Livro Iluminação Urbana

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Iluminação Urbana é um livro voltado para mostrar o universo da Iluminação dedicada na montagem de um cenário urbano noturno, o processo do chamado "Plano mestre de Iluminação Urbana".

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Livro Iluminação Urbana

  1. 1. IluminaçãoUrbana ConceitoseAnálisedeCasos Paulo Candura e Plinio Godoy
  2. 2. Agradecimentos Meu maior agradecimento é à minha esposa, Odette, pelo apoio e pela paciência que me dedicou nos momentos em que a escuridão esteve presente em minha vida. Também não poderia deixar de citar o Plínio Godoy, por ter me mostrado um outro lado da iluminação pública, o viés artístico. Ao “irmão” Adilson Castelo, companheiro na luta por um serviço de iluminação pública com qualidade. Por fim, agradeço imensamente aos colegas do Ilume, em particular aos técnicos do Ilume 2, em nome de Márcio Sacchi Correa, que ajudaram na minha formação técnica e a ser quem sou hoje. Paulo Candura Agradeço à minha família, com quem me restauro e por quem me desgasto. Aos meus amigos, que muitas vezes prestaram grande auxílio em momentos importantes nesses 20 anos de iluminação. Aos meus Mestres, os engenheiros Milton Martins Ferreira, Adriano Genistretti e Isac Roizenblatt, pela paciência nos primeiros anos de profissão. Ao engenheiro Paulo Candura, pela amizade e constante referência, tanto no âmbito profissional quanto no pessoal. A todos aqueles que trabalharam para a realização deste livro, ao amigo Vitório Júnior e à sua equipe; e à jornalista Andréa Espírito Santo, pelas longas horas dedicadas. À Impact Comunicação e a sua equipe, pelo fantástico trabalho visual desenvolvido. Ao Mestre Roger Narboni, uma inspiração de vida, e que gentilmente cedeu algumas obras, enriquecendo nosso trabalho. A todos os patrocinadores que acreditaram na proposta deste livro. A Deus, meu amigo de sempre. Plínio Godoy
  3. 3. Expediente Editor:Vitório Junior MTB|SP 52.635 Autores: Plínio Godoy e Paulo Candura Texto: Andréia Espírito Santo MTB|SP 030201 Revisão de Texto: Giovanni Giocondo DRT|BA 3269 Participações Especias: João Valente, Roger Narboni e Pietro Palladino Projeto Gráfico e Diagramação: Impact! Comunicação Ilustrações: Dirceu Veiga Coordenação Gráfica: Grafplus Impressão:Van Moorsel Fotografias: Rubens Campo e Ailton Tenório Assessoria de Comunicação e Imprensa:VJMCE Coordenação de Patrocínios Institucionais: Amarildo Leal de Souza Coordenação Geral do Projeto do Livro:VJMCE Catalogação do livro: GODOY, Plinio; CANDURA, Paulo Iluminação Urbana Conceitos e Análises de Casos São Paulo, VJ Marketing Institucional Ltda, 2009. 176p. il. (Bibliografia) Cap.1. Conceitos Básicos Cap2. Plano Diretor - Áreas de Atuação Cap.3 Estudos de Casos Editora VJ Av. João Paulo Ablas 327 Sala 01 e 04 Granja Viana, Cotia, São Paulo - Cep. 06711-250 Telefone (11) 46175114 | 47770867 Site: www.vjmce.com.br Comentários ou sugestões: luzurbana@luzurbana.com.br
  4. 4. O arquiteto, na qualidade de urbanista, é um construtordeespaçosurbanos:seutrabalhoconsidera o trânsito de pessoas e de veículos, foca a dinâmica da cidade, mas está relacionado à matéria, a edificá- la e a transformá-la em algo funcional à sociedade. É arte também. Mas o grande desafio para os urbanistas está em atender às necessidades da cidade moderna do século XX, pois ela abriu para todos nós um amplo leque de atividades que extrapolam o período diurno e obriga aos envolvidos em sua construção e gestão a pensar e a repensar o espaço urbano também à noite, afinal, ele continua sendo arquitetura neste período. É nessa ocasião que a ciência da iluminação marca presença: ela vem reconstruir a arquitetura e o urbanismo no período noturno, em que a vida não pára de correr nas artérias urbanas. Não se trata de vencer a noite. A iluminação é um projeto tão complexo quanto a arquitetura e oferece múltiplas perspectivas, reinventando as obras arquitetônicas, permitindo obter desses elementos a diversidade de gêneros, efeitos cênicos, de visibilidade e de paisagem. A luz artificial tem como objetivo transportar a arquitetura para uma outra dimensão, utilizando não apenas equipamentos modernos, mas abusando das cores, das intensidades, sendo uma intervenção provocativa e responsável por despertar emoções. Quando conheci Paulo Candura e Plínio Godoy por ocasião do projeto da Ponte Estaiada Octávio Frias de Oliveira, em São Paulo, tive a impressão e, posteriormente, a certeza que estava diante de dois profissionais da mais alta seriedade. A arte de Plínio e a técnica de Paulo se encontraram naquela parceria com objetivo único surpreender os olhos humanos a partir do realce da estrutura. A Ponte Estaiada é imponente e recebeu iluminação de um ângulo interno que resultou provocativa, demonstrando a genialidade da luz na arquitetura e no urbanismo. O projeto luminotécnico da Ponte é fascinante por ser discreto e, ao mesmo tempo, transmitir um ar de mistério, elemento que fazia parte da estrutura, mas que só foi possível evidenciar com apoio do design de iluminação. Além de moderna, essa iluminação retrata a dinâmica de uma das maiores cidades do Brasil. Surpreendeu-me constatar a queda de meus receios iniciais de que o uso de cores e de efeitos poderiam vulgarizar a estrutura: eles acabaram tendo uma repercussão positiva. Seus desenhos e suas formas foram valorizados, brindando a cidade de São Paulo com um dos cartões postais mais encantadores do mundo. É uma dimensão extra de uma mesma construção, de uma mesma idéia, de uma sensação que se tem durante o dia e também à noite. Depois desse projeto, Paulo, Plínio e eu nos reencontramos em outro, o da Passarela Estaiada Miguel Reale, mais um degrau em nossa amizade que tem longo caminho a percorrer, pois aprender o lado artístico da iluminação foi enriquecedor para meu currículo.Eambossãograndesprofissionais,dominam o tema em que trabalham e se complementam em conhecimentos. O Brasil merece. E merece também uma obra dedicada à iluminação. João Valente Filho, Valente Arquitetos, Brasil PREFÁCIOS Um encontro bem sucedido
  5. 5. Em todo o mundo, as cidades têm descoberto na última década esta nova dimensão da noite. Elas iniciaram e integraram a suas grandes obras urbanas, a luz como uma parte importante do planejamento do espaço público – bons exemplos podem ser vistos com a revitalização do centro da cidade ou subúrbios, nova política para espaços públicos, o desenvolvimento de novos distritos, a regeneração de zonas industriais em cidades dormitório, a criação de linhas de trens, a estratégia de poupar energia, o desenvolvimento do turismo, entre outros. Para dar uma resposta aos políticos da cidade dispostos a embelezar suas cidades e paisagens, dominar e planejar uma imagem clara da noite, desenvolver uma iluminação urbana com qualidade, uma nova disciplina nasceu na França em meados dos anos 1980, a chamada Light Urbanism que proporcionou o lançamento de novas ferramentas para os planejadores urbanos e técnicos urbanos, tais como o já famoso Lighting Master Plan (Plano Diretor de Iluminação). No entanto, muitas cidades, especialmente no Brasil, ainda apresentam a aparência desgastada ou iluminações de rua muito funcionais. Muitos deles tornam-se ambientes pobres à noite para as pessoas, têm escassa iluminação de alguns dos seus monumentos, marcos ou quase nenhuma iluminação arquitetônica. Esta situação negativa poderia ser transformada em uma oportunidade para pensar o que poderia ser uma nova iluminação urbana no futuro, criando uma nova imagem noturna e transformando as cidades brasileiras em pontos mais bonitos e atraentes. Essas transformações não podem ser feitas às cegas ou com base no improviso. Precisam ser desenvolvidas por profissionais que criem uma nova morfologia urbana e que questionem sobre o que é ou o que poderia tornar-se a nova identidade noturna para as cidades brasileiras? O plano diretor de iluminação é, portanto, uma forma interessante de afirmar claramente uma vontade municipal ou dar uma nova paisagem a uma cidade. O urbanismo com luz lentamente tornou-se uma necessidade: • Para planejar e para tornar rentáveis os investimentos da cidade em iluminação pública. • Para reunir os investimentos privados necessários para impulsionar o embelezamento da cidade (bancos, hotéis, indústrias, centros comerciais). • Para definir um quadro jurídico para implementar a iluminação (pública e privada). • Para transmitir uma nova imagem noturna da cidade para a mídia local, nacional ou internacional. • Desenvolver o turismo noturno de forma diferente ou para mostrar a riqueza da cidade aos seus habitantes. • Para dar a todos os moradores da cidade (que vivem no centro ou na periferia, nos bairros ricos como nos bairros sociais) um sentimento de orgulho e uma grande sensação de pertencer a um território comum: a sua cidade. O perigo potencial poderia ser, então, que o superdesenvolvimento da iluminação urbana produziria um efeito de dominação da luz em relação à noite, tanto que a valorização do ambiente natural noturno, bem como a descoberta da paisagem que hospeda a cidade, fosse oprimido. A paisagem urbana deve, portanto, tornar-se lentamente uma grande preocupação para os lighting designers. Nosso próximo passo, no futuro, poderá ser o de inventar todos juntos um novo conceito de paisagem noturna para grandes centros urbanos. E para o desenvolvimento com certeza sustentável, as preocupações ecológicas, proteção do meio ambiente à noite e a diminuição da poluição luminosa devem ser sistematicamente integrados em todos os nossos projetos de iluminação! Roger Narboni, lighting designer, PLDA, ACE CONCEPTO studio, França O Futuro da Iluminação Urbana
  6. 6. Trabalho com Plínio Godoy há mais de 10 anos e reconheço como suas principais características a pro atividade e a incansável busca pelo melhor. Essas virtudes fazem com que o trabalho que desenvolve seja de qualidade superior e quase sempre dotada de soluções técnicas inovadoras e criativas. Quando solicitado para projeto de iluminação “cênica” ou “de monumento”, a iluminação de valorização de fachadas, outra grande preocupação de Plínio, é a da não dissociação do objeto a ser iluminado com o entorno no qual se encontra, objetivando sua perfeita inserção no contexto urbano, sem que haja uma sobrevalorização de um sobre o outro. A preocupação com a cidade, a iluminação como contraponto da arquitetura a valorizar à noite suas qualidades diurnas, fazem do seu trabalho uma necessidade, quase uma imposição. Na iluminação geral, a reconceituação dos princípios e sistemas que adota, agora em bases sustentáveis, trouxe a seu trabalho uma nova dinâmica, adequada às necessidades dos nossos tempos, com forte foco na redução do consumo energético sem, no entanto, a perda da qualidade da luz ou do seu resultado estético enquanto elemento componente da arquitetura da qual é parte indissociável. Pelo contrário, a necessidade imposta estabeleceu-lhe novos parâmetros de atuação e sua experiência acumulada fez com que o possível limão fosse rapidamente transformado em limonada, em beneficio do planeta. O cuidado nos projetos, a busca de novas soluções, a inovação técnica, o conhecimento tecnológico e a criatividade em seu trabalho são de certo modo, intrinsecamente didáticos e, como não poderia deixar de ser permeiam também este livro que mais do que expor alguns dos seus trabalhos o faz de forma a orientar aos novos profissionais que irão se dedicar a essa atividade um caminho já iluminado pelo seu talento. Nelson Dupré, arquiteto Dupré Arquitetura, Brasil A iluminação como ponto de harmonia com a arquitetura
  7. 7. índice I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Índice CAPÍTULO 1 CONCEITOS BÁSICOS•••••••••••••••••••••••••••••••••••• pág 001 CAPÍTULO 2 - PLANO DIRETOR - ÁREAS DE ATUAÇÃO A - PLANO DIRETOR DE ILUMINAÇÃO URBANA••••••••••••• pág 025 B - ÁREAS VERDES• •••••••••••••••••••••••••••••••••• pág 039 C - ILUMINAÇÃO DE ÁREAS EXTERNAS•••••••••••••••••••• pág 047 D - ILUMINAÇÃO DE PATRIMÔNIO HISTÓRICO• •••••••••••• pág 059 E - ILUMINAÇÃO PÚBLICA••••••••••••••••••••••••••••• pág 073 CAPÍTULO 3 - ESTUDOS DE CASOS A - CASES NARBONI (FRANÇA)•••••••••••••••••••••••••• pág 098 B - CASES PALADINO (ITÁLIA)••••••••••••••••••••••••••• pág 128 C - TRIBUNAL DE JUSTIÇA SP• •••••••••••••••••••••••••• pág 136 D - OBELISCO - SP••••••••••••••••••••••••••••••••••• pág 140 E - EDIFÍCIO ARCADAS - SP••••••••••••••••••••••••••••• pág 142 F - PONTE ESTAIADA - SP• ••••••••••••••••••••••••••••• pág 146 G - PELOURINHO - BA•••••••••••••••••••••••••••••••• pág 152 H - PASSARELA CIDADE JARDIM - SP•••••••••••••••••••••• pág 156
  8. 8. Este livro procura fornecer algumas informações técnicas a todos aqueles que buscam na iluminação uma forma de comunicação e de expressão, uma ferramenta para melhorar a vida das pessoas através do incremento da qualidade dos ambientes urbanos noturnos. Através de uma abordagem leve, ricamente ilustrada, de fácil leitura aos estudantes, arquitetos e aos gestores, este livro busca apresentar alguns conceitos teóricos e práticos, muitos dos quais em discussão e em desenvolvimento dentro dos quadros do Comitê Internacional de Iluminação (CIE). A prioridade é informar, trazer à baila temas que muitas vezes estão “escondidos” em cursos de engenharia, ou nas mentes experientes de profissionais com longo tempo de carreira, e como não poderia deixar de ser, mostrar projetos de iluminação desenvolvidos pelo Brasil.Aproveitamos para destacar alguns conceitos aplicados em cases internacionais em diferentes países. Para facilitar o entendimento, esta obra foi dividida em duas partes. A primeira delas técnica, repleta de informações atualizadas e amplamente utilizadas no desenvolvimento de projetos - o conteúdo editorial foi enriquecido com conceitos de fontes renomadas do setor. Na segunda parte, aproveite para conhecer mais sobre o que vem sendo feito para valorizar o mundo com auxílio da iluminação artificial. Como uma obra em desenvolvimento, agradecemos quaisquer críticas construtivas, sugestões e materiais que possam ser utilizados como base para próximas edições. Boa leitura! Os autores Introdução
  9. 9. Define-se LUZ como a energia radiante que é capaz de excitar a retina do olho humano e produzir, por consequência uma sensação visual, desencadeando o processo de percepção visual. A compreensão completa da luz implica não somente o conhecimento das leis físicas sobre sua natureza como também as respostas do ser humano perante esse fenômeno. Na história científica, foram formuladas diferentes teorias para explicar a luz, sendo a primeira tentativa efetuada por Isaac Newton no século XVII com a chamada Teoria Corpuscular, baseada em três premissas: 1. Os corpos luminosos emitem energia radiante em formas de partículas; 2. Estas partículas propagam-se em linhas retas; 3. Estas partículas atuam sobre a retina, estimulando uma resposta que produz uma sensação visual. Já no final do século XVII, o holandês Christiaan Huygens lançou a Teoria Ondulatória da Luz com base nas premissas de que a luz é resultado das vibrações moleculares no elemento luminoso e de que as vibrações são transmitidas em um meio denominado “Éter” com movimento ondulatório em forma similar às ondas da água. E estas vibrações assim transmitidas atuam sobre a retina do olho humano, estimulando uma resposta que produz a sensação visual. Maisadiante,noséculoXIX,ofísicoescocêsJames Clerk Maxwell estabelece a Teoria Eletromagnética, partindo da ideia de que os corpos luminosos emitem luz através de energia radiante. Esta energia se propaga em forma de ondas eletromagnéticas, que atuariam sobre a retina do olho humano, estimulando uma resposta que produz a sensação visual. As ondas eletromagnéticas são campos elétricos e magnéticos paralelos se propagando no espaço e têm velocidade c = lf , onde c é a velocidade da luz, l o comprimento de onda, que é a distância entre os picos, e f é a frequência (o inverso do período de uma oscilação). As diferentes frequências de oscilação estão associadas a diferentes tipos de radiação. Por exemplo, ondas de rádio têm frequências menores, a luz visível tem frequências intermediárias e a radiação gama tem as maiores frequências. ATeoria do Eletromagnetismo foi o que permitiu o desenvolvimento da Teoria Restrita (ou Especial) da Relatividade por Albert Einstein, em 1905, descrevendo a física do movimento na ausência de campos gravitacionais. A noção de variação das leis da física no que diz respeito aos observadores é a que dá nome à teoria, à qual se acrescenta o qualificativo de especial ou restrita, por limitar-se apenas aos sistemas em que não se têm em conta os campos gravitacionais. O físico Max Planck, no início do século XX, dirigiu sua atenção ao que era, todavia, um 1Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A CAPÍTULO 1 Conceitos Básicos
  10. 10. problema não resolvido pela física do século XIX, e que consistia na distribuição entre os diversos comprimentos de onda da energia calorífica irradiada por um corpo quente. Sob certas condições ideais, a energia se distribui de um modo característico. Planck demonstrou que podia ser explicada supondo que a radiação eletromagnética era emitida pelo corpo em pacotes discretos aos quais chamou “quanta”. O postulado de Planck parte do ponto de que a energia é emitida e absorvida em quantidades definidas (Fótons) e que o valor energético de cada fóton é determinado pelo produto de: h x v Onde: h = 6,626x10-34 (Constante de Plank) e v = freqüência da vibração do fóton (Hz). Unificando as teorias acerca da luz, os cientistas Louis De Broglie e Heisenberg estabeleceram as premissas de que cada elemento de massa em movimento tem associado uma onda cuja longitude é definida pela equação: l = h / m v Onde l é a longitude de onda associada ao movimento de onda; h é a constante de Planck; m é a massa da partícula; e v é a velocidade da partícula. A radiação visível A energia radiante na parte visível do espectro está inserida entre duas longitudes de onda, 380- 770 nanômetro (IESNA, 1993). Isto significa que os olhos humanos estão aptos a enxergar a radiação dentro destes comprimentos de onda, é o que chamamos de luz. (Figura 1 - Luz visível) Propagação da luz A luz se propaga em linha reta em um meio homogêneo e a uma velocidade menor do que a velocidade no vácuo, segundo um fator definido como Índice de Refração do meio. Quanto mais próximo da unidade for o Índice de Refração, mais próxima é a velocidade de propagação no vácuo (velocidade da luz). Quando a luz atravessa a interface entre dois meios com distintos índices de refração, uma parte da radiação é refletida pelo meio um e a outra parte é transmitida pelo meio dois, sofrendo um 2 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 1: Luz visível q2 Meio 1 Meio 2 Raio refratado Raioincidente Raiorefletido Figura 2 – Refração 380 400 450 1XE 1021 1018 1015 1012 109 106 103 1 KiloMegaGigaTeraFrequência (Hz) 10-15 Notícias Rádio Aquecedores e Secadores Terapêutico Notícias Radiação cósmica Raios cósmicos Raios gama Raio-X Fototerapia Diatermia UV até Infravermelho Radiação Infravermelho Calor capacitivo sem fio Por cabo Calor indutivo 10-12 10-9 10-5 10-3 1 103 106 109 1A 1nm 1mm 1mm 1cm 1m 1km 500 550 600 650 700 750 780 nm Comprimento de onda Luz visível
  11. 11. desvio da direção original, ao que caracteriza que a luz sofreu uma refração. (Figura 2 - Refração) Os raios incidente e refletido, quando em um mesmo meio, são iguais, ou seja, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de emergência. Quando a superfície é polida, obtém-se a reflexão dita especular. Com relação ao fenômeno da refração, se o raio incidente encontra-se em um meio 1, de índice de refração n1, e o raio refratado encontra-se em um meio 2, de índice de refração n2, a relação dos ângulos incidente e emergente é expressa pela equação: n1 sen F1 = n2 sen F2 Esta expressão é conhecida como Lei de Snell Reflexão e transmissão difusa Em geral, a distribuição angular da luz refletida e transmitida depende do ângulo de incidência do raio luminoso em relação à superfície e da natureza da rugosidade da superfície. (Figura 3 - Reflexão) É importante salientar que, sempre que se ilumina uma superfície cuja característica de reflexãoéespecular,oresultadoéabaixapercepção de luz; quando se ilumina uma superfície com características de reflexão difusa, os resultados são muito mais expressivos, considerando-se o índice de reflexão da mesma. Em linhas gerais, sempre que há o interesse na iluminação de uma dada superfície, é recomendada a utilização de cores claras e acabamentos foscos (Reflexão Difusa). Sensibilidade espectral do olho humano A sensibilidade do olho humano não é uniforme dentro do espectro visível, sendo que a variação em relação ao comprimento de onda pode ser analisado no gráfico (Figura 4). A visão fotópica Em ambientes onde há altos níveis de iluminação, em geral durante o dia, a percepção da luz é representada pela curva relativa à visão fotópica, percebida completamente através dos receptores chamados de cones. A resposta máxima desses receptores ocorre na região verde- amarelada do espectro, cujo comprimento de onda está na casa dos 555 nanômetros (nm). 3Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 4 - Curvas de Sensibilidade CIE Figura 3 - Reflexão Especular Reflexão Difusa Reflexão Mista Violeta 0,0 400 450 500 507 555 550 600 650 700 750 Comprimento de curva l (nm) EspectrodesensibilidadeaàluzV(l) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho Valor de curva para dia Valor de curva para noite
  12. 12. A visão escotópica Em ambientes onde há baixos níveis de iluminação, em geral durante o período noturno, e os olhos humanos dispõem de tempo suficiente para adaptar-se à escuridão (até 30 minutos), tem- se a visão chamada escotópica, percebida por outra categoria de receptores, os bastonetes. A resposta máxima dos bastonetes ao estímulo ocorre na região azulada do espectro, cujo comprimento de onda está na casa dos 507nm. A visão mesópica Na região intermediária entre as visões fotópica e escotópica tem-se uma interessante visão chamada mesópica, onde cones e bastonetes interagem entre si proporcionando uma visão débil em reconhecimento de cores, aumentando a percepção das cores vermelhas em relação às azuis (motivo pelo qual a luz de freio dos automóveis é vermelha). Assim, para cada momento do dia e sua respectiva quantidade de luz, a curva de sensibilidade move-se desde a visão fotópica e escotópica, conforme mostrado na figura 4. Fluxo luminoso O fluxo luminoso F é a parte do fluxo radiante de uma fonte relacionada à resposta visual humana, conforme explicitado na curva de sensibilidade CIE do gráfico 3, entre 380nm e 780nm, considerando- se a curva de visão fotópica. A unidade de medição chama-se lúmen (lm). “Um Lúmen é o fluxo luminoso de uma radiação monocromática caracterizada por uma frequência de 540 x 1012 Hz e um fluxo radiante de (1/683)W” De forma resumida, uma energia radiante de 1W proporciona no máximo 683 lm quando utilizada uma radiação monocromática de 555nm. Eficiência da fonte Na prática, o fluxo luminoso de uma lâmpada é a soma de toda energia radiante que sensibiliza o olho humano na visão fotópica, diretamente relacionada com a capacidade de cada fonte em transformar energia elétrica em luminosa. A esta capacidade chama-se de eficiência da fonte medida em lumens por Watt (lm/W), e pode ser analisada na figura 5. Iluminância e luminância O conceito de iluminância, no passado conhecido por iluminamento, caracteriza o resultado de uma fonte de luz que incide em determinada área iluminada. Simbolizada por E, sua unidade de medida é o Lux e é calculada pela relação lm/m2. 1 Lux = 1 lm/1m2 Caso a área utilizada seja sq.ft (pé quadrado), o resultado é expresso em fc (lm/ft2). Pelas relações de área, tem-se: 1 footcandle = 10.76391 lux Figura 6 - Iluminância O conceito de luminância baseia-se no observador da superfície iluminada, isto é, tudo o que os olhos humanos enxergam pode ser descrito por luminância de determinado objeto. 4 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 5 – Eficiência da fonte luminosa Figura 6 - Iluminância 1 lm 1 m2 superfície aparente Intensidade Luminosa Áreailum inada Lumensporwatt 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Incandescente 10-17 12-22 20-60 25-60 30-110 40-70 50-140 70-115 Halogena A-line LED Branco Vapor de Mercurio Fluerescente Linear Fluerescente Compacta Sódio Alta-pressão Vapor Metálico Figura 7 - Luminância
  13. 13. A luminância de um objeto iluminado depende do ângulo de visão entre o plano e o observador e, por consequência, da superfície aparente do objeto e de seu índice de reflexão. A luminância é medida em candela por metro quadrado (cd/m2 ) no sistema internacional. (Figura 7 – Luminância) Supondo a existência de duas lâmpadas de dimensões diferentes, porém com o mesmo fluxo luminoso, se olharmos as duas fontes luminosas a uma mesma distância, a lâmpada maior será percebida menos brilhante do que a lâmpada menor, ou seja, luminância pode ser também descrita por brilho. Ou ainda, o brilho de superfícies escuras é menor que o brilho de superfícies claras. (Figura 8 – Luminância e brilho) Intensidade luminosa A definição de luminância utiliza um conceito de intensidade luminosa (I) medido em candela (cd). O conceito de intensidade luminosa pode ser descrito pela unidade de luz, que quando somada resulta no fluxo luminoso da fonte. Dessa forma a integral de todas as intensidades luminosas emitidas por uma fonte resulta no fluxo luminoso da fonte. Por definição: Intensidade luminosa (I) é a luz que se propaga numa dada direção, dentro de um ângulo sólido unitário e sua unidade é lúmen/ esferoradiano ou candela (cd). O ângulo sólido (w), é uma medida do espaço tridimensional, assim como o radiano é para o espaço bidimensional. O esferoradiano é a unidade de um ângulo sólido,ouseja,umângulonoespaçotridimensional. (Figura 9 - Esferoradiano) Medidas colorimétricas No que se refere à cor, temos duas situações distintas: a cor na esfera da impressão e percepção e a cor no âmbito da iluminação. A cor percebida pertencente a um objeto ou a uma fonte de luz refere-se a uma percepção instantânea. Ela depende da interação de fatores como as características do objeto e da fonte de luz incidente sobre este objeto, dos arredores, da direção de visão e capacidades do observador. A cor de um objeto é definida pela cor da luz refletida ou transmitida por ele quando iluminado por uma fonte de luz padrão (luz do sol, por exemplo). A cor pode ser caracterizada por: Tom: associado a cores básicas como vermelho, amarelo, laranja, verde, azul ou roxo. Saturação: corresponde à pureza da cor que determina o tom. Uma cor monocromática espectral tem maior saturação. Por consequência, como em iluminação, o branco se dá pela soma das diversas cores saturadas. Claridade: refere-se à quantidade de luz, sendo uma medida relativa à percepção de luminosidade, da luminância. Considerando que na iluminação existe o conceito aditivo, ou seja, a adição de todas as fontes de espectro monocromático resulta na luz branca, pode-se, baseados em três cores básicas monocromáticas, o sistema RGB, criar a luz com a cor que se deseja. Para cores menos saturadas, acrescenta-se a luz branca, obtendo-se como resultado cores pastéis. A esse sistema chama-se de RGBW. 5Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 8 – Luminância e brilho Figura 9 - Esferoradiano 100W Bulbo pequeno Alta Iluminância Mesmo fluxo luminoso de cada mapa Baixa Iluminância100W Bulbo grande
  14. 14. Dentre as características da luz relativas à cor, dois aspectos são fundamentais para o bom entendimento e definição da fonte de luz: a aparência de cor correlata ou, simplesmente, a aparência de cor. Quando há necessidade de expressar uma determinada cor de luz emitida por uma fonte, utiliza-se esta definição com frequência, pois ela expressa diretamente a cor emitida baseada em uma comparação com padrão definido. É sabido que a maioria dos corpos, quando aquecidos a temperaturas suficientemente altas, emitem luz avermelhada e que, à medida que a temperatura do corpo aumenta, a cor da luz emitida tende para o tom azulado. Índice de reprodução de cores (Ra ou IRC) É a medida de correspondência entre a cor real de um objeto ou superfície e sua aparência diante de uma fonte de luz. A luz artificial, como regra, deve permitir ao olho humano perceber as cores corretamente ou o mais próximo possível da luz natural. Lâmpadas com Ra igual a 100 apresentam as cores com total fidelidade e precisão. Quanto mais baixo o índice, mais deficiente é a reprodução de cores. Os índices variam conforme a natureza da luz, e são indicados de acordo com o uso de cada ambiente. Fatores humanos em iluminação O uso da energia elétrica para produção de luz artificial foi estabelecido há mais de 100 anos e, durante este período, foram desenvolvidos diversos estudos para chegar-se a descrições e recomendações de como a luz deveria ser melhor utilizada. Inicialmente, as pesquisas buscaram quantificar a luz, ou seja, medir as diversas unidades características das fontes de luz, como fluxo luminoso. Chegou-se, assim, à abordagem quantitativa da luz, para a qual foram realizadas pesquisas estatísticas com base na observação de universos de pessoas estatisticamente válidas. O objetivo era definir a quantidade de luz necessária para cada tipo de atividade. Mais recentemente, as técnicas projetuais buscaram não somente a quantidade correta de luz, mas o desenvolvimento de soluções que visam a qualidade do ambiente iluminado, ou seja, analisar os efeitos psicológicos da luz nas pessoas – uma abordagem qualitativa. O assunto relacionado à qualidade da iluminação foi desenvolvido na Divisão 3 (que trata dos temas ambientes interiores e lighting design) do Comitê Internacional de Iluminação (CIE), por meio do Comitê Técnico TC 3-34. Ficou estabelecido que a qualidade de um sistema de iluminação, é determinada pelo grau de excelência alcançado relativo ao bem-estar das pessoas e sua integração com as questões arquitetônicas e econômicas. (Figura 10 – Aspectos que influenciam a qualidade de um sistema de iluminação) O conforto visual é, na verdade, o atendimento de vários quesitos que podem interferir direta ou indiretamente na ação de enxergar objetos e ambientes. Alguns fatores tem possibilidade de interferir na qualidade e no conforto visual, e estar diretamente relacionados à iluminação ou com a tarefa em si. 6 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 BEM-ESTAR INDIVIDUAL Rendimento Visual Conforto Visual Ambientação Visual QUALIDADE ECONOMIA Instalações Manutenção Operação Energia ARQUITETURA Forma Composição Estilo Valor Histórico Figura 10 – Aspectos que influenciam a qualidade de um sistema de iluminação
  15. 15. Problemas associados à iluminação A variação temporal da iluminação artificial, também conhecida como Flickering, é a quase percepção pelo indivíduo da variação do fluxo luminoso face à frequência nominal da tensão de 50Hz ou 60Hz. Dizemos quase percepção pelo fato de, na maioria dos casos, não haver a real percepção da variação de fluxo, porém há o indício de que constantes dores de cabeça estão relacionadas a este fato. Interessante é o fato de que quando se utiliza os reatores eletrônicos de alta frequência (entre 30 e 50KHz) o problema relacionado às dores de cabeça diminui drasticamente, aumentando o bem-estar do indivíduo. Uma orientação para minimizar o problema, quando a utilização dos equipamentos eletrônicos não for uma opção econômica possível, é o balanceamento entre fases elétricas em luminárias próximas. Ofuscamento O ofuscamento é fruto da observação direta ou indireta das fontes de luz em intensidades que possam atrapalhar ou impedir a execução de determinada tarefa. O ofuscamento direto ou indireto criado por uma fonte de luz está relacionado à intensidade da luz observada e a iluminação existente no ambiente. Neste caso estamos nos relacionando com as luminâncias observadas, e é fundamental para o projetista preocupar-se com um bom balanceamento destas luminâncias. O ofuscamento depende da luminância do elemento iluminado ou da fonte, e como a luminância está relacionada à área observada, temos maior probabilidade de minimizá-la quando trabalhamos com fontes de maior dimensão, motivo pelo qual o ofuscamento criado por lâmpadas fluorescentes é menor quando comparado ao ofuscamento criado por lâmpadas incandescentes pequenas. (Figura 11 - Ofuscamento) Sombras A sombra é a consequência da presença de uma fonte de luz e de um objeto, pois onde não há luz, não há sombra. Imediatamente pode-se imaginar que, quanto maior for o número de fontes, maior será o número de sombras, porém com menor contraste. A sombra será mais definida quanto menor for a fonte de luz. Desta relação chama-se de luz dura toda luz que produz sombras definidas, e de luz mole toda aquela que produz sombras difusas. (Figura 12 - Sombras) Um problema a evitar com as sombras é a diminuição da qualidade de uma tarefa pela má visualização causada por uma sombra indesejada. Em geral, esse problema é causado pela relação espacial entre a tarefa, o observador e a fonte de luz ou por sombras indesejáveis criadas por elementos terceiros. A consideração do uso de iluminação localizada para a correção destes transtornos é importante, pois é uma ferramenta de fácil implementação e eficaz para prover a luz necessária no local necessário. Por outro lado, pode-se interagir com as fontes de luz e os objetos, criando espaços iluminados 7Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 11 - Ofuscamento Figura 12 - Sombras Figura 13- Shadowlighting
  16. 16. onde a presença de sombras é desejável para a criação de efeitos especiais. A essa técnica dá-se o nome de Shadowlighting. (Figura 13- Shadowlighting) Reflexões veladoras A reflexão da luz em superfícies próximas ao observador pode ser indesejável e causada, principalmente, pelas características de reflexão relacionadas ao ângulo de incidência da luz proveniente da fonte ou do grau de reflexão da superfície, se é uma reflexão difusa, mista ou especular. A reflexão é normalmente controlada a partir da fonte, anteparo ou mesmo da alteração de posição do objeto, como um livro, por exemplo. Fontes de luz Hoje em dia não se pode mais chamar de lâmpadas as fontes de luz artificial em uso no campo da iluminação, pois há fontes de luz eletrônicas em estado sólido chamadas LEDs (light emitting diode, diodos emissores de luz, na tradução livre do inglês). Dessa forma, para entender a evolução desses dispositivos, vamos começar a entender as lâmpadas… Lâmpadas incandescentes As lâmpadas incandescentes produzem luz através da incandescência de um filamento confeccionado a partir dos metais de transição tungstênio e molibdênio. O inventor e empresário americano Thomas Edison, o precursor da lâmpada incandescente, verificou que para o filamento produzir luz bastava aquecê-lo utilizando-se da energia elétrica. Porém, somente este fato não conseguia produzir luz por longos períodos de tempo em função da queima do filamento. Verificou-se que, inserindo este filamento em um ambiente sem ar, ou seja, no vácuo, ele produzia luz por mais tempo. E o desenvolvimento tecnológico da lâmpada possibilitou chegar no que hoje é uma lâmpada incandescente. (Figura 14 – Elementos da lâmpada incandescente) Paraumaespecificaçãoperfeita,deve-seconhecer certos aspectos de uma lâmpada incandescente como potência (W); tensão de operação (V); bulbo; e base. A potência de uma lâmpada, definida em Watts (W), equivale à potência consumida pela lâmpada em uma hora de operação. Assim, uma lâmpada de 100 Watts equivale a um equipamento que consome 100 Watts por hora. Determinar somente a potência da lâmpada não permite estabelecer um parâmetro seguro de especificação, pois o valor da tensão de operação é importante para o perfeito funcionamento da mesma. Assim, deve-se especificar a tensão de operação da lâmpada com base na tensão de operação do local onde ela será utilizada. É necessário pesquisar se a tensão de operação é 110V, 115V, 120V, 127V, 208V ou 220V. O bulbo, recipiente de vidro que recobre o filamento, difere de lâmpada para lâmpada, principalmente em função da potência consumida. Quanto maior a potência da lâmpada, com mais calor envolverá o filamento, e de mais espaço este filamento precisará. O formato de bulbo mais conhecido é o chamado pêra, contudo, outros formatos foram desenvolvidos para facilitar o uso em diferentes luminárias. 8 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 14 – Elementos da lâmpada incandescente Figura 15 – Emissão de luz por lâmpada incandescente cristal Figura 16 - Curva Isocandela Preenchimento de gás ou vácuo Haste de suporte Tubo de esgotar Base rosqueável Contato Bulbo de vidro Filamento de tungstênio Haste de contato (Niquel) Contato Vidro injetado
  17. 17. Fotometria básica Como qualquer fonte de luz, a lâmpada incandescente produz luz de maneira diferente para cada tipo de bulbo. Por exemplo, uma lâmpada incandescente cristal que possui o vidro transparente, produz luz como demonstrado ao lado. (figura 15) Uma maneira de descrever como a luz é produzida para fins de utilização em um software de cálculo é a transformação desta emissão em diversos planos, distintos em suas posições em relação ao centro geográfico da lâmpada. (Figura 16 - Curva Isocandela) Unindo-se as diversas intensidades neste determinado plano, tem-se uma curva, expressa em Candela (cd), que une as intensidades em diversas direções. A esta curva dá-se o nome de Isocandela. Assim, a soma dos planos formando 360 graus ao redor da fonte de luz traduzirá a emissão total da lâmpada ou luminária. (Figura 17 – Emissão total da lâmpada) Importante salientar que este método de transformar a emissão de uma lâmpada em planos e curvas (Isocandela) é feito para qualquer fonte de luz ou luminária, sendo a maneira pela qual se traduz um efeito físico em dados, usados para os cálculos manuais ou informatizados. Uma categoria importante de bulbos é a das lâmpadas refletoras, que diferem das demais por apresentarem uma camada interna feita em material refletivo que produz uma curva fotométrica específica, focando a luz produzida pelo filamento, independentemente da luminária na qual está instalada. A categoria das lâmpadas refletoras pode ser dividida em duas sub-categorias: a primeira fazem parte as lâmpadas refletoras de bulbo soprado, obtendo-se a forma do bulbo por meio de molde do vidro e da inserção de material refletivo no interior do bulbo já formado. A segunda categoria é formada pelas lâmpadas conhecidas como PAR (Parabolic Aluminium Reflector), mais robustas que as lâmpadas refletoras e mais resistentes à umidade. Esse tipo de lâmpada apresenta como principal característica um bulbo confeccionado em vidro prensado, mais resistente em relação às refletoras de bulbo soprado, permitindo a utilização, muitas vezes, em sistemas sem a necessidade de luminárias fechadas. Sendo da categoria das lâmpadas refletoras, as lâmpadas PAR focam o fluxo luminoso produzido pelo filamento em direções e intensidades específicas de cada modelo. Nestes casos, o valor do fluxo luminoso nominal da lâmpada não é mais importante, mas sim a curva de como o fluxo é direcionado. Este é o motivo pelo qual as lâmpadas refletoras, em geral, devem ser analisadas pela curva fotométrica ou por simplificações práticas, como podemos analisar na figura 18. A leitura desta curva deve ser feita considerando a intensidade máxima, em candelas (cd), produzida pela lâmpada, no centro do facho de luz. Duas linhas são consideradas, mostrando onde estão as intensidades, expressas em candelas, correspondentes à metade da intensidade máxima, no gráfico 4 chamadas de linha da intensidade de meio pico. Define-se a abertura do facho desta lâmpada o ângulo formado entre estas duas linhas. 9Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 17 – Emissão total da lâmpada Ângulo do facho Eixo Linha da Metade da Intensidade máxima Linha da Metade da Intensidade máxima Figura 19 - Níveis de iluminação e distância lâmpada = R63, 60W Ângulo do facho 30° d=54 cm d=80 cm d=107 cm d = Diâmetro 960 lux 425 lux 240 lux Metros da Lâmpada 00.51.01.52.0 Figura 18 – Curva fotométrica de uma lâmpada refletora
  18. 18. Uma utilização prática das curvas fornecidas pelos fabricantes é a determinação da iluminância a certa distância da lâmpada em um plano perpendicular à normal calculada em zero grau, passando pela intensidade máxima (cd). Pelas relações trigonométricas, calcula-se o diâmetro do círculo formado pela emissão de uma lâmpada simétrica, como são as lâmpadas circulares. (Figura 19) Na Figura 20, podemos analisar um exemplo dos níveis de iluminação e distância: uma lâmpada aqui chamada R63 de 60W e abertura de facho de 30 graus produzirá, a 2 metros de altura, um círculo iluminado com diâmetro de 107 centímetros e iluminância igual a 240 lux. Uma opção de projeto seria que, para conseguir um espaço iluminado geral de 240 lux, deve-se posicionar as lâmpadas neste espaço à altura de 2 metros a cada 1,07 metro. Outra maneira de apresentar a distribuição de luz de uma lâmpada ou luminária é a divisão em planos, para o que se criou uma curva chamada Curva Polar. As curvas polares de lâmpadas ou luminárias circulares, isto é, cuja fotometria é simétrica em relação ao eixo central da fonte de luz, são apresentadas conforme a curva mostrada no gráfico 6. Esta curva mostra, para cada ângulo, a intensidade (cd) emitida pela lâmpada - esta curva específica mostra que a intensidade máxima a zero grau é de aproximadamente 8.700 cd. (Figura 21) Variações de performance Uma lâmpada incandescente produz luz baseada na incandescência de um filamento conectado a uma tensão (Volts, V) e, por conseqüência, a uma certa corrente (Ampére, A). Esta produção de luz visível é diretamente influenciada pela variação da tensão de alimentação, que se pode analisar nas curvas da figura 22 –Variação da tensão de alimentação Na figura, tem-se como base o valor de 100% da tensão nominal no eixo X do gráfico. Aumentando a tensão (V) em 10%, ou seja, 110%, temos a produção de luz aproximadamente 40% maior, 10 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 21 – Aspecto de curvas polares figura 22 – Variação da tensão de alimentação TIPO TAMANHO NOME IEC E5 5 mm Rosca Edison Liliput (LES) IEC 60061-1(7004-25) E10 10 mm Rosca Edison Miniatura (MES) IEC 60061-1(7004-22) E11 11 mm Rosca Edison Mini-Candelabra IEC 60061-1(7004-6-1) E12 12 mm Rosca Edison Candelabra (CES) IEC 60061-1(7004-28) E14 14-17 mm Rosca Edson Pequena (SES) IEC 60061-1(7004-23) E17 (110v) 14-17 mm Rosca Edson Pequena - Intermediária (SES) IEC 60061-1(7004-26) E26 (110 v) 26-27 mm Rosca Edson - 1 polegada - Média (ES) IEC 60061-1(7004-21A-2) E27 26-27 mm Rosca Edson - Média (ES) IEC 60061-1(7004-21) E39 39 mm Rosca Edson Gigante - Mogul (GES) E40 40 mm Rosca Edson Gigante - Mogul (GES) IEC 60061-1(7004-24)Tabela 1: Base Edison 90° 80° 70° 60° 50° 40° Ângulo30°20°10° 8000600040002000 0° 60 20 40 60 80 100 âmperes âmperes Watts Watts lm/w lm/w Lumens Lumens Vida Vida Porcentagem de Watts, lumens, âmperes e lm/w Porcentagem de Watts, lumens, âmperes e lm/w Porcentagem de vida Porcentagem de vida Porcentagem de Volts 200 300 400 500 700 1000 1500 70 80 90 100 110 120 130 140 200 180 160 140 120 100 70 50 40 30 20 10 Candelas (cd)
  19. 19. porém, uma vida cerca de 70% menor, ou seja, em torno de 30% da vida nominal. Esta variação brutal da vida útil da lâmpada em relação à tensão de operação é relevante e deve ser analisada quando se têm instalações cuja tensão nominal é diferente da tensão nominal de operação da lâmpada. É comum a utilização, normalmente em propriedades rurais, de lâmpadas de tensão nominal 220V em locais externos nos pontos com 127V, tornando a produção de luz muito aquém da nominal, porém com uma vida muito superior. Bases Desenhada por Thomas Edison, que deu o nome à base mais utilizada em baixas tensões, a Base Edison (Figura 23), designada por E XX, define em números o diâmetro em milímetros, conforme se pode ver na tabela ao lado. Para lâmpadas de uso residencial, de baixas potências, é mais comum é a E27. Outro tipo de base bastante utilizado onde a vibração é uma constante, é aquela conhecida como Baioneta, mostrada na figura 24. Ela pode apresentar dois ou três pinos quando uma tensão específica for necessária, diferenciando sua utilização. As bases de contato simples (single ended) são fixadas em soquetes que utilizam molas de pressão, garantindo sempre uma boa conexão elétrica. Algumas lâmpadas com dois pólos utilizam estes dispositivos, porém, com a denominação “pólos opostos” (double ended). (Figura 25) Lâmpadas halógenas Uma lâmpada halógena é, por definição, uma lâmpada incandescente, pois produz luz baseada na incandescência de um filamento. Chama- se halógena porque utiliza em seu interior gases halógenos, grupo de elementos químicos em que estão incluídos o iodo e o bromo. Os desenvolvimentos científicos mostraram que a utilização desses gases no interior do bulbo minimiza a migração das partículas do filamento para o vidro das lâmpadas. Este ciclo é conhecido como ciclo halógeno. (Figura 26) No ciclo halógeno, o aquecimento do filamento produz uma movimentação dos gases por convecção. A evaporação de tungstênio do filamento ocorre pelo aquecimento do mesmo. O tungstênio sozinho se fixa no vidro, como nas lâmpadas incandescentes normais. O átomo de tungstênio compõe-se com o átomo do halogênio, formando um componente chamado halogeneto de tungstênio. Este componente não se fixa no vidro. Quando o novo componente se aproxima do filamento em alta temperatura se decompõe, devolvendo o tungstênio para o filamento, como mostra a figura 27. Uma característica deste ciclo é a necessidade de altas temperaturas, e elas somente são alcançadas em lâmpadas de pequenas dimensões. O vidro comum não suporta essas temperaturas, motivo pelo qual o quartzo é utilizado. As lâmpadas halógenas são produzidas para operação em baixa tensão (12V) ou em tensão de rede (127, 220V). Uma das questões importantes entre esses dois tipos é o tamanho do filamento, que nos modelos para tensão de rede 11Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 23 – Base Edson Figura 24 – Base baioneta Figura 25 - Base de contato simples Figura 28 – Princípio da cobertura dicróica Figura 26 Ciclo halógeno Figura 27 Componentes da lâmpada halógena Infra-vermelho atravessa através da camada dicróica Dicróica aplicada na Superfície interna do refletor Cimento Lente Frontal Um pouco de infra-vermelho sai diretamente da lâmpada Luz visível refletida pela camada dicróica Filamento Ponta de Extrusão Contaots do filamento Contatos Gás Halógeno Invólucro Solda Lâmina de molibidênio
  20. 20. são significantemente maiores. E como diferentes produtos derivam da tecnologia halógena em baixa tensão, essas variantes possibilitam diferentes soluções. (Figura 28) Lâmpadas dicróicas A inserção das cápsulas halógenas em um refletor de vidro, cuja cobertura interna é feita com filtros dicróicos, ou seja, filtros que permitem a passagem de certos comprimentos de onda refletindo os demais, criou a lâmpada chamada dicróica. Pelas características de projeção da luz com menor quantidade de comprimentos de onda infravermelha, exemplificada pela luz com menos calor, as lâmpadas dicróicas são recomendadas para a iluminação de objetos sensíveis como quadros por exemplo, por não atacá-los, aquecê- los ou envelhecê-los. Lâmpadas que utilizam 12V como tensão de operação necessitam de um componente auxiliar chamado transformador. Ele será responsável por transformar a tensão de rede (127 ou 220V) em 12V. Os transformadores podem ser eletromagnéticos ou eletrônicos. Para utilização em circuitos dimerizados, ou seja, circuitos que permitem a regulação do fluxo luminoso, é preciso indicar modelos específicos de lâmpada. Lâmpadas halógenas para tensão de rede São fontes de luz compactas, pontuais e possuem luz branca e brilhante para dramáticos efeitos de iluminação. Podem ser utilizadas em qualquer posição e ligadas diretamente na tensão de rede sem o uso de transformadores. Lâmpadas halógenas em tensão da rede estão disponíveis em dois formatos: lâmpadas single ended (bipino) e lâmpadas double ended (bilateral), normalmente projetadas para operar em 120V, 230V ou 240V. (Figura 29 e 30) Bases Os diversos fabricantes de sistemas de iluminação existentes utilizam as bases-padrão. A figura 31 mostra denominações e modelos equivalentes do fabricante OSRAM. Lâmpadas fluorescentes O que é fluorescência? Fluorescência é a capacidade que alguns minerais como a fluorita (ou fluorite, no português de Portugal) têm em transformar comprimentos de onda ultravioleta em comprimentos de onda visíveis. A diferença entre fluorescência e fosforescência é que materiais fosforescentes continuam iluminantes depois de certo período de tempo não expostos à radiação ultravioleta. Os primeiros tubos fluorescentes foram desenvolvidos pelo inventor croata Nikola Tesla e datam de 1938, lineares a princípio. A luz é produzida pela ionização de gases com determinada quantidade de mercúrio, processo este que produz radiação ultravioleta. (Figura 32) O tubo de vidro, internamente recoberto por pó fluorescente, transforma a radiação ultravioleta em luz visível. Dependendo da composição deste pó, a luz visível criada pode apresentar diferentes características de aparência de cor e de índice de reprodução de cor. 12 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 29 – Modelos de lâmpadas single ended Figura 30 – Modelos de lâmpadas double ended Figura 31 – Modelos de bases para lâmpadas halógenas FilamentoIsolante cerâmico Contato Câmara Molibdenio 10 5.3 4 Base G4 utilizada na HALOSTAR Base GY utilizada na HALOSTAR Base GY utilizada na HALOSPOT 48 Base G9 utilizada na HALOPIN e DECOPIN Base GU utilizada na DECOSTAR 35 Base GU 10 utilizada na HALOPAR 16 Base GU 5.3 utilizada na DECOSTAR 51 Base GZ10 utilizada na HALOPAR 16 Base G53 utilizada na HALOSPOT 111 4 9 10 4 6.35 53
  21. 21. Uma lâmpada fluorescente, onde a descarga se dá em um ambiente gasoso, se não utilizar algum componente que controle esta descarga, pode entrar em curto-circuito. Nesse caso a corrente elétrica que ocorre no interior do gás tende rapidamente à condição teórica de infinito. Esta condição é dita teórica, pois antes de atingí-la, a tendência do sistema é explodir. Reatores Para controle desta situação iminente de curto- circuito, pode-se usar equipamentos auxiliares que impedem a corrente elétrica interna do tubo de gás de atingir níveis não producentes para o sistema. Esses equipamentos são os reatores. Em suas primeiras tecnologias os reatores eram sistemas eletromagnéticos que literalmente reagiam à tendência da corrente de elevar-se através de um circuito indutor. Atualmente, o uso de reatores eletrônicos é uma realidade econômica, pois eles trazem como benefícios a redução de perdas, a emissão de luz visível em alta frequência, a não produção de ruídos audíveis e a possibilidade de dimerização das lâmpadas, ou seja, diminuir o fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas fluorescentes específicas para uso em alta frequência. Os reatores eletrônicos são, na verdade, circuitos eletrônicos que além de impedir que a corrente exceda os valores ideais, impõem ao sistema a correta tensão (V) e corrente (em miliampere – mA), garantindo a máxima eficiência na produção de luz. Ademais, esses dispositivos filtram a produção de correntes elétricas indesejáveis nos circuitos dos edifícios, chamadas de correntes harmônicas, que atrapalham o bom funcionamento de equipamentos eletrônicos, como computadores. Hoje dispomos de lâmpadas fluorescentes lineares ou tubulares, e também lâmpadas fluorescentes compactas, com reatores eletrônicos incorporados, como a mostrada na figura 33. Também existem os não incorporados, em que o reator é instalado no conjunto lâmpada e luminária, como ocorre com as lâmpadas tubulares. As principais características para a especificação de lâmpadas fluorescentes são: • Tipo • Potência • Aparência de Cor • Índice de Reprodução de Cor O tipo de lâmpada pode variar entre as tubulares, compactas, compactas longas, circulares, integradas ou não integradas. As lâmpadas tubulares podem ser definidas como T XX, onde XX representa o diâmetro do tubo em oitavos de polegada; assim, T12 equivale a 12 oitavos de polegada e T8 equivale a oito oitavos de polegada = 1 polegada. (Figura 34) Lâmpadas fluorescentes compactas Aslâmpadasfluorescentescompactaspodemser encontradas com o reator eletrônico incorporado ou não. Na verdade esses modelos são lâmpadas fluorescentes lineares com formas onde os tubos são curvados de maneira a se tornar compactas. Podem apresentar tubos simples, duplos ou triplos, dependendo da potência, que variam de 9, 13Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 32 – Princípio de operação da lâmpada fluorescente Figura 33 – Lâmpada fluorescente compacta Eletrodo (filamento) Elétrons Radiação UV Luz VisívelTubo de Vidro Átomos de MercúrioFósforo
  22. 22. 11, 13, 15, 18, 26, 32, 36, 48, 55, 80W (a linha completa de lâmpadas pode ser verificada nos catálogos de produtos dos fabricantes). As bases para essas lâmpadas podem variar dependendo do tipo de bulbo, de reator utilizado - se eletromagnético (dois pinos) ou eletrônico (quatro pinos) - e da potência da lâmpada. As bases mostradas na figura 34 A têm reator eletromagnético com dois pinos. Já as da figura 35 tem bases com reatores eletrônicos (quato pinos). A diferença entre as bases e, consequentemente, os soquetes, evita a intercambialidade entre reatores e lâmpadas, que são muito parecidas entre si. A evolução da tecnologia eletrônica está possibilitando o desenvolvimento de lâmpadas integradas muito similares às incandescentes, o que facilita o processo de substituição de lâmpadas antigas, reduzindo consideravelmente o consumo energético. A similaridade é tanta que num descuido pode-se confundir uma lâmpada incandescente e uma fluorescente eletrônica. Consumo energético e vida útil A grande vantagem das lâmpadas fluorescentes compactas é o consumo energético até 80% menor quando comparado a um sistema incandescente de mesmas características de fluxo luminoso. Outro aspecto é a vida útil 10 vezes maior, minimizando a troca constante de lâmpadas. Veja análise na tabela 2. Na tabela, comparando-se uma lâmpada incandescente de 100W com uma lâmpada fluorescente compacta de 20W, a um custo de 0,17 Euros por KWh em um período de 15 mil horas, ou seja, aproximadamente cinco anos, tem- se uma economia de 207 Euros. A questão esbarra no investimento inicial, que para a maioria das pessoas pode ser elevado – a média de custo de uma lâmpada fluorescente no Brasil gira em torno de 10 Reais -, motivo pelo qual já há programas de incentivo para troca de lâmpadas incandescentes por compactas a valores subsidiados em algumas cidades brasileiras. 14 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 34 – Lâmpadas fluorescentes tubulares Tabela 2: Consumo e vida útil das lâmpadas fluorescentes compactas DULUX e LONGLIFE LÂMPADA INCANDESCENTE Potência 20 W 100 W Quantidade 1 1 Horas Acesa 15.000 horas 15.000 horas Vida Útil 15.000 horas 1000 horas Consumo Total de Energia 300 kWh 1500 kWh Custo de Energia sendo q 0,17/ kWh q 51,00 q 255,00 + Preço da Lâmpada q 9,99 15 x q 0,90 = q 13,50 = Custo Total q 60,99 q 268,50 Economia por Lâmpada q 207,51 T2 (7mm) Lançada em 1993 T8 (26mm) Lançada em 1970 T5 (16mm) Lançada em 1998 T12 (38mm) Lançada em 1932 Figura 35 – Bases com reatores eletrônicos (quatro pinos)
  23. 23. 15Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Imagem 36 Bases com reatores eletromagnéticos (dois pinos) Imagem 37 Bases com reatores eletrônicos (quatro pinos) Base G23 Base GX24q-1 Base GX24q-2 Base GX24q-3 Base GX24q-4 Base 2G8-1 Base 2G7 Base 2G11 Base 2G10 Base GX24q-5 Base G24q-1 Base G24q-2 Base G24q-3 Base G24d-1 Base G24d-2 Base G24d-3 Base GX24d-1 Bas GX24d-2 Bas GX24d-3
  24. 24. Aplicações não recomendadas Pelas características operacionais das lâmpadas fluorescentes compactas, não se recomenda seu uso nas seguintes aplicações: • Utilização com dimmer de parede: a maioria das lâmpadas fluorescentes compactas eletrônicas não trabalha dimerizada por tensão. É recomendável consultar os catálogos dos fabricantes para maiores informações. • Utilização com sensores de presença ou tempori- zadores: lâmpadas fluorescentes compactas não foram desenvolvidas para suportar acendimentos frequentes. Há exceções, mas é preciso consultar os fabricantes para outras informações. • Utilização em áreas com pouca utilização: a vantagem da economia e vida longa se estabelece em ambientes onde o uso da iluminação é freqüente. Ambientes de pouca utilização não apresentam boa relação custo-benefício. • Uso externo ou em ambiente úmido sem proteção: por serem sistemas eletrônicos, as lâmpadas fluorescentes compactas devem ser protegidas de intempéries. Performance das lâmpadas fluorescentes Avidaoperacionaldeumalâmpadafluorescente pode ser definida com base em premissas de projeto. Analisando gráficos específicos de vida estatística das lâmpadas, pode-se definir quando efetuar as trocas, independentemente das lâmpadas estarem apagadas ou “queimadas”. Assim, para lâmpadas do tipo T8 com reatores convencionais, em 10 mil horas de operação 70% do sistema permanecerá funcionando, como mostrado no gráfico 8. Então, se no projeto for estimado que com 30% das lâmpadas queimadas será alcançada a iluminância média desejada, após as 10 mil horas serão registrados níveis inferiores ao desejado. Outra informação importante na definição do sistema e sua vida útil é obtida com a análise dos gráficos de manutenção de fluxo luminoso. Por exemplo, no gráfico 9 pode-se verificar que para a lâmpada T8 tem-se os modelos trifósforo Lumilux e pó convencional LUMILUX DE LUXE/BASIC. É perceptível a diferença de depreciação do fluxo luminoso, onde os pós trifósforos mostram-se mais estáveis na produção de luz visível durante sua vida. Então, se forem definidas as mesmas 10 mil horas de utilização, tem-se para os pós trifósforos uma redução de aproximadamente 8% na produção de luz. Desta forma, deve-se considerar para 10 mil horas de operação uma mortalidade de 30% e uma redução do fluxo das lâmpadas de 8%, números estes que devem ser utilizados no processo de cálculo específico. Lâmpadas de descarga em alta pressão As lâmpadas fluorescentes também são lâmpadas de descarga, contudo, em baixa pressão, distinguindo-se desta categoria e sendo comumente conhecidas como lâmpadas de descargas. Dentre as tecnologias disponíveis, duas estão em processo de eliminação do mercado: as lâmpadas mistas e de vapor de mercúrio. Desenvolvidas na década de 1930, essas lâmpadas são uma evolução das lâmpadas fluorescentes e utilizam as mesmas características 16 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Gráfico 8 - Vida útil para lâmpadas tipo T8 Gráico 9 - Manutenção de lúmens em lâmpadas fluorescentes tubulares 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 20 10 0 0 2000 2000 LUMILUX LUMILUX DE LUXE / BASICA Ø 26mm 4000 4000 6000 6000 8000 8000 10000 10000 12000 12000 14000 15000 16000 20000 Horas utilizadas Horas utilizadas % de vida útil Fluxo luminoso relativo
  25. 25. de criação de luz visível através da ionização de gás com mercúrio, gerando radiação ultravioleta, transformada em luz visível pela ação de pós fluorescentes. A diferença é que consomem potências maiores, em torno de 400W, e são normalmente utilizadas em aplicações externas como a iluminação pública e industrial instaladas em grandes alturas, acima de 6 metros. Esses modelos de lâmpada utilizam, da mesma maneira, reator eletromagnético para pleno funcionamento. São sistemas que, para a época, foram importantes, porém nos dias de hoje mostram-se pouco eficientes e com vida útil bastante curta, apresentando assim altos custos operacionais.(Figura 36) As lâmpadas mistas são, na verdade, lâmpadas vapor de mercúrio em alta pressão, porém com um filamento de tungstênio, similar às lâmpadas incandescentes, ao redor do tubo de descarga, fazendo o papel do reator. Lâmpada vapor de sódio em alta pressão A lâmpada chamada vapor de sódio em alta pressão é uma lâmpada que utiliza o sódio e o mercúrio para a produção de luz visível. O mercúrio é utilizado apenas para vaporizar o sódio, que requer temperaturas mais altas para sua vaporização. Assim, a vaporização do mercúrio é, na verdade, uma maneira para conseguir-se a vaporização do sódio. (Figura 37) Pelas características de alta temperatura de vaporização do sódio, o tubo de descarga não é igual ao da lâmpada vapor de mercúrio. Ele é confeccionado em cerâmica de alumínio oxidado, o mesmo material utilizado no revestimento de foguetes espaciais, que suportam altas temperaturas. Diferentemente da lâmpada de mercúrio, as lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão produzem luz visível de coloração alaranjada, muito comum em iluminação pública. Para adaptar-se às luminárias existentes, anteriormente usadas para as lâmpadas vapor de mercúrio, existem lâmpadas vapor de sódio em alta pressão no formato ovóide, com ou sem a camada difusora interna. Para utilização de sistemas mais modernos de iluminação pública, existem lâmpadas vapor de sódio em alta pressão tubulares para potências de 250W e 400W e as tubulares para vapor de sódio em alta pressão de 1.000W. Pelo pequeno diâmetro do tubo de descarga, as lâmpadasvapordesódioemaltapressãopossibilitam alto rendimento da luminária ou projetores. Uma evolução da tecnologia produziu uma família de lâmpadas especialmente desenvolvidas para a iluminação pública. Elas utilizam novos sistemas de fixação dos componentes e uma nova tecnologia em tubos de descarga conhecida como vida estendida (a fabricante OSRAM tem em seu portfólio o modelo Super 4Y, e a Philips tem a PLUS PIA). Essas novas tecnologias propiciam sistemas de iluminação muito confiáveis, com longa vida útil e baixo custo operacional. (Figura 38) Equipamento auxiliar As lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão utilizam, como as lâmpadas de vapor de mercúrio, os equipamentos auxiliares chamados reatores. Eles podem ser internos ou externos, sendo instalados em luminárias ou em postes de iluminação; os 17Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 36 – Lâmpada de mercúrio de alta pressão (lâmpadas mistas) Figura 37 – Lâmpada de vapor de sódio em alta pressão EletrodoArco-tubo Resistor e circuito para o eletrodo auxiliar Rosca em níquel anti-corrosivo Cobertura Fluorescente Suporte VIALOX NAV - T 4Y Lâmpada de Sódio Alta Pressão VIALOX NAV - E Lâmpada de Sódio Alta Pressão VIALOX NAV - TS Lâmpada Línear de Sódio Alta Pressão Contato Base Fio condutor Tubo de Nióbio Alumínio Óxido-Cerâmico AmálgamaEletrodo Lâmina de molibidênioVidro soldado Gás Xenon Arco de Descarga Bulbo de escape Captador
  26. 26. reatores podem ser eletromagnéticos em conjunto com um outro equipamento auxiliar chamado ignitor ou eletrônicos, para potências até 150W, sem a necessidade de ignitores auxiliares. São normalmente utilizados em 220V. Lâmpada vapor metálico A lâmpada chamada vapor metálico abrange uma gama de produtos muito distintos entre si e muitas vezes não intercambiáveis entre os diferentes fabricantes, principalmente quando especifica-se reatores e ignitores. Pode-se classificar as lâmpadas vapor metálico em pequeno e grande porte. As lâmpadas de pequeno porte são aquelas que mais sofreram mudanças nos últimos anos, pois inicialmente apresentavam-se em potências de 70 e 150W, contudo, com uma produção de luz de qualidade de precária, pois as cores se alteravam indiscriminadamente - durante a operação do sistema, algumas tornavam-se rosadas e outras esverdeadas. Essa tecnologia mais antiga utilizava o tubo de descarga confeccionado em quartzo e a variação das cores se dava em função de pequenas variações dos metais inseridos no tubo de descarga. Posteriormente, desenvolveram-se as mesmas lâmpadas com novas tecnologias de tubos de descarga, desta vez confeccionados em cerâmica similar à utilizada no sistema vapor de sódio em alta pressão. (Figura 38) As lâmpadas Vapor Metálico são disponíveis em aparências de cor desde as mais amareladas até as mais brancas. As amareladas são em 3.000K e as mais brancas em 4.000K. Para especificar as lâmpadas de vapor metálico, é preciso definir: • Tipo Tubular, ovóide, refletora • Potência 35, 70, 100, 150 V • Bulbo Cerâmico ou quartzo • Aparência de cor 3.000K ou 4.000K • Índice de reprodução de cor 65% ou 85% As lâmpadas de vapor metálico de grande porte apresentam potências de 250, 400 até 2.000W. As lâmpadas de 250 e 400W podem ser encontradas no formato ovóide ou tubular; já as lâmpadas de 1.000 e 2.000W são encontradas somente na forma tubular. (Figura 38.1) As diversas bases utilizadas para as lâmpadas de vapor metálico variam conforme o tipo da lâmpada e da potência. Diodos Emissores de Luz – LEDs As lâmpadas LEDs (light emitting diode, diodos emissores de luz, na tradução livre do inglês) serão tratadas em profundidade com relação à tecnologia, estrutura e novidades a seguir. 18 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 37 – Lâmpada de vapor de sódio em alta pressão Figura 38 – Lâmpada de vapor metálico de pequeno porte Figura 38.1 – Lâmpada de vapor metálico de grande porte Figura 38.2 – Bases usadas para lâmpadas de vapor metálico 8.5 G8.5 12 G12 7 RX7 RX7s24 E27 Rosca Edson 27 Rosca Edson Golías 40 Fc2 2
  27. 27. Como pudemos ver anteriormente, a tecnologia das lâmpadas de LEDs (light emitting diode, diodos emissores de luz, na tradução livre do inglês) foi citada em meio aos tipos de lâmpadas existentes. Neste tópico, detalharemos esta que é hoje considerada o terceiro estágio na evolução da lâmpada elétrica, apesar de criada há mais de 30 anos. Relembrando: a primeira etapa na história das lâmpadas é representada pelo modelo incandescente, desenvolvido pelo norte-americano Thomas Edison, uma tecnologia que pouco mudou nos últimos 128 anos; já a segunda fase, iniciada nos anos 1930, veio com o surgimento das lâmpadas fluorescentes, que geram luz a partir de uma mistura de gases em um tubo revestido de fósforo. A concepção da tecnologia dos LEDs é diferente da encontrada nas lâmpadas que utilizam filamentos metálicos, radiação ultravioleta ou descarga de gases: neles, a transformação de energia elétrica em luz é feita na matéria, sendo, por isso, chamada de estado sólido (solid state). O LED é um componente do tipo bipolar, apresentando material tratado para criar a junção ânodo (eletrodo positivo para onde se dirigem os íons negativos) e catodo (eletrodo negativo de onde partem elétrons e para onde se dirigem os íons positivos). A corrente elétrica flui do ânodo para o catodo e os elétrons caem em uma área de menor energia, de onde a energia é emitida em forma de fóton (luz). Dependendo de como for polarizado, permite ou não a passagem de corrente elétrica e, consequentemente, a geração ou não de luz. A versatilidade das lâmpadas de LED pode ser vista na evolução da sua aplicação: antes utilizadas apenas em chips de computadores, pequenos aparelhos domésticos e painéis eletrônicos, nos últimos anos esses dispositivos começaram a ser empregados mais efetivamente na iluminação pública, na decoração externa de prédios, hotéis, sendo introduzidos na iluminação residencial. No Brasil, já existem instalações que ostentam esta moderna tecnologia em seu design de iluminação, como a Ponte Estaiada Octávio Frias de Oliveira, localizada em São Paulo (veja os detalhes do projeto na segunda parte desta obra, dedicada à apresentação de cases). Características e particularidades Com as lâmpadas de LED, a iluminação moderna ganhou uma nova dimensão ao proporcionar uma tecnologia que se encaixa a duas necessidades prementes dos dias atuais. A primeira delas refere-se ao uso mais eficiente da energia elétrica, garantindo construções mais sustentáveis: com o crescimento exacerbado das cidades e a necessidade de iluminar vias, outros recintos urbanos e até mesmo o interior das instalações, consome-se elevados índices de energia elétrica, situação que os LEDs prometem resolver, pois as 23Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A LEDs A chegada da luz de alto desempenho Figura 39 – Alguns modelos de LEDs encontrados no mercado Quadrado 8x8 mm Redondo ø 5 mm LED tipo Piranha Redondo ø 3 mm Luz Orifícios Tipo-p Tipo-n Recombi- nação Elétrons Faixa de condução Nível Fermi Espaço entre faixas Faixa de Valência Figura 40 – Fluxo da corrente elétrica no LED
  28. 28. lâmpadas convertem em luz até 40% da energia elétrica que consomem, enquanto uma lâmpada incandescente converte em luz apenas 5% da energia elétrica, liberando o restante em calor. A segunda necessidade atendida pelos LEDs na iluminação de espaços urbanos e ambientes internos diz respeito à redução do impacto no meio ambiente, uma consequência do primeiro benefício. Seu apelo ecológico apóia-se em dados comprovados durante testes realizados por fabricantes, a saber: • 1 Quilowatt/hora de eletricidade gera uma emissão de 0,6 quilo de CO2 ; • Supondo que uma lâmpada fique acesa 10 horas por dia: uma lâmpada incandescente de 40 Watts geraria 90 quilos de CO2 por ano contra 28 quilos de CO2 gerados por um equivalente de LED no mesmo período; • A vida de uma lâmpada de 40 Watts incandescente é de 1.000 horas, enquanto uma lâmpada LED produz luz por mais de 50.000 horas, 50 vezes mais que uma incandescente, oferecendo ainda baixo custo de manutenção; • LEDs também são construídos com materiais atóxicos: não contêm Mercúrio, material que compõe as lâmpadas fluorescentes. Encorajados por novas leis, pelos custos em disparada da energia, bem como por preocupações quanto aos gases causadores do efeito estufa, grandes fabricantes do setor de iluminação têm investido de forma agressiva para tê-la em seus portfólios e apressam-se em participar de instalações ao redor do mundo. Um estudo da consultoria norte-americana NextGen Research revela que o mercado para LEDs vai crescer expressivamente ao longo dos próximos cinco anos, impulsionado por oferta de iluminação mais potente e barata. Entre 2009 e 2013, o segmento deve crescer 22% ao ano, e levar esse mercado a 33 bilhões de dólares. Apesar das vantagens descritas e do entusiasmo que cercam os LEDs, o fator mais relevante envolvendo os dispositivos ainda é a eficiência energética, pois eles oferecem quase a mesma eficiência que a lâmpadas fluorescentes compactas, consumindo bem menos energia. (Fig. 41) Eficiência energética Podemos classificar os LEDs em duas categorias: de baixa potência e de alta potência. Os LEDs convencionais ou de baixa potência apresentam: • Encapsulamento de cinco milímetros (em geral); • Potências em torno de 0,1 Watt; • Baixa corrente (~20mA) e baixa tensão (3,2 VDC); • Baixa intensidade luminosa (2 a 4 lúmens). Entre as características dos LEDs de alta potência, pode-se enumerar: • Suas potências mais usuais são 1Watt ou 3Watts; • Corrente elétrica mais alta (tipicamente 350mA); • Produção de 40 a 100 lúmens por Watt; • Excelente controle óptico; • Baixa depreciação do fluxo luminoso ao longo de sua vida útil; • Tempo instantâneo de religamento e ignição; 24 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 41 – Estrutura do LED convencional e seus componentes Catodo (-ve) LED (chip) Leadframe fio de ligação em chumbo Luz emitida Anodo (+ve) Epoxy transparente ou colorido Lente Plastica Figura 42 – LED de alta potência Terminal Catodo Fio de Ouro Aleta de Dssiipação Base de montagem de silício com proteção contra ESD Conexão po solda Encapsulamento de silicone Chip Semicondutor InGaN
  29. 29. • Resistência à vibração e choque mecânico, pois utiliza tecnologia de estado sólido, portanto, sem filamentos, vidros, e outros componentes frágeis; • Ausência de Mercúrio ou outros metais pesados em sua composição; • Baixa propagação de calor e não emissão de raios ultravioleta. No campo das características ópticas, os LEDs apresentam elevada seletividade espectral, elevada estabilidade óptica e uma gama de temperaturas de cor disponíveis: branco frio (5.300K); branco neutro (4.000K) e branco quente (3.150K). No que se refere aos atributos elétricos, a energia gerada em um LED é dissipada como luz e calor. A luz é emitida a partir do chip semicondutor e irradiada em todas as direções, porém, não irradia calor como uma lâmpada convencional. O calor gerado é retido no interior do LED e é eliminado através do dissipador de calor, evitando falhas no dispositivo. Os LEDs não emitem radiação IV (infravermelho) ou UV (ultravioleta) na luz visível. Um LED de alta potência apresenta uma construção mais complexa que o modelo convencional, garantindo melhor performance em aplicações que necessitam de maior confiabilidade. Seu principal componente é o chip semicondutor, fixado a uma base de silício através de conexão por solda e encapsulado em silicone. Além destes componentes, possui também fios de ouro para condução da corrente elétrica, aletas de dissipação de calor e terminais ânodo e catodo.Todo o conjunto é envolvido por uma lente plástica. (Figura 42) Para manutenção da eficácia luminosa desses dispositivos, a temperatura de junção e a corrente elétrica que alimenta as lâmpadas, como mostrado nas figuras 43 e 44, são considerados fatores-chave. A elevada estabilidade da temperatura assegura uma depreciação relativamente reduzida do fluxo luminoso, mesmo quando se consideram temperaturas de junção (Tj) bastante elevadas. Como a temperatura é destrutiva, os LEDs devem ser muito eficientes para minimizar emissão de calor e, normalmente, são montados em um dissipador. (Fig. 45) A corrente elétrica que alimenta o LED é um segundo aspecto a ser considerado. A quantidade de luz emitida por um LED é conhecida como fluxo luminoso e é medido em lúmens (lm). O fluxo luminoso depende da cor e da densidade de corrente elétrica: quanto mais corrente o chip semicondutor do LED pode administrar, mais fluxo luminoso será emitido. A diferença de fluxo luminoso entre LEDs pode trazer como consequência uma iluminação não uniforme, podendo causar manchas na superfície iluminada. LEDs de alta potência podem produzir de 25- 120 lm com correntes de 350-1000 miliAmperes (mA). Essa corrente é administrada por um dispositivo auxiliar conhecido como “driver”, que desempenha um papel duplo nos sistemas formados por LEDs: regular a potência, controlando seu brilho e intensidade, e converter a corrente alternada da rede de energia em corrente contínua, produzindo uma corrente contínua de saída para o LED. (Fig. 46) A eficácia de um sistema LED é definida pelo fluxo luminoso (lúmens) produzido pelo sistema, 25Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 43 – Temperatura de junção Figura 44 – Corrente elétrica Figura 45 – Dissipador Corrente (Mantendo corrente constante) Temperatura de Junção (Mantendo corrente constante) 100% a 25°C Queda Eficiência Queda de 10% com variação de 30°C Temperatura de Junção Tj FluxoLuminosoRelativoFluxoLuminosoRelativo Dissipador de Calor
  30. 30. dividido pela potência de entrada do sistema (Watts) e é expressa em lm/W (lúmens por Watt). Vida útil OsLEDssãopoucosuscetíveisaenvelhecimento seoperadosabaixascorrentesebaixastemperaturas - muitos dos LEDs produzidos nas décadas de 1970 e 1980 ainda estão em funcionamento hoje. Em iluminação com esses dispositivos, necessita-se de alta densidade de corrente, o que acaba traduzindo-se em uma temperatura elevada na junção do semicondutor. Essa junção tem uma temperatura de trabalho em torno de 65° Celsius, que quando excedida provoca a depreciação do lúmen e consequente redução da vida útil (em geral especificada pelos fabricantes de lâmpadas e luminárias LED entre 25.000 a 100.000 horas) – equilibrar essa temperatura, aliás, é um dos grandes desafios dos fabricantes de componentes e lâmpadas de LED. A luz emitida é fria, pois não há emissão de raios UV e IV, e os objetos iluminados não são expostos ao calor, favorecendo a iluminação de objetos sensíveis como obras de arte. Os próprios LEDs (e, portanto, todo o módulo) são aquecidos, contudo, pelo processo através do qual a luz é gerada. Este calor deve ser transportado para longe dos LEDs, pois a vida de um módulo depende da temperatura na qual é operado. Quanto mais fria, maior será a vida útil e mais brilhantes serão os LEDs. Curiosamente, com a correta proteção, por exemplo, de envoltórios de silicone, os dispositivos podem ser aplicados em refrigeradores. Como se percebe, os LEDs são robustos, à prova de vibração e não estilhaçam, e se forem utilizados corretamente, a umidade também não será um problema, pois não é o LED, mas sim as diversas peças metálicas, conectores e componentes eletrônicos sensíveis nos módulos de LED que podem corroer e levar à falha do módulo. (Fig. 47) Todas as fontes de luz elétrica diminuem a quantidade de luz emitida ao longo do tempo, num processo conhecido como depreciação de lúmens. As lâmpadas incandescentes, por exemplo, perdem entre 10 e 15% da quantidade inicial de lúmens ao longo de mil horas de vida. As lâmpadas fluorescentes compactas perdem até 20% da quantidade inicial de lúmens durante as 20.000 horas de vida e as fluorescentes de alta qualidade (T8 eT5) perdem em torno de 5-10%. Os LEDs podem emitir luz até 100.000 horas, porém a quantidade de luz emitida não será suficiente para a maioria das aplicações. Hoje, os LEDs de 26 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 47 – Depreciação Figura 46 – Driver Depreciação ao longo da Vida (Mantendo corrente constante) FluxoLuminosoRelativo% 1.000.000100.000 Temperatura ambiente 10.0001.000 5 60 70 80 90 5152535455565 100 Horas
  31. 31. alta potência que emitem luz branca mantêm com eficiência entre 70 e 80% do seu fluxo luminoso durante 50.000 horas de vida, segundo dados do departamento norte-americano de iluminação (DOE, por sua sigla em inglês). Uma vez que em condições normais de funcionamento os LEDs não se apagam por completo, foi necessário encontrar uma forma de quantificar o seu tempo de vida útil. A ASSIST (Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies, estabelecida em 2002 pelo norte- americano Lighting Research Center) determinou que 70% é o limiar a partir do qual é possível ao olho humano detectar uma redução de fluxo luminoso. Isso está relacionado com a integração logarítmica do nosso olho, menos sensível a variações nos níveis de fluxo mais elevados. Assim, ficou especificado que uma redução efetiva de 30% do fluxo luminoso em relação ao valor inicial define o fim do tempo de vida útil de um LED, mas isso ocorre em apenas 10% dos LEDs. Em outros termos: quando se diz que um LED atingiu o fim de vida às 60.000 horas, estamos na prática dizendo que ele ainda tem pelo menos 70% de seu fluxo luminoso inicial. É importante salientar que este nível de depreciação apenas se verifica para situações extremas, tipicamente caracterizadas em termos de corrente e temperatura na junção do LED. (Fig. 48) Cores A determinação de cores na produção de luz nos LEDs se dá pelo tipo de chip utilizado, que produz luz monocromática nas cores azul, verde e vermelha. A eficiência do LED também está nesta produção monocromática, ou seja, diferente de outras fontes de luz que produzem cores através da filtragem da luz branca, os LEDs utilizam toda a energia consumida para a produção de uma única cor. Os materiais semicondutores utilizados para a construção dos LEDs são o Gálio (Ga), o Arsênico (As), o Índio (In), o Fósforo (P), o Alumínio (Al) e o Nitrogênio (N). Combinados, produzem luz de diferentes cores e eficiências. As principais combinações de materiais são AlInGaP (fosforeto de alumínio-índio-gálio), que produzem as cores vermelha e âmbar, e InGaN (nitreto de índio-gálio), que produzem as cores azul, verde e ciano. A cor específica emitida pelo LED depende dos materiais utilizados para construir o diodo. Com cores vibrantes e saturadas sem filtros (emite comprimento de onda monocromático, que significa emissão de luz na cor certa, tornando- as mais vivas e saturadas), longa duração e flexibilidade de instalação, a iluminação com emprego dos LEDs é considerada das mais ideais para realçar as paisagens urbanas. Eles permitem o controle dinâmico da cor, pois com a utilização adequada pode-se obter um espectro variado de cores, incluindo várias tonalidades de branco. Apesar da ampla gama de soluções e cores que permite trabalhar, quando surgiram os LEDs apresentavam apenas a cor vermelha, com baixa intensidade luminosa (1 milicandela). O LED de cor amarela foi introduzido no final dos anos 1960 e, por volta de 1975, surgiu o primeiro LED verde – com comprimento de onda ao redor de 550 nanometro (nm), o que é muito próximo do comprimento de onda do amarelo, porém, com intensidade um pouco maior, da ordem de algumas dezenas de milicandelas. 27Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 48 – Vida útil dos módulos de LEDs Temperatura Corrente Queda QuimicaUmidade Influência mecânica LED Vida útil de até 50.000 h Embora a vida útil de um LED seja longa, esta depende e é influenciada por diversos fatores.
  32. 32. Durante os anos 1980, com a introdução da tecnologia Al ln GaP, os LEDs de cores vermelha e âmbar conseguiram atingir níveis de intensidade luminosa que permitiram acelerar o processo de substituição de lâmpadas, principalmente na indústria automotiva. Somente no início dos anos 1990, com o surgimento da tecnologia InGaN, viabilizou-se o LED com comprimento de onda menores nas cores azul, verde e ciano. Essa tecnologia permitiu também o surgimento do LED branco, que se apresenta nas temperaturas de cor 2.700K, 3.300K, 4.700K, 5.400K e 6.500K. A luz branca é produzida através da filtragem da luz azul em chip específico, o que ocorre através de uma camada de pó igual ao utilizado nas lâmpadas fluorescentes, adicionado a epóxi neutro. (Fig. 49) Existem duas maneiras de se produzir luz branca utilizando LEDs: a primeira é utilizá-los individualmente emitindo as cores primárias e misturando-as; a segunda é usar um material de revestimento (por exemplo, o fósforo) para converter a luz de um LED monocromático azul ou UV para um espectro mais amplo de luz branca, da mesma forma que uma lâmpada fluorescente. Emcomparaçãocomoutrasfontesdeluz,osLEDs são mais eficientes que as lâmpadas incandescentes e halógenas, porém, menos eficientes que as lâmpadas fluorescentes no que diz respeito à luz branca. Além de produzirem mais luz por Watt que as fontes convencionais, os LEDs podem emitir qualquer faixa do espectro, são pequenos e podem ser instalados em uma placa de circuito impresso; ligam, desligam e religam imediatamente; e são ideais para aplicações de ligamento e desligamento repetitivo, pois isso não os degrada. Essa tecnologia também pode ser dimerizada por PWM ou reduzindo-se a corrente de alimentação, irradiam pouco calor, podendo ser projetada para focar e distribuir a luz na forma que se desejar. No que se refere à alta eficiência da luz branca, essa tecnologia traz consigo mais vantagens, mas pode ser comparada a outras duas existentes: as lâmpadas de vapor metálico e as fluorescentes. As lâmpadas de vapor metálico são marcadas pela alta eficiência (lm/W); ampla faixa de temperatura ambiente; alta geração de calor; bom controle óptico; longa vida útil; significativa depreciação do fluxo luminoso ao longo da vida; tempo de ignição e religamento relativamente longos; contém Mercúrio em sua composição e emite raios UV. (Fig. 50) As lâmpadas fluorescentes se caracterizam pela alta eficiência (lm/W); pequena faixa de temperatura ambiente; baixa geração de calor; difícil controle óptico; longa vida útil; pequena depreciação do 28 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 Figura 50 – Temperaturas de cor LED azul (chip) Epoxy com fósforo Epoxy normal fio de ligação Luz emitida é uma combinação de LED e fósforo Figura 49 – Operação do LED branco V = VerdeGreen 505nm Y = Yellow (InGaAIP) 587nm O = Orange (InGaAIP) 606nm A = Oran.Red (InGaAIP) 617nm S = SuperRed (InGaAIP) 630nm H = HiperRed (GaAIP) 645nm T = TrueGreen (InGaN) 525nm P = PureGreen (InGaAIP) 550nm G = Green (InGaAIP) 670nm B = Blue (InGaN) 470nm B = Blue (InGaN) 496nm VERDE AZUL AMARELO LARANJA LARANJA ESCURO VERMELHO
  33. 33. fluxo luminoso ao longo da vida; tempo de ignição e religamento instantâneos; usa Mercúrio em sua composição e emite raios UV. (Fig. 51) Mal nos acostumamos à tecnologia dos LEDs convencionais já se fala nos diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs, por sua sigla em inglês), que utilizam gás carbônico em sua composição. Propalados como o futuro em vários campos da tecnologia como alternativa aos LCDs em tevês e monitores ou às lâmpadas incandescentes e fluorescentes, apresentam menor consumo de energia e brilho superior ao do LED inorgânico. Entre as vantagens do OLED estão a fabricação em substratos flexíveis e em conjuntos densos e interconectados, o que torna possível sua instalação em superfícies irregulares, na forma de tetos ou paredes totalmente iluminadas e até mesmo em janelas semitransparentes. A nova tecnologia utiliza um processo chamado crescimento epitaxial, gerando LEDs com dimensões até 100 vezes menores do que era possível até agora. A animação em torno dos OLEDs ocorre também pela possibilidade de sua fabricação rápida em larga escala, onde a deposição dos materiais emissores de luz é feita sobre um material plástico utilizando um processo similar à impressão jato de tinta. Entretanto, os OLEDs têm dois problemas a serem resolvidos: custo elevado e a equalização da pureza excessiva de sua luz, que dá aos objetos iluminados uma aparência fria e não natural, e pode causar problemas como desconforto e fadiga visual. Por seu elevado custo, não há informações sobre a chegada de produtos baseados nesta técnica ao mercado. (Fig. 52) Viabilidade econômica A despeito de tudo o que se divulga como benefício e evolução acerca da tecnologia de LEDs, sua adoção oferece desafios mais complexos do que a velha, mas ainda popular, engenhoca de Edison, devido ao alto custo para implementação em larga escala.Umfatorquetemfeitoasempresasfabricantes investirem forte em pesquisas para iluminação com LEDs é a alta qualidade que eles proporcionam. Todavia, até que o processo de fabricação torne- se mais barato, essas lâmpadas não devem chegar ao público geral, encontrando grande potencial na iluminação de espaços urbanos. Para isso, os LEDs precisarão ter seu modo de produção alterado, pois o que encarece seu uso são os materiais utilizados no processo de fabricação. Para os fabricantes de lâmpadas, há outra questão a ser equacionada. Seus negócios foram construídos com base em clientes que substituem lâmpadas regularmente. O dilema é: como alcançar lucros quando as novas formas de iluminação duram regularmente cerca de 50 a 100 vezes mais tempo que uma lâmpada comum? As lâmpadas fluorescentes compactas, que usam menos de um terço da energia e duram até 10 vezes mais, substituíram as incandescentes em muitas residências e escritórios há muitos anos e, por força de lei, estão sendo colocadas em espaços públicos urbanos. Mas o setor de iluminação parece convencido de que as lâmpadas de LED, ao alcançarem baixo custo e larga escala de produção, serão o substituto preferencial das incandescentes nesses espaços e também nas residências. 29Conceitos Básicos - Fundamentos da Luz capítulo 1 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Figura 51 – Eficiência da Luz Branca Figura 52 – Estrutura dos OLEDs Comparação da Eficiência em Lumens 8.000 40% da vida útil Horas de operação Lumens 4.000 12.000 16.000 20.000 400W Vapor Metálico 320W Vapor Metálico 400W Fluorescente20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 Catodo Camada Condutora (moléculas orgânocas ou polimeros) Camada Emissora (moléculas orgânocas ou polimeros) Anodo Substrato
  34. 34. O objetivo primário de um plano diretor de iluminação urbana é identificar todas as formas de iluminação existentes para contribuir com a dinâmica da cidade e assegurar uma operação harmoniosa à imagem local. Para alcançar esta harmonia, é importante avaliar os aspectos visuais, legais, gerenciais e econômicos da cidade, uma vez que a luz é o ponto central e um consumidor de energia. A finalidade do plano diretor de iluminação é ser um guia para equilibrar a energia, o consumo e os benefícios de se ter uma cidade atraente, e ainda: • Prover segurança aos indivíduos e propriedade aos espaços urbanos durante o período da noite; • Enfatizar a estrutura e a identidade de um espaço específico e incrementar sua imagem; • Incrementar a atratividade do ambiente urbano para seus moradores através da iluminação funcional e arquitetônica; • Tornar o ambiente urbano um local prazeroso à noite, aumentando as oportunidades de entretenimento e enriquecendo a qualidade de vida urbana através da boa iluminação de um ambiente; • Ajudar a criar uma dinâmica na imagem da cidade; • Estimular proprietários de comércio a manter limpas as fachadas de seus prédios para aumentar a atratividade da cidade. A iluminação está intimamente ligada à dinâmica da economia noturna de uma cidade, sendo estreita a relação entre os investimentos na alta qualidade da iluminação e a capacidade de uma cidade em atrair e reter visitantes. Incrementar esse aspecto da área urbana e dar a ele uso criativo e correto beneficia todos os cidadãos: moradores locais; visitantes; proprietários de prédios; instituições culturais e sociais; empresas prestadoras de serviços e varejistas; políticos e ambientalistas. Estudos de viabilidade econômica sugerem que investir em iluminação pode impactar positivamente o crescimento dos gastos per capita de uma cidade. Para que um plano diretor de iluminação amplo possa tornar-se um documento viável e de longo prazo, é preciso que se faça: • Uma análise detalhada da área urbana existente ou a ser formada. Essa etapa requer um trabalho profundo de pesquisa envolvendo uma avaliação macro e micro da região, identificação de construções e estruturas por função, condições existentes de iluminação e levantamento de potenciais desenvolvimentos para o futuro que podem vir a propor mudanças de pontos de vista. Este processo é importante para que o lighting designer realize um planejamento “sentindo” a cidade, sua morfologia, suas características visuais e, principalmente, sua vida. 33Plano Diretor de Iluminação Urbana capítulo 2 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A CAPÍTULO 2 Plano Diretor de Iluminação Urbana
  35. 35. • Realizar uma consulta a figuras de expressão dos setores público e privado para assegurar o sucesso do planejamento, o que deve ser uma das primeiras ações relacionadas ao plano diretor. O objetivo é assegurar o comprometimento de todas as partes. • Colaboração estreita com o órgão responsável por prover energia e manutenção à iluminação pública e identificar a legislação de iluminação local, bem como códigos obrigatórios, critérios de energia e regras ambientais. • Estabelecer um conjunto de políticas de iluminação que sejam viáveis ao governo local como uma extensão do plano gestor ou alternativa de sistema regulatório. Planosdiretoresdeiluminaçãosãocomandados, com frequência, por lighting designers ou gestores urbanos que identifiquem oportunidades de substancial melhora na apresentação noturna da cidade ou de determinado espaço desse local. A motivação para incrementar a imagem noturna de uma cidade frequentemente é guiada pelo orgulho cívico, investimento de verbas adicionais, ou como resposta a um evento em particular, como ser sede de um acontecimento esportivo de importância local, nacional ou mundial. Uma vez que o plano diretor de iluminação esteja em execução, em última análise, que a iluminação esteja em pleno funcionamento, é adequado que o lighting designer mantenha seu comprometimento e seja um consultor durante a produção do plano. Conceitos, definições e metodologia O propósito primário da iluminação urbana é prover iluminação suficiente para a clara percepção do ambiente e para facilitar a orientação, segurança e proteção dos indivíduos e condutores de veículos. Este aspecto da iluminação urbana está relacionado às ruas, túneis, quadras, aeroportos, estações de ônibus e metrô, e estacionamentos. Outro propósito da iluminação é incrementar o ambiente urbano e enfatizar os valores estéticos como a arquitetura, os parques e as paisagens. Um plano diretor de iluminação para a área urbana é uma forma de integrar todos esses aspectos, complementando-os mutuamente e levando em consideração a iluminação funcional básica, a estética, e os aspectos emocionais provocados pelo design de iluminação. O plano tem importância nacional e é valioso para as cidades por garantir seu uso saudável e inteligente, e além de prepará-las para necessidades futuras de seus cidadãos. É importante considerar que a imagem noturna das principais cidades de uma nação pode variar e ser caracterizada com diferentes tipos de design de iluminação. Dentre as questões que devem ser levantadas para a definição do tipo de abordagem a ser utilizada no plano diretor, podemos considerar os seguintes critérios: • Identidade urbana (se é uma cidade histórica ou moderna); • Vocação turística; • Comércio e diversão; • Educação, cultura, artes. A iluminação está intimamente ligada à infraestrutura de distribuição elétrica de uma cidade, o que formalmente atende apenas ao lado funcional, mas passou a englobar também a iluminação 34 I L U M I N A Ç Ã O U R B A N A Plano Diretor de Iluminação Urbana capítulo 2

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