LEDs. Candela, Lumen, Lux...

O "hello world" da eletrônica digital é acender um LED. A receita é simples; pino em OUTPUT, HIGH, um led e um resistor (quase sempre) de 330ohms. Mas nesse post temos muito a falar de LEDs. Se você é como eu que simplesmente liga os LEDs, então prepare-se para um novo mundo.

No dia 27.06.2014 fui retirar um pouco de LEDs de 3mm que comprei para o projeto do cofrinho eletrônico, e chegando na loja conheci o dono (Eduardo) que me atendeu muito bem e batendo um papo ele falou bastante sobre sua especialidade, que é iluminação com LEDs micro-controlado ou utilizando DMX.

A imensa quantidade de informações a respeito de LEDs me deixou perplexo, então resolvi fazer um post sobre algumas informações importantes a respeito, com uma dica legal. Como saber a relação de luminosidade entre uma iluminação por lâmpada comum e lâmpada de LED? Para encontrar a resposta, é necessário fazer a conversão de unidade de medida, baseando-se nas informações contidas no datasheet do respectivo LED.

Outra informação importante é saber qual o fator de luminosidade de um LED. Quando eu queria um LED brilhante, simplesmente comprava um LED de alto-brilho e metia-lhe um resistor de 330ohms, simples assim. Mas isso está errado e veremos agora o porquê.

O LED tem sua luminosidade medida em micro candelas (mcd), pois não seria ideal medi-lo em lumen, uma vez que seu fator de luminosidade é baixo.

Outro conceito importante é saber a diferença entre Lux e Lumen.

Lumen

Lumen é o mensuramento da capacidade de um ponto emissor de luz em todas as direções.

Lux

Lux é a incidência de luz em um ponto. Isso significa que saber o Lumen pode indicar a eficiência do emissor em relação ao seu consumo, enquanto Lux é influenciado por diversos fatores como cores das paredes (devido à absorção de luz), reflexão dos materiais do ambiente e distância do ponto emissor até o ponto de incidência.

Por definição, 1 lumen tem a capacidade de iluminar a equivalencia de 1 lux em 1 metro quadrado.
A área dessa superfície esférica com raio de 1M é igual a A=4πr², ou 12,6m².

Uma outra variante é o ângulo de abrangência da luz; quanto mais aberto o ângulo, mais distribuída estará a luz, portanto mais fraca em um ponto direto a 1M.

Não estou certo, mas creio que a base para essa unidade de medida seja a vela, porque 12,6m² é igual a luz de 1 vela .

A luz amarela é utilizada em áreas de descanso, enquanto a luz branca é mais adequada a áreas de trabalho. Em lojas normalmente se utiliza a luz amarela para criar um ambiente receptivo.

Eficiência luminosa

A eficiência luminosa de uma lâmpada é medida em lúmen por Watt (lm/W). Duas lâmpadas (ou LEDs) que emitem a mesma luz se diferenciam pelo consumo em watts. Conforme conversei com o Eduardo, ele citou inclusive alguns fabricantes de LEDs com maior eficiência e acredite, a melhor coisa a fazer é saber a marca do LED que se está comprando para poder olhar seu datasheet prévia ou posteriormente.

Luminância

Definição de intensidade luminosa (a candela), sendo representada por L na fórmula L=cd/m.

A distribuição uniforme é essencial para uma boa iluminação. Sombras com fortes delimitações indicam uma má distribuição de luz ou má abrangência de sua distribuição.

Temperatura de cor

Essa eu não fazia idéia, mas trata-se realmente da cor gerada pela temperatura num corpo negro, também chamado de radiador. O corpo em aquecimento inicia sua mudança de cor num vermelho escuro, vermelho, laranja, amarelo, branco até branco azulado. É como aquecer uma barra de ferro numa fogueira, e pode-se ver do vermelho escuro ao vermelho, mas se procurar por imagens de ferro gusa será possível ver mais tonalidades.

Existe uma padronização para isso, criada na década de 30 (será que deveria utilizar 'século passado'?), utilizando temperatura de cor correlata. Acendendo uma lâmpada incandecente ao lado de um corpo aquecido, pode-se ver que sua cor casa à temperatura de 2700 kelvin.

Lâmpadas amarelas podem chegar a 3000k, até 4000k para neutra e em torno de 5000k para super-branca.

Lux para candela

A intensidade luminosa Iv em candela (cd) é igual a iluminancia Ev em lux (lx),
multiplicado pela distância quadrada do fonte de luz d2 em metros quadrados (m2):

Iv(cd) = Ev(lx) * (d(m))2
Portanto:
candela = lux * metros quadrados
Ou:
cd = lx * m2

Candela para Lux

A iluminância Ev em lux (lx) é igual a intensidade luminosa Iv em candela (cd),
dividida pela distância quadrada da fonte de luz d2 em metros quadrados (m2):

Ev(lx) = Iv(cd) / (d(m))2
Portanto:
lux = candela / metros quadrados
Ou:
lx = cd / m2

Essas são as fórmulas simples. Se quiser saber Lumens para candela e vice-versa, aí entram os alienígenas do passado. Em marte tem um site com todas as calculadoras para não precisar fazer conta nenhuma, fique a vontade.

Só um exemplo com LED, veja que diferença interessante. Um LED chapéu "X" (3.2v) tem um ângulo sólido de 180 graus com 16000 mcd. Seu fluxo luminoso é de 100.53 lumens.

Esse led de alto brilho da Cree é branco frio (9000 kelvin) com 46100 mcd e um ângulo sólido de 15 graus. Seu fluxo luminosos é de 2,478.

Esse LED de alto brilho da OptoSupply tem 15000 mcd e um ângulo sólido de 40 graus, resultando num fluxo luminoso de 5,684.

Então aparentemente o melhor LED é o chapéu, mas não devemos esquecer que lumens é a capacidade de luz do ponto emissor, o que dá um resultado muito alto devido ao ângulo de 180 graus. Mas isso não significa que ele tem mais lux do que um led de alto brilho 5mm.

Como calcular o resistor ideal para cada LED

Simplesmente utiliza-se a lei de Ohms. Para esse assunto, recomendo esse outro post, onde trato exclusivamente desse assunto, e assim vamos continuando nossa brincadeira com LEDs!

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Próximo post a caminho!