| Luz - Iluminação - Fontes de luz |
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Postado pôr: Florencio Castilhos da Silva http://tecnociencia.inf.br/tecnico/castilhos |
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| Wednesday, 09 April 2008 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Acredito que esta matéria ira auxiliar técnicos a aprimorar um pouco mais seus conhecimentos, como dar ao leigo, informações básicas sobre luz, iluminação, e sobre fontes de luz.
Luz
O que chamamos de "luz", são na realidade ondas eletromagnéticas, com comprimentos de ondas visíveis ao olho humano, diretamente quando enxergamos o fluxo luminoso (raios luminosos), e indiretamente nos casos dos raios infravermelho e ultravioleta, os quais só enxergamos a olho nu seus efeitos, e não seus raios luminosos.
Os raios de luz vão do infravermelho, o qual possui um comprimento de onda acima um pouco de 700 nanômetros (Freqüência aproximada de 10 hz elevado à décima primeira potencia), ao ultravioleta o qual possui um comprimento de onda abaixo um pouco de 400 nanômetros (freqüência aproximadamente 10 hz elevado à décima oitava potencia).
Como luz é freqüência, ela pode ser gerada em todo seu espectro simultaneamente (do infravermelho ao ultravioleta), ou em partes (uma ou varias cores). Bem como ser absorvida ou refletida da mesma forma.
As fontes geradoras de luz podem ser naturais ou artificiais:
Naturais: Quando geradas pela natureza, sendo o sol a mais conhecida e a principal fonte geradora de luz dentro de todo o espectro simultaneamente.
Fenômenos atmosféricos, também podem gerar luz natural, como o relâmpago (descarga elétrica), ambos naturais, porem por processos diferentes, o sol por aquecimento e o relâmpago por ionização, etc...
Artificiais: Quando geradas por interferência humana, sendo as lâmpadas as mais conhecidas, que podem ser tanto pelo processo de aquecimento (lâmpadas incandescentes), quanto por ionização (lâmpadas de descargas).
Quando enxergamos um objeto na cor preta, é porque ele absorveu todos os raios de luz, e quando na cor branca é porque ele refletiu todos estes raios, mas quando enxergamos um objeto com determinada cor, por exemplo, vermelho é porque ele refletiu somente o comprimento de onda referente à cor vermelha, absorvendo os demais e assim sucessivamente para as outras cores.
Os raios de luz, infravermelho e ultravioleta, embora tenham inúmeras aplicações, nesta matéria citaremos as referentes à iluminação de um modo geral.
Quanto aos raios de luz visíveis (iniciam na freqüência aproximada de 10 hz elevada à décima terceira potencia), cor vermelha com tonalidade escura, e passando por todas as cores, indo até a cor azul, tonalidade escura (freqüência de aproximadamente 10 hz elevada à décima sexta potencia).
Bem, para facilitar um melhor entendimento sobre a luz e posteriormente sobre iluminação, vamos classificar a luz, em tipos invisíveis e visíveis.
Invisíveis: luz ultravioleta e luz infravermelha.
Visíveis: todo o espectro de luz, da cor vermelha à cor azul.
Obs: O raio laser pode ser tanto visível, quanto invisível, e em qualquer cor, pois ele não é mais do que a concentração de uma onda eletromagnética, dentro do espectro chamado de raios de luz, porem com o alinhamento do vale com vale e crista com crista desta onda, através da aceleração de elétrons.
Os raios de luz causam uma infinidade de efeitos sobre a natureza em um todo, (Reino mineral, vegetal e animal), podendo estes efeitos ser, tanto benéficos quanto maléficos.
Benéficos, quando de algum modo trazem um benefício direta ou indiretamente para a humanidade, quer na medicina, nos efeitos especiais em eventos, na beleza de algumas gemas quando penetradas por raios luminosos, na perícia para testar se uma assinatura ou cédula é falsa, na iluminação de segurança, na transmissão de dados via fibra ótica, enfim, são incontáveis.
Maléficos, quando de algum modo trazem um malefício direta ou indiretamente a humanidade, quer na doença como o câncer de pele, na área bélica, nos efeitos especiais sobre um alimento para enganar o consumidor quanto à qualidade do mesmo, a luz emitida pelo ponto de fusão da solda elétrica, que causa a inflamação nas vistas, enfim também são incontáveis.
Bem como vimos, a luz são ondas eletromagnéticas, ou seja, são freqüências que oscilam em uma determinada faixa, visível ao olho humano, direto ou indiretamente, podendo ser vista em seu todo (luz branca), ou em partes (luz com determinada (s) cor (es) cfe.o comprimento da onda),
Abaixo vamos ver o espectro visível da luz solar:
As cores além da denominação conhecida como vermelha, azul, amarela, verde, etc, são classificados pela sua temperatura medida em graus kelvins, o que chamamos de temperatura de cor.
Quando dizemos que uma cor é mais quente que outra, estamos nos referindo a temperatura de cor em graus kelvins.
Abaixo uma tabela com algumas fontes de luz e sua temperatura de cor:
Obs: Não confundir esta tabela com medidas de fluxos luminosos.
Acredito que ficou esclarecido o que é a luz, vamos tratar do tema principal deste artigo que é iluminação.
Iluminação
A iluminação pode ser natural, quando causada por fenômenos naturais, ou artificial, quando causada por interferência do homem.
Neste artigo vamos tratar da iluminação artificial, suas classificações, unidades de medidas, normas que a regulamentam, seus efeitos e aplicações na pratica.
Todos os tipos de iluminação a serem comentados neste artigo, usarão fontes artificiais de luz.
Na iluminação, usamos basicamente três unidades de medidas, ou seja, a candela (intensidade luminosa de uma fonte em uma determinada direção), o lúmen (fluxo luminoso gerado pela fonte) e o lux (grau de claridade por metro quadrado).
Se nossa fonte de luz for uma vela (comum de cera), e estiver a um metro de uma parede, projetando seu fluxo luminoso sobre um metro quadrado desta, teremos nesta ordem: uma intensidade de luz de uma candela, com fluxos luminosos de um lúmen, iluminando um metro quadrado com o grau de iluminação (aclaramento) de um lux.
Ex:
Podemos dizer que uma vela comum tem um fluxo luminoso de um lúmen, com um facho de luz na intensidade de uma candela, se dirigido a um metro quadrado de uma parede branca, teremos a claridade (iluminação ou aclaramento) de um lux.
A unidade da candela corresponde à intensidade de luz emitida pela prata na temperatura de fusão.
Obs: A iluminação ou aclaramento de uma superfície produzida pela luz de uma fonte, é inversamente proporcional ao quadrado da distancia desta superfície à fonte.
Ex:
Uma fonte de luz, produz um aclaramento ou iluminação de 54 lux em uma superfície situada a 2m de distancia.
Sobre uma superfície a 6m de distancia produzira um aclaramento menor, e tantas vezes menor quanto o quadrado de 6 (36) e maior que o quadrado de 2(4), vejamos;
Como 36 é 9 vezes maior que 4 , pois 4 x 9 = 36, teremos uma iluminação sobre esta superfície 9 vezes menor ou seja, de 6 lux, pois 54 / 9 = 6.
Para projetarmos a iluminação de um ambiente fechado, teremos que levar em conta vários fatores, tais como: Área em m² (lado x lado), distancia da superfície a ser iluminada à fonte da luz, cor das paredes e do teto, tipo da fonte de luz (direta, indireta ou semidireta), fluxo luminoso desta fonte (lumens), aclaramento ou iluminação desta superfície (lux), numero de fontes de luz desejáveis ou necessários, etc...
A fórmula mais simples ou básica para calcular uma iluminação de um ambiente fechado será:
F = (A x S) / (K x N)
Onde :
F, é a quantidade de lumens de cada fonte.
A, iluminação requerida em lux.
S, a área (m²) do ambiente fechado a ser iluminada.
K, um coeficiente que depende das características da fonte e do ambiente a ser iluminado.
N, o numero de fontes de luz a serem instalados neste ambiente.
Os valores de F , K e A, são fornecidos pelos fabricantes das fontes de luz e por tabelas pré-determinadas de acordos com normas existentes, que mostrarei no decorrer desta matéria.
Como esta fórmula de cálculo para iluminação é simples (básica), para trabalhar com a mesma, necessitamos do auxilio da tabela abaixo, a qual nos dará os espaçamentos máximos permitidos entre pontos de luz e entre pontos e as paredes:
Tabela para definir o espaçamento entre fontes de luz (luminárias) e entre fontes e
paredes:
Espaçamento das fontes em metros
Altura da fonte espaçamento I espaçamentos II
Metros *** ### aaa bbb ccc
2,50 2,30 0,90 0,30 x 0,30 2,75 0,90
2,75 2,45 0,90 0,45 x 0,30 2,90 0,30
3,00 2,75 1,05 0,60 x 0,30 2,90 1,05
3,30 3,15 1,05 0,60 x 0,30 3,70 1,05
3,60 3,70 1,20 0,75 x 1,20 4,30 1,20
4,00 4,00 1,20 0,90 x 1,20 4,60 1,20
4,30 4,60 1,50 0,90 x 1,20 5,20 1,50
4,60 5,20 1,50 0,90 x 1,20 5,80 1,50
4,90 5,20 1,80 1,20 x 1,50 6,40 1,80
5,50 6,00 1,80 1,20 x 1,50 7,00 1,80
6,00 7,30 2,10 1,20 x 1,80 7,60 2,20
*** = Espaçamento entre fontes
### = Espaçamento entre fontes e teto
aaa = Espaçamento entre fontes e teto
bbb = Espaçamento entre fontes
ccc = Espaçamento entre fontes e paredes
Vamos dar um exemplo de como aplicar esta fórmula:
Se tivermos um salão de 18 m de comprimento por 12 m de largura, teremos 216 m² de área, portanto temos o valor de S, a altura para colocação das fontes de luz direta (lâmpadas com refletores), é de 5 m e desejamos um nível de iluminação de 100 lux, que na fórmula é representado pela letra A.
Bem, agora vamos determinar o valor de N (numero de refletores), usando a tabela abaixo ou seja, como não temos 5m na coluna referente à altura, escolheremos o valor mais próximo que é 4,90 m, seguindo a tabela, teremos a distancia entre refletores de 5,30 m e entre refletor e parede de 1,80 m.
Estes valores são o máximo permitido, podendo ser menores para ajuste de alinhamento.
Em 18 m de comprimento, termos 4 colunas de refletores distantes 1,80 m da parede e 4,80 m entre si, pois uma coluna a mais passaria do máximo permitido que conforme a tabela é de 5,30 m, já na largura de 12 m, teremos 3 colunas distantes 1,80 m da parede e 4,30 m entre si, pois neta largura de 12 m, uma coluna a mais também passaria do máximo permitido.
Com 4 colunas no comprimento e 3 na largura, teremos, 12 refletores como total ou seja N terá o valor de 12.
Para achar o valor de K, se não estiver indicado pelo fabricante do refletor, dividiremos a altura que será instalada os mesmos 5 m pela largura do salão 12 m, teremos o coeficiente de 0,41 ou seja K = 0,41.
Bem, vamos aplicar a fórmula:
F = (A x S) / (K x N) F = (100 x 216) / (0,41 x 12) F = 21.600 / 4,92 F = 4.390
De acordo com os cálculos precisaremos de 12 refletores com lâmpadas de 4.390 lumens de rendimento.
Se usarmos lâmpadas incandescentes, seriam de 300 watts cada ou vapor de mercúrio de 80 watts pois ambas se equivalem em fluxo luminoso (lumens), a incandescente de 300 watts tem rendimento de 5.580 lumens e a vapor de mercúrio de 80 watts um rendimento de 5.500 lumens.
Conclusão:
Com 12 lâmpadas incandescentes de 300 w teremos a mesma iluminação se usarmos 12 lâmpadas vapor de mercúrio de 80 w, o que muda é o consumo de energia elétrica.
300 x 12 = 36 k/h 80 x 12 = 9,6 k/h o kw/h custa aproximadamente R$ 0,49
Se este salão ficar iluminado 10 horas por dia, em 25 dias teremos um gasto com energia elétrica de:
Com lâmpadas incandescentes R$ 441,00
Com lâmpadas vapor de mercúrio R$ 117,50
A diferença de consumo é significante entre estes tipos de lâmpadas, mas no investimento também existe uma diferença bastante significativa, pois a lâmpada incandescente de 300 w custa aproximadamente R$ 5,00 e a vapor de mercúrio com o reator AFP aproximadamente R$ 50,00.
O investimento com incandescentes ficaria em R$ 60,00 e com mercúrio R$ 600,00, sendo que a vida útil da incandescente é de aproximadamente de 1000 horas e da lâmpada vapor de mercúrio 20.000 horas .
Este foi apenas um exemplo de iluminação, para demonstrar o quanto é importante ter conhecimento sobre luz, fontes de luz e iluminação, mesmo que básico, serve para sabermos projetar uma iluminação com o custo x benefício satisfatório.
Existem varias fórmulas para calcularmos uma iluminação, algumas bastante sofisticadas e de precisão para iluminações específicas como iluminação de efeitos especiais, segurança, de objetos dando idéia tridimensional, para áreas externas, praças de esportes, etc...
É importante conhecermos as unidades de medidas sobre iluminação, bem como fazer cálculos para quaisquer tipos de iluminação, sejam eles para iluminações internas, externas, de palco, de objetos, de fachadas, de efeitos especiais, de segurança, de túneis, enfim quanto mais conhecermos sobre o assunto, maior será nossa credibilidade como profissional (luminotécnico).Como são inúmeros os tipos e modelos de lâmpadas existentes no mercado para varias finalidades, vamos citar somente alguns tipos e modelos de lâmpadas e suas finalidades
Lâmpadas de incandescência : Lâmpadas de incandescência são também conhecidas por lâmpadas incandescentes, pois possuem um filamento de alta resistência (normalmente de tungstênio), que ao passar corrente elétrica através do mesmo, tornasse incandescente com alto brilho, gerando assim ondas eletromagnéticas visíveis ou seja luz.
São as lâmpadas mais comuns e de pouco rendimento luminoso (lumens), e uma vida útil de apenas 1000 horas, mas uma grande vantagem é seu custo, que por ser muito baixo com referencia as de maior ganho, torna a mesma de fácil aquisição pelas camadas de baixo poder aquisitivo.
Abaixo o rendimento em fluxo luminoso de acordo com o consumo em watts:
Consumo em watts fluxo em lumens
15 140
25 260
40 480
60 810
75 1.060
100 1.480
150 2.330
200 3.420
300 5.580
600 9.700
750 14.400
1.000 20.200
1.500 34.200
Estes valores podem sofrer pequenas variações de acordo com o bulbo da lâmpada, pois existem vários modelos, bulbo transparentes, leitosos ,espelhados, coloridos, fosco, tipo luz solar, etc...
Atualmente este tipo de lâmpada sofreu melhora considerável, as lâmpadas acima de 25 watts, não trabalham mais com vácuo e sim com uma mistura de gás argônio com azoto, pois como gases inertes, não combinam quimicamente com o material do filamento, geralmente tungstênio, além de proteger o mesmo através de pressão interna, contra a alta liberação de elétrons quando aquecido, faz com que a lâmpada mantenha estável seu fluxo luminoso até o fim de sua vida útil.
Sua luz tem a temperatura de cor muito próxima a da luz natural (sol), não alterando cores sob seus raios e tendo os efeito estroboscópico quase imperceptível.
Existem vários modelos de lâmpadas incandescentes, alguns com filamento reforçado, com o bulbo tubular, com funcionamento em baixa voltagem, com filamento de alto brilho (vida útil de aproximadamente 50 horas), enfim, com vários formatos e aplicações.
Obs; A lâmpadas halógenas, embora especiais, também são classificadas como lâmpadas incandescentes, a diferença é que neste tipo de lâmpada foi acrescido um pouco de brometo ou de iodo junto ao gás inerte.
Nestas condições, o tungstênio que se evapora do filamento é retornado ao mesmo, mantendo o interior do bulbo em condições adequadas, aumentando a eficácia luminosa e a durabilidade da lâmpada.
Seu bulbo, devido às altas temperaturas que o filamento atinge, são feitos de sílica fundida (quartzo), e não de vidro como as lâmpadas incandescentes comuns.
Como lâmpadas especiais, podemos citar além das halógenas, as antiinsetos, as resistentes a mudanças bruscas de temperaturas (para refrigeradores),as resistentes a impactos, as infravermelhas, ultravioleta, a vapor de mercúrio, a vapor de sódio, as de iodeto metálico,etc..
Abaixo uma tabela, para melhor entendermos algumas diferenças de rendimento luminosos entre os principais tipos de lâmpadas:
Note pela tabela acima, que uma lâmpada incandescente pode gerar de 10 a 20 lumens por watts consumidos ou seja, uma lâmpada incandescente de 40w pode gerar um fluxo luminoso de 400 a 800 lumens dependendo do tipo de bulbo, filamento e gás interno.
Já uma lâmpada fluorescente pode gerar de 20 a 70 lumens por watts consumidos, portanto, com o mesmo consumo (40w) da incandescente, pode gerar um fluxo luminoso de 800 a 2.800 lumens dependendo do tipo de reator, temperatura de cor,e catodo
Lâmpadas de descarga
A vários tipos de lâmpadas de descarga, mas os mais comuns são:
Lâmpadas fluorescentes, lâmpadas vapor de mercúrio, lâmpadas de multivapores metálicos,
Lâmpadas de sódio.
Existe uma lâmpada que é uma mistura de incandescente com vapor de mercúrio, é conhecida como lâmpada mixta, ela possui uma ampola interna com mercúrio e ao redor desta um filamento de tungstênio, não necessitando de reato
Lâmpadas fluorescentes: As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga, pois necessitam de um eletrodo (interno ou não), para dar partida a mesma, ionizando o gás rarefeito interno, bem como de um circuito limitador de corrente (reator ou circuito eletrônico).
Podemos classificar as lâmpadas fluorescentes em dois tipos a seguir:
Fluorescentes de catodo frio: São conhecidas como lâmpadas de néon, usadas principalmente em letreiros coloridos.
Fluorescentes de catodo quente: Conhecidas como lâmpadas fluorescentes tubulares e compactas, usadas em iluminação de um modo geral.
As fluorescentes de catodo frio, necessitam além de um limitador de corrente (reator),um transformador elevador de tensão, pois estas lâmpadas trabalham com altas voltagens, entorno de 700 a 1.200 volts, dependendo do comprimento do tubo.
As fluorescentes de catodo quente, possuem um catodo especial similar a um filamento de lâmpada incandescente, o qual recebe uma camada de um produto químico (normalmente óxido de bário), que se desprende quando aquecido.
Para a partida inicial da lâmpada é necessário aquecer estes filamentos, o que é feito através de um componente denominado starter, o qual funciona como um interruptor automático, o qual liga e desliga o filamento sempre que necessário, ou através de um transformador que mantém o filamento pré-aquecido (neste caso este transformador vem acoplado internamente ao reator tipo partida rápida).
Junto ao filamento existem duas hastes que servem como anteparo para proteger e tornar mais eficiente o eletrodo, principalmente quando ele serve de anodo, devido a corrente ser alternada.
Este tipo de catodo protegido é encontrado nas lâmpadas fluorescentes tipo universal, as quais servem tanto para uso com reator partida rápida quanto para partida convencional (com starter).
Já as lâmpadas fluorescentes convencionais não funcionam direito com reatores partida rápida.
Nas lâmpadas fluorescentes é usado um pouco de gás raro (geralmente o árgon), com uma gota de mercúrio, tendo o árgon a finalidade de facilitar a descarga de partida da lâmpada, e o mercúrio para produzir uma grande quantidade de raios ultravioleta.
Os raios ultravioletas são transformados em luz visível desejada, através do pó fluorescente depositado na parede interna do bulbo (tubo) da lâmpada.
A lâmpada fluorescente compacta tem algumas vantagens sobre a fluorescente comum ou seja, uma fluorescente comum de 20 w, tem um fluxo luminoso de 1.060 lumens e uma lâmpada compacta de 18 w tem um fluxo luminoso de 1.200, por ser compacta podemos usar as mesmas em abajur, em lustres, etc...
As lâmpadas vapor de mercúrio, multivapores metálicos, vapor de sódio, são similares as fluorescentes, apenas muda o tipo de gás ou combinação de gás usado internamente nas mesmas.
São denominadas de lâmpadas de descarga de alta pressão
Algumas utilidades para estas lâmpadas:
Vapor de mercúrio : Utilizada na iluminação de ruas e praças, não sendo ideal para uso interno pois mesmo a com fator de luz corrigido altera a tonalidade das cores.
Vapor de sódio: Utilizada na iluminação de trevos de acesso, rodovias, ruas, não aconselhada para praças e locais onde tenha vitrines, pois sua cor é monocromática, incidindo sobre as demais cores, tornado as folhagens amareladas com aspecto de envelhecida e sobre as pessoas da a impressão de estarem doentes.
Multivapores metálicos: Utilizada principalmente em quadras de esportes como campos de futebol, ginásios de esportes, na iluminação decorativa de fachadas etc..
Algumas dicas sobre iluminação
Em iluminação de quadra de tênis, temos que ter o cuidado com lâmpadas que causam o efeito estrobosópico, pois este efeito atrapalharia o jogador dando uma falsa idéia da velocidade da bola.
A iluminação de segurança em uma área externa (pátio), não deve ser uniforme, tem que haver áreas intercaladas com níveis de iluminação diferentes (uma mais clara que a outra), para haver contraste entre estas áreas, pois uma pessoa em movimento quando cruzando por uma área com contrastes na iluminação, será notada com mais facilidade.
Lâmpadas de sódio não são aconselhadas para uso contra a serração, pois como são monocromáticas (sua cor amarela incide sobre as outras cores), torna tanto a serração quanto os objetos dentro dela amarelados, não havendo com isto o contraste necessário entre objetos e serração, tornando difícil enxergarmos os mesmos.
A iluminação de um túnel deve manter todas as lâmpadas acesas durante o dia e a maioria apagada durante a noite ou seja, devido à acomodação visual, devemos durante o dia manter o nível da iluminação mais próximo da luz do dia e a noite mais próxima do nível de iluminação da rua em que ele faz parte.
De preferência as lâmpadas fluorescentes tipo branca fria para iluminação de áreas externas, elas atraem menos insetos que as do tipo luz do dia. Se você cria peixes em tanques ou açudes, instale uma lâmpada tipo luz do dia próxima à água, ela ira atrair insetos que servirão de alimentos para os peixes.
Utilize lâmpadas do tipo agrolux na iluminação de aquários e jardins de inverno, ela ira realçar as cores tornando estes ambientes ainda mais lindos.
Cuidado ! É proibido por lei o uso de lâmpadas tipo agrolux na iluminação de ambientes onde estejam expostos alimentos para a venda, elas tornam a aparência destes mais saudáveis do que eles possam estar.(subterfúgio usado por maus comerciantes).
Existem normas que regulamentam o grau de aclaramento ou iluminação dado em lux/m², mínimos necessários para que não haja o a fadiga visual.
Abaixo a tabela da fig A, mostra o nível de iluminação desejável para alguns ambientes, de acordo com as atividades nela especificadas e por comparação, podemos ter a idéia do nível de iluminação para outros tipos de atividades.
O rendimento em lumens de uma lâmpada, varia de acordo com o tipo de bulbo da mesma, com sua temperatura de co temperatura de cor, etc,,,
Ambiente lux/m²
Corredores em geral------------------------------------------- ---50
Sala de espera ------------------------------------------------ - 100
Garagem, residência restaurante, ------------------------------150
Depósito, industria (comum)--------------------------------- - 200
Cozinha------------------------------------------------------------250
Sala de aula--------------------------------------------------------300
Lojas, laboratórios, escritórios----------------------------------500
Sala de desenho (alta precisão)--------------------------------1000
Sala de cirurgia (altíssima precisão)------------------------- 2000
Normalmente nas embalagens das lâmpadas constam às informações quanto ao rendimento luminoso, temperatura de cor, consumo e voltagem.
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