“Iluminação com tecnologia de estado sólido (LED´s) e suas aplicações” Palestrante: Eng. José Gil Oliveira, MSc. Mestre – USP LABORATÓRIO DE FOTOMETRIA INSTITUTO DE ENERGIA E AMBIENTE ILUME EXPO – 2015 03/06/2014 TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA LIGHT-EMITTING DIODES E. FRED SCHUBERT LEDS FOR LIGHITNG APPLICATIONS PATRICK MOTTIER REVISTA LED MAGAZINE SITE D.O.E. – DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS EUA CON CEI TOS BÁSI COS O ESPECTRO ELETROM AGN ÉTI CO CON CEI TOS VI SÃO H UM AN A Visão fotópica e escotópica A curva de sensibilidade espectral do olho humano varia consoante as condições de iluminação: Condições de visão fotópica (cones): >1 cd/m2 Condições de visão escotópica (bastonetes): <0,01 cd/m2 Condições de visão mesópica (cones + bastonetes): 0,01-1 cd/m2 CON CEI TOS BÁSI COS VI SÃO H UM AN A CON CEI TOS BÁSI COS VI SÃO H UM AN A V( ) V’( ) COM O O OLH O H UM AN O VÊ AS CORES? CON CEI TOS BÁSI COS FOTOM ETRI A • Dedica-se à medição da luz VISÍVEL tal como ela é percebida pelo olho humano. • A distinção entre radiometria e fotometria é necessária porque o olho humano responde de maneira diferente aos diferentes comprimentos de onda espectrais: • duas fontes monocromáticas podem apresentar o mesmo fluxo radiante mas diferente fluxo luminoso. A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL LÂMPADA INCANDESCENTE A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL LÂMPADA FLUORESCENTES COMPACTA A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL LÂMPADA MULTI VAPOR METÁLICA A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL LÂMPADA A VAPOR DE SÓDIO A INFLUÊNCIA DA DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL NO OLHO HUMANO DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL LED BRANCO – 6500 K DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS HISTÓRICO – PRIMEIRA PUBLICAÇÃO PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA - INVENTORES DO LED AZUL EXISTEM 03 FORMAS DE CONVERSÃO DA LUZ AZUL DOS LEDS EM LUZ BRANCA 1- LED AZUL + CAMADA DE FÓSFORO (MAIS UTILIZADA) 2- LED U.V. + CAMADA DE FÓSFORO 3 - R.G.B. (LED VERMELHO, LED VERDE E LED AZUL) DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os elétrons circulam o núcleo em órbitas fixas: uma forma simples de pensar nisto é imaginar como os satélites ficam na órbita da Terra. Existem muitas teorias sobre orbitais de elétrons, mas para entender a luz temos que conhecer apenas uma regra: um elétron ocupa uma órbita natural, mas se você energizar um átomo, pode movê-lo para orbitais maiores. Um fóton de luz é produzido sempre que um elétron que está numa órbita maior do que a normal volta para sua órbita normal. Durante a queda da alta energia para a energia normal, o elétron emite um fóton (um pacote de energia) com características bastante específicas. O fóton tem uma freqüência ou cor que está exatamente de acordo com a distância que o elétron decai. DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Há casos em que você pode ver este fenômeno bem claramente. Por exemplo, em muitas fábricas e estacionamentos você vê lâmpadas de vapor de sódio. Dá pra dizer que é uma lâmpada de vapor de sódio porque ela é muito amarela. Esse tipo de lâmpada energiza átomos de sódio para gerar fótons. Um átomo de sódio tem 11 elétrons e, devido à forma que eles estão distribuídos nas órbitas, um destes elétrons tem mais facilidade para aceitar e emitir energia. Os pacotes de energia que este elétron provavelmente emitirá terão um comprimento de onda de 590 nanômetros. Este comprimento de onda corresponde à luz amarela. Se você incidir a luz de sódio num prisma, você não verá um arco-íris, mas sim um par de linhas amarelas. DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS TIPOS DE INVÓLUCROS DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS TIPOS DE INVÓLUCROS TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS PORQUE OS LEDS DE BAIXA POTÊNCIA NÃO SÃO UTILIZADOS EM ILUMINAÇÃO? ESTUDO L.R.C. INDICANDO DEPRECIAÇÃO DO FLUXO LUMINOSO ELEVADA MAIOR DO QUE 30% ANTES DE 50.000 (L70) INDICANDO VIDA MEDIANA ABAIXO DE 12.000 HORAS – FALHAS CATASTRÓFICAS (B50) DIODOS EMISSORES DE LUZ – LEDS PORQUE OS LEDS DE ALTA POTÊNCIA SÃO UTILIZADOS EM ILUMINAÇÃO? ATÉ O MOMENTO INTERNACIONAIS TODAS (IESNA/IEC) ÚNICOS COMPONENTES 50.000 HORAS DE AS INDICAM LEDS QUE NORMAS QUE OS SUPORTAM FUNCIONAMENTO COM DEPRECIAÇÃO DO FLUXO LUMINOSO <30% SÃO OS LEDS DE POTÊNCIA. NORMAS LM 79, LM 80 e TM 21 SÃO AS PRINCIPAIS I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL • OBJETO D E EVOLUÇÃO TECN OLÓGI CA • OS GRÁFI COS SEGUI N TES M OSTRAM A EVOLUÇÃO E A EFI CI ÊN CI A EN ERGÉTI CA D AS TECN OLOGI AS D E I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL AO LON GO D OS AN OS I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL FONTE DE LUZ EFICIÊNCIA LUMINOSA (lm/W) 11 VIDA ÚTIL (horas) LÂMPADA FLUORESCENTE COMPACTA 60 8.000 LÂMPADA FLUORESCENTE TUBULAR 80 24.000 LÂMPADA VAPOR DE MERCURIO 40 16.000 LÂMPADA A VAPOR DE SODIO 120 18.000 LÂMPADA A VAPOR METÁLICO 90 14.000 LÂMPADA A LED (*) 200 50.000 LÂMPADA INCANDESCENTE 1.000 (*) Considerando que o Driver da lâmpada tenha a mesma vida útil que o LED I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL D UAS TECN OLOGI AS D E FABRI CAÇÃO D OS LED S TIPOS MAIS COMUNS DE MATERIAIS PARA FABRICAÇÃO DE LEDS QUAL É A EFICIÊNCIA MÁXIMA DOS LEDS ? M UD AN ÇA D E CON CEI TOS ILUMINAÇÃO A LED X ILUMINAÇÃO CONVENCIONAL RENDIMENTO LUMINOSO DE UMA LUMINARIA FOTOMETRIA ABSOLUTA TEMPERATURA DE COR CORRELATA (T.C.C) Í NDICE DE REPRODUÇÃO DE COR I.R.C X CQS LUMINÂNCIA X ILUMINÂNCIA INSTRUMENTAÇÃO ADEQUADA PARA MEDIÇÃO DE LEDS CURVAS FOTOM ÉTRI CAS LUMINÁRIA COM TECNOLOGIA CONVENCIONAL VALORES EM Ca n de la s/ k lm CURVAS FOTOM ÉTRI CAS LUMINÁRIA COM TECNOLOGIA DE ESTADO SÓLIDO VALORES EM CANDELAS 180 0 _ _ _ _ 0 -1 8 0 ------9 0 -2 7 0 6000 5000 4000 3000 2000 90 1000 0 0 0 90 0 REN D I M EN TO LUM I N OSO ESFERA INTEGRADORA ULBRICHT REN D I M EN TO LUM I N OSO TECN OLOGI A D E ESTAD O SÓLI D O GON I ÔM ETRO I N STRUM EN TAÇÃO LUXÍ M ETRO N PL X COM ERCI AL I N STRUM EN TAÇÃO APARÊN CI A D E COR D A LUM I N ÁRI A ESTAD O SÓLI D O – LED BRAN CO I N STRUM EN TAÇÃO APARÊN CI A D E COR D A LUM I N ÁRI A ESTAD O SÓLI D O – LED RGB I N STRUM EN TAÇÃO APARÊN CI A D E COR D A LUM I N ÁRI A COM TECN OLOGI A D E ESTAD O SÓLI D O PARÂM ETROS I M PORTAN TES TECN OLOGI A D E ESTAD O SÓLI D O Te m pe r a t u r a de Ca r ca ça PARÂM ETRO I M PORTAN TES TECNOLOGIA DE ESTADO SÓLIDO Temperatura de Junção PARÂM ETROS I M PORTAN TES EQUAÇÃO FUN D AM EN TAL REQUI SI TOS D E N ORM AS TECNOLOGIA DE ESTADO SÓLIDO TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES (I.R.C.) DO INGLÊS C.R.I. – “COLOR RENDERING INDEX” INDICA QUAL É A FIDELIDADE DE REPRODUÇÃO DE CORES QUE A FONTE LUMINOSA PROPORCIONA. VARIA DE 0 A 100% QUANTO MAIS PRÓXIMO DE 100% MELHOR É A REPRODUÇÃO DE CORES COMPARADA COM A REPRODUÇÃO DE PROPORCIONADA PELO SOL OU UM ILUMINANTE. CORES INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES (I.R.C.) FOTOS ILUMINADAS COM DOIS ILUMINANTES DE MESMA TEMPERATURA COR INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES (I.R.C.) DUAS FONTES DE LUZ PODEM TER A MESMA TEMPERATURA DE COR PORÉM I.R.C. DIFERENTES INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES (I.R.C.) PARA CALCULAR O INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES - PALETA DE REFERÊNCIA COM 15 DIFERENTES TIPOS DE CORES - A REFLETÂNCIA ESPECTRAL DE CADA COR CONHECIDA - DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DO ILUMINANTE CONHECIDA INDICE DE REPRODUÇÃO DE CORES (I.R.C.) PROBLEMAS COM I.R.C. – PRINCIPALMENTE COM LEDS DEVIDO AO ESPECTRO COM POUCO VERMELHO C.Q.S. – COLOR QUALITY SCALE - UTILIZA OUTRAS 15 CORES, PORÉM MAIS SATURADAS - VARIA DE 0 A 100% (Há maior equilibrio entre cores) - - CONSIDERA PREFERÊNCIA HUMANA CORES DA ESCALA MUNSELL (COMERCIALMENTE DISPONÍVEIS) INDICADA PARA TECNOLOGIA LED (ESPECTRO DESCONTÍNUO) - NÃO É UMA ESCALA ADOTADA MUNDIALMENTE C.Q.S. – COLOR QUALITY SCALE EXEMPLO: I.RC. = 80 / C.Q.S. = 73 TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. •Principais aplicações da tecnologia de estado sólido - ILUMINAÇÃO DE INTERIORES - ILUMINAÇÃO PÚBLICA - HOTÉIS/BARES/RESTAURANTES/HOTÉIS -ÁREA MÉDICA (LED AZUL (ODONTO) E UV (CURA) - ÁREA AUTOMOBILISTICA - ÁREA CÊNICA (IRC CADA VEZ MAIS ALTO) TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública Pr oj e t o de Pe squ isa Aplica da com Le ds: “ D e se n volvim e n t o de Solu çã o pa r a I lu m in a çã o de I n t e r ior e s u t iliza n do Te cn ologia de Est a do Sólido” ( P& D – A.N .E.E.L.) INSTITUIÇÕES PARTICIPANTES: AES ELETROPAULO – PROPONENTE INSTITUTO DE ENERGIA E AMBIENTE DA USP – IEE/USP - EXECUTORA Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações CONSULTORA ITAIM ILUMINAÇÃO - FABRICANTE PERÍODO DE DURAÇÃO DO PROJETO: 02/07/2010 a 02/07/2012 (24 MESES) VALOR TOTAL PREVISTO PARA O P&D: R$ 1.806.722,00 Ge r e n t e Ge r a l: Rica r do Ge dr a , M Sc. - AES ELETROPAULO Coor de n a dor Té cn ico: José Gil Olive ir a , M Sc. – I EE/ USP OBJETIVOS OBJETIVOS GERAIS: - Caracterizar as opções de componentes e sistemas de iluminação mais adequadas para o desenvolvimento de soluções, utilizando a tecnologia de estado sólido, para iluminação de interiores. - Desenvolver protótipos e ensaiar as características de segurança e desempenho das diversas configurações em Laboratórios Neutro e Acreditado pelo Inmetro. - Instalar os protótipos em campo e avaliar o desempenho elétrico e fotométrico, assim como avaliar o comportamento psicobiofísico dos usuários. DIFERENÇA DE CORES – CATÁLOGO X MEDIÇÃO IEE/USP MEDIÇÕES REALIZADAS EM 03/2011 DIFERENÇA DE CORES – IDEAL LED LUXEON A – PHILIPS LUMILEDS – LANÇAMENTO MUNDIAL LIGHT FAIR 2011 DEPOIS DA NOVA ESPECIFICAÇÃO REALIZADA – AGOSTO DE 2011 VALORES MEDIDOS NOS LEDS DAS LUMINÁRIAS INSTALADAS NA ESCOLA ESTADUAL 0,42 y 3000K 4000K - 5C 0,4 0,38 0,36 5000K - 3C 6000K - WO 0,34 0,32 x 0,3 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 - DESEMPENHO ELÉTRICO, TÉRMICO, FOTOMÉTRICO E RADIOMÉTRICO DE LUMINÁRIAS COM TECNOLOGIA DE ESTADO SÓLIDO EM LABORATÓRIO E EM CAMPO (SALAS DE AULA) PROTÓTIPOS DESENVOLVIDOS – LUMINÁRIA ZERO PROTÓTIPOS – LUMINÁRIA HUM – SIMULAÇÃO ÓPTICA PROTÓTIPOS DESENVOLVIDOS – LUMINÁRIA HUM PROTÓTIPOS – LUMINÁRIA HUM – SIMULAÇÃO ÓPTICA INSTALAÇÃO DAS LUMINÁRIAS EM CAMPO ESCOLA ESTADUAL DEP. AUGUSTO AMARAL – JAGUARÉ – SÃO PAULO ANTES DEPOIS INSTALAÇÃO DAS LUMINÁRIAS EM CAMPO ESCOLA ESTADUAL DEP. AUGUSTO AMARAL – JAGUARÉ – SÃO PAULO ANTES DEPOIS INSTALAÇÃO DAS LUMINÁRIAS EM CAMPO ESCOLA ESTADUAL DEP. AUGUSTO AMARAL – JAGUARÉ – SÃO PAULO ANTES DEPOIS INSTALAÇÃO DAS LUMINÁRIAS EM CAMPO ESCOLA ESTADUAL DEP. AUGUSTO AMARAL – JAGUARÉ – SÃO PAULO ANTES DEPOIS Testes Psicobiofísicos Testes aplicados na avaliação a. Arranjo de cores; b. Nomeação de cores; c. Avaliação subjetiva da iluminação; d. Produtividade; e. Preferência. Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos C. Avaliação Subjetiva da Iluminação Folha com campos em branco onde o aluno tinha que escrever sua opinião livre sobre os ambientes de teste. Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos Testes Psicobiofísicos • A temperatura de cor correlata com maior pontuação no teste e portanto a escolhida como preferencial para aplicação em ambiente escolar é a de 5000 K. TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública PORQUE UTI LI ZAR LED S EM I LUM I N AÇÃO ARTI FI CI AL? - BAIXO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA - RÁPIDA EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA - LONGA VIDA ÚTIL (ACIMA DE 30.000 h) - ELEVADA EFICÁCIA (lm/W) - PRODUTO COMPACTO E ROBUSTO - REDUZ A UTILIZAÇÃO DE AR CONDICIONADO -EXCELENTE REPRODUÇÃO DE CORES - ECOLOGICAMENTE CORRETO – SUSTENTÁVEL ENERGETICAMENTE -O PREÇO CAI D EZ VEZES A CAD A D EZ AN OS EN QUAN TO O FLUX O LUM I N OSO AUM EN TA 2 0 VEZES. ( H AI TZ´ S LAW) H AI T´ Z LAW -O PREÇO CAI D EZ VEZES A CAD A D EZ AN OS -EN QUAN TO QUE O FLUXO LUM I N OSO AUM EN TA 2 0 VEZES. ( H AI TZ´ S LAW ) TEN D ÊN CI A D E PREÇOS D E UM A LUM I N ÁRI A D E LED S PREÇO FI N AL EM 2 0 2 0 = 5 0 % PREÇO EM 2 0 1 5 TÓPICOS: • O que é a tecnologia de estado sólido (LED´s) ? • Quais são as vantagens e desvantagens em relação à iluminação convencional ? • Reprodução de cores (CQS X IRC) • Principais aplicações da tecnologia de estado sólido • Participação em Projetos de Pesquisa com LED´s • Futuro da tecnologia de estado sólido. • Cuidados com a Iluminação Pública CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA ILUMINAÇÃO PÚBLICA: serviço que tem por objetivo exclusivo prover de claridade os LOGRADOUROS PÚBLICOS, de forma periódica, contínua ou eventual, nos termos da legislação e normas regulamentares vigentes; CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA PONTOS DE I.P. EXISTENTES NO MUNICÍPIO DE SÃO PAULO: 620.000 PONTOS DE I.P. EM 2035 APROXIMADAMENTE 715.500 APÓS A P.P.P DE 20 ANOS ECONOMIA DE CUSTOS COM I.P. 50% CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA • RESÍDUOS PROVOCADOS PELO DESCARTE DAS LUMINÁRIAS A LED • LUMINÁRIAS COM ILUMINAÇÃO GERANDO UM ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR MAIOR POSSIVEL • DISTORÇÃO HARMÔNICA DA CORRENTE DE ALIMENTAÇÃO GERADA PELA LUMINÁRIA THD(A) = 10% • FORMA DE ONDA DA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO THD(V) = 3% • LUMINÁRIAS COM TEMPERATURA DE COR ACIMA DE 4000K PODEM ATRAIR ARACNÍDEOS • PESO MÁXIMO DA LUMINARIA CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA • DRIVERS DAS LUMINÁRIAS COM VIDA ÚTIL = 50.000 horas • ENSAIOS DE CAMPO COMPROVATÓRIOS • UNIFORMIDADE DA ILUMINÂNCIA HORIZONTAL (ZEBRAMENTOS) • PRINCIPALMENTE ATENDIMENTO ÀS NORMAS NACIONAIS e QUANDO NÃO EXISTIREM ÀS NORMAS INTERNACIONAIS COMPROVADAS COM ENSAIOS EM LABORATÓRIOS ACREDITADOS NACIONALMENTE CUIDADOS COM REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA • NÃO EXISTE UM PADRÃO NACIONAL PARA LUMINÁRIAS A LED (ESTÁ PARA ENTRAR EM VIGOR) • NÃO EXISTE ETIQUETA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA (E.N.C.E.) • NÃO EXISTE SELO PROCEL (GRAVATINHA) • NÃO EXISTE CERTIFICAÇÃO COMPULSÓRIA PARA ESSES PRODUTOS Agr a de ço a Todos e Toda s pe la At e nçã o! Gr a cia s a Todos por su At e nción ! En g. José Gil Olive ir a , M Sc. Fon e : ( 0 x x 1 1 ) 3 0 9 1 - 2 6 7 3 gil@ie e .u sp.br