No campo das instalações de iluminação, não são apenas os parâmetros elétricos e a eficiência energética que são determinantes. Os fabricantes dão cada vez mais ênfase às vantagens mais complexas e subtis dos seus produtos. Importa prestar atenção ao propósito dos esforços envidados pelos fornecedores e à forma como as novas tecnologias podem contribuir para melhorar o nosso conforto.
A evolução dos LEDs não terminou quando estes passaram a dominar o mercado da iluminação. E embora as estruturas de semicondutores sejam agora utilizadas em quase todas as aplicações típicas de iluminação, os fabricantes estão constantemente a tentar melhorar os seus produtos. Além disso, os engenheiros, depois de terem feito enormes progressos em termos de desempenho, estão agora a concentrar-se também noutros aspetos dos produtos, tais como: conforto do utilizador, reprodução da luz do dia, cor ajustável e outros parâmetros dos componentes. Um fornecedor que se destaca pela sua atividade no domínio da inovação é a marca Bridgelux, cuja oferta ilustra perfeitamente as tendências que se verificam atualmente nos mercados mundiais. De seguida, vamos abordar o tema da iluminação LED em termos das suas funções e aplicações e como os mais recentes produtos dos principais fornecedores visam responder às necessidades ditadas pelas aplicações mais exigentes.
Neste artigo, abordamos tópicos como:
- Que luz é que percecionamos como "natural"?
- O que é o índice de restituição de cores?
- Compreender a "temperatura da cor" da luz
- Vantagens e limitações das fontes de luz LED
- Porque é que a qualidade dos LEDs não se avalia apenas pelos seus parâmetros?
- Tecnologia Thrive™ e iluminação eficiente e natural
- Iluminação amiga da visão, ou seja, Human Centric Lighting
- Iluminação LED semelhante a uma lâmpada clássica
- Fontes de luz economizadoras de energia para espaços comerciais
A luz artificial na teoria e na prática
Em primeiro lugar, vamos falar sobre como os humanos percecionam as cores, bem como sobre várias questões no campo da ótica e da iluminação. Aqui tentaremos descrever este assunto da forma mais abrangente possível, mas de um ponto de vista prático.
Perceção humana da cor
O primeiro ponto será óbvio para muitos dos leitores: a cor não é mais do que o comprimento de onda da radiação eletromagnética. Se a frequência da radiação se enquadra no espetro registado pelo olho humano, é comummente designada por luz (no sentido científico: luz visível). Trata-se de frequências na gama de aproximadamente 400...790 THz, ou seja, ondas com comprimentos de 380 nm (vermelho) a 750 nm (violeta). O que os humanos percecionam como luz "branca" é uma mistura de diferentes comprimentos de onda, mas os nossos sentidos adaptaram-se para percecionar a luz solar como branco "natural ". Por conseguinte, quando falamos de "luz natural", consideramos a luz do dia como ponto de referência (embora de facto a radiação solar que chega à Terra não seja perfeitamente homogénea).
Teoria, tecnologia, prática
Por razões de ordem biológica, a luz do dia é a mais confortável para o ser humano. Também proporciona condições ótimas de visualização. Por outras palavras: um objeto iluminado artificialmente só nos deve aparecer "como realmente é" se forem utilizadas lâmpadas que imitem a radiação solar para a iluminação. Este fenómeno tem a ver com duas questões tecnológicas.
Em primeiro lugar, a questão da iluminação interior ideal, especialmente nos locais de trabalho e de estudo onde as pessoas passam a maior parte do seu tempo. Na maioria dos países, os regulamentos locais regulam as propriedades da iluminação utilizada nos escritórios, corredores, etc. - O objetivo desta legislação é proteger os funcionários, visitantes e clientes de estadias prolongadas em condições que podem afetar negativamente a sua saúde (física e mental).
Entre os domínios em que o objetivo é reproduzir as cores "naturais" o mais fielmente possível, de modo a que possam ser observadas objetivamente, encontram-se numerosas indústrias, como por exemplo: impressão, têxteis, química (corantes), bem como medicina (diagnóstico, cirurgia) e outros sectores. Os parâmetros de iluminação também desempenham um papel importante na fotografia, no cinema e na televisão. É claro que neste domínio é possível manipular a cor da luz de forma intencional (a luz azul clara imita a noite, a luz laranja imita o fogo, etc.), mas hoje em dia todos os efeitos são mais frequentemente obtidos na pós-produção, na fase de correção da cor, através do processamento do material captado de forma neutra. A situação é semelhante nas vendas e no marketing: se o fornecedor pretende fotografar o produto para que o cliente possa ver fielmente a mercadoria apresentada no catálogo ou no ecrã, deve utilizar lâmpadas que emitam luz "natural". O mesmo se aplica à iluminação das montras/lojas.
Índice CRI
Neste momento, deve ser óbvio que a questão da "naturalidade" da luz não é apenas importante, mas também muito complexa e subjetiva: o cérebro humano tende involuntariamente a corrigir as observações em função das condições de iluminação e os olhos são suscetíveis a ilusões de ótica. Para verificar se a radiação produzida por uma lâmpada ou outro dispositivo de iluminação é realmente semelhante, em termos de componentes e de intensidade, à luz do dia, é necessário efetuar medições precisas num amplo espetro de frequências. Para simplificar este fenómeno e reduzi-lo a um número, é habitualmente utilizado um indicador abreviado enquanto CRI.
O termo CRI deriva de uma expressão inglesa Colour Rendering Index, ou seja, índice de restituição de cores. O CRI assume valores de 0 a 100, em que o limite superior significa uma imitação perfeita da radiação solar média (no seu espetro visível). Na prática, isto significa que para o olho humano ou para a matriz da câmara, os objetos iluminados por essa fonte terão a mesma apresentação que teriam ao ar livre num dia de sol. Considera-se que o valor ótimo é CRI≥80 (iluminação em casa ou em espaços públicos), enquanto um índice de restituição de cor superior a 90 só é exigido em condições profissionais (as especializações acima mencionadas, como medicina, galerias de exposição, etc.).
Sistema TM-30
Importa referir que não existe uma definição científica da "naturalidade" da luz, o que significa que existem muitas soluções concorrentes para regular este problema. O índice CRI é uma dessas soluções, relativamente bem estabelecida (desde os anos 60) e que funciona como uma norma a nível mundial. No entanto, as medições do CRI são efetuadas em apenas 8 amostras de cor (R1 a R8 na ilustração abaixo). Uma consequência desta ideia é o sistema TM30, mais amplo e mais restritivo, recomendado pela organização Illuminating Engineering Society, adotado com o mesmo número de referência pelo American Standards Institute (ANSI). A metodologia TM-30 define 99 tonalidades, derivadas de 15 cores (marcadas com os símbolos R1 a R15). São efetuadas medições para cada tonalidade, examinando o índice de restituição de cor, mas também o grau de saturação da cor sob a iluminação da fonte testada, o que torna os resultados do teste mais precisos e pode ser relacionado com os parâmetros de uma aplicação específica.
Cores utilizadas nos testes IES: 15 primárias e 99 secundárias (componentes).
Como é que o CRI se relaciona com a temperatura da luz?
A medida a que chamamos temperatura de cor da luz não tem relação direta com o coeficiente CRI, uma vez que este se refere à perceção humana da cor da luz artificial e não à precisão com que a luz reproduz as cores dos objetos a partir dos quais é refletida (com uma relação indireta entre estas escalas mencionada um pouco mais abaixo). Uma lâmpada LED pode ser concebida para parecer (literalmente) uma fonte neutra, enquanto a radiação que emite é uma mistura de algumas frequências desequilibradas. Com esta luz, certas cores parecerão mais ou menos intensas "do que realmente são". Este fenómeno pode, por vezes, ocorrer nas circunstâncias menos esperadas, por exemplo, quando políticos e celebridades se queixam de que a sua pele parece pouco atraente ou pouco saudável à luz das lâmpadas economizadoras de energia. Por outro lado: as instalações dos museus utilizam por vezes uma luz mais "quente" do que neutra, mas com um CRI muito elevado (por exemplo, 95), o que dá a ilusão de interagir com as peças expostas numa manhã ou num fim de tarde relaxantes, permitindo ao mesmo tempo observar as nuances das suas cores.
A temperatura de cor, abreviada como CCT (do inglês: Correlated Color Temperature), é uma escala que compara a perceção humana da cor da luz com a radiação emitida pela superfície de um corpo perfeitamente preto aquecido a uma determinada temperatura. Esta escala é melhor exemplificada pela analogia de um metal aquecido ou do filamento de uma lâmpada clássica que, à medida que a temperatura aumenta, se torna vermelha e depois laranja (aprox. 1500 K - chama de vela), depois amarela (aprox. 3000K - sol nascente) e depois branca (4000...5000K é o branco neutro). Mais adiante na escala, a luz é classificada (não intuitivamente) como fria, ou seja, azulada (de 6000 K) a cor do céu (10000 K). Estes valores intermédios são compostos, fornecidos pelos fabricantes nas embalagens e revestimentos de lâmpadas, lâmpadas fluorescentes, fitas LED e outros produtos de iluminação. O CCT é um valor importante aquando da realização de testes que determinam o índice de restituição de cores, que se baseiam em medições inclusivas (ou seja, em relação à luz solar). Por exemplo: ao medir o CRI de uma fita LED que emite luz quente, o ponto de referência é a hora apropriada do dia ou uma fonte incandescente com um CCT comparável.
A iluminação de CRI elevado, apesar do seu tom quente, não suprime a intensidade dos azuis.
Os LEDs como fonte de luz branca
A utilização de semicondutores e, em particular, de LED como fontes de luz apresenta uma série de vantagens, mas não está isenta de desvantagens. As vantagens desta tecnologia são bem evidentes: excelente eficiência energética (a maior parte da energia é convertida em radiação eletromagnética em vez de calor, como acontece com as fontes equipadas com um filamento), tamanho reduzido dos componentes, gama ampla e diversificada de soluções, amplas opções de regulação, etc. Por outro lado, a tecnologia LED tem, infelizmente, algumas limitações. Estas referem-se principalmente a parâmetros de alimentação relativamente limitados, que exigem a utilização de fontes de alimentação adequadas (tensão constante ou corrente constante), o que, por sua vez, está associado a uma escalabilidade difícil. Felizmente, estes problemas não se põem aos consumidores, que normalmente compram lâmpadas LED normais instaladas de fábrica em casquilhos de parafuso tradicionais e equipadas com conversores sem transformador baseados em condensadores. Contudo, os instaladores, projetistas e fabricantes sentem limitações tecnológicas. Especialmente quando se trata de considerar nuances como o CRI, a dissipação de calor e a seleção de cabos relacionados com as quedas de tensão CC em linhas elétricas mais longas.
Breve resumo da teoria
A fachada "animada" do edifício de escritórios da TME em Lódz está revestida por milhares de LEDs RGB.
A luz emitida pelas estruturas LED é libertada numa junção formada por dois semicondutores diferentes quando, sob a influência da corrente, os eletrões são transferidos de um estado de energia superior para um estado de energia inferior. O excesso de energia é convertido em radiação eletromagnética. Esta radiação ocorre sempre para todos os tipos de díodos, mas no caso dos LED (ou seja Light Emitting Diode, díodo emissor de luz) os materiais a partir dos quais o conetor é fabricado são selecionados de modo a que a energia libertada provoque radiação a uma frequência no espetro visível ou, em termos mais coloquiais, faça o conetor brilhar. É aqui que se tornam patentes as duas características mais importantes de uma fonte de luz semicondutora: (1) necessita de uma fonte de alimentação de corrente contínua; (2) a radiação emitida pela estrutura do LED está sempre dentro de uma gama estreita de comprimentos de onda, ou seja, para o olho humano, o díodo produz apenas uma cor. Esta cor pode ser selecionada na fase de produção, alterando ou saturando os semicondutores a partir dos quais o conetor é fabricado, mas o princípio de funcionamento do componente em si não permite a emissão de várias cores com uma única estrutura.
A ilusão e a alquimia dos LED brancos
Para poder utilizar LEDs para emitir luz branca (ou seja, mistura de cores de facto), é necessário um passo suplementar. Existem duas soluções comuns para este fenómeno. A primeira é um método que tem sido utilizado na televisão há várias décadas: a utilização de três cores, verde, vermelho e azul (de onde a abreviatura RGB red, green, blue) – As imagens de luz branca emitidas a muito curta distância, difundidas ou observadas a uma distância considerável, são "fundidas", dando a ilusão de branco. A segunda tecnologia baseia-se no revestimento do conetor com uma substância luminescente à base de fósforo que, quando excitada por radiação (normalmente azul), emite luz num vasto espetro de cores. A utilização de materiais com uma composição química ótima permite a produção em massa de componentes compactos, que são a base, entre outros, de lâmpadas ou fitas de LED. Naturalmente, a solução é a qualidade (ou seja, a composição e a pureza) do material utilizado e a sua aplicação exata, o que está relacionado com a durabilidade de todo o elemento. Tudo isto requer que os fabricantes invistam em processos abrangentes de controlo de qualidade e testes laboratoriais. Consequentemente, a utilização de LEDs, que são produtos substitutos económicos dos produtos de marca, revela-se frequentemente uma falsa possibilidade de poupança. E é aqui que as questões teóricas se esgotam: é altura de conhecer as tecnologias que são utilizadas para melhorar a iluminação LED, tornando-a uma fonte de luz que se adapta perfeitamente às nossas necessidades e à nossa biologia.
Soluções utilizadas pelos fabricantes
As questões relativas à restituição de cores, à iluminação e ao seu impacto no ser humano são objeto de muitos debates e investigações, nos quais não podem faltar a voz e a contribuição dos fabricantes de iluminação. Para uma maior satisfação dos consumidores, os fornecedores deste sector competem entre si para oferecer soluções mais baratas e mais eficientes, apresentando tecnologias inovadoras destinadas a melhorar as fontes de luz economizadoras de energia. Na linha da frente estão os fornecedores de componentes optoelectrónicos, pois é com a ajuda dos seus produtos que são construídas candeeiros, lâmpadas, lâmpadas fluorescentes, fitas e outros artigos que chegam às prateleiras das lojas. Como já referimos, vejamos a oferta e as tecnologias oferecidas por um dos maiores fornecedores mundiais de díodos LED, a Bridgelux.
Tecnologia Thrive™
A Bridgelux Thrive™ consiste numa série de produtos que inclui LEDs SMD e elementos LED COB (Chip-On-Board, um método de miniaturização que envolve a união de estruturas semicondutoras diretamente a uma placa de circuito impresso). No primeiro caso, a caixa alberga uma única estrutura de LED; no segundo, as estruturas são densamente distribuídas numa base comum de cerâmica ou metal e depois cobertas com uma camada de fósforo. Os produtos foram desenvolvidos utilizando o método ASD (Average Spectral Difference), o método Bridgelux original, que consiste em medir o desvio espetral médio em relação à luz do dia. Foi utilizado fósforo azul no fabrico dos LED (ao contrário da concorrência que utiliza fósforo violeta), o que aumenta a intensidade dos tons de ciano na luz emitida, aproximando a iluminação do espetro solar e aumentando simultaneamente a vida útil dos componentes. Estes procedimentos permitiram ao fabricante obter um excelente índice de restituição de cores (95 ou 98 de acordo com o CRI, superior a 90 para TM-90), o que se traduz num elevado conforto de utilização e na utilização de componentes para aplicações profissionais, como a iluminação de estúdio. Os produtos da série Thrive™ estão disponíveis sob a forma de díodos e díodos de potência (de 0,2 W a 12,4 W) com uma eficiência de até 144 lm/W. Estão incluídos em caixas e módulos padrão 2835 com uma base de até 13,5x13,5 mm (a 1,7 mm de altura). Os produtos caracterizam-se por um amplo ângulo de visão, normalmente de 120°. Estão disponíveis em versões com várias temperaturas de cor, de 2700K a 6500K, embora este parâmetro possa ser ajustado em modelos selecionados.
A sombra da iluminação pública pode ter um impacto significativo na capacidade de concentração dos condutores.
Tunable-White, ou seja, com as pessoas em mente
Uma única fonte de energia LED proporciona uma luminosidade de até 3980 lm.
O ajuste da temperatura da luz acima referido está relacionado com um tema cada vez mais debatido, Human Centric Lighting (HCL), que se tornou popular principalmente nos meios da arquitetura. Trata-se da adaptação da iluminação artificial de interiores às necessidades humanas. Isto é feito, entre outros, reproduzindo o ciclo diário natural através da iluminação, ou seja, alterando a temperatura da cor de acordo com a hora do dia (mais quente de manhã e à noite). Pode utilizar técnicas relacionadas para estimular a concentração e, inversamente, o relaxamento. Isto proporciona condições ótimas em casa, na escola, em quartos de hospital ou no escritório. O controlo da temperatura da cor (propriedade Tunable-White) está disponível nos produtos da série Bridgelux Vesta®. A configuração é efetuada em várias faixas: de 1800...3000K a 2700...6500K. São componentes com potências que variam entre 8,7W e 31,8W (brilho até 3980lm). Independentemente do modelo selecionado e do valor CCT escolhido, a luz emitida pelos componentes atinge um CRI de pelo menos 90, o que é adequado mesmo para aplicações profissionais.
Díodos LED tipo Dim-to-Warm
Uma das desvantagens das fontes de luz LED é o seu comportamento invulgar de regulação da intensidade da luz através da limitação da corrente (e esta técnica é mais frequentemente utilizada em fontes de alimentação dedicadas). À medida que a intensidade diminui, a cor da luz "arrefece ". Para os utilizadores, este facto não é intuitivo e, muitas vezes, é contraintuitivo: Ao diminuir a intensidade da lâmpada, espera-se obter uma iluminação mais quente, como acontece com as lâmpadas clássicas incandescentes ou de halogéneo. Como parte da série Vesta®, a Bridgelux oferece LEDs que reproduzem o comportamento das fontes de luz tradicionais, estes são os produtos Dim-to-Warm. Quando funcionam na potência máxima (e podem atingir até 109,3W), produzem luz com uma temperatura até 3000K, e à medida que a intensidade diminui, desce para 1800K.
Tecnologia F90™
Ao se analisar os parâmetros das soluções optoelectrónicas disponíveis no mercado, verifica-se que coeficientes CRI mais elevados estão mais frequentemente associados a uma eficiência reduzida dos componentes. Este facto deve-se às propriedades dos materiais que revestem as estruturas dos LED, que são utilizados para converter a radiação uniforme emitida pela estrutura semicondutora num amplo espetro de luz. Tradicionalmente, é utilizado o nitreto de fósforo vermelho. Os produtos da série F90™ da Bridgelux utilizam uma substância diferente, o fósforo vermelho de banda estreita PFS (fluorossilicato de potássio). Graças a esta solução, os componentes deste fornecedor apresentam um índice de restituição de cor mais elevado (CRI de 90) a uma potência que permite um valor de aproximadamente 80 em produtos concorrentes. Esta eficácia traduz-se numa eficiência que atinge até 204lm/W. A utilização de PFS resulta também numa maior intensidade de luz emitida na banda vermelha, caraterística desejável quando se efetua iluminação de lojas e exposições. Por conseguinte, a Bridgelux recomenda os produtos F90™ principalmente como um componente para a produção de iluminação dedicada para lojas de roupa e centros comerciais, ou seja, entre outras lâmpadas lineares ou do tipo high bay, spotlights etc. Os produtos F90™ estão disponíveis no formato típico de componente 2835 e com uma potência de 0,2W.
Os componentes F90™ são fornecidos em estruturas padrão 2835.
Importa referir que no catálogo da TME poderá encontrar uma ampla gama de produtos complementares que lhe permitirão tirar o máximo partido das possibilidades da iluminação LED e dos produtos apresentados. Esta oferta inclui: fontes de alimentação, radiadores ou perfis de alumínio para fitas LED.
