Diodos Emissores de Luz em Edificações Eficientes. Prof. Henrique A. C. Braga, Dr. Eng. São Paulo, Junho, 2014
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- Herman Canto Braga
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1 Diodos Emissores de Luz em Edificações Eficientes Prof. Henrique A. C. Braga, Dr. Eng. São Paulo, Junho,
2 Conteúdo Conceitos Básicos de Luminotécnica Lâmpadas Conectadas em CA Lâmpadas Ineficientes Lâmpadas Modernas e Eficientes Diodos Emissores de Luz (LEDs) LEDs de Alto Brilho e Elevada Potência Estudo DOE, Março 2014 Conclusões 2
3 Conceitos Básicos B de Luminotécnica e Fotometria Luz (visível a humanos): pode ser interpretada como uma onda eletromagnética de comprimento entre 380 nm (violeta) y 780 nm (vermelho). Fluxo luminoso (φ): é uma medida da potência luminosa (visível ao olho humano) de una determinada fonte de luz cuja unidade é o lúmen (lm). Se pode medir com uma esfera integradora ou goniofotómetro. 3
4 Mais Conceitos Iluminância (E): relação entre fluxo luminoso y tamanho da área iluminada. Se mede com um luxímetro ou fotômetro em lm/m 2 (= lux). Fornece uma indicação da quantidade de luz visível que incide sobre a área de interesse. Luminância (L): é relacionada com a sensação humana de brilho. Tecnicamente é a Intensidade luminosa (I, em candelas ou cd) de uma área projetada em uma determinada direção. Se mede com um luminancímetro. Eficácia luminosa: é a relação existente entre o fluxo luminoso (em lúmens) emitido por una fonte de luz e a potência (em watts), que pode ser a potência luminosa ou elétrica. É uma boa indicação da eficiência da fonte de luz. Se indica em lm/w. Eficiência luminosa: é definida para uma fonte monocromática de radiação como a relação entre a eficácia luminosa e a máxima eficácia. Se pode indicar em %. 4
5 Cor É uma propriedade dos objetos que é percebida quando este é iluminado. O olho humano pode interpretar as cores porque possui estruturas sensíveis a diferentes comprimentos de onda. Cones e bastonetes são os elementos sensoriais utilizados nesta tarefa. A luz branca pode ser associada a uma temperatura de cor correlata (TCC, em graus Kelvin), semelhante à do corpo negro aquecido a essa temperatura. Índice de Reprodução de Cor (IRC) é uma medida da capacidade de uma lâmpada de reproduzir cores distintas. As lâmpadas incandescentes e a luz solar são usadas como referência, com IRC de 100%. Wikipedia: A cor é uma percepção visual, que é gerada no cérebro c de humanos e outros animais para interpretar os sinais nervosos enviados por fotorreceptores na retina do olho, que, por sua vez, interpreta e distingue os diferentes comprimentos de onda, que captam a parte visível vel do espectro eletromagnético tico (luz). 5
6 Distribuição Espectral É a distribuição da energia irradiada a partir de uma fonte de luz feita de diferentes comprimentos de onda no espectro visível. Potência Espectral Normalizada Comprimento de Onda 6
7 Distribuição de Intensidade Luminosa Duas Fluorescentes: ABNT: curva, geralmente polar, que representa a variação da intensidade luminosa de uma fonte de luz, segundo um plano passando pelo centro, em função da direção. 7
8 Lâmpadas Elétricas (conectadas em CA) Rede CA REATOR ELETRO- MAGNÉTICO Lâmpada (a) Rede CA (b) Conversor CA - CC IGNITOR REATOR ELETRÔNICO OU DRIVER Elementos exigidos para algumas tecnologias de lâmpadas Lâmpada Pode incluir a função de ignição CA: Corrente Alternada 8
9 O que Pode Reduzir a Eficiência de uma Luminária? Má qualidade dos componentes. (*) Reator ou driver (para LEDs) ineficientes. Ignitor ineficiente. Fator de potência inferior a 0,92. Projeto térmico do dissipador (LEDs) impróprio. Emprego de (tecnologias de) lâmpadas ultrapassadas e ineficientes. (*) Capacitores eletrolíticos (de baixo) custo podem diminuir drasticamente a vida útil de um produto (luminária), em especial quando associados a lâmpadas de descarga e LEDs. 9
10 Lâmpadas Ineficientes (Iluminação de Interiores) Lâmpada incandescente: produz luz quando se aquece (pela passagem de corrente elétrica) o filamento de tungstênio. Ela tem uma eficácia luminosa inferior a 18 lm/w. É uma das lâmpadas mais antigas (inventada há mais de 120 anos) e tem uma reprodução de cor ideal. Foi proibido o seu comércio em muitos países. Não exige reator. A sua vida útil varia de 750h a 2500h, mas isso é muito dependente da tensão aplicada. CRI: 98% ~ 100%. TCC por volta de 3000K (quente). Lâmpada halógena (1960 s): é um tipo de lâmpada incandescente. É fabricada com um filamento incandescente envolto em um bulbo halogéneo com gás inerte (iodo ou bromo). Sua eficácia luminosa é inferior a 22 lm/w. Uma variação muito usada na iluminação de interiores é a lâmpada halógena dicróica, que também é ineficiente e esquenta muito (requer mais energia do ar condicionado). Sua vida útil vai de 1000h a 4000h. CRI: 98% ~ 100%. 10
11 Outras Ineficientes Lâmpada mista (1940 s): lâmpadas de luz mista são uma combinação de bulbos de mercúrio com lâmpadas incandescentes. Estas lâmpadas não exigem reator de partida já que o seu próprio filamento atua como estabilizador da corrente elétrica. A sua eficácia está entre 18 e 25 lm/w. Lâmpada Fluorescente Antiga (tubos T12 e T10, 1930): Necessitam reatores (magnéticos, em geral) e de um sistema de ignição (starter). Elas possuem uma eficácia luminosa ao redor de 50 lm/w. Trabalham com o tubo em baixa pressão. Modelos com T8 e T5 com reatores eletrônicos são normalmente mais eficientes. Lâmpadas T12 tem possuem diâmetros de 38 mm (1 ½"). Estas lâmpadas empregam mercúrio líquido para produção do arco elétrico. Vida útil: 7.000h ~ h. CRI: 50% a 90%. TCC entre 2700K e 6500K. 11
12 Lâmpadas Modernas e Eficientes Fluorescentes T8 (1980) e T5 (2000) : Possuem eficácia de 50 lm/w a 100 lm/w. Empregam basicamente reatores eletrônicos eficientes e contam com tubo de vidro revestido com camada de trifósforos (terras raras). As lâmpadas T8 têm um diâmetro de 26 milímetros e as T5 de 16 milímetros. Também necessitam mercúrio líquido no interior do bulbo. Há também as lâmpadas tubulares T4 (12,7 milímetros de diâmetro). A vida útil é de h e o CRI vai de 65% a 88%. Fluorescentes Compactas (anos 1980): Costumam empregar dutos de luz T3 (diâmetro 10 mm) ou T2 (6,4 mm) em formatos de espiral, circular ou serpentina. Precisam de reatores, que podem ser integrados ou externos. A eficácia vai de 50 a 70 lm/w com vida útil em torno de h. Seu CRI é entre 65 % e 88 %. A TCC varia muito entre os modelos. Lâmpadas metálicas (1960 s): são muito utilizadas na iluminação pública, em ruas e estádios esportivos, mas há modelos em potências mais baixas para uso em interiores. Precisam de reatores e ignitores. Sua eficácia luminosa vai de 70 lm/w a 115 lm/w. A vida útil é de 5.000h a h. Possuem CRI em torno de 70%, mas existem modelos que alcançam melhores marcas. Após extinto o arco (falta de energia), podem exigir em torno de 5 min para reacenderem. 12
13 Exemplos de Ineficiência em Projetos de Iluminação de Interiores Emprego de lâmpadas fluorescentes ultrapassadas (T10 e T12). Sobrevalorização da estética em detrimento da eficiência. Uso indiscriminado de iluminação indireta. Emprego exagerado de lâmpadas halógenas (aquecem o ambiente, são ineficientes e exigem mais do sistema de ar condicionado). Manutenção e limpeza insuficientes ou inexistentes em lâmpadas e luminárias fluorescentes tubulares. Emprego de lâmpadas incandescentes ou fluorescentes compactas como luzes indicadores ou iluminação indireta (LEDs são melhores). Lâmpadas tubulares sem luminárias reflexivas modernas. Descarte indevido e problemas para o meio-ambiente (mercúrio). 13
14 Um Exemplo Simples Lâmpada CFL de 13W Uma lâmpada compacta foi usada para iluminar o número de indicação na entrada dos quartos em um hotel. A potência empregada é de 13W, mas poderia ser substituída por uma lâmpada baseada em diodos emissores de luz (LEDs) de menos de 5W, com o mesmo objetivo. Supondo 500 quartos, teríamos uma economia mínima de W! A economia mensal (supondo 10h de uso) seria de 960 kwh! 14
15 Diodos Emissores de Luz (LEDs) O acrônimo LED vem do inglês: Light Emitting Diode. No passado (mais de 15 anos) foram empregados como luzes indicadoras (on-off) e de segurança (entrada/saída, cuidado, toaletes etc.). Com a fabricação de modelos de alto brilho puderam ser empregados em sinais de trânsito (semáforos) com boa eficiência, elevada vida útil, resistência mecânica muito boa etc. Nos últimos 10 anos os LEDs passaram a ser considerados em iluminação de interiores e exteriores (ruas, avenidas, túneis, rodovias e monumentos). Seu custo é ainda elevado, apesar de que esteja reduzindo a cada ano. Além disso, a eficácia luminosa de modelos comerciais cresce a cada ano. Outra vantagem importante é a vida útil que pode superar as horas (levando em conta a depreciação luminosa). 15
16 LEDs: Breve Histórico 1907 Carborundum luminoso (Henry Joseph Round) 1955 LED IR (Infravermelho) 1962 LED vermelho 1971 LED azul / 1993 comercial (Shuji Nakamura) 1972 LED amarelo/ 90 s comercial 1972 LED âmbar / 90 s comercial 1995 LED branco/ 90 s comercial Final dos anos 90 UV LED (ultravioleta) / 90 s (comercial) 16
17 O LED Convencional A Anodo B Catodo 1.Lente/encapsulado epóxi (cápsula plástica) 2.Contato metálico (fio condutor) 3.Cavidade refletora (copa refletora) 4.Terminação do semicondutor 5.Bigorna 6.Plaqueta 7.Suportes para terminais 8.Borda plana Fonte: Wikipedia 17
18 LEDs: Conceitos São diodos otimizados para emitir luz quando da passagem de corrente direta (de anodo para catodo), fenômeno fundamentado no princípio da recombinação de elétrons no material semicondutor (ver cap. 4). O processo de emissão de luz em LEDs é conhecido como eletroluminescência. A cor da luz de um LED depende do material semicondutor usado na sua fabricação. Existem LEDs incolores, ou seja, emitem radiação não visível com infravermelho (IR, do inglês infrared) e ultravioleta (UV). LEDs possuem reduzida capacidade de bloqueio de tensão reversa (ou seja, não são apropriados para operarem como retificadores). Os LEDs possuem reduzida capacidade de bloquear tensão reversa (ou seja, não são adequados para o funcionamento como retificadores). LEDs emitem luz muito direcional. Para ampliar a largura da área iluminada é necessário recorrer a lentes especiais (colimadores). 18
19 LEDs: Cores Cor Faixa de Comprimento de Onda (nm) Eficácia Típica (lm/w)* V Vermelho 620 < λ < Vermelho-laranja laranja 610 < λ < Amarelo 570< λ <590 ni Verde 520 < λ < Ciano 490 < λ < Azul 460 < λ < ,8V 2,0V 2,1V 3,5V 3,2V 3,6V (*) ni: não informado Obs.: LEDs brancos modernos podem ser obtidos por meio do método phosphor conversion (PC) ou pela combinação de LEDs coloridos (RGB). LEDs brancos empregados na iluminação de interiores e exteriores geralmente empregam o método PC. 19
20 LEDs Brancos: Estado da Arte Temperaturas de cor K K lm/w (facilmente encontráveis) lm/w (já possíveis) IRC 70% (branco frio), 90% (branco quente), > 95% (já possível) Vida útil estimada: 50 mil h (mínimo), 100 mil h (típico), 130 mil h (extrapolação) Um dos principais problemas dos LEDs de alto brilho e elevada potência se refere ao calor produzido pela passagem da corrente elétrica. Se o LED esquenta muito, seu fluxo luminoso reduz demasiado. O problema do calor pode ser contornado com o uso de dissipadores (radiadores) de calor. 20
21 LEDs de Potência: Construção e Dissipação de Calor COB LED (Chip on Board) 21
22 Luminárias LEDs para Interiores LED Tubular (Retrofit) Painel LED para Embutir Projetor e retrofit para incandescente ou fluorescentes compactas LED PAR-30 22
23 Estudos Comparativos (Tubular T8 e retrofits LEDs) DOE - CALiPER, Informe Resumido de Aplicação no. 21: Lâmpadas LEDs Tubulares (T8), Março (*) Segundo as medições feitas neste estudo, 21 lâmpadas LED tubulares (retrofits T8) apresentaram uma ampla gama de recursos, algumas boas, outras ruins, mas nenhuma delas apresentou um desempenho verdadeiramente similar ao das lâmpadas fluorescentes T8 comercialmente disponíveis. O estudo revela, contudo, que este produto a base de LED tem evoluído de forma notável, com alguns produtos hoje apresentando a mesma eficácia (ou ainda superior) que as lâmpadas fluorescentes tubulares. A fim de economizar energia e atingir a igualdade de iluminação no plano de trabalho (em comparação com as T8), as lâmpadas LED tubulares precisam sustentar-se na direcionalidade de emissão luminosa para aumentar sua eficiência ou alterar a distribuição para se concentrar mais sobre o plano iluminado. Os 21 produtos testados contavam com LEDs de eficácia luminosa entre 66 e 143 lm/w. A maior parte dos produtos apresentaram uma eficácia entre 78 e 115 lm/w, e a média do grupo foi de 94 lm/w. Assim, com a exceção de um produto com 143 lm/w, este parâmetro (eficácia) não se mostrou sensivelmente melhor do que as lâmpadas fluorescentes T8 com IRC 80 ou superior. (*) O programa CALiPER (Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting) do DOE (Department of Energy) norte-americano foi lançado em
24 Mais Conclusões Nenhuma das lâmpadas tubulares LED avaliadas apresentaram uma distribuição de intensidade luminosa semelhante à de uma lâmpada fluorescente tubular que pretendiam substituir. Modelos com lentes especiais, no entanto, tendem a proporcionar mais luminosidade para cima e um ângulo mais amplo em comparação com aqueles com uma lente transparente ou sem lente. Embora muitos dos produtos adquiridos possuíssem um TCC nominal de 4000 K e um CRI na faixa dos 80, vários produtos não alcançam essas marcas, oferecendo apenas um CRI em torno de 70 ou um TCC muito alto, o que pode não ser adequado para todos aplicações. O fator de potência da maioria dos produtos LEDs foi muito bom, acima de 0,95. Esta é uma característica que tem melhorado ao longo dos anos. Muitas das afirmações do fabricante foram precisas. No entanto, 45 % dos produtos apresentarem valores nominais (de placa) para fluxo luminoso, potência de entrada ou eficácia luminosa inferiores em mais de 10% na comparação com os valores medidos pelo programa CALiPER. Muitos fabricantes não informaram com precisão o ângulo de feixe luminoso para as suas lâmpadas LEDs, de modo que um técnico ou cliente pode se surpreender com o (mau) desempenho das lâmpadas no interior de luminárias comerciais. 24
25 e por fim Embora a eficácia de lâmpadas tubulares LED seja maior do que muitas outras categorias de produtos LED, superar as lâmpadas fluorescentes T8 é uma tarefa bastante difícil, tanto quanto à eficiência energética quanto com relação a custo. No entanto, em termos de economia de energia, a maré pode estar começando a virar em favor do LED. Mas, ainda não se sabe se as mudanças associadas à enorme diferença de desempenho na distribuição de intensidade de luz (como adaptação às luminárias, o ofuscamento e distribuição de iluminância) serão aceitas. Se as restrições de qualidade restringirem a adoção dos produtos, o potencial de economia de energia dos LEDs permanece apenas teórico. Para remediar a situação, lâmpadas LEDs tubulares com distribuição omnidirecional poderiam ser usados. Contudo, no momento essa não parece ser uma opção de bom custo-benefício em comparação com lâmpadas fluorescentes. Outra possibilidade é não é usar tais produtos LEDs tubulares como alternativas de substituição direta (retrofits) para lâmpadas fluorescentes atuais. Outras soluções, tais como kits ou módulos de inserção para adaptação de luminárias, ou ainda outras soluções que vão além do paradigma da lâmpada dentro da luminária, permitiriam que os LEDs capitalizassem em cima de sua característica de emissão direcional. 25
26 Avaliação Experimental no NIMO-UFJF (T8 Fluor. x T8 LED) Fluorescente: LED: Obs. (*) Tomadas em plano a 2,85m da luminária e reticulado de 35 pontos (7 x 5). (**) Medidas com termovisor Fluke Ti125 ao longo do bulbo, com e sem refrator e observados os pontos de máxima nos eletrodos, driver e reator. 26
27 Comparação entre Tipos de Lâmpadas Tipo de Iluminação Eficácia Luminosa (Lm/W) Vida Útil (h) Reprodução Cromática (CRI, %) Temperatura de Color Correlacionada (TCC, kelvins) Aplicação: Interiores/Exteriores Lâmpadas Fluorescentes Tubular (razoável a bom) (quente a fria) Interna/Externa Fluorescentes Compactas (bom) (quente a fria) Interna/Externa Circulares Interna Lâmpadas de Arco Voltaico de Elevada Intensidade (Alta Pressão) Metálica (razoável) (fria) Interna/Externa Incandescentes Standard "A" (excelente) (quente) Interna/Externa Incandescente Econômica (ou Halógena) (excelente) (quente a neutra) Interna/Externa Refletor (excelente) (quente) Interna/Externa Diodos Emissores de Luz (LEDs) Interna/Externa LEDs Blanco Frios (razoável a bom) (fria) LEDs Brancos Quentes (razoável a bom) (neutra) Interna/Externa Escritório de Energia Renovável e Eficiente dos Estados Unidos de América, Agosto/
28 Eficácia cia Comparada 28
29 Conclusões Finais A área de iluminação passou (e está passando) por uma mudança muito rápida nos dias atuais. Residências e repartições públicas ainda empregam tecnologias antigas e ineficientes, mas produtos modernos estão disponíveis agora. Por algum tempo, as lâmpadas fluorescentes eficientes (T8 e T5), além das compactas, vão oferecer soluções de melhor custo-benefício. Os LEDs estão evoluindo muito rapidamente. Por meio da criatividade de muitos fabricantes, já estão disponíveis alternativas de lâmpadas e luminárias LEDs eficientes e elegantes. A eficiência luminosa está melhorando a cada produto, a cada mês, a cada dia. Podemos esperar alternativas de luminárias LEDs que nos irão libertar de modelos convencionais de iluminação e do simples conceito de substituição (retrofits). LEDs orgânicos (OLEDs) eficientes e de baixo custo também estarão disponíveis como opções no futuro próximo para iluminação e decoração de interiores. 29
30 Instituciones de Soporte Financiero Contactos: 30
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