Simulação e Validação Computacional de
uma Lâmpada Tubular de LED
Raul Vitor Arantes Monteiro. Bismarck Castillo Carvalho. Arnulfo Barroso de Vasconcellos.
Fabrício Parra Santilho.
Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT. Av. Fernando Corrêa da Costa, nº 2367 - Bairro Boa Esperança. Cuiabá – MT.
Teresa Irene Malheiro. André Luiz Amorim da Fonseca.
Instituto Federal de Mato Grosso – IFMT. Avenida Sen. Filinto Müller , 953. Cuiabá – MT.
Resumo: A busca pela redução do consumo de energia elétrica vem incentivando o desenvolvimento de equipamentos elétricos mais eficientes. Nesse contexto são inseridos os LED’s (lighting
emitting diode) que desde a sua descoberta vem sendo
aprimorados para os mais diversos usos em iluminação, como por exemplo, a iluminação de interiores que utiliza os chamados
Power LED’s nos arranjos de lâmpadas tubulares de LED. Com
sua inserção em massa no mercado de iluminação, tornam-se imprescindíveis os estudos relacionados a essas lâmpadas no que tange à qualidade da energia elétrica, qualidade da iluminação, eficiência elétrica e viabilidade econômico – financeira. Este artigo tem por objetivo modelar e validar computacionalmente através do software ATP uma lâmpada tubular LED T8.
Palavras – chaves: Lâmpada tubular LED, drivers de lâmpadas
LED, qualidade da energia elétrica, simulação computacional.
I.INTRODUÇÃO
LED (lighting emitting diode) ou diodos emissores de luz, vem sendo utilizados e aprimorados desde o decênio de 1960. Apesar disso, somente nos últimos 10 anos é que estes dispositivos atrairam maior interesse devido ao fato de suas características luminosas terem sido consideravelmente aumentadas [1], como o aumento do fluxo luminoso emitido pelos LED’s. Para além do seu uso em displays de aparelhos eletrônicos, semáforos de trânsito e calculadoras, com valores de fluxo luminoso e eficiência elétrica superiores aos de lâmpadas convencionais, os LED’s começaram a competir com tais lâmpadas [2], como por exemplo, substituindo lâmpadas de vapor de sódio utilizadas em iluminação pública [3]. Estudos comprovam que a substituição de lâmpadas de vapor metálico por lâmpadas LED também resultam em uma eficiência elétrica de 70% [4].
Outro atrativo, particularmente para arquitetos, é o reduzido tamanho das lâmpadas de iluminação de LED, pois facilitam o alinhamento da forma à estética de ambientes construídos, proporcionando conforto ambiental com qualidade e eficiência.
Os LED’s funcionam em baixa tensão e corrente elétrica. Um único LED necessita apenas de correntes com magnitudes entre 1 a 50 miliampères para o seu funcionamento e deve ser polarizado diretamente, podendo ocorrer a sua destruição caso sejam polarizados inversamente [1]. Quando falamos de Power LED’s, os comumente utilizados em lâmpadas tubulares de LED, essas correntes podem chegar a 700 miliampères.
Também é importante destacar, que, o nível de tensão de alimentação do LED deve ser controlado de maneira a evitar
que a corrente que circulará no arranjo feito para lâmpadas de LED não venha a interferir nas características de iluminação dos LED’s, uma vez que o nível de brilho da luz emitida é proporcional à corrente que circula entre seus terminais. Correntes acima dos limites recomendados pelos fabricantes podem diminuir a vida útil dos LED’s inseridos nos arranjos que constituem a lâmpada LED [1], comprometendo, desta forma, o aspecto que torna os LED’s tão atrativos do ponto de vista econômico: a sua elevada vida útil.
O controle de tensão também é importante devido à influência da corrente que circula no circuito na temperatura de junção do LED. Um aumento desta temperatura provoca a perda de eficiência de iluminação do LED (Lúmens/Watt) [5] e também pode provocar a mudança na coloração da luz emitida [1]. Em [6] afirma que a resistência térmica de junção é um dos fatores limitantes na tecnologia LED. AsFigs. 1 e 2 ilustram essas situações.
Eficiencia (Lumen/Watt) Temperatura da Junção (0C) T0 TJ E0
Fig. 1. Relação entre temperatura de junção e eficiência luminosa de LED’s. Fonte: adaptado: Qin, Lin, Hui, 2009
Luz emitida Relativa(%) Temperatura da Junção (0C) 0 -20 100 20 40 60 80 100 120 0 40 80 120 160 25 Vermelha Azul Branca
Fig. 2. Relação entre a temperatura de junção do LED e a relação de luz emitida por cores. Fonte: Adptado: Bollough, 2003
O aumento da temperatura de junção também resulta num decréscimo da resistência do material do LED, uma vez que este semicondutor apresenta uma resistência com coeficiente de temperatura negativo [7]. Esta condição pode levar a uma
potencialização do aumento de temperatura e ocasionar a sua queima.
Para que se tenha controle dessas tensões, as lâmpadas de LED necessitam de um circuito chamado de driver. Estes circuitos funcionam como os reatores eletrônicos das lâmpadas fluorescentes. Lâmpadas de LED são constituídas de arranjos contendo vários LED’s individuais, não podendo ser conectadas diretamente à rede de energia elétrica, pois possuem tensão e correntes nominais diferentes desta. Dessa forma, é necessária a conexão desses drivers para fornecer tensão e correntes dentro dos limites especificados pelo fabricante para o adequado funcionamento das lâmpadas. Os
drivers podem vir separados ou embutidos nas lâmpadas
dependendo dos fabricantes. O driver completo é constituído de um circuito retificador mais um conversor CC/CC.
As topologias mais comuns são Buck, Boost, Buck – Boost,
Buck Quadrático, SEPIC, Cùk, Zeta, Flyback e os Conversores Lineares. Ainda são divididas em duas partes:
Isolados e não isolados. Existem ainda as topologias resistor
série e capacito série, porém não são utilizados devido a sua
baixa eficiência [8].
II. METODOLOGIA
Para esta pesquisa foram realizadas análises sob a ótica da qualidade da energia elétrica no que diz respeito às distorções harmônicas de tensão e corrente elétrica da lâmpada em questão. Para isso foram escolhidas 3 lâmpadas, sendo uma fluorescente acionada com reator eletrônico (F) e duas lâmpadas tubulares de LED de fabricantes diferentes, L1 e L2. Todas as lâmpadas aqui apresentadas são do tipo T8.
Para a simulação computacional foi escolhido o software ATP (Alternative Transiente Program). A escolha desse
software se justifica devido ao fato de ser um software
prático, que oferece a possibilidade de simulação tanto de circuitos elétricos quanto de circuitos eletrônicos e, principalmente, é um software gratuito.
Para as medições das grandezas elétricas foram utilizados 2 analisadores de energia, o MAHR – 21, registrador digital portátil, trifásico, programável, destinado ao registro das tensões, correntes, potências, energia, harmônicas e oscilografia de perturbações em sistemas elétricos de geração, consumo e distribuição assim como circuitos de alimentação de máquinas elétricas em geral. Outro analisador de energia utilizado foi o FLUKE 434, que é uma ferramenta trifásica que mede praticamente todos os parâmetros do sistema de energia: tensão, corrente, frequência, energia, consumo de energia, cos φ ou fator de energia, desequilíbrio e harmônicos e inter-harmônicos. A Fig. 3 ilustra os analisadores de energia utilizados.
Fig. 3. Foto do analisador de energia elétrica MARH -21 e FLUKE
A Fig. 4 ilustra como foram feitas as medições em laboratório com o analisador de energia RMS.
Fig. 4. Medição laboratorial
De posse dos dados coletados através dos 2 analisadores de energia apresentados, foram confeccionados os gráficos de tensão e corrente elétrica da lâmpada LED que foi chamada de L2 em ambiente MATLAB.
A escolha dessa lâmpada se justifica, pois a mesma apresentou o menor índice de distorção harmônica em corrente elétrica em relação às outras 2 lâmpadas analisadas, conforme Tabela I.
TABELA I. DISTORÇÃO TOTAL DE CORRENTE ELÉTRICA DAS LÂMPADAS EM ESTUDO
Lâmpada DTI%
F 139,40
L1 51,23
L2 24,57
A partir daí se fez necessário identificar qual o tipo de
driver se utiliza para o acionamento dessa lâmpada. Através
de uma análise prática e visual, chegou-se a conclusão que o
driver utilizado era do tipo Buck conforme ilustra a Fig. 5.
Fig. 5. Circuito interno da lâmpada L2.
As características da lâmpada L2 são apresentados através da Tabela II.
TABELA II. DADOS DA LÂMPADA L2.
Características da lâmpada Lâmpada tubular LED SMD T8 – L2
Tensão nominal 100 - 240 V
Potência máxima 10W
Corrente Elétrica 120 mA
Frequência 60 Hz
Vida útil 50.000 horas
Dimensões (mm) 580(C) x 27(D)
Para a realização da simulação computacional foram necessárias algumas medições de sinais do circuito de driver, como os pulsos para chaveamento e de tensão de saída do
Buck. Para isso utilizou-se o osciloscópio Tektronix TDS
2004B, de quatro canais com frequência de 60 MHz. III. VALIDAÇÃO COMPUTACIONAL
Visualmente constatou-se que o circuito de driver utilizado é do tipo Buck, uma vez que este circuito deve alimentar um conjunto de LED’s e os mesmos tem tensão nominal baixa, entre 1V a 3.05 V. De maneira a evitar erros, foi medida a tensão de saída do Buck e encontrada uma tensão de 60,3 V. Dessa maneira pode-se afirmar que para lâmpadas tubulares de LED o circuito de driver utilizado é o do tipo Buck (Fig. 6). 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 7 8 5 6 7 8 555 r4 r6 r5 Le Lo Ce Co Ds Vcc C1 Q1 IRFZ44 Q2 BC547 r1 r2 r3
Fig. 6. Conversor Buck
Onde:
Vcc = Fonte de tensão retificada;
Le = Indutor do filtro de entrada do Buck; Ce = Capacitor do filtro de entrada do Buck; C1 = Capacitor do CI 555;
r4, r6 = Resistores do CI 555;
r5 = Resistor de controle do sinal de saída do CI 555; r1, r2 e r3 = Resistores limitadores de corrente nos LED’s. Q1 = MOSFET;
Q2 = Transistor TJB; Ds = Diodo Schottky;
Lo = Indutor do filtro de saída do Buck; Co = Capacitor do filtro de saída do Buck.
Este circuito apresenta um estágio de filtro de entrada para o conversor Buck, um circuito de controle através de circuito integrado para o MOSFET do Buck, um estágio de filtro de saída do Buck e resistores para limitar a corrente nos LED’s.
Os circuitos retificadores podem ser de dois tipos dependendo do tamanho do driver que se deseja. Podem ser feitos através da composição de 4 diodos em ponte ou pode-se adquirir essa ponte feita através de uma ponte em miniatura.
O driver encontrado tem seu chaveamento controlado através de modulação por largura de pulso, ou seja, aplicando–se um pulso positivo na base do MOSFET (Q1) através de um circuito integrado Q1 entra em condução. A frequência de chaveamento aplicada no MOSFET é geralmente acima de 100 kHz, o que reduz os ruídos audíveis provindos desse chaveamento.
Devido a esta alta frequência é utilizado um diodo denominado Schottky (Ds) neste conversor. Este diodo tem a propriedade de entrar em condução e em bloqueio muito mais rapidamente que os diodos normais, sendo ideal para
circuitos que operam com frequências de chaveamento acima de 20 kHz [9].
As lâmpadas encontradas no mercado são, em sua maioria,
bivolts, ou seja, operam tanto com tensões de 127V e 220V.
Dessa maneira é necessário que se controle o tempo ligado (Ton) do pulso do circuito integrado (CI) para que assim se estabilize a tensão de saída do Buck na que se deseja alimentar os LED’s, isso pode ser feito através de um transistor TJB (Q2) da seguinte maneira: Quando o nível de tensão aplicado nos LED’s cai, através de r5 é enviado um sinal de corrente ao transistor Q2 que começa a conduzir e, essa condução reduz a largura do pulso do CI 555 [10]. Essa alteração em Ton do CI altera o ciclo de trabalho “d” do
Buck, o que garante uma tensão de saída constante em
aproximadamente 60V. Outros circuitos integrados podem ser utilizados neste caso.
O ciclo de trabalho (d) de um conversor CC/CC Buck nada mais é do que a razão entre o tempo ligado do CI e a largura do pulso do mesmo (1):
d = Ton T
(1) Sendo,
Ton = Tempo ligado do pulso aplicado no MOSFET do
Buck;
T = Período ou largura do pulso aplicada no MOSFET do Buck.
Como o objetivo é disponibilizar uma tensão contínua, porém, menor do que a tensão de entrada para os LED’s, devido às ondulações provocadas pela operação do conversor
Buck, se faz necessária a introdução de filtros de entradas (Le
e Ce) e saída (Lo e Co) para diminuir as ondulações de tensão e corrente aplicadas nos LED’s.
O arranjo de LED’s é feito através de 132 LED’s conectados em 3 grupos de 44 LED’s em série e cada grupo em paralelo entre si e com a saída do Buck, garantindo assim uma tensão aproximadamente 1,36V por LED.
Para que se assegure a corrente necessária em cada grupo de LED, são utilizados resistores em série com cada grupo de 44 LED’s. A Fig. 7 ilustra esse arranjo.
L1 L2 L3 L43 L44 L45 L46 L47 L87 L88 L89 L90 L91 L131 132 DC Buck r1 r2 r3
Como os conversores CC/CC funcionam como transformadores em corrente contínua, para obter-se a corrente de entrada para um conversor Buck basta multiplicar a corrente de saída do conversor pelo ciclo de trabalho do mesmo [9]. Assim, tem-se por meio de (2):
ILe= ILo× d (2)
Sendo,
ILe = Corrente na entrada do driver;
ILo = Corrente na saída do driver.
O valor medido de corrente na entrada da lâmpada foi de 120mA para L2 conforme TABELA II, assim tem-se uma corrente de saída do Buck de 240mA.
Observa–se então, que para a parametrização do conversor
Buck se faz necessário saber o ciclo de trabalho (d) do
conversor. Para isso foram feitas análises em laboratório com auxílio do osciloscópio mencionado no tópico “metodologia” deste artigo.
Através dessa análise laboratorial, conseguiu–se determinar a frequência de chaveamento para a lâmpada tubular LED sendo acionada em 127V e em 220V, bem como ambos os ciclos de trabalho para cada nível de tensão. A Fig. 8 ilustra os pulsos do circuito integrado em 127V e em 220V.
Fig. 8. Pulsos para acionamento da lâmpada LED em 127 e 220 volts
Tem–se então 2 ciclos diferentes de trabalho, como esperado, para cada nível de tensão aplicado à lâmpada. Vale lembrar que o circuito integrado que gera esses pulsos se adapta automaticamente ao nível de tensão de alimentação.
Conforme ilustra a Fig. 16, a frequência de chaveamento para o 127V foi de 150 kHz com Ton de 75 kHz e, para 220V foi de 250 kHz com Ton de 67,5 kHz. Assim foram obtido ambos os ciclos de trabalho através de (1), resultando em um ciclo de trabalho de 0,5 para o acionamento em 127V e 0,27 para o acionamento em 220V. Esses dados obtidos se tornam compatíveis com o nível de tensão medido anteriormente em 60V na saída do Buck para a alimentação da lâmpada em 127V. Assim como aplicado o ciclo de trabalho para se determinar o valor da corrente de saída no Buck, a mesma relação pode ser utilizada para se determinar a tensão na saída do Buck [9]. Através de (3) pode-se chegar ao resultado desejado para a tensão:
𝑉𝑜𝑢𝑡= 𝑉𝑖𝑛× 𝑑 (3)
Sendo,
𝑉𝑜𝑢𝑡= Tensão de saída desejada no Buck;
𝑉𝑖𝑛 = Tensão aplicada na entrada do Buck.
A partir desse ponto tem-se os dados necessários para a modelagem computacional.
Tendo em vista as elevadas frequências de chaveamento dos circuitos de controle da lâmpada LED, tanto para a tensão de 127V quanto para 220V, o simulador ATP utilizado necessita fazer o chaveamento do transistor (MOSFET) e os cálculos necessários para esse chaveamento. Esta operação resulta em um tempo de simulação extremamente elevado, cerca de 7500 segundos, o que deixaria os trabalhos de simulação exaustivos e pouco atrativos.
Dessa maneira, como forma de contornar essa questão, sem no entanto comprometer os resultados, optou–se por diminuir em 1/3 as frequências de chaveamento na simulação, desta forma reduzindo o tempo de simulação para cerca de 1500 segundos, o que, tornou a simulação menos cansativa e demorada.
Ainda atendendo às limitações do software utilizado para as simulações, visto que o ATP não possui em sua biblioteca componentes de circuitos integrados, foi desenvolvido o modelo de um componente que responde da mesma forma que um circuito integrado em relação às frequências de chaveamento. A Fig. 9 ilustra o componente desenvolvido.
Fig. 9. Bloco desenvolvido para funcionar como um Circuito Integrado
O filtro de entrada é composto pelo indutor Le e pelo capacitor Ce e é empregado para corrigir os efeitos de harmônicos devido à corrente pulsada da fonte que alimenta o conversor e, se houver indutância em série com a chave, no momento de sua abertura pode ser produzida uma sobretensão e destruir essa chave [11]. Segundo estes mesmos autores, ““nas aplicações onde o conversor Buck deve produzir uma tensão contínua de baixa ondulação, é necessário adicionar um filtro de saída passa–baixa constituído de um indutor e um capacitor””. O filtro de saída é composto pelo indutor Lo e pelo capacitor Co.
Os componentes que fazem parte do circuito como capacitores e indutores podem ser calculados a partir da metodologia proposta por [11].
Considerando o elevado número de componentes do modelo, o modelo completo apresenta dimensões que dificultam a sua ilustração completa. Sendo assim o circuito simulado foi dividido em 2 partes: a primeira, Fig. 10, referente ao circuito retificador e a segunda, Fig. 11 referente ao circuito contendo o conversor Buck e os resistores que limitam as correntes nas cordas de LED’s.
Fig. 10. Estágio retificador do driver
Fig. 11. Conversor Buck modelado no ATP
V. RESULTADOS
Como resultado dessa simulação, obtiveram–se então as formas de onda de tensão e corrente simulada (Fig. 12), corente e tensão experimental (Fig. 13). A forma de onda de tensão e corrente são comparadas às medidas em laboratório.
Heading 0,205 0,170 0,175 0,180 0,185 0,190 0,195 0,200 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 T e n s ã o ( V ) Tempo (s) -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,15 0,20 C o rr e n te E lé tr ic a (A )
Tensão Corrente Elétrica
Fig. 12. Forma de onda da tensão e corrente de entrada - simulado
Fig. 13. Forma de onda de tensão e corrente de entrada – Experimental
Os pulsos referentes ao controle do chaveamento do conversor Buck também são ilustrados de forma a validar a simulação. A Fig. 14 mostra como se deu a resposta do
programa à frequência estabelecida e pode ser comparada à Fig. 8 ilustrada anteriormente.
51,20 51,25 51,30 51,35 51,40 51,45 51,50 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 A m p li tu d e d o P u ls o ( A d m m e n s io n a l) Tempo (ms)
Fig. 14. Sinal pulsante para o controle de chaveamento do transistor do Buck
Como resultado do conversor Buck tem–se, assim como o modelado, o sinal de tensão de saída em 60V, conforme a Fig. 15.
Fig. 15. Tensão de saída do conversor Buck
A Fig. 16 mostra o sinal de corrente na saída do Buck que resultou em 240 mA.
Fig. 16. Corrente de saída do conversor Buck
A Fig. 17 é ilustrado o espectro harmônico de corrente elétrica de entrada resultante da simulação. Estes dados se mostram fiéis ao encontrado na medição, conforme pode ser visto na Fig. 18.
Fig. 17. Espectro harmônico de corrente elétrica – simulado
Fig. 18. Espectro harmônico de corrente de L2 – experimental
V. CONCLUSÃO
Neste artigo foi apresentada a modelagem computacional do driver de uma lâmpada tubular LED. Posteriormente, por comparação com os resultados experimentais é realizada a validação computacional com os valores obtidos na modelagem computacional.
Os resultados alcançados, tanto na modelagem computacional quanto na análise experimental, que se mostraram bastante próximos, permitiram a validação do modelo implementado. Para a validação, foram comparadas as amplitudes e a forma de onda de corrente elétrica de entrada em partes distintas dos componentes inseridos no circuito de driver da lâmpada L2.
Complementando essa validação tem-se também o espectro harmônico decomposto em série de Fourier da corrente elétrica de entrada do circuito, que se comporta de maneira muito semelhante com o espectro harmônico resultante da análise laboratorial feita através de analisador de energia.
Dessa maneira este estudo apresenta uma ferramenta de simulação computacional que pode ser utilizada para simular os efeitos desse tipo de carga não linear em um sistema de energia elétrica.
VI. REFERÊNCIAS
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Lighting Product Information Program, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute. Vol. 7, Issue 3, 2003. [2] Knoop, M.. “Medidas para qualidade da iluminação interna com
sistemas a LEDs”. Revista Eletricidade Moderna. Ed. 459. págs. 50 – 59. Jun. 2012.
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Eletricidade Moderna. Ed. 479. págs. 110 – 117. Fev. 2014.
[4] Marcili, F. N.. “Estudo de caso: iluminação a LED em um posto de combustível”. Revista Eletricidade Moderna. Ed. 471. págs.38 – 45. Jun. 2013.
[5] Qin, Y.; Lin, D.; Hui, S. Y. (Ron). “A Simple Method for Comparative Study on the Thermal performance of LEDs and Fluorescent Lamps”. IEEE Transactions on Power Electronics. vol. 24, no. 7. Jul. 2009.
[6] Uddin, S.; Shareef, H.; Mohamed, A.; Hannan, M. A; Mohamed, K.. “LEDs as Energy Efficient Lighting Systems: A Detail Review”. IEEE Student Conference on Research and
Development. 2011.
[7] Pinto, R. A. “Projeto e implementação de lâmpadas para iluminação de interiores empregando diodos emissores de luz (LEDs)”. 2008. 130 f. Dissertação (Mestrado em engenharia elétrica) - Universidade Federal de Santa Maria – RS.
[8] YU, L.; YANG, J.. “The Topologies of White LED Lamps' Power Drivers”. IEEE. 3rd International Conference on Power
Electronics Systems and Applications. 2009.
[9] Ahmed, A.. “Eletrônica de potência”. Editora Prentice Hall, São Paulo, trad., 479 pags. 2000.
[10] Babu,TA. “Power an LED driver using off-the-shelf
components”. EDN network. Designideas, readers solve design
problems. Jan. 2011.
[11] Martins, D. C.; Barbi, I.. “Eletrônica de potência: conversores CC – CC básicos não isolados”. Ed. dos Autores, Florianópolis, Segunda edição revisada, 377 pags. 2006.
