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A utilização de LEDs na iluminação arquitetural: Mitos & Verdades

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Prefácio Workshop - A utilização de LEDs na iluminação arquitetural: Mitos & Verdades

Uma nova tecnologia aplicada a iluminação Há trinta anos aproximadamente me dedico ao desenvolvimento de projetos de iluminação e ao longo deste período tenho vivenciado o desenvolvimento de progressos e aperfeiçoamentos dos mais expressivos em fontes de luz e luminárias. Alguns deles extraordinários... mas sempre de caráter evolutivo .

Pela primeira vez, em minha vida profissional, vi o surgimento de uma nova tecnologia aplicada à iluminação com a utilização de LEDs.

O que são LEDs? Como surgiram? Por que a sua utilização em iluminação ambiental? Quais os benefícios de sua adoção?

É instigante e desafiador o uso desta tecnologia em projetos de iluminação. Há o envolvimento do desconhecido, os medos dos desacertos e da propriedade ou não de sua utilização .

Como profissional me sinto privilegiado em participar deste momento como foi e tem sido importante a participação da LEDPOINT e de seu corpo profissional no amparo à minha insegurança...e senti-me amparado para usar minha criatividade nos projetos de nosso escritório.

Com certeza instiguei-os também a pesquisarem em busca de respostas convincentes que adormecessem e sedassem minha insegurança. Que momento extraordinário de minha vida profissional... Como me sinto feliz de vivê-lo !

Aproveitem participantes deste workshop, do momento único que tem de apresentar suas dúvidas, seus questionamentos... de crescermos em conjunto no domínio de uma nova tecnologia...

Façamos do limiar desta história o início de uma longa caminhada em

direção ao conhecimento e domínio desta tecnologia.

Será um privilégio para mim estar em contato com todos vocês nestes dias de workshop.

Saudações.

José Luiz Galvão Arquiteto - FAU/UFRJ; Master of Sciences - AE/The Pennsylvania State University; Professor de Iluminação para Design de Interiores - Universidade Cândido Mendes ; Professor e Coordenador do Curso de Iluminação Arquitetônica - Universidade Veiga de Almeida; Sócio Gerente e Diretor Técnico - JLGMM Projetos e Consultoria Ltda; Membro fundador AsBAI - Associação Brasileira de Arquitetos de Iluminação; Membro do Comitê "Ambiente Visual para Idosos" - The Illuminating Enginnering Society of North America.

Introdução Workshop - A utilização de LEDs na iluminação arquitetural: Mitos & Verdades

Mitos & Verdades Desde o surgimento a LedPoint ouço falar que LED é coisa para o futuro...e neste momento, com centenas de pessoas inscritas neste Workshop e interessadas pelo assunto é que confimo as minhas certezas e quebramos mais este mito. O futuro já é presente!

Ao longo deste curso vários temas serão abordados, alguns com certo teor de complexidade como o capítulo 1, porém tentando trazer a informação de maneira palatável e com uma linguagem de quem trabalha no mercado de Iluminação Arquitetural e não na NASA. Discutiremos abertamente a tecnologia e as maneiras de torná-la aplicável sem complicações.

Estes 8 capítulos cobrem um universo bastante amplo sobre o assunto e a intensão não é esgotá-lo, mas sim dar um “pontapé” inicial na direção de desmistificar a tecnologia e facilitar seu entendimento e sua utilização.

A cada capítulo, uma interface estará disponível para você enviar suas dúvidas e nosso atendimento poder ajudá-lo no entendimento do material publicado.

Agradeço a todos os profissionais, empresas, instituições e amigos que ajudaram a tornar possível este workshop e espero que este material seja de grande valia na vida profissional de cada um de vocês.

Alexandre Rautemberg - Dir. Marketing LedPoint

Capítulo 1 - Introdução a Tecnologia de LEDs Workshop - A utilização de LEDs na iluminação arquitetural: Mitos & Verdades

1.1 - Visão Geral Os LEDS são reconhecidos como precursores de uma nova era tecnológica na área de iluminação, graças à diversas vantagens que oferecem em relação às fontes de iluminação convencionais. Estes dispositivos representam uma quebra de conceitos para a iluminação artificial, introduzindo novos paradigmas e possibilidades de iluminar.

Os diodos emissores de luz - dispositivos conhecidos pela abreviatura em língua inglesa LEDs (Light Emiting Diodes) - são fontes luminosas para iluminação artificial. LEDs são semicondutores em estado sólido que convertem energia elétrica diretamente em luz.

Ao longo dos anos, várias empresas e profissionais de diversos países estudam meios alternativos de produção e utilização eficiente de energia elétrica. Atualmente as pesquisas buscam por fontes luminosas de baixo consumo, objetivando maior economia de energia. O estudo desta tecnologia e de sua aplicabilidade para a iluminação artificial é extremamente relevante, pois em todo o mundo, são crescentes as preocupações com aspectos ecológicos devido a maior demanda por geração de energia. Os recentes avanços da tecnologia dos LEDs indicam uma alternativa limpa para o mercado da iluminação.

LEDs já são encontrados em diversas áreas com grande sucesso, entretanto, para as aplicações generalizadas na iluminação, como por exemplo retrofit (substituição das lâmpadas), ainda há de se realizar aperfeiçoamentos tecnológicos, diminuição dos custos de produção, mudança nos conceitos de design de luminárias, etc. Não devemos nos esquecer que diferentes tecnologias de geração de luz convivem há muito tempo sem que uma substitua a outra. Quando a lâmpada incandescente surgiu se dizia que não haveria mais espaço para a luz gerada através de chama (velas, lampiões, etc.), o mesmo se deu com o surgimento das lâmpadas de descarga (fluorescentes) e agora com o LED.

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1.2 - História O primeiro LED que se tem notícia (Electrical World Magazine, Vol 49 -1907) nasceu da observação do fenômeno da eletroluminescência pelo pesquisador H.J. Round. O cristal de SiC (carborundum) emitiu uma luz amarelada ao ser aplicada uma pequena tensão elétrica e foi reportado pelo autor como um "fenômeno curioso".

O pesquisador da GE, Nick Holonnyak Jr. , desenvolveu em 1962 o primeiro LED que emitia luz visível (vermelho) , baseado na tecnologia GaAsP ( Gálio, Arsênio, Fósforo).

Nos anos 60 e 70 empresas como a HP foram pioneiras na comercialização em larga escala de LEDs, tornando seu uso difundido em vários produtos, desde indicadores de estado de máquinas até relógios e calculadoras.

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Calculadoras da década de 70 - Schubert

Já nos anos 80, novas tecnologias de semicondutores permitiram a miniaturização, possibilitando novos formatos e brilho mais intenso. Nesta época já eram utilizados em semáforos porém ainda não tinham intensidade suficiente para o uso em iluminação.

Porém somente em 1993, em uma pequena empresa do Japão: NICHIA, Dr. Shuji Nakamura inventou o primeiro LED azul de alto brilho. Esta descoberta possibilitou a criação do LED branco e é considerada um marco na indústria de iluminação.

Na década de 90, a indústria automobilística mundial interessou-se pelo uso da tecnologia a ponto de incluir os LEDs em diversos pontos do carro, desde o painel à luzes de sinalização. Devido a elevada demanda proporcionada pela indústria houve uma evolução das características como maior variedade de cores, brilho e potência.

Em 1997/1998 surgem as primeiras luminárias de uso arquitetural produzidas em larga escala. Os modelos foram apresentados em feiras especializadas nos EUA e Europa (Light Fair e Light & Building) e eram do tipo balizadores de piso e luzes de emergência.

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No Brasi, em 1999, surge a LedPoint, a primeira empresa especializada em iluminação eletrônica do país, introduzindo no mercado a luminária Prime, que é produzida até hoje.

Luminária Prime - LedPoint

Em 2000, a empresa Lumileds lançou o LED LUXEON I, elevando o patamar da tecnologia aos nunca antes possíveis 25 lumens em um único emissor.

A Lumileds introduziu no mercado constantes inovações, sendo que em 2003 criou o LUXEON III, com emissão de até 80 lumens. No mesmo ano ofereceu ao mercado LEDs LUXEON I na cor branca com temperatura de cor de 3200K e IRC de 90.

O contexto atual mostra que a maior parte dos fabricantes de luminárias do mundo oferece produtos que utilizam a tecnologia de LEDs. Por outro lado, os grandes fabricantes de lâmpadas como Philips, Osram e GE têm pesquisado LEDs que produzam luz branca mais intensa, com alto IRC, temperatura de cor estável e, é claro, à preços competitivos para que possam competir com as já tradicionais lâmpadas incandescentes e fluorescentes.

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1.3 - Luz e Cor

Para a abordagem de um tema tão complexo como geração da luz baseados nos semicondutores como os LEDs, é necessário inicialmente definir-se o que é luz e seus aspectos fundamentais.

Uma fonte de radiação emite ondas eletromagnéticas. Luz é uma radiação eletromagnética que nos produz a sensação da visão. Somente percebemos a luz quando apontada na direção de nossos olhos ou quando refletida por um objeto. Portanto, um objeto é percebido como luz, quer por ele emitida, quer dele refletida.

As ondas eletromagnéticas possuem diferentes comprimentos de onda, e o olho humano é sensível a somente algumas. Na figura abaixo a luz branca do sol e decomposta no arco íris, fenômeno natural que podemos simular utilizando um prisma. A luz branca então é composta por ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda.

Arco-Íris - LedPoint

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O espectro visível varia de 380nm até 780nm (nanômetros), fora desta faixa não percebemos a luz, porém a radiação eletromagnética esta presente. Abaixo de 380nm temos os raios ultra violeta (UV) que são considerados radiações nocivas, podendo causar problemas na pele ou alterar cor de objetos pela exposição excessiva. Outro exemplo de radiação invisível são os raios Infra-vermelhos (IR), acima de 780nm, usados em controle remoto ou em lâmpadas especiais.

Refração da luz e espectro eletromagnético. Fonte: OSRAM Manual Luminotécnico Prático, 2002

Examinando a radiação visível, observa-se que, além da impressão luminosa, obtém-se também a impressão de cor. Essa sensação de cor está intimamente ligada aos comprimentos de ondas das radiações.

Cores

Comprimentos de onda (nm)

Roxo ou violeta

380 – 450

Azul

450 – 500

Verde

500 – 570

Amarelo

570 – 590

Laranja

590 – 610

Vermelho

610 – 760

Fonte: Farina, 1990.

Entretanto, existem atributos visuais da cor que são a tradução de como a cor e vista pelos nossos olhos e compreendida em nosso cérebro: Tonalidade (o que às vezes e erroneamente chamamos de cor); Luminosidade (o quanto claro ou escuro é a cor) e Saturaçao ou Croma (o quanto saturada ou "pura" é a cor).

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Sólido de Cor - Almeida

A natureza produz cores filtrando certos comprimentos de onda e refletindo outros. Assim, quando um corpo é dito verde, é pela propriedade que ele tem de absorver quase todos os raios da luz branca incidente e refletir apenas o verde.

A cor dos objetos depende portanto de 3 elementos básicos: da iluminação (fonte de luz), do objeto e suas características de reflexão e do observador, pois cada pessoa tem uma percepção distinta.

A indústria porém não poderia se valer de critérios subjetivos de percepção de cor de cada observador ou das condições do ambiente em que a cor de um objeto fosse avaliada. Criaram-se então padrões internacionais de cor, através de comissões internacionais que normatizaram os critérios de avaliação de cores.

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Diagrama de cromaticidade - CIE 1931.

Neste diagrama podemos avaliar uma cor através de coordenadas X e Y, da mesma forma a tonalidade e saturação, comprimento de onda e temperatura de cor. Este gráfico é utilizado pelos fabricantes de LEDs na avaliação da qualidade de seus produtos e com a intenção de gerar informação técnica aos usuários da tecnologia e clientes.

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1.4 - Características construtivas e elétricas

Para melhor compreender o mecanismo de funcionamento do LED é fundamental ter uma noção do que são condutores, semicondutores e diodos.

Semicondutores são materiais que não são nem condutores nem isolantes. Um exemplo de material condutor é o cobre. Vejamos sua estrutura atômica: O núcleo do átomo (parte central) contém 29 prótons (cargas positivas). Quando um átomo de cobre tem carga neutra, 29 elétrons (cargas negativas) orbitam o núcleo, como na figura abaixo:

Átomo de cobre - Malvino, 1995

Note que existe um elétron na órbita mais externa. Ele é chamado de elétron de valência e está numa órbita muito grande em torno da parte central onde a atração pelo elétron externo é muito pequena. O elétron externo é às vezes chamado elétron livre, assim, como o elétron de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. Por isso o átomo de cobre é um bom condutor. Uma pequena tensão elétrica pode fazer com que o elétron livre num fio de cobre circule de um átomo para o outro. Os melhores condutores (prata, cobre e ouro) possuem um simples elétron de valência.

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Um semicondutor é um elemento químico em que um átomo isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade: os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores possuem quatro e isolantes possuem oito. O silício é o material semicondutor mais utilizado. Um átomo isolado de silício possui 14 prótons e 14 elétrons. Quando os átomos de silício se combinam para formar um sólido com uma estrutura cristalina, cada átomo de silício cede seu elétron aos outros átomos de silício. Assim, a órbita de valência fica com 8 elétrons, tornando-se quimicamente estável. Esse tipo de ligação química é conhecido como ligação covalente.

Átomo de silício - Malvino, 1995.

Cristal de silício - Malvino, 1995.

Para aumentar a condutibilidade de um semicondutor adicionam-se impurezas aos átomos de um cristal intrínseco. Primeiro as indústrias fundem um cristal puro de silício, quebrando suas ligações covalentes. Em seguida para aumentar o número de elétrons livres, são adicionados átomos pentavalentes (cinco elétrons na órbita de valência) ao silício em fusão, como os de antimônio e fósforo. Como esses materiais doam um elétron extra para o cristal de silício, às vezes são chamados de impurezas doadoras. Cada átomo pentavalente num cristal de silício produz um elétron livre. É possível também dopar um cristal puro de silício para obter uma "falta de elétron", denominada lacuna, utilizando impurezas trivalentes, cujos átomos possuem apenas três elétrons de valência, como o alumínio, boro e gálio.

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Elétrons livres (a) e Lacunas (b) - Malvino, 1995

Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou um excesso de lacunas. Por isso, existem dois tipos de semicondutores: o tipo N (dopado com uma impureza pentavalente) e o tipo P (dopado com uma impureza trivalente). Quando um fabricante dopa um cristal de forma que metade dele seja do tipo P e a outra metade do tipo N, é criada uma borda entre os dois tipos chamada de junção PN. Quando os materiais do tipo N e P são unidos, forma-se o diodo semicondutor (o nome diodo significa contração de dois eletrodos).

O diodo é o mais simples dos dispositivos semicondutores, mas exerce um papel vital em sistemas eletrônicos, pois a partir desta descoberta foi possível a invenção dos transistores e circuitos integrados.

Os LEDs, tema de nosso estudo, são um tipo particular de diodos, ou seja, semicondutores em estado sólido que convertem energia elétrica diretamente em luz. A luz do LED é gerada dentro do chip, um material de cristal sólido. O chip gerador de luz é pequeno, geralmente com 0,25mm2.

O princípio de funcionamento do LED baseia-se nos níveis de energia. Com esse tipo de dispositivo, a tensão aplicada leva os elétrons aos níveis mais altos de energia que é devolvida quando eles retornam para seus níveis originais, em forma de luz. Como elementos diferentes têm diferentes níveis de energia, a cor da luz irradiada (vermelha, verde, laranja, etc.) depende do material utilizado.

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A obtenção da luz através de LEDs ocorre quando os mesmos são diretamente polarizados, permitindo a passagem de uma corrente elétrica. Os elétrons se movem através da junção PN do semicondutor para a região P e se recombinam com as lacunas (cargas positivas). Quando as duas cargas são recombinadas a luz é emitida.

Esquema de emissão de luz de um LED - Schneider

Um LED do tipo 5mm contém um chip e uma lente de encapsulamento em epóxi. A lente é usada para direcionar e controlar a distribuição dos raios de luz ou para servir como um filtro ótico e aumentar o contraste quando colorida. O encapsulamento em epóxi e a estrutura com os terminais positivo e negativo (catodo e anodo) ocupam a maior parte do seu volume.

A desvantagem desta tecnologia de fabricação é a baixa dissipação térmica, pequena potência ocasionando menor brilho, tipicamente de 100mcd a 1000mcd (milicandelas), razão pela qual são normalmente utilizados como indicadores. Já nos LEDs de alto desempenho, o arranjo de conexão elétrica é distinto do sistema utilizado como dissipador de calor, permitindo a utilização de maiores correntes de alimentação (até 1500mA).

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LED indicador tradicional de 5mm - Lumileds

LED de potencia, tipo Luxeon - Lumileds

LEDs emitem energia em estreitos comprimentos de onda do espectro eletromagnético. A composição de materiais no chip semicondutor determina o comprimento de onda e conseqüentemente a cor da luz. Como o olho humano é sensível à luz com comprimento de onda variando entre 380 nm a 760nm, os materiais de composição do semicondutor são os elementos da coluna IIIA a VA da Tabela Periódica, porque possuem as propriedades e energias necessárias para produzirem, de modo eficiente, fótons visíveis. Desta forma, os nomes dos LEDs vêm dos elementos da Tabela Periódica que os compõem.

OS ELEMENTOS QUÍMICOS E AS CORES DOS LEDs GaAs –vermelho vivo

SiC – azul

InGaN – verde e azul

(gálio, arsênio)

(silício, carbono)

(índio, gálio, nitrogênio)

GaP – verde amarelado

AlGaAs – vermelho

GaN – UV azul

(gálio, fósforo)

(alumínio, gálio, arsênio)

(gálio, nitrogênio)

GaAsP – vermelho e amarelo

AlInGaP – vermelho e amarelo

AlGaN – UV/UV profundo

(gálio, arsênio, fósforo)

(alumínio, índio, gálio, fósforo)

(alumínio, gálio, nitrogênio)

Tabela elementos químicos e cores - Schneider

Iluminação genérica significa luz branca e um tipo particular de luz branca. O olho humano é bastante sensível a pequenas variações no conteúdo espectral das fontes de luz. O sol, por exemplo, tem uma temperatura de cor que varia de 3000 a 6500K dependendo da hora do dia, tempo e estação do ano. Perto de 3000 a 4000K, onde lâmpadas incandescentes e halógenas operam, o olho humano pode detectar mudanças na temperatura de cor da ordem de 50 a 100K. Múltiplas fontes de luz, visíveis ao mesmo tempo, devem possuir, portanto, temperaturas de cor aproximadas, podendo variar de 50 a 100K.

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A fonte de luz branca deve possuir boa reprodução de cores. O sol de meiodia e as lâmpadas incandescentes possuem índice de reprodução de cores (IRC) igual a 100. Lâmpadas fluorescentes possuem IRC que varia entre 75 a 90. Em 2001, devido a crise de energia, o mercado brasileiro utilizou lâmpadas fluorescentes compactas com o objetivo de diminuir o consumo. Entretanto a qualidade das lâmpadas importadas disponíveis não era adequada e os consumidores rapidamente perceberam que os objetos estavam com cores distorcidas, devido ao baixo IRC. Portanto, para que uma fonte de luz branca seja considerada adequada à iluminação, a temperatura de cor não deve diferir mais que 100K, e o IRC deve ser maior que 75.

Quadro de August Renoir iluminado com 2 fontes de luz: à esquerda com alto IRC e a direita com baixo IRC. Schubert 2003..

Existem três formas gerais de obtenção de luz branca nos LEDs:

O primeiro método mistura diretamente luzes de três fontes monocromáticas, vermelhas, verdes e azuis (processo RGB - red, green, blue) para produzir uma fonte de luz branca através da combinação das três cores no olho humano.

A segunda técnica usa um LED ultravioleta para excitar uma combinação de fósforos vermelhos, verdes e azuis de modo que nenhuma luz do LED possa escapar. Cada uma dessas técnicas tem potenciais vantagens e desafios técnicos.

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A terceira técnica usa um LED azul para excitar um ou mais fósforos emissores de luz visível integrados em um LED de fósforo conversor. O LED é projetado para deixa vazar um pouco da luz azul entre o fósforo para gerar a porção azul do espectro, enquanto o fósforo converte a porção remanescente da luz azul em porções vermelhas e verdes do espectro. A resultante do processo é a luz branca.

Formas de obtenção de luz branca com LEDS - Lumileds Technology Tutorial.

A forma mais comum de obtenção de fonte de luz branca é a baseada em LED azul e um fósforo amarelo complementar. O LED azul é usado para excitar um fósforo amarelo integrado ao corpo do LED. A densidade e espessura do fósforo são escolhidas para deixar vazar uma fração da luz azul. Misturada com a emissão amarela do fósforo resultante, origina luz branca. Esta tecnologia é a utilizada pela maioria dos fabricantes e se tornou padrão em produtos de iluminação por razões de custo e confiabilidade.

Determinar a correta proporção de azul/amarelo depende de ter a correta quantidade, densidade e tamanho de partícula do fósforo, distribuídos no chip emissor de luz azul. Variações em qualquer um desses parâmetros fornecerá um aumento na cor ou variações na temperatura de cor em ângulos de visão diferentes de um emissor, ou entre LEDs adjacentes.

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Estrutura de um LED 5mm branco (a) Detalhe da cobertura do chip pelo Fósforo amarelo (b) - Schubert 2003.

Como em qualquer produto produzido em larga escala, os LEDs possuem variações das características técnicas e de qualidade. A indústria estabeleceu procedimentos de teste de alguns parâmetros que são importantes aos usuários da tecnologia. A estes controles se deu o nome de "BIN selection". Os fabricantes geralmente informam 3 parâmetros:

- Fluxo Luminoso; - Cor; - Tensão de alimentação.

Classificação dos LEDS, (BIN selection) - Lumileds

Os BINs são importantes, pois os fabricantes de luminárias precisam garantir a qualidade de seus produtos controlando os estoques de LEDs a fim de proporcionar aos clientes um atendimento as seguintes questões:

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* Evitar a variação das tonalidades de cor, principalmente quando as luminárias são instaladas próximas umas da outras, pois o olho humano consegue distinguir diferenças tão pequenas como 5nm no comprimento de onda de um LED colorido.

* Evitar variações de brilho (fluxo luminoso), pelas mesmas razões acima e por conta de atender as expectativas do projeto luminotécnico.

* Especificação da fonte de alimentação (Driver). Este assunto será tema de um dos capítulos do curso.

*Manutenção e substituições futuras. Apesar de sua longa estimativa de vida, LEDs podem falhar ou o cliente pode solicitar um aumento do número de luminárias no ambiente. Sendo assim, o fabricante de luminárias deve manter um histórico de cada BIN utilizado nos pedidos garantindo um atendimento com qualidade.

Os LEDs são produzidos e recebem identificação individual do fabricante para que a indústria de luminárias possa ter controle de seus estoques. A forma típica de identificação de um LED LUXEON STAR é a gravação de seus códigos no dissipador de calor incorporado: Código de Cores para os LEDS. Identificadores

Cores

W

White (Branco)

B

Blue (Azul)

E

Cyan (Cyan)

G

Green (Verde)

A

Amber ( Âmbar)

R

Red (Vermelho)

Rótulos dos LED - Lumileds

O sistema de codificação dos rótulos dos LEDs é simples pois utiliza letras e números para classificar os LEDs de acordo com o produto e o BIN. Utilizamos neste curso o exemplo do fabricante Lumileds que disponibiliza em sua página na internet http://www.lumileds.com, o artigo AB21, denominado Luxeon Product Binning and Labeling, com instruções detalhadas para a identificação dos LEDs.

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Identificação dos LEDs - Lumileds

Após a identificação do LED, precisamos conhecer em detalhes os parâmetros técnicos relacionados ao fluxo luminoso, cor e tensão de alimentação. No exemplo anterior a codificação do BIN era: T V0 K, e a primeira letra indica o fluxo que neste caso pode variar de 67,2 lm a 97,4 lm.

Tabela - Lumileds

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A segunda e a terceira letras do código indicam a cor do LED, entretanto, devido à dispersão paramétrica inerente ao processo de fabricação dos semicondutores, ocorrem variações nos comprimentos de onda e o fabricante do LED as identifica segundo a codificação a seguir:

Tabela - Lumileds

Percebemos que um LED azul adquirido do fabricante pode ter um comprimento de onda de 490nm e ter o código identificador 6. Por outro lado, um LED cyan, de comprimento de onda 490nm e código identificador 1 tem as mesmas características do LED azul anterior. Na prática, o fabricante de luminárias deve realizar as compras de seus LEDS utilizandose do artifício de pré-seleção dos BINs, desta forma , pode controlar os estoques evitando códigos que venham a causar problemas de variação nas cores. O gráfico a seguir facilita o entendimento deste efeito:

Tabela - Lumileds

Quando tratamos de LEDs brancos, devemos nos preocupar com a temperatura de cor, sendo que o fabricante disponibiliza tabelas para os padrões de 3000K e 5000K, inclusive os códigos dos LEDs são diferentes. No exemplo a seguir são respectivamente LXHL-MWGC (Luxeon Star 1W 3000K) e LXHL-MW1C ( Luxeon Star 1W 5000K).

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Tabela - Lumileds

Nos capítulos de estudo de caso, veremos como estas variações foram resolvidas em alguns projetos em que várias varias luminárias eram colocadas no mesmo ambiente A quarta letra da codificação indica a tensão de alimentação de cada LED. Este parâmetro influencia o projeto de fontes de alimentação (drivers), principalmente quando vários LEDs são ligados em conjunto.

Tabela - Lumileds

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1.5 - Benefícios da Tecnologia

Finalmente, 39 anos após a introdução do primeiro LED comercial em 1968, o panorama está formado para novas aplicações. Mas o grande advento deriva da produção de luz branca.

É muito importante frisar que os LEDs já emitem a luz em determinada cor, não sendo, portanto, necessário utilizar-se filtros cromáticos com LEDs. Este equívoco faz com que algumas pessoas ainda pensam ser possível, seja por falta de conhecimento ou compreensão desse dispositivo. Hoje, com a tecnologia existente inclusive no Brasil, já é possível emitir luz em qualquer cor ou tonalidade desejada, podendo-se, ainda, controlá-la para permitir que se escolha a temperatura de cor mais adequada (no caso da luz branca).

Quando o tema é o custo, podemos afirmar que os LEDs de alta potência têm o mesmo destino de itens de alta tecnologia e demanda, pois fato similar já ocorreu com a indústria de informática (computadores) e de telecomunicações (celulares), onde os preços caíram ao longo dos anos. LEDs indicadores de estado (5mm) custam centavos de dólar e sua produção está na casa de centenas de milhões anuais, por outro lado, LEDs de potência utilizados na iluminação são fabricados em quantidades ainda em torno de alguns milhões por ano, razão pela qual seu custo pode variar entre 5 a 25 dólares, dependendo do fabricante e da cor, aliás, este é um tema recorrente, pois o custo de fabricação varia conforme o material semicondutor escolhido e por conseqüência a cor.

Os benefícios proporcionados pela tecnologia são temas nos congressos e feiras no mundo. Muito se diz sobre o que é verdade e o que é mito. Vamos tentar esclarecer alguns deles:

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Vida útil de 100.000 horas - É possível, porém este conceito é da

época em que os LEDS eram produtos usados apenas em sistemas de indicadores de estado (on-off) e as correntes de alimentação raramente excediam 20mA. LEDS de alta potência têm que transferir o calor para

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dissipadores térmicos externos ao chip. Nos produtos desenhados para uso em iluminação, onde se utiliza correntes de alimentação da ordem de 350mA a 1500mA, as luminárias devem prever soluções de design que permitam ao LED dissipar o calor gerado na junção PN. O calor causa a degradação do fósforo nos LEDS brancos e da ótica primária, causando uma depreciação no brilho. Atualmente os LEDS de boa qualidade têm especificação de 50.000h com uma perda do fluxo admissível de 30%, mesmo conceito empregado pelos fabricantes de lâmpadas tradicionais para definir a sua vida útil.

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Eficiência maior que outras fontes de luz - Sim para as

incandescentes e halógenas, pois o dado disponibilizado hoje pelos fabricantes varia entre 25 a 65lm/W. Este tema está intimamente relacionado ao consumo de energia de luminárias com LEDs, pois apesar destes apresentarem um consumo baixo individualmente deve-se levar em consideração que o menor fluxo deveria ser compensado com um número maior de luminárias, caso o objetivo do projeto seja o retrofit (substituição de lâmpadas).

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Baixo consumo de energia - É inerente a tecnologia, pois os LEDs

atuais consomem apenas poucos Watts, quando comparados às lâmpadas de mercado. Em instalações comerciais o projeto deve considerar a economia proporcionada pela menor emissão de calor ao ambiente o que resultará em menores gastos com refrigeração.

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Ausência de radiações de infravermelho (acima de 780nm) -

Basicamente significa calor. É verdade, pois não há componentes de comprimento de onda da faixa do infravermelho nos LEDs, portanto a luz emitida por eles é "fria", não alterando as cores dos pigmentos dos objetos iluminados. Entretanto, mais uma vez devemos lembrar que o LED produz calor, por isso o projeto da luminária deve prever sua dissipação.

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Ausência de radiações ultravioletas (250nm a 380nm) - São

extremamente danosas. O LED branco é fabricado a partir de um chip com emissão azul recoberto com um fósforo amarelo. O comprimento de onda do LED azul é tipicamente de 472nm, portanto não há componentes de

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comprimento de onda na faixa de UV.

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Custos de manutenção reduzidos - A sua vida útil é elevada,

permitindo menores custos de reposição, mão de obra, paradas não programadas no serviço, etc.

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Acionamento instantâneo - Não há necessidade de partida como

alguns produtos da iluminação tradicional que necessitam de alguns minutos para operar a 100%. Exemplo: as lâmpadas de descarga (sódio e multi-vapores metálicos).

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Cores saturadas - Podem ser obtidas diretamente das luminárias

devido a sua geração ser um efeito direto do material do semicondutor. Não há necessidade do uso de filtros de cor em conjunto com LEDs. A filtragem da luz branca produzida pelo LED não é recomendada pois a eficiência será muito pequena, especialmente em cores ditas "quentes".

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Baixa voltagem de operação do LED - Trazendo segurança na

manipulação e instalação. A maioria das luminárias tem um acessório de conversão (fontes de alimentação ou transformadores) da corrente elétrica alternada da rede comercial (127Vac a 220Vac) para a baixa tensão usada no LED.

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Dimerização - É utilizada principalmente em controle dinâmico de

cenas proporcionadas pelos controladores disponíveis no mercado, entretanto o projeto da fonte de alimentação deve permitir a dimerização. Alguns modelos de luminárias podem ser dimerizadas utilizando-se transformadores eletromagnéticos em conjunto com dimmers tradicionais.

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Controle de cores - É um conceito que foi "importado" da

iluminação cênica onde se utilizam os sistemas de "color changing" em luminárias com filtros coloridos e sistemas mecânicos que trocavam os filtros e lentes, proporcionando efeitos dinâmicos de cor. Quando se utilizam LEDs, as luminárias com este efeito têm fontes dimerizáveis controladas por software, aumentando as possibilidades do projeto.

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-

São componentes bastante robustos - Possibilitam seu uso em

ambientes em que outras fontes de luz necessitariam de proteção extra, como automóveis e aplicações outdoor. Entretanto devem ser acondicionados em luminárias evitando umidade e controlando o calor produzido pelo chip.

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Permitem o projeto de luminárias mais eficientes - Não há

necessidade de utilização de refletores externos para redirecionamento do facho. Na verdade é normal se utilizar de óticas secundárias (lentes colimadoras, que controlam o facho original do LED). Estes dispositivos são produzidos com polímeros de alta pureza e desempenho.

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Diversidade de ângulos de abertura de facho - Permite ao

especificadores escolher os efeitos desejados através do uso de lentes secundárias para controle do facho.

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Pequenas dimensões - Permite o design de luminárias menores que

as tradicionais. Os projetos luminotécnicos e a arquitetura enfrentam problemas constantes de posicionamento das luminárias em ambientes cada vez menores ou por conta da interferência com os projetos de refrigeração, sistemas de prevenção de incêndio, etc. Na área comercial as vitrines e displays de demonstração devem aproveitar ao máximo o espaço útil, ocasionando uma aproximação entre as fontes de luz e os objetos a serem iluminados, e quando isso ocorre, uma luminária pequena, que não emite calor ou radiação ultra violeta frequentemente é a melhor opção do projeto.

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Aspectos ecológicos - Não se utilizam mercúrio, chumbo e outros

materiais considerados como potencialmente danosos ao meio ambiente na fabricação dos LEDs atendendo a uma iniciativa internacional chamada diretiva RoHS, além do baixo consumo.

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Alto índice de reprodução de cor - Para os LEDs brancos com

temperatura de cor de 3200K, o índice está entre 85 a 90, segundo os fabricantes. Já nos LEDs brancos com temperatura de cor de 5000K o índice é 70. Infelizmente o fluxo luminoso nos LEDs de 3200K é menor que nos

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de 5000K devido a perda introduzida pela camada de fósforo amarelo.

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Disponibilidade de temperaturas de cor de 3000K a 8000K -

Conforme os catálogos dos fabricantes, desde que o especificador solicite a pré-seleção e realize o controle de qualidade dos lotes, pois o estado da técnica atual permite a variação na temperatura de cor em até 80K para LEDs de mesmo BIN.

Um problema que a tecnologia enfrenta para sua utilização em larga escala são os custos elevados quando comparados aos custos dos produtos tradicionais de iluminação. Uma luminária com uma lâmpada dicróica de 50W e um transformador eletromagnético podem ser comprados no mercado por preços tão baixos quanto R$ 25,00, apesar de existirem produtos de alta qualidade no mercado com valores até 10 vezes maiores.

A pergunta a ser feita é: Qual o benefício que o projeto de iluminação terá com a utilização de uma luminária com LED? Caso o único valor percebido pelo cliente seja o custo do produto, provavelmente a tecnologia de LED não deverá ser utilizada. Por outro lado, em aplicações onde os benefícios listados anteriormente são relevantes, vale a pena utilizar LEDs e em alguns casos que serão mostrados no decorrer do curso foi a melhor opção.

LEDs são frequentemente apontados como o futuro da iluminação, graças, entre outros motivos, à sua grande eficiência, sua elevada resistência mecânica e vida útil, seu diminuto tamanho e à disponibilidade de uma grande variedade de intensidade e tonalidade de luz que oferecem.

Os LEDs não são apenas mais uma opção de fontes de luz no mercado. Eles trazem consigo novos conceitos para o mundo da iluminação, novas possibilidades de iluminar e uma mudança de paradigma, quando comparados às fontes de luz tradicionais.

O objetivo deste capítulo é informar aos leitores todas as nuances da tecnologia de LEDs a fim de gerar uma melhor compreensão de seus limites. Para a aplicação em projetos de luminotécnica não é necessário

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conhecer cada tipo de LED ou formato, bem como as intrincadas questões tecnológicas que envolvem esses dispositivos. Sabemos que é complicado mesmo e nossa missão é facilitar a aplicabilidade na iluminação arquitetural. Essas questões altamente técnicas pertencem a outras áreas do conhecimento, como engenharia eletrônica, física, etc... não à arquitetura.

O importante é conhecer as características, as propriedades e os benefícios que os produtos/luminárias já oferecem e estão disponíveis no mercado nacional. Dispondo das informações necessárias a respeito destes equipamentos e suas aplicabilidades é que se torna possível a utilização, de maneira facilitada, de LEDs por arquitetos, light designers e outros profissionais do ramo.

Esperamos contar com seu apoio no próximo capítulo, quando trataremos do assunto: Projeto de Luminárias.

Até lá...

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1.6 - Glossário

Nanômetro: 1nm = 10-9m. Outra unidade para definir comprimentos de onda visíveis é o Ângstron (1A° = 10-10m).

Vida útil: é o número de horas decorrido quando se atinge 70% da quantidade de luz inicial devido à depreciação do fluxo luminoso de cada lâmpada, somado ao efeito das respectivas queimas ocorridas no período, ou seja, 30% de redução na quantidade de luz inicial.

Fluxo Luminoso: é a quantidade total de luz visível que uma fonte irradia em todas as direções. Unidade - Lumen (lm).

Intensidade Luminosa: é a intensidade do fluxo luminoso projetado em uma determinada direção. Unidade - Candela (cd).

Potência (P): energia aplicada por segundo, para se executar qualquer movimento ou produzir calor, luz, radiação, etc. Unidade - Watt (W).

Índice de reprodução de cores (IRC): avalia a capacidade das fontes artificiais de luz em reproduzir com maior ou menor fidelidade as cores dos objetos iluminados. É medido como um número variando de 0 a 100. Quanto maior, melhor a reprodução das cores.

Eficiência Luminosa : é a relação entre o fluxo luminoso (em lumens) emitido por uma fonte e a potência (em Watts) consumida para produzi-lo. Unidade - lumen/Watt (lm/W).

Iluminância (E): é a relação entre a quantidade de lumens emitidos pela fonte luminosa (fluxo luminoso) e a área a ser iluminada. Unidade - lm/m2 (Lux). Um lux corresponde a um lúmen distribuído em uma superfície de 1m2.

Curva de distribuição espectral é um gráfico que mostra a distribuição do espectro eletromagnético de uma fonte de luz.

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Temperatura de cor: termo usado para descrever a aparência de cor de uma fonte de luz, comparada à cor emitida pelo corpo negro (que teoricamente irradia toda energia que recebe). Temperaturas de cor alta têm aparência mais “fria-azulada”. Temperaturas de cor baixas têm aparência mais “quente-avermelhada”. Unidade - Kelvin (K).

Fator de Potência: é o co-seno do ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão. Circuito indutivo: consumidor de energia reativa; fator de potência é dito em atraso. Circuito capacitivo: fornecedor de energia reativa; fator de potência é dito em avanço.

Tensão = diferença de potencial (V). Para haver corrente elétrica é preciso que haja diferença de potencial (d.d.p.) e um condutor em circuito fechado. Se o circuito estiver aberto, haverá d.d.p., mas não haverá corrente. Unidade - Volt (V).

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1.7 - Bibliografia

ALMEIDA L.C.R, GAY J.K. Curso de Colorimetria Industrial Básica. UNEEQ/UOC Senai CETIQT 1999.

FARINA, M. Psicodinâmica das cores em comunicação. 4 ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1990.

LUMILEDS (Philips). Lumileds Technology Tutorial. Disponível em: . Acesso em: 01 mar. 2007.

LUMILEDS (Philips). Luxeon Production Binning and Labeling. Disponível em: < http://www.lumileds.com/pdfs/AB21.pdf >. Acesso em: 01 mar. 2007.

LA_PRO, ano 1, numero 1, Novembro de 2004 Edição especial da revista Lume Arquitetura De Maio Comunicação e editora.

LUME ARQUITETURA, ano IV, Dezembro/Janeiro 2007

A evolução dos

LEDS. Artigo de José Luiz Pimenta, pág 34.

MALVINO, A.P. Eletrônica: Volume 1. 4a Edição. São Paulo: Makron Books, 1995.

OSRAM: Manual Luminotécnico Prático. 1993.

SCHNEIDER M.M. LEDS (diodos emissores de luz): Estudo de sua aplicabilidade para iluminação artificial em arquitetura. 2003. Dissertação (Mestrado em Conforto Ambiental e Eficiência Energética) Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal do Rio de Janeiro, RJ.

SCOPACASA V.A. Historia do Led. PDF. 2007.

SCHUBERT, E.F. Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, 2003;

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