CONTROLE DO FLUXO LUMINOSO DE LÂMPADAS LED VISANDO MAIS
DURABILIDADE E ECONOMIA DE ENERGIA
Igor Borges Tavares, Antônio César Costa Ferreira Rosa, Felipe Adriano da Silva Gonçalves, Marcus
Vinicius Ferreira, Fábio Vincenzi Romualdo da Silva
Laboratório de Automação, Servomecanismos e Controle (LASEC) Núcleo de Controle e Automação (NCA)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Av. João Naves de Ávila, 2160 - Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: 38400-902 Uberlândia, MG, Brasil
e-mail: igorborgest@gmail.com Resumo – Tendo como foco o desperdício de energia
existente em ambientes como salas de aula e lojas, que necessitam de iluminação também durante o dia, foi desenvolvido um circuito para o controle de potência das lâmpadas visando complementar a iluminação natural do ambiente, e não simplesmente utilizando-as sempre em sua potência máxima. O controle do fluxo luminoso resulta em uma menor demanda de energia e na maior durabilidade das lâmpadas.
Palavras-Chave – Automatização, Economia de energia, LED, Iluminação.
CONTROL OF LED LAMPS LUMINOUS
FLUX AIMING TO INCREASE
DURABILITY AND POWER SAVING
Abstract – Centering on energy waste in environments such as classrooms and shops that need lighting during the day, we developed a circuit to control the lamp power to complement the natural lighting, and not simply using them ever in the fullest potential. Control of luminous flux results in lower energy demand and the durability of the lamps.
1
Keywords – Automation, Energy Saving, LED, Lighting.
I. INTRODUÇÃO
É fato que o crescimento populacional e o consumismo desenfreado fazem com que, cada vez mais, sejam buscadas novas fontes de energia ou simplesmente que as fontes atuais sejam utilizadas de maneira mais eficiente; já que tais fatores aumentam a demanda energética, base de praticamente quase todos os processos.
Tomando como foco o melhor aproveitamento da energia atualmente disponível, é proposta uma maneira mais
inteligente de prover a correta iluminação para diversos ambientes.
Dessa forma a adoção de lâmpadas Light-Emitting Diode (LED) é proposta já que, apesar de ter alto custo de aquisição, em longo prazo apresentam inúmeras vantagens em relação aos modelos de lâmpadas convencionais.
Algumas das vantagens das lâmpadas LED são: vida útil de até 100 mil horas, ausência de radiação ultravioleta e infravermelha, não possuir mercúrio nem outros elementos agressivos ao meio ambiente, maior robustez mecânica etc.
Além da adoção da lâmpada LED, é proposto acoplar um circuito responsável pelo controle da potência dos LEDs, a fim de que eles liberem no ambiente apenas a luminosidade necessária.
A ilustração da lâmpada que foi utilizada para validar a ideia, pode ser observada na Figura 1.
II. DESCRIÇÃO DO CIRCUITO
O circuito elaborado para esse projeto tem como foco abordar o controle de iluminância em um plano de trabalho.
A etapa responsável pela aquisição da luminosidade do ambiente é composta por um sensor Light Dependent
Resistor (LDR), o qual varia a sua resistência linearmente
com a intensidade luminosa que nele incidente. Após a captação do sinal, o mesmo passa por um filtro passa-baixa ativo que utiliza o amplificador operacional LF351.
O papel do filtro é garantir que a lâmpada não altere sua luminosidade com frequências irritantes para as pessoas no recinto, como seria o caso onde há uma cortina em movimento em frente a uma janela, variando a iluminância do local intermitentemente.
Finalizada a aquisição e o tratamento do sinal, este é enviado para o conversor analógico/digital interno do microcontrolador, que o utilizará em sua forma digital.
O microcontrolador escolhido foi o PIC12F675 da
Microchip porque este modelo apresenta baixo custo.
O microcontrolador, além de digitalizar o sinal fornecido pelo sensor LDR, realiza o controle do processo e gera o sinal PWM que aciona os LEDs.
A frequência do PWM foi fixada em 100 Hz, que está acima da velocidade humana de percepção visual.
A lâmpada possui um potenciômetro que ajusta a intensidade luminosa desejada pelo usuário. Após o ajuste, o circuito de controle irá alterar a intensidade luminosa emitida pela lâmpada de acordo com a iluminação ambiente.
III. DESCRIÇÃO DO FILTRO
A necessidade de um filtro analógico vem da impossibilidade da realização de um filtro digital no microcontrolador, visto que o mesmo possui um set de instruções reduzido e uma velocidade de processamento limitada.
Como dito anteriormente, um filtro foi utilizado com o objetivo de evitar que a lâmpada atue com mudanças muito bruscas de intensidade luminosa, ou que oscile demasiadamente, gerando desconforto visual aos presentes no ambiente. Sua configuração consiste em um filtro passa-baixa de dois polos, para atenuar frequências acima de 3 hertz, tal atenuação corresponde a -40dB/década, na faixa de corte.
A fim de obtermos tais resultados, os capacitores foram dimensionados com 470 nF e os resistores com 110 KΩ, de acordo com a seguinte formula:
(1) Onde: fc – frequência de corte R – resistores do filtro C – capacitores do filtro
O esquemático pode se visualizado na Figura 2.
Fig. 2. Esquemático do filtro
IV. DESCRIÇÃO DO CONTROLE
Para fazer o controle da iluminância do plano de trabalho foi utilizado um controlador PI (Proporcional Integrativo) que permitirá que a potência nos LEDs seja aplicada de forma suave e que atinja seu valor ideal com precisão. O PI clássico pode ser equacionado com a equação (2). ( ) . ( )
∫ ( ) / (2)
Onde:
u(t) – sinal atuante e(t) – erro
Ti – tempo da integral Kp – constante proporcional
Entretanto, como o controle é feito de forma digital pelo microcontrolador, é necessário a discretização dessa equação. A componente proporcional de (2) não precisa de nenhuma aproximação, pois é uma expressão puramente estática.
A componente integral é dinâmica e para ser obtida na forma discretizada pelo método numérico da integração pela Regra de Simpson, como mostrado na equação (3).
∫ ( ) ∑ { * ( ) , ( )- ( )+} (3) Onde:
h – tempo de amostragem
Deste modo, substituindo (3) em (2), podemos representar a equação do controle PI da seguinte forma: ( ) 0 ( ) .∑ { * ( ) , ( )- ( )+}/1
Logo:
Onde:
Ki – constante integrativa O fluxograma do controle segue na Figura 3:
Fig. 3. Fluxograma do controle.
V. DESCRIÇÃO DO PROGRAMA
Durante os testes um dos desafios encontrados foi o desenvolvimento do firmware. A relação entre largura de pulso e luminosidade detectada não é linear, exigindo Duty
Cicles pequenos para se obter brilho reduzido, deste modo a
relação entre porcentagem de brilho e Duty Cicle é dado pelas equações (5) e (6).
(5) (6) Onde:
L – Porcentagem da luminosidade detectada; D – Fração da largura máxima de pulso.
Como o pulso tem frequência de 100 Hz e o microcontrolador opera a 1MHZ, ele leva 1µs para executar cada instrução. Com o método tradicional de produzir um pulso modulado com a interrupção de algum timer do micro, consegue-se uma razão mínima de 1%, e máxima 99%.
Entretanto, com Duty Cicle de 1% a luminosidade emitida pela lâmpada é de aproximadamente 9% da luminosidade máxima. Este valor é elevado e impede um ajuste fino da intensidade luminosa emitida pela lâmpada quando o ambiente está com iluminação próxima da desejada.
Com o objetivo de se obter 0,01% do Duty Cicle, que corresponde a 0,09% da luminosidade, optou-se por mesclar
o método tradicional de se produzir PWM com timer com outra estratégia própria para pulsos de alta precisão da ordem de um ciclo de máquina.
Tal método baseia-se na ideia de colocar em nível “alto” o pino do PWM e em seguida manipular o Contador de Programa do PIC para “pular” o número exato de instruções, para se obter maior precisão no PWM.
O fluxograma do controle é apresentado na Figura 4:
Fig. 4. Fluxograma do firmware
VI. SIMULAÇÃO DO CIRCUITO
A simulação foi realizada no software Proteus, com o intuito de validar o funcionamento tanto do hardware quanto do software. A Figura 5 mostra o sinal PWM usado no acionamento dos LEDs.
Fig. 5. Sinal PWM utilizado no acionamento dos LEDs A Figura 6 mostra a resposta do controle PI em relação a vários degraus inseridos na entrada que simulam uma janela sendo aberta e fechada intermitentemente no ambiente.
Fig. 6. Gráfico com o resultado do controle
VII. RESULTADOS PRÁTICOS
Na prática foram obtidos resultados semelhantes aos da simulação. A Figura 7 mostra a lâmpada em um ambiente mais e menos iluminado com o consumo variando de 2,42 W para apenas 1,32 W.
Fig. 7. Fotos comparando as atuações da lâmpada A Figura 8 apresenta o sinal de controle durante a transição de luminosidade do ambiente, correspondente ao ensaio mostrado na figura 7.
Fig. 8. Fotos capturadas no osciloscópio
VIII. CONCLUSÃO
Tendo em vista que o processo de desenvolvimento das lâmpadas a LED e a redução do consumo de energia, este projeto é de grande valia para empresas, escolas e ambientes públicos, onde um bom sistema de iluminação é necessário e, a médio e longo prazo, traz uma grande economia financeira. Sabendo disto, o projeto foi desenvolvido para aproveitar a iluminação já existente no ambiente.
Conclui-se então que, além do consumo de energia elétrica ser minimizado com a utilização da potência realmente necessária para a iluminação do ambiente, também há economia no sentido da durabilidade das lâmpadas, devido à menor corrente média nos LEDs, se comparado aos sistemas comuns de lâmpada.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem aos seus familiares pela compreensão nos momentos de ausência pela realização do trabalho, assim como pelo apoio incondicional.
A conclusão do projeto também não seria possível sem a colaboração, dos professores Aniel Silva de Morais, Carlos Augusto Bissochi Jr. e Josué Silva de Morais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Eduardo Morgad. Cap. 8 - Controlador P-I-D. Portugal, Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (DEEC). Disponível em:< http://users.isr.ist.utl.pt/~cjs/cadeiras/controlodata/Grup o03.pdf>.Acesso em: 21 maio 2011.
[2] Eduardo Camponogara. Cálculo Numérico para
controle e automação. Santa Catarina, Departamento de
Automação e Sistemas Universidade Federal de Santa
Catarina. Disponível em:<
http://www.das.ufsc.br/~camponog/Disciplinas/DAS-5103/Slides/l21-numint-simpson.pdf >.Acesso em: 25 maio 2011.
[3] Eduardo Camponogara. Cálculo Numérico para
controle e automação. Santa Catarina, Departamento de
Automação e Sistemas Universidade Federal de Santa
Catarina. Disponível em:<
http://www.das.ufsc.br/~camponog/Disciplinas/DAS-5103/Slides/l21-numint-simpson.pdf>.Acesso em: 27 maio 2011.
