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Conforto Ambiental: Iluminação
Fernando O. Ruttkay Pereira, PhD Professor do Departamento de Arquitetura e Urbanismo Universidade Federal de Santa Catarina
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O ser humano e o seu entorno imediato
Conforto Visual pode ser interpretado como uma recepção clara das mensagens visuais de um ambiente luminoso
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Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Iluminação inadequada
Fadiga Visual Desconforto Dor de Cabeça Ofuscamento Redução da Eficiência Visual Acidentes Boa Iluminação Aumenta a produtividade Gera um ambiente agradável Salva vidas Responsabilidade: Projetistas Administradores Autoridades
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Funções biológicas humanas com ritmos circadianos
Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Influências psico-fisiológicas da luz sobre o organismo humano Funções biológicas humanas com ritmos circadianos CIE. TC 6-11 (CIE, 2003)
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Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes?
Resposta visual relativa e supressão de Melatonina relativa em função da iluminância ao nível do olho (Lighting Research Center)
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Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes?
Eficácia luminosa Fotópica, Scotópica e de supressão de Melatonina (Lighting Research Center)
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Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes?
Para emocionar....
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Teoria Corpuscular LUZ – A base física Princípios:
Corpos luminosos emitem energia radiante em partículas; Estas partículas são lançadas intermitentemente em linha reta; As partículas atingem a retina e estimulam uma resposta que produz uma sensação visual. Newton ( )
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Teoria das Ondas LUZ – A base física Princípios:
A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos; Esta vibração era transmitida através de uma substância invisível e sem peso que existia no ar e no espaço, denominada “éter luminífero”; As vibrações transmitidas atuam na retina, simulando uma resposta que produz uma sensação visual. Cristiaan Huygens ( )
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James Clerk Maxwell (1831-1879)
LUZ – A base física Teoria Eletromagnética Princípios: Os corpos luminosos emitem luz na forma de energia radiante; A energia radiante se propaga na forma de ondas eletromagnéticas; As ondas eletromagnéticas atingem a retina, estimulando a uma resposta que produz uma sensação visual. James Clerk Maxwell ( )
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Teoria Quântica LUZ – A base física
“ A energia na radiação não é contínua, mas dividida em minúsculos pacotes, ou quanta. ” Max Planck ( ) Princípio: energia é emitida e absorvida em quantum, ou fóton.
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Espectro Eletromagnético
LUZ – A base física
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LUZ – A base física
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FOTOMETRIA LUZ – A base física
“área da óptica que trata da medição da energia radiante, avaliada de acordo com seu efeito visual e relacionada somente com a parte visível do espectro” Balanço de energia nos processos de emissão, propagação e absorção da radiação; A quantidade de radiação pode ser avaliada em unidades de energia ou no seu efeito sobre o receptor: O olho humano; unidades fotométricas A película fotográfica; unidades fotográficas A pele humana; unidades eritêmicas Pierre Bouguer (1698 –1758) Elaborou a teoria fotométrica; J.H. Lambert (1728 –1777) Formulou matematicamente; Esquecida até a invenção da lâmpada (meados do século XIX).
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Grandezas Fotométricas
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Grandezas Fotométricas
Fluxo Radiante (watt [W]) “ é a potência da radiação eletromagnética emitida ou recebida por um corpo ” O fluxo radiante contem frações visíveis e invisíveis.
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Grandezas Fotométricas
Fluxo luminoso - F ( lumen [lm] ) “ é a parcela do fluxo radiante que gera uma resposta visual ”
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Grandezas Fotométricas
Eficiência luminosa ( [lm/W] ) “ é a capacidade da fonte em converter potência em luz” 1 W 0,3 lm 25,9 lm 220 lm 683 lm 430 lm 73 lm 2,8 lm
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Fonte Fluxo luminoso Eficiência luminosa
Grandezas Fotométricas Eficiência luminosa ( [lm/W] ) Fonte Fluxo luminoso Eficiência luminosa Incandescente 100 W 1.350 lm 13,5 lm/W Fluor. compacta 23 W 1.400 lm 61 lm/W Fluor. TL5 28 W 2.900 lm 103 lm/W HID 250 W lm 76 lm/W Sódio 150 W lm 107 lm/W Luz natural ------ 100 – 140 lm/W
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Grandezas Fotométricas
Intensidade luminosa ( candela [cd] ou [lm/sr] ) “ é a propagação da luz em uma dada direção dentro de um ângulo sólido unitário ” Ângulo Sólido ( [sr] ) “ é o ângulo espacial que tem seu vértice no centro da esfera, cuja a área superficial é igual ao quadrado de seu raio ” 1 esterradiano
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Grandezas Fotométricas
Iluminância ( lumen/m2 ou lux [lx] ) “ é a medida da quantidade de luz incidente numa superfície por unidade de área ” Valores típicos A 1m de uma vela 1 lux Numa mesa de escritório 500 lux No exterior sob céu encoberto lux No sol no verão lux
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Representação de Iluminâncias: mapas Isolux
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é a resposta visual desse estímulo
Grandezas Fotométricas Luminância ( [cd/m2] ) “ é uma medida física de brilho de uma superfície, sendo através dela que os seres humanos enxergam ” Luminância é uma excitação visual Brilho é a resposta visual desse estímulo Superfície Difusa
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Grandezas Fotométricas
Valores de luminâncias de algumas fontes Limite inferior , cd/m2 Limite superior cd/m2 Ofuscamento cd/m2
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Representação de Luminâncias
Luminancímetro Foto com lente “olho-de-peixe”
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Grandezas Fotométricas
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Grandezas Fotométricas
Tôdas as grandezas são produtos de área ou ângulo sólido Excitância luminosa (M) M = r x E M = t x E p/ superfícies perfeitamente difusoras M = p x L
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ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO
Grandezas Fotométricas ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO A taxa vetor iluminação/iluminação escalar é um parâmetro utilizado para estimar a direcionalidade da luz e suas qualidades de modelação de objetos.
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ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO
Grandezas Fotométricas ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO E1 E2 direção do vetor DEMÁX = E1 – E2 0 ambiente totalmente uniforme, sem sombras varia entre 4 ambiente de iluminação monodirecional
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Leis fundamentais da iluminação
Lei do inverso do quadrado da distância Lei do cosseno Lei da Aditividade
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å ) cos . ( = D A L E q v Leis fundamentais da iluminação
Iluminação produzida por fonte superficial ) cos . ( 2 å = D A L E fonte P q v ângulo sólido
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MODELO ANALÍTICO PARA O FENÔMENO DA ILUMINAÇÃO NATURAL
1 ângulo sólido
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ρ + α + τ = 1 Propriedades óticas dos materiais Refletância
Absortância Transmitância ρ + α + τ = 1
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Propriedades óticas dos materiais
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Mecanismos de controle da luz
- Reflexão - Refração 1 2 1 2 (a) especular (b) difusa (c) semi - Transmissão (a) especular (b) difusa (c) semi
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LUZ Propriedades óticas dos envidraçados
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LUZ Propriedades óticas dos envidraçados vista lateral planta
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LUZ Propriedades óticas dos envidraçados
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Benefícios do uso da cor
“O uso adequado da cor ajuda na captura da antenção das pessoas, pode enfatizar e organizar as informações visuais, produzindo: interesse visual; valorização estética e decorativa; aumento de produtividade; redução do índice de acidentes.”
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COR Imitar a realidade (aparência verdadeira) grama roxa?? grama é verde!!
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COR Imitar a realidade (aparência verdadeira)
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COR Organizar e enfatizar as informações
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COR Organizar e enfatizar as informações
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Contrastes Cromáticos e de Brilho
COR Contrastes Cromáticos e de Brilho Contraste Cromático Contraste de Brilho Alto Baixo Alto Baixo
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CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
Percepção das cores Cor luz (luz branca) Cor pigmento
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CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
Mistura Aditiva (cor luz) Mistura Subtrativa (cor pigmento)
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Reproducibilidade CLASSIFICAÇÃO DAS CORES RGB Red, Green & Blue CMYK
Cian, Magenta, Yellow & Black Reproducibilidade Método de Munsell Atributos: - Croma - Saturação - Valor (brilho)
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CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
Refletância das Cores
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CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
Modelo Espaço L*a*b (CIELAB)
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CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
maçã Comparação entre as medições de croma limão
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Valores dos Tristímulos
Percepção das Cores “Os daltônicos tem cones defeituosos” ” Valores dos Tristímulos Qual é a cor da capa? Curva de sensibilidade do olho humano
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Lâmpada incandescente Lâmpada vapor de mercúrio
Reprodução de Cor Índice de Reprodução de Cor - IRC IRC = 100% IRC = % Luz natural Lâmpada incandescente IRC = % IRC = % Lâmpada fluorescente Lâmpada vapor de mercúrio
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Reprodução de Cor Temperatura de Cor [K] Aparência de Cor
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Reprodução de Cor Iluminância X Aparência de Cor
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Temperatura de Cor Iluminância X Aparência de Cor
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COR Produção de Efeitos Usar cores próximas no modelo de cor
HARMONIA DRAMATICIDADE Usar cores próximas no modelo de cor Usar cores de alto contraste de luminosidade Usar a mesma cor e variar o brilho Usar cores de alto contraste cromático (cores complementares ou opostas na "roda das cores" Usar a mesma cor e variar a saturação Usar cores encontradas na natureza Usar cores de maior comprimento de onda (vermelho, amarelo, laranja) Não usar bordas de limite ou separação Usar bordas de limite ou separação Produção de Efeitos
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Aproveitamento efetivo da luz
Luz, visão e comportamento Comportamento fotométrico do conjunto lâmpada + luminária (iluminâncias e luminâncias) Geometria do ambiente interno e propriedades óticas dos materiais Extrato físico fenômeno físico da luz Níveis de Iluminância no interior Aparência visual (percepção) Nível de adaptação visual Usuário Extrato fisiológico Contraste de brilho Atitude COMPORTAMENTO Visão Extrato psicosocial Aproveitamento efetivo da luz
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Acomodação Adaptação Visão formato do cristalino;
Área parafoveal (bastonetes) pálpebra abertura córnea íris pupila Área foveal (cones) lente filme diafragma Área parafoveal (bastonetes) Acomodação formato do cristalino; abertura da pupila controlada pela retina. foco distância lente – filme; abertura da lente controlada fotômetro. Adaptação
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Campo visual sobrancelhas visão foveal nariz e bochechas
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Visão CÂMERA Vê e registra a cena OLHO
Vê e o cérebro percebe e interpreta a cena: Memória Experiência Capacidade intelectual Tendência à complementação
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Visão
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Visão
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Visão Contraste simultâneo
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Visão
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Visão
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Visão
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Visão
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Adaptação Adaptação ao “brilho”
É a característica dominante da visão humana “processo pelo qual os olhos se ajustam às condições de iluminação variáveis” Resposta neural rápida; Resposta média através da pupila; Resposta lenta pela produção/remoção de substâncias fotoquímicas na retina Faixa de adaptação; Velocidade de adaptação.
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Contraste Luz Tempo Tamanho Desempenho da Tarefa Visual
Os “4” suficientes Tempo Tamanho
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ILUMINÂNCIA NBR 5413 2000 lux
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LEVANTAMENTO DAS ILUMINÂNCIAS
Malha de pontos
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ANÁLISE DAS ILUMINÂNCIAS
Zoneamento de Iluminâncias
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CONTRASTE Diferença entre a luminância (brilho) de um
objeto e a luminância do entorno imediato deste objeto.
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TAMANHO Acuidade visual d D
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OFUSCAMENTO Quando o processo de adaptação não transcorre normalmente devido a uma variação muito grande da iluminação, pode haver uma perturbação, desconforto ou perda de visibilidade.
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OFUSCAMENTO Tipo INABILITADOR, ou seja,impede a visão!!
Pode ocorrer por... contraste saturação
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
Luminância de “Véu” Eo - iluminância da fonte de ofuscamento no plano da pupila; q - ângulo entre a direção da visão e a fonte;
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OFUSCAMENTO Tipo PERTURBADOR ou DESCONFORTÁVEL, ou seja, não impede a visão mas coloca o sistema visual em esforço contínuo de ajuste (stress) Pode ser caracterizado em função de 4 parâmetros... 1) Luminância da fonte; 2) Luminância do fundo; 3) Tamanho aparente fonte/fundo; 4) Direção de visão do observador;
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
A maioria dos índices de baseia-se na Constante G Ls - luminância da fonte; Lb - luminância do fundo; s - tamanho aparente da fonte; f() - função de posição (P) que representa a influência da direção de visão do observador; e, f, g - coeficientes
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CONTROLE DE OFUSCAMENTO
Método Europeu (Söllner) para controle de ofuscamento direto provocado pelo sistema de iluminação artificial
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
Os índices mais usados foram obtidos para fontes artificiais (pequenas dimensões): BRS ou BGI (1950); Cornell equation GI/DGI (1972); CIE Glare Index (1979); VCP: Visual Comfort Probability (IES,1972);
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
- UGR: Unified Glare Rating (ISO/CIE1992)
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
GI = 11,5 (< 21) GI = 27,5 (> 21)
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Ângulo do nadir (graus)
ÍNDICES DE OFUSCAMENTO Parece haver consenso nos estudos já realizados de que não deve haver desconforto por ofuscamento caso: - VCP seja maior que 70; - luminâncias máximas não excedam os valores: Ângulo do nadir (graus) Luminância (cd/m2) 45 55 65 75 85 7710 5500 3860 2570 1695
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ÍNDICES DE OFUSCAMENTO
70
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PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE OFUSCAMENTO
A proposta mais recente (Energy & Buildings, 38 (2006), ): DGP – Daylighting Glare Probability
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DGP PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE OFUSCAMENTO
Persianas horizontaisbrancas DGP Persianas verticais Persianas horizontaisespelhadas
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ADAPTAÇÃO DA VISÃO
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ADAPTAÇÃO DA VISÃO
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ADAPTAÇÃO DA VISÃO
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Aproveitamento efetivo da luz
Luz, visão e comportamento Comportamento fotométrico do conjunto lâmpada + luminária (iluminâncias e luminâncias) Geometria do ambiente interno e propriedades óticas dos materiais Extrato físico fenômeno físico da luz Níveis de Iluminância no interior Aparência visual (percepção) Nível de adaptação visual Usuário Extrato fisiológico Contraste de brilho Atitude COMPORTAMENTO Visão Extrato psicosocial Aproveitamento efetivo da luz
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Instalações auxiliares Escolha do equipamento
Projeto de Iluminação Desempenho Custo ? Lâmpadas Luminárias Instalações auxiliares Escolha do equipamento
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Classificação das lâmpadas
LED
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Lâmpadas Incandescentes
A iluminação incandescente resulta do aquecimento de um filamento até um valor capaz de produzir irradiação na porção visível do espectro. O aquecimento se dá pela passagem da corrente elétrica pelo filamento que está dentro de um bulbo onde existe vácuo ou um meio gasoso apropriado (argônio e nitrogênio e em alguns casos criptônio). Este filamento deve possuir um elevado ponto de fusão, baixa pressão de vapor, alta resistência e ductibilidade (Tungstênio). Incandescentes comuns Incandescentes refletoras
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Incandescentes Halógenas
Desvantagens Vantagens
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Lâmpadas de descarga gasosa
“Estas lâmpadas não possuem filamento, a luz é produzida pela excitação de um gás (pela passagem da corrente elétrica) contido entre dois eletrodos. Esta excitação do gás contido no tubo de descarga produz radiação ultravioleta que, ao atingir a superfície interna do tubo, revestida por substâncias fluorescentes (geralmente cristais de fósforo), é transformada em luz (radiação visível).” Dispositivos Auxiliares Efeito estroboscópico Controlado pelos reatores eletrônicos
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Lâmpadas fluorescentes
Vantagens Desvantagens
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Lâmpadas a Vapor Mercúrio
Desvantagens Vantagens
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Lâmpadas a Vapor de Sódio
Desvantagens Vantagens
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Lâmpadas a Vapor Metálico
Características
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Lâmpadas a Microondas Eficiência luminosa atinge 110 lm/W Durabilidade de h Espectro semelhante ao da luz do Sol
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Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode
São semicondutores em estado sólido que convertem energia elétrica diretamente em luz. O primeiro LED que se tem notícia foi produzido em 1907 e observado como um fenômeno de eletroluminescência, quando um cristal de SIC (carborundum) emitiu uma luz amarelada ao ser aplicada uma pequena corrente elétrica. Na década de 60 – 70 diversas empresas foram pioneiras em usar LED’s vermelhos, baseados na tecnologia GaArP (Gálio, Arsênio e Fósforo). Só em 1993, a empresa NICHIA, inventou o LED azul, que abriu caminho para o LED branco, o grande marco na indústria da iluminação.
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Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode LED indicador tradicional LED de potência
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Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode
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Lâmpadas tipo LED Ótica Secundária Light Emiting Diode Refletores
Lentes + eficientes menores dimensões
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Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode
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CUSTO Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode Vantagens Desvantagens
Vida útil ~ h Eficiência luminosa só maior que incandescentes Ausência de radiação UV (250 – 380 nm) e IV (> 780 nm) Acionamento instantâneo Cores saturadas, não há necessidade de filtros de cor Baixa tensão de operação Alto índice de reprodução de cor (ICR = 85% a 90%, para LED Branco com TC = 3000K, com fluxo mais baixo) componentes robustos Vantagens CUSTO Desvantagens
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Gráfico comparativo de Eficácia Luminosa
LED
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Tabela comparativa L E D
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Temperatura de Cor RGB Fósforo 7000 3000 70 90 LED
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Temperatura de Cor Iluminância X Aparência de Cor
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Luminárias Luminária é toda aquela aparelhagem que serve para modificar (controlar, distribuir e filtrar) o fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas: desviá-lo para certas direções (defletores) ou reduzir a quantidade de luz em certas direções para diminuir o ofuscamento (difusores). Requisitos básicos: Rendimento
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Classificação das Luminárias
Classificação de luminárias para iluminação geral de acordo com o direcionamento do fluxo luminoso proposta pela CIE
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Encarte Fotométrico
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Planejamento da Iluminação
Um bom sistema de iluminação Iluminação natural complementada com luz artificial; Uso adequado de cores e criação dos contrastes; Proporcionar um ambiente confortável com pouca fadiga, monotonia e sem acidentes. Iluminação geral Distribuição regular das luminárias garantindo um nível de iluminamento uniforme sobre o plano de trabalho. Plano de trabalho
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Planejamento da Iluminação
Iluminação localizada Concentra maior nível de iluminação sobre a tarefa. A iluminação geral é em torno de 50% da iluminação sobre a tarefa. Iluminação combinada (geral + tarefa) A iluminação geral é complementada com focos de luz localizada. A luz complementar é de 3 a 10 vezes superior a iluminação geral. Este tipo de iluminação é recomendada: E > 1000 lux; A tarefa exige luz dirigida; Existência de obstáculos dificultando a propagação da iluminação geral
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Iluminação Natural Iluminação Zenital (Iluminação de grandes áreas) Iluminação Lateral
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Métodos de cálculo luminotécnico
Método ponto-a-ponto
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K ou Métodos de cálculo luminotécnico
Método da Iluminância Média ou dos Lúmens Roteiro ( N ) ( e < 1,5 Hm ) Catálogo K ou OU
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Tabela de Coeficiente de Utilização - TBS 050/M2 - 2 x T8 32W
Métodos de cálculo luminotécnico Método da Iluminância Média ou dos Lúmens Tabela de Coeficiente de Utilização - TBS 050/M2 - 2 x T8 32W Ex: IA ou K = 1,71 e refletâncias de teto = 70%, parede = 50% e piso = 20%
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Métodos de cálculo luminotécnico
Determinação de Perda Luminosa (PL) Com o tempo, paredes e tetos ficarão sujos. Os equipamentos de iluminação acumularão poeira. As lâmpadas fornecerão menor quantidade de luz. Alguns desses fatores poderão ser eliminados por meio de manutenção. Admitindo-se uma boa manutenção periódica, podemos adotar os fatores de depreciação ou perda luminosa de acordo com a tabela a seguir:
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