pontos específicos.
5
2. BASE TEÓRICA PARA A PESQUISA
Antes de serem narrados os passos e resultados da pesquisa,
f icou clara a necessidade de definir que tipo de l inguagem e
informações serão usadas e para qual leitor o texto será produzido,
assim sendo, todo este capítulo tende a uniformizar seu conhecimento,
pensamos em pessoas de formação eclética, ambientá-lo com o
universo de questões técnicas em foco para que esta pesquisa possa
ser mais bem aproveitada.
2.1 HISTÓRIA DA ILUMINAÇÃO
A seguir um breve relato sobre a i luminação artif icial.
As lâmpadas de óleo na Mesopotâmia datam de 8000 a.C. e as velas foram empregadas pela pr imeira vez no Egito ant igo. Na Idade Média, os pedestres levavam consigo um archote (uma tocha const i tuída por f ibras torc idas impregnadas com mater ia is inf lamáveis) . O pr inc ipal avanço que veio a seguir fo i a lâmpada de Argand, que com um pavio e uma chaminé de vidro, fornecia uma luz mais intensa e constante. As lâmpadas de óleo foram aperfe içoadas continuamente até o iníc io do Século 20. A lâmpada de paraf ina era amplamente ut i l izada nas zonas rurais.
A i luminação a gás, de uso comum a áreas urbanas por vol ta do Século 19, fo i cr iado por Leblon, e introduzida em Paris (1817) por Windsor, a i luminação a gás passou a ser ut i l izada nas casas, nas fábr icas e nas ruas. A i luminação elétr ica fo i in ic iada a part i r de 1840, com o emprego das lâmpadas a arco (Davy,1813), mas não alcançou grande desenvolvimento. A pr imeira lâmpada incandescente surgiu em 1854, por Heinr ich Goebel, const i tuída por um f i lamento de carvão, dentro de um bulbo de vidro, ac ionada por p i lhas pr imi t ivas, mas por fa l ta de incent ivo o seu t rabalho não teve cont inuidade. Mas por vol ta de 1870, a lâmpada elétr ica incandescente fo i inventada independentemente por Joseph Wilson Swan, que t inha as mesmas característ icas da lâmpada de Goebel e Thomas Alva Edison, que real izou uma sér ie de exper iências no que diz respei to à incandescência dos f i lamentos, optando também pelo f i lamento de carvão. Com o registro da lâmpada de Edison que foi o pr imeiro modelo apto a ser produzido em escala industr ia l anunciando o in ic io da era da i luminação moderna.
A part i r de então, melhoramentos vieram como Auer von Welsbach (1898), subst i tu indo o f i lamento de carvão pelo f i lamento metál ico (ósmio) a fabr icação de f i lamentos em forma espira l , obtendo uma evolução do rendimento luminoso e outras evoluções, chegando então, ao t ipo usado
6
nos dias de hoje: f i lamento de ósmio pelo de tugstênio (1907), que apresenta melhores condições técnicas, e a introdução do ni t rôgenio, depois argônio e por f im cr iptônio, para a vida út i l da lâmpada.
Jean Picard e Jean Bernoul l i demonstraram que a agi tação do mercúr io era capaz de produzir luminosidade. Geissler construiu em 1850, a famosa lâmpada (ou tubo) que leva o seu nome, a qual conf i rmou o fenômeno da luminosidade através das descargas elétr icas. Arons inventou a lâmpada a vapor de mercúr io, com uso comercia l em 1901, com a lâmpada Cooper- Hewit t . Em 1910, Claude apresentou a lâmpada com funcionamento à base de gases nobres (argônio, xenônio, cr iptônio, néon e hél io) e de vapor de sódio. Em 1934, apareceu a pr imeira lâmpada f luorescente que é muito empregada na industr ia, comércio e em residências.
Progressos mais recentes incluem lâmpadas de f i lamentos microscópios, que permitem aos c irurgiões examinar cavidades internas do corpo de um paciente5.
2.2 NATUREZA DA LUZ
Durante séculos, a luz intr igou a humanidade. As teor ias pr imi t ivas consideravam a luz como algo que emanava da v ista. Depois, percebeu-se que a luz devia provir dos corpos que eram visíveis e entrar no globo ocular , provocando a sensação da visão. O problema de saber se a luz era const i tuída por um feixe de partículas, ou era uma espécie part icular de movimento ondulatór io, é um dos problemas mais interessantes da histór ia da c iência6.
Nessa jornada para entender e explicar a luz duas grandes
correntes de pensamento foram estabelecidas, a saber: a teoria
corpuscular da luz e a teoria ondulatória da luz. Estas duas l inhas de
raciocínio eram antagônicas e diziam, respectivamente, que a luz se
comportava como uma partícula e que a luz se comportava como um
movimento ondulatório. Uma teoria única só foi estabelecida em
meados do século XX a partir do surgimento de um novo campo da
física, conhecido como Física Quântica, que diz que a luz ora se
comporta como onda, ora como partícula, assim foi possível modelar e
compreender as suas interações definit ivamente.
5 Cavalin, Geraldo e Cevelin, Severino. Instalações Elétricas Prediais, 8ª edição. São Paulo. Editora Érica Ltda. 1998. 6 Tipler, Paul. Ótica e Física moderna, volume 4. Editora LTC. Rio de Janeiro, 1995, pg 28.
7
A luz possui diversas características e algumas delas, de
interesse notadamente luminotécnico, serão abordadas.
O espectro eletromagnético é um conjunto de ondas de
natureza eletromagnética, portanto um fenômeno oscilatório, cuja
velocidade de propagação é constante e no qual as ondas diferem
entre si por sua freqüência e por seu comprimento de onda.
A faixa de comprimentos de onda considerados importantes
para o estudo da i luminação compreende os valores de 380 a 7607 nm,
pois são estes comprimentos percebidos pelo olho humano, sendo
também conhecidos como luz visível.
Figura 1 – Espectro Eletromagnético
Fonte: [18]
Associado ao comprimento de onda está a sensação das cores.
A f igura abaixo nos mostra como o olho humano reage a todas as cores
do espectro visível, é possível perceber que a máxima sensibil idade do
olho humano ocorre para o comprimento de onda de 555 nm (visão
fotópica) o qual ocorre durante o dia, durante a noite a máxima
7 Moreira, Vinicius de Araújo. Iluminação Elétrica, 1ª reimpressão. Edgar Blücher.Rio de Janeiro,2001, p.3
8
sensibil idade do olho humano ocorre para o comprimento de onda de
508 nm8 (visão escotópica), esse deslocamento é conhecido como
efeito Purkinje.
Figura 2 – Curva de Sensibilidade do olho a radiações monocromáticas.
Fonte: [18]
Outra característ ica interessante é a reflexão da luz.
Quando ondas de qualquer t ipo at ingem uma barreira p lana, por exemplo um espelho, formam-se novas ondas que se afastam da barreira. Este fenômeno é a ref lexão. A ref lexão ocorre numa fronteira entre dois meios di ferentes, como a superf íc ie ar-vidro, e neste caso uma parte da energia inc idente é ref let ida e outra parte transmit ida, a f igura abaixo mostra um raio de luz que at inge uma superfíc ie l isa ar-v idro. O ângulo θ i entre o raio inc idente e a normal a superf íc ie (a perpendicular à superf íc ie) é o ângulo de incidência, e o plano def in ido pelo ra io incidente e a normal é o plano de inc idência. O raio ref let ido está no plano de inc idência e faz o ângulo θ r com a normal, este ângulo é igual ao ângulo de inc idência. Este resul tado é a le i da ref lexão e vale para qualquer t ipo de onda9.
Figura 3 – Representação esquemática da reflexão
Fonte: os autores 8 ibid. p. 3.
9 Tipler, Paul. Ótica e Física moderna, volume 4. Editora LTC. Rio de Janeiro, 1995, pg 34.
9
A reflexão pode ainda ser dos seguintes t ipos:
• Ref lexão especular : Quando a luz se projeta sobre uma superf íc ie (espelhada) e é ref let ida para outra direção com o mesmo ângulo em que fo i projetada.
• Ref lexão di fusa: Quando a luz se projeta sobre uma superf íc ie fosca ou áspera e é ref let ida em forma de explosão em todas as direções.
• Ref lexão mista: Quando a luz se projeta sobre uma superf íc ie acet inada e é ref let ida em forma de explosão com uma relat iva direcional idade.10
O conhecimento da reflexão possibil i ta a construção de
refletores para luminárias, os quais tem por função modif icar a
distribuição espacial do f luxo luminoso da fonte.
Uma característica importante e semelhante a anterior é a
Refração, que vem a ser:
O fenômeno da refração ocorre quando um raio luminoso passa de um meio para o outro. Quando isso ocorre a velocidade da onda é al terada e is to, qual i tat ivamente, se traduz em uma mudança de direção de propagação. O raio inc idente θ1 , o raio refratado θ2 e a normal no ponto de inc idência estão sempre em um mesmo plano, a is to chama-se de refração11 .
Figura 4 – Representação esquemática da refração.
Fonte: os autores
10 Salgado, Raphael Ferreira. Manual de Luminotécnica. Interpam. Belo Horizonte, 2000, pg. 2.
11 Fonseca, iluminação elétrica, pg 7 a 8.
10
2.3 GRANDEZAS LUMINOTÉCNICAS
Neste tópico as principais grandezas e unidades luminotécnicas
serão apresentadas de forma sucinta, a partir das disposições
normativas contidas na NBR(Norma Brasileira Regulamentadora) 5461,
I luminação, NBR 5413, I luminância de Interiores, e do Sistema
Internacional de Unidades (SI).
2.3.1 Fluxo Radiante
“É a quantidade de energia transportada por uma radiação. As
unidades que medem o fluxo radiante são as unidades de energia: watt-
hora (Wh), Joule (J), etc”.12
2.3.2 Intensidade Luminosa
“É o l imite da relação entre o f luxo luminoso em um ângulo
sólido em torno de uma direção dada e o valor desse ângulo sólido,
quando esse ângulo sólido tende para zero”.13
ωϕ
=ddI
12 Moreira, 2001,p.11.
13 ibid. p.11.
11
Figura 5 – Noção de intensidade luminosa
Fonte: [1]
A unidade de intensidade luminosa é o candela (cd) e corresponde à
intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação
monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética
naquela direção é 1/683 watt por esterradiano (Unidade de Base ret i f icada pela 16a
CGPM – 1979)14.
As fontes industr ia is de luz não possuem, em geral , d istr ibuição de suas intensidades luminosas, is to é, a intensidade luminosa não é a mesma em todas as direções. Temos então, muitas vezes, a necessidade de determinar a intensidade luminosa média.
• Intensidade luminosa média hor izontal é a média dos valores da intensidade luminosa medida em todas as direções de um plano hor izontal , passando pelo centro da fonte luminosa.
• Intensidade média esfér ica é a média dos valores da intensidade luminosa, medida em todas as direções do espaço.
• Fator de redução esfér ica é o quociente da intensidade média esfér ica para a intensidade média hor izontal . 15
14 INMETRO. Sistema Internacional de Unidades – SI, 8ª edição. Rio de Janeiro, 2003, p.26.
15 Moreira, 2001, p.12.
12
2.3.3 Diagrama Fotométricos
“A distribuição de luz realizada por uma fonte pode ser
representada por uma superfície definida pela distribuição espacial dos
valores da intensidade luminosa em cada direção16”, essa superfície é
chamada de superfície fotométrica e uma de suas representações pode
ser vista abaixo.
Figura 6 – Superfície fotométrica
Fonte: [1]
Por ser uma distribuição espacial, a superfície fotométrica não
pode ser representada diretamente sobre o plano. Para que a
representação seja possível adotam-se projeções dessa superfície
sobre um plano. A intersecção de uma superfície fotométrica por um
plano que passa pelo centro da fonte luminosa é uma curva
16 ibid. p.13.
13
fotométrica, que pode ser horizontal ou vertical. Segundo a
ABNT(Associação Brasileira de Normas Técnicas) a curva fotométrica é
“uma curva, geralmente polar, que representa a variação da
intensidade luminosa de uma fonte segundo um plano passando pelo
centro, em função da direção”.
Figura 7 – Curvas fotométricas horizontais e verticais
Fonte: [1]
2.3.4 Fluxo Luminoso
Segundo a ABNT, “é a grandeza característica de um fluxo
energético, exprimindo sua aptidão de produzir uma sensação luminosa
no ser humano através do estímulo da retina ocular, avaliada segundo
os valores da eficácia luminosa relativa admitidos pela comissão
internacional C.I.E”. É possível equiparar o f luxo a uma “pressão”
exercida em todas as direções em redor de um foco luminoso. A
14
unidade de medida do fluxo é o lúmen (lm), definido como “fluxo
luminoso emitido no interior de um ângulo sólido igual a um
esferorradiano, por uma fonte luminosa puntiforme de intensidade
invariável e igual a uma candela, de mesmo valor em todas as
direções”.
2.3.5 Quantidade De Luz
Quantidade de luz Q é a medida de energia radiante, avaliada
de acordo com sua capacidade de produzir sensação visual, sua
unidade é o lumen-segundo (lm.s), que é a “quantidade de luz, durante
1 segundo, de um fluxo luminoso uniforme e igual a 1 lm”.
2.3.6 Eficiência Luminosa
Eficiência luminosa η de uma fonte luminosa é a relação entre o
f luxo luminoso total emitido pela fonte e a potência por ela absorvida,
Wlm ou
P=η
φ=η
Onde φ é o f luxo luminoso emitido pela fonte luminosa (lm); P o fluxo
radiante ou potência absorvida (W); e η a eficiência luminosa (lm/W). A
figura 8 mostra as eficiências luminosas das principais lâmpadas
elétricas, onde podemos observar, em cor escura, a faixa de variação
das lâmpadas em questão (por exemplo, a incandescente variando
entre 10 e 15 lm/W).
15
Figura 8 – Gráfico comparativo de eficiência luminosa para vários tipos de lâmpadas
Fonte: [18]
2.3.7 Iluminância
Iluminância ou i luminamento é o “f luxo luminoso incidente por
unidade de área i luminada”, pode ser definida também, em um ponto de
uma superfície, como “a densidade superficial de fluxo luminoso
recebido”.
dSdE ϕ
=
A unidade da i luminância é o lux, “ i luminância de uma
superfície plana, de área igual a 1 m², que recebe, na direção
perpendicular, um fluxo luminoso igual a 1 lm, uniformemente
distribuído”, conforme mostrado na figura 9.
16
Figura 9 – Fluxo luminoso de 1 lm irradiado num ângulo sólido de 1 sr
Fonte: [1]
Com o conceito de i luminância é possível criar uma curva
chamada de Curva Isolux, que é “uma l inha traçada em um plano,
referida a um sistema de coordenadas apropriado, l igando pontos de
uma superfície, que têm iluminância igual”. Um exemplo pode ser visto
a seguir:
17
Figura 10 – Exemplo de curvas isolux
Fonte: [1]
2.3.8 Exitância Luminosa
A Exitância Luminosa H é a densidade superficial de um fluxo
luminoso emitido.
dSdH ϕ
=
A unidade da excitância luminosa é o lúmen por metro quadrado
(lm/m²).
18
2.3.9 Luminância
Luminância L, segundo a ABNT é o “l imite da relação entre a
intensidade luminosa com a qual irradia, em uma direção determinada,
uma superfície elementar contendo um ponto dado e a área aparente
dessa superfície para uma direção considerada, quando essa área
tende para zero”
adSdIL =
A unidade da luminância é o candela por metro quadrado
(cd/m²).
2.3.10 Temperatura De Cor
É a grandeza que expressa a aparência de cor de uma luz, sua
unidade é o kelvin, quanto mais alta é a temperatura de cor, mais
branca é a cor da luz, a temperatura de cor aproximadamente 3000 K
corresponde a “luz quente” de aparência amarelada. A “luz fr ia”, 6000 K
ou mais, por outro lado, tem aparência branco violeta. A “luz branca
natural” emit ida pelo sol em céu aberto, ao meio dia, tem temperatura
de cor de 5800 K. Na figura 11 é possível observar as temperatura das
principais lâmpadas.
19
Figura 11 – Temperatura de cor das lâmpadas elétricas
Fonte: [1]
2.3.11 Índice De Reprodução De Cor – Irc
É a medida de correspondência entre a cor real de um objeto e
sua aparência diante de uma fonte de luz, corresponde a um número
abstrato, variando de 0 a 100, que indica aproximadamente como a
i luminação artif icial permite ao olho humano perceber as cores com
maior ou menor f idelidade. Lâmpadas com IRC próximo de 100
reproduzem as cores com fidelidade e precisão.
2.3.12 Conversão De Unidades
Tabela 1 – Conversão entre unidades para Intensidade Luminosa
Intensidade Luminosa cd cp HK IK 1 candela (cd) 1 1 1,16 0,98 1 candle-power (cp) 1 1 1,16 0,98 1 vela Hefner (HK) 0,86 0,86 1 0,85 1 vela internacional ( IK) 1,02 1,02 1,17 1
Fonte: [1]
20
Tabela 2 – Conversão entre unidades para Iluminância
I luminância lx ft-cd 1 lux ( lx) 1 0,0919 1 foot-cadle ( f t -cd) 10,764 1
Fonte: [1]
Tabela 3 – Conversão entre unidades para Luminância
Luminância cd/m² cd/cm² ft-L 1 cd/m² 1 10- 4 0,2919 1 cd/cm² 104 1 2919 1 foot-Lambert ( f t-L) 3,426 3,426 x 10- 4 1
Fonte: [1]
2.4 FOTOMETRIA
A fotometria consiste em uma série de métodos e processos de
medida das grandezas luminosas, alguns desses métodos serão
descritos a seguir.
2.4.1 Fotômetros
São os equipamentos uti l izados nas medições de nível de
i luminação. Os fotômetros mais antigos eram, simplesmente, aparelhos
comparadores que nos permitiam avaliar visualmente uma grandeza
quando comparada com um padrão. Os fotômetros atuais, fotoelétricos,
baseiam-se em fotocélulas e, sendo calibrados, nos permitem a leitura
direta da grandeza medida.
2.4.2 Medição De Iluminância
Quando se deseja conhecer os níveis de i luminância de
interiores, procede-se à sua medição com o auxíl io de fotômetros
21
calibrados em lux (luxímetro). Para instalações recém-construídas,
deve-se fazê-las funcionar por algum tempo, para só então proceder às
medições. A NBR 5382 determina a maneira de se efetuar esse ensaio.
Figura 12 – Exemplo de luxímetro
Fonte: os autores
2.4.3 Determinação Das Intensidades Luminosas
A determinação das intensidades luminosas poderá ser feita num banco
ótico ou num goniofotômetro, sendo a segunda maneira escolhida pela equipe, pois
os mesmos já possuem experiência no seu uso.
O goniofotômetro consta de uma estrutura provida de dois
l imbos graduados, que permite a rotação do equipamento sob teste
segundo um eixo horizontal ou segundo um eixo vertical. A Obtenção
dos dados em iluminância E ( lux ) a amostra previamente uti l izada (
aproximadamente 1% de sua vida úti l) instalada no goniofotômetro a
uma distância d 5 vezes a maior dimensão da amostra (com essa
providência, o erro f ica em aproximadamente 2%) dentro de uma
22
câmara escura. Executa-se a leitura para diversos ângulos horizontais
e verticais, do movimento dos l imbos do goniômetro, conforme figura
13. Os resultados serão tabulados .
Figura 13 - Goniofotômetro
Fonte: [1]
Com a tabulação dos valores do iluminamento (lux), que é a
grandeza em que o luxímetro mede, tem que se converter o
i luminamento para intensidade luminosa (cd – candelas) que é uma
das unidade usadas para diagramas fotométrico. Para isso uti l iza-se a
“lei de Lambert”.
2d.EI =
Onde I é a intensidade luminosa (cd-candelas); E o
i luminamento (lux) obtida pelo luxímetro ; e d é a distância do luxímetro
ao goniômetro . Os valores são novamente tabulados. Com os valores
tabulados por candela, t irou-se a média da intensidade na zona
vertical, pois será este o plano usado neste projeto, e é o plano usado
mais comumente pelos fabricantes , pois nele é onde melhor se
23
representa a variação da intensidade luminosa. Para o levantamento da
curva, foram inseridos os pontos médios da intensidade luminosa em
um determinado ângulo obtendo assim a curva.
Outra vantagem do uso do goniofotômetro, é que a partir da
curva fotométrica e com o auxíl io do método de Rousseau é possível
obter o f luxo luminoso da amostra.
Dado o diagrama fotométrico, traça-se uma reta paralela ao
diâmetro vertical 0-180° do diagrama. Traçam-se perpendiculares à
reta paralela pelos pontos de divisão do círculo externo e, sobre cada
uma dessas retas, marca-se o valor da intensidade correspondente.
Figura 14 – Exemplo de Construção do diagrama de Rousseau
Fonte: os autores
Com o diagrama de Rousseau iremos ter dois eixos os das
ordenadas que estará relacionada com (θ) , que terá uma magnitude
representada por “ y ” , pela expressão:
)cos1(ry θ−= (1)
24
De forma que para θ=0° temos y = 0, para θ=90° temos y = r e
para θ=180° temos y = 2r.
Sendo “r” o raio da circunferência usado para traçar as retas
perpendiculares a reta paralela, mencionada anteriormente. O valor do
raio desta circunferência pode ser qualquer, pois os resultados finais
resultaram em função deste valor.
Nas abcissas, teremos o valor das intensidades luminosas
“Iv“.O valor da área total do diagrama de Rousseau pode ser obtido,
mediante ao cálculo integral, somando todas as áreas
infinitesimais,através da expressão:
(2) θθθ== ∫∫
π
0v
r2
0v d.sen)(rdy)y(A II
Sendo, que pela definição de intensidade luminosa temos:
θ=φ→θφ
= d.ddd II vv (3)
Mas para que possamos obter o f luxo total, teremos que
integrar esta expressão ao longo de todo o espaço.
θθπ=θθπ
==θ d.sen.2.d.sen.2dAd
rr
r 2
2
2 (4)
Mesclando as equações, teremos:
(5) θθπ=φ d.sen2.d Iv
25
Então, para o f luxo luminoso emitido no intervalo de θ1 à θ2
será,
∫θθ θθπ=φ 2
1
d.sen.I2 (6)
se compararmos a equação acima com a equação , obtida para
o calculo da área veremos que tem a mesma integral , assim sendo
teremos a seguinte relação.
rA2π=φ
(7)
Portanto se obtivermos a área do diagrama de Rousseau, por
qualquer processo teremos o f luxo total da amostra.
2.5 TIPOS DE LÂMPADAS
Conforme foi delimitado no capítulo 1 será dado ênfase apenas
as lâmpadas incandescentes e f luorescentes.
2.5.1 Lâmpadas Incandescentes
As lâmpadas incandescentes constam basicamente de um
fi lamento espiralado que é levado a incandescência pela passagem da
corrente elétrica (efeito Joule). Sua oxidação é evitada pela presença
de gás inerte ou vácuo dentro do bulbo que contém o fi lamento.
26
A figura a seguir representa o t ipo mais comum de lâmpada
incandescente para i luminação residencial.
Figura 15 – Partes constituintes da lâmpada incandescente típica
Fonte: [20]
O material a ser uti l izado no fi lamento de uma lâmpada
incandescente deve satisfazer a vários requisitos, deverá possuir
elevado ponto de fusão, pois a radiação total (E) emit ida é diretamente
proporcional a quarta potência da temperatura (T) do radiador, ( lei de
Stefan-Boltzmann),
4sTE =
Também a porcentagem de energia visível cresce com o
aumento da temperatura, lei de Wien. A figura 16 i lustra isso melhor.
27
Figura 16 – Variação do comprimento de onda com a temperatura
Fonte: [1]
O bulbo é o elemento que protege e acondiciona o f i lamento do
ambiente externo. As principais f inalidades dos bulbos são:
- Separar o meio interno, onde opera o f i lamento, do meio externo;
- Diminuir a luminância da fonte de luz;
- Modificar a composição espectral do fluxo luminoso produzido;
- Alterar a distribuição fotométrica do fluxo luminoso produzido;
- Finalidade decorativa.
Conforme a finalidade da lâmpada, o bulbo preencherá uma ou
várias dessas características. Nunca, contudo, poderá preencher todas
ao mesmo tempo. O vidro empregado em sua fabricação é normalmente
o vidro-cal, macio, de baixa temperatura de amolecimento.
28
Outro elemento constituinte são as bases que têm por
f inalidade fixar mecanicamente a lâmpada em seu suporte e completar
a l igação elétrica ao circuito de alimentação. A maior parte das
lâmpadas usa a base de rosca Edison. Em casos particulares, são
uti l izadas bases de desenho especial.
No centro da lâmpada existe uma cana terminada em botão,
onde são inseridos os fios de molibdênio que suportam em sua posição.
A parte inferior da cana é soldada e prensada no flange, nessa junção
passam os l ides, que fazem o contato elétrico ao circuito externo
através da base.
A tensão de alimentação possui efeitos pronunciados sobre a
lâmpada incandescente que podem ser resumidos através da tabela 4 e
gráfico da f igura 17, a seguir:
29
Figura 17 – Efeito da variação de tensão de alimentação em uma lâmpada incandescente
Fonte: [1]
Tabela 4 – Conseqüências da variação de tensão sobre a lâmpada Tensão nominal da lâmpada Conseqüências
Menor que a tensão nominal da concessionária.
Aumento da corrente, potência e f luxo luminoso da lâmpada. Grande redução
da sua vida. Igual à tensão nominal da
concessionária. Lâmpada funcionando em seus valores
nominais de projeto.
Maior que a tensão nominal da concessionária.
Grande aumento da vida da lâmpada, redução na potência, corrente e no f luxo
luminoso produzido. Fonte:[1]
Como a impedância do fi lamento é constituída prat icamente por
um circuito resistivo, seu fator de potência é unitário.
O efeito estroboscópico é praticamente desprezível para
qualquer potência de lâmpada incandescente em 60 Hz.
30
Ao ser energizada, teoricamente, existe uma sobrecorrente na
lâmpada no momento em que o interruptor é acionado, essa corrente
seria inversamente proporcional à variação da resistência de seu
fi lamento.
O fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas incandescentes
diminui, durante sua vida, devido a dois fatores:
- Com a constante evaporação do fi lamento sua seção decresce,
ele se torna cada vez mais frágil, sua temperatura é reduzida e sua
resistência elétrica é acrescida, fazendo com que a lâmpada consuma
menor potência elétrica e emita menos luz;
- Simultaneamente, o f luxo luminoso diminui devido ao
enegrecimento interno do bulbo pelas partículas evaporadas.
2.5.2 Lâmpadas Fluorescentes
Apresentam um princípio de funcionamento bastante diferente
daquele empregado nas lâmpadas incandescentes.
Nesta tecnologia, a luz é proveniente de uma descarga elétrica
que flui através de um gás à baixa pressão (geralmente argônio +
mercúrio) e que gera radiação ultravioleta (invisível para nós). Esta
radiação, por sua vez, incide na parede interna do bulbo da lâmpada,
que é revestido com um pó à base de fósforo, e transforma-se em luz.
A luz emitida por uma determinada lâmpada fluorescente é
resultado da composição do material que reveste o bulbo, chamado de
pó fluorescente. Ele determina a quantidade de luz (f luxo luminoso) e a
31
qualidade da luz (temperatura de cor e índice de reprodução de cores).
Existem fósforos que produzem, quando estimulados, cores
específicas. E da combinação desses fósforos pode-se conseguir
praticamente todos os t ipos de brancura, da mais azulada à mais
rosada. Basicamente, existem hoje dois t ipos de pó fluorescente, a
saber:
Figura 18 – Diagrama esquemático da lâmpada fluorescente
Fonte:[21]
- Pó comum: apresenta eficiência energética de até 70 Im/W,
temperatura de cor variando de 4.100 a 6.100K e índice de reprodução
de cores entre 48 e 78%.
- Pó tr i-fósforo: com eficiência energética de até 100 Im/W,
temperatura de cor variando de 4.100 a 6.100K e índice de reprodução
de cores de 85%. O pó tri-fósforo é mais moderno, com melhor
eficiência e boa reprodução de cores.
32
Na tecnologia da lâmpada fluorescente, a corrente elétrica f lui
através de um gás e aqui ocorre um fenômeno físico que sempre tende
a aumentar esta corrente. Para mantermos o funcionamento da
lâmpada, faz-se necessária a uti l ização de um equipamento externo
chamado reator e que tem como principal função l imitar esta corrente.
Existem diversas tecnologias na construção de reatores. As
mais comuns são:
- Reator eletromagnético: equipamento composto geralmente por
uma bobina de fio de cobre enrolado em um núcleo de material
ferromagnético. Pode ser do tipo partida rápida ou partida com starter.
- Reator eletrônico: com topologia eletrônica, oferece diversas
vantagens em relação ao eletromagnético: menor consumo de energia,
ausência de ruído, inexistência de cinti lação, possibil idade de
dimerização (controle de fluxo luminoso através de um controle de
potência elétrica entregue à lâmpada) de lâmpadas fluorescentes etc.
O mais extraordinário é que, apesar de passar por todos esses
processos para gerar luz, a lâmpada fluorescente é muito mais
eficiente que as incandescentes. A sua vida úti l , dependendo do tipo, é
de 7.500 a 16.000 horas.
A figura abaixo mostra a construção elementar de uma lâmpada
fluorescente.
33
Figura 19 – Elementos básicos da lâmpada
Fonte:[21]
onde,
1 – Bulbo; 2 – Base; 3 – Eletrodo.
O grande tamanho das lâmpadas fluorescentes acabou por
l imitar seu uso em determinadas aplicações. Com o objetivo de dar
maior f lexibil idade e ampliar a sua uti l ização, foram desenvolvidas as
lâmpadas fluorescentes compactas, que reúnem todas as vantagens
das fluorescentes tubulares num tamanho menor. O seu princípio de
funcionamento é exatamente o mesmo das fluorescentes tubulares. A
redução de suas dimensões foi conseguida com a introdução de uma,
duas ou três dobras no bulbo.
A lâmpada f luorescente compacta revelou-se uma fonte
luminosa elétrica de grande aplicabil idade e economia, principalmente
na substituição de lâmpadas incandescentes. Hoje, é uma l inha de
lâmpadas com design moderno, extremamente compacto e com uma
34
diversidade capaz de atender às mais diferentes necessidades de
aplicação, sejam no ambiente comercial ou residencial.
Comparada às incandescentes comuns, apresentam as
seguintes vantagens:
- Consumo de energia 80% menor, resultando daí uma drástica
redução na conta de luz;
- Durabil idade 10 vezes maior, o que gera uma enorme redução
nos custos de manutenção e reposição de lâmpadas.
- Design moderno, leve e compacto;
- Aquecem menos o ambiente, proporcionalmente mais conforto e
não sobrecarregando o ar condicionado.
- Excelente reprodução de cores, com índice de 85%, o que
garante o seu uso em locais onde fidelidade de cor e valorização dos
espaços e produtos sejam fundamentais;
-
Figura 20 – Lâmpada Fluorescente compacta
Fonte:[21]
35
Figura 21 – Partes principais da lâmpada
Fonte:[21]
onde,
1-Bulbo; 2-Base; 3 Eletrodo; 4 -Starter.
A evolução dessas lâmpadas são as Fluorescentes
Compactas,que possuem um reator eletrônico incorporado à base e
esta, por sua vez, é do tipo E27, ou seja, igual a da lâmpada
incandescente comum. Estão disponíveis nas tensões de 127 e 220
volts. Caracterizam-se pela possibil idade de substituir as lâmpadas
incandescentes sem nenhuma necessidade de adaptação.
São indicadas para locais onde não se pretende um
investimento maior que o custo adicional de lâmpada, já que dispensam
qualquer alteração das instalações e adequação de luminárias.
Normalmente são uti l izadas em residências, condomínios,
restaurantes, lojas, hotéis, etc.
36
Figura 22 – Construção básica
Fonte:[21]
onde,
1 – Bulbo; 2 – Base; 3 - Tubo de esgotamento; 4 – Eletrodos.
2.6 Estudo dos semicondutores – cristais
Faz-se necessário, neste ponto do estudo, abordar o assunto
de semicondutores, pois, o circuito que será desenvolvido necessitará
de, pelo menos, dois elementos constituídos deste t ipo de material: o
led e os elementos retif icadores.
As figuras 23, 24 e 25 mostram a disposição dos átomos
que constituem uma célula unitária. A figura 23 mostra a disposição do
cubo de faces centradas, onde vemos que os átomos são colocados
nos vértices e no centro das faces dos cubos. O cobre tem esta
disposição.
37
A figura 24 mostra o cubo de corpo centrado. Neste caso, os
átomos estão situados nos vértices e no centro do cubo. ( átomos de
Césio, ferro, lít io, nióbio, etc.).
A f igura 25 mostra a disposição dos átomos do diamante, os
quais estão localizados nos vértices, nos centros das faces e no
interior do cubo.
A estrutura cristalina é formada por células unitárias
superpostas. Os átomos, para conseguirem o estado de equilíbrio de
energia, tendem a ficar com oito elétrons na últ ima camada (camada de
valência).
Figura 23- Cubo de face centradas Fonte: os autores
38
Figura 24 Cubo de corpo centrado Fonte: os autores
No caso dos cristais, como estes apresentam quatro
elétrons na camada de valência (ver f igura 26), a natureza achou como
solução para a formação destes, que cada átomo se l igue a outros
quatro átomos (ver f iguras 23, 24 e 25), por l igações covalentes, onde
cada átomo cede um elétron, para formar par com um dos quatros
elétrons do átomo vizinho (f igura 27).
39
Figura 25- Estrutura cristal ina do diamante. As setas indicam l igações covalentes.
Fonte: os autores
Figura 26 – Representação dos elétrons da camada de valência, dos átomos de C, Ge e Si.
Fonte: os autores
40
Figura 27 – Formação de lacuna
Fonte: os autores
2.6.1 Quebra Das Ligações Covalentes
A estrutura cristalina a 0 K (temperatura absoluta) tem os
elétrons das l igações covalentes fortemente l igadas e o cristal é um
material isolante, pois não há elétrons l ivres. Na temperatura ambiente
(25 °C) as l igações covalentes são mais frágeis, necessitando uma
energia 0,7 eV (1 elétron volt = 1,6 x 10-19 Joules) para quebrar esta
l igação covalente no Germânio e 1,11 eV no silício.
Conforme mostra a f igura 27, o acréscimo de temperatura,
fornecendo esta energia, produz a ruptura de l igações covalentes. O
életron que abandonou a l igação covalente f ica l ivre e na estrutura
cristalina. Aparece o que chamamos de buraco, que se comporta como
se fora uma partícula posit iva.
41
Se colocarmos um campo elétrico (f igura 28) o elétron l ivre se
desloca em sentido contrário a este campo elétrico. O átomo 4 perde
um elétron. O elétron do átomo 3 segue então para este buraco que
apareceu. Fica então o buraco no átomo 3, que recebe o elétron do
átomo 2 e assim sucessivamente.
Vemos então, que os buracos se comportam como no
deslocamento de partículas posit ivas, em sentido contrário ao das
partículas negativas. Atente para a diferença enorme que existe entre
um condutor como o cobre, onde não aparecem os buracos (não
existem ligações covalentes no cobre) e um semicondutor (em que
existem os elétrons e os buracos).
Um semicondutor é puro, quando para cada 109 átomos do
material, existe apenas um átomo de impureza (intrínseco).
Neste semicondutor intrínseco, o número de elétrons l ivres é
igual ao número de buracos e quando estes se recombinam, ambos
desaparecem.
42
Figura 28 – Caminhamento de elétrons e lacunas.
Fonte: os autores
2.6.2 Impurezas Doadoras
Na figura 29 vemos a estrutura das l igações covalentes do
átomo de germânio. Na estrutura da figura 29a, é colocado um átomo
de fósforo, que tem cinco elétrons na camada de valência. Um destes
elétrons não faz parte de l igação covalente e f ica fracamente l igado à
estrutura (energia necessária para arranca-lo é de 0,01 eV ao passo
que são necessários 0,7 eV para os que fazem parte de l igações
covalentes).
Estas estruturas fornecem elétrons e são chamadas tipo N.
Já na figura 29b, foi colocado um átomo de Boro entre os do
germânio. Como o boro tem apenas três elétrons em sua camada de
valência, um dos elétrons fica sem o seu par de l igação covalente,
43
surgindo aí um buraco. Estas estruturas aceitam elétrons e são
chamadas do tipo P.
Figura 29 – Efeitos de impurezas t ipo N e P na estrutura do germânio. Fonte: os autores
2.6.3 Junções PN
Juntando-se uma estrutura t ipo P com uma do tipo N, conforme
a f igura 30, temos no encontro destas estruturas o que chamamos
junção PN.
Na figura 31, vemos então, que elétrons da estrutura N, são
atraídos pelos buracos da estrutura P. Os átomos que perderam um
elétron, tornam-se portanto, carregados posit ivamente. Ao contrário, os
átomos que receberam um elétron tornam-se carregados
negativamente. Cria-se então um campo elétrico, conforme indica a
f igura 32. Estes íons assim formados são chamados cargas
44
descobertas e a região em torno da junção é chamada de região de
transição. Estas cargas descobertas começam então a repetir a
aproximação de novos portadores de carga e o processo não segue
continuadamente, parando em seu ponto de equilíbrio.
Surge aí, uma diferença de potencial, chamada barreira de
potencial (por tender a barrar o deslocamento de portadores de carga),
que funciona como se fosse uma bateria, conforme podemos observar
na figura 33.
Figura 30 – Junção P-N
Fonte: os autores
45
Figura 31 – Difusão de elétrons da região N para a região P e consequente
difusão de buracos da região P para a região N Fonte: os autores
Figura 32 – Região de transição
Fonte: os autores
46
Figura 33 – Barreira de potencial devido à difusão Fonte: os autores
2.6.4 Polarização inversa e direta
É fácil de se entender que l igando-se o terminal posit ivo de
uma bateria ao material N e o negativo ao material P, (f igura 34) os
elétrons livres do material N, são atraídos pelo pólo posit ivo da bateria,
ao passo que os elétrons do material P, são repelidos pelo pólo
negativo da bateria.
Assim sendo, aumenta a diferença de potencial da barreira de
potencial, cujo sentido, é contrário ao da bateria e praticamente, não
há deslocamento de cargas. Como no próprio material N, existem
buracos (devido, por exemplo, a energia térmica), haverá uma pequena
corrente devido a estes buracos, que atraem elétrons do terminal
47
negativo da bateria, chamada "corrente inversa", devido aos portadores
em minoria (minoritários).
Na figura 35, vemos a polarização direta. Neste caso, os
elétrons do terminal negativo, repelem os elétrons da barreira de
potencial para o material P, que são atraídos pelo terminal posit ivo da
bateria e surge uma corrente de energia, chamada corrente direta, a
qual, é devida aos portadores majoritários.
Figura 34 – Polarização inversa de uma junção P-N, aumentando a barreira de potencial
Fonte: os autores
48
Figura 35 – Polarização direta de uma junção P-N Fonte: os autores
2.7 DIODO EMISSOR DE LUZ – LED
Diodos são disposit ivos semicondutores que convertem energia
elétrica diretamente em energia luminosa através de chips de
minúsculas dimensões (t ipicamente 0,25 mm²) constituídos
basicamente por uma camada at iva de material semicondutor
compreendida entre dois cristais semicondutores, sendo um do tipo “p”
e o outro do tipo “n”. Estes materiais são constituídos por cristais de
silício impregnados com materiais doadores de elétrons ou materiais
receptores de elétrons. O conjunto é encapsulado em resina epóxi
transparente para direcionar a emissão de luz e proteger o elemento
semicondutor. As figuras a seguir i lustram isso.
49
Figura 36 – Anatomia do LED
Fonte: [14]
Figura 37 – Detalhe da composição do Chip
Fonte: [22]
50
De acordo com as leis da Física moderna, os elétrons que
orbitam em torno do núcleo de um átomo apresentam níveis discretos
de energia bem definidos. Os elétrons e lacunas são distribuídos em
duas bandas de energia distintas do material, denominadas de banda
de condução e banda de valência, separadas por um gap denominado
banda proibida. Quando um campo elétrico é aplicado à junção, os
elétrons do material t ipo “n” se movem para a banda de condução da
camada ativa, enquanto as lacunas do material t ipo “p” são injetadas
para o interior da banda de valência, conforme a figura 38.
Quando a junção p–n é constituída, as bandas de energia
adquirem a configuração mostrada na figura 39a. Ao aplicar um campo
elétrico à junção, os elétrons e as lacunas tendem a migrar nas
direções indicadas na figura 39b, ocasionando as chamadas
recombinações.
Figura 38 – bandas de energia, (a) semicondutor puro; (b) semicondutor com material doador
de elétrons; (c) semicondutor com material receptor de elétrons. Fonte: [9]
51
Figura 39 – bandas de energia de uma junção p-n, (a) sem aplicação de campo elétrico; (b) com a aplicação de campo elétrico
Fonte: [9]
O comprimento da onda da luz emitida, que caracteriza a cor da
radiação luminosa, é determinado pela banda de energia da camada
ativa, situada na região próxima à junção, de acordo com a seguinte
equação:
proibida) (banda ativa. camada da energia de banda Eluz; da velocidade c
Planck; de constante hradiação; da onda de ocompriment
:ondeE
ch
g
g
====λ
×=λ
Nota-se, portanto, que o comprimento de onda será tanto menor
[...] quanto maior for a banda de energia da camada ativa. Por sua vez,
esta banda de energia é função do tipo e das características dos
materiais doadores e receptores de elétrons impregnados no cristal
semicondutor.
52
2.7.1 Histórico
Nos anos 60 foi desenvolvida a primeira geração de LEDs,
empregando materiais à base de Gálio, Arsênio e Fósforo (GaAsP),
produzindo luz vermelha. Nas décadas seguintes foram surgindo no
mercado LEDs com radiações luminosas nas cores, azul, verde, laranja
e âmbar.
Com o acelerado desenvolvimento da tecnologia de fabricação
dos LEDs, a eficácia luminosa destes disposit ivos já ultrapassou a das
lâmpadas incandescentes, conforme a figura abaixo.
Figura 40 – Evolução da performance dos LEDs
Fonte: [27]
53
Atualmente os principais materiais empregados na construção
do led são: Gálio (Ga), Arsênio(As), Índio(In), Fósforo(P), Alumínio(Al)
e Nitrogênio(N).
2.7.2 Confiabilidade dos LEDs
Os leds possuem elevada confiabil idade, uma vez encapsulados
com epóxi ou material similar, eles são capazes de resistir a ambientes
agressivos de qualquer espécie. Uma prova disto são os displays de
vídeo atualmente uti l izados em estádios esport ivos e grandes praças,
sujeitos a grandes variações de temperatura, neve e chuvas sem
alteração de suas características de cor e intensidade luminosa.
2.7.3 Características Qualitativas
− Grande vida útil; − O aquecimento gerado é ínfimo; − A luz produzida é monocromática; − Tempo de ativação reduzido, emite luz em 100ns; − Consumo de energia reduzido; − Melhor qualidade de saída de luz; − Mínima produção de ultravioleta e infravermelho; − Segurança, pois opera em baixas tensões; − Compactos; − Maior resistência mecânica, não possui elementos frágeis; − Potencialmente não agressivo ao ambiente.
Todas essas características somadas a forma como os
profissionais do l ight design (em tradução l ivre “Projeto de i luminação”)
vêem os leds, indica claramente que estamos l idando com uma
vanguarda tecnológica logo, o estudo e domínio dela, antes de tornar-
se corriqueira, agregam vantagens econômicas e técnicas.
54
2.8 CIRCUITOS RETIFICADORES
Neste tópico, abordaremos o circuito localizado entre o
disposit ivo de i luminação (os LED´s) e a fonte de alimentação.
Um retif icador é um circuito que converte um sinal alternado,
em um sinal contínuo. São bastante usados industrialmente podendo
ser classif icados de acordo com o sistema de alimentação alternado de
entrada (monofásico ou polifásico) e com a possibil idade de variação
da tensão de saída (controlado ou não controlado).
A tensão assim obtida não é pura como a de uma bateria,
contém uma componente de ripple (componente alternada) superposta
a um valor contínuo médio.
Um circuito retif icador não controlado possui apenas diodos em
sua estrutura, fornecendo à carga uma tensão média f ixa, que depende
da tensão alternada presente na entrada. Para este projeto, estamos
estudando apenas os retif icadores não controlados, a princípio. Isso
signif ica que os estudos simplif icar-se-ão de forma bastante
considerável, possibil i tando, ainda, que os conceitos e idéias presentes
nesse projeto/estudo sejam mais facilmente apresentados aos leitores
desta pesquisa; sejam iniciantes ou não no estudo de novas formas de
i luminação (propósito inicial deste trabalho). É importante salientar
que, para o propósito deste trabalho, abordaremos apenas os circuitos
retif icadores monofásicos.
55
2.8.1 Retificador Monofásico De Onda Completa
Se forem usados quatro diodos em vez de dois, poderemos eliminar a
necessidade de uma tomada central aterrada. A vantagem de não ser usada uma
tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o
retificador de onda completa com tomada central.
Durante o semiciclo positivo da tensão de linha, os diodos D2 e D3
conduzem, o que produz um semiciclo positivo no resistor de carga. Durante o
semiciclo negativo da tensão de linha, os diodos D1 e D4 conduzem, produzindo
outro semiciclo positivo no resitor de carga. O resultado é um sinal de onda completa
na carga.
Como a tensão total do secundário está aplicada aos diodos em condução
que estão em série com a carga, a tensão na carga tem um valor ideal de pico que é
o dobro do retificador em onda completa com tape central.
A freqüência do sinal retificado é igual a duas vezes a freqüência da linha.
Outro ponto a ser visto é o seguinte, como existem dois diodos em série em
condução com a carga durante cada semiciclo deve-se subtrair a queda de tensão
dos dois diodos em relação a tensão de pico, esta é uma das poucas desvantagens
deste retificador.
A tensão de saída de um retificador aplicada numa carga é pulsante em vez
de ser estável. Esse não é o tipo de tensão contínua de que a maioria dos circuitos
eletrônicos precisa. É necessária uma tensão estável ou constante similar à
produzida por uma bateria, para obter esse tipo de tensão retificada na carga. É
preciso usar um filtro.
56
O tipo mais comum de filtro é o filtro capacitivo. Com este artifício a tensão
na carga agora é mais estável ou quase constante, a única diferença em relação a
tensão obtida com uma bateria é a pequena ondulação (ripple) causada pela carga e
descarga do capacitor, quanto menor a ondulação melhor.
Figura 41 – Retificador Monofásico de Onda Completa
Fonte:[26]
É sabido que há vários t ipos de circuitos retif icadores. Como
então, podemos avaliar cada um deles, de modo a determinar qual será
de melhor desempenho para uma determinada aplicação. Para tanto, o
desempenho destes circuitos é avaliado em termos dos seguintes
parâmetros:
- Valor médio da tensão de saída, Vo
- O valor médio da corrente de saída, Io
- A potência contínua de saída dada por: Po = Vo Io
- O valor eficaz da tensão de saída, Voef
57
- O valor eficaz da corrente de saída, Ioef
- A potência alternada na saída dada por: Sca = Voef Ioef
A tensão de saída pode ser considerada como sendo composta
de duas componentes:
(1) um valor contínuo
(2) um valor alternado ou r ipple.
valor eficaz da componente alternada da tensão de saída é:
22 VoVefVca −= (7)
O fator de forma, que é uma medida da forma da tensão de
saída, é definido por:
FF=Vef/Vo (8)
O fator de ripple que é uma medida da quantidade de
componentes alternados é dado por:
FR=Vca/Vo (9)
Substituindo Vca em FR o fator de ripple pode ser expresso por:
1FF1VoVefFR 2
2
−=−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= (10)
O fator de uti l ização do transformador é definido por:
FT=Po/(VsIs) (11)
Onde, Vs e Is são os valores eficazes da tensão e corrente no
secundário do transformador.
58
2.8.2 Definição De Fator De Potência
A corrente na entrada do retif icador desvia-se signif icantemente
da forma senoidal como pode ser visto de uma forma generalizada na
Figura 50. Esta distorção pode ser quantif icada em termos dos
parâmetros: fator de potência da onda de entrada e taxa de distorção
harmônica na corrente de entrada. Ambos serão definidos a seguir.
Consideremos, pois, a tensão de alimentação de um retif icador
puramente senoidal. V(t)
Seja a corrente uma corrente não senoidal, periódica que
alimenta o retif icador.
Figura 42 – Formas de onda na entrada do retificador
Fonte: [26]
59
Carga Não Linear: Qualquer carga que alimentada por uma
tensão senoidal, absorve uma corrente distorcida. É o caso dos
conversores estáticos em geral.
Potência instantânea entregue à carga:
P(t)=v(t).i(t) (12)
∫=T
0
dt)t(i).t(vT1P (13)
∫ ∑ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛φ+ωω=
T
0 n)1tn(Insen2.tVsen2
T1P (14)
Termos do produto
Produto de duas funções seno de mesma frequência:
)1t(sen1I2(tVsen2)t(1P φ+ωω= (15)
Produto de duas funções seno de freqüências distintas
)2t(sen2I2(tVsen2)t(2P φ+ωω= (16)
)3t(sen3I2(tVsen2)t(3P φ+ωω= (17)
)nt(Insen2(tVsen2)t(Pn φ+ωω= (18)
Para n≠1
(19) ∫ =ωωT
0
0tdtsenn.tsen
Para n=1
∫π
φ=ωφ−ωωπ 0
1cos1VItd)1t(sen.tsen1I2V221 (20)
60
Então, a Potência ativa será:
P=VI1.cosφ1 (21)
A Potência aparente será:
S=V.I (22)
Fator de potência, após algumas considerações matemáticas:
Sendo que:
SPFP = (23)
Temos
2/12 )TDH1(1cosFP
+φ
= (24)
Onde,
TDH= Taxa de distorção de harmônicas;
cosφ1 = fator de deslocamento;
Se a corrente de entrada for puramente senoidal, então:
FP = FD = cosφ1 = cosφ (25)
2.9 INCERTEZA
Quando se relata o resultado de uma medição de uma grandeza
física, é obrigatório que seja dada uma indicação quantitativa da
qualidade do resultado de forma tal que aqueles que o uti l izam possam
avaliar sua faixa de dúvidas. Sem esta indicação, resultados das
medições não podem ser comparados, seja entre eles mesmos ou com
61
valores de referência dados numa especif icação ou numa norma. É,
portanto, necessário que haja um procedimento prontamente
implementado, facilmente compreendido e de aceitação geral para
caracterizar a qualidade de um resultado de uma medição, isto é, para
avaliar e expressar sua incerteza.
A incerteza do resultado de uma medição reflete a falta de
conhecimento exato do mensurando. O resultado de uma medição após
a correção dos efeitos sistemáticos reconhecidos, é ainda, tão somente
uma estimativa do valor do mensurando por causa da incerteza
proveniente dos efeitos aleatórios e da correção imperfeita do resultado
no que diz respeito aos efeitos sistemáticos.
Na prática, existem muitas fontes possíveis de incerteza em
uma medição, incluindo:
• Def in ição incompleta do mensurando;
• Real ização imperfei ta da def in ição do mensurando;
• amostragem não representat iva - a amostra medida pode não representar o mensurando;
• conhecimento inadequado dos efei tos das condições ambientais sobre a medição ou medição imperfei ta das condições ambientais;
• erro de tendência pessoal na le i tura de instrumentos analógicos;
• resolução f in i ta do instrumento ou l imiar de mobi l idade;
• valores inexatos dos padrões de medição e mater ia is de referência;
• valores inexatos de constantes e de outros parâmetros obt idos de fontes externas;
• aproximação e suposições incorporadas ao método e procedimento de medição;
• var iações nas observações repet idas do mensurando sob condições aparentemente idênticas.
62
Estas fontes não são necessar iamente independentes e algumas delas
podem contr ibuir para var iações nas observações repet idas do mensurando sob
condições aparentemente idênt icas. Naturalmente, um efei to s istemático não
reconhecido não pode ser levado em consideração na aval iação da incerteza do
resul tado de medição, porém contr ibui para seu erro.
A incerteza padronizada ou padrão de uma fonte de erro é a fa ixa de
dispersão em torno do valor central equivalente a um desvio padrão.
A aval iação da incerteza padronizada pode ser c lassi f icada em Tipo A e
Tipo B. O propósi to de classi f icação Tipo A e Tipo B é de indicar as duas maneiras
di ferentes de aval iar as componentes da incerteza e serve apenas para discussão,
a c lassi f icação não se propõe a indicar que haja qualquer d i ferença na natureza
dos componentes resultando dois t ipos de aval iação. Ambos os t ipos de aval iação
são baseados em distr ibuições de probabi l idade e os componentes de incerteza
resultantes de cada t ipo são quant i f icados por var iâncias ou desvios padrão17.
2.9.1 Incerteza do Tipo A
A avaliação da incerteza padrão tipo A deve ser baseada em
métodos estatísticos válidos para tratamento de dados. Por exemplo:
• Cálculo do desvio padrão da média de uma série de observações independentes;
• Uti l ização do método dos mínimos quadrados para ajustar uma curva aos dados a f im de estimar parâmetros da curva e seus desvios padrão;
• Identif icar e quantif icar efeitos randômicos em certos t ipos de medições, quando efetuando análise de variância.
17 Noronha, José Leonardo. Procedimentos De Cálculo De Incerteza De Medição Em Medições Diretas E Indiretas. Itajubá, 2003.
63
2.9.2 Incerteza do Tipo B
A avaliação da incerteza padrão tipo B é efetuada por outros
meios que não a análise estatística de uma série de observações. É
usualmente baseada em julgamentos científ icos uti l izando todas as
informações disponíveis, que podem ser obtidas a partir de:
• Dados de medições anteriores;
• Experiência ou conhecimento geral do comportamento dos instrumentos;
• Especif icações do fabricante;
• Dados provenientes de calibrações e de outros certif icados;
• Incertezas atribuídas a dados de referência provenientes de manuais ou publicações;
• O equipamento que está sendo calibrado ou medido, por exemplo sua resolução e qualquer instabil idade durante a Calibração;
• Procedimentos operacionais;
• Os efeitos das condições ambientais nas informações citadas acima.
2.9.3 Incerteza Padrão Combinada
A incerteza padronizada combinada de um resultado de
medição é a incerteza padronizada quando este resultado é obtido por
meio dos valores de várias outras grandezas, sendo igual à raiz
quadrada posit iva de uma soma de termos, sendo estes as variâncias
ou covariâncias destas outras grandezas, ponderadas de acordo com
quanto o resultado da medição varia com mudanças nestas grandezas.
64
2.9.4 Incerteza Expandida
Embora a incerteza padronizada combinada uc(y) possa ser
universalmente usada para expressar a incerteza de um resultado de
medição, em algumas aplicações comerciais, industriais e
regulamentadoras, e quando a saúde e a segurança estão em questão,
é, muitas vezes, necessário dar uma medida de incerteza que define
um intervalo em torno do resultado da medição com o qual se espera
abranger uma extensa fração da distribuição de valores que poderiam
ser razoavelmente atr ibuídos ao mensurando.
A medida adicional de incerteza que satisfaz o requisito de
fornecer um intervalo do tipo indicado anteriormente denominada
incerteza expandida e é representada por U. A incerteza expandida U é
obtida multipl icando-se a incerteza padronizada combinada uc por um
fator de abrangência k: U=k.uc(y).
O resultado de uma medição é, então, convenientemente
expresso como Y = y ± U, que é interpretado de forma a signif icar que
a melhor estimativa do valor atribuível ao mensurando Y é y, e que y -
U a y + U é o intervalo com o qual se espera abranger uma extensa
fração da distribuição de valores que podem ser razoavelmente
atribuídos a Y. U é interpretado como definindo um intervalo em torno
do resultado de medição que abrange uma extensa fração P da
distribuição de probabil idade, caracterizada por aquele resultado e sua
incerteza padronizada combinada, e P é a probabil idade de
abrangência ou nível da confiança do intervalo.
65
Sempre que praticável, o nível da confiança P, associado com
intervalo definido por U deve ser estimado e declarado. Deve ser
reconhecido que multipl icando uc(y) por uma constante, não acrescenta
informação nova, porém se apresenta a informação previamente
disponível de forma diferente. Entretanto, também deve ser
reconhecido que, na maioria dos casos, o nível da confiança P
(especialmente para valores de P próximos de 1) é um tanto incerto,
não somente por causa do conhecimento l imitado da distribuição de
probalidade caracterizada, por y e uc(y) (especialmente nas
extremidades), mas também por causa da incerteza da própria uc(y).
2.9.5 Roteiro para Cálculo da Incerteza
a- Determinar o modelo matemático que relaciona a grandeza de entrada com a saída;
y = f ( x1, x2 , ... , xn ) b- Identif icar todas as correções a serem feitas ao resultado de
medição; c- Listar componentes sistemáticos da incerteza associada a
correções e tratar efeitos sistemáticos; não corrigidos com parcelas de incerteza; d- Atribuir valores de incertezas e distribuição de
probabil idades com base em conhecimentos experimentais práticos ou teóricos; e- Calcular a Incerteza Padronizada (ui) para cada componente
de incerteza; f- Calcular a Incerteza Combinada (uc) ou uc(y); g- Calcular a Incerteza Expandida (U).
66
3. METODOLOGIA
A pesquisa começa com o levantamento do estado da arte das
tecnologias de i luminação. Este inicio se justif ica pelo fato de que é
necessário conhecer as principais tecnologias relacionadas ao assunto,
portanto, o estudo parte de uma revisão das tecnologias mais
conhecidas e, em conjunto, o conhecimento da vanguarda da tecnologia
de estado sólido.
Paralelamente a este etapa, será feito um levantamento dos
fabricantes e fornecedores de LED´s de alto bri lho, adequados à
aplicação proposta. Consistirá deste passo do estudo o contato com os
fornecedores que julgarmos adequados, tendo como principal foco, a
determinação do melhor elemento LED a ser adquirido, aliando
aplicabil idade técnica e custo de aquisição. Ainda assim, far-se-á
necessária a obtenção das folhas de dados relacionadas a estes
elementos.
Tão logo sejam adquiridos os LED´s, passar-se-á a estudá-los
em suas características, do ponto de vista elétrico e óptico, de modo a
determinar as possíveis formas de uti l ização, bem como a mais
adequada configuração operacional.
Em seguida, o circuito eletrônico, que fará a interface entre a
rede elétrica de baixa tensão e os LED´s, passará a ser estudado,
procurando-se aliar a simplicidade de montagem, visando um menor
tempo de desenvolvimento, a funcionalidade pretendida. Para tanto,
67
serão consultadas l i teraturas pertinentes, l iteraturas essas util izadas
durante o desenvolvimento do curso de Engenharia Elétrica.
Fará parte da pesquisa o estudo da determinação do fluxo total
de uma lâmpada com a uti l ização do Médodo de Rousseau, esse será o
principal ensaio efetuado, visando a satisfazer o objetivo enunciado. O
estudo e desenvolvimento de um goniofotômetro experimental serão
parte das atividades, exigindo da equipe a consulta de l i teratura
especializada, bem com comprovação de seu uso, resultados e da
proposição feita por Rousseau.
A montagem do circuito básico (circuito de interface a rede
elétrica de baixa tensão e circuito elétrico referente à ligação dos leds),
bem como as primeiras medições serão o próximo passo da pesquisa,
procurando aliar todo o conhecimento adquirido desde o inicio do
desenvolvimento do projeto. As primeiras montagens serão
experimentais, montados em bancada, tendo como objetivo observar e
avaliar o comportamento dos elementos constituintes do protótipo
inicial. Serão realizadas medições de grandezas elétricas que se
julguem serem diretamente influenciáveis da performance do conjunto.
O passo seguinte será a montagem do protót ipo inicial,
permitindo, então, as medições de performance de i luminação, passo
este que comprovará a validade da aplicação proposta para este
elemento de i luminação.
Os dados obtidos nas medições realizadas nos passos
anteriores serão analisados, tabulados e receberão tratamento
68
matemático referente às incertezas contidas nos procedimentos de
medição.
O ult imo passo a ser galgado será o desenvolvimento de uma
conclusão, avaliando e ponderando a viabil idade técnica da aplicação
proposta para os LED´s. Serão sugeridos pontos a serem melhorados
em todo o projeto e a determinação das aplicações possíveis da
tecnologia LED no estágio em que se encontra.
69
4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS
4.1 FORNECEDORES DOS LEDS DE ALTO BRILHO
A parte “física” deste estudo iniciou-se com a procura dos
fornecedores do principal elemento necessário ao desenvolvimento do
projeto, o LED. Conforme previsto no planejamento, esta é uma
atividade que demanda grande parte do tempo do desenvolvimento,
pois trata-se de uma tecnologia que é atualizada freqüentemente.
Os led´s de alto bri lho são amplamente divulgados na internet,
em sites de fornecedores e fabricantes. Porém, não foram localizados
fabricantes brasileiros. A maioria dos fornecedores pesquisados estão
locados nos Estados Unidos, porém também foram analisados
fornecedores europeus.
Uma das principais dif iculdades encontradas foi definir qual a
faixa de intensidade luminosa (candela) deveria ser escolhida e
uti l izada. Tão extensa quanto a quantidade de fornecedores também é
a quantidade de diferentes led´s que podem ser encontrados à venda.
Optou-se, inicialmente, em adquirir os led´s de maior
intensidade luminosa que poderiam ser encontrados nos sites desses
fornecedores, porém, cada fornecedor possui uma gama diferente de
led´s. Pode-se, facilmente, encontrar desde led´s de 1500 mcd (mil i
candela) até 12000 mcd.
70
Assim sendo, a equipe chegou ao consenso de uti l izar led´s de
uma faixa de 4.000 a 10.000 mcd, devido à facil idade de encontrar-se
fornecedores. Definida a faixa, a pesquisa na Internet foi retomada.
Entre os fornecedores e fabricantes encontrados, destacam-se
os seguintes:
A CREE Inc. é um fabricante e desenvolvedor de materiais
semicondutores e disposit ivos baseados neste t ipo de material.
Fabricam desde chaves de material semicondutor até led´s de alto
bri lho (incluindo nestes os led´s azuis, verdes e Ultra Violetas; além
daqueles que eles chamam de “mega bright led”). Apesar da
diversidade de produtos deste fornecedor, não houve retorno aos
questionamentos feitos.
Foi encontrado o site da Led Market Place, comércio eletrônico
de elementos semicondutores, exclusivamente (não é fabricante).
Nesta página não só é possível encontrar os produtos propriamente
ditos, como também informações e notícias sobre essa tecnologia. Ou
seja, mais do que comprar os componentes é possível obter as últ imas
informações sobre o “mundo led”, também é possível encontrar alguns
l inks relacionados com o assunto. Esta fonte de informação foi
especialmente importante na localização dos principais fabricantes de
produtos com led. Entretanto, com este distribuidor não se pode
encontrar o led propriamente dito, mas apenas produtos manufaturados
com este componente, como lanternas, displays, entre outros. De
qualquer forma, é uma importante fonte de informação sobre a
71
tecnologia. Foram enviados e-mails solicitando que fossem indicados
representantes no Brasil, mas não houve resposta.
A Led Supply se mostrou um portal bastante completo para
aquisição de leds, incluindo em sua l ista de produtos lanternas led,
canetas led, pequenas lâmpadas formadas por 1, 2 ou 4 led´s (para
substituição de pequenas lâmpadas incandescentes) e também os leds
propriamente ditos. Também é possível encontrar um link com
informações técnicas dos leds vendidos por esta empresa. Assim como
os outros fornecedores, a Led Supply possui led´s coloridos (azuis,
verdes, vermelhos e ultravioletas), além dos led´s brancos (os mais
indicados para nossa aplicação, uma vez o uti l izaremos para
i luminação geral), todos com 5mm de diâmetro.
Neste ponto, foi identif icada mais um tipo de especif icação,
que até então não havia sido contemplada, a abertura angular do feixe
de luz emitida. Os led´s da Led Supply também poderiam ser
encontrados com diferentes aberturas angulares. Neste site, foram
encontrados led´s de aberturas de 20, 50 e 70 graus (para led´s
brancos). É fácil notar que, quanto menor a abertura, maior é o valor da
intensidade luminosa. Neste site, já é possível comprar led´s a varejo,
ao custo de aproximadamente US$ 1.95 a unidade (não considerando
os custos de postagem, para os led´s brancos). Além do produto,
também é fornecida a informação técnica pertinente ao produto, como
tensão, corrente e potência dissipada, e intensidade luminosa (neste
caso, 9500 mcd a 20 mA).
72
Outro fornecedor encontrado foi a Led Supplier, é possível
encontrar informações gerais sobre a tecnologia led, além de possuir
datasheets variados. Entretanto, para comercialização, encontra-se
apenas produtos manufaturados, e não os led´s propriamente ditos.
Ainda assim, este site é uma boa fonte de informações e se mostrou
especialmente útil no desenvolvimento do nosso projeto.
Pode-se destacar, como fabricante, a AGILENT, onde é
possível encontrar todo tipo de informação sobre a tecnologia em
questão. Possui representante no Brasil, mas, com nenhum deles, foi
possível entrar em contato, seja por e-mails desatualizados ou mesmo
por não ter havido resposta. Devido ao fato da Agilent ser um
fabricante, o site possui muita informação, neste caso, desnecessária,
o que torna a navegação um pouco demorada e improdutiva.
Ao fim do período de pesquisa de fabricantes e fornecedores,
encontramos um fornecedor nacional de peças e equipamentos para
informática locada no Rio Grande do Sul (a Lasershape), que, para
nossa surpresa, possuía em seus estoques leds de alto bri lho branco
de 4000 mcd, o qual adquirimos e iniciamos os primeiros ensaios, de
natureza qualitativa. Optamos por adquirir esses led´s devido à
proximidade de preço se comparados aos importados, e a sensível
diminuição no prazo de entrega deste material.
Ainda que já t ivessem sido iniciados os ensaios qualitativos
com os led´s de 4000 mcd e conforme previsto no planejamento a
busca por novos fornecedores e materiais continuaram. Assim, foi
encontrado, junto ao mesmo fornecedor, led´s de cor branca de 9500
73
mcd, potencialmente mais adequados à nossa aplicação que os led´s
anteriores.
A aquisição destes led´s foi mais demorada que a aquisição dos
primeiros, pois não havia disponibil idade em estoque por parte do
fornecedor, o que obrigou-nos a entrar em contato, via correio
eletrônico, e aguardar que o material estivesse disponível.
Paralelamente à aquisição dos led´s de 9500 mcd, foi
identif icado um fornecedor de led´s de 10000 mcd, a Ultraleds.
Entretanto, tendo em vista o avançado do cronograma, os prazos de
entrega não se adequavam à nossa necessidade, além do que, os
valores de intensidade luminosa se aproximavam muito. Estes fatos nos
levaram a optar pelo fornecedor nacional.
4.2 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E ÓPTICAS DOS LEDS
A luz obtida dos LED´s de 4000 mcd (num total de 4, l igados em
série) se mostrou bastante branca, porém, tendendo à reproduzir
frequências da ordem de 500 nm, o que lhe dá um aspecto levemente
azulado, que, por sua vez, passa uma sensação de “ambiente fr io”. O
grupo sugeriu a uti l ização led´s com espectro de cor tendendo à faixa
de freqüência de 590 e 610 nm, como os âmbar ou laranja, a f im de
deixar a luz do LED menos "fr ia", garantindo-lhe um aspecto um pouco
mais confortável e próximo do que se alcança com as lâmpadas
incandescentes.
No primeiro ensaio qualitativo, o primeiro passo foi observar
como a variação de tensão poderia influenciar na luminosidade. Isso de
74
fato ocorreu, sendo observado que, com uma menor tensão, a
luminosidade cai de forma pronunciada. Ainda que, neste ponto, não
houvesse sido feita à medição quantitativa com um luxímetro, foi
possível observar claramente que a variação de tensão produz uma
variação substancial na luminosidade produzida pelo conjunto de 4
led´s em série.
O passo seguinte foi introduzir mais led´s em série, com o
intuito de determinar a quantidade de led´s que produzir iam alguma
variação da luminosidade para menores valores de intensidade
luminosa, indicando a quantidade máxima de led´s que poderiam ser
arranjados em série sem que houvesse queda sensível do nível de
luminosidade. Com este procedimento empírico, chegamos a uma
quantidade de 6 Led´s em série, numero este já observado na l i teratura
consultada.
Passou-se então observar se o arranjo dos led´s (série /
paralelo) influenciaria no nível de i luminamento. Não foram observadas
variações qualitativas para os diferentes arranjos uti l izados.
Optou-se por uti l izar conjuntos de 6 led´s em série e estes
conjuntos arranjados em paralelo com outros 5 conjuntos iguais, ver
anexo. Cada um dos conjuntos é acompanhado de um resistor em
série, para garantir a corrente de operação recomendada pelo
fornecedor. Este arranjo será apresentado e explanado mais
profundamente quando da descrição dos ensaios quantitativos,
realizados posteriormente. Com apenas 4 LED´s já é possível, em um
quarto escuro, observar uma i luminação onde se pode distinguir
75
objetos. A luz tem pouco espalhamento, principalmente devido à
característica do próprio LED (4000 mcd, abertura de 15°). Um arranjo
espacial adequado provavelmente melhorará bastante essa
característica.
Foram realizados os mesmos ensaios qualitativos com os led´s
de 9500 mcd, e estes ensaios realmente mostraram que esses led´s
muito mais adequados, pois produziram um nível de i luminamento mais
intenso do que os anteriores.
As características com relação ao aspecto da luz
permaneceram quase que inalteradas. Basicamente a luz do segundo
lote de led´s se mostrou igualmente branca, mas com um aspecto
menos “gelado”, ou seja, a luz produzida já não mais tendia aos
comprimentos de onda da luz azul. Um rápido teste comparativo e
empírico demonstrou isso. Foram colocados dois conjuntos de 6 led´s
em série led´s, igualmente dispostos. Um conjunto com os led´s de
4000 mcd e outro conjunto com os led´s de 9500 mcd. O que se
observou em um anteparo, ao energizá-los, foi que os led´s de 9500
mcd realmente produziam uma luz l igeiramente mais “quente” do que os
led´s de 4000 mcd, ou seja, uma luz tendendo, l igeiramente, à cor
laranja. Esse detalhe eliminou a necessidade da uti l ização de led´s
laranja ou âmbar, conforme descrito anteriormente.
As tabelas 5 e 6 a seguir resumem as características elétricas
dos leds:
76
Tabela 5 – Dados Elétricos e Ópticos dos Leds de 9500 mcd
Especificação Valor Angle 15 Package 5mm Luminous Intensity 9500mcd typ. @ 20mA Max Forward Current 30mA Forward Voltage 3.4V typ. 3.8V max @ 20mA Max Reverse Voltage 5V Power Dissipation 120mW Operating Temp -30 to +85 ˚C Soldering Temp 265 ˚C for 10 secs Max Reverse Current 50uA @ 5V
Fonte: [24]
Tabela 6 – Dados Elétricos e Ópticos do Leds de 4000 mcd
Especificação Valor Angle 15 Package 5mm Luminous Intensity 4000mcd typ. @ 20mA Max Forward Current 30mA Forward Voltage 3.6V typ. 4.0V max @ 20mA Max Reverse Voltage 5V Power Dissipation 120mW Operating Temp -30 to +85 ˚˚C Soldering Temp 265 C for 10 secs Max Reverse Current 50uA @ 5V
Fonte: [24]
77
4.3 CIRCUITO ELETRÔNICO ASSOCIADO
Esta foi a etapa técnica que mais demandou tempo para sua
realização. A questão a ser respondida era: “Como acoplar os leds a
rede elétrica alternada de baixa tensão?”.
No site de alguns fabricantes de semicondutores, tais como,
Sipex, Linear Technology, On, etc, pode ser encontrado vasto material,
que em primeira instância, parece solucionar a questão. Uma vez
coletadas essas informações, houve tentativas de aquisição dos
materiais e uma delas foi bem sucedida, levando cerca de 1 mês para
chegar. Foi adquirido um circuito integrado que, montado em uma certa
topologia, pode ser uti l izado como um conversor CC/CC Boost,
possivelmente adequado à solução do problema. Contudo, a
implementação dessa solução não foi possível, pois a tecnologia
fornecida era do tipo SMD (Surface Mouting Devices), a qual por si só,
torna-se não manipulável por pessoas, tendo em vista seu tamanho
reduzido.
Após um estudo minucioso do que foi encontrado, entendeu-se
que soluções desse tipo só eram aplicáveis a sistemas alimentados por
baterias e para o caso, rede de baixa tensão alternada, não eram
adequadas.
O problema, então, persistia. Decidiu-se, então buscar na
l i teratura clássica informações a respeito dos retif icadores pois, os leds
precisam ser alimentados com corrente contínua. A l iteratura trouxe
como solução o retif icador de onda completa não controlado alimentado
78
por um transformador, conforme pôde ser observado na figura 41,
página 56 do presente trabalho.
Em uma montagem com essa topologia os resultados
apresentaram-se adequados e a solução funcional, além de ser de fácil
dimensionamento, baixo custo e os componentes usados serem
corriqueiros e disponíveis no mercado.
Outro problema foi identif icado. Durante a pesquisa
bibliográfica notou-se ser imprescindível manter a corrente que circula
pelos leds constante, dentro de uma faixa de valores, pois dessa forma
garante-se a vida úti l dos leds, sua temperatura de junção não será
excedida, além de ter sempre um valor de intensidade luminosa emitida
praticamente constante; a intensidade luminosa varia com a corrente
que passa pelos leds.
Figura 43 – Variação de Intensidade Luminosa x Corrente
Fonte: [25]
79
A solução clássica para essa questão é estabelecer o controle
da intensidade através de uma fonte de corrente. Encontrou-se duas
alternativas nas bibliografias consultadas, sendo:
• Uti l izar um CI regulador de tensão na configuração de
fonte de corrente constante;
• Uti l izar um circuito de corrente de cauda.
Optou-se por uti l izar a primeira solução, por se apresentar
prática e de fácil implementação.
4.4 MONTAGEM EM BANCADA
A montagem dos leds foi feita depois de ser determinada uma
forma básica de trabalho, optou-se por uma disposição plana em
formato de matriz, pois, a montagem é simplif icada com essa
configuração. A matriz escolhida possui 5 l inhas em paralelo com 6
led´s em série por coluna, cada fi la contém seu resistor l imitador de
corrente, conforme figura 44. Essa forma permite uma detecção de
falha do led muito mais rápida, pois cada fi la trabalha de forma
independente uma da outra, além de ser uma solução compacta. A
desvantagem é que se houver problema com um dos led´s a f i la intera
se perde. O espaçamento entre os led´s garante com que não haja
problemas com a temperatura de junção, respeitando também os l imites
do ângulo de abertura dos led´s, os resistores uti l izados garantem uma
80
corrente de 29mA, valor este que permeia o l imite máximo sugerido
pelo fabricante.
A montagem em bancada foi executada em duas etapas e
permitiu que fossem analisados seus desempenhos ópticos e elétricos
através dos ensaios realizados. Um transformador foi uti l izado para
adequar a tensão da rede aos LED´s em substituição à fonte de
corrente CC inicialmente util izada nos primeiros ensaios qualitativos.
Figura 44 – Arranho da Matriz de Leds
Fonte: os autores
4.5 ENSAIOS
Com a forma do protótipo definida em bancada passou-se a
executar medições de tensão e corrente. Para isso foi uti l izado um
81
multímetro digital, modelo ICEL IK-1000. Obtive-se os seguintes
valores:
Tabela 7 – Valores obtidos no Ensaio do Protótipo
Grandeza Medida Valor Unidade Corrente total para os leds 146,2 mA Corrente em uma fi leira de leds 29,3 mA Tensão na saída do retif icador 35,1 V Potência sem o transformador 5,13 W Potência com o transformador 11,15 W
Fonte: os autores
Realizada esta etapa, montou-se todos os componentes em
uma placa de circuito universal, de tamanho 10 x 5 cm, e passou-se a
conduzir o principal ensaio, o levantamento da curva fotométrica e
posteriormente a obtenção do fluxo luminoso total pelo método de
Rousseau.
O método do levantamento da curva fotométrica necessita da
uti l ização de um goniofotômetro e o ensaio foi realizado conforme
descrito no item 2.4.3.
Houve a necessidade de desenvolvimento e montagem de um
goniofotômetro experimental, etapa esta que demandou um tempo
considerável, em torno de dois meses. Os dois meses uti l izados nessa
etapa estão divididos em construção propriamente dita e em ensaios de
validação do goniofotômetro e método de Rousseau. Adquiriu-se 3
amostras de lâmpadas incandescentes de 60 W e 3 exemplares de
lâmpadas fluorescentes compactas de 15 W. Feito o levantamento
fotométrico e obtido o f luxo luminoso total por Rousseau, chegou-se ao
valor de fluxo luminoso total mencionado pelo fabricante nas
82
embalagens. A conclusão retirada é de que o conjunto goniofotômetro
mais método de Rousseau é válido.
As curvas fotométricas obtidas na validação estão em anexo,
anexos H e I.
Passou-se, então, ao levantamento fotométrico dos protótipos
montados, onde foram realizadas 1140 medições pontuais, da mesma
forma realizada nos processos de validação. As curvas fotométricas
referentes ao protótipo estão reproduzidas nos anexos C e F.
Integrando a área da figura (anexo C), e aplicando Rousseau
para o cálculo, obteve-se um fluxo luminoso total Ø = 508 lm.
No segundo protótipo, cuja a curva está reproduzida no anexo
F, aplicando-se o mesmo procedimento, obtivemos um fluxo luminoso
total Ø = 40 lm.
Finalizadas as medições e com o auxíl io do procedimento de
cálculo de incertezas, descrito no item 2.9, fez-se o tratamento
matemático proposto, obtendo-se os valores que podem ser observados
nas tabelas dos anexos D e G.
83
5. CONCLUSÃO
Os resultados encontrados mostram o grande potencial do LED
na substituição futura das tradicionais formas de i luminação, revelando
que os conceitos já estabelecidos para estas podem causar surpresa
quando aplicados a esta nova fonte de luz, implicando na existência de
um longo caminho de investigação e estudo.
Para a primeira montagem dos LEDs, uma disposição plana e
matricial (anexo B), foi levantada a curva fotométrica conforme anexo
C. Esta curva é a explicação gráfica para o efeito qualitativo,
direcionalidade da luz, observado pelos autores. Com o uso do Método
de Rousseau, chegou-se a um valor de f luxo luminoso igual a 508 lm.
Essa informação parecia promissora e indicativa de sucesso em
relação ao objetivo.
Uma análise mais apurada da curva fotométrica obtida sugeria
que o protótipo montado era adequado para compor um aparelho de
i luminação auxil iar, como, por exemplo, um abajur ou ainda montar uma
fonte de luz móvel, como uma lanterna, e suscitava ao questionamento
sobre a influência da disposição geométrica dos LEDs sobre a
distribuição espacial da luz emit ida.
Um novo protótipo foi montado, a única diferença em relação ao
primeiro residia no fato que agora os LEDs foram dispostos em uma
forma geométrica espacial, ver anexo E, com o objetivo de melhorar a
curva fotométrica, deixando-a mais adequada a uma aplicação de
84
i luminação geral de interiores, tendo como característica uma luz
melhor distribuída.
A curva fotométrica obtida com essa montagem, anexo F,
forneceu uma curva de distribuição espacial da luz menos direcionada,
indicando, sem sombra de dúvida, que uma mudança da disposição dos
LEDs implica em modificação da curva fotométrica. Vale ressaltar que
os LEDs usados são os mesmos da primeira montagem.
Para esta nova montagem, em distribuição espacial, obteve-se
o valor do fluxo total de 40 lm.
Partindo do pressuposto que o elemento gerador de luz não foi
modif icado, tanto em quantidade de led´s quanto em características
elétricas e ópticas, sabe-se que apenas uma mudança em sua
configuração espacial não deveria acarretar em mudança tão
pronunciada no fluxo luminoso total emit ido. Logo, questionamentos
sobre o procedimento de obtenção do fluxo luminoso total passaram a
ser feitos.
Sabe-se que o método de Rousseau conduz a resultados
fidedignos para fontes luminosas que possuam curva fotométrica
simétrica, porém o mesmo não se pode afirmar para fontes luminosas
que possuam uma não simetria nesta característica. Conforme pode-se
observar nas curvas levantadas, apenas a segunda montagem
apresenta a simetria citada, logo, o método pode ser não aplicável ao
primeiro caso. Isto posto, pode-se concluir que a segunda medição, a
de 40 lm, contém um valor mais coerente ao método. Uma investigação
85
mais apurada do método do Rousseau se faz necessária para
comprovar ou afastar a dúvida estabelecida.
Tal questionamento não foi previsto nos objetivos do presente
trabalho, pois não existem referências bibliográficas sobre o
comportamento de uma fonte luminosa com a característica de
distribuição como apresentada pelos LED´s, sendo observadas pelo
ponto de vista do método de Rousseau. Portanto, por não se tratar de
um problema conhecido ou previsto tanto pela equipe quanto pela
l i teratura, este texto não traz uma solução para o problema e sim o traz
à discussão para a comunidade envolvida.
Embora esta pesquisa não traga a solução definit iva do
problema, pode-se citar indícios para investigação da solução. O
primeiro deles seria a melhoria do projeto construtivo do
goniofotômetro, agregando maior precisão à variação angular dos eixos
de giro. Outro método de obtenção de fluxo luminoso (não contemplado
nesta pesquisa), a esfera de Ulbricht, poderia ser ut i l izado para obter o
f luxo total de ambas as montagens, e caso o resultado seja igual, pode-
se afirmar, então, que o método de Rousseau deve ser revisto em sua
totalidade para uti l ização com lâmpadas a base de LED, imaginando
que problemas de natureza análoga não se manifestem no método da
esfera.
A construção de um Goniofotômetro Experimental, o estudo e
entendimento de levantamento da curva fotométrica e a aplicação do
método de Rousseau, foram relevantes pontos de aprendizado
agregados à formação do grupo. Esses pontos são relativamente pouco
86
abordados durante a graduação, tornando-se necessária uma extensa
pesquisa em um campo pouco conhecido, levando-nos a descobrir
novos caminhos e l inhas de pensamento relacionadas com iluminação,
muito além da aplicação dos conceitos propriamente ditos. Foi
necessário resgatar a origem desses conceitos.
A uti l ização de uma tecnologia pouco difundida, como a
i luminação sólida de alto bri lho, nos permitiu entrar em contato com
empresas e idéias de vanguarda neste segmento, possibil i tando ao
leitor deste trabalho perceber que este parece ser o próximo passo da
i luminação, principalmente devido ao consumo de energia e à relativa
facil idade de se trabalhar com os elementos LED. Coube a esta equipe
difundir o interesse que surgiu em seus integrantes de conhecer mais
essa tecnologia.
Ainda que os resultados obtidos sejam uma primeira amostra, já
é possível observar e concluir que, com essas mesmas características
apresentadas, já há algumas aplicações possíveis. A uti l ização em
iluminação auxil iar, i luminação semafórica, balizamento, i luminação
indireta (em substituição às tradicionais lâmpadas dicróicas).
Cabe salientar que, embora o resultado obtido não possa
substituir uma lâmpada incandescente, é perfeitamente possível que a
tecnologia LED permaneça evoluindo, permitindo, em um futuro próximo
a aplicação mais eficiente neste segmento.
Assim sendo, é cabível dar continuidade a esta pesquisa, com
novas etapas, melhoramentos e direções, até que um protótipo próximo
de um produto manufaturado seja obtido, os benefícios desse resultado
87
futuro se farão presentes e uma inegável vantagem estratégica e
comercial será dada ao Brasil.
88
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Quanto à curva fotométrica, a modificação dela pode ser
investigada com a adoção de uma luminária ou inserção de uma lente
ou aparato que permita melhor distribuição do fluxo luminoso.
Outro ponto relevante refere-se ao fato de que a tecnologia de
LEDs, em função de suas singularidades, é adequada a aplicações
embarcadas, como por exemplo, i luminação interna de veículos,
aeronaves, embarcações, enfim, todo tipo de instalação ou
necessidade que precise ser alimentada por corrente contínua.
O circuito eletrônico associado, também pode ser uma etapa
futura de melhoramento, para garantir um menor consumo de energia.
Embora aspecto de ruídos e harmônicos não tenham sido avaliados,
uma investigação sobre os mesmos se faz necessária, para garantir
que uma futura lâmpada desenvolvida com essa tecnologia não seja
poluidora do sistema elétrico.
89
REFERÊNCIAS
[1]Moreira, Vinícius de Araújo. I luminação Elétrica, 1ª Reimpressão. São Paulo. Editora Edgard Blücher Ltda, 2001.
[2]Fonseca, Rômulo Soares. I luminação Elétrica, 1ª Edição. São Paulo. Editora McGraw-Hil l do Brasil Ltda, 1974.
[3]Elion, Glenn R. e Elion, Herbert A. Electro-optics handbook. Editora Marcel Dekker, inc. New York, 10ª edição.
[4]Mello, Hilton Andrade de. Dispositivos Semicondutores, 4ª edição . São Paulo. Livros Técnicos e Científ icos Editora, 1980.
[5]Lurch, Norman E. Fundamentos de Eletrônica, 1ª Edição. São Paulo. Livros Técnicos e Científ icos Editora, 1984.
[6]Ryer, Alex. Light Measurement Handbook, 2ª edição. Massachussetts. International Ligth, inc., 1998.
[7]Tipler, Paul. Física, Volume 4 – òtica e Física Moderna, 3ª edição. Rio de Janeiro. Livros Técnicos e Científ icos Editora, 1995.
[8]Mil lman, Jacob e Halkias, Christos C. Eletrônica – Disposit ivos e Circuitos volume 1, .Editora McGraw-Hil l do Brasil Ltda. ,1981.
[9] Pimenta, José Luiz e Candura, Paulo. LED, A Luz do Futuro. Revista Lumiére, edição 40, p. 68-72, 2001.
[10]Sobreira, Ricardo. Tecnologia de LEDs. Revista Lumiére, edição 49, p.70-73, 2002.
[11]OSRAM. Página de um fabricante de artefatos para i luminação. http://www.osram.com [acesso em 19 fev. 2003].
[12]LedPoint. Página de um fabricante de artefatos para i luminação. http://www.ledpoint.com.br [acesso em 19 fev. 2003].
[13]Agilent Technologies. Portal em que se discutem vários tópicos relativos aos LEDs. http://www.semiconductor.agilent.com [acesso em 19 fev. 2003].
[14]Almeida, João Gabriel Pereira de. LEDS na Sinalização Semafórica Um Caso a ser Estudado. Revista Lumiére, edição 59, p. 66-71, 2003.
[15]Cavalin, Geraldo e Cevelin, Severino. Instalações Elétricas Prediais, 8ª edição. São Paulo. Editora Érica Ltda. 1998
[16]Smit, Libe. I luminação – 1ª parte, Iuminação Interna. Rio de Janeiro.Livraria Freitas bastos S.A. , 1964.
[17]Souza, Muryllo Amalio de. Estudo comparativo entre lâmpadas incandescentes e f luorescentes compactas - qualidade de energia e eficiência luminosa. Curit iba. CEFET-PR, 2003.
90
[18]OSRAM. Manual Luminotécnico Prático. http://www.osram.com.br [acesso em 19 fev. 2003].
[19]Governo Federal. Guia de Eficiência Energética nas Micro, Pequenas e Médias Empresas. Grupo de Elaboração e Gerenciamento do Programa Energia Brasil.
[20]Oliveira, Rodinei de. Luminotécnica. Sorocaba,2003.
[21]Interpam Iluminação. Luminotécnica. http://www.interpam.com.br [acesso em 19 fev. 2003].
[22]Light Emiting Diodes. Light Sources in Electronics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/leds.html#c2 [acesso em 19 fev. 2003].
[23]Noronha, José Leonardo. Procedimentos De Cálculo De Incerteza De Medição Em Medições Diretas E Indiretas. It jubá, 2003.
[24]Led Supply.http://www.ledsupply.com/techinfo.html.[acesso em 19 fev. 2003].
[25]The Imaging Source. http://www.1394imaging.com/products/?sid=bef0ed8dbe2a49a89e78cded2cfbdb0d.[acesso em 19 fev. 2003].
[26] Malvino, Albert Paul. Eletrônica, Volumes I e II, 4ª Edição. Makron Books. São Paulo, 1997.
[27] http://www.lightemitt ingdiodes.org [acesso em fev. 2003].
[28] Pomilio, José Antenor . Lâmpadas fluorescentes compactas: Consumo e Qualidade – SOBRAEP
[29] http://www.cree.com/ [acesso em fev. 2003].
[30] http://www.ledmarketplace.com/ [acesso em fev. 2003].
[31] http://www.laseshape.com.br/ [acesso em fev. 2003].
[32] http://www.ultraleds.co.uk/ [acesso em fev. 2003].
91
ANEXO A – GONIOFOTÔMETRO
92
ANEXO B – PRIMEIRO PROTÓTIPO
93
ANEXO C – CURVA FOTOMÉTRICA PARA O 1º PROTÓTIPO
Escalas: Variação Angular (Ө) = 10°. Variação da Intensidade Luminosa = 10 cd.
94
ANEXO D – INCERTEZA PARA O PRIMEIRO PROTÓTIPO
Identificação da Amostra Valor Medido (cd)
Ângulo Vertical (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1801° Conjunto de
Medições 2,9 5,9 8,1 5,7 7,0 9,3 12,1 32,6 153,3 172,9 44,4 10,5 7,6 6,3 4,6 5,6 5,7 3,0 1,5
2° Conjunto de Medições 2,9 6,2 7,4 5,3 7,0 9,8 12,6 38,8 167,9 163,2 39,9 10,8 8,0 6,3 4,6 5,4 5,9 3,2 1,5
3° Conjunto de Medições 2,7 6,1 7,9 5,3 7,1 9,8 12,6 32,1 154,4 189,7 43,9 10,6 8,2 6,7 4,9 5,2 6,1 3,2 1,7
MÉDIA 2,8 6,1 7,8 5,4 7,0 9,6 12,4 34,5 158,5 175,3 42,8 10,7 8,0 6,4 4,7 5,4 5,9 3,1 1,6
DESVIO PADRÃO 0,1 0,1 0,3 0,2 0,1 0,3 0,3 3,7 8,1 13,4 2,5 0,2 0,3 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1
VARIÂNCIA 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0 0,1 0,1 13,8 66,3 179,6 6,1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0INCERTEZA Tipo A 0,05 0,08 0,20 0,14 0,04 0,17 0,17 2,15 4,70 7,74 1,43 0,10 0,18 0,13 0,09 0,12 0,11 0,06 0,08 Número de amostras 3 INCERTEZA Tipo B 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
INCERTEZA combinada 0,60 0,60 0,63 0,61 0,60 0,62 0,62 2,23 4,74 7,76 1,55 0,60 0,62 0,61 0,60 0,61 0,60 0,60 0,60 INCERTEZA expandida 1,19 1,20 1,25 1,22 1,19 1,24 1,24 4,46 9,48 15,52 3,10 1,21 1,24 1,22 1,20 1,21 1,21 1,19 1,20
k 2
95
ANEXO E – SEGUNDO PROTÓTIPO
96
ANEXO F – CURVA FOTOMÉTRICA PARA O 2º PROTÓTIPO
Escalas: Variação Angular (Ө) = 10°. Variação da Intensidade Luminosa = 1 cd.
97
ANEXO G – INCERTEZA PARA O SEGUNDO PROTÓTIPO
Identificação da Amostra Valor Medido (cd)
Ângulo Vertical (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1801° Conjunto de
Medições 19,0 9,2 4,6 3,7 3,5 3,3 3,2 3,0 2,5 1,6 1,5 2,0 2,7 3,5 3,2 3,4 3,9 5,0 10,4
2° Conjunto de Medições 6,5 14,4 8,6 4,3 3,7 2,9 3,1 3,2 3,0 2,0 1,4 1,7 2,2 3,1 3,2 3,1 3,5 4,1 7,1
3° Conjunto de Medições 12,8 11,8 6,6 4,0 3,6 3,3 3,2 3,1 2,8 1,8 1,5 1,8 2,4 3,3 3,2 3,2 3,7 4,5 8,8
MÉDIA 12,8 11,8 6,6 4,0 3,6 3,2 3,2 3,1 2,8 1,8 1,5 1,8 2,4 3,3 3,2 3,2 3,7 4,5 8,8
DESVIO PADRÃO 6,2 2,6 2,0 0,3 0,1 0,2 0,0 0,1 0,2 0,2 0,0 0,2 0,3 0,2 0,0 0,1 0,2 0,5 1,7
VARIÂNCIA 38,8 6,6 4,1 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 2,8INCERTEZA Tipo A 3,60 1,49 1,17 0,19 0,06 0,13 0,02 0,05 0,13 0,10 0,02 0,09 0,16 0,10 0,01 0,09 0,14 0,27 0,96Número de amostras 3 INCERTEZA Tipo B 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
INCERTEZA combinada
3,646
1,602
1,312
0,624
0,598
0,610
0,595
0,597
0,608
0,603
0,595
0,602
0,617
0,603
0,595
0,601
0,610
0,652
1,132
INCERTEZA expandida 7,3 3,2 2,6 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,3 2,3
k= 2
98
ANEXO H – CURVA FOTOMÉTRICA PARA LÂMPADA INCANDESCENTE DE 60W
Escalas: Variação Angular (Ө) = 10°. Variação da Intensidade Luminosa = 10 cd.
99
ANEXO I – CURVA FOTOMÉTRICA PARA LÂMPADA PLE DE 15W
Escalas: Variação Angular (Ө) = 10°. Variação da Intensidade Luminosa = 10 cd.