SISTEMADEILUMINAÇÃODEEMERGÊNCIAINTEGRADOAUMA
LÂMPADACOMPACTAUTILIZANDOLEDSDEPOTÊNCIA
RAFAEL A. PINTO, MARCELO R. COSETIN, DARLAN DE OLIVEIRA, ALEXANDRE CAMPOS E RICARDO N. DO PRADO
Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Reatores Eletrônicos - GEDRE Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS Av. Roraima 1000, Centro de Tecnologia, Sala 171, CEP 97105-900
E-mails: pintosma@gmail.com, rnprado@ieee.org
Abstract⎯ This paper presents an emergency lighting system integrated into a compact lamp using power LEDs. The LEDs
have high luminous efficacy, high useful life and small size. These characteristics make these devices an attractive for use in an emergency lighting. The proposed circuit is simple and has low cost. Its main feature is the easiness of installation with a simple replacement for incandescent and compact fluorescent lamps. In this work two converters are used. A Buck converter to supply the LEDs and charge the battery by mains, with universal input voltage (90VAC - 240VAC), and a Boost converter to supply the
LEDs by battery. The converters operate at high frequency and control the LED`s current independently. A Li-Ion battery was chosen because it has higher voltage and density of energy than Ni-MH one. The design attends the Brazilian standard (NBR 10898) and IEEE standard (IEEE Std 446-1995) for emergency lighting systems. The complete circuit was implemented and the results show a satisfactory behavior of the lamp.
Keywords⎯ Emergency Lighting, Compact lamp, LED lamp, DC/DC converters, Current control and LEDs as light source. Resumo⎯ Este artigo apresenta um sistema de iluminação de emergência integrado a uma lâmpada compacta utilizando LEDs
de potência. Os LEDs apresentam elevada eficácia luminosa, alta vida útil e tamanho reduzido. Estas características tornam estes dispositivos um atrativo para aplicação em iluminação de emergência. O circuito proposto é simples e de baixo custo. Sua carac-terística principal está na facilidade de instalação com a simples substituição por lâmpadas incandescentes e fluorescentes com-pactas. Neste trabalho são utilizados dois conversores. Um conversor Buck para alimentar os LEDs e carregar a bateria através da rede elétrica com tensão de entrada universal (90VCA – 240VCA). E um conversor Boost para alimentar os LEDs através da
bateri-a. Os conversores operam em alta freqüência e controlam a corrente nos LEDs de forma independente. A bateria escolhida foi a de Li-Ion por apresentar uma alta densidade de energia e tensão superior as de Ni-MH. O projeto atende as exigências da norma brasileira (NBR 10898) e da norma IEEE (IEEE Std 446-1995) para sistemas de iluminação de emergência. O circuito completo foi implementado e os resultados mostram um comportamento satisfatório da lâmpada.
Palavras-chave⎯ Iluminação de Emergência, Lâmpada compacta, Lâmpada a LED, Conversores CC/CC, Controle de corrente e
LEDs como fonte de luz.
1 Introdução
Uma parcela considerável da energia elétrica gerada mundialmente é utilizada na iluminação artificial. As primeiras lâmpadas comercializadas funcionavam baseadas no aquecimento de um filamento de carbo-no ou tungstênio dentro do tubo de vidro, o qual se tornava incandescente. Estas lâmpadas foram utiliza-das durante muitos anos na iluminação residencial.
Porém, devido à baixa eficácia luminosa apre-sentadas por este tipo de lâmpada e a preocupação cada vez maior com relação à eficiência energética, novos produtos foram sendo introduzidos no merca-do. Entre eles estão as lâmpadas fluorescentes com-pactas, que apresentam rendimento superior às lâm-padas incandescentes e por este motivo estão se tornando populares na iluminação residencial.
No entanto, no início do século XX, surgiram os Diodos Emissores de Luz (LEDs) que tem como princípio de funcionamento a eletroluminescência, emitindo luz através da combinação de elétrons e lacunas em um material sólido (Sá Jr., 2007). Estes dispositivos apresentam maior eficácia luminosa e
longa vida útil comparados às lâmpadas fluorescen-tes (Cervi, 2005).
Há muitos anos o homem tornou-se dependente da luz. Na maioria das atividades, a iluminação auxi-lia ou se faz necessária. Por isso, os sistemas de iluminação de emergência tornaram-se elementos importantes, podendo ser considerados itens de segu-rança e são obrigatórios em muitos ambientes. São instalados principalmente em corredores e escadari-as, garagens, elevadores, restaurantes, empresas e demais ambientes públicos garantindo a iluminação na falta de energia elétrica.
Assim, o objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de iluminação de emergência integrado a uma lâmpada compacta utilizando LEDs de potência. Permitindo a utilização da mesma lâmpada nas ativi-dades diárias alimentada pela rede elétrica e sob uma possível falha no fornecimento de energia. Além da vantagem de fácil instalação do equipamento, com a simples substituição por lâmpadas incandescentes e fluorescentes compactas sem qualquer alteração na instalação elétrica.
2 Sistemas de Iluminação de Emergência Os sistemas de iluminação de emergência tradicio-nais normalmente utilizam lâmpadas fluorescentes alimentadas por baterias. Como as lâmpadas fluores-centes operam com sinais de tensão e corrente alter-nados e com um nível de tensão elevado, diferente do fornecido pelas baterias, é necessário um circuito que eleve esta tensão e ainda transforme o sinal con-tínuo em alternado. Além disso, possuem um circuito para carregar a bateria através da energia fornecida pela rede e outro circuito para monitoramento do sinal de entrada.
Estes equipamentos exigem baterias com uma capacidade de energia considerável as quais possuem peso e volume elevados. Assim, a utilização de LEDs torna-se um atrativo devido a sua alta eficácia lumi-nosa (100 lm/W) (OSRAM, 2007), o qual permite a utilização de bateria pequenas e/ou uma maior auto-nomia do sistema.
Além disso, os LEDs apresentam peso e tama-nho reduzidos, possibilitando a aplicação em siste-mas de iluminação compactos (Oliveira, 2007). Ou-tra grande vantagem destes dispositivos é a sua ele-vada vida útil (60.000 horas), superior as lâmpadas fluorescentes (6.000 horas) (OSRAM, 2007).
Os LEDs são alimentados com corrente contínua e possuem uma tensão de condução pequena, entre 2,5V e 4V, e não necessitam de ignição, diferente das lâmpadas fluorescentes. Estas características tornam-se vantajosas quando se deseja alimentá-los através de uma bateria.
3 Exigências da Norma Brasileira (NBR 10898) e Internacional IEEE (IEEE Std 446-1995) Segundo a norma brasileira NBR 10898:1999, os sistemas de iluminação podem ser classificados da seguinte maneira:
• Iluminação de balizamento ou sinalização: normalmente composta por símbolos ou le-tras que indicam um caminho.
• Sinalização especial para aviação comercial: destinada a sinalizar a pista de vôo.
• Iluminação permanente: a iluminação está sempre em funcionamento com ou sem a energia da rede elétrica.
• Iluminação não-permanente: a iluminação entra em funcionamento somente quando houver falta ou falha na alimentação pela rede elétrica.
A idéia proposta neste trabalho apresenta carac-terísticas de um sistema de iluminação permanente e não-permanente e, portanto deve atender as exigên-cias feitas pela norma. Além disso, o sistema é con-siderado um bloco autônomo, ou seja, apresenta em um mesmo invólucro a fonte de luz (LEDs), a bateria e os demais circuitos necessários para seu funciona-mento.
A iluminação de emergência deve garantir um nível mínimo de iluminamento no piso de 5 lux em locais com desníveis como escadas ou passagens com obstáculos; e 3 lux em locais planos como cor-redores e áreas de refúgio, segundo a norma brasilei-ra (ABNT, 1999). Considebrasilei-rando a norma IEEE, este valor é de 6 lux (IEEE, 1995). Já para a realização de atividades ou leitura, a iluminação deve estar entre 50 e 500 lux (Philips, 2008). Portanto, a luminosida-de da lâmpada poluminosida-de ser alterada para um nível alto enquanto estiver operando através da rede elétrica e para um nível baixo enquanto estiver operando atra-vés da bateria.
No entanto, um dos itens exigidos pela norma brasileira é que esta variação da intensidade lumino-sa não seja superior a relação de 1:20 entre os dois estados. Outra exigência feita por esta norma citada é que o sistema não poderá ter uma autonomia inferior a 1 hora de funcionamento com uma perda maior que 10% da luminosidade inicial (ABNT, 1999). Já para a norma internacional, a autonomia do sistema deve ser de 1,5 horas com uma luminosidade mínima de 0,6 lux ao final deste período (IEEE, 1995).
Como a luminosidade emitida pelo LED é pro-porcional a corrente que circula pelo dispositivo, é possível definir alguns parâmetros de projeto para atender as exigências das normas. Um delas é a espe-cificação da corrente nos LEDs quando estes são alimentados pela energia da rede ou pela energia da bateria. Esta relação não poderá ser superior a 20:1.
Outro parâmetro que pode ser definido é o mo-delo e a quantidade de LEDs a serem utilizados para obtermos o nível de iluminamento exigido, além da escolha da bateria adequada para garantir a autono-mia mínima de 1,5 horas.
4 Circuito Proposto
Neste trabalho são utilizados LEDs do modelo Luxe-on Rebel LXML-PWN1-0080 da Philips, escolhido por apresentar um elevado fluxo luminoso (80 lm) e temperatura de cor adequada para a aplicação em iluminação residencial (4100K) (Luxeon, 2007). Estes dispositivos são alimentados com uma corrente contínua de 300 mA quando operados no modo nor-mal (estado em que a rede fornece energia ao equi-pamento) e com 50 mA no modo emergência (quan-do a bateria alimenta o equipamento).
A bateria escolhida foi a Li-Ion 16340 (3,6V, 880mAh) pelo fato de apresentar uma densidade de energia e um nível de tensão superior às baterias de Ni-MH (1,2V), permitindo uma maior autonomia do sistema sem prejudicar a compactação do equipa-mento. Esta autonomia pode ser estendida simples-mente substituindo a bateria por outra de maior capa-cidade como a Li-Ion 18500 (3,6V, 1400mAh).
O circuito, quando alimentado pela rede elétrica, foi projetado para operar sob tensão de entrada uni-versal (90VCA – 240VCA), facilitando a aplicação da
formada por cinco LEDs conectados em série resul-tando em uma tensão de saída máxima no conversor de 20V. A conexão em série apresenta a vantagem de manter o mesmo brilho em todos os LEDs, uma vez que a corrente que circula pelos dispositivos é a mesma (Oliveira, 2007).
Assim, enquanto a lâmpada estiver operando no modo normal o conversor deve reduzir a tensão de entrada e realizar o controle da corrente nos LEDs. Para isto foi utilizado o circuito proposto em Pinto (2008). Este conversor foi escolhido devido a sua simplicidade, baixo custo e tamanho reduzido. A corrente é monitorada através de um resistor shunt em série com os LEDs. O interruptor é implementa-do por um circuito integraimplementa-do da família NCP101x, responsável também pelo controle da corrente. O projeto deste circuito, bem como seu funcionamento é detalhado em Pinto (2008) e não será enfatizado neste trabalho.
Para carregar a bateria, o mesmo circuito foi uti-lizado adicionando apenas um braço em paralelo com os LEDs. O circuito proposto é apresentado na Fig. 1.
Figura 1. Conversor Buck e carregador da bateria. O controle da corrente de carga da bateria é feito pelo mesmo princípio utilizado para os LEDs, atra-vés de resistor shunt (Rb1 e Rb2) conectado em série
com a bateria. O circuito integrado monitora a tensão do resistor e altera a razão cíclica do circuito de forma a limitar esta tensão ao valor da referência, mantendo a corrente constante no braço.
A tensão da bateria é monitorada através do dio-do zener Zbat e pelo transistor Tbat. O valor do zener
deve ser igual ao valor da tensão nominal da bateria (3,6V) mais a tensão base-emissor de Tbat (0,7V).
Assim, enquanto a tensão da bateria estiver em seu valor nominal, o diodo zener conduz a corrente que circula por Rb1, evitando que o transistor Tbat seja
polarizado e entre em condução, mantendo a bateria desconectada do carregador. A corrente que circula pelo zener é limitada por Rb1 e deve ser pequena para
que a potência dissipada não seja significativa. Por outro lado, enquanto a tensão da bateria es-tiver abaixo do seu valor nominal o diodo zener não conduz e o resistor Rb1 polariza Tbat, que entra em
condução. Neste momento, o resistor Rb2 é conectado
em paralelo com Rb1 e limitam a corrente que circula
pela bateria. A tensão de referência para os resistores é de 20,7V (VZb + VTb-be). O resistor Rb1 foi
especifi-cado em 39kΩ limitando a corrente no zener em aproximadamente 530µA. O resistor Rb2 é
especifi-cado em 220Ω. Assim, o valor da resistência equiva-lente do paralelo de Rb1 e Rb2 será de
aproximada-mente 218Ω, o que resulta em uma corrente de carga na bateria de no máximo 95mA.
Quando a lâmpada entrar no modo emergência, um conversor Boost inicia seu funcionamento, ele-vando a tensão da bateria (3,6V) para a tensão da carga (20V). Este circuito é apresentado na Fig. 2.
Figura 2. Conversor Boost.
O circuito é projetado para fornecer uma corren-te contínua nos LEDs de 50 mA. A comutação é feita pelo transistor Q1. Quando o interruptor está
condu-zindo a bateria transmite energia ao indutor L2.
Quando o interruptor está em bloqueio, o diodo D7
conduz, e a energia armazenada em L2 é transmitida
à carga. Assim, o indutor opera como uma fonte auxiliar em série com a bateria, alimentando os LEDs com tensão superior à de entrada.
O circuito de comando é realizado através de um oscilador formado por C1, R1 e R2. Este circuito é
proposto em Wuchinich (2007) para alimentar um LED de alto brilho (3,6V, 20mA) através de uma bateria de Ni-MH (1,2V). Circuitos osciladores são conhecidos na literatura e foram bastante utilizados para alimentar lâmpadas incandescentes provocando o efeito de flash (Wuchinich, 1978 e Rodgers, 1962). Seu funcionamento é baseado na carga e descar-ga do capacitor C1. O resistor R2 fornece um
cami-nho inicial para a corrente através dos transistores Q2
e Q1, que passam a conduzir. Neste momento, o
capacitor é carregado através de Q2, R1 e Q1.
En-quanto carrega, a tensão no capacitor aumenta até causar o bloqueio do transistor Q2, e
conseqüente-mente o bloqueio de Q1. O tempo de carga do
capaci-tor é o tempo de condução do interrupcapaci-tor Q1. Com o
interruptor em bloqueio, o capacitor é descarregado através dos resistores R1 e R2 sob o caminho dado
pela junção base-coletor de Q1. Os transistores
per-manecerão sem conduzir até que o capacitor descar-regue e a diferença de potencial em Q2 seja suficiente
para que este retorne a entrar em condução. A partir deste momento, Q1 é habilitado novamente através
A freqüência e a razão cíclica são, portanto, de-terminados pelo tempo de carga e descarga do capa-citor. Para o conversor Boost, a razão cíclica é dada pela expressão (1). O bat O V V V D= − Onde:
• D é a razão cíclica da comutação. • VO é a tensão de saída do conversor.
• Vbat é a tensão de entrada (bateria).
Para projetar o conversor deve-se levar em conta que a tensão da bateria diminui ao longo do tempo quando esta começa a descarregar. Assim, a tensão de entrada mínima será de 3V. No conversor Boost, a tensão de saída é proporcional a de entrada. Assim, a diminuição da tensão de entrada causará uma redu-ção na tensão de saída. No entanto, a corrente nos LEDs não poderá ser reduzida significativamente. Para isso, um controle de corrente foi implementado através de um resistor shunt (RL2) em série com os
LEDs. O objetivo deste controle é manter a tensão em RL2 constante no valor de referência, obtendo
assim uma corrente constante no resistor e nos LEDs. Quando a tensão no resistor RL2 ultrapassar a
tensão de condução do diodo D8 mais a tensão
base-emissor do transistor TC2 (tensão de referência), estes
entram em condução e desabilitam Q1. Assim, a
tensão de saída do conversor diminui e conseqüen-temente a tensão em RL2. Porém, a razão cíclica do
conversor é especificada em um valor tal que a ten-são em RL2 seja sempre maior que a referência,
obri-gando o controle a atuar. Desta forma, a iluminação é mantida constante durante todo o funcionamento da lâmpada no modo emergência.
Caso o interruptor da instalação elétrica seja de-sabilitado, a lâmpada é desligada. No entanto, bateria não será carregada uma vez que o circuito está des-conectado da rede. Assim, o interruptor S1 é
empre-gado para desabilitar os LEDs caso o ambiente não necessite de iluminação no instante em que ocorra a
falha no fornecimento de energia elétrica pela rede, por exemplo, durante o dia. Isto permite que a lâm-pada seja utilizada somente quando houver necessi-dade. Além disso, se o interruptor da instalação elé-trica permanecer sempre acionado a bateria poderá ser carregada em qualquer momento.
Porém, devido à característica de fonte de cor-rente, o conversor Boost não pode operar sem carga. Assim, um circuito de proteção foi acrescentado. No momento que S1 desconectar a carga, a tensão de
saída do circuito aumenta. Quando esta tensão atingir a tensão de disparo do zener ZP (27V) este entra em
condução e atua como carga. O resistor RP é
conec-tado em série com o zener para limitar a corrente em um valor pequeno, de forma que a potência dissipada no dispositivo seja insignificante. O controle da corrente no zener é realizado pelo diodo D9 e pelo
transistor TC2, operando da mesma forma que o
con-trole para o resistor RL2.
A corrente nos LEDs é projetada para 50 mA. A tensão de referência é 1,2V. Assim, o valor de RL2 é
igual a 24Ω, determinado pela equação (2).
LEDs BE 2 TC 8 D 2 L I V V R = +
Para o resistor RP a corrente é de 460µA. Como
a tensão de referência é também de 1,2V, o valor de RP é igual a 2.8kΩ.
A Fig. 3 mostra o circuito completo formado pe-lo conversor redutor de tensão, o carregador de bate-ria, o conversor elevador de tensão e os circuitos de acionamento e proteções. Para saber se a lâmpada irá operar no modo normal ou modo emergência, a e-nergia da rede deve ser monitorada. Enquanto houver tensão na rede para alimentar a lâmpada, haverá tensão na saída do conversor Buck. Enquanto isto acontecer, o resistor RM satura o transistor TC2 que
impede o chaveamento de Q1, desabilitando a
opera-ção do conversor Boost. Caso haja algum problema na alimentação pela rede, TC2 sai da saturação e
per-mite o chaveamento de Q1, habilitando o conversor
Boost alimentando os LEDs através da bateria.
Figura 3. Circuito Proposto. (1)
5 Resultados Experimentais
O circuito completo foi implementado para analisar o funcionamento da idéia proposta. Para representar a falha no fornecimento da energia elétrica, o circuito foi desconectado da rede através de um interruptor. A Fig. 4 mostra o resultado experimental para a corrente nos LEDs durante a transição entre o modo normal e o modo emergência.
O circuito é alimentado pela rede fornecendo aos LEDs uma corrente de 280mA. No momento em que a rede é desconectada, o conversor Boost entra em funcionamento alimentando os LEDs com uma cor-rente de 50mA. A corcor-rente no interruptor do Buck (NCP1014) e no indutor L1 são mostradas na Fig. 5 e
6, respectivamente. Devido à pequena ondulação no indutor do Buck, a corrente nos LEDs é mantida constante sem a necessidade de um capacitor de saída no conversor.
A Fig. 7 mostra a tensão e corrente no interrup-tor principal do Boost (Q1). A corrente em ambos os
interruptores possui um valor baixo. O NCP1014 suporta uma tensão de até 700V e Q1 está submetido
a uma tensão máxima de 35V. Portanto, o circuito pode ser implementado com interruptores de baixo custo. O conversor Buck opera com freqüência de 100kHz e o Boost com 125kHz. A Fig. 8 mostra a tensão e corrente na bateria durante a carga. Quando a tensão da bateria ultrapassa 3,6V, a corrente de carga é nula. Neste instante o diodo zener Zbat entra
em condução e desconecta a bateria do carregador. Para analisar o funcionamento do circuito sob entrada universal (90VCA - 240VCA), a tensão de
barramento (VCbus) e a corrente nos LEDs são
mos-tradas na Fig. 9. O funcionamento do conversor Boost para a tensão da bateria variando de 3,6V a 3V é apresentado na Fig. 10. O NCP1014 mantém a comutação e a corrente nos LEDs (300mA) mesmo com a variação da tensão de entrada. Assim como no conversor Boost, onde a corrente nos LEDs perma-nece em aproximadamente 50mA mesmo com a variação da tensão na bateria.
Os componentes utilizados no circuito bem co-mo as características do sistema são co-mostrados na Tabela 1. A Fig. 11 mostra as fotos do protótipo desenvolvido.
Figura 4. Corrente aplicada aos LEDs (50mA/div, 4s).
Figura 5. Corrente no interruptor do Buck (200mA/div, 20µs).
Figura 6. Corrente no indutor do Buck (100mA/div, 10µs).
Figura 7. Tensão e corrente no interruptor do Boost (10V/div, 200mA/div, 10µs).
Figura 8. Tensão e corrente na bateria durante a carga (1V/div, 50mA/div, 1s).
Figura 9. Tensão no barramento (VCbus) para 90VCA a 240VCA e
corrente nos LEDs (250V/div, 200mA/div, 4s). IHV_NCP VQ1 IQ1 Vbat Ibat VCbus ILEDs ILEDs IL1
Figura 10. Tensão na bateria (de 3,6V até 3V) e corrente nos LEDs (1V/div, 50mA/div, 4s).
Figura 11. Protótipo da lâmpada.
Tabela 1. Componentes utilizados e características do sistema. Tensão de Entrada 90VCA – 240VCA Bateria 3V – 3,6V Li-Ion D1-D4, D6 1N4005 Cbus, CN 10µF Interruptor Buck NCP1014 D5 UF4005 RL1 2,2Ω TC1, TC2, Tbat, Tb 2N3904 L1 12mH D7, D8, D9, DM 1N4148 CO 3,3µF ZP 27V RP 2,8kΩ LEDs LXML-PWN1-0080 RL2 24Ω RM 4,7kΩ L2 800µH Q1 PN2222A C1 47pF R1, R2 5,6kΩ Q2 2N3905 Rb1 39kΩ Rb2, RC1 220Ω Rb 1kΩ Zb 20V Zbat 4,3V 6 Conclusão
Este trabalho apresentou o projeto de um sistema de iluminação de emergência integrado a uma lâmpada compacta empregando LEDs de potência. O circuito é simples, compacto e de baixo custo. Dentre outras características pode-se citar: a facilidade de instala-ção com a simples substituiinstala-ção por lâmpadas incan-descentes e fluorescentes compactas; alimentação com tensão de entrada universal; utilização de LEDs que apresentam maior vida útil e eficácia luminosa comparada às lâmpadas utilizadas nos sistemas de iluminação de emergência tradicionais.
Os resultados experimentais mostram que o sis-tema funciona de forma satisfatória. A intensidade luminosa da lâmpada operando no modo emergência foi medida e atingiu 6 lux a 3 metros de distância do luxímetro. O sistema garante uma autonomia de aproximadamente 1,9 horas de operação, o que é superior ao exigido pelas normas.
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Vbat
