Introdução
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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA REATOR ELETRÔNICO MULTIFREQÜÊNCIA PARA LÂMPADA FLUORESCENTE T5 COM PRÉAQUECIMENTO POR TENSÃO Dissertação submetida à Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Anderson Soares dos Santos Porto Alegre, Dezembro 2004. REATOR ELETRÔNICO MULTIFREQÜÊNCIA PARA LÂMPADA FLUORESCENTE T5 COM PRÉAQUECIMENTO POR TENSÃO ANDERSON SOARES DOS SANTOS Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. _______________________________________ Fernando Soares dos Reis, Dr. Ing. Orientador _______________________________________ Ricardo Nederson Prado, Dr. Eng. _______________________________________ Vicente Mariano Canalli, Dr.Ing. ________________________________________ Jeanine Marchiori da Luz, Dra. Eng. ii Resumo da Dissertação apresentada a PUCRS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. REATOR ELETRÔNICO MULTIFREQÜÊNCIA PARA LÂMPADA FLUORESCENTE T5 COM PRÉAQUECIMENTO POR TENSÃO Anderson Soares dos Santos Dezembro / 2004. Orientador: Fernando Soares dos Reis, Doutor. Linha de Pesquisa: Eletrônica Industrial, Automação e Controle. Palavras-chaves: Reator Eletrônico, Lâmpadas Fluorescente Tubular T5, Eletrônica de Potência. Número de Páginas: 150. RESUMO: Neste trabalho é analisado, simulado e testado experimentalmente um reator eletrônico para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W do tipo T5 com pré-aquecimento por tensão. A lâmpada é alimentada por um filtro ressonante LC série C paralelo. Durante o período de pré-aquecimento os filamentos são alimentados por um enrolamento secundário de um filtro ressonante LC série, após este período o filtro é retirado do circuito de potência eliminando o aquecimento nos filamentos. Este trabalho apresenta um teste de ciclo rápido para determinar a compatibilidade entre a lâmpada fluorescente e o reator eletrônico proposto. Resultados experimentais sugerem que as características intrínsecas do reator proposto prolongam a vida útil da lâmpada fluorescente. iii Abstract of Dissertation submitted to the Engineering Faculty of the PUCRS in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. MULTIFREQUENCY ELECTRONIC BALLAST FOR FLUORESCENT LAMP T5 WITH VOLTAGE PREHEAT Anderson Soares dos Santos December 2004 Supervisor: Fernando Soares dos Reis, Ph.D. Area of Concentration: Power Electronics. Keywords: Electronic Ballast, Fluorescent Lamp T5, Power Electronics. Number of Pages: 150. ABSTRACT: In this work is analyzed, simulated and tested experimentally an electronic ballast for a 28 W fluorescent lamp type T5 with voltage preheat. The lamp is driven by a LC series C parallel resonant filter. During warm up the filaments are driven by secondary winding of a LC series resonant filter, after preheat time this circuit is cut off eliminating filament power. This work presents rapid cycle test for determinate compatibility between the fluorescent lamp and the proposed ballast. Experimental results suggest that the inherent features of the proposed ballast topology will prolong fluorescent lamp lifetime. iv AGRADECIMENTOS A cada etapa da vida sentimos uma sensação diferente, às vezes boas outras ruins, mas sabemos que ao final de uma etapa adquirimos mais conhecimentos e tentamos nos tornar melhores profissionais e acima de tudo melhores pessoas. São muitos aqueles que eu gostaria de agradecer aos meus pais, a minha esposa, alguns parentes, aos amigos que adquirimos ao longo do curso ou aqueles que sempre estiveram juntos, aos colegas de trabalho a empresa. Porém existem pessoas que por mais que agradeçamos nunca será suficiente para mostrar o quanto somos gratos pela ajuda. Mas são muitas as pessoas que ajudaram de alguma forma para que o trabalho adquirisse forma. Um muito obrigado a todos! v SUMÁRIO INTRODUÇÃO ....................................................................................................................1 1 LÂMPADAS DE DESCARGA .......................................................................................4 1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................4 1.2 PASSADO E PRESENTE DA ILUMINAÇÃO .....................................................................4 1.3 LÂMPADA DE DESCARGA DE BAIXA PRESSÃO ............................................................8 1.4 LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO ............................................................9 1.4.1 Lâmpada de vapor de mercúrio .................................................................... 10 1.4.2 Lâmpada de vapor de sódio .......................................................................... 10 1.4.3 Lâmpada de vapor metálico .......................................................................... 11 1.5 CONCEITOS DE LUMINOTÉCNICA .............................................................................11 1.5.1 Luz visível..................................................................................................... 12 1.5.2 Temperatura de cor correlata ........................................................................ 13 1.5.3 Índice de reprodução de cores....................................................................... 14 1.6 CONCLUSÃO ............................................................................................................14 2 LÂMPADA FLUORESCENTE ...................................................................................16 2.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................16 2.2 ESTRUTURA DA LÂMPADA FLUORESCENTE ..............................................................16 2.2.1 Bulbos ........................................................................................................... 16 2.2.2 Fósforos ........................................................................................................ 17 2.2.3 Filamentos ..................................................................................................... 17 2.2.4 Bases ............................................................................................................. 18 2.3 CARACTERÍSTICAS DE ILUMINAÇÃO DAS LÂMPADAS FLUORESCENTES ....................18 2.3.1 Eficácia ......................................................................................................... 18 2.3.2 Distribuição da energia ................................................................................. 19 2.4 TIPOS DE LÂMPADAS FLUORESCENTES .....................................................................19 2.4.1 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida convencional ......................... 19 2.4.2 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida instantânea ............................ 20 2.4.3 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida rápida .................................... 20 vi 2.4.4 Lâmpadas fluorescentes tubulares de alto fluxo luminoso HO .................... 20 2.4.5 Lâmpadas fluorescentes T8 .......................................................................... 20 2.4.6 Lâmpadas fluorescentes compactas .............................................................. 21 2.4.7 Lâmpada fluorescente T5 .............................................................................. 22 2.5 CIRCUITOS DE OPERAÇÃO DAS LÂMPADAS FLUORESCENTES ....................................27 2.5.1 Reatores eletromagnéticos ............................................................................ 28 2.5.2 Reator Eletrônico .......................................................................................... 31 2.6 COMPORTAMENTO DA LÂMPADA FLUORESCENTE ....................................................33 2.6.1 Característica de resistência negativa ........................................................... 33 2.6.2 Lâmpada fluorescente operando em alta freqüência ..................................... 34 2.7 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA FLUORESCENTE TUBULAR T5 E T8 ....................36 2.8 COMPARAÇÃO ENTRE LÂMPADA FLUORESCENTE T5 E A LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO .........................................................................................................................38 2.9 CONCLUSÃO ............................................................................................................41 3 EXPECTATIVA DE VIDA DAS LÂMPADAS FLUORESCENTES T5 ................43 3.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................43 3.2 TESTES DE CICLOS RÁPIDOS PARA LÂMPADA FLUORESCENTE ..................................43 3.2.1 Medida da resistência dos eletrodos para as lâmpadas T8 e T12 ................. 45 3.2.2 Medida da resistência dos eletrodos para as lâmpadas T5 ............................ 47 3.3 TEMPO DE VIDA MÉDIO PARA A LÂMPADA FLUORESCENTE T5 .................................50 3.4 RECOMENDAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE REATORES ELETRÔNICOS PARA LÂMPADAS T5 ...................................................................................................................51 3.4.1 Características de pré-aquecimento .............................................................. 51 3.4.2 Tensão de ignição ......................................................................................... 52 3.5 CONCLUSÃO ............................................................................................................53 4 ANÁLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO .............................................................54 4.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................54 4.2 TOPOLOGIA DOS CIRCUITOS PARA A ETAPA DE POTÊNCIA ........................................54 4.2.1 Reator eletrônico auto-oscilante ressonante paralelo.................................... 54 4.2.2 Reator eletrônico auto-oscilante ressonante série ......................................... 55 4.2.3 Reator eletrônico auto-oscilante push-pull alimentado por corrente ............ 56 vii 4.2.4 Topologia do circuito de potência do reator eletrônico para a lâmpada fluorescente T5 ......................................................................................................... 57 4.3 FILTROS RESSONANTES............................................................................................58 4.3.1 Análise do filtro ressonante LC série ............................................................ 60 4.3.2 Análise do filtro ressonante L série C paralelo ............................................. 63 4.3.3 Análise do filtro ressonante LC série C paralelo .......................................... 65 4.4 TOPOLOGIA DO INVERSOR E FILTRO RESSONANTE PARA O REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO ....................................................................................69 4.5 ANALISE QUALITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ- AQUECIMENTO APÓS O ACENDIMENTO DA LÂMPADA FLUORESCENTE ...............................70 4.6 ANÁLISE QUANTITATIVA DO REATOR UTILIZANDO FILTRO LC SÉRIE C PARALELO, RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA ...............................................................................................72 4.6.1 Ganho do filtro LC série C paralelo .............................................................. 73 4.6.2 Impedância parametrizada ............................................................................ 74 4.7 CONCLUSÃO ............................................................................................................78 5 PROJETO E SIMULAÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO ...............................................................................................79 5.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................79 5.2 PROJETO DO REATOR ELETRÔNICO PELO MÉTODO DO ÂNGULO DE FASE DA IMPEDÂNCIA DO FILTRO ....................................................................................................79 5.2.1 Impedância de entrada Z(j) do filtro ressonante LC série C paralelo ........ 80 5.2.2 Argumento da impedância de entrada () ..................................................... 82 5.2.3 Cálculo de CP em função do ângulo .......................................................... 82 5.2.4 Cálculo de LS em função do ângulo e Cs................................................... 84 5.2.5 Cálculo de P em função do ângulo e Cs .................................................... 86 5.3 SIMULAÇÃO DO CIRCUITO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ- AQUECIMENTO ..................................................................................................................90 5.3.1 Resultados da simulação ............................................................................... 91 5.4 CONCLUSÃO ............................................................................................................94 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA O REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO .......................................................................95 viii 6.1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................95 6.2 MATERIAL UTILIZADO .............................................................................................95 6.3 MONTAGEM DO CIRCUITO .......................................................................................96 6.3.1 Circuito pré-regulador do fator de potência .................................................. 96 6.3.2 Circuito de controle das chaves .................................................................... 96 6.3.3 Circuito total ................................................................................................. 97 6.4 RESULTADOS ...........................................................................................................98 6.5 CONCLUSÃO ..........................................................................................................102 7 ANÁLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO ..........................................................103 7.1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................103 7.2 TOPOLOGIA DO INVERSOR E FILTRO RESSONANTE PARA O REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO ..................................................................................103 7.2.1 Pré-aquecimento controlado por corrente ................................................... 103 7.2.2 Pré-aquecimento controlado por tensão ...................................................... 104 7.3 ANALISE QUALITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ- AQUECIMENTO ................................................................................................................106 7.3.1 Antes do acendimento da lâmpada ............................................................. 106 7.3.2 Após o acendimento da lâmpada ................................................................ 109 7.4 ANÁLISE QUANTITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ- AQUECIMENTO ................................................................................................................110 7.4.1 Antes do acendimento da lâmpada, resposta em freqüência....................... 110 7.4.2 Após o acendimento da lâmpada, resposta em freqüência ......................... 114 8 PROJETO E SIMULAÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO DA LÂMPADA FLUORESCENTE ...............................115 8.1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................115 8.2 PROJETO DO CIRCUITO DE PRÉ-AQUECIMENTO .......................................................115 8.3 PROJETO DO CIRCUITO DE PARTIDA .......................................................................117 8.4 SIMULAÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO .....117 8.4.1 Resultados da simulação ............................................................................. 118 8.5 CONCLUSÃO ..........................................................................................................120 ix 9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA O REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO .....................................................................121 9.1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................121 9.2 MONTAGEM DO CIRCUITO .....................................................................................121 9.3 CIRCUITO DE CONTROLE DAS CHAVES ...................................................................121 9.3.1 Circuito para variar a freqüência de controle das chaves ........................... 121 9.3.2 Circuito de proteção .................................................................................... 123 9.3.3 Circuito total ............................................................................................... 124 9.4 RESULTADOS .........................................................................................................126 9.5 CONCLUSÃO ..........................................................................................................129 10 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO ......................................130 11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................133 x LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Processo de geração de luz visível nas lâmpadas fluorescentes. ....................... 9 Figura 1.2 – Espectro eletromagnético. ................................................................................ 12 Figura 1.3 – Exemplo de temperatura de cor. ...................................................................... 14 Figura 2.1 – Elementos básicos de uma lâmpada típica fluorescente de cátodo quente. ..... 17 Figura 2.2 – Distribuição de energia de entrada em uma lâmpada fluorescente branca fria de 40W.................................................................................................................................. 19 Figura 2.3 – Lâmpadas fluorescentes compactas. ................................................................ 22 Figura 2.4 – Final da lâmpada com o Cold spot. .................................................................. 24 Figura 2.5 – Manutenção do fluxo luminoso nas lâmpadas fluorescentes T5. ..................... 26 Figura 2.6 – Dependência da temperatura, lâmpadas T5. .................................................... 26 Figura 2.7 – Temperatura ambiente, lâmpada T5 e T8. ....................................................... 27 Figura 2.8 - Circuito do reator convencional com starter para uma lâmpada fluorescente. . 28 Figura 2.9 – Circuito do reator partida rápida para uma lâmpada fluorescente. .................. 29 Figura 2.10 – Circuito do reator partida instantânea para uma lâmpada fluorescente. ........ 30 Figura 2.11 – Reator híbrido para uma lâmpada fluorescente. ............................................. 30 Figura 2.12 – Diagrama de blocos de um reator eletrônico de alto fator de potência. ......... 32 Figura 2.13 – Característica de tensão e corrente das lâmpadas fluorescentes. .................. 34 Figura 2.14 – Eficácia da lâmpada fluorescente em diferentes freqüências de operação. ... 35 Figura 2.15 – Característica V x I da lâmpada fluorescente operando em alta freqüência, em diferentes potências. ....................................................................................................... 36 Figura 2.16 – Exemplo de aplicação de luminárias com lâmpadas de vapor metálico e lâmpadas fluorescentes T-5HO. ........................................................................................... 39 Figura 2.17 – Iluminância em um sistema de iluminação utilizando lâmpadas de vapor metálico e lâmpadas fluorescentes T5HO. ........................................................................... 41 Figura 3.1 – Vida média por ciclos de operação. ................................................................. 44 Figura 3.2 – Comportamento da resistência do eletrodo para lâmpada fluorescente de 40W T12, com reator eletrônico.................................................................................................... 47 Figura 3.3 – Comportamento da resistência do eletrodo para lâmpada fluorescente de 32W fabricante A, com reator eletrônico. ..................................................................................... 47 Figura 3.4 – Resistência da lâmpada Sylvânia T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo.48 xi Figura 3.5 – Resistência da lâmpada Osram T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo. .. 49 Figura 3.6 – Resistência da lâmpada Philips T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo. . 49 Figura 3.7 – Expectativa de vida em um ciclo de 3 horas para a lâmpada T5. .................... 50 Figura 4.1 – Reator eletrônico ressonante paralelo, com partida instantânea das lâmpadas.55 Figura 4.2 – Reator eletrônico auto-oscilante ressonante série, partida rápida. ................... 56 Figura 4.3 – Reator eletrônico push-pull alimentado por corrente, partida instantânea. ...... 57 Figura 4.4 – Circuitos dos filtros de saída: a) LC série; b) L série C paralelo; c) C série LC paralelo; d) LC série C paralelo; e) LC série L paralelo; f) L série LC paralelo; g) LC série LC paralelo. .......................................................................................................................... 59 Figura 4.5 – Conversor half-bridge com os circuitos ressonantes a) LC série; b) L série C paralelo; c) LC série C paralelo. ........................................................................................... 60 Figura 4.6 – Circuito equivalente AC, filtro ressonante LC série. ....................................... 60 Figura 4.7– Tensão vE(t). ...................................................................................................... 61 Figura 4.8 – Ganho do circuito ressonante LC série em relação a U para cinco valores de QS. ......................................................................................................................................... 62 Figura 4.9 – Circuito equivalente AC, filtro ressonante L série C paralelo. ........................ 63 Figura 4.10 – Ganho do filtro ressonante L série C paralelo em relação a U e para cinco valores de QS. ....................................................................................................................... 64 Figura 4.11– Circuito equivalente AC, filtro ressonante LC série C paralelo...................... 65 Figura 4.12 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=CP. ................................................................................................... 67 Figura 4.13 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=2CP. ................................................................................................. 67 Figura 4.14 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=20CP. ............................................................................................... 68 Figura 4.15 – Curva de ganho para CS=10CP e para QS=5,6,7 e 0,2. ................................... 69 Figura 4.16 – Etapa de funcionamento do reator eletrônico sem controle do pré- aquecimento. ......................................................................................................................... 70 Figura 4.17 – Formas de ondas teóricas do reator eletrônico sem controle do préaquecimento. ......................................................................................................................... 72 Figura 4.18 – Circuito do reator eletrônico meia ponte alimentado por tensão com filtro ressonante LC série C paralelo. ............................................................................................ 73 Figura 4.19– Circuito equivalente AC, filtro ressonante LC série C paralelo...................... 73 xii Figura 4.20 – Impedância de entrada do filtro ressonante LC série C paralelo. .................. 74 Figura 4.21 – Impedância parametrizada do filtro LC série C paralelo. .............................. 77 Figura 4.22 – Forma de onda característica do filtro ressonante LC série C paralelo com característica de impedância indutiva. .................................................................................. 77 Figura 4.23 – Argumento da impedância do filtro LC série C paralelo. .............................. 78 Figura 5.1 – Gráfico de projeto para CP. .............................................................................. 84 Figura 5.2 - Gráfico de projeto para LS, considerando CS=100nF, CS1=300nF e CS2=50nF.86 Figura 5.3 - Gráfico de projeto para potência nominal (P) e partida (PP) para a lâmpada fluorescente. .......................................................................................................................... 87 Figura 5.4 – Tensão sobre a lâmpada (Volts) durante a partida para valores de U. ............ 88 Figura 5.5 – Tensão sobre a lâmpada (Volts) após a partida para valores de U.................. 88 Figura 5.6 – Pico de corrente nas chaves (ISM) em função de U, durante a partida da lâmpada................................................................................................................................. 89 Figura 5.7 –Pico de corrente nas chaves (ISM) em função da relação de freqüência U, após a partida da lâmpada. ............................................................................................................... 90 Figura 5.8 – Circuito simulado no Orcad. ............................................................................ 91 Figura 5.9 – Tensão gerada nos terminais da lâmpada durante a partida. ............................ 92 Figura 5.10 – Tensão (verde) e corrente (x500) (vermelho) na lâmpada fluorescente após o acendimento. ......................................................................................................................... 92 Figura 5.11 – Tensão após o capacitor série (Vaa’) (azul) e corrente no indutor (x500) (vermelho). ........................................................................................................................... 92 Figura 5.12 - Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS, em vermelho) da chave S2, durante o acendimento da lâmpada....................................................................... 93 Figura 5.13 – Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS, em vermelho) da chave S2 (x500), após o acendimento da lâmpada................................................................ 93 Figura 6.1 – Circuito típico para o circuito IR2153D........................................................... 96 Figura 6.2 – Formas de ondas dos pinos de entrada e saída do IR2153D. ........................... 97 Figura 6.3 – Circuito do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente 28W/T5. ............................................................................................. 98 Figura 6.4 – Reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento na placa de circuito impresso. ............................................................................................................................... 98 Figura 6.5 – Tensão na lâmpada no momento da partida. .................................................... 99 Figura 6.6 – Tensão de controle das chaves VGS1 e VGS2. .................................................... 99 xiii Figura 6.7 – Tensão entre dreno e fonte das chaves S1 e S2, VDS1 e VDS2. ......................... 100 Figura 6.8 – Tensão dreno fonte VDS1 e corrente de dreno IS1 no momento da partida da lâmpada............................................................................................................................... 100 Figura 6.9 - Tensão dreno fonte VDS1 e corrente de dreno IS1 após a partida da lâmpada. 101 Figura 6.10 – Tensão e corrente da lâmpada fluorescente após seu acendimento. ............ 101 Figura 7.1 – Reator Eletrônico com pré-aquecimento controlado por corrente. ................ 104 Figura 7.2 – Lâmpada fluorescente 28W/T5 trincada pelo excesso de aquecimento no filamento. ............................................................................................................................ 104 Figura 7.3 – Circuito de um reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão. .............. 105 Figura 7.4 – Reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão modificado.................... 106 Figura 7.5 - Etapa de funcionamento do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento por tensão............................................................................................................................ 107 Figura 7.6 – Formas de ondas teóricas do reator eletrônico com controle do préaquecimento. ....................................................................................................................... 109 Figura 7.7 – Circuito equivalente CA do pré-aquecimento: (a) os filamentos de uma lâmpada fluorescente, (b) as resistências dos filamentos refletida para o primário. .......... 110 Figura 7.8 – Módulo do ganho do circuito de pré-aquecimento. ....................................... 112 Figura 7.9 – Módulo da impedância parametrizada, circuito de pré-aquecimento. ........... 114 Figura 8.1 – Impedância parametrizada em função do fator de qualidade, para U= 4. ...... 116 Figura 8.2 – Circuito simulado no Orcad. .......................................................................... 118 Figura 8.3 – Tensão na resistência de filamento equivalente. ............................................ 119 Figura 8.4 – Tensão através da lâmpada fluorescente. ....................................................... 120 Figura 8.5 – Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS2, em vermelho) da chave S2 (x100)................................................................................................................... 120 Figura 9.1 – Mudanças nas freqüências de operação do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento. ................................................................................................................ 122 Figura 9.2 – Circuito simplificado para variação de freqüência do oscilador. ................... 123 Figura 9.3 – Reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5. ........................................................................................ 124 Figura 9.4 – Circuito total do reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão. ............ 125 Figura 9.5 – Tensão de lâmpada (CH1) e filamento (CH2) durante o pré-aquecimento. .. 126 Figura 9.6 - Tensão de lâmpada (CH1) e filamento (CH2) durante o pré-aquecimento. ... 126 xiv Figura 9.7 – Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) nas chaves de potência durante o pré-aquecimento. .................................................................................. 127 Figura 9.8 – Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) durante a partida da lâmpada............................................................................................................................... 127 Figura 9.9 - Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) durante o regime de operação. ............................................................................................................................. 128 Figura 9.10 – Tensão (azul) e corrente (vermelho) da lâmpada após seu acendimento. .... 128 Figura 9.11 – Distorção harmônica da corrente de alimentação em % da fundamental. ... 129 xv LISTA DE SÍMBOLOS Fluxo luminoso ANSI American National Standards Institute CISPR International Special Committee on Radio Interference CP Capacitor ressonante paralelo Faraday (F) CS Capacitor ressonante série Faraday (F) D1 Diodo 1 D2 Diodo 2 E Fonte de tensão contínua EI Iluminância ou iluminamento EMI Interferência eletromagnética FCC Federal Communications Commision fIG Freqüência de ignição FP Fator de potência fPA Freqüência de pré-aquecimento Hertz (Hz) fRG Freqüência de regime Hertz (Hz) FS Freqüência de operação Hertz (Hz) GE General Electric HID High Intensity Discharge I Intensidade luminosa IEC International Electrotechnical Commission IESNA Illuminating Engineering Society of North America IRC Índice de reprodução de cor l Luminância Id Corrente no diodo antiparalelo com as chaves Ámpere (A) IDM Máxima corrente suportada pelo transistor Ámpere (A) ILAMP Corrente de lâmpada Ámpere (A) ILP Corrente de pico no indutor Ámpere (A) ISM Corrente de pico nas chaves Ámpere (A) LS Indutor série N Relação de espiras lúmem(lm) Volts (V) lux (lx) Hertz (Hz) Candela (cd) (cd/m2) Henry (H) xvi NBR Normas Brasileiras NF Número de filamentos P Potência na lâmpada PFP Pré-regulador do fator de potência PP Potência na partida da lâmpada PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia QS Fator de qualidade QL Fator de qualidade do circuito RF1 Resistência do filamento 1 Ohm () RF2 Resistência do filamento 2 Ohm () RLAMP Modelo resistivo da lâmpada Ohm () RP Resistência equivalente da lâmpada na parida Ohm () S1 Transistor 1 representado pela chave 1 S2 Transistor 2 representado pela chave 2 S3 Transistor 3 representado pela chave 3 THD Distorção harmônica total tOFF Tempo da chave desligada Segundos (s) tON Tempo da chave ligada Segundos (s) U Freqüência parametrizada VDS1 Tensão dreno-fonte da chave 1 Volts (V) VDS2 Tensão dreno-fonte da chave 2 Volts (V) VE Tensão eficaz de entrada Volts (V) VEM Tensão máxima de entrada Volts (V) VGS1 Tensão gate-fonte da chave 1 Volts (V) VGS2 Tensão gate-fonte da chave 2 Volts (V) VL Tensão na lâmpada Volts (V) VRE Tensão no resistor equivalente dos filamentos Volts (V) VS Tensão de saída Volts (V) VPART Tensão de partida da lâmpada Volts (V) ZVS Zero Voltage Switching 0 Freqüência de ressonância Radianos (Rad) S Freqüência de operação Radianos (Rad) Watts (W) xvii Watts (W) INTRODUÇÃO Pode-se até dizer que todo desenvolvimento da espécie humana e de seu cérebro privilegiado foi ofuscado pela conquista do fogo e da luz. Há milhares de anos, o homem desenvolve métodos e conceitos para o melhor aproveitamento da luz solar e o melhor rendimento para a luz artificial, sempre visando o conforto visual e os exercícios das atividades relacionadas ao ambiente. Nos últimos anos, houve um avanço na utilização de sistemas mais eficientes na iluminação, certamente motivado pelo aumento no custo da energia elétrica nos países desenvolvidos. O investimento necessário para construir usinas e sistemas de transmissão é tamanho que os governos adotam programas intensivos para promover a utilização de equipamentos energeticamente mais eficientes. A conservação de energia elétrica tem como principal objetivo melhorar a maneira de utilizar a energia, sem abrir mão do conforto e das vantagens que ela proporciona. Significa diminuir o consumo, reduzindo custos, sem perder, em momento algum, a eficiência e a qualidade dos serviços. Para o aumento da eficiência em sistema de iluminação algumas alterações são realizadas atualmente, pode-se citar a utilização de lâmpadas fluorescentes no lugar das lâmpadas incandescentes, o emprego de reatores eletrônicos em substituição aos convencionais eletromagnéticos, o uso de luminárias com maior rendimento em conjunto com lâmpadas fluorescentes mais eficientes. Lâmpadas fluorescentes mais eficientes estão surgindo com o avanço da tecnologia de fabricação e a utilização de novas matérias primas. Na feira de Hanover, 1995, grandes fabricantes europeus apresentaram a lâmpada T5 uma nova lâmpada fluorescente menor em diâmetro, mais curta, mais eficiente e desenvolvida para ser sucessora da lâmpada T8 [9]. Atualmente as lâmpadas fluorescentes T5 são pouco utilizadas nas instalações brasileiras por possuírem um preço relativamente maior do que as lâmpadas T8, entretanto, assim como as lâmpadas fluorescentes de 32W/T8 estão substituindo as de 40W/T12, futuramente as lâmpadas de 28W/T5 substituirão as lâmpadas de 32W/T8. As lâmpadas T5 foram desenvolvidas especialmente para operar com reatores eletrônicos e só obtém alta eficiência quando alimentadas em alta freqüência. Como estas lâmpadas possuem atualmente um preço maior que as lâmpadas comuns, sua vida útil passa a ser um requisito de extrema importância no desenvolvimento do reator eletrônico. 1 O objetivo do trabalho proposto é analisar, simular e testar experimentalmente um reator eletrônico para uma lâmpada fluorescente de 28W/T5 com pré-aquecimento por tensão. A partida e o funcionamento da lâmpada é realizado por um filtro ressonante LC série C paralelo. Durante o período de pré-aquecimento os filamentos são alimentados pelo enrolamento secundário de um filtro ressonante LC série, após este período o circuito LC série é desabilitado eliminando o gasto de energia aplicado aos filamentos da lâmpada durante seu regime normal de funcionamento, após o acendimento. Esta economia de energia significa cerca de 1,5 à 2 W por lâmpada. Para medir a influência que os reatores possuem na vida das lâmpadas fluorescentes a Sociedade de Engenharia de Iluminação da América do Norte (IESNA) especifica um método de teste. Um grande número de amostras de lâmpadas, ligadas com os reatores sob análise, são operadas em um ciclo de 3 horas ligadas e 20 minutos desligadas determinando o tempo médio da vida até a falha. Como este teste pode durar até dois anos para se obter algum resultado, estudos recentes estão sendo realizados para determinar um teste de ciclo rápido. Para verificar a compatibilidade entre o reator proposto e a lâmpada fluorescente serão realizados dois testes de ciclo rápido com três diferentes reatores: um teste de ciclo rápido baseado no método de Rober Davis [29] que utiliza o tempo de resfriamento do filamento como tempo mínimo para a lâmpada permanecer desligada e um teste de ciclo rápido realizado pela industria de reatores; os reatores submetidos aos testes serão o reator com controle do pré-aquecimento dos filamentos, reator proposto, um reator sem controle do pré-aquecimento e um reator eletrônico encontrado no comercio brasileiro, sem controle do pré-aquecimento. Para um melhor entendimento do trabalho no capítulo 1 serão apresentados conceitos de luminotécnica bem como o funcionamento e as principais características das lâmpadas de descarga de baixa e alta pressão. No capítulo 2 serão apresentadas as estruturas básicas, o comportamento elétrico, as características de iluminação, as lâmpadas fluorescentes com enfoque maior sobre a lâmpada fluorescente T5, os dispositivos de partida e uma comparação entre as lâmpadas fluorescentes T5, T8 e metálica (HID). No capítulo 3 serão apresentados alguns métodos de teste de ciclos, especificações para a partida e operação da lâmpada T5 e o método utilizado neste trabalho para a determinação da vida da lâmpada fluorescente T5 quando alimentada pelo reator eletrônico proposto. 2 No capítulo 4 serão apresentadas as principais topologias utilizadas para a etapa de potência e para o circuito ressonante em reatores eletrônicos, bem como o desenvolvimento de um reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para a lâmpada fluorescente tubular T5 de 28W. Este reator também será utilizado para o teste de ciclo rápido comparando seu desempenho com o reator com controle do pré-aquecimento. No capítulo 5 serão apresentados os cálculos para a determinação dos valores dos componentes do filtro ressonante para o reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento e a simulação do circuito. As simulações por computador são uma das mais importantes ferramentas para o projeto de um circuito, pois com ela é possível verificar com certa antecedência o seu comportamento. Para a simulação foi utilizado o software Orcad 9.1. No capítulo 6 é apresentada a implementação de um protótipo do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente de 28W/T5. O resultado das características elétricas e as principais formas de ondas também são apresentados. No capítulo 7 serão apresentados os principais tipos de controle de pré-aquecimento utilizados para a lâmpada fluorescente, bem como o desenvolvimento de um reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5. Este utilizará como base o trabalho realizado no capítulo 6 no qual o reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento foi apresentado. No capítulo 8 será apresentada a metodologia proposta para o cálculo do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente. Após o projeto dos componentes para o circuito de pré-aquecimento e o circuito de partida, o circuito total será simulado utilizando o software Orcad 9.1, o qual a sua vez utiliza o programa PSPICE para realizar a simulação dos circuitos elétricos e eletrônicos, a fim de verificar a validade do método proposto neste trabalho. No capítulo 9 é apresentado o desenvolvimento de um protótipo do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento juntamente com os resultados experimentais, como as formas de ondas dos principais componentes e na carga, e um ensaio elétrico utilizando um analisador de potência específico para reatores. No capítulo 10 será apresentada a comparação dos resultados do teste de ciclo rápido para os três reatores juntamente com a conclusão do trabalho e sugestões para trabalhos futuros. 3 1 1.1 LÂMPADAS DE DESCARGA Introdução Este capítulo apresenta uma breve história sobre o avanço da iluminação mundial e as atuais condições no Brasil, juntamente com alguns conceitos de luminotécnica, para um melhor aproveitamento do trabalho, as principais características e o principio de funcionamento para as lâmpadas de descarga de baixa e alta pressão. 1.2 Passado e presente da iluminação A história da luz artificial remonta uns 500.000 anos atrás, quando o homem paleolítico conseguiu criar fogo com as mais primitivas ferramentas. Até meados do século XIX esse fogo foi à única fonte de luz disponível e que servia também como proteção do frio e preparo de comida. Só quando foi possível transportar o fogo, então se pode falar do mesmo como iluminação. Os primeiros meios de iluminação foram tochas feitas de galhos de árvores com resina. Muito depois, cerca de 20.000 anos atrás, os óleos de animais e plantas eram utilizados como meio de iluminação. As lâmpadas a óleo e velas foram usadas somente para iluminação de interiores. Uma iluminação externa era praticamente desconhecida até meados do século XVII. No começo do século XVII, o alemão Becke, químico e engenheiro de minas, percebeu que o gás obtido do carvão poderia ser empregado na iluminação. Entretanto, foi só depois de 100 anos que o gás para a iluminação foi produzido para este fim. O grande projeto de Alva Edison era a criação de uma luz pequena e suave como luz a gás para então substituí-la por luz elétrica. O industriário alemão, Emil Rathenaum, que reconheceu a importância da iluminação de Edison, instalou com apoio do próprio, os primeiros sistemas de iluminação em Berlim, também em 1882. Sob direção de Rathenau, foi fundada em 1883 a “Deutsche Edison Gesellschaft” (DEG) com direitos exclusivos de fabricar bulbos com a patente de Edison. No primeiro ano a DEG produziu mais de 12.000 bulbos. Muito depois em 10 julho de 1919, as fábricas de lâmpadas da DEG, Siemens e Halske, incorporam-se em Osram KG. Emil Rathenau para cuidar de seus interesses contratou o jovem engenheiro Geral Philips, com especialização em engenharia elétrica, 4 ele tinha concluído seus estudos na Inglaterra, com mérito em iluminação elétrica, transmissão de potência e telegrafia. Mas a colaboração de Rathenau não durou muito. Gerald Philips logo percebeu que com seu conhecimento específico poderia iniciar a fabricação de bulbos com filamento por sua própria conta. Em 15 de maio de 1891 ele fundou a Philips e Co Eindhoven, Holanda. Em 1892 a Philips produziu 11.000 lâmpadas. Ao se arriscar em exportação o número cresceu muito, mais de 100.000 bulbos em 1895, em 1898 1,2 milhões, em 1902 o impressionante número de 3,6 milhões de bulbos. Até o fim do século, as fontes de luz usadas para a iluminação eram todas fontes de radiação de calor, com sua eficácia luminosa estritamente dependente desta radiação. Devido ao grande sucesso das lâmpadas a gás, das lâmpadas de arco voltaico e também das lâmpadas incandescentes, junto ao fato do desinteresse dos fabricantes destas lâmpadas de lançar no mercado uma nova fonte de luz, ficou a lâmpada de descarga por mais algum tempo em segundo plano. A idéia das lâmpadas de descarga já existia desde 1854, mas somente em 1926 os cientistas F. Meyer, H. Spanner e E. Germer conseguiram com tensões baixas dar partida à lâmpada através do pré-aquecimento dos eletrodos e ao mesmo tempo converter a radiação ultravioleta em luz visível, cobrindo a parede interna do tubo com pó fluorescente. Em setembro de 1935, no encontro anual da Illuminating Engineering Society of Northern América (IESNA) em Cincinnati, foram apresentados estas primeiras lâmpadas. A Osram foi a fabricante das primeiras lâmpadas fluorescentes comercializadas na Europa em 1936. As primeiras lâmpadas de sódio de alta pressão foram fabricadas em 1964 pelos americanos Louden e Schmidt. Em 1965 a General Electric começou a fabricar em série a lâmpada de sódio de alta pressão de 400W. Pouco tempo depois a Bag começou o desenvolvimento de um ignitor adequado, abrindo então o caminho para o uso simplificado de grande sucesso desta fonte de luz. Em 1961, G.H. Reiling patenteou uma lâmpada de mercúrio, que além de mercúrio continha halóides de outros metais como índio, tálio e sódio. Esta nova lâmpada, a lâmpada de vapor metálico, entrou no mercado em 1964 [1]. Ao final do século XIX, quando a atividade econômica do Brasil era significativamente agrária, a participação da eletricidade como fonte de energia era inexpressiva. Com o início da industrialização, fatores como a concentração em centros urbanos e o surgimento de uma classe média impulsionaram seu uso. 5 O crescimento do consumo de energia elétrica nos países em desenvolvimento, como o Brasil, é uma constante entre 3 e 5 % ao ano. Mesmo nos períodos em que se verificou uma estagnação econômica, o consumo não parou de crescer. O setor industrial é o maior consumidor de toda a energia elétrica produzida, utilizando 44%. O uso residencial vem a seguir, com um consumo de 25% e o uso comercial com 16%. Os restantes 15% distribuem-se entre setor rural, iluminação pública, órgãos do governo dentre outros. O perfil do consumo de energia elétrica no Brasil para o período de 1999 à 2003 é mostrado Tabela 1.1, dados da Eletrobrás/Procel 2004 [2]. Tabela 1.1 - Perfil do Consumo de Energia Elétrica no Brasil (em GWh). Classe 1999 2000 2001 2002 2003 Residencial 81.249 83.494 73.770 72.660 76.165 Industrial 123.560 131.195 122.629 127.694 129.877 Comercial 43.562 47.437 44.517 45.251 47.532 Outros 42.739 44.621 42.882 44.327 47.072 Total 291.110 306.747 283.798 289.932 300.646 Fonte: Eletrobrás/Procel 2004. Estima-se que cerca de 17% (dados da Eletrobrás/Procel 1999) de toda energia consumida no Brasil é transformada em iluminação artificial. A iluminação pública corresponde a aproximadamente 7% da demanda nacional e a 3,3% do consumo total de energia elétrica do país. O equivalente a uma demanda de 2,3 GW e a um consumo de 10,2 bilhões de kWh/ano. O restante do consumo é dividido entre o consumo das lâmpadas incandescentes e de descarga. A Tabela 1.2 mostra a estimativa de consumo de lâmpadas fluorescentes tubulares para o ano de 2003 (dados dos fabricantes de lâmpadas Philips e GE de 2003) e existe uma expectativa de crescimento de 5% para o ano de 2004. Cerca de 95% da energia elétrica gerada no Brasil possui uma predominância hidráulica, usinas hidrelétricas, devido às dimensões continentais do país e da grande quantidade de bacias hidrográficas. As usinas hidrelétricas provocam vários impactos ambientais, como a inundação de áreas (destruindo a flora e a fauna), interferência no curso natural dos rios e nos seus ciclos (devido ao represamento e controle das águas) e deslocamento de 6 populações. É importante mencionar que todas as formas de geração de energia elétrica provocam interferências no meio ambiente, algumas são mais impactantes e outras menos [2]. Tabela 1.2 – Perfil do consumo de lâmpadas fluorescentes tubulares de 2003. Potência da lâmpada fluorescente tubular Valores em milhões de unidades por ano 20W 11,4 40W 28,0 16W 0,6 32W 6,0 110W 3,0 Total Fonte: Consulta a Philips e GE em 2003. 49,0 A conservação da energia elétrica leva à exploração racional dos recursos naturais. Isso significa que conservar energia elétrica ou combater seu desperdício é a fonte de produção mais barata e mais limpa que existe, pois não agride o meio ambiente. Desta forma, a energia conservada, por exemplo, na iluminação eficiente pode ser utilizada para iluminar uma escola ou atender um hospital sem ser jogada fora. O programa nacional de conservação de energia elétrica PROCEL estabelece metas de conservação de energia que são consideradas no planejamento do setor elétrico, dimensionando as necessidades de expansão da oferta de energia e da transmissão. Dentre elas destacam-se, a redução nas perdas técnicas das concessionárias, racionalização do uso da energia elétrica e aumento da eficiência energética em aparelhos elétricos [2]. Se for mantida a estrutura atual de uso da energia projeta-se uma necessidade de suprimento, em 2015, em torno de 780 TWh/ano. Diminuindo-se os desperdícios estima-se uma redução anual de até 130 TWh - produção aproximada de duas usinas de Itaipu [2]. Recentemente nos Estados Unidos foi decretada uma lei para regulamentar a iluminação sob um aspecto energético. Foram simplesmente proibidos o uso de sistemas de iluminação com baixa eficiência, incluindo lâmpadas bastante utilizadas no Brasil, como as incandescentes, as fluorescentes tradicionais, vapor de mercúrio e mistas. Em alguns produtos dos EUA, tipos comuns de lâmpadas e equipamentos auxiliares, encontram-se as inscrições “proibida a venda no território americano” ou “somente para exportação”. A 7 mesma lei dá prazo para que as instalações antigas sejam reformadas e, para motivar a população, prevê financiamento destinado à troca de sistemas, além da aplicação de pesadas multas. O motivo pelo qual essa resolução foi tomada é lógico, minimizar o consumo de energia elétrica. O governo pretende reduzir ao máximo os investimentos em eletricidade que, além dos custos financeiros, geram custos ambientais significativos. A estratégia para atingir esses objetivos reside no desenvolvimento de novas fontes de luz, equipamentos auxiliares, sensores e luminárias mais eficientes [3]. 1.3 Lâmpada de descarga de baixa pressão As lâmpadas fluorescentes são as principais lâmpadas de descarga de baixa pressão e ganham, a cada dia, mais espaço em residências, escritórios, comércios e industrias perante suas concorrentes as incandescentes. O desenvolvimento de produtos como os pósfluorescentes (trifósforo) possibilitaram a criação de lâmpadas fluorescentes mais eficientes, estas por sua vez, juntamente com novos equipamentos de controle (reatores eletrônicos) permitem cada vez mais ao projetista de iluminação empregar lâmpadas fluorescentes em seus projetos [3]. Estas, lâmpadas são uma fonte de descarga elétrica que faz uso de energia ultravioleta gerada de uma maneira super eficiente pelo vapor de mercúrio a baixa pressão, que ativa uma camada de material fluorescente (fósforo) colocada na parede interna de um tubo de vidro. O fósforo simplesmente funciona como transformador, convertendo em luz visível a radiação ultravioleta. A lâmpada é basicamente um bulbo tubular com a parede interna revestida e que contém uma pequena quantidade de mercúrio e gás inerte (argônio, criptônio e neônio) ou uma mistura de dois ou mais desses gases. A pressão dos gases na lâmpada é muito baixa, normalmente de 2 a 3 TORR. Apenas como comparação à pressão atmosférica é de 760 TORR. Um filamento de tungstênio espiralado, tratado e revestido com material emissivo de elétrons, é chamado de cátodo quente. A Figura 1.1 mostra como a luz é gerada em uma típica lâmpada fluorescente. Quando uma lâmpada fluorescente é ligada, a passagem da corrente elétrica através dos filamentos causa o seu aquecimento e a liberação de elétrons do material com o qual são cobertos. Além desses elétrons termicamente liberados, existem também aqueles que são 8 desprendidos pela diferença de potencial entre os eletrodos. Esses elétrons se movimentam em altíssima velocidade de um eletrodo para outro criando uma descarga elétrica ou de arco no vapor de mercúrio. A lâmpada é rapidamente aquecida aumentando a pressão do vapor de mercúrio ao seu nível mais eficiente. Um arco dessa natureza, fechado em um tubo de vidro, tem certas características que variam com o gás utilizado, com a pressão do gás e com a tensão aplicada aos filamentos. A característica principal é a produção de luz visível e de radiação ultravioleta. A contínua colisão entre os elétrons, desprendidos dos filamentos em alta velocidade e os átomos de mercúrio tiram os elétrons de mercúrio de suas órbitas. Parte destes elétrons deslocados, quase que imediatamente voltam à sua órbita original liberando a energia que absorveram, principalmente na forma de radiação ultravioleta. Figura 1.1 – Processo de geração de luz visível nas lâmpadas fluorescentes. A radiação ultravioleta é convertida em luz visível pelo fósforo que tem a propriedade de absorver a energia ultravioleta e voltar a irradiá-la em outros comprimentos de onda, que por sua vez podem ser percebidos como luz visível. Em outras palavras, o fósforo é excitado a fluorescer pela energia ultravioleta de comprimento de onda adequado. A cor da luz visível produzida depende da composição química do fósforo de revestimento interno do bulbo [4]. 1.4 Lâmpadas de descarga de alta pressão 9 Nas lâmpadas de descarga de alta pressão, a luz é produzida pela passagem da corrente elétrica através de um vapor de gás sob alta pressão. Estas lâmpadas são também conhecidas como lâmpadas de descarga de alta intensidade do inglês HID (high-intensity discharge). A característica principal destas, é a sua alta emissão de luz. As lâmpadas HID se diferenciam entre si basicamente pelo tipo de gás que está contido no interior do tubo de descarga, sendo atualmente agrupadas em três principais grupos [5]: lâmpada de vapor de mercúrio, lâmpada de vapor metálico e lâmpada de vapor de sódio. 1.4.1 Lâmpada de vapor de mercúrio Nas lâmpadas de vapor de mercúrio a luz é produzida pela passagem de uma corrente elétrica através do vapor de mercúrio, similar ao principio de funcionamento das lâmpadas fluorescentes. As lâmpadas de vapor de mercúrio geralmente são constituídas por dois tubos, um interno e outro externo. O tubo interno é feito de quartzo, contendo gás argônio e mercúrio. O tubo externo é de vidro e tem como função proteger e manter a temperatura do tubo interno. O interior do tubo de vidro é preenchido com um gás inerte, nitrogênio, que impede a oxidação dos contatos internos [6]. 1.4.2 Lâmpada de vapor de sódio As lâmpadas de sódio de alta pressão são basicamente formadas por dois tubos um interno e outro externo. O tubo de descarga interno é construído a partir de óxido de alumínio sinterizado e imerso no vácuo, enquanto que o tubo externo é construído de vidro duro. A lâmpada de sódio de alta pressão tem cor amarela (2200K) e tem baixa reprodução de cores. Esta limitação da temperatura da cor está relacionada com o fato de que a lâmpada de sódio de alta pressão gera luz a partir da excitação do vapor de sódio, enquanto que outras lâmpadas, como as lâmpadas de vapor metálico, a luz é gerada a partir da excitação de 2 à 5 diferentes elementos químicos. Variando a composição dos elementos químicos é possível alterar as características da luz produzida, dando uma flexibilidade muito maior no projeto da lâmpada [6]. 10 1.4.3 Lâmpada de vapor metálico A lâmpada de vapor metálico tem passado por constantes evoluções nos últimos anos. Hoje, existem aproximadamente 400 tipos de lâmpadas de vapor metálico e são aplicadas tanto na industria como em uso residencial. Estas lâmpadas são altamente eficientes, compacta fonte de luz, disponíveis em uma grande variedade de temperaturas de cores. Em contrapartida, as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão e de mercúrio as quais são muito limitadas em cor e na qualidade de luz produzida. As cores produzidas por estas lâmpadas são normalmente inapropriadas para uma série de aplicações. Isto explica porque o uso das lâmpadas de vapor metálico está crescendo em todo o mundo [7]. Esta fonte de luz pode ser fabricada para produzir quase todas as cores desejadas (2700K – 20000K) e também oferece um excelente índice de reprodução de cores (IRC) de 65 a 85. Lâmpadas de cores específicas podem ser produzidas incluindo azul, verde e rosa. Este tipo de lâmpada não utiliza filtros ou géis para a geração da cor, mas sim o vapor de metal no tubo [7]. As lâmpadas de vapor metálico fornecem uma solução parcial para um dos maiores problemas da sociedade industrializada – o impacto ecológico da geração de energia elétrica. Esta é a mais compacta e eficiente fonte de luz branca conhecida pelo homem. Utilizando lâmpadas de vapor metálico é possível economizar cerca de 10%, estimativa, da energia total consumida nos Estados Unidos, resultando em uma economia anual de 16 bilhões de dólares. Outro aspecto importante é que a expectativa de vida das lâmpadas de vapor metálico pode chegar até 30.000 horas [7]. 1.5 Conceitos de Luminotécnica Neste capítulo não serão apresentados aspectos ligados às origens da iluminação e os efeitos psicológicos da visão, mas sim uma revisão básica de alguns conceitos e grandezas da luminotécnica para que alguns dos capítulos conseguintes sejam melhores compreendidos. 11 1.5.1 Luz visível Uma fonte de radiação emite ondas eletromagnéticas que possuem diferentes comprimentos de onda, sendo o olho humano sensível somente a alguns. Luz é, portanto, a radiação eletromagnética capaz de produzir uma sensação visual [8]. Entretanto na óptica da engenharia, luz é simplesmente uma pequena parte do espectro eletromagnético, que se localiza entre a radiação ultravioleta e a infravermelho. A porção visível do espectro eletromagnético estende-se, aproximadamente, de 380 até 780 nanômetros (nm) [5], como mostra a Figura 1.2. Figura 1.2 – Espectro eletromagnético. Algumas grandezas da luminotécnica que serão úteis, citados em [8] são apresentados abaixo: Fluxo Luminoso (): é a radiação total da fonte luminosa, entre os limites de comprimento de onda 380 e 780 nm (Figura 1.2). Ou seja, é a quantidade de luz emitida por uma fonte, medida em lúmens (lm). Intensidade luminosa (I): se uma fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as direções, o fluxo luminoso se distribuiria na forma de uma esfera. Tal fato, porém, é quase impossível de acontecer, razão pela qual é necessário medir o valor dos lúmens emitidos em cada direção. Essa direção é representada por vetores, cujo comprimento indica a Intensidade Luminosa. Portanto é o fluxo luminoso irradiado na direção de um determinado ponto. Sua unidade é candela (cd). 12 Iluminância ou Iluminamento (EI): expressa em lux (lx), indica o fluxo luminoso de uma fonte de luz que incide sobre uma superfície situada à uma certa distância desta fonte. Na prática, é a quantidade de luz dentro de um ambiente, e pode ser medida com o auxílio de um luxímetro. Como o fluxo luminoso não é distribuído uniformemente, a iluminância não será a mesma em todos os pontos da área em questão. Considera-se por isso a iluminância média. Existem normas especificando o valor mínimo de iluminância média, para ambientes diferenciados pela atividade exercida relacionados ao conforto visual. Luminância (l): pode ser definida como sendo a intensidade luminosa projetada por unidade de área. A unidade de medida é a candela por metro quadrado (cd/m2). Das grandezas mencionadas, nenhuma é visível, isto é, os raios de luz não são vistos, a menos que sejam refletidos em uma superfície e aí transmitam a sensação de claridade aos olhos. Essa sensação de claridade é chamada de luminância. Em outras palavras, é a diferença entre zonas claras e escuras em um objeto iluminado, sendo as partes sombreadas as que apresentam a menor luminância e as claras, maior. 1.5.2 Temperatura de cor correlata Em aspecto visual, admite-se que é bastante difícil realizar uma avaliação comparativa entre a sensação de tonalidade de cor de diversas lâmpadas. Para estipular um parâmetro, foi definido o critério temperatura de cor (Kelvin) para classificar a luz. Assim como um corpo metálico que, em seu aquecimento, passa desde o vermelho até o branco, quanto mais claro o branco (semelhante à luz diurna ao meio-dia), maior é a temperatura de cor (aproximadamente 6500K). A luz amarelada, como de uma lâmpada incandescente, está em torno de 2700 K. É importante destacar que a cor da luz em nada interfere na eficiência energética da lâmpada, não sendo válida a impressão de que quanto mais clara, mais potente é a lâmpada [8]. As lâmpadas com temperatura de cor correlata abaixo de 3100K são consideradas lâmpadas de cores “quentes”, acima de 4100K lâmpadas cores “frias”. Entre o intervalo de 3100 K a 4100 K são consideradas de cores neutras ou moderadas, como mostra a Figura 1.3. O conforto visual em ambientes mais iluminados (escritórios, industrias) é recomendado a utilização de lâmpadas com aparência de cor mais fria e para ambientes menos iluminados (quartos) lâmpadas com aparência de cor mais quentes [3]. 13 Figura 1.3 – Exemplo de temperatura de cor. 1.5.3 Índice de reprodução de cores Objetos iluminados podem parecer diferentes, mesmo se as fontes de luz tiverem idêntica tonalidade. As variações de cor dos objetos iluminados sob fontes de luz diferentes podem ser identificadas através da reprodução de cores, e de sua escala qualitativa de índice de reprodução de cores (IRC). O metal sólido quando aquecido até irradiar luz foi utilizado como referência para se estabelecer níveis de reprodução de cor. Define-se que o IRC neste caso seria um número ideal (100). Sua função é como dar uma nota (de 1 a 100) para o desempenho de outras fontes de luz em relação a este padrão. Portanto, quanto maior a diferença na aparência de cor do objeto iluminado em relação ao padrão (sob a radiação do metal sólido) menor é seu IRC. A qualidade de reprodução das cores da lâmpada utilizada vai influir diretamente nas cores da decoração, alterando ou mantendo as cores escolhidas. A capacidade das lâmpadas reproduzirem bem as cores (IRC) independe de sua temperatura de cor (K). Existem tipos de lâmpadas com três temperaturas de cor diferentes e o mesmo IRC [8]. 1.6 Conclusão Os conceitos básicos e os principais parâmetros utilizados em luminotécnica, as lâmpadas de descarga de baixa e alta pressão e o cenário atual da iluminação no Brasil foram 14 apresentados neste capítulo. Pode-se verificar a importância da utilização de sistemas de iluminação mais eficientes e a necessidade de um estudo mais aprofundado das lâmpadas de descarga, principalmente nas lâmpadas de descarga de baixa pressão que é o foco deste trabalho. 15 2 2.1 LÂMPADA FLUORESCENTE Introdução Neste capítulo será apresentada uma revisão bibliográfica relativa as lâmpadas fluorescentes com especial destaque para: as estruturas básicas, o comportamento elétrico, as característica de iluminação, os principais tipos de lâmpadas fluorescentes (um detalhamento maior é realizado para a lâmpada fluorescente T5), os dispositivos de partida e uma comparação entre as lâmpadas fluorescentes T5, T8 e metálica (HID). 2.2 Estrutura da lâmpada fluorescente As partes básicas que constituem uma lâmpada fluorescente de "cátodo quente'' são mostradas na Figura 2.1. Embora haja vários tamanhos e formas de lâmpadas fluorescentes, os tipos mais usados têm um bulbo tubular com um filamento e uma base em cada uma das duas extremidades do tubo [4]. 2.2.1 Bulbos A forma e o tamanho do bulbo de uma lâmpada fluorescente são expressos por código consistindo na letra “T”, que designa que o bulbo é tubular, seguida por número que representa o diâmetro do bulbo em oitavos de polegada. Eles variam em diâmetro de T5 (5/8 de polegada ou 15,9 mm) a T17 (2 1/8 de polegada ou 53,9 mm). Em comprimento as lâmpadas fluorescentes variam entre 152,4 a 2438,4 mm (6 a 96 polegadas) e são sempre medidas da parte posterior de um soquete até a parte posterior do outro soquete (distância entre os pinos). 16 Figura 2.1 – Elementos básicos de uma lâmpada típica fluorescente de cátodo quente. 2.2.2 Fósforos A cor ou comprimento de onda da luz produzida pela lâmpada fluorescente depende da composição do fósforo usado no revestimento da parte interna do tubo. Através da combinação em várias proporções de diferentes fósforos é possível produzir uma grande variedade de cores. Novas cores fluorescentes foram desenvolvidas com o uso de fósforo de terras raras, trifósforo. A partir da mistura das três cores primárias: azul, verde e vermelho é possível a obtenção de praticamente todas as tonalidades de “branco” com um bom índice de reprodução de cor e alta eficiência. 2.2.3 Filamentos O filamento é geralmente um fio de tungstênio espiralado dupla ou triplamente que se encontra disposto nas extremidades da lâmpada fluorescente. O revestimento do fio de tungstênio é de um material (óxido de bário, estrôncio e cálcio) que emite elétrons quando aquecido a uma temperatura de cerca de 950oC. A esta temperatura, os elétrons são liberados abundantemente com apenas uma pequena perda de alguns watts em cada filamento. Este processo é chamado de emissão termiônica, porque o calor é mais responsável pela emissão dos elétrons do que a tensão [4]. 17 2.2.4 Bases Para a lâmpada de partida convencional e para a lâmpada de partida rápida são necessários 4 contatos elétricos, 2 em cada extremidade da lâmpada. Na família convencional das lâmpadas fluorescentes utiliza-se uma base com dois pinos (bipino) em cada extremidade. Há três tamanhos: bipino miniatura para bulbos T5, bipino médio para bulbos T8 e T12 e bipino mogul para bulbos T17. As lâmpadas de alto fluxo luminoso (HO) possuem bases de duplo contato embutido. Já as lâmpadas de partida instantânea necessitam de apenas dois contatos elétricos, um em cada extremidade da lâmpada. 2.3 Características de iluminação das lâmpadas fluorescentes 2.3.1 Eficácia A Sociedade de Engenharia de Iluminação da América do Norte (IESNA) define eficácia da lâmpada como “o quociente do fluxo luminoso total emitido pela lâmpada dividido pela potência total de entrada da lâmpada”. O fluxo luminoso é expresso em lumens por watt (lm/W). Para lâmpadas fluorescentes e HID deve-se incluir também a potência do reator e alguma redução do fluxo luminoso associado à combinação entre o reator e a lâmpada para determinar a eficácia do sistema. A Tabela 2.1 mostra a eficácia de algumas lâmpadas. Tabela 2.1 – Eficácia das lâmpadas mais comuns. Fonte de Luz Potência (watts) Eficácia da Lâmpada (lm/W) Incandescente normal Fluorescente T-5 Fluorescente T-8 Fluorescente compacta 100 28 32 26 17 100 90 70 Vapor de mercúrio Metálica, baixa potência 175 100 45 80 Metálica, alta potência Sódio alta pressão, baixa potência 400 70 90 90 Sódio alta pressão, alta potência 250 100 Fonte: Adaptação do IESNA Lighting Handbook. 18 2.3.2 Distribuição da energia Aproximadamente 60% da energia consumida em uma lâmpada fluorescente branca fria é convertida diretamente em ultravioleta, com 38% se transformando em calor e 2% em luz visível, como mostra Figura 2.2. O fósforo transforma cerca de 21% do ultravioleta em luz visível, com os 39% remanescentes transformando-se em calor. A conversão de 23% de energia em luz para uma lâmpada fluorescente de 40 watts é aproximadamente o dobro da porcentagem em uma lâmpada incandescente de 300 watts, que transforma apenas 11 % da energia de alimentação em luz. A produção de 36% de infravermelho pode ser comparada com os 69 % de uma lâmpada incandescente de 300 watts [4]. ENERGIA DE ENTRADA 100% 40W 60% Ultravioleta 60% 24W 2% 38% 39% Calor 21% 77% 30,7W 36% 41% Luz Visível Infravermelho Calor por conversão e por condução 23% 9,3W 36% 14,4W 36% 14,4W Figura 2.2 – Distribuição de energia de entrada em uma lâmpada fluorescente branca fria de 40W. 2.4 Tipos de lâmpadas fluorescentes 2.4.1 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida convencional As primeiras lâmpadas fluorescentes introduzidas em 1938 eram do tipo partida convencional, as quais necessitavam de starters separados para o acendimento. Todas as lâmpadas de partida convencionais têm bases do tipo bipino. Elas variam em potência entre 4 e 90 watts. 19 2.4.2 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida instantânea As lâmpadas de partida instantânea foram introduzidas em 1944 para eliminar a demora no acendimento das lâmpadas de partida convencional. A partida instantânea opera sem starters, com o reator fornecendo uma tensão suficientemente alta para gerar o arco instantaneamente. Como os filamentos das lâmpadas não precisam de nenhum préaquecimento apenas uma base de um pino é necessária em cada extremidade. As lâmpadas de partida instantânea variam em potência entre 21 e 75 watts [4]. 2.4.3 Lâmpadas fluorescentes tubulares de partida rápida As lâmpadas de partida rápida, introduzidas no mercado em 1952, partem quase tão rapidamente quanto às lâmpadas de partida instantânea usando reatores mais eficientes e menores e em um tempo muito mais curto do que o das lâmpadas de partida convencional. Elas dependem do aquecimento do filamento, proporcionado pelo transformador auxiliar do reator para manter a tensão de partida necessária abaixo da usada para lâmpadas de partida instantânea de mesmo tamanho [4]. 2.4.4 Lâmpadas fluorescentes tubulares de alto fluxo luminoso HO As lâmpadas convencionais, partida instantânea e de partida rápida comuns geralmente funcionam a 10 watts por cada 30,5 cm de comprimento com uma corrente de lâmpada de aproximadamente 430 mA. As lâmpadas de alto fluxo luminoso HO (do inglês High Output) geralmente funcionam a 800 mA e com uma carga de aproximadamente 14 watts por 30,5 cm de comprimento. As lâmpadas de alto fluxo luminoso variam em potência entre 60 e 110 watts [4]. 2.4.5 Lâmpadas fluorescentes T8 As lâmpadas fluorescentes T8 comumente conhecidas como lâmpadas eficientes de tubo fino, vêm sendo produzidas no Brasil há cerca de dez anos. O diâmetro destas lâmpadas é aproximadamente 32% menor do que o das lâmpadas fluorescentes comuns. Elas são 20 produzidas nas potências de 16W e 32W, substituindo diretamente as lâmpadas comuns de 20 e 40W, isto é, proporcionam uma economia de 20% de eletricidade. No Brasil, as lâmpadas T8 são produzidas tanto empregando o revestimento de fósforos comuns, como o revestimento trifósforo, que é mais eficiente porém mais caro, sendo importado. A versão trifósforo produz 5 a 10% mais luz do que as fluorescentes comuns. As lâmpadas fluorescentes com fósforos comuns custam aproximadamente o mesmo que as lâmpadas fluorescentes comuns, enquanto que as lâmpadas T8 com trifósforo custam aproximadamente o dobro[14]. 2.4.6 Lâmpadas fluorescentes compactas Como foi visto anteriormente, as lâmpadas fluorescentes são geradores de ultravioleta providas de um revestimento de fósforo. Este revestimento converte a radiação ultravioleta invisível ao olho humano, em outra faixa de radiação, para a qual o olho humano é sensível, portanto, percebe (enxerga). Para ser eficiente a radiação ultravioleta deve ser gerada em baixa pressão. Ao mesmo tempo a quantidade de watts por unidade de comprimento das lâmpadas fluorescentes é bastante restrita e, por esta razão, lâmpadas com boa eficiência, têm uma forma linear (tubo). Para miniaturizar, então, esta excelente fonte de luz, de forma que suas dimensões a tornem de uso compatível com as luminárias e as aplicações das lâmpadas incandescentes, uso residencial, foi necessário reduzir o diâmetro do bulbo e modificar o gás de enchimento, de forma a aumentar a tensão de arco e, com isso, a potência, com a mesma corrente nominal de descarga. Com o emprego desta técnica aumenta a temperatura de trabalho da parede do tubo da lâmpada, ela só foi viável a partir do desenvolvimento do chamado trifósforo. Como todas as lâmpadas de descarga, as lâmpadas fluorescentes compactas necessitam de um reator que pode ser eletromagnético ou eletrônico, de acordo com o tipo de lâmpada. As lâmpadas fluorescentes compactas bipino (2 pinos) e com um tubo (twin tube) devido ao seu reduzido tamanho, baixa potência e alta eficiência, são uma excelente alternativa para substituir as lâmpadas incandescentes de baixa potência, proporcionando redução no consumo de energia, maior fluxo luminoso e maior durabilidade (cerca de 1000 horas para incandescentes e 10000 horas para as fluorescentes compactas). A potência destas 21 lâmpadas varia de 5 a 11W. Para lâmpadas fluorescentes compactas bipino (com starter interno) somente é indicado o uso de reatores eletromagnéticos de partida convencional [15]. As lâmpadas fluorescentes compactas de quatro pinos com um tubo são produzidas para operar com reatores do tipo inversor ou eletrônico. É uma excelente alternativa para iluminação de emergência e para uso em circuitos de corrente contínua (trem, metrô, ônibus, avião, etc). As lâmpadas fluorescentes compactas bipino e com um bulbo duplo (double twin tube) possuem seu tamanho ainda mais reduzido e são utilizadas na iluminação comercial e decorativa com baixo consumo de energia. Estão disponíveis em potências de 13 a 26W. Seu uso somente é recomendado com reatores eletromagnéticos de partida convencional e para o uso com reatores eletrônicos existe a lâmpada de quatro pinos com um bulbo duplo. A Figura 2.3 mostra algumas das principais fluorescentes compactas. Figura 2.3 – Lâmpadas fluorescentes compactas. 2.4.7 Lâmpada fluorescente T5 Na feira de Hanover de 1995 grandes fabricantes europeus apresentaram a T5, uma lâmpada fluorescente menor em diâmetro, mais curta e mais eficiente, desenvolvida para ser sucessora da lâmpada T8 [9]. Esta é a nova geração das lâmpadas fluorescentes e possuem um diâmetro de 16 mm, cerca de 40% menor quando comparado com as lâmpadas fluorescentes comuns. Esta redução proporciona mais liberdade no desenvolvimento de luminárias. Camadas de trifósforo em combinação com novas 22 tecnologias de produção proporcionam uma lâmpada altamente eficiente e oferece uma luminosidade “constante” ao longo de sua vida. As lâmpadas T5 estão dividas em duas escalas de potências: a T5 standard e a T5HO (do inglês High Output). As T5 standard foram desenvolvidas para alcançar maior eficiência com luz direta em aplicações como escritórios e industrias. A T5HO foi desenvolvida para outras aplicações onde é necessário aumentar o nível de iluminação de um ambiente sem realizar grandes modificações no sistema já existente. A Tabela 2.2 apresenta um resumo sobre os diferentes tipos de lâmpadas T5: standard, HO e circular [16] em função das potências e do seu comprimento. Tabela 2.2 – Potências das lâmpadas T5 standard, HO e circular. Padrão (Standard) HO (High Output) Circular 14W (22 polegadas) 24W (22 polegadas) 22W (9 polegadas) 21W (22 polegadas) 39W (34 polegadas) 40W (12 polegadas) 28W (46 polegadas) 54W (45 polegadas) 55W (12 polegadas) HO 35W (58 polegadas) 80W (58 polegadas) Fonte: Catálogo da Philips: SILHOUETTE T5. A lâmpada T5 é uma lâmpada de baixa pressão de mercúrio, como as demais lâmpadas fluorescentes, e a geração de luz visível segue o mesmo princípio de descarga das lâmpadas de baixa pressão de mercúrio, a Figura 1.1 ilustra o processo de geração de luz visível. Assim como todas as lâmpadas de baixa pressão de mercúrio, estas necessitam de um limitador de corrente e um dispositivo de partida. As lâmpadas T5 foram desenvolvidas especialmente para operar com reatores eletrônicos e só obtêm alta eficiência quando alimentadas por alta freqüência, a operação em baixa freqüência (50 ou 60Hz) não é recomendada ou suportada [16]. O fluxo luminoso de uma lâmpada de descarga de baixa pressão é determinado pela pressão do vapor de mercúrio que por sua vez depende da temperatura do spot da lâmpada. A máxima iluminação da lâmpada é encontrada quando a temperatura do spot está baixa, aproximadamente 45 °C. No caso das lâmpadas T5 o spot é modificado e chamado de cold spot e está estampado atrás do eletrodo da lâmpada, também chamado de cold chamber, como mostra a Figura 2.4. 23 Figura 2.4 – Final da lâmpada com o Cold spot. A lâmpada T5 foi desenvolvida para obter o máximo fluxo luminoso ao ar livre a uma temperatura ambiente de 35°C, esta temperatura é a mais comum encontrada no interior das luminárias [16]. Algumas características sobre as lâmpadas T5: Máxima temperatura permitida e risco de explosão: a máxima temperatura permitida na base para as lâmpadas T5, T5HO e T5 circular é de 120oC. As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga de baixa pressão com temperatura de operação relativamente baixa. Estas lâmpadas não estão sujeitas a riscos de explosão. Riscos ao meio ambiente: nas lâmpadas de descarga o mercúrio é a substância mais significativa que pode causar danos ao meio ambiente. Os efeitos ambientais das substâncias presentes em uma única lâmpada fluorescente são pequenos mas, a concentração de lâmpadas em aterros sanitários pode produzir conseqüências perigosas se não tratadas de maneira segura. Embora a quantidade dessas lâmpadas venha aumentando, com o avanço da tecnologia das lâmpadas fluorescentes, como por exemplo a lâmpada fluorescente T5, a qual além de possui uma menor dimensão, apresenta várias vantagens, tanto de caráter econômico quanto nos aspectos relativos ao meio ambiente. Em primeiro lugar, dado ao seu maior rendimento energético (lm/W), ela consome menos energia elétrica durante a operação. Além disso, emprega uma quantidade de mercúrio menor que a maioria das lâmpadas fluorescentes T8, tem menor depreciação do fluxo luminoso (o que resulta em tempo de vida econômica mais longa) e, por permitir construir luminárias menores, possibilita utilizar cerca de 40% menos material na fabricação dos aparelhos e na 24 sua embalagem. Essa última característica leva também a um menor consumo de energia na fabricação, armazenamento e distribuição de lâmpadas e luminárias [9]. Reator de referência: o reator de referência segundo a norma IEC60081 é um reator especial indutivo para operação em baixa freqüência ou resistivo para operação da lâmpada em alta freqüência. Este, é desenvolvido com o propósito de ser um padrão para ensaios em reatores. Sua principal característica é a estabilidade do quociente entre os valores eficazes de tensão e corrente na freqüência nominal, o qual deve ser pouco sensível às variações de corrente, temperatura e influências magnéticas externas [17]. Características elétricas e de iluminação: a tabela abaixo ilustra os valores de tensão, corrente, potência, fluxo luminoso e eficácia luminosa para as lâmpadas fluorescentes T5 tubulares da Philips [16], em especial a lâmpada branca fria (Cool White, 840). Tabela 2.3 – Características elétricas e de iluminação da lâmpada T5 standard, branca fria. Corrente Tensão de Potência de descarga lâmpada lâmpada (mA) (V) (W) 130 89 11 T5 14W 170 82 13,7 220 78 17 130 132 17 T5 21W 170 123 20,7 220 116 25 130 178 23 T5 28W 170 167 27,8 220 156 34 130 220 28 T5 35W 170 209 34,7 220 192 42 Fonte: Catálogo da Philips SILHOUETTE T5. Tipo da lâmpada Fluxo luminoso (lm) 1140 1350 1590 1770 2100 2470 2440 2900 3410 3070 3650 4290 Eficácia (lm/W) 104 96 94 104 100 99 106 104 100 110 104 102 Os dados acima são validos para a lâmpada fluorescente após 100 horas de funcionamento, temperatura ambiente 35oC, posição horizontal e freqüência de operação de 25 kHz. Uma corrente de descarga maior do que o máximo ou menor do que o mínimo valor especificado para cada tipo de lâmpada deverá provocar um efeito negativo na vida da mesma a menos que um aquecimento extra nos filamentos seja mantido[16]. 25 Manutenção do fluxo: a manutenção do fluxo luminoso segundo IEC60081 é a relação entre o fluxo luminoso da lâmpada em um determinado tempo de sua vida pelo fluxo inicial. Esta relação normalmente é expressa em porcentagem. Nas lâmpadas fluorescentes T5 a degradação do fluxo luminoso é de 5% após 8000 horas de operação (40% da vida média da lâmpada). Como mostra a Figura 2.5. Figura 2.5 – Manutenção do fluxo luminoso nas lâmpadas fluorescentes T5. Dependência da temperatura: a lâmpada fluorescente T5 (assim como todas a lâmpadas fluorescentes) tem suas características de fluxo luminoso (), potência (P) e tensão de lâmpada (V) alterada de acordo com a temperatura ambiente. A Figura 2.6 representa esta variação, medidas com corrente constante (I). Figura 2.6 – Dependência da temperatura, lâmpadas T5. 26 A lâmpada T5 alcança seu rendimento máximo à 35oC superior aos das lâmpadas T8 (25oC), relação como mostra a Figura 2.7. Figura 2.7 – Temperatura ambiente, lâmpada T5 e T8. Radio interferência: a família de lâmpadas T5, assim como todas as lâmpadas de descarga de gás operando em alta freqüência, geram impulsos de energia em radio freqüência. Para evitar problemas de interferências em controles remotos não é recomendado o uso dos mesmos com faixas de freqüências entre 30-40 kHz ou utilizar reatores eletrônicos que operem em outras faixas de freqüências [16]. 2.5 Circuitos de operação das lâmpadas fluorescentes As lâmpadas fluorescentes, assim como todas as lâmpadas de descarga de arco, devem operar com um reator que forneça a tensão necessária para a partida e que limite a corrente devido a sua característica de resistência negativa. Cada lâmpada fluorescente requer um reator projetado especialmente para atender suas características elétricas de funcionamento e de partida. Embora as lâmpadas fluorescentes possam operar utilizando reatores de indutância, capacitância, resistência e eletrônicos os mais práticos e mais usados destes quatros são os reatores de indutância (reatores eletromagnéticos) e os reatores eletrônicos. 27 2.5.1 Reatores eletromagnéticos Os reatores eletromagnéticos para lâmpadas fluorescentes são dispositivos indutivos com uma bobina ou um autotransformador para limitar a corrente e fornecer a tensão de partida para a lâmpada. Estes reatores são divididos de acordo com o tipo do circuito para partida da lâmpada. O circuito de partida da lâmpada fluorescente pode ser dividido basicamente em 4 tipos: partida convencional, partida instantânea, trigger start e partida rápida. Além do tipo do circuito de partida os reatores eletromagnéticos podem ser baixo ou alto fator de potência. Reator Convencional: quando a tensão da rede é aplicada ao circuito, a lâmpada inicialmente é um circuito aberto, então toda a tensão da rede é aplicada aos pinos do starter iniciando a ionização do gás e há uma descarga entre o conjunto de pares bimetálico e um eletrodo que aquecidos deformam-se fechando os contados. Nestas condições a corrente de curto do reator circula através do starter e dos filamentos da lâmpada pré-aquecendo-os. Com os contatos fechados, cessa a ionização do gás e o par bimetálico se resfria tendendo a retomar a posição inicial abrindo os contatos. A súbita separação dos contatos provoca um surto controlado de tensão entre os filamentos préaquecidos da lâmpada acendendo-a. A Figura 2.8 mostra o circuito de partida convencional. Figura 2.8 - Circuito do reator convencional com starter para uma lâmpada fluorescente. Se a lâmpada não acender o ciclo de partida é repetido. Uma vez acesa, a tensão através da lâmpada e do starter cai a um ponto insuficiente para se desenvolver um novo arco. Assim, o starter não consome energia quando a lâmpada está funcionando, e está disponível para reinicio imediato por ocasião de novo acendimento. 28 Reator Partida Rápida: o reator possui um circuito primário e um secundário semelhante ao de um autotransformador e pequenos enrolamentos ligados aos filamentos das lâmpadas. O circuito principal tem por finalidade fornecer uma tensão adequada aos extremos de lâmpada para sua partida. Os enrolamentos auxiliares fornecem aos filamentos uma tensão em torno de 3,5V com o objetivo de pré-aquecer, obtendo-se assim uma facilidade maior na ionização do gás no interior da lâmpada e conseqüentemente uma menor tensão nos seus extremos, necessária para acendê-la. Após a partida da lâmpada, o enrolamento secundário, em virtude da forma do circuito magnético limita a corrente, tensão e potência na lâmpada a seu valor nominal. Os reatores eletromagnéticos partida rápida podem ser divididos em reatores simples (para uma lâmpada fluorescente), como mostra a Figura 2.9, ou reatores duplos (para duas lâmpadas fluorescentes). Figura 2.9 – Circuito do reator partida rápida para uma lâmpada fluorescente. Reator Trigger Start: é usado para fazer a partida das lâmpadas fluorescentes de partida convencional de até 40 watts. Este circuito foi desenvolvido antes do circuito de partida rápida e é bastante similar a este, pelo fato de fornecer aquecimento contínuo aos filamentos e não precisar de um starter, a diferença é que a tensão no filamento está em torno de 8V para poder aquecer os filamentos das lâmpadas com resistência de filamentos alta. O circuito de partida rápida foi introduzido para minimizar a perda de potência nos filamentos durante o funcionamento da lâmpada. Reator Partida Instantânea: foram introduzidos para eliminar a demora de acendimento das lâmpadas de partida convencional. A partida instantânea opera sem starters, com o reator fornecendo uma tensão suficientemente alta para gerar o arco instantaneamente. Como não requer starter, o sistema de iluminação e de manutenção é simplificado (menor número de cabos para a ligação da(s) lâmpada(s)). Como os filamentos das lâmpadas não precisam de nenhum pré-aquecimento apenas uma base de um pino é necessária em cada extremidade. O circuito básico de um reator eletromagnético tipo partida instantânea é apresentado na Figura 2.10. 29 Figura 2.10 – Circuito do reator partida instantânea para uma lâmpada fluorescente. Reatores Híbridos: é a união de um reator eletromagnético com um dispositivo de partida eletrônico. Hoje, no mercado, o mais utilizado é o reator híbrido para duas lâmpadas de 20W em rede de 220V, que consiste em um reator convencional com um circuito eletrônico de disparo substituindo o starter, o circuito é mostrado na Figura 2.11. Figura 2.11 – Reator híbrido para uma lâmpada fluorescente. Os reatores eletromagnéticos ainda são largamente utilizados no Brasil e no mundo, tais reatores possuem vantagens como: Baixo custo; Alta durabilidade; Maior resistências às condições ambientais (pó, temperatura, umidade); Resistentes a falha de lâmpada e na instalação; Resistentes ao transitório da linha de distribuição; Os reatores eletromagnéticos possuem algumas desvantagens como: Baixo rendimento; Baixa densidade de potência, relação peso/volume; Ruído audível, dependendo da aplicação; Geram o efeito estroboscópico e o flicker. 30 A norma NBR5114 [18] está em vigor desde 1998 e estabelece requisitos de desempenho para reatores de lâmpadas fluorescentes. O desempenho das lâmpadas fluorescentes deve ser seguido de acordo com a IEC60081 [17]. 2.5.2 Reator Eletrônico O reator eletrônico possui as mesmas funções que os reatores eletromagnéticos no que se refere à partida e operação da lâmpada fluorescente. O objetivo do reator eletrônico é aumentar a freqüência de operação de 50 ou 60Hz (freqüência da rede) para algumas dezenas de kHz. Este aumento da freqüência de operação traz algumas vantagens como: O gás no tubo não tem tempo de desionizar entre os ciclos de corrente, contribuindo assim para o aumento do rendimento da lâmpada e conseqüentemente uma diminuição no consumo de energia (aproximadamente 30% quando comparado com reatores eletromagnéticos), um aumento na vida útil da lâmpada e eliminação do efeito cintilante ou flicker; Redução do efeito estroboscópico; O indutor requerido para gerar tensão suficiente para ionizar o tubo é pequeno, então gera menores perdas resistivas e o tamanho do sistema é reduzido; Possibilidade de controle da partida da lâmpada; Através de circuitos especiais é possível variar o fluxo luminoso da lâmpada; Ausência de ruído audível; Embora a solução do reator eletrônico seja mais complexa e tenha um custo inicial maior, este se torna atrativo pelo fato de que a lâmpada fluorescente apresenta maior eficiência e o reator possui menores perdas, proporcionando assim, uma economia de energia elétrica em relação aos sistemas eletromagnéticos. Os reatores eletrônicos são divididos de acordo com o tipo de partida (partida rápida e partida instantânea); fator de potência (alto ou baixo fator de potência); quantidade de lâmpadas (simples ou duplo). As normas vigentes no Brasil para os reatores eletrônicos são a NBR1447 – Prescrições de segurança [19] e NBR14418 – Prescrições de desempenho [20]. A partir de meados de 2003 foi proibida a fabricação de reatores eletrônicos de baixo fator de potência com potência total (reator mais lâmpada) superior a 60W. Ou seja, 31 reatores duplos para lâmpadas fluorescentes de 32W, 40W e 110W e reatores simples para lâmpada fluorescentes de 110W devem ser alto fator de potência e possuírem proteção contra falha de lâmpada (lâmpada sem gás). A Figura 2.12 ilustra o diagrama de blocos de um típico reator eletrônico alto fator de potência. A seguir será descrito cada diagrama de bloco. Figura 2.12 – Diagrama de blocos de um reator eletrônico de alto fator de potência. Filtro de EMI: o filtro de interferência eletromagnética é encontrado, normalmente, em reatores de alto fator de potência e sua função principal é suprimir o ruído de alta freqüência gerado pelo reator eletrônico e pelo circuito pré-regulador do fator de potência (PFP). A interferência eletromagnética pode ser irradiada ou conduzida. A norma que especifica limites para a emissão é a CISPR11 [21]. Retificador: é formado por diodos retificadores e pode ser do tipo onda completa ou dobrador de tensão para operar em tensões de 127 e 220V. PFP: após a retificação da tensão de alimentação é necessária a inclusão de um filtro capacitivo, o qual é responsável pela filtragem da tensão retificada conferindo a mesma um nível baixo de ripple para que o fator de crista da corrente na lâmpada seja inferior a 1,7 [20]. Porém este capacitor é responsável pela injeção de correntes harmônicas na rede elétrica que a sua vez resultam em baixo fator de potência. Nos reatores de alto fator de potência o circuito pré-regulador do fator de potência é responsável pela filtragem da tensão CC e pela drenagem de uma corrente senoidal em fase com a tensão da rede elétrica resultando assim em um alto fator de potência, acima de 0,92, 32 e baixa distorção harmônica [20]. A Tabela 2.4 mostra os limites de distorção harmônica especificadas na IEC 61000-3-2 [22]. Inversor: é responsável pela geração de uma tensão alternada de alta freqüência que será aplicada na entrada do circuito ressonante. A freqüência utilizada nos reatores eletrônicos está geralmente acima de 20 kHz, para evitar ruído audível. Tabela 2.4 – Limites de harmônica de corrente de entrada para equipamentos classe C. Ordem da Valor máximo expresso como percentagem da fundamental da harmônica (n) corrente de entrada 2 2 3 30 x fator de potência 5 10 7 7 9 5 3 11 n 39 Fonte: Norma IEC 61000-3-2 [22]. Filtro ressonante: é responsável pela geração da tensão de partida e controle das características elétricas da lâmpada após seu acendimento. Proteção: para reatores eletrônicos de alto fator de potência e com potência nominal acima de 60W é obrigatório uma proteção contra falha de lâmpada. Esta proteção normalmente monitora “sente” quando a lâmpada esta desativada e age sobre o circuito inversor fazendo com que pare a oscilação. 2.6 Comportamento da lâmpada fluorescente 2.6.1 Característica de resistência negativa As lâmpadas fluorescentes, assim como todas as lâmpadas de descarga de arco, devem operar com um reator que limite a corrente. Porque possuem uma característica de resistência negativa, ou seja, quanto mais a corrente do arco aumenta mais a resistência do arco diminui. Assim, o arco em uma lâmpada fluorescente se não fosse controlado, se autoalimentaria, drenando tanta corrente que destruiria a lâmpada (queimando os filamentos). 33 A Figura 2.13 mostra a característica típica da tensão e da corrente em uma lâmpada fluorescente. Figura 2.13 – Característica de tensão e corrente das lâmpadas fluorescentes. A tensão de partida da lâmpada (VPART) depende basicamente do comprimento da lâmpada, diâmetro, pressão do gás, temperatura e tipo de eletrodo. Os valores típicos de tensão VPART estão em torno de 50 até 1200V. Quando um reator controla a lâmpada e esta acende, a tensão e a corrente decrescem até um valor nominal VNOM e INOM, que depende das características do tubo [23]. 2.6.2 Lâmpada fluorescente operando em alta freqüência Em geral as lâmpadas fluorescentes operando acima de 60 Hz possuem sua eficácia aumentada. A medida em que aumenta a freqüência de operação da lâmpada o fluxo luminoso cresce. Assim, operando a lâmpada fluorescente em alta freqüência é possível obter o mesmo fluxo luminoso com uma potência menor quando comparado com 60 Hz. Todos os tipos de lâmpadas fluorescentes mostram algum aumento de eficácia, umas mais outras menos. A Figura 2.14 mostra o comportamento da eficácia da lâmpada fluorescente tubular T12 de 40W [6]. 34 Figura 2.14 – Eficácia da lâmpada fluorescente em diferentes freqüências de operação. A tensão necessária para a partida da lâmpada fluorescente é dependente da freqüência de operação. Em geral, picos maiores de tensão são necessários para a partida da lâmpada em 60 Hz, enquanto que tensões eficazes maiores são necessárias para partir a lâmpada em alta freqüência. O aterramento de uma superfície metálica próxima a lâmpada fluorescente, para auxiliar na partida, possui um efeito maior em lâmpadas fluorescentes operando em baixa freqüência [24]. A impedância da lâmpada fluorescente operando em alta freqüência é aproximadamente resistiva. Entretanto, uma verificação mais detalhada das características da lâmpada fluorescente revela que esta primeira aproximação não leva em conta muitos fenômenos que podem ser significantes para o desenvolvimento do reator eletrônico. Mas para condições estáticas, freqüência constante, a lâmpada fluorescente pode ser modelada como um resistor, nesta condição a curva de tensão e corrente da lâmpada depende da potência da mesma, como mostra a Figura 2.15. Para uma potência baixa P1 a lâmpada apresenta uma relativa resistência alta Req1 enquanto que para uma potência maior P2 a resistência é menor Req2. Para uma mudança rápida da corrente a resposta é aproximadamente linear (flecha A-B, Figura 2.15) enquanto que para mudanças lentas de correntes a curva VxI deverá escorregar ao longo da flecha C. A interpretação física desta observação está ligada a constante de tempo da lâmpada associada com a geração e recombinação dos portadores no “plasma” da lâmpada fluorescente. Uma mudança rápida de corrente não altera, consideravelmente, a densidade do “plasma” da lâmpada. Conseqüentemente, a lâmpada comporta-se para uma primeira aproximação como um resistor linear. Para mudanças lentas a densidade dos portadores no plasma muda juntamente com a resistência [25]. 35 Mudança rápidas de correntes Vlamp [Vrms] Mudança lentas de correntes Mudança rápidas de correntes Ilamp [Arms] Figura 2.15 – Característica V x I da lâmpada fluorescente operando em alta freqüência, em diferentes potências. 2.7 Comparação entre a lâmpada fluorescente tubular T5 e T8 As principais diferenças existentes entre as lâmpadas T8 e T5 referem-se à redução no diâmetro do tubo, de 26 para 16 mm (cerca de 40% menor) e um maior rendimento luminoso, sob condições normais de operação e de temperatura, na iluminação de interiores. Além disso, o comprimento do tubo foi reduzido em 50 mm, permitindo o projeto de aparelhos de iluminação de tamanho menores. Além dessas, as T5 com trifósforo apresentam também as seguintes vantagens em relação às equivalentes T8 [9]: Operam somente com reatores eletrônicos de alta freqüência, o que elimina o efeito fliker (cintilação); Possuem eficiência de até 104 lm/W; Sua temperatura ótima de operação é de 35oC, contra 25oC das T8; Apresentam a mesma luminância para todas as potências de lâmpada (T5 standard), de 17000 cd/m2; O conteúdo de mercúrio foi reduzido de 15 mg para 3 mg (embora essa também seja uma característica de alguns tubos T8); Tem menor depreciação do fluxo luminoso, de apenas 5% após 8000 horas. 36 A luminância produzida pela lâmpada T5, considerando lâmpadas standard (14, 21, 28 e 35W) com trifósforo, é maior do que a T8, mas é menor (em alguns casos) do que as lâmpadas fluorescentes compactas, como pode ser visto na Tabela 2.5. Tabela 2.5 – Comparação de luminância entre lâmpadas fluorescentes. Tipo de lâmpada Luminância média (cd/m2) T8 36W 11000 T5 14/21/28/35W 17000 T5 HO 54W 29000 LFC (TC-T) 26W Dados: Eletricidade Moderna, Setembro 1998. 40000 Para otimizar o desempenho das novas lâmpadas fluorescentes, as luminárias devem acompanhar estas evoluções, com o uso de novos materiais refletores permitindo um controle mais preciso da luz emitida pelas lâmpadas fluorescentes. O fator de reflexão total dos refletores atuais se concentra ao redor de 85% a 87%, porém os novos tratamentos de superfície para alumínios podem aumentar esse fator para 94 a 95%. Este aumento no fator de reflexão das luminárias, cerca de 10%, deve-se ao fato de utilizar refletores com alumínio metalizado ao invés de anodizado [9]. Uma pesquisa, sobre economia de energia, realizada pela fabricante de luminárias sueca AB FAGERHULT em um novo material refletor para luminárias projetadas especialmente para T5 mostram que uma luminária especular (adj. relativo a espelho ou a certos materiais que refletem a luz como um espelho) com louvre (persiana), as quais são luminárias que apresentam um direcionamento mais preciso da luz, utilizando um refletor aprimorado pode apresentar um aumento no rendimento de cerca de 35% em comparação com outra luminária equivalente, também especular e com louvre, porém projetada para lâmpadas T8 e utilizando um reator eletrônico de alta freqüência e um refletor de alumínio comum. Em relação a essa mesma luminária, porém operando com reator convencional, o aparelho projetado para T5 apresenta um incremento de eficiência de cerca de 65%. Desse aumento global no rendimento, 25% pode ser atribuído à taxa de saída da luminária. A lâmpada, em si, contribui com um máximo de 7%, com reator eletrônico de alta freqüência, ou 30% quando comparado com reator convencional. 37 O aumento no rendimento de até 35% em relação à luminária T8 operando com reator eletrônico, deve-se aos seguintes fatores: O fluxo luminoso nominal da lâmpada T5 é aproximadamente 7% maior, ou seja, 95 lm/W contra 89 lm/W (tomando-se o fluxo luminoso nominal para uma lâmpada T5-28W e o reator eletrônico com corte do aquecimento dos filamentos após a partida da lâmpada); Os refletores e louvres da luminária para T5 foram construídos com um novo material de alumínio de alta refletância (95% contra 86%), o que permite um ganho de cerca de 10%; A eficiência luminosa da T5 é de 10% maior que a da T8 à 35oC; Maior eficiência (aproximadamente 5%), devido ao menor diâmetro da lâmpada T5. Tomando-se os valores apresentados acima, a economia de energia, então será de 1,07 x 1,10 x 1,10 x 1,05 35%. Já na comparação entre as mesmas duas luminárias, porém sem o louvre, o aparelho para T5 apresentará um aumento do rendimento de apenas 10% sobre a T8 operando com reator eletrônico de alta freqüência. Neste mesmo caso, o resultado aumenta em 35% se a luminária T8 for equipada com reator convencional. Desse aumento global no rendimento, aproximadamente 5% pode ser atribuída à taxa de saída da luminária, devido à menor temperatura ambiente dentro dela e à menor luz refletida. As aplicações de iluminação de interiores utilizando luminárias projetadas para lâmpadas fluorescentes T5 e louvres espelhados mais eficientes serão responsáveis por instalações com melhor desempenho energético, implicando menos poluição ambiental e melhor uso dos recursos[9]. 2.8 Comparação entre lâmpada fluorescente T5 e a lâmpada de vapor metálico A feira internacional de iluminação LIGHTFAIR INTERNATIONAL 2004, que ocorreu em Las Vegas (EUA), é uma das maiores feiras de iluminação do mundo e trás as tendências, inovações, soluções em iluminação para arquitetos, projetistas e consumidores em geral. Ocorreram grandes debates comparando as lâmpadas fluorescentes T5HO e as 38 lâmpadas de vapor metálico, em aplicações de iluminação onde a luminária encontra-se distante da superfície a ser iluminada (em inglês High Bay), como mostra um exemplo na Figura 2.16. Nos capítulos anteriores as lâmpadas fluorescente T5 e vapor metálico foram apresentadas isoladamente. Neste capítulo serão apresentadas algumas características e resultados da comparação entre as lâmpadas fluorescente T5HO e as lâmpadas de vapor metálico para a aplicação do tipo High Bay, que foi tema de um dos seminários na LIGHTFAIR INTERNATIONAL 2004 [10]-[12]. As principais vantagens de um sistema de iluminação do tipo High Bay, utilizando lâmpadas fluorescentes T5HO 54W (fluorescente tubular T5 de 54W alta saída, High Output) são: Fluxo luminoso inicial 5000 lumens @ 35oC; Vida média de 20000 horas; Manutenção do fluxo luminoso de 93%; Possibilidade de projeto de luminárias com diferentes estilos e com diferentes configurações de lâmpadas; Maior controle da distribuição da luz; A possibilidade de controlar o conjunto reator-lâmpada através de dimerização (reator dimerizável) ou uso de sensores de presença (utilizando reatores com partida rápida programada que possibilita o acendimento da lâmpada com ciclos de acendimentos menores sem danificar significativamente a vida média da lâmpada); Maior rendimento da luminária (dependendo do material do refletor). Figura 2.16 – Exemplo de aplicação de luminárias com lâmpadas de vapor metálico e lâmpadas fluorescentes T-5HO. 39 As principais vantagens de um sistema de iluminação do tipo High Bay, utilizando lâmpadas de vapor metálico com sistema tipo Pulse Start são: Fonte de luz compacta; O fluxo luminoso não é afetado, significativamente, com a variação da temperatura ambiente; Podem ser utilizadas em ambientes internos e externos; Possuem alta eficácia em lumens por watt; Fácil e preciso controle óptico da iluminação; As lâmpadas podem acender em temperaturas inferiores à - 40oC. Para verificar a viabilidade econômica da utilização de um sistema de iluminação com lâmpadas T5HO operando em aplicações do tipo High Bay, é realizada uma comparação com a lâmpada de vapor metálico, como mostra a Tabela 2.6 [11]. Tabela 2.6 – Estudo de viabilidade econômica do uso das lâmpadas T5HO em sistemas de iluminação do tipo High Bay. 4 Lâmpadas 6 Lâmpadas T5HO-54W T5HO-54W Fluxo luminoso inicial (lm) 36000 20000 30000 Fluxo luminoso médio (lm) 23500 18600 27900 Manutenção do fluxo luminoso (%) 65 93 93 Potência do sistema (W) 452 234 351 High Bay com High Bay com High Bay com Tipo da luminária refletor refletor alumínio specular specular Rendimento luminária (%) 70-75 90-95 90-95 Vida da lâmpada (horas) 20000 20000 20000 Eficácia Inicial/ Média (lm/W) 80/51 86/80 86/80 Custo da energia por ano $211 $109 $164 Custo do retrofit -$260 $320 Retorno do investimento (anos) -2,5 6,8 Baseado em um custo de energia de $0,08kWh. Operando 5840 horas por ano. Fonte: “The Great Debate T5HO vs. HID”, OSRAM SYLVANIA. Tipo da Lâmpada 400W Metálica 40 Se nesta mesma instalação for utilizado sensor no sistema de iluminação das lâmpadas T5HO poderá haver uma redução no consumo de energia de aproximadamente 30%. Assim, o retorno do investimento é alcançado em 2,2 anos para o sistema utilizando luminárias com 4 lâmpadas e 3,8 anos para 6 lâmpadas. Figura 2.17 – Iluminância em um sistema de iluminação utilizando lâmpadas de vapor metálico e lâmpadas fluorescentes T5HO. A Figura 2.17 mostra a iluminância (em diagrama de cores) de um sistema de iluminação do tipo High Bay, para a análise mostrada na Tabela 2.6, utilizando luminárias com lâmpadas de vapor metálico de 400W e luminárias utilizando seis lâmpadas fluorescentes T5HO de 54W. Verifica-se que utilizando as lâmpadas de vapor metálico existem partes com pouca iluminância (regiões mais baixas) enquanto que com a utilização do sistema com lâmpadas fluorescentes T5HO existe uma melhor distribuição da luz, com um nível de iluminância maior. 2.9 Conclusão Neste capítulo foram apresentadas algumas estruturas das lâmpadas fluorescentes juntamente com o comportamento elétrico, característica de iluminação, principais lâmpadas fluorescentes, dispositivos de partida e uma comparação entre as lâmpadas fluorescentes T5, T8 e metálica (HID). 41 Na comparação entre a lâmpada fluorescente T5 e T8 pode-se observar que devido às vantagens das lâmpadas T5 existe uma grande possibilidade de que as estas substituirão as lâmpadas fluorescentes T8. Na comparação entre a lâmpada fluorescente T5 e a lâmpada de vapor metálico pode-se observar que as lâmpadas T5 podem conquistar novas aplicações onde antes era restrito para as lâmpadas de vapor metálico. 42 3 3.1 EXPECTATIVA DE VIDA DAS LÂMPADAS FLUORESCENTES T5 Introdução O método tradicional do teste da vida de uma lâmpada fluorescente pode levar até três anos para ter um resultado específico da combinação lâmpada e reator. Com o desenvolvimento de muitas lâmpadas e novos fabricantes no mercado, usuários finais e específicos necessitam informações sobre a compatibilidade e rentabilidade de lâmpadas fluorescente e reatores. Tendo em vista esta necessidade, pesquisas têm sido realizadas usando vários métodos de ciclos para reduzir o tempo de teste requerido. Neste capitulo serão apresentados alguns métodos de teste de ciclos, especificações para a partida e operação da lâmpada T5 e o método utilizado neste trabalho para a determinação da vida da lâmpada fluorescente T5. 3.2 Testes de ciclos rápidos para lâmpada fluorescente Para determinar a relação da vida da lâmpada fluorescente, a Sociedade de Engenharia de Iluminação da América do Norte em inglês Illuminating Engineering Society of North America (IESNA) especifica um método de teste. A partir de um teste realizado com um grande número de amostras de lâmpadas operando em um ciclo de 3 horas ligadas e 20 minutos desligadas é determinando o tempo médio até a falha. Recentemente, métodos de ciclos rápidos têm sido propostos e realizados para tentar reduzir o tempo de teste [26][30]. Os métodos de ciclos rápidos consistem da aplicação de vários ciclos de liga-desliga, como por exemplo: 10 segundos ligada, 10 segundos desligada; 40 segundos ligada, 20 segundos desligada; 5 minutos ligada, 5 minutos desligada; e 15 minutos ligada, 5 minutos desligada. No entanto, a natureza desta relação entre ciclos rápidos e o método da IESNA não tem sido determinada [29]. A vida da lâmpada fluorescente é determinada pela perda da cobertura do material emissivo de elétrons dos filamentos (eletrodos). Algumas das coberturas são corroídas no eletrodo a cada vez que a lâmpada é ligada; evaporação adicional e erosão também ocorrem durante a operação da lâmpada. A temperatura do eletrodo afeta diretamente a evaporação e erosão do material emissivo, afetando assim a vida da lâmpada. Como a 43 temperatura do eletrodo é difícil de ser medida diretamente, sua resistência pode ser usada como parâmetro [29]. Além disso, os dados do teste de ciclos rápidos podem não refletir os dados do teste de ciclo padrão, tendo em vista que os eletrodos da lâmpada podem não esfriar completamente durante o tempo em que a lâmpada esta desligada. Assim, o teste de ciclo rápido pode causar menos danos aos eletrodos da lâmpada durante a partida. Em 1950 Vorlander e Raddin (por Robert Davis [29]) operaram grupos de lâmpadas fluorescentes em sete diferentes ciclos e forneceram dados da relação entre ciclos por horas de operação e a vida média da lâmpada fluorescente, a Tabela 3.1 e Figura 3.1 mostram estes dados e ilustram que os ciclos curtos reduzem o tempo de teste requerido. A Figura 3.1 também mostra uma predição relacionando o teste de ciclos curtos e o teste padrão. No entanto, estes dados foram coletados para lâmpadas de 1940, e eles não realizaram ciclos menores que 0,5 horas ligado ou 20 minutos desligado [29]. Tabela 3.1 – Efeito da partida da lâmpada Ciclos Ligado Desligado Vida média (horas) 0,5 hora 20 minutos 1688 3398 1 hora 20 minutos 2531 2558 2 horas 20 minutos 3590 1827 4 horas 2 horas 4177 1075 8 horas 8 horas 5120 650 16 horas 4 horas 6300 400 Contínuo 7700 FONTE: Vorlander e Raddin,1950 por Robert Davis 1996 [29]. Figura 3.1 – Vida média por ciclos de operação. 44 Partida média 40 Mais recentemente, Garbowicz (1994) e Garbowicz e Jug (1995) (por Rober Davis) testaram ciclos com 3 horas ligada, 20 minutos desligada e 20 segundos ligada, 40 segundos desligada com vários reatores eletromagnéticos e reatores eletrônicos. Estes estudos focaram uma comparação entre o efeito de diferentes reatores na vida da lâmpada com o teste de ciclo rápido e o teste de ciclos padrão. Devido à utilização de diferentes lâmpadas e combinações de reatores em diferentes ciclos, não é possível estabelecer uma relação entre os dados dos ciclos. Entretanto este estudo demonstra a importância de uma técnica de ciclo rápido para um fabricante [29]. Robert Davis (1996) menciona que muitos fabricantes usam várias técnicas de testes de ciclos. No entanto, a maioria dos dados não é publicada, desta forma estas técnicas não podem ser submetidas a um processo de revisão. Métodos de ciclos rápidos são objetivados a reduzirem o tempo de teste requerido para garantir os dados da vida da lâmpada. Todavia, os resultados dos testes de ciclos rápidos são difíceis de serem interpretados na prática e podem ser enganadores, a partir da relação entre a danificação feita nos eletrodos da lâmpada durante o ciclo rápido e a danificação que ocorre o na aplicação real. Como proposta, para realizar um teste de ciclo rápido é necessário prover um fundamento para determinar um tempo apropriado de desligamento para a lâmpada fluorescente. Este tempo de desligamento foi encontrado através da medida da resistência nos eletrodos da lâmpada fluorescente. 3.2.1 Medida da resistência dos eletrodos para as lâmpadas T8 e T12 A resistência dos eletrodos para as lâmpadas T8, T12 e compactas foram medidas por Robert Davis (1996) durante um intervalo de tempo após a extinção da corrente (desligar a lâmpada). A resistência do eletrodo da lâmpada está ligada diretamente com a temperatura do eletrodo, o resultado também indica quanto tempo a temperatura no eletrodo leva para estabilizar. A resistência inicial dos eletrodos foi medida sem a lâmpada ter sido sazonada. Após as lâmpadas serem sazonadas por um período de 100 horas as medidas da resistência do eletrodo foi realizada novamente. Para medir as mudanças da resistência do eletrodo durante um intervalo de tempo um reator fica operando a lâmpada por um período de 15 minutos para garantir a temperatura normal de operação. Após a lâmpada ser desligada a medida da resistência do eletrodo é 45 realizada. Alguns resultados são mostrados na Tabela 3.2 e graficamente nas Figura 3.2 e Figura 3.3. O resultado para as lâmpadas T8 e T12 são diferentes do resultado das lâmpadas compactas. Com as lâmpadas T8 e T12, quase todas as resistências decrescem durante o primeiro minuto 93% e após cinco minutos decrescem 95%. Os resultados mostram que para qualquer teste de ciclo rápido, se a lâmpada ficar desligada menos por um minuto, o eletrodo não esfria completamente. Isto reduz a degradação do filamento durante a partida da lâmpada, e provavelmente resultará em um número maior de ciclos antes do fim da vida da mesma. Para ter um teste de vida significativo recomenda-se cinco minutos como o tempo mínimo para a lâmpada permanecer desligada em qualquer teste de ciclo rápido. Com este tempo assegura-se que a resistência do eletrodo (e sua temperatura) quase retorne a sua temperatura nominal “a frio”. Entretanto, este experimento somente determina o tempo em que a lâmpada ficará desligada. Mas o tempo em que a lâmpada permanecerá ligada também é um dado importante, pois a vida da lâmpada é afetada pela partida e pelo tempo em que permanece ligada. Alguns fabricantes de lâmpadas sugerem que a lâmpada deva permanecer ligada durante um intervalo de cinco a sete minutos, no teste de ciclo rápido, para ajudar a “curar” o eletrodo para que no próximo ciclo de partida a perda de material emissivo seja reduzido [29]. Tabela 3.2 – Produtos testados no experimento resistência do eletrodo Lâmpada Potência da Lâmpada Tipo do Reator e Partida F40T12 40W Magnético partida rápida Resistência Resistência Inicial Sazonada (ohm) (ohm) 1,81 17 F40T12 40W 4,53 1,81 F32T8 FAB A 32W 13,58 2,58 Eletrônico partida rápida F32T8 FAB B 32W 8,41 3,11 F32T8 FAB C 32W 9,09 3,09 FONTE: Rapid-Cycle Testing for Fluorescent Lamp, Robert Davis 1996. 40 19 37 34 46 10,65 % do Inicial Figura 3.2 – Comportamento da resistência do eletrodo para lâmpada fluorescente de 40W T12, com reator eletrônico. Figura 3.3 – Comportamento da resistência do eletrodo para lâmpada fluorescente de 32W fabricante A, com reator eletrônico. 3.2.2 Medida da resistência dos eletrodos para as lâmpadas T5 O mesmo teste realizado por Robert Davis, para medir o tempo que leva para a estabilidade térmica do filamento após a lâmpada ter sido desligada, será apresentado para a lâmpada fluorescente T5 de 28W. Inicialmente as resistências dos eletrodos foram medidas e após serem sazonadas por um período de 100 horas as medidas das resistências dos eletrodos foram realizadas novamente. Para medir as mudanças da resistência do eletrodo durante um intervalo de tempo um reator ficou operando a lâmpada por um período de 15 minutos para garantir a temperatura normal de operação. Após a lâmpada ser desligada a medida da resistência do 47 eletrodo foi realizada através de um DIGITAL OHMMETER VALHALLA SCIENTIFIC 4100 ATC a uma corrente de 10mA em intervalos de 10 segundos entre cada medida, durante 11 minutos em uma temperatura ambiente de 25oC. Alguns resultados são mostrados na Tabela 3.3 e a medida temporal da resistência nas Figura 3.4, Figura 3.5 e Figura 3.6. Figura 3.4 – Resistência da lâmpada Sylvânia T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo. Analisando os dados da tabela verifica-se que a lâmpada fluorescente tubular T5 não variou significativamente o valor da resistência dos eletrodos após 100 horas de operação com um reator eletrônico partida rápida com desligamento da corrente nos filamentos. Tabela 3.3 – Resistências iniciais das lâmpadas testadas Tipo do Reator Resistência e Partida Inicial (ohm) Lâmpada Sylvânia Luxline Plus FEH 28W/T5 Cool White (840) Osram Lumilux FH 28W/T5 Cool White (840) Philips MASTER TL5 HE 28W Cool White(840) 01 02 01 02 01 02 Eletrônico Partida rápida 8,34 8,32 8,86 8,63 9,72 9,71 Resistência % do Sazonada Inicial (ohm) 8,2 98,3 8,21 98,7 8,74 98,7 8,55 99,1 9,35 99,7 9,32 99,9 Com as lâmpadas T5, quase todas as resistências decrescem durante o primeiro minuto (80%) e após cinco minutos decrescem (95%). Só após onze minutos as resistências alcançam o resfriamento total (100%). 48 Figura 3.5 – Resistência da lâmpada Osram T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo. Figura 3.6 – Resistência da lâmpada Philips T5 (%), durante o resfriamento do eletrodo. Estes resultados são similares aos das lâmpadas T8 e mostram que, para um teste de ciclo rápido, se a lâmpada ficar desligada menos de um minuto o eletrodo não vai esfriar completamente. Assim, reduzirá a degradação dos filamentos durante a partida da lâmpada, e provavelmente resultará em um número maior de ciclos até o fim da vida da lâmpada. Para ter um teste de vida mais significativo é necessário um tempo mínimo de cinco minutos para a lâmpada permanecer desligada. Com este tempo assegura-se que a resistência do eletrodo (e sua temperatura) retorne a sua temperatura nominal “a frio”. 49 3.3 Tempo de vida médio para a lâmpada fluorescente T5 Se a lâmpada fluorescente T5 estiver operando com um reator eletrônico que forneça as características nominais para o funcionamento e partida (como será apresentado abaixo) está terá um tempo de vida médio de 20000 horas, quando aplicado um ciclo de 3 horas ligada e 15 minutos desligada. As curvas publicadas pelo fabricante da lâmpada (Philips) mostram valores médios e são baseadas em um grande lote de produção e testadas em condições de laboratório como especifica a norma IEC 60901(1996). Na prática a performance individual das lâmpadas, ou grupos de lâmpadas, pode variar da média. A expectativa média da vida da lâmpada ocorre quando 50% da grande maioria das lâmpadas queima, como mostra a Figura 3.7. Figura 3.7 – Expectativa de vida em um ciclo de 3 horas para a lâmpada T5. A vida média da lâmpada é afetada por vários motivos dentre eles encontra-se a freqüência de chaveamento, quanto maior do que o especificado pela IEC (165 minutos ligada, 15 minutos desligada) menor será a vida da lâmpada. A Tabela 3.4 mostra um exemplo do ciclo de operação e a influência na vida da lâmpada [16]. Tabela 3.4 – Influência da vida da lâmpada sobre diferentes ciclos de operações. Ciclo de operação, tempo em min. Vida da lâmpada 690 ligada, 30 desligada 115% 165 ligada, 15 desligada 100% 90 ligada, 15 desligada 90% 45 ligada, 15 desligada Fonte: Catálogo da Philips SILHOUETTE T5. 50 80% Alguns fabricantes de lâmpadas como a GE Ligthing apresenta em seu catálogo Starcoat T5 a performance de suas lâmpadas sobre um teste de ciclo rápido de 30 segundos ligada e 4,5 minutos desligada. As lâmpadas fluorescentes T5, sob a condição de teste de ciclo rápido, apresentam uma durabilidade maior do que 20000 ciclos [31]. 3.4 Recomendações para o desenvolvimento de reatores eletrônicos para lâmpadas T5 A ótima performance da lâmpada fluorescente depende principalmente das propriedades do reator utilizado. Como todas as fontes de luz de descarga de gás, as lâmpadas fluorescentes não funcionam se ligadas diretamente na rede de alimentação, pois elas necessitam um dispositivo (reator) que basicamente: limite e estabilize a corrente na lâmpada, forneça a tensão de ignição necessária para acender a lâmpada e controle a energia para aquecer os filamentos durante a partida. 3.4.1 Características de pré-aquecimento Como todas as lâmpadas fluorescentes, as lâmpadas T5 possuem eletrodos com material emissivo facilitando a ignição, contanto que a temperatura seja alta o suficiente. A melhor forma para acender uma lâmpada fluorescente T5 é pré-aquecendo os eletrodos sem aplicar sobre a mesma uma tensão capaz de ascendê-la, somente após o período de préaquecimento deve-se aplicar a tensão mínima para seu acendimento [16] e [31]. Normalmente dois métodos são utilizados para a partida da lâmpada por pré-aquecimento dos filamentos: pré-aquecimento controlado por corrente e pré-aquecimento controlado por tensão. Dependendo do tempo permitido para o pré-aquecimento o reator deverá fornecer a corrente ou a tensão dentro dos limites especificados nas Tabela 3.5 e Tabela 3.6 ou encontrados na IEC60081 [17]. Se os limites forem ultrapassados ou não alcançados um escurecimento nas extremidades da lâmpada (do inglês end-blackening) se formará precocemente e a vida útil da lâmpada será afetada. 51 Tabela 3.5 – Pré-aquecimento controlado por corrente para as lâmpadas T5 standard. Tempo de pré-aquecimento Corrente de préaquecimento 0,5s 1,0s 1,5s 2,0s 3,0s RSUBS Min. mA (RMS) 290 235 210 200 185 30 Max. mA (RMS) 385 Fonte: Catálogo da Philips SILHOUETTE T5. 310 280 265 245 30 Tipo da lâmpada 14, 21, 28 e 35W Tabela 3.6 – Pré-aquecimento controlado por tensão para as lâmpadas T5 standard. Tempo de pré-aquecimento Tensão de préaquecimento 0,5s 1,0s 1,5s 2,0s 3,0s RSUBS Min. V (RMS) 8,8 7,0 6,4 6,0 5,6 30 Max. V (RMS) 11,6 Fonte: Catálogo da Philips SILHOUETTE T5. 9,3 8,4 7,9 7,4 30 Tipo da lâmpada 14, 21, 28 e 35W 3.4.2 Tensão de ignição A tensão de ignição ou tensão de circuito aberto é muito importante para o acendimento e determinação da vida útil da lâmpada. A tensão de ignição para um circuito com préaquecimento dos filamentos deve respeitar dois limites: tensão máxima de circuito aberto durante o período de pré-aquecimento e tensão mínima de circuito aberto após o período de pré-aquecimento. Dependendo da temperatura ambiente onde se encontra a lâmpada fluorescente os valores de tensões são diferentes. As tensões de circuito aberto para reatores alimentando lâmpadas fluorescentes tubulares standard T5 são mostradas na Tabela 3.7 [16]. A ignição da lâmpada T5 sem pré-aquecimento é abordada de diferentes formas, dependendo do fabricante. As lâmpadas PHILIPS T5 podem ser partidas sem um pré-aquecimento. Mas isto deverá provocar um maior desgaste em seus filamentos. Por esta razão, não é recomendada a ignição da lâmpada sem pré-aquecimento em aplicações onde é requerido um ciclo freqüente de ligar e desligar a lâmpada. Entretanto, a ignição da lâmpada sem préaquecimento pode ser uma opção para aplicações onde o ciclo de ligar e desligar a lâmpada 52 não forem freqüentes, ou seja, em aplicações onde o intervalo entre os ciclos ultrapassa oito horas [32]. Tabela 3.7 – Tensão de circuito aberto para um reator eletrônico com pré-aquecimento. Potência da lâmpada Max. durante pré-aquecimento V(RMS) Min. para a ignição V(RMS) Max. durante pré-aquecimento V(RMS) 21W Min. para a ignição V(RMS) Max. durante pré-aquecimento V(RMS) 28W Min. para a ignição V(RMS) Max. durante pré-aquecimento V(RMS) 35W Min. para a ignição V(RMS) Fonte: Catálogo da Philips SILHOUETTE T5. 14W Temperatura ambiente 10oC a 60oC -15oC a 60oC 130 130 230 275 200 200 340 390 240 240 425 530 275 275 530 700 As lâmpadas fluorescentes T5 OSRAM não são indicadas para aplicações onde a partida da lâmpada é realizada sem pré-aquecimento dos filamentos (partida instantânea). Neste tipo de aplicação pode haver uma redução significativa na vida útil das lâmpadas, comprometendo assim o sistema de iluminação [33]. 3.5 Conclusão Neste estudo a técnica utilizada por Robert Davis para determinar o tempo em que a lâmpada (T8, T12 e CFL) deve ficar desligada no teste de ciclo, para que a temperatura no eletrodo da lâmpada alcance seu valor inicial, foi utilizada para a determinação do tempo em que a lâmpada de 28W/T5 deve permanecer desligada para que a temperatura no filamento atinja a temperatura ambiente “esfrie”. Com a determinação dos tempos do teste de ciclo rápido, tempo da lâmpada desligada e ligada, será realizado um teste de ciclo comparando três reatores eletrônicos para uma lâmpada fluorescente de 28W/T5: reator eletrônico sem controle de pré-aquecimento, reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para a lâmpada fluorescente e um reator eletrônico encontrado no mercado brasileiro (sem pré-aquecimento). 53 4 ANÁLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO 4.1 Introdução A seguir serão apresentadas as principais topologias utilizadas para implementar a etapa de potência e o circuito ressonante em reatores eletrônicos. Com base nestas informações, será realizado o estudo e a desenvolvimento de um reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para a lâmpada fluorescente tubular T5 de 28W. Este estudo servirá de base para o desenvolvimento do reator eletrônico com préaquecimento controlado por tensão para a lâmpada fluorescente tubular T5. Este reator também será utilizado para o teste de ciclo rápido comparando seu desempenho com o reator com pré-aquecimento controlado. 4.2 Topologia dos circuitos para a etapa de potência Na maioria das aplicações os reatores eletrônicos utilizam circuitos ressonantes juntamente com circuitos auto-oscilantes, por apresentarem baixo custo e desempenho eficaz no controle das chaves [34]. Os tipos de circuitos mais utilizados em reatores eletrônicos são [34]-[36]: reator eletrônico ressonante paralelo ou meia ponte alimentado por corrente (do inglês current fed half-bridge resonant circuits), reator eletrônico ressonante série ou meia ponte alimentado por tensão (do inglês voltage fed half-bridge circuits) e o reator eletrônico push-pull alimentado por corrente (do inglês current-fed push-pull electronic ballast). A seguir será apresentado o principio de funcionamento destes circuitos, as suas principais características e uma comparação entre as diferentes topologias. 4.2.1 Reator eletrônico auto-oscilante ressonante paralelo O circuito típico de um reator eletrônico auto-oscilante ressoante paralelo é mostrado na Figura 4.1. Durante o transiente de partida, o capacitor C6 em série com C5 magnetiza o transformador T1 e uma alta impedância passa a ser vista pelo capacitor C3 que deverá 54 oscilar resultando em uma alta tensão através dos transistores TR1 e TR2. Neste momento se o circuito de disparo for acionado, o circuito começará a oscilar em uma freqüência maior que a freqüência de regime. A tensão de circuito aberto do transformador é aplicada nas lâmpadas acendendo-as. O circuito de disparo é formado pelo resistor R1, R2, pelo capacitor C2 e pelo diac D2. T1:1 TR1 C5 R1 T2:1 D5 D3 + - C3 C1 C4 D2 LAMP2 V1 LAMP1 T2 D1 TR2 C6 R2 T2:2 C2 D4 C7 C8 T1:2 Figura 4.1 – Reator eletrônico ressonante paralelo, com partida instantânea das lâmpadas. Uma vez a lâmpada acesa a freqüência de operação diminui e a corrente através da lâmpada é controlada pelos capacitores C7 e C8. Após a estabilização, a tensão no transistor entre coletor e emissor é de /2VCC, onde a tensão CC é a tensão no capacitor C1. Os diodos em anti-paralelo D4 e D5 conduzem antes que os transistores entrem em condução, assim, os transistores trabalham em ZVS (comutação em tensão zero) na entrada de condução. O tanque capacitivo atua como um capacitor de snubber fazendo com que os transistores sejam bloqueados suavemente. Desta forma, as perdas por chaveamento em um reator eletrônico ressonante paralelo são bem reduzidas. Outra característica deste circuito é que ele possui uma proteção intrínseca, ou seja, quando a saída é colocada em curto-circuito ou quando as lâmpadas forem removidas o circuito não é danificado [34]. 4.2.2 Reator eletrônico auto-oscilante ressonante série Esta configuração de circuito pode ser considerada como dual do reator eletrônico ressonante paralelo, ou seja: no circuito paralelo a tensão nos transistores entre coletor55 emissor é aproximadamente senoidal e a corrente de coletor possui um formato quadrado; no circuito série a tensão entre coletor e emissor é aproximadamente quadrada e a corrente de coletor possui um formato senoidal. Um reator típico é mostrado na Figura 4.2. C4 TR1 R1 T1:2 LAMP1 D5 D3 D1 T1:1 V1 + - C3 C1 D2 TR2 L1 R2 T1:3 C2 D4 Figura 4.2 – Reator eletrônico auto-oscilante ressonante série, partida rápida. O principio de funcionamento é similar ao reator eletrônico ressonante paralelo. O circuito começa a oscilar quando a tensão no capacitor C2 atinge a tensão de disparo do diac D2, aplicando um pulso de corrente na base do transistor TR2 fazendo com que ele entre em condução. Esta topologia proporciona uma tensão nos transistores igual à tensão no capacitor C1, isto é, menor que o reator eletrônico ressonante paralelo. Esta característica é uma vantagem pois, transistores que suportam tensões maiores são relativamente mais caros. A freqüência de operação é basicamente determinada pela saturação do núcleo do transformador TR1 e pelo tempo de estocagem do transistor (do inglês storage time). Os transistores trabalham em ZVS na condução. Outra característica deste circuito é que ele necessita de um circuito de proteção auxiliar quando a saída for colocada em curtocircuito, mas não apresenta problema se a lâmpada for removida [34]. 4.2.3 Reator eletrônico auto-oscilante push-pull alimentado por corrente Basicamente o principio de operação do circuito push-pull é similar ao ressonante paralelo, a Figura 4.3 mostra um circuito típico. A oscilação é iniciada através do resistor R1, que aplica uma corrente na base do transistor TR1, suficiente para colocá-lo em condução. Uma vez iniciada a oscilação, uma elevada tensão é induzida no secundário de T1, suficiente para provocar o acendimento da lâmpada. O enrolamento auxiliar T1:2, devido ao 56 acoplamento magnético, reflete a tensão do secundário de T1 e juntamente com R2 limita a corrente na base dos transistores TR1 e TR2, mantendo a oscilação. Durante o regime normal de operação a tensão aplicada nos transistores é aproximadamente VCC, onde a tensão CC é a tensão no capacitor C1. As perdas por chaveamento são reduzidas pelo fato que os transistores trabalham em comutação com corrente zero (ZCS) [34]. L1 T1 R1 + V1 - LAMP1 D2 D1 LAMP2 TR1 R2 T1:2 C1 C2 D3 TR2 C3 C4 Figura 4.3 – Reator eletrônico push-pull alimentado por corrente, partida instantânea. A tensão no enrolamento secundário de T1 mantém-se elevada, a corrente das lâmpadas é limitada pelos capacitores C3 e C4. O indutor L1 atua como uma fonte de corrente constante, mantendo a ressonância do circuito na oscilação e compensando a energia absorvida pela lâmpada [35]. Esta topologia apresenta a vantagem de não necessitar de uma proteção auxiliar para a condição de curto-circuito ou circuito aberto na saída. 4.2.4 Topologia do circuito de potência do reator eletrônico para a lâmpada fluorescente T5 Para a escolha da topologia do circuito de potência do reator eletrônico, com ou sem controle do pré-aquecimento dos filamentos, deve-se levar em consideração os seguintes aspectos: 57 Possibilidade de controle das chaves através de circuito integrado dedicado para reatores eletrônicos, para facilitar o cumprimento dos requisitos de partida da lâmpada, como especificado no capítulo 3 em seu item 3.4; Ser apto a trabalhar com tensões de barramento relativamente elevadas: 400VCC devido ao circuito pré-regulador do fator de potência alimentado em 220VCA; Controlar uma carga pequena (uma lâmpada fluorescente de 28W); Trabalhar com baixas perdas por chaveamento; Melhor relação custo benefício. Com base nas topologias de circuitos de potência apresentadas acima o circuito que melhor se adapta é o inversor em meia ponte alimentado por tensão. Os transistores BIPOLARES deverão ser substituídos por transistores do tipo MOSFET. 4.3 Filtros ressonantes Os filtros ressonantes são muito importantes no desenvolvimento de reatores eletrônicos, porque geralmente os conversores de baixa para alta freqüência geram formas de ondas quadradas, e através da utilização de filtros ressonantes de saída satisfazem as necessidades de funcionamento da lâmpada [37]. A configuração do filtro ressonante pode ser escolhida de acordo com a necessidade das características da lâmpada que se deseja alimentar. Os filtros que a seguir são apresentados possuem características próprias que podem e devem ser exploradas. Na Figura 4.4 são mostradas diversas topologias clássicas de filtros ressonantes. Para escolher dentre as topologias de filtros ressonantes será realizada uma comparação e uma análise detalhada em três delas: LC série, L série C paralelo, LC série C paralelo. Considerando a topologia do circuito de potência como sendo meia ponte alimentado por tensão e que a freqüência de operação está acima da freqüência de ressonância do filtro. Para as três topologias de filtros ressonantes o circuito meia ponte aplica uma tensão de onda quadrada na entrada do filtro ressonante. Este por sua vez, tem um efeito de filtrar as harmônicas altas da tensão e uma corrente senoidal aparece na entrada do filtro ressonante, desde que o fator de qualidade do mesmo seja alto o suficiente. Neste caso uma carga não linear como a lâmpada fluorescente pode ser modelada por uma impedância linear [38]. 58 Cs Cs Ls Cp R Lp Cp R R Ls Cs (a) Cs Cp Ls (b) Ls Lp R R (c) Cp Lp R Ls (d) Ls (e) Cp (f) Lp R Cs (g) Figura 4.4 – Circuitos dos filtros de saída: a) LC série; b) L série C paralelo; c) C série LC paralelo; d) LC série C paralelo; e) LC série L paralelo; f) L série LC paralelo; g) LC série LC paralelo. Se o fator de qualidade não for alto suficiente a forma de onda da corrente no indutor difere de uma onda senoidal, sendo assim uma solução analítica torna-se mais difícil de se obter. O fato de se ter uma corrente senoidal no indutor permite o uso de uma análise CA clássica pela aproximação fundamental [39]. A Figura 4.5 mostra o circuito meia ponte alimentado por tensão juntamente com os três filtros ressonantes que serão analisados. 59 S1 S1 D1 Cs D1 Ls Ls + E + E S2 S2 R D2 D2 Cp R (b) (a) S1 D1 Ls + E - Cs S2 D2 Cp R (c) Figura 4.5 – Conversor half-bridge com os circuitos ressonantes a) LC série; b) L série C paralelo; c) LC série C paralelo. 4.3.1 Análise do filtro ressonante LC série O circuito equivalente CA é mostrado na Figura 4.6, onde, LS é o indutor série, CS é o capacitor série e a lâmpada R. Para simplificar a análise, as chaves S1, S2 e a fonte de tensão E foram substituídas por uma fonte de tensão de forma de onda quadrada vE(t), que possui seu nível baixo em zero (S1 bloqueia, toff) e seu nível alto em E (S1 conduz, ton) como mostra a Figura 4.7. Cs Ls R v E (t) v S(t) Figura 4.6 – Circuito equivalente CA, filtro ressonante LC série. 60 A fonte de tensão de onda quadrada vE(t) representada na Figura 4.7 pode ser expandida em série de Fourier, como mostra a equação (4.1), a fim de encontrar a componente fundamental da tensão de entrada. v E(t) E ton toff t T Figura 4.7– Tensão vE(t). v E (t ) VEM sin (n t ) n n1,3,5,... (4.1) A tensão eficaz (VE) e a amplitude máxima (VEM) da componente fundamental estão representadas nas equações abaixo: 2 VE E (4.2) V EM V E 2 (4.3) 2 O ganho do circuito é dado pela relação entre a tensão de saída VS pela tensão de entrada VE. Utilizando a regra do divisor de tensão ao circuito da Figura 4.6 é possível obter: G ( j ) VS VE R 1 j LS R j CS 1 j LS 1 1 R 1 LS 1 j R C R S (4.4) Adotando-se as seguintes mudanças de variáveis: 1 0 QS U (4.5) LS C S 0 LS (4.6) R ω ω0 (4.7) 61 Tem-se: G ( j ) G( j ) 1 L 1 j S R 1 LS C S 1 L 1 j S R (4.8) 2 0 0 0 1 1 0 L 0 1 jQS 1 j 0 S R 0 0 G ( j ) VS VE (4.9) 1 1 1 QS 2 U U (4.10) 2 A Figura 4.8 mostra o gráfico da função de transferência da equação (4.10) para valores de U (freqüência parametrizada) para cinco valores de QS (fator de qualidade). Estas curvas podem ser consideradas precisas acima da freqüência de ressonância onde a ação do filtro ressonante é suficiente para permitir uma forma de onda da corrente aproximadamente senoidal, mesmo que a tensão de excitação do circuito seja uma forma de onda quadrada [39]. Ganho Conversor Serie 1.1 1 Gi 1 0.8 Gi 2 Gi 3 0.6 Gi 4 Gi 5 0.4 0.2 0.1 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 ui 1.4 1.6 1.8 2 Figura 4.8 – Ganho do circuito ressonante LC série em relação a U para cinco valores de QS. 62 O filtro ressonante série tem como principal desvantagem a tensão de saída não poder ser regulada caso a carga seja removida. Isto pode ser visto nas curvas características na Figura 4.8. Em QS=1, como exemplo, a curva tem pouca “variação”, e o fato de que quando o circuito estiver operando sem carga a curva será simplesmente uma linha horizontal [39]. Uma vantagem do filtro ressonante série é que o capacitor série atua como um bloqueador de corrente CC pois, caso este não o fizesse a corrente fluiria pela lâmpada R e através do indutor LS causando a saturação do núcleo e danificando as chaves [38] . 4.3.2 Análise do filtro ressonante L série C paralelo Uma análise similar ao filtro ressonante LC série pode ser realizada, o circuito CA é mostrado na Figura 4.9. A alimentação do filtro ressonante é representada por uma fonte de tensão quadrada vE(t), que possui nível baixo igual a zero e nível alto igual a E como mostra a Figura 4.7, a tensão eficaz da fundamental VE é definida pela equação (4.2), LS é o indutor série, CP é o capacitor paralelo e a lâmpada é representada pela sua resistência R. Ls vE(t) vS(t) Cp R Figura 4.9 – Circuito equivalente CA, filtro ressonante L série C paralelo. O ganho do circuito é dado pela relação entre a tensão de saída VS pela tensão de entrada VE. R // 1 j CP R j CP R 1 R j LS j CP R 1 G ( j ) VS VE G ( j ) VS R 1 .LS V E R 2 L S C P R j LS 1 2 LS C P j R 1 j LS R // j CP 63 (4.11) (4.12) Definindo: 0 1 (4.13) LS C P Substituindo as equações (4.13) e (4.6) em (4.12), tem-se: G ( j ) VS VE 1 1 LS C P j QS 0 2 1 (4.14) 2 j 1 QS 0 0 O módulo da equação (4.14) é apresentado na equação (4.15). G ( j ) VS VE 1 U 1 2 2 (4.15) U QS 2 A Figura 4.10 mostra o gráfico da função de transferência da equação (4.15) para valores de U e para cinco valores de QS. Estas curvas podem ser consideradas precisas acima da freqüência de ressonância [39]. 5.1 Gi 1 Ganho Conversor Paralelo 5 4 Gi 2 Gi 3 3 Gi 4 Gi 5 2 1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 ui 1.4 1.6 1.8 2 Figura 4.10- Ganho do filtro ressonante L série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS. As curvas características de ganho para o filtro L série C paralelo, Figura 4.10, mostram que, diferente do conversor LC série, o conversor pode controlar a tensão de saída na condição sem carga, operando acima da freqüência de ressonância. Também pode ser visto 64 que a tensão de saída na ressonância é em função da carga e pode ser aumentada a valores altos na condição de sem carga. 4.3.3 Análise do filtro ressonante LC série C paralelo A análise do filtro ressonante LC série C paralelo procede de maneira similar aos filtros acima, mas com um pouco mais de álgebra. O circuito CA é mostrado na Figura 4.11. A alimentação do filtro é representado por uma fonte de tensão quadrada vE(t), que possui nível baixo igual a zero e nível alto igual a E como mostra a Figura 4.7. A tensão eficaz da fundamental VE é definida pela equação (4.2), LS é o indutor série, CS é o capacitor série, CP é o capacitor paralelo e a lâmpada R. Cs Ls v E (t) Cp R v S(t) Figura 4.11– Circuito equivalente CA, filtro ressonante LC série C paralelo. O ganho do circuito do filtro ressonante LC série C paralelo é dado pela relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada, como segue: 1 V j CP G ( j ) S 1 1 VE j LS R // j CS j CP (4.16) R V j CP R 1 G( j ) S 1 R VE j LS j CS j CP R 1 (4.17) R // 65 R j. .C P .R 1 G ( j ) j 3 LS C S C P R 2 C S LS j C P R 1 j C S R j C S j C P R 1 j CS R G ( j ) j C S R j LS C S C P R 2 C S L S j C P R 1 3 G( j ) 1 j LS C P 1 1 2 LS C P R CS j CS R G( j ) 1 C 1 2 LS C P P CS LS 1 j C S R R (4.18) (4.19) (4.20) (4.21) Substituindo (4.5) e (4.6) em (4.21) tem-se: 1 G ( j ) CP 2 CP 1 j 2 QS 0 QS CS C S 0 0 1 G ( j ) C 1 P CS G ( j ) VS VE (4.23) 2 1 j QS 0 2 0 0 1 (4.22) (4.24) 2 CP 1 1 U 2 QS 2 U 1 U CS 2 Como pode ser visto na equação (4.24), o ganho deverá depender da escolha da relação CP e CS, que também determina a característica série ou paralela do filtro ressonante. As características das curvas de ganho são mostradas nas Figura 4.12, Figura 4.13 e Figura 4.14 para três relações de CP e CS: CS=CP, CS=2CP e CS=20CP e para cinco valores de QS. Estas curvas podem ser consideradas precisas acima da freqüência de ressonância [39]. 66 Ganho Conversor Série Paralelo Cs=Cp 1.7 1.6 1.4 Gi 1 1.2 Gi 2 Gi 3 1 Gi 4 0.8 Gi 5 0.6 0.4 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 1.4 1.6 1.8 ui 2 Figura 4.12 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=CP. Ganho Conversor Série Paralelo Cs=2Cp 1.4 1.2 Gi 1 1 Gi 2 Gi 3 0.8 Gi 4 Gi 5 0.6 0.4 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 ui 1.4 1.6 1.8 2 Figura 4.13 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=2CP. 67 Ganho Conversor Série Paralelo Cs=20Cp 1.4 1.2 Gi 1 1 Gi 2 Gi 3 0.8 Gi 4 Gi 5 0.6 0.4 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 ui 1.4 1.6 1.8 2 Figura 4.14 – Ganho do filtro ressonante LC série C paralelo em relação a U para cinco valores de QS, com CS=20CP. A combinação do filtro ressonante LC série com o L série C paralelo traz as melhores características de cada filtro e elimina seus pontos fracos, dependendo da seleção dos componentes [39]. O ganho do filtro depende da relação CP e CS, que também determina a característica série ou paralela como pode ser visto, para 3 ou 4 valores de QS, os picos das curvas ressonantes aparecem aproximadamente na mesma freqüência, dado pela freqüência de ressonância do capacitor série e a indutância série. Em outras palavras, quando a resistência de carga é baixa o suficiente “curto circuita” o capacitor ressonante paralelo CP, que resulta em um circuito próximo de um filtro ressonante LC série. Quando o filtro está sem carga, a expressão de QS diminui e o pico da freqüência de ressonância move-se para freqüências maiores. Isto é devido ao fato de que a capacitância ressonante equivalente em “cargas leves”, resistências altas, é dado pela combinação paralela dos capacitores ressonante série e paralelo. Quando a resistência de carga vai de um valor pequeno para um valor grande a característica do circuito passa de um filtro ressonante LC série para um filtro ressonante LC paralelo [39], como mostra a Figura 4.15. 68 2 1.8 1.6 Ge( U 0.2) 1.4 Ge( U 5) 1.2 Ge( U 6) 1 Ge( U 7) 0.81 0.61 0.41 0.21 0.0090.009 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0.1 U 3 3.5 4 4.5 5 5 Figura 4.15 – Curva de ganho para CS=10CP e para QS=5, 6, 7 e 0,2. 4.4 Topologia do inversor e filtro ressonante para o reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento Para a escolha do filtro ressonante é necessário verificar algumas características de partida e funcionamento da lâmpada fluorescente. Partida da lâmpada: deverá ocorrer por uma tensão elevada nas suas extremidades podendo ou não haver uma pequena parcela de aquecimento nos filamentos, desde que não seja controlado; Possibilidade de comutação suave das chaves: o circuito meia ponte alimentado por tensão proporciona comutação suave nas chaves se a freqüência de chaveamento for maior que a freqüência natural do filtro ressonante; Corrente CC na lâmpada: deve-se evitar uma corrente CC na lâmpada, pois a circulação desta, obrigatoriamente, passará pelo indutor causando uma saturação do núcleo e danificando as chaves do circuito inversor. Para os três filtros ressonantes avaliados anteriormente e levando em consideração as principais características necessárias para a partida e funcionamento da lâmpada fluorescente pode-se concluir que [37]: o filtro ressonante LC série pode ser utilizado em reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes, desde que a fonte de tensão de entrada possua valores elevados de tensão. O filtro ressonante L série C paralelo pode ser aplicado 69 em reatores eletrônicos desde que seja acrescentado um bloqueador de corrente CC para a lâmpada fluorescente. O filtro ressonante LC série C paralelo é a melhor escolha para esta aplicação reunindo as melhores características dos filtros LC série e L série C paralelo. 4.5 Analise qualitativa do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento após o acendimento da lâmpada fluorescente O circuito do reator eletrônico meia ponte alimentado por tensão e o filtro ressonante LC série C paralelo possuem quatro etapas de operação, mostradas na Figura 4.16. As formas de ondas da tensão nos gatilhos das chaves S1 e S2, VGS1 e VGS2 são mostradas na Figura 4.17, assim como as formas de ondas das tensões dreno-fonte VDS1 e VDS2. S1 VGS1 + S1 D1 + Ls - E E S2 VGS2 VGS1 Cs D2 + + - Cp R LAMP R LAMP VGS2 Segunda Etapa S1 D1 + Ls VGS1 E S2 VGS2 Cp D2 + S1 + - Cs S2 Primeira Etapa E Ls - - VGS1 D1 + + Cs D2 + - D1 + Ls S2 Cp R LAMP VGS2 - + Cs D2 Cp R LAMP Terceira Etapa Quarta Etapa Figura 4.16 – Etapa de funcionamento do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento. A lâmpada fluorescente pode ser aproximada por uma resistência R LAMP, desde que o reator opere em alta freqüência [25]. Considerando chaves ideais e operando em uma freqüência superior a freqüência de ressonância e com ciclo de trabalhos de 50%. 70 Abaixo será apresentada a descrição das quatro etapas de funcionamento do reator eletrônico, considerando os componentes ideais. Primeira Etapa: a chave S1 é habilitada (fecha), a fonte E fornece uma corrente que começa a circular pelo capacitor CS, indutor LS alimentando a lâmpada RLAMP. Na Figura 4.17, corresponde ao intervalo de tempo compreendido entre t0 à t1. Segunda Etapa: a chave S1 é desabilitada (abre) e a corrente que estava presente na primeira etapa continua a fluir no mesmo sentido devido à presença do indutor. Com a chave S1 desabilitada a corrente passa a fluir através do diodo D2, antiparalelo a chave S2. Na Figura 4.17, corresponde ao intervalo de tempo compreendido entre t1 à t2. Terceira Etapa: quando a corrente iL(t) se anula, a chave S2 que já havia sido comandada assume esta corrente, ocorrendo então a inversão do sentido da corrente devido aos capacitores do circuito que estão carregados. Aqui se percebe que quando a chave S 2 fecha, a tensão sobre ela é zero, pois o diodo em antiparalelo ainda esta conduzindo. Portanto diz-se que o circuito opera em comutação suave ZVS (do inglês zero voltage switching). Na Figura 4.17, corresponde ao intervalo de tempo compreendido entre t2 à t3. Quarta Etapa: nesta etapa a chave S2 é bloqueada e a corrente passa a circular através do diodo D1, pois o indutor ainda mantém o sentido da corrente. Na etapa seguinte quando S1 for habilitada haverá ainda uma corrente no diodo, assim esta chave vai iniciar sua condução com tensão nula, ZVS. Na Figura 4.17, corresponde ao intervalo de tempo compreendido entre t3 à t4. 71 VGS1 VGS2 VDS1 VDS2 I S1 I S2 IL t 0 t0 t1 t2 t3 t4 Figura 4.17 – Formas de ondas teóricas do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento. 4.6 Análise quantitativa do reator utilizando filtro LC série C paralelo, resposta em freqüência Durante a operação do reator eletrônico uma corrente senoidal alimenta a lâmpada, devido ao efeito do filtro ressonante. Assim, uma carga não linear, como a lâmpada fluorescente, pode ser modelada por uma impedância linear [38]. O fato de existir uma corrente senoidal no indutor permite o uso de uma análise CA clássica pela aproximação fundamental [39]. A seguir será realizada uma análise do circuito meia ponte alimentado por tensão com filtro ressonante LC série C paralelo, mostrado na Figura 4.18. 72 S1 D1 E LS vE + - a CS S2 Cp D2 RLAMP a’ Figura 4.18 – Circuito do reator eletrônico meia ponte alimentado por tensão com filtro ressonante LC série C paralelo. 4.6.1 Ganho do filtro LC série C paralelo Para simplificar a análise as chaves S1, S2 e a fonte de tensão E foram substituídas por uma fonte de tensão de onda quadrada vE(t), que possui nível baixo igual a zero e nível alto igual a E, como mostra a Figura 4.7. O circuito CA é mostrado na Figura 4.19. A tensão eficaz da fundamental VE é definida pela equação (4.2), VS é a tensão de saída eficaz, LS é o indutor série, CS é o capacitor série, CP é o capacitor paralelo e RLAMP é o modelo resistivo da lâmpada. Cs Ls a vE(t) Cp RLAMP vS(t) a' Figura 4.19– Circuito equivalente CA, filtro ressonante LC série C paralelo. O ganho do circuito do conversor ressonante LC série C paralelo é dado pela relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada. A análise do ganho do filtro ressonante LC série C paralelo foi realizado no capítulo 4.3.3 sendo assim, as equações deste são válidas para este capítulo substituindo: R RLAMP (4.25) 73 A partir da equação do módulo do ganho do filtro ressonante LC série C paralelo, equação (4.24), e a amplitude da componente fundamental, equação (4.3), se obtém uma expressão que informa a amplitude da tensão fundamental sobre a carga RLAMP. VL 2 E C . 1 P C S (4.26) 2 2 2 0 1 QS 2 0 0 2 4.6.2 Impedância parametrizada É muito importante conhecer a característica da impedância parametrizada do filtro ressonante para que se possa avaliar a corrente que passará pelas chaves. Como pode ser visto na Figura 4.20, a impedância do filtro ressonante LC série C paralelo é dado pela soma da reatância do capacitor CS, do indutor LS e o paralelo entre o capacitor CP e o modelo resistivo da lâmpada fluorescente. Z Cs Ls vaa' vE(t) Cp RLAMP vS(t) Figura 4.20 – Impedância de entrada do filtro ressonante LC série C paralelo. Z ( j ) j L 1 1 RLAMP // j CS j CP (4.27) Z ( j ) j L RLAMP 1 j CS j C P RLAMP 1 (4.28) Z ( j ) 3 LS C S C P R LAMP 2 LS C S j C P R LAMP j C S 2 C S C P R LAMP j C S RLAMP 1 j C S 2 C S C P R LAMP 74 (4.29) Z ( j ) 2 LS C P j LS CP 1 1 CS j C S RLAMP RLAMP 1 j CP (4.30) RLAMP 1 Z ( j ) LS CP 1 2 LS C P j CS RLAMP C S RLAMP 1 j CP RLAMP (4.31) Definindo as equações (4.32) e (4.33) e substituindo na equação (4.31), após algumas simplificações, tem-se a equação (4.40): 0 LS QS RLAMP LS C S 1 Z ( j ) 1 Z ( j ) 1 Z ( j ) (4.32) 1 (4.33) 0 C LS 0 LS CP 2 LS C P S j CS CS RLAMP 0 C S RLAMP LS 1 j CP RLAMP CP 2 C p 2 j QS 0 QS CS 0 CS 0 1 j CP RLAMP (4.34) (4.35) CP 1 1 U 2 j QS U CS U 1 j CP RLAMP (4.36) CP 1 1 U 2 j QS U CS U Z ( j ) C L 1 1 j C P S S R LAMP R LAMP C S LS 1 75 (4.37) CP 1 1 U 2 j QS U CS U Z ( j ) 1 C P RLAMP 1 j RLAMP 0 C S 0 LS 1 1 Z ( j ) Z ( j ) RLAMP CP 1 U 2 j QS U CS C 1 U 1 j P RLAMP C S QS 1 (4.38) 1 U (4.39) CP 1 1 U 2 j QS U CS U C U 1 j P C S QS (4.40) A impedância parametrizada é dada pela equação (4.40) enquanto que o módulo da impedância parametrizada é dado equação (4.41). Z ( j ) RLAMP C 1 P 1 U 2 CS 2 2 1 2 QS U U C U 1 P C S QS 2 (4.41) O módulo da impedância parametrizada está representada na Figura 4.21 e verifica-se que, para valores maiores de QS é necessário uma pequena variação de freqüência para que a impedância tenha uma variação considerável, enquanto que para valores de QS menores é necessário uma grande variação na freqüência para que a impedância tenha uma pequena variação [40]. 76 Impedancia Parametrizada 10.5 10 Zi 1 8 Zi 2 Zi 3 6 Zi 4 Zi 5 4 2 0.5 0.4 0.6 0.8 1 0.4 1.2 1.4 1.6 1.8 ui 2 Figura 4.21 – Impedância parametrizada do filtro LC série C paralelo. Outro aspecto importante que deve ser levado em consideração é que a impedância característica de entrada do filtro ressonante deve ser uma carga indutiva [38][39],[41][43]. Para que a corrente iL(t) fique defasada com relação a tensão de entrada do filtro ressonante vaa’(t), diferença de tensão entre os pontos a e a’ da Figura 4.19, resultando em argumento da impedância com ângulo de defasagem maior do que zero, >0. Esta característica é necessária para que as chaves possam trabalhar em comutação suave ZVS. vaa’(t) E/2 iL(t) t 0 T/2 T -E/2 Figura 4.22 – Forma de onda característica do filtro ressonante LC série C paralelo com característica de impedância indutiva. 77 Uma tensão quadrada vE(t), com nível baixo igual a zero e nível alto igual a E, é aplicado na entrada do filtro ressonante. Após o capacitor de CS, que bloqueia o nível CC, tem-se a tensão vaa’(t) que possui nível baixo igual a -E/2 e nível alto igual a E/2. A Figura 4.22 mostra a característica típica para um filtro ressonante com impedância característica indutiva, a corrente do indutor iL(t) está defasada em relação a tensão vaa’(t). Se a freqüência de operação for menor do que a freqüência natural do circuito ressonante este, representa uma carga capacitiva para a tensão fundamental e a corrente no indutor estará adiantada da componente fundamental, representando um ângulo de defasagem menor do que zero, <0 [38][39],[41]-[43]. Assim, os diodos antiparalelo com as chaves bloqueiam em alto di/dt, causando altos spikes de corrente nas mesmas reduzindo a eficiência e até podendo levar as chaves à queima [41]. A Figura 4.23 representa o argumento da impedância do filtro ressonante LC série C paralelo para cinco valores de QS. Como pode ser visto, para freqüências superiores à freqüência de ressonância (U>1) o argumento é positivo, representando uma carga indutiva. 90 90 80 70 60 50 ( U 1) 40 30 ( U 2) 20 10 0 ( U 3) 10 20 ( U 5) 30 40 50 60 70 80 90 90 0 0.2 0.4 0.6 0.1 0.8 1 U 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2 Figura 4.23 – Argumento da impedância do filtro LC série C paralelo. 4.7 Conclusão Neste capítulo foi apresentada e escolhida a topologia para a etapa de potência e o filtro ressonante. Uma análise qualitativa e quantitativa foi realizada no reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento que servirá como base para o estudo do reator eletrônico com pré-aquecimento. 78 5 PROJETO E SIMULAÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO 5.1 Introdução Neste capítulo será apresentada a determinação dos valores dos componentes do filtro ressonante LC série C paralelo através do método do ângulo de fase da impedância do filtro. Após a determinação do filtro será realizada a simulação do circuito do reator eletrônico para uma lâmpada fluorescente sem controle do pré-aquecimento. 5.2 Projeto do reator eletrônico pelo método do ângulo de fase da impedância do filtro Para o projeto do filtro ressonante LC série C paralelo será utilizada a aproximação fundamental [39], o ângulo de fase da impedância do filtro e a análise da potência na lâmpada fluorescente [41], [44]-[46]. O projeto do reator eletrônico sem controle do préaquecimento será realizado para o acionamento de uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5 com as seguintes especificações: Potência nominal (P): 28W; Tensão nominal eficaz da lâmpada (VL): 167V; Corrente nominal eficaz da lâmpada (ILAMP): 170mA; Freqüência de operação fs igual a 40kHz. A lâmpada fluorescente T5 deve trabalhar com uma freqüência superior a 20kHz e o reator deve operar com a freqüência de operação S superior a 0 para que as chaves, do circuito inversor, possam trabalhar em ZVS; Tempo de ignição da lâmpada: menor que 0,4s; Tensão mínima de ignição da lâmpada: 530VRMS ou 750VPICO para uma temperatura ambiente de –15oC à 60oC; Tensão de alimentação do circuito (E): 400VCC, tensão do circuito pré- regulador do fator de potência (PFP) do tipo boost trabalhando em modo crítico de condução. 79 5.2.1 Impedância de entrada Z(j) do filtro ressonante LC série C paralelo A impedância de entrada Z(j) pode ser calculada conforme o capítulo 4.6.2, buscando uma parametrização da mesma com o modelo resistivo da lâmpada, ou separando a parte real da parte imaginária que facilitará o cálculo do argumento da impedância, conforme disposto a seguir. Na Figura 4.20 observa-se a impedância do filtro ressonante LC série C paralelo, dada pelo paralelo entre o capacitor CP e o modelo resistivo da lâmpada fluorescente RLAMP somado à reatância do capacitor CS e do indutor LS. O paralelo entre o modelo resistivo da lâmpada fluorescente e o capacitor paralelo C P é dado pela equação de Z1(j), equação ( 5.3). 1 R LAMP j C P Z1 ( j ) 1 R LAMP j C P ( 5.1 ) Multiplicando ambos os termos pelo conjugado do denominador, tem-se: 1 1 RLAMP j RLAMP j CP CP Z1 ( j ) 1 1 RLAMP j RLAMP j CP CP RLAMP 1 RLAMP j 2 C 2 CP P Z1 ( j ) 1 RLAMP 2 2 CP 2 ( 5.2) ( 5.3) Somando o paralelo entre o modelo resistivo da lâmpada e o capacitor paralelo CP com o capacitor série CS e o indutor série LS tem-se a equação ( 5.4). RLAMP 1 RLAMP j 2 C 2 CP 1 P Z ( j ) j 1 CS RLAMP 2 2 CP 2 80 j L S ( 5.4) R 1 1 R LAMP C S j R LAMP 2 j LAMP 2 2 2 2 CP CP CP Z ( j ) 1 RLAMP 2 C S 2 2 CP 1 C S j LS R LAMP 2 2 2 CP 1 R LAMP 2 C S 2 2 CP ( 5.5) Realizando as simplificações. R LAMP 2 2 C P 2 1 R LAMP C S R LAMP 2 C S j j Cp 2 CP 2 CP 2 Z ( j ) R LAMP 2 2 C P 2 1 C S 2 C P 2 2 2 R C P 1 j LS C S LAMP CP 2 R LAMP 2 2 C P 2 1 C S 2 CP ( 5.6) Separando a parte real da imaginária. R LAMP C S Z ( j ) Cp 2 R LAMP 2 2 C P 2 1 C S 2 C P 2 R R LAMP 2 2 C P 2 1 2 C P 2 1 R LAMP 2 C S LAMP j L C S S 2 2 2 Cp CP CP j 2 2 2 R LAMP C P 1 C S 2 CP ( 5.7) Realizando as simplificações tem-se a equação da impedância de entrada do filtro LC série C paralelo separando a parte real e a parte imaginária, equação ( 5.8). Z ( j ) R LAMP R LAMP 2 2 C P 2 1 j LS CS 1 81 R LAMP 2 C P 2 2 2 R LAMP C P 1 ( 5.8) 5.2.2 Argumento da impedância de entrada () O argumento da impedância de entrada é dado pelo arco tangente da relação entre a parte imaginária e a parte real da impedância, como mostra a equação (5.9). m( Z ) e( Z ) arctg (5.9) Substituindo a equação ( 5.8) na equação (5.9), tem-se: 2 L 1 RLAMP C P S C S RLAMP 2 2 C P 2 1 arctg R LAMP 2 2 2 RLAMP C P 1 (5.10) Simplificando a equação (5.10). arctg RLAMP 1 L S 2 CS RLAMP 2 2 C P 2 1 RLAMP 2 C P (5.11) 5.2.3 Cálculo de CP em função do ângulo Considerando o modelo resistivo da lâmpada fluorescente, pode-se determinar a potência real entregue a mesma, que é dada pela parte real da relação entre a tensão eficaz da fundamental e a impedância de entrada do filtro, como mostra a equação (5.12). V 2 P e E Z (5.12) e( Z ) jm( Z ) VE 2 P e e( Z ) jm( Z ) e( Z ) jm( Z ) (5.13) V 2 e( Z ) jm( Z ) P e E e( Z ) 2 m( Z ) 2 (5.14) 82 Definindo uma variável auxiliar: X tan( ) (5.15) m( Z ) X e( Z ) (5.16) m( Z ) e( Z ) X (5.17) P VE 2 e( Z ) (5.18) e( Z ) 2 e( Z ) X 2 Substituindo a parte real da impedância de entrada na equação (5.18), tem-se: P P RLAMP VE 2 2 2 2 R C 1 P LAMP 2 RLAMP RLAMP X 2 2 2 2 2 2 R LAMP C P 1 RLAMP C P 1 V E 2 R LAMP R LAMP 2 2 C P 2 1 2 (5.19) (5.20) RLAMP 2 ( RLAMP X ) 2 Simplificando a equação (5.20) encontra-se a capacitância paralelo CP em função do argumento da impedância de entrada. C P ( ) C P ( ) 1 RLAMP 1 R LAMP P RLAMP 2 RLAMP X 2 VE RLAMP 2 1 P RLAMP 2 R LAMP tan 2 VE RLAMP 2 (5.21) 1 (5.22) A freqüência angular , a resistência equivalente da lâmpada fluorescente em alta freqüência RLAMP e a tensão eficaz da fundamental VE da equação (5.22), podem ser calculadas por: S 2 f S 251327 rad (5.23) 83 2 RLAMP VE VL 167 2 996 P 28 2 2 (5.24) 400 180V (5.25) Substituindo as equações (5.23), (5.24), (5.25) na equação (5.22) pode-se obter a capacitância paralela CP em função do ângulo para os valores de projeto, como mostra a Figura 5.1. Os valores de CP estão em nano-farad (nF) e o ângulo está em graus. 30 30 27 24 21 18 9 Cp ( ) 10 15 12 9 6 3 0 0 90 75 60 45 30 15 90 0 15 30 45 60 75 90 90 Figura 5.1 – Gráfico de projeto para CP. 5.2.4 Cálculo de LS em função do ângulo e Cs Substituindo a equação (5.12), (5.11) e (5.22) e CS por um valor de projeto na equação (5.15) o indutor pode ser calculado em função do ângulo de fase , definido na equação (5.31). 1 LS CS R LAMP 2 C P R LAMP X 2 2 2 2 2 2 R C 1 R C 1 LAMP P P LAMP 84 (5.26) Colocando no mesmo denominador, tem-se: LS C S 1RLAMP 2 2 C P 2 1 RLAMP 2 2 C P C S RLAMP 2 2 C P 2 1 CS (5.27) RLAMP X C S RLAMP 2 2 C P 2 1 CS Relizando algumas simplicações. L R S 2 LAMP CP CS 2 LS R LAMP X CS RLAMP 2 2 C P C S LS 2 C S 2 C S R LAMP 2 2 C P 2 1 RLAMP 2 C P 1 2 2 R LAMP 2 2 C P C S R 2 LAMP CP 2 RLAMP X C S RLAMP 2 2 C P 2 1 2 1 (5.28) 1 (5.29) ( 2 C S ) R LAMP 2 2 C P 2 1 R LAMP X C S (5.30) ( ( 2 C S ) R LAMP 2 2 C P 2 1 LS 1 2 CS ) R LAMP tan 1 R LAMP 2 C P R 2 LAMP C P 1 2 2 1 (5.31) ( C S ) 2 A Figura 5.2 representa a indutância série LS (mH) em função do argumento da impedância para três valores de capacitância série CS=100nF, CS1=300nF e CS2=50nF. Analisando-se, verifica-se que, para valores maiores de CS necessita valores menores de LS. 5 5 4.5 4 3.5 3 L( Cs) 10 3 3 L( Cs1) 10 3 L( Cs2) 10 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 90 75 60 45 30 90 15 0 85 15 30 45 60 75 90 90 Figura 5.2 - Gráfico de projeto para LS, considerando CS=100nF, CS1=300nF e CS2=50nF. A relação entre o capacitor CP e CS determina a característica série ou paralela do filtro ressonante LC série C paralelo. O valor de CS também deve ser tal que bloqueie a corrente contínua no indutor. Como valor de projeto o capacitor série é de CS=100nF. 5.2.5 Cálculo de P em função do ângulo e Cs Com a finalidade de adequar a tensão de ignição da lâmpada fluorescente e garantir a potência nominal em regime permanente, o ângulo é obtido graficamente pela variação da potência em função de , considerando a potência na partida e em regime permanente. Substituindo a equação (5.11) na equação (5.15), tem-se: X RLAMP 1 L S 2 C S RLAMP 2 2 C P 2 1 RLAMP 2 C P (5.32) Substituindo a equação (5.32) na equação (5.20) tem-se a equação da potência em função do ângulo e CS. R 1 R VE 2 RLAMP 1 RLAMP 2 2 C P 2 P RLAMP 2 1 LS 2 CS 2 2 LAMP C P 2 2 2 LAMP Cp 2 2 (5.33) A Figura 5.3 representa a potência em regime da lâmpada (P) e a potência de partida da lâmpada (PP) em função do ângulo , para CS=100nF. Para o acendimento da lâmpada fluorescente é aplicando uma potência de partida (PP) dez vezes maior que a potência nominal (P). Para isto, a resistência equivalente da lâmpada fluorescente na partida (RP) é considerada dez vezes maior que a resistência em regime [44]. 86 280 280 252 224 196 P( Cs) 168 Pp ( Cs) 140 112 84 56 28 2.397 0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 90 3 L( 40 Cs ) 4.255 10 Figura 5.3 - Gráfico de projeto para potência nominal (P) e partida (PP) para a lâmpada fluorescente. Analisando-se a Figura 5.3, verifica-se que, para um ângulo = 49o é possível obter a potência nominal da lâmpada, em regime, e fornecer a potência necessária na partida da mesma. O valor da capacitância paralela (CP= 3,99 nF) para o ângulo de fase igual =49o pode ser encontrado de duas maneiras, graficamente através da Figura 5.1 ou numericamente pela equação (5.22). De forma análoga obtém-se o valor da indutância série (LS= 4,41 mH) através da Figura 5.2 ou pela equação (5.31). A partir das equações (4.5), (4.6) e (5.23) pode-se determinar os valores de QS, 0 e S. O fator de qualidade QS é em função da resistência da lâmpada, assim será calculado para a resistência da lâmpada em regime (RLAMP) e na partida (RP). 0 1 LS C S 47619 rad (5.34) S U 5,278 0 0 QS QS 0 LS RLAMP 0 LS RP (5.35) 0,211 (5.36) 0,0211 (5.37) 87 Com os valores de LS, CS, CP, RLAMP, RP, 0, S é possível obter a amplitude da tensão sobre a lâmpada fluorescente durante a partida e durante o regime de operação através da equação (4.26). A Figura 5.4 e Figura 5.5 representam a tensão aplicada na lâmpada fluorescente no momento e após a partida, em função da freqüência parametrizada U. 2500 3 2.5 10 2250 2000 1750 1500 VL( U)1250 1000 750 500 250 0 0 0 1 2 3 4 0.1 5 6 7 8 9 U 10 10 Figura 5.4 – Tensão sobre a lâmpada (Volts) durante a partida para valores de U. 300 300 270 240 210 180 VL( U) 150 120 90 60 30 0 0 0 1 2 3 4 0.1 5 U 6 7 8 9 10 10 Figura 5.5 – Tensão sobre a lâmpada (Volts) após a partida para valores de U. Analisando-se a Figura 5.4 e a Figura 5.5, verifica-se que, para a freqüência de chaveamento fS=40kHz (U=5,278) o módulo da amplitude da tensão sobre a lâmpada fluorescente no momento da partida é igual a VL=1960V e após a partida (em regime) é igual a VL=236V ou VL=167VRMS. 88 Outra característica relevante é a amplitude da corrente nas chaves (S1 e S2) no momento e após a partida, como comentado no capítulo 4.6.2. A amplitude da corrente no indutor ILP é igual ao pico de corrente nas chaves ISM [38] . A amplitude da corrente no indutor é dada pela relação entre a amplitude da tensão fundamental da fonte VEM e o módulo da impedância do filtro. I LP I SM I SM VEM Z ( j ) (5.38) 2 E (5.39) 2 CP 1 1 1 U 2 QS 2 U CS U CP 2 U 2 1 1 RLAMP 2 C S 2 QS 2 2 A partir da equação (5.39) é possível obter as Figura 5.6 e Figura 5.7 que representam o pico de corrente nas chaves no momento e após a partida da lâmpada. 3 3 2.63 2.25 1.88 ISM ( U) 1.5 1.13 0.75 0.38 0 0 0 1 2 3 4 0.1 5 6 7 8 U 9 10 10 Figura 5.6 – Pico de corrente nas chaves (ISM) em função de U, durante a partida da lâmpada. Analisando as Figura 5.6 e Figura 5.7, verifica-se que, o pico máximo de corrente nas chaves é alcançado durante a partida da lâmpada e seu valor é igual a ISM=1,98A. Após a partida a corrente é diminuída e atinge seu pico máximo ISM=0,335A . 89 0.4 0.4 0.35 0.3 0.25 ISM ( U) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0 1 2 3 4 0.1 5 U 6 7 8 9 10 10 Figura 5.7 –Pico de corrente nas chaves (ISM) em função da relação de freqüência U, após a partida da lâmpada. 5.3 Simulação do circuito reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento O reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5, formado por um circuito meia ponte alimentado por tensão (halfbridge voltage fed) com filtro ressonante LC série C paralelo é simulado na Figura 5.8, para os valores obtidos no capitulo 5.2. O circuito é dividido em partes, potência, controle, filtro ressonante e carga. A parte de potência do circuito é formado pela fonte de tensão E (que alimenta o circuito com uma tensão contínua de 400VCC) e pelas chaves de potência S1 e S2 (MOSFET IRF830) que possuem diodos antiparalelo (entre dreno e fonte) internos. O controle das chaves de potência é realizado através das fontes de tensão VG1 e VG2, que possuem nível baixo igual a –15V e nível alto igual a 15V, ciclo de trabalho de 50% e freqüência de operação fixa em 40kHz. A carga é formada pela impedância da lâmpada fluorescente, que operando em alta freqüência e em condição estática, freqüência fixa, é aproximadamente resistiva [25]. Para simular a partida e funcionamento da lâmpada fluorescente fez-se o uso de duas resistências, resistência na partida RP e resistência em funcionamento RLAMP. Estas, são acopladas ao circuito ressonante através de duas chaves temporizadas U1 e U2. Para efeito de simulação considera-se que a lâmpada fluorescente ascende em 1ms, ou seja, durante este intervalo de tempo a chave U1 está fechada e conecta a resistência RP ao circuito 90 ressonante. Após 1ms a chave U1 abre e a chave U2 fecha conectando a resistência RLAMP ao circuito. O filtro ressonante é constituído pelo indutor série LS, CS e CP. V1 = -15 V2 = 15 TD = 11.5u TR = 1u TF = 1u PW = 11.5u PER = 25u S1 IRF830 + - VG1 R1 0.1 CS LS 100n 4.41mH E + 400Vdc - U1 S2 U2 1m V1 = 15 V2 = -15 TD = 11.5u TR = 1u TF = 1u PW = 11.5u PER = 25u + - 1m IRF830 CP VG2 RP RLAMP 3.99n R2 9960 0.1 996 0 Figura 5.8 – Circuito simulado no Orcad. 5.3.1 Resultados da simulação O reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento deve partir a lâmpada fluorescente pela diferença de tensão entre seus terminais, sem prover um pré-aquecimento adequado em seus filamentos. Após o acendimento da lâmpada o reator deve fornecer as condições necessárias de tensão e corrente para a lâmpada fluorescente. Analisando-se a Figura 5.9 e a Figura 5.10, verifica-se que, a tensão nos terminais da lâmpada fluorescente (formas de ondas em verde) no momento da partida atinge um valor de pico igual a VL=2240 V. Após a partida da lâmpada a tensão de pico diminui para VL=247 V ou VL=174V eficaz. A corrente na lâmpada fluorescente (forma de onda em vermelho) segue a tensão, devido ao modelo resistivo da lâmpada, e o valor de pico da corrente após o acendimento é igual a ILAMP= 248 mA ou ILAMP=175 mA eficaz. 91 2.0KV 0V -2.0KV 0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms V(CP:2) Time Figura 5.9 – Tensão gerada nos terminais da lâmpada durante a partida. 200 0 -200 3.691ms 3.720ms 3.760ms V(CP:2) -I(RLAMP)*500 3.800ms 3.840ms 3.870ms Time Figura 5.10 – Tensão (verde) e corrente (x500) (vermelho) na lâmpada fluorescente após o acendimento. 200 0 -200 3.6463ms V(CS:2) 3.6800ms I(LS)*500 3.7200ms 3.7600ms 3.7999ms Time Figura 5.11 – Tensão após o capacitor série (Vaa’) (azul) e corrente no indutor (x500) (vermelho). A corrente no indutor (forma de onda em vermelho) após o acendimento da lâmpada atinge um pico de IL= 326mA. O atraso entre a tensão Vaa’(tensão após o capacitor de 92 desacoplamento CS, forma de onda em azul) e a corrente no indutor é de 3,4 us ou 49º, como pode ser visto na Figura 5.11. 413 250 0 -184 136us 160us -I(R2)*100 V(VG1:-) 200us 240us Time Figura 5.12 - Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS, em vermelho) da chave S2, durante o acendimento da lâmpada. As correntes nas chaves são maiores durante a partida do que após o acendimento da lâmpada fluorescente. Pode-se observar na Figura 5.12 e Figura 5.13, que a corrente de pico na chave S2 atinge uma amplitude máxima de ISM=1,55A durante a partida e reduz para ISM=335mA após o acendimento da lâmpada. A amplitude da corrente que circula pelo diodo, em antiparalelo com a chave, atinge seu valor máximo durante a partida da lâmpada e é igual Id=1,7A. 498 250 0 -250 3.8784ms 3.9000ms V(VG1:-) -I(R2)*500 3.9500ms 4.0000ms Time Figura 5.13 – Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS, em vermelho) da chave S2 (x500), após o acendimento da lâmpada. 93 5.4 Conclusão Um reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente utilizando o método desenvolvido no capítulo 4 foi projetado com sucesso. Através dos valores obtidos, o circuito foi simulado a fim de verificar a funcionalidade do mesmo. Foi verificado que, o valor de pico da tensão gerada para o acendimento da lâmpada bem como a tensão de regime da lâmpada para garantir sua potência nominal após o acendimento, satisfaz os valores de projeto e as chaves trabalham em comutação suave ZVS. 94 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA O REATOR ELETRÔNICO SEM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO 6.1 Introdução A partir da determinação dos valores dos componentes do filtro ressonante e suas principais características elétricas (tensão dos capacitores CP e CS, corrente no indutor, nas chaves e tensão nas chaves) implementou-se um protótipo do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente. 6.2 Material utilizado Os materiais utilizados para a confecção do protótipo encontram-se listados abaixo. Pré-regulador do fator de potência CI: MC34262 (Motorola); Chaves de potência S1, S2: IRFS830 (Fairchild); VDSS= 500 V, ID= 4,5 A, IDM= 18 A e RDSON= 1,5; Controle das chaves CI: IR2153D (International Rectifier, IR); Capacitor série CS CS: Capacitor de polipropileno metalizado 100nF/400VCC B32612 (Epcos); Indutor série LS LS: 260 espiras, 1#29AWG, Núcleo NEF-20/10/6 IP12R Al=65 nH (Thornton); Capacitor paralelo CP CP= Capacitor de polipropileno metalizado 3,9 nF/1600VCC B32612 (Epcos); Lâmpada fluorescente tubular T5 LAMP= Lâmpada fluorescente tubular 28W/T5, Philips SILHOUETTE. 95 6.3 Montagem do circuito 6.3.1 Circuito pré-regulador do fator de potência O circuito pré-regulador do fator de potência tipo elevador (boost) trabalhando em modo descontínuo ou crítico para potências abaixo 300W é a solução ativa com a melhor relação custo benefício [47][48]. Para o projeto foi utilizado o MC34262 da Motorola que é um circuito integrado para correção ativa do fator de potência, um controlador desenvolvido especificamente para reatores eletrônicos que trabalha em modo crítico de condução e com freqüência modulada, que resulta em um fator de potência maior que 0,99 e uma distorção harmônica menor do que 10%. Neste trabalho um estudo mais detalhado do circuito préregulador do fator de potência não será realizado. 6.3.2 Circuito de controle das chaves Para controlar as chaves foi utilizado um circuito integrado auto-oscilante IR2153D do fabricante International Rectifier IR. O circuito integrado IR2153D é uma versão melhorada do circuito integrado de drive IR2151 e incorpora um drive para gate de alta tensão para circuitos de meia ponte com oscilador similar ao temporizador CMOS 555. S1 Db E + VCC - 1 2 R1 3 Ra VCC VB 7 HO 6 RT VS 5 LO CT COM 4 C1 Cb S2 Rb Figura 6.1 – Circuito típico para o circuito IR2153D. Um circuito típico operando em freqüência fixa é mostrado na freqüência é definida pelo resistor R1 e o capacitor C1. A equação (6.1) Figura 6.1 onde a mostra a relação exata para a determinação da freqüência. O termo 75 Ohm desta equação leva em 96 consideração a resistência do pino de saída do oscilador, RT. O circuito da Figura 6.1 proporciona um ciclo das chaves de 50% . Vclamp Vcc RT 2/3 1/3 RT, CT Lo Ho CT Td Td Figura 6.2 – Formas de ondas dos pinos de entrada e saída do IR2153D. A Figura 6.2 mostra as formas de ondas esperadas dos pinos de entrada e saída usando o circuito integrado IR2153D. O pino de saída RT comporta-se como uma fonte de tensão quadrada com nível alto igual em VCC e nível baixo igual a zero. O pino RT é levado ao nível baixo (zero) quando o pino CT alcança 2/3VCC e alcança nível alto (VCC) quando CT cai para 1/3VCC. f OSC 1 1,38 ( R1 75) C1 (6.1) 6.3.3 Circuito total O circuito de controle das chaves e o circuito LC série C paralelo é mostrado na Figura 6.3, o filtro de EMI, circuito retificador e o circuito pré-regulador do fator de potência são simplificados e representados por uma fonte de tensão constante E. Os resistores R8 e R10 juntamente com o capacitor C7 alimentam o circuito integrado CI1-IR2153D. A regulação da tensão de alimentação é realizada através de um diodo zener interno (VCLAMP). A freqüência de oscilação é dada através do resistor R15 (2,8k) e o capacitor C15 (10nF). A implementação deste circuito em um placa de circuito impresso é mostrado na Figura 6.4. 97 R8 S2 R11 D10 8 CI1 E + 1 - 2 R15 VCC VB HO C12 7 + L3 6 RT VS 5 3 C21 S3 LO CT COM C7 4 R14 LAMP R10 C20 C15 Figura 6.3 – Circuito do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente 28W/T5. Figura 6.4 – Reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento na placa de circuito impresso. 6.4 Resultados Nas próximas figuras serão apresentadas algumas das principais formas de ondas para o circuito mostrado anteriormente. Tensão no capacitor paralelo C20 durante a partida da lâmpada: a Figura 6.5 representa a tensão aplicada ao capacitor paralelo que é igual à tensão aplicada na lâmpada no momento da partida. A tensão de pico atinge 1600V, valor maior que a tensão mínima de ignição da lâmpada especicifada 750V, para uma temperatura ambiente de –15oC à 60oC. Com esta tensão a lâmpada partiu instantaneamente em menos de 100ms. 98 CH1 Max 1.6kV CH1 pk-pk 3.0kV 1) C h 2: 500 V olt 50 us Figura 6.5 – Tensão na lâmpada no momento da partida. Tensão de controle das chaves VG1 e VG2: a tensão de controle nas chaves está ilustrada na Figura 6.6. Existe um tempo morto entre os ciclos das chaves de aproximadamente 1,2s, como específica o datasheet do circuito integrado IR2153. A tensão aplicada ao gate do MOSFET possui nível baixo em zero e o nível alto em aproximadamente 14V. d X : 1. 21 us X : 34 .2 us CH1 Max 14.0V CH2 Max 14.0V 2 1) V G 1: 2) V G 2: 5 V olt 5 u s 5 V olt 5 u s Figura 6.6 – Tensão de controle das chaves VGS1 e VGS2. Tensão entre dreno e fonte das chaves VDS1 e VDS2: a tensão das mesmas durante a partida da lâmpada e durante o regime nominal de operação não ultrapassam a tensão máxima suportada pelas chaves VDSS= 500 V. As tensões VDS1 e VDS2 são mostradas na Figura 6.7. O ciclo de trabalho das chaves é de 50%. 99 CH1 Max 400V CH1 Max 400V 2 CH1 Duty 49.8% CH1 Freq 40kHz 1) V ds1: 2) V ds2: 200 V olt 10 us 200 V olt 10 us Figura 6.7 – Tensão entre dreno e fonte das chaves S1 e S2, VDS1 e VDS2. Tensão entre dreno e fonte VDS1 e corrente de dreno IS1 para a chave S1 no momento da partida e em regime de operação: durante a partida da lâmpada a corrente de dreno ISM1 atinge seu valor máximo igual a 2,96A e é menor do que a corrente máxima permitida pela chave IDM= 18A. CH1Max 2,96A CH2Max 316V 2 1) Ic: 1 V olt 20 us 2) V ce: 100 V olt 20 us Figura 6.8 – Tensão dreno fonte VDS1 e corrente de dreno IS1 no momento da partida da lâmpada. 2 Após a partida da lâmpada a corrente de pico diminui para ISM1= 0.370A. Através da Figura 6.9, pode-se observar a comutação suave da chave (ZVS) sem perdas de chaveamento durante a entrada de condução e o bloqueio da chave. 100 CH1 Max 370mA CH2 Max 416V 2 CH1RMS 138mA CH1 Freq 40,8kHz 1) Ic : 200 m V olt 10 us 2) V ds: 200 V olt 10 us Figura 6.9 - Tensão dreno fonte VDS1 e corrente de dreno IS1 após a partida da lâmpada. Tensão e corrente na lâmpada fluorescente 28W/T5: A tensão e corrente na mesma está representada na Figura 6.10. A tensão de lâmpada encontrada VL= 170V e a corrente de lâmpada encontrada ILAMP= 170mA estão dentro dos limites especificados no catálogo da lâmpada fluorescente e são muito próximos dos valores nominais VL= 167V e ILAMP= 170mA. CH1 Max 264V CH2 Max 192mA 2 2 CH1 RMS 170V CH2 RMS 170mA 1) V lam p: 100 V olt 10 us 2) Ilam p: 200 m V olt 10 us Figura 6.10 – Tensão e corrente da lâmpada fluorescente após seu acendimento. 2 Ensaio elétrico das características de entrada do reator eletrônico: as características elétricas de entrada do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento foram medidas com um analisador de potência Xitron Technologies 2572R Power Analysis System. Os dados foram medidos após a estabilidade da lâmpada (15 minutos) e são mostrados na Tabela 6.1. 101 Tabela 6.1 – Características elétricas do reator eletrônico sem controle de pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente de 28W/T-5. Grandezas Elétricas Potência de entrada Corrente de entrada Fator de potência Distorção harmônica total da corrente Freqüência de entrada Freqüência de saída Potência de saída Fator de crista da corrente de lâmpada 6.5 Valores Medidos 29,7W 0,136A 0,993 7,1% 60Hz 40,2kHz 26,06W 1,51 Conclusão Um reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente foi desenvolvido para operar uma lâmpada de 28W/T5. Todos os requisitos iniciais de projeto para a partida e para o regime da lâmpada fluorescente foram alcançados. 102 7 ANÁLISE QUALITATIVA E QUANTITATIVA DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO 7.1 Introdução Neste capítulo serão apresentados alguns tipos de controle de pré-aquecimento da lâmpada fluorescente, bem como o desenvolvimento de um reator eletrônico com controle do préaquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5. Este utilizará como base o trabalho realizado no reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento. Os dois reatores, após suas implementações, serão utilizados em um teste de ciclo de lâmpada para verificar a influência do reator, tipo de partida, na durabilidade da lâmpada fluorescente. 7.2 Topologia do inversor e filtro ressonante para o reator eletrônico com controle do pré-aquecimento A topologia do inversor para a etapa de potência foi analisada no item 4.2, onde foi definido que o circuito meia ponte alimentado por tensão, utilizando Mosfet como chaves, é a melhor solução. A escolha do filtro ressonante para a geração da tensão necessária para a partida e controle da lâmpada após seu acendimento foi verificada no item 4.3 e o filtro LC série C paralelo reúne as vantagens dos filtros LC série e LC paralelo. O préaquecimento dos filamentos da lâmpada fluorescente pode ser realizado através da corrente ou tensão [50]. 7.2.1 Pré-aquecimento controlado por corrente Um circuito simplificado do reator eletrônico com pré-aquecimento dos filamentos controlado por corrente para uma lâmpada fluorescente é mostrado na Figura 7.1. Este tipo de topologia é largamente utilizado comercialmente. Por possuir os filamentos integrados ao filtro ressonante a corrente de pré-aquecimento é igual a corrente que passa pelo capacitor paralelo C2, se a freqüência de operação do circuito for muito próximo a freqüência natural do filtro ressonante a corrente dos 103 filamentos e a tensão através da lâmpada, durante o período de partida, serão elevadas [49][50]. S1 + - C1 CONTROLE DAS CHAVES S2 L1 LAMP E C2 Figura 7.1 – Reator Eletrônico com pré-aquecimento controlado por corrente. Se a lâmpada fluorescente T5, como exemplo 28W, sofrer um excesso de aquecimento nos filamentos, este irá romper e poderá haver a trinca o tubo, como mostra a abaixo. Figura 7.2 – Lâmpada fluorescente 28W/T5 trincada pelo excesso de aquecimento no filamento. Se a freqüência de pré-aquecimento do circuito for superior a freqüência natural do filtro ressonante, os requerimentos de corrente dos filamentos e tensão através da lâmpada podem ser alcançados, mas durante a partida da lâmpada uma corrente excessiva circulará pelos filamentos. Neste tipo de topologia a resistência do filamento possui um pequeno papel na determinação da corrente de pré-aquecimento, pelo fato de que a impedância série é muito maior que a resistência do filamento [50]. 7.2.2 Pré-aquecimento controlado por tensão 104 Uma outra forma de realizar o pré-aquecimento nos filamentos é utilizando uma fonte de tensão. A Figura 7.3 apresenta um circuito de reator eletrônico para uma lâmpada fluorescente com pré-aquecimento por tensão. S1 + - C1 CONTROLE DAS CHAVES L1 L2:3 C3 S2 C2 LAMP E L2:1 L2:2 Figura 7.3 – Circuito de um reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão. O reator acima consiste de um filtro ressonante LC série C paralelo formado por L1, C1 e C2, com a finalidade de gerar a tensão de partida para a lâmpada e controlar suas características elétricas após a partida. Um segundo filtro ressonante série é formado pelo capacitor C3 e o indutor L2:1 e tem como finalidade pré-aquecer os filamentos da lâmpada. O reator é programado para trabalhar em duas freqüências distintas, freqüência de préaquecimento e freqüência de regime sendo que a primeira é maior do que a segunda. O filtro LC série C paralelo é projetado para operar na freqüência de regime e o filtro LC série é projetado para trabalhar na freqüência de pré-aquecimento. Durante o período de pré-aquecimento o indutor L2:1, através de enrolamentos auxiliares L2:2 e L2:3, geram uma tensão que aquece os filamentos da lâmpada, a característica da impedância do filtro LC série C paralelo proporciona à lâmpada uma baixa tensão. Após o período de préaquecimento a freqüência do reator é reduzida próxima a freqüência natural do filtro LC série C paralelo fazendo com que surja uma tensão elevada na lâmpada realizando sua partida com os filamentos já aquecidos. Pela possibilidade de controlar com maior facilidade o pré-aquecimento dos filamentos a opção controle por tensão é a melhor escolha [49][50]. O circuito do reator com pré-aquecimento controlado por tensão, Figura 7.3, possui a desvantagem de que os filamentos permanecem aquecidos mesmo após a partida da lâmpada. Este aquecimento contínuo provoca perda de potência e conseqüentemente redução na eficácia do reator. Uma modificação é proposta na Figura 7.4. Este circuito é 105 muito similar ao apresentado acima, mas através da chave S3 o circuito de pré-aquecimento é interrompido após a partida da lâmpada. S1 - CONTROLE DAS CHAVES L1 L2:3 C3 LAMP C1 E + L2:1 C2 S2 S3 L2:2 Figura 7.4 – Reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão modificado. 7.3 Analise qualitativa do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento A análise qualitativa do reator eletrônico com pré-aquecimento dos filamentos da lâmpada fluorescente será realizada no reator modificado da Figura 7.4 e se divide em duas fases, antes do acendimento e após o acendimento da lâmpada fluorescente. 7.3.1 Antes do acendimento da lâmpada Durante o período de pré-aquecimento a chave S3 é fechada colocando o circuito LC série conectado ao circuito de potência. Neste período a resistência da lâmpada é muito elevado, circuito aberto. As resistências dos filamentos da lâmpada são refletidas para o primário como uma resistência RE. A análise do circuito do reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão pode ser dividido em quatro etapas de funcionamento como mostra a Figura 7.5 e detalhas a seguir. 106 iL S1 S1 D1 VGS1 + E + - C1 VGS1 + L1 E iL2 S2 C3 iL1 D2 VGS2 + + - C3 E + - S2 E + - VGS2 + - iL1 D2 L2 iL RE D1 VGS1 + L1 iL2 C2 RE iL S1 C3 iL1 Segunda Etapa D1 C1 iL2 L2 Primeira Etapa VGS1 + L1 D2 VGS2 + RE - S1 C1 S2 C2 L2 D1 C3 S2 C2 C1 iL - VGS2 + iL2 L1 iL1 D2 L2 RE C2 Quarta Etapa Terceira Etapa Figura 7.5 - Etapa de funcionamento do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento por tensão. Considerando as chaves ideais e operando em freqüência superior a freqüência natural dos filtros ressonantes série e paralelo e com ciclo de trabalho das chaves S1 e S2 de 50%, pode-se descrever as etapas de funcionamento. Primeira Etapa: a chave S1 é habilitada (fechada) e a fonte E começa a fornece uma corrente iL que se divide entre iL2 do circuito série L2, C3 e RE e iL1 do circuito LC série C paralelo L1, C1 e C2. Na Figura 7.6 corresponde ao intervalo de tempo entre t0 à t1. Segunda Etapa: a chave S1 é desabilitada (abre) e a corrente iL que estava presente na primeira etapa continua a fluir no mesmo sentido, devido à presença dos indutores L1 e L2. Com a chave S1 desabilitada a corrente passa a fluir através do diodo D2, antiparalelo a chave S2. Na Figura 7.6 representa ao intervalo de tempo entre t1 à t2. 107 Terceira Etapa: quando a corrente iL chega a zero a chave S2 assume está corrente. Ocorrendo a inversão do sentido da corrente de i L, iL1 e iL2. Nesta etapa pode-se verificar que a chave S2 entra em condução com tensão, pois o diodo em antiparalelo ainda está conduzindo. Portanto diz-se que o circuito opera em comutação suave ZVS. Na Figura 7.6 corresponde ao intervalo de tempo entre t2 à t3. Quarta Etapa: nesta etapa a chave S2 é bloqueada e a corrente passa a circular através do diodo D1, pois os indutores mantêm o sentido da corrente. Na etapa seguinte quando a chave S1 for habilitada o diodo ainda estará conduzindo resultando em uma comutação suave. Na Figura 7.6 corresponde ao intervalo de tempo entre t3 à t4. As principais formas de ondas (VGS- tensão gate-fonte, VDS- tensão dreno-fonte, VREtensão resistor de filamento equivalente, iL- corrente do filtro ressonante e iS- corrente na chave) para as quatro etapas de funcionamento do circuito do reator eletrônico estão representadas na Figura 7.6. 108 VGS1 VGS2 VDS1 VDS2 IS1 IS2 IL VRE t 0 t0 t1 t2 t3 t4 Figura 7.6 – Formas de ondas teóricas do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento. 7.3.2 Após o acendimento da lâmpada Após o período de pré-aquecimento a chave S3 é desabilitada (abre) e o circuito LC série é desacoplado do circuito de potência. O circuito equivalente do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento após o acendimento da lâmpada é igual ao circuito do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento, avaliado anteriormente item 4.5. Assim, as etapas de funcionamento e formas de ondas são idênticas para os dois reatores. Desta forma a avaliação não será repetida neste item. 109 7.4 Análise quantitativa do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento A análise quantitativa do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento pode ser dividia em duas fases antes do acendimento e após o acendimento da lâmpada. 7.4.1 Antes do acendimento da lâmpada, resposta em freqüência O circuito de pré-aquecimento, filtro série, é formado pelo capacitor C3 e o indutor L2 que possui dois enrolamentos auxiliares que fornecem tensão para as resistências de filamentos RF. Para simplificar a análise as chaves S1, S2 e a fonte de tensão E são, Figura 7.4, substituídas por uma fonte de tensão de forma de onda quadrada vE(t), Figura 4.7, que possui seu nível baixo em zero e seu nível alto em E. A Figura 7.7 mostra o circuito equivalente AC. C3 C3 iL2 vE(t) VF(t) i2 RF2 L2 N1 N2 v E(t) v RE(t) L2 RE RF1 (a) (b) Figura 7.7 – Circuito equivalente CA do pré-aquecimento: (a) os filamentos de uma lâmpada fluorescente, (b) as resistências dos filamentos refletida para o primário. A fonte de tensão de onda quadrada vE(t) foi expandida em série de Fourier onde a tensão eficaz VE e a amplitude máxima VEM da componente fundamental estão representadas nas equações (4.2) e (4.3). A tensão vF(t) representa a tensão sobre os filamentos. O circuito (a) pode ser substituído pelo (b) da Figura 7.7, refletindo as resistências dos filamentos RF1 e RF2 para o primário como uma resistência equivalente RE, mostrada na equação abaixo. RE RF (7.1) N 2 N F Onde RF é a resistência de cada filamento da lâmpada fluorescente, NF é o número de filamentos e N é a relação de espiras entre o secundário (N2) e o primário (N1) do 110 transformador. O ganho do circuito equivalente CA pode ser obtido através da relação entre a tensão de saída vRE(t) pela tensão de entrada vE(t). VRE VE j L2 RE j L2 // RE j L2 RE 1 j L2 RE j j L2 // RE j C3 j L2 RE C3 (7.2) G ( j ) VRE VE j L2 RE j L2 RE j L2 RE C3 j j L2 RE j L2 RE C3 (7.3) G( j ) j L2 RE C3 j L2 RE C3 j j L2 RE G( j ) G ( j ) G ( j ) G ( j ) G ( j ) (7.4) j L2 RE j RE L2 j L2 RE C3 C3 (7.5) C3 j L2 RE (7.6) L R C3 j L2 RE 2 j E C3 C3 j L2 R E 1 1 j L2 R E 1 2 L C j C3 RE 2 3 VRE 1 VE 1 j 1 2 L C C3 R E 2 3 (7.7) (7.8) Definindo QL como sendo o fator de qualidade do circuito, 0 como freqüência natural e U como freqüência parametrizada dada pela relação entre a freqüência angular pela freqüência natural 0. QL RE 0 R E C3 0 L2 (7.9) 111 0 1 (7.10) L2 C3 Substituindo as equações (7.9) e (7.10) em (7.8), tem-se: G ( j ) V RE 1 VE 1 j 1 2 U U QL (7.11) O módulo do ganho é dado pela equação abaixo. G ( j ) VRE VE 1 2 1 1 1 2 U U QL (7.12) 2 A Figura 7.8 representa o módulo do ganho para seis valores de QL. Verifica-se que, quanto maior o fator de qualidade do circuito maior será seu ganho. Para uma relação de freqüência U 4 o ganho do circuito possui pouca variação. 9 9 8.1 Gm( U 0.5) 7.2 Gm( U 1) 6.3 Gm( U 2) 5.4 Gm( U 4) 4.5 Gm( U 6) 3.6 2.7 Gm( U 8) 1.8 0.9 0.00 0 0 0.5 1 1.5 0 2 2.5 U 3 3.5 4 4.5 5 5 Figura 7.8 – Módulo do ganho do circuito de pré-aquecimento. A impedância parametrizada pode ser calculada através do circuito equivalente da Figura 7.7(b), como segue: Z ( j ) j j L2 RE C3 j L2 RE j L2 RE j C3 j L2 RE C3 j L2 RE 112 (7.13) Z ( j ) L2 j RE j 2 L2 C3 RE L2 j 2 L2 C3 RE RE j 2 L2 C3 C3 RE j 2 L2 C3 C3 RE L2 RE j ( 2 L2 C3 1) RE Z ( j ) 2 j L2 C3 C3 RE .L2 (7.14) (7.15) j 2 .L2 .C3 1 R Z ( j ) E2 RE j. .L2 .C3 .C3 .RE (7.16) Substituindo as equações (7.9) e (7.10) na (7.16), tem-se a impedância parametrizada em função do fator de qualidade. 2 j 2 1 Z ( j ) 0 Q L 0 2 RE QL j 2 0 (7.17) o O módulo da impedância parametrizada é dado pela equação (7.18). 2 2 U U 2 1 Q Z ( j ) L 2 RE U 2 QL 2 U 2 (7.18) A Figura 7.9 representa a impedância parametrizada para seis valor de QL em função da freqüência parametrizada U. Pode-se verificar que, quanto maior o fator de qualidade menor será a impedância parametrizada e quanto maior a freqüência parametrizada U a tendência da impedância padronizada é alcançar o valor unitário, ou seja, a impedância do circuito em módulo é igual ao resistor equivalente RE. 113 3 2.8 2.6 Zp ( U 0.5) 2.4 2.2 Zp ( U 1) 2 1.8 Zp ( U 2) 1.6 Zp ( U 4) 1.4 1.2 Zp ( U 6) 1 0.8 Zp ( U 8) 0.6 0.4 0.2 0 0 3 0 0.5 1 1.5 0 2 2.5 3 3.5 4 U 4.5 5 5 Figura 7.9 – Módulo da impedância parametrizada, circuito de pré-aquecimento. 7.4.2 Após o acendimento da lâmpada, resposta em freqüência Após o período de pré-aquecimento a chave S3 é desabilitada (abre) e o circuito LC série é removido do circuito de potência. O circuito equivalente do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento após o acendimento da lâmpada é igual ao circuito do reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento, avaliado anteriormente no item 4.6. Assim, o ganho do circuito e a impedância parametrizada são idênticos para os dois reatores. Desta forma a avaliação não será repetida neste item. 114 8 PROJETO E SIMULAÇÃO DO REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO DA LÂMPADA FLUORESCENTE 8.1 Introdução Neste capítulo será apresentada a metodologia proposta para o cálculo do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente. Após o projeto dos componentes para o circuito de pré-aquecimento e o circuito de partida, o circuito total será simulado utilizando o software Orcad 9.1 a fim de verificar a validade do método proposto neste trabalho. As simulações por computador são ferramentas importantes para o projeto e desenvolvimento de um novo circuito. 8.2 Projeto do circuito de pré-aquecimento Para o período de pré-aquecimento o circuito deve fornecer as seguintes características: Tensão eficaz nos filamentos de 7V. Especificação do catálogo da lâmpada fluorescente para um tempo de pré-aquecimento de 2 segundos; Freqüência de operação durante o pré-aquecimento de 80 kHz. O dobro da freqüência de regime normal de operação, para garantir tensão baixa na lâmpada durante este período, 240VRMS; Freqüência parametrizada U= 4 para garantir ZVS nas chaves, ou seja, o circuito trabalhar com característica indutiva; Dados complementares: Resistência do filamento RF1 e RF2: 30 ohms; Tensão barramento (E): 400V Para a determinação do valor da indutância L2, capacitância C3 e a relação do número de espiras N será utilizado o gráfico do módulo da impedância parametrizada. Inicialmente o fator de qualidade do circuito QL deverá ser obtido e seu valor deverá ser tal que a impedância parametrizada apresente uma característica indutiva e que as resistências dos filamentos não apresente grande influência na impedância. Para isso, foi considerado que o 115 módulo da impedância parametrizada é igual a 0,1. A Figura 8.1 representa o módulo da impedância parametrizada em função do fator de qualidade para uma freqüência parametrizada U= 4. Nesta condição, quando a impedância padronizada for 0,1 o fator de qualidade atinge QL= 37,2. Figura 8.1 – Impedância parametrizada em função do fator de qualidade, para U= 4. O ganho do circuito (para U= 4 e QL= 37,2) através da Figura 7.8 é igual a 1,06. Com os dados da tensão de entrada VE e o ganho do circuito é possível determinar a relação de espiras N. VE 2 2 E 2 2 400 180V (8.1) VS VE G( j. ) 180 1,06 191V N (8.2) VF 7 0,0366 VS 191 (8.3) Com a determinação de N é possível calcular o valor da resistência equivalente R E através da equação (7.1). RE 30 (0,0366) 2 2 11198 (8.4) Através da equação (7.9) é possível determinar os valores de L2 e de C3, como segue. 116 RE 11198 2,4 mH 0 QL 2 20 10 3 37,2 (8.5) QL 37,2 26,4 nF 0 RE 2 20 103 11198 (8.6) L2 C 8.3 Projeto do circuito de partida Após o período de pré-aquecimento o circuito de partida do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento deve cumprir com os mesmos requisitos de projeto do que o reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento. Ou seja, o filtro ressonante LC série C paralelo é o mesmo para os dois. Assim, pode-se adotar os métodos de cálculos e os valores encontrados no item 5.2. 8.4 Simulação do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento O reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5, formado por um circuito meia ponte alimentado por tensão com um filtro ressonante LC série, para a geração do pré-aquecimento, e um filtro LC série C paralelo, para a geração da sobre tensão e controle da lâmpada após sua partida, é simulado na Figura 8.2 para os valores obtidos no item 5.2 e 8.2. O circuito pode ser dividido em parte de potência, controle, filtro ressonante e carga. À parte de potência do circuito é formado por uma fonte de tensão contínua E (no lugar do pré-regulador do fator de potência) e pelas chaves de potência S1 e S2 (MOSFET IRF830) que possuem diodos antiparalelo. O controle das chaves de potência é dividido em dois períodos, pré-aquecimento e partida da lâmpada. Durante o pré-aquecimento as chaves U4 e U6 conectam as fontes de tensão V2G2 e V2G1 aos gates das chaves de potência, estas fontes de tensão possuem uma forma de onda quadrada com nível baixo igual a –15V e nível alto igual a 15V, ciclo de trabalho de 50% e freqüência de operação fixa de 80kHz. Após o período de pré-aquecimento as chaves U4 e U6 dão lugar às chaves U3 e U5 , que conectam as fontes de tensão V1G1 e V1G2 aos gates das chaves de potência, estas fontes de tensão possuem uma forma de onda quadrada com nível baixo igual a –15V e nível alto 117 igual a 15V, ciclo de trabalho de 50% e freqüência de operação fixa de 40kHz. O filtro ressonante é dividido em duas partes, filtro ressonante LC série e LC série C paralelo. U5 3m S1 IRF830 V1G1 V1 = -15 V2 = 15 TD = 11.5u TR = 1u + TF = 1u PW = 11.5u PER = 25u U6 3m V2G1 + - V1 = -15 V2 = 15 TD = 5.25u TR = 1u TF = 1u PW = 5.25u PER = 12.5u D2 R4 0.1 R3 CS 0.1 100n LS 4.41mH C3 26.4n E U3 3m + - IRF830 V1G2 V1 = 15 V2 = -15 + TD = 11.5u TR = 1u TF = 1u PW = 11.5u PER = 25u U4 + - 3.2m U2 3.2m R2 0.1 S2 400Vdc U1 L2 CP 3m V2G2 V1 = 15 V2 = -15 TD = 5.25u TR = 1u TF = 1u PW = 5.25u PER = 12.5u 2.4m 3.2u 3.99n RFx 15 R5 0.1 RP RLAMP 9960 996 0 U7 3m 0 Figura 8.2 – Circuito simulado no Orcad. O filtro ressonante LC série é formado pelo capacitor C3 e pelo primário do transformador L2, este é conectado ao circuito de potência através da chave U7 durante o período de préaquecimento. O filtro LC série C paralelo é formado pelo capacitor CS, CP e pelo indutor LS. A carga é formada pela impedância da lâmpada fluorescente operando em alta freqüência, que em condição estática é aproximadamente resistiva [25] e pela resistência de filamento equivalente a dois filamentos RFX. Para simular a partida e funcionamento da lâmpada fluorescente foram utilizadas duas resistências, resistência na partida RP e resistência em funcionamento RLAMP. As resistências são acoplas ao circuito ressonante através das chaves U1 e U2. Para efeito de simulação foi considerado que o período de pré-aquecimento é 3 ms e a lâmpada parte com 0,2 ms. 8.4.1 Resultados da simulação 118 Durante o período de pré-aquecimento o reator deverá aplicar aos filamentos da lâmpada uma tensão suficiente para aquece-los, neste mesmo período a tensão através da lâmpada deverá ser controlada para não passar de certos limites, estes foram comentados anteriormente. A Figura 8.3 mostra a tensão na resistência equivalente do filamento da lâmpada durante o período de pré-aquecimento, partida e após o acendimento. Durante o período de pré-aquecimento a tensão eficaz atinge VRFX= 7,6V e após este período é interrompida. 20V 10V 0V -10V -20V 2.0ms V(L2:3) 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms Time Figura 8.3 – Tensão na resistência de filamento equivalente. A Figura 8.4 mostra a tensão através da lâmpada durante o período de pré-aquecimento, partida e após o acendimento. Durante o pré-aquecimento a tensão eficaz é relativamente baixa atingindo VL= 52V. Na partida a tensão atinge um pico de VL= 1770 V, para um tempo de 0,2ms de simulação. Após a partida a tensão de pico na lâmpada atinge 247 V ou VL=174V eficaz. 2.0KV 0V -2.0KV 2.0ms V(LS:2) 2.5ms 3.0ms Time 119 3.5ms 4.0ms Figura 8.4 – Tensão através da lâmpada fluorescente. A Figura 8.5 mostra a tensão dreno-fonte VDS e a corrente de dreno IS na chave de potência S2 para os três períodos de operação. No período de pré-aquecimento a corrente de dreno atinge um pico de ISM2= 500mA, na partida a corrente de dreno alcança seu valor máximo de ISM= 1,7A e após a partida da lâmpada a corrente de dreno reduz a ISM= 330mA. Em todos os períodos a chave trabalha em comutação suave. 500 0 -500 2.75ms -I(R5)*100 3.00ms V(V1G1:-) 3.25ms 3.50ms Time Figura 8.5 – Tensão dreno-fonte (VDS, em azul) e corrente de dreno (IS2, em vermelho) da chave S2 (x100). 8.5 Conclusão Um reator eletrônico com controle do pré-aquecimento da lâmpada fluorescente foi projetado com sucesso. Através dos valores obtidos, o circuito foi simulado a fim de verificar a funcionalidade do mesmo. Foi verificado que, os valores de tensão no filamento e na lâmpada durante o período de pré-aquecimento, partida e regime satisfazem os valores de projeto e as chaves trabalham em comutação suave ZVS. 120 9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA O REATOR ELETRÔNICO COM CONTROLE DO PRÉ-AQUECIMENTO 9.1 Introdução A partir da determinação dos valores dos componentes dos dois filtros ressonantes e suas principais características elétricas adquiridas através dos cálculos e pela simulação do circuito, implementou-se um protótipo do reator eletrônico com controle do préaquecimento da lâmpada fluorescente. Neste capítulo também será apresentado o resultado experimental, como as formas de ondas dos principais componentes e na carga, e um ensaio elétrico utilizando um analisador de potência específico para reatores. 9.2 Montagem do circuito Para melhor distinção do funcionamento o circuito total foi divido em quatro partes como segue abaixo. O circuito de EMI, circuito retificador e o circuito pré-regulador do fator de potência são simplificados e representados por uma fonte de tensão contínua E. 9.3 Circuito de controle das chaves Como utilizado no desenvolvimento do primeiro reator o circuito integrado IR2153D será utilizado para comandar as chaves de potência do circuito de meia ponte, devido sua facilidade de implantação e possibilidade de controlar a freqüência de operação. 9.3.1 Circuito para variar a freqüência de controle das chaves Como foi mencionado anteriormente o reator eletrônico com controle do préaquecimento deve operar em duas freqüências distintas, freqüência de pré-aquecimento e 121 de regime. Sendo que a primeira deverá ser maior do que a segunda, como mostra a Figura 9.1. Freqüência f PA f IG fS Pré-aquecimento Regime Ignição Tempo Figura 9.1 – Mudanças nas freqüências de operação do reator eletrônico com controle do préaquecimento. Para realizar esta característica no circuito de controle das chaves existem dois principais métodos [51]: método por chaveamento de capacitor série ou paralelo e método por ajuste na tensão de offset. O método por chaveamento de capacitor paralelo foi escolhido devido sua simplicidade. O circuito da Figura 9.2 mostra como um transistor de pequeno sinal S3 pode conectar um capacitor auxiliar no comando do circuito oscilador. Quando o transistor está bloqueado, o diodo D1 está bloqueando o capacitor C2 retirando-o do circuito, assim a freqüência do oscilador é alta. Quando S3 está conduzindo este coloca o capacitor C2 em paralelo com C1, aumentando a capacitância e conseqüentemente reduzindo a freqüência do oscilador. A equação (9.1) representa a freqüência de préaquecimento e a equação (9.2) representa a freqüência de regime. f PA fS 1 1.38R1 75C1 (9.1) 1 1.38R1 75C1 C 2 (9.2) O tempo em que o oscilador permanecerá na freqüência de pré-aquecimento fPA é determinado pela carga do capacitor C3, através do resistor R2 e R3, até atingir a tensão de zener do diodo DZ. Ou seja, é possível determinar o tempo de pré-aquecimento a partir dos componentes C3, R3 e R2 pela relação da equação (9.3). 122 S1 Db + VCC R2 E 1 V PA - Dz R3 C3 R4 R5 S3 R1 C2 D1 2 3 C1 Ra VCC VB 7 HO RT VS LO CT COM 4 Cb 6 S2 5 Rb Figura 9.2 – Circuito simplificado para variação de freqüência do oscilador. t t R2 R3C3 R2 R3C3 R R R R R3 2 3 2 3 vC 3 (t ) E vC 3 (0) e 1 e R3 R 2 (9.3) A tensão após o diodo zener DZ (VPA) controlará também a chave que adiciona o circuito LC série no circuito de potência. 9.3.2 Circuito de proteção Devido à topologia adotada para o reator eletrônico com controle do pré-aquecimento o circuito deverá possuir proteção para que quando um dos filamentos da lâmpada rompa o reator não queime. Em funcionamento normal da lâmpada fluorescente, filamentos não rompidos, a sobre tensão gerada na lâmpada e conseqüentemente o aumento da corrente nas chaves de potência não causa danos, devido a valores de componentes adotados no projeto, porém caso a lâmpada não acenda, filamento rompido ou lâmpada desativada, a sobre tensão na lâmpada aumentará e conseqüentemente a corrente nas chaves de potência, levando-as à queima. O aumento de corrente pode ser “sentido” através de um resistor série junto à chave de potência ou um enrolamento secundário no indutor do filtro ressonante LC série C paralelo. Este último apresenta melhor dinâmica e é mostrado na Figura 9.4. 123 Quando a lâmpada fluorescente não acende um aumento de tensão é induzida no secundário do indutor L3 (L3:2 e L3:3) faz com que o capacitor C17 carregue, através de R25 e R22, até atingir a tensão de disparo do diac D12, que por sua vez coloca o SCR (S6) em condução. A tensão na alimentação do oscilador CI-1 irá cair e a oscilação terminará. A chave S6 permanecerá conduzindo devido à corrente que circula pelos resistores R8 e R10, o circuito só voltará a oscilar quando a alimentação do mesmo for desligada e os capacitores forem descarregados, assim, o circuito estará habilitado para operar normalmente. 9.3.3 Circuito total O circuito com toda a solução para o reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente é mostrado na Figura 9.4. O circuito implementado em uma placa de circuito impresso é mostrado na Figura 9.4. Figura 9.3 – Reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5. 124 Figura 9.4 – Circuito total do reator eletrônico com pré-aquecimento por tensão. 125 R19 + E _ + C16 D11 R18 R17 R21 R24 R23 S4 S5 D15 C18 R20 R13 S6 + C7 R10 R8 R15 4 VB 7 HO 6 CI-1 RT VS 5 LO CT COM VCC C15 3 2 1 D10 8 D9 R26 S3 D12 R14 C12 R11 S2 D20 C9 D14 S7 L4:1 C19 D16 C21 0 C17 + R25 L3:2 L3:1 R22 C20 D13 L4:2 L4:3 9.4 Resultados Nas próximas figuras serão apresentadas algumas das principais formas de ondas para o circuito mostrado anteriormente. Tensão na lâmpada e no filamento da lâmpada durante a partida: as Figura 9.5 e Figura 9.6 representam a tensão na lâmpada e tensão no filamento da mesma durante o período de pré-aquecimento. Pode-se observar que, a tensão na lâmpada durante o período de pré-aquecimento é baixa e igual a 55VRMS e a tensão no filamento é igual a 7,5VRMS para um período de 2 segundos. Durante este período a freqüência de operação é igual a 77kHz. Após o pré-aquecimento a tensão de pico na lâmpada atinge 1230V e a lâmpada acende, reduzindo a tensão para valores nominais e a tensão no filamento é eliminada. CH1 pk-pk 2.04 Kv CH1 Max 810 V 2 1) V L: 2) V F: 500 V olt 500 m s 10 V olt 500 m s Figura 9.5 – Tensão de lâmpada (CH1) e filamento (CH2) durante o pré-aquecimento. CH1 RMS 55V CH1 RMS 7.5V CH2 Freq 77 kHz 2 1) V L: 2) V F: 100 V olt 10 us 5 V olt 10 us Figura 9.6 - Tensão de lâmpada (CH1) e filamento (CH2) durante o pré-aquecimento. Corrente na chave de potência durante o pré-aquecimento: a corrente de dreno e a tensão fonte-dreno das chaves de potência durante o período de pré-aquecimento estão 126 2 representadas na Figura 9.6. A corrente de dreno atinge um pico de 0,48A. As chaves de potência neste período trabalham em ZVS. CH2 RMS 195mA CH2 Max 480mA 2 CH2 Freq 78 kHz CH1 Max 400V 1) V ds: 200 V olt 5 us 2) Id: 200 m A 5 us Figura 9.7 – Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) nas chaves de potência durante o pré-aquecimento. Corrente na chave de potência durante a partida: durante a partida da lâmpada a corrente na chave atinge seu valor de pico máximo de 4,0A como pode ser observado na Figura 9.8. CH2 Max 4.0A CH1 Max 400V 2 1) V ds: 200 V olt 10 us 2) Id: 2 A 10 us Figura 9.8 – Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) durante a partida da 2 lâmpada. Corrente na chave de potência em regime: após a partida da lâmpada a corrente na chave diminui a um valor de pico igual a 0,328A. As chaves trabalham em comutação suave ZVS em uma freqüência de 39,8kHz como mostra a Figura 9.9. 127 CH2 RMS 145mA CH2 Max 328mA CH2 Freq 39.8 kHz 2 2 CH1 Max 400V 1 ) V d s: 2 0 0 V o lt 5 us 2 ) Id : 2 0 0 mA mp e 5 us Figura 9.9 - Tensão dreno-fonte (azul) e corrente de dreno (vermelho) durante o regime de operação. Tensão e corrente na lâmpada em regime: a tensão e a corrente na lâmpada fluorescente tubular de 28W/T5 está representada na Figura 9.10. A tensão de lâmpada eficaz encontrada VL= 178V e a corrente ILAMP= 175mA estão dentro dos limites especificados no catálogo da lâmpada. CH2 RMS 175mA CH2 Max 200mA 2 CH2 Freq 39.8 kHz CH1 RMS 178V 1) V L: 100 V olt 5 us 2) IL: 200 m A 5 us Figura 9.10 – Tensão (azul) e corrente (vermelho) da lâmpada após seu acendimento. Ensaio elétrico das características de entrada e saída do reator eletrônico: as características elétricas de entrada e saída do reator eletrônico com controle do préaquecimento foram medidas, após a estabilidade da lâmpada (15 minutos), com um analisador de potência Xitron Technologies 2572R Power Analysis System. Os dados são mostrados na Tabela 9.1. 128 Tabela 9.1 – Características elétricas do reator eletrônico com controle do pré-aquecimento para uma lâmpada fluorescente de 28W/T5. Grandezas Elétricas Potência de entrada Corrente de entrada Fator de potência Distorção harmônica total da corrente Freqüência de entrada Freqüência de saída Potência de saída Fator de crista da corrente de lâmpada Valores Medidos 31,2 W 0,143 A 0,992 7,2 % 60 Hz 38,9 kHz 27,44 W 1,50 A distorção harmônica da corrente de alimentação até a décima primeira harmônica é mostrada na Figura 9.11. As harmônicas individuais estão dentro dos limites estabelecidos pela norma brasileira (NBR14418), americana (ANSI C82.11) e européia (IEC61000-3-2). 100% 80% 60% 20% 0, 82 % 6, 57 % 0, 34 % 2, 11 % 0, 25 % 1, 17 % 0, 10 % 0, 11 % 0, 17 % 0, 43 % 40% 9t h 10 th 11 th 8t h 7t h 6t h 5t h 4t h 3r d Fu nd 2n d 0% Figura 9.11 – Distorção harmônica da corrente de alimentação em % da fundamental. 9.5 Conclusão Um reator eletrônico multifreqüência para uma lâmpada fluorescente de 28W/T5 com preaquecimento por tensão foi desenvolvido e suas características elétricas estão dentro do esperado. 129 10 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO Para verificar a compatibilidade entre o reator proposto (multifreqüência com préaquecimento por tensão) e a lâmpada fluorescente T5 foram realizados dois testes de ciclos com três diferentes reatores, em uma sala com temperatura ambiente controlada (255oC), tensão de alimentação dos reatores estabilizada em 220V e as lâmpadas acopladas em luminárias específicas (não aterradas). Para cada teste de ciclo foi utilizada uma lâmpada nova de 28W/T5 Philips MASTER TL5 HE 28W/840 Cool White com seu respectivo reator. O primeiro teste de ciclo rápido utiliza como tempo os valores praticados na industria de reatores (INTRAL S.A. – Industria de Materiais Elétricos). A lâmpada é ligada durante 30 segundos e permanece desligada durante 30 segundos. O ciclo é repetido até a queima da lâmpada (rompimento do filamento). O segundo teste utiliza como tempo os valores encontrados no resfriamento da resistência do filamento e na recomendação do fabricante da lâmpada para “curar” o eletrodo. Ou seja, a lâmpada fluorescente permanece ligada durante 30 segundos e após é desligada durante 5 minutos, este ciclo é repetido até a falha da lâmpada. Os resultados encontrados são apresentados na Tabela 10.1. Para comparar a influência do pré-aquecimento dos filamentos foram utilizados para o teste de ciclo um reator com controle do pré-aquecimento, um sem controle do préaquecimento e um reator eletrônico de fabricação nacional encontrado no mercado (sem controle do pré-aquecimento). Tabela 10.1 – Resultado do teste de ciclo rápido. Teste de ciclo rápido 30 segundos ligado e 30 segundos ligado e 30 segundos desligado 5 minutos desligado Tipo do reator eletrônico Com pré-aquecimento controlado, reator proposto Sem pré-aquecimento controlado Reator comercial, sem pré-aquecimento controlado 57600 ciclos 20160 ciclos 1440 ciclos 2880 ciclos 1800 ciclos 2304 ciclos Os resultados dos testes de ciclos rápidos são de difícil interpretação na prática e podem ser enganadores entretanto, algumas conclusões podem ser realizadas nos dados acima. 130 O primeiro teste de ciclo rápido, 30 segundos ligado e 30 segundos desligado, foi concluído após 40 dias. A primeira lâmpada queimou com 1440 ciclos, quando alimentada com o reator eletrônico sem controle do pré-aquecimento. A lâmpada ligada ao reator eletrônico comercial foi a segunda a queimar com 1800 ciclos. Somente após 57600 ciclos a lâmpada alimentada com o reator eletrônico com controle do pré-aquecimento queimou. Este teste de ciclo rápido, utilizado pela industria de reatores, não possui uma ligação direta com o teste de ciclo padrão, desta forma, a industria determina um número mínimo de ciclos que a lâmpada deverá suportar. Este, é calculado levando em consideração a expectativa de vida, o tempo de operação e a quantidade de ciclos durante a aplicação real da lâmpada. Por exemplo, para a lâmpada fluorescente T5 que possui uma expectativa de vida de 20.000 horas o número mínimo de ciclos deverá ser de 6700 ciclos, para uma aplicação onde a lâmpada permanece ligada durante 12 horas e sofre 4 ciclos de liga e desliga. Pelo método utilizado pela industria somente o reator com controle do préaquecimento estaria apto a trabalhar neste regime de operação, que atualmente possui maior aplicação comercial. O segundo teste de ciclo rápido, 30 segundos ligado e 5 minutos desligado, foi concluído após 70 dias. A primeira lâmpada queimou com 2304 ciclos, quando alimentada pelo reator comercial. A segunda, alimentada pelo reator sem controle do pré-aquecimento, queimou com 2880 ciclos. Somente após 20160 ciclos a lâmpada alimentada pelo reator com controle do pré-aquecimento queimou. O fabricante da lâmpada especifica que, para um teste de ciclo rápido com 30 segundos ligado e 4,5 minutos desligado a lâmpada deverá suportar mais do que 20.000 ciclos. Pode-se então dizer que a lâmpada fluorescente T5 alcançou sua expectativa de vida quando alimentada com o reator proposto. Mas, somente é possível afirmar que as lâmpadas fluorescentes T5 adquirem sua expectativa de vida quando alimentadas com o reator proposto se uma análise estatística for realizada com um maior número de amostras. Os dois testes de ciclo rápido apontam para a importância do pré-aquecimento controlado na vida da lâmpada fluorescente T5. Utilizando reatores sem controle do pré-aquecimento a vida da lâmpada pode ser reduzida até 7 vezes, para a aplicação mostrada na Tabela 10.1. Para o primeiro teste de ciclo rápido esperava-se que as lâmpadas suportariam um maior número de ciclos quando comparadas com o segundo, devido ao fato de que a lâmpada ficando desligada menos do que cinco minutos o eletrodo não esfria completamente, desta forma, reduz a degradação do filamento durante a partida da lâmpada e, provavelmente 131 resultaria em um número maior de ciclos até o fim da vida da lâmpada. Todavia, somente foi possível verificar esta característica nas lâmpadas alimentadas pelo reator eletrônico com pré-aquecimento. Os resultados deste estudo mostram que o reator eletrônico proposto é uma excelente escolha para a aplicação com a lâmpada fluorescente T5. Para um trabalho futuro serão realizados o estudo e o desenvolvimento de um reator eletrônico comercial para duas lâmpadas fluorescentes T5. Para isso, o reator proposto servirá de base e alimentará as lâmpadas em série. O pré-aquecimento será realizado por três enrolamentos auxiliares do transformador de saída. Para o desenvolvimento do reator comercial deverá ser realizada uma miniaturização do reator devido ao dimensional das luminárias existentes no mercado para a lâmpada T5. Para esta redução do reator, novas tecnologias de montagem e componentes eletrônicos, como circuitos integrados dedicados, deverão ser utilizados. 132 11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] J. B. 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