CAPACITOR CHAVEADO E ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO

Este capítulo apresenta conceitos básicos dos principais aspectos tratados nessa dissertação: capacitor chaveado e iluminação em estado sólido. São apresentados os motivos para o uso de LEDs e suas características para os sistemas de iluminação de interiores, assim como as características dos conversores que utilizam a técnica de capacitor chaveado, vantagens, desvantagens e principais aplicações.

2.1 ILUMINAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO

Desde o uso do fogo, a iluminação artificial contribuiu para a prolongação das horas úteis do ser humano, sendo possível também aproveitar as horas sem a iluminação solar. Hoje, um mundo sem iluminação artificial é inviável, sendo o consumo em iluminação responsável por aproximadamente de 15 a 20% de toda a energia utilizada no mundo. De toda a parcela de energia utilizada em iluminação, estima-se que 25% seja destinada à iluminação das vias públicas (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2005). Por esse valor, percebe-se que o estudo e desenvolvimento de tecnologias cada vez melhores e mais eficientes são fundamentais para o melhor uso dessa energia, gerando menos perdas e aproveitando de maneira mais inteligente a energia.

Entre as fontes de iluminação mais conhecidas, os LEDs conquistaram rapidamente seu espaço no mercado. Na Figura 1, pode-se perceber como os LEDs diminuíram rápido seu preço em 10 anos e, ao mesmo tempo, aumentaram sua eficácia luminosa. Prevê-se que os LEDs vão substituir mais de 60% das outras fontes de iluminação na próxima década (COLE; DRISCOLL, 2014).

As principais características dos LEDs a serem destacadas são: alta eficácia luminosa, robustez, longa vida útil e bom Índice de Reprodução de Cores (IRC).

34

Figura 1 - Evolução dos LEDs de 2000 a 2011

Fonte: (ZISSIS; BERTOLDI, 2014)

Os LEDs já estão disponíveis comercialmente com diferentes encapsulamentos e diferentes potências e podem ser utilizados para iluminação pública e para iluminação de interiores. No caso de iluminação de interiores, onde são utilizados em potências menores, as lâmpadas empregando LEDs podem ser encontradas, usualmente, no formato de bulbo ou de tubo, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2 - Lâmpada de LEDs comerciais no formato de: (a) bulbo e (b) tubo

(a) (b)

35

As lâmpadas LED bulbo visam substituir as lâmpadas incandescentes e as fluorescentes em forma de bulbo enquanto as lâmpadas LED tubulares são utilizadas no lugar das lâmpadas tubulares fluorescentes. As lâmpadas LED entraram no mercado inicialmente como uma opção às fontes de iluminação convencionais, por isso possuem o mesmo modelo das já existentes.

No caso das lâmpadas bulbo, a substituição é imediata, ou seja, pode-se simplesmente remover a bulbo incandescente ou fluorescente e instalar a LED bulbo. No caso das lâmpadas tubulares, a lâmpada LED traz um diferencial: enquanto as fluorescentes precisam de um reator externo, usualmente escondido dentro da calha, as novas lâmpadas possuem o circuito de acionamento dentro do próprio tubo, dispensando a compra de outro componente eletrônico para o seu acionamento. Por isso as novas instalações, já visando o uso de LEDs, devem ser diferenciadas, com calhas mais finas, pois só precisam dar suporte à lâmpada, não sendo necessário esconder o reator.

2.1.1 Lâmpada LED tubular

Usualmente o circuito de acionamento da lâmpada LED tubular esta localizado dentro da lâmpada de 2 maneiras: horizontalmente, na parte superior da lâmpada, ou em uma das (ou nas duas) extremidades do invólucro da lâmpada. Uma foto de cada um dos casos pode ser vista na Figura 3.

Figura 3 – (a) circuito de acionamento na parte de cima (horizontalmente) e (b) circuito de acionamento em uma das estremidades do invólucro da lâmpada

(a) (b)

36

Uma exceção ao que é mostrado na Figura 3 são as lâmpadas T5 (com 16 mm de diâmetro), que são pequenas demais para comportar os LEDs mais o circuito de acionamento em seu interior. No caso dessas lâmpadas, o circuito de acionamento é vendido separadamente, da mesma forma que são vendidos os reatores para as lâmpadas tubulares fluorescentes.

Neste trabalho são utilizadas lâmpadas LED tubulares, em que o circuito de acionamento será fixado à lâmpada conforme mostrado na Figura 3 (a). Dessa maneira existe uma altura e uma largura máxima dos componentes a serem respeitadas para que o circuito de acionamento ainda possa ser disposto no interior da lâmpada.

As lâmpadas tubulares comumente conhecidas são as fluorescentes, que existem em diversos modelos, como: T5, T8, T10 e T12, onde a diferença entre elas é o diâmetro de cada uma, sendo necessário diferentes suportes. Entre as lâmpadas disponíveis comercialmente, ainda é possível diferenciá-las em relação ao seu comprimento, sendo possível encontrar lâmpadas de 60 cm, 120 cm e 240 cm. Devido ao seu extenso uso em aplicações residenciais, escolheu-se trabalhar com lâmpadas T8 de 120 cm.

2.2 TÉCNICA DE CAPACITOR CHAVEADO

A técnica de capacitor chaveado consiste em utilizar o capacitor do circuito como o responsável pela transferência de energia entre a entrada e a saída do circuito e não o indutor, conforme ocorre na maior parte das outras topologias.

Os estudos utilizando essa técnica são antigos, conforme mostrado em (FUDIM, 1984; KUMAR, 1984; NAKAYAMA, KENJI; KURAISHI, 1987).

Mesmo com muitos artigos e trabalhos na área de capacitor chaveado, muitos deles tratam de circuitos com potência muito baixa, na ordem de mW e µW, com o intuito de usar o circuito dentro de um circuito integrado (CI) (LUIS et al., 2017; MEYVAERT et al., 2014).

Entre as principais vantagens no uso de capacitor chaveado tem-se a possibilidade de não utilizar indutores ou transformadores no circuito (uma vez que o capacitor irá ter a função destes). Através da não utilização de indutores, possibilita- se a redução no peso e volume do circuito, uma vez que os componentes magnéticos

37

são os principais responsáveis pelo volume e peso dos circuitos eletrônicos. Ainda devido a este motivo, aumenta-se a densidade de potência do circuito. Por essa razão, os circuitos a capacitor chaveado são muitas vezes utilizados na fabricação de CIs. Outra vantagem do uso da técnica de capacitor chaveado é a diminuição de EMI (Interferência Eletromagnética, do inglês: Electromagnetic Interference).

Mesmo com as vantagens apresentadas, algumas de suas características não são desejadas em circuitos eletrônicos, como perdas inerentes da topologia (circuitos com capacitor chaveado usualmente possuem um rendimento menor quando comparados com os circuitos normalmente utilizados), grande número de interruptores nos circuitos (não é válido para todos, mas a maioria dos circuitos apresenta diversos interruptores) e, ainda, altos valores de picos de correntes na carga e descarga dos capacitores, uma vez que os elementos responsáveis pelo aumento lento da corrente são os indutores.

É válido reiterar que, mesmo que tenha sido ressaltado a possibilidade de não utilizar indutores, é possível encontrar circuitos a capacitor chaveado com indutores no circuito, mas esses possuem pequeno tamanho para o nível de potência do circuito. Outra característica desses circuitos, que não é interessante para o uso neste trabalho, é que o ganho do circuito não pode ser controlado através da razão cíclica, pois depende da topologia empregada (MEYVAERT et al., 2014). Conversores habitualmente utilizados para alimentar LEDs, como Buck, Boost, Buck-Boost e Flyback podem ser controlados através da variação da razão cíclica de seu interruptor, tornando o controle relativamente fácil. No caso de alguns conversores com capacitor chaveado, o ganho do circuito depende da topologia, ou seja, para modificar o ganho é necessário modificar o valor dos elementos ou a topologia, o que torna o controle mais complexo.

Poucos são os trabalhos na literatura que usam a técnica de capacitor chaveado para o acionamento de LEDs, mas entre eles pode-se encontrar (DOS SANTOS Fo _{et al., 2014; MARTINS, M. et al., 2015; MIRANDA et al., 2011).}