Circuitos para acionamento de LEDs.

Segundo Moreira (2009, p. 79), “Quando os LEDs são alimentados por fontes de tensão, a resistência (intrínseca) não é elevada o suficiente para limitar a corrente”. Além disso, o aumento da temperatura resulta na redução da queda de tensão do LED, o que pode

ocasionar o aumento da corrente quando o LED é alimentado por fonte de tensão MOREIRA (apud SÁ. JR., 2007). Logo, os LEDs devem ser alimentados através da circulação de uma corrente unidirecional. Portanto, há necessidade de um circuito que limite o valor desta corrente, bem como que adeque a energia da fonte para o seu correto acionamento.

Esta parte do trabalho tem por objetivo sintetizar as informações sobre circuitos aplicados ao acionamento dos LEDs. Com base em um trabalho de revisão bibliográfica (considerando somente alguns circuitos que foram projetados, construídos e tiveram resultados experimentais), na Tabela 1 é apresentada uma lista de publicações e seus respectivos autores. Como complementação, na Tabela 2 é resumido algumas características básicas dos conversores propostos, de modo a comparar as diferentes abordagens.

Tabela 1 – Autores que desenvolveram circuitos aplicados ao acionamento de LEDs.

Item Autor(es) Circuito Empregado Eficiência

Máxima

Correção Fator de Potência

01 (HUI et. al., 2010) Valley-Fill 93,6%

Modo Passivo 02 (LEE, KIM e RIM, 2011) Driver compatível com reator

eletromagnético 72,9% 03 (CHERN, 2011) Buck (CCM) S/C Modo Ativo 04 (JORGE, 2011) Buck-Boost (DCM) 90,0% 05 (SOARES, 2012) Cuk (DCM) 95,0% 06 (ALI, 2010) Sepic (CCM) 94,0% 07 (YE, 2009) Sepic (DCM) 85,0% 08 (CHERN, 2009), (LAMAR, 2009) (CHERN, 2010) Flyback (CCM) S/C 09 (YEON, 2009) Flyback (CRM) 85,95%

10 (CHERN, 2010) e (CHUANG, 2010) Flyback (DCM) S/C 11 (VIEIRA, 2009) Flyback Auto Oscilante (CRM) 80,0% 12 (CHENG, 2011) Boost-Buck + Flyback (DCM) 91,7%

13 (GU, 2009) Boost + Flyback (DCM) S/C

14 (GACIO, 2011) Buck + Flyback (DCM) 79,8%

15 (ALMEIDA, 2012a) Sepic Buck-Boost (DCM) 90,2% 16 (ALMEIDA et al., 2012b) Boost+Buck (DCM) 90,0% 17 (ALONSO 2012) Buck-Boost Quadrático 85,0% Notas quanto à Tabela 1:

1) CCM (Modo de Condução Contínuo), CRM (Modo de Condução Crítico) e DCM (Modo de Condução Descontínuo).

2) Quanto à análise de eficiência, a indicação “S/C” significa que os trabalhos citados não mencionam nada sobre este parâmetro.

39 Tabela 2 – Comparação entre circuitos aplicados ao acionamento de LEDs.

Uso de circuitos

passivos Uso de apenas um conversor cc./cc. _{Uso de dois ou mais conversores cc./cc.}

(Conversores Integrados) Características Valey- Fill Driver- Ballast Buck (CCM) Buck- Boost (DCM) Cuk (DCM) Sepic (CCM) Sepic (DCM) Flyback (CCM) Flyback (CRM) Flyback (DCM) Flyback Auto Oscilante (CRM) Boost- Buck + Flyback (DCM) Boost + Flyback (DCM) Buck + Flyback (DCM) Sepic Buck- Boost (DCM) Boost- Buck (DCM) Boost- Buck Quad. (DCM) Fator de potência

elevado (>0,92)? SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM

Distorção harmônica da corrente (>15%)?

NÃO NÃO SIM NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO SIM NÃO

Utiliza filtro de

corrente? SIM NÃO NÃO SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM SIM NÃO SIM

Eficiência elevada

(≥90%)? SIM NÃO S/C SIM SIM SIM NÃO S/C NÃO S/C NÃO SIM S/C NÃO SIM SIM NÃO

Carga isolada da fonte de alimentação?

NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO NÃO SIM SIM SIM SIM NÃO SIM SIM NÃO NÃO NÃO

Quantidade de Indutores? 1 5 1 1 2 2 4 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 Quantidade de indutores acoplados? 0 2 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 2 2 0 0 0 Quantidade de transistores de potência? - - 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 Quantidade de diodos de potência? 7 4 5 5 5 5 6 5 5 5 5 6 6 8 8 6 7 Quantidade capacitores eletrolíticos? 0 4 1 (S/Fig.) (560µµµµF) 1 0 1 (S/Fig.) (600µµµµF) 1 1 1 1 2 2 0 1 0 0 0 Quantidade capacitores não eletrolíticos? 3 - S/Fig. 0 2 1 (S/Fig.) (1µµµµF) 2 0 0 0 0 - 2 1 2 2 2

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Notas quanto à Tabela 2:

1) Nos cabeçalhos: CCM (Modo de Condução Contínuo), CRM (Modo de Condução Crítico) e DCM (Modo de Condução Descontínuo).

2) Quanto à análise de filtro de corrente (Em todos os casos, é considerado “SIM” quando na entrada do circuito há pelo menos um capacitor e um indutor cuja função seja de filtrar o conteúdo harmônico indesejado da corrente de entrada).

3) Quanto às análises de isolação, é considerada isolada a carga (luminária LED) da fonte de alimentação (rede elétrica) somente quando houver uma isolação galvânica. 4) Quanto à análise de elevado fator de potência, é considerado “SIM” quando o fator de potência do circuito é maior que 0,92.

5) Quanto à análise de distorção harmônica da corrente de entrada, é considerado “SIM” quando a distorção é maior que 15%. 6) Quanto às análises de indutores acoplados, é dito “SIM” quando os indutores são enrolados sobre um núcleo comum.

7) Quanto à análise de eficiência, a indicação “S/C” significa que os trabalhos citados não mencionam nada sobre este parâmetro.

8) Quanto à quantidade de indutores no circuito só é contado os indutores do circuito de potência. Neste caso o indutor do filtro EMI não é considerado.

9) Quanto à quantidade de capacitores, os trabalhos que não apresentaram foto do protótipo e não mencionam nada sobre o tipo de capacitor empregado, é indicado “S/Fig.”. Neste caso, quando há existência de capacitores no circuito de potência, a Tabela 2 apresenta como sendo eletrolíticos quando a capacitância é maior ou igual a 150µF.

10) Quanto à quantidade de capacitores no circuito não foi contado à quantidade de capacitores associados, foi considerado apenas a quantidade de elementos no circuito de potência, em que se faz necessário o uso de capacitores.

Os trabalhos listados na Tabela 1 constituem diferentes tipos de circuitos aplicados ao acionamento de LEDs. Cada um dos trabalhos é aplicado a uma carga (contendo LEDs) com diferentes níveis de potência. A frequência de comutação, a potência da carga e o nível de tensão da rede de alimentação também envolvem certa disparidade no conjunto dos trabalhos revisados. Portanto, uma comparação sobre as características de custo entre os conversores, análise de tamanho dos elementos magnéticos e capacitores, não pode ser realizada de modo simplificado. Contudo, os dados resumidos na Tabela 2 apresentam algumas considerações sobre circuitos de acionamento. A partir desses, obtêm-se uma análise superficial sobre cada uma das abordagens.

Em primeiro lugar, os trabalhos revisados apresentam correção do fator de potência. Isto é extremamente importante ao se acionar LEDs, pois os sistemas de iluminação conectados à rede elétrica estão sujeitos a requisitos mínimos na qualidade de energia. Segundo a Resolução nº 456 da ANEEL artigo 64, “o fator de potência [...] terá como limite mínimo permitido, para instalações elétricas das unidades consumidoras, o valor de 0,92”.

Em segundo, nota-se que um baixo valor da distorção harmônica da corrente de entrada foi alcançado na maioria dos trabalhos revisados. A norma IEC 61000-3-2 estabelece limites máximos para componentes harmônicos da corrente de entrada em equipamentos de iluminação, na sua classificação C. Entre os trabalhos da Tabela 2, somente dois, (CHERN, 2011) e (ALMEIDA et al, 2012b) não resultaram em uma distorção harmônica da corrente de entrada menor que 15% (valor adotado para comparação entre os trabalhos), contudo, estes dois trabalhos também não usaram um filtro de corrente na entrada do conversor, o que justifica o elevado conteúdo harmônico. O trabalho de Lee, Kim e Rim (2011), que faz uso de um reator eletromagnético de partida rápida empregado em iluminação fluorescente, conseguiu obter um baixo valor da distorção harmônica de entrada sem a adoção de um filtro adicional. Neste caso, o reator eletromagnético (elemento robusto) atua como um filtro passivo da corrente de entrada.

Na Tabela 2, também foi feita uma análise sobre a eficiência dos circuitos empregados no acionamento de LEDs. Adotando o critério de que a eficiência mínima de um circuito aplicado a LEDs seja de 90% (valor adotado para comparação entre os trabalhos), verificou-se que apenas os trabalhos (HUI, 2010), (JORGE, 2011), (SOARES, 2012), (ALI, 2010), (CHENG, 2011), (ALMEIDA, 2012a) e (ALMEIDA et al., 2012b) apresentaram eficiência acima do critério adotado. Nota-se também, que os trabalhos que apresentaram eficiência maior ou igual a 90%, possuem apenas um transistor de potência no circuito, o que é benéfico ao custo do circuito bem como perdas por condução e por comutação. Vale lembrar que em

Hui (2010), o método de correção do fator de potência é passivo e, portanto, não possui um transistor chaveando a corrente do circuito. Contudo, o uso de dois indutores grandes dimensões e elevado peso foram necessários (um indutor no circuito e outro no filtro EMI). Por fim, na comparação dos trabalhos de (CHERN, 2009, 2010 e 2011), (LAMAR 2009), (YEON 2009), (CHUANG 2010) e (VIEIRA 2009), que usaram somente o conversor flyback (contendo a isolação galvânica), verifica-se uma eficiência máxima de aproximadamente 86% (quando mencionado entre os trabalhos revisados). A análise de eficiência do conversor

flyback é enfatizada devido ao tema deste trabalho, por isso, deseja-se ter uma noção da

eficiência alcançada pelos autores dos trabalhos revisados quando este tipo de circuito foi aplicado ao acionamento de LEDs.

Outro quesito é a análise da quantidade de indutores no circuito de potência de cada trabalho, excluindo o indutor do filtro da corrente de entrada, quando este está incluso no circuito. Se todos os trabalhos fossem projetados com as mesmas características (frequência de comutação, tensão da fonte e potência na carga), poderia ser analisado o custo de construção de cada magnético em função de seu tamanho e das quantidades aplicadas por circuito. Como esta uniformidade dos parâmetros de projeto não existe, só é possível concluir que os circuitos que apresentam menor quantidade de indutores resultam em uma construção mais simplificada e possivelmente de menor custo. Outra importante constatação é que em todos os casos revisados um indutor se faz necessário, logo, o projeto dos elementos magnéticos deve ser bem elaborado e bem sintetizado, de modo a reduzir as perdas nesses elementos.

Em seguida, é analisado se o circuito possui isolação galvânica entre a carga e a fonte de alimentação. Verificou-se que somente os trabalhos que empregaram o uso do conversor

flyback (2 indutores acoplados) possuem esta característica.

Por fim, ao contar os capacitores aplicados no circuito de potência, sendo estes eletrolíticos ou não (poliéster, polipropileno, etc), nota-se que os trabalhos de (HUI, 2010), (SOARES, 2012), (GU, 2009), (ALMEIDA, 2012 e 2012a), têm adotado substituir os capacitores eletrolíticos por capacitores cujo tempo de funcionamento é maior, ou seja, melhoria da vida útil do conversor. Isto se faz necessário, pois, uma vez que a estimativa de vida útil das luminárias a LED chega à aproximadamente 50.000 horas, e a vida útil de capacitores eletrolíticos é de aproximadamente 10.000 horas, o prolongamento da vida útil do circuito acionando LEDs é de vital importância para que este sistema de iluminação tenha boa rentabilidade. (ALMEIDA, 2012a) e (VIEIRA 2009).

Assim, pode-se concluir através da revisão dos trabalhos apresentados que o circuito a ser desenvolvido neste trabalho tem que: possuir obrigatoriamente um filtro da corrente de entrada; garantir que o fator de potência seja elevado; fazer uso quando possível de capacitores não eletrolíticos; e por fim, tentar obter um rendimento maior que 86%.