Introdução
Propaganda
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA 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 Marcelo Toss Porto Alegre, Dezembro 2004 ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA MARCELO TOSS 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 N. Prado, Dr. Eng. _____________________________________ Vicente Mariano Canalli, Dr. Ing. ii DEDICO ESTE TRABALHO: Ao meu pai, Aldo Toss, referência de vida pessoal pela honestidade, seriedade e perseverança. A minha mãe, Odete Catarina Zanotto Toss, pelo amor e apoio sempre presente em minha vida. A minha noiva, Sâmua Elisa Georg, pelo incondicional compreensão. iii companheirismo, incentivo e AGRADECIMENTOS À Deus por guiar o meu caminho e conceder a força necessária para a superação de mais uma etapa. Ao Prof. Fernando Soares dos Reis pela orientação, incentivo e revisão deste trabalho. A todos os demais professores do PPGEE em especial os professores Fausto Bastos Líbano e Vicente Mariano Canalli pela seriedade que conduziram os seus trabalhos, contribuindo para a solidez de minha formação. Ao colega Anderson Soares dos Santos, companheiro desta caminhada e antes de tudo um amigo. Agradeço ao Gerson Teixeira pelo apoio, conselhos e principalmente pelo exemplo de luta incansável em busca dos objetivos. À INTRAL S.A. pelo incentivo, apoio e confiança depositados na minha pessoa e no meu trabalho. Agradeço a todos os colegas da Engenharia de Produto da Intral S.A e do LEPUC, pelo companheirismo e agradável convivência . À Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, em especial ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica PPGEE, por proporcionarem a oportunidade de realização deste trabalho. A todos os funcionários do PPGEE que sempre se mostraram prestativos, auxiliando minha caminhada. À minha família, meu pai Aldo e minha mãe Odete Catarina, pelo conforto nas horas difíceis, incentivo e dedicação que tiveram durante estes anos da minha vida. Às minhas irmãs, Daniela e Vanessa, pelo torcida e pensamento positivo. iv À minha noiva Sâmua, pelo amor , carinho e compreensão pelas horas que fiquei ausente. Agradeço a todas pessoas que, de uma forma ou de outra, dedicaram seu tempo e disposição para ajudar e assim contribuíram para o sucesso deste trabalho. v Resumo da Dissertação apresentada a PUCRS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE ALTA PRESSÃO DE VAPOR METÁLICO COM SISTEMA DE ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA Marcelo Toss Dezembro 2004 Orientador: Fernando Soares dos Reis, Doutor. Linha de Pesquisa: Eletrônica Industrial, Automação e Controle. Palavras-chaves: Reator Eletrônico, Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão, Ressonância Acústica e Eletrônica de Potência. Número de Páginas: 117. RESUMO: O presente trabalho apresenta a análise, projeto e implementação de um reator eletrônico de alta freqüência para lâmpada de vapor metálico com sistema de eliminação de ressonância acústica. Atualmente as lâmpadas de vapor metálico vêm atraindo muita atenção, por que oferecem alta eficácia e excelente propriedade de cor. O trabalho inicia com uma revisão bibliográfica que apresenta os diversos métodos propostos para eliminação do fenômeno chamado de ressonância acústica porque o maior desafio para o desenvolvimento de um reator eletrônico confiável para lâmpadas de vapor metálico é superar a ressonância acústica. O trabalho também apresenta um método de projeto de reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão utilizando o filtro ressonante LC série L paralelo. Extensivos experimentos utilizando reatores eletrônicos foram realizados com lâmpadas de vapor metálico de 70W das principais marcas comercializadas no mercado brasileiro com o objetivo de determinar um método para eliminar a ressonância acústica que abrangesse todas as marcas testadas. Após a determinação do método, um reator protótipo foi desenvolvido, as características de performance do reator eletrônico protótipo foram comparadas com as de um reator eletromagnético e os resultados obtidos comprovam as vantagens apresentadas por essa nova tecnologia. vi Abstract of Dissertation presented to PUCRS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering STUDY AND DEVELOPMENT OF AN ELECTRONIC BALLAST FOR HIGH PRESSURE METAL HALIDE LAMPS WITH A SYSTEM TO AVOID ACOUSTIC RESONANCE Marcelo Toss December 2004 Supervisor: Fernando Soares dos Reis, Ph.D. Research Field: Power Electronics, Automation and Control. Keywords: Electronic Ballast, HID Lamp, Acoustic Resonance, and Power Electronics. Number of Pages: 117. ABSTRACT: A high frequency electronic ballast for metal halide lamps with acoustic resonance avoidance is discussed in this work. Metal halide lamps have attracted much attention in recent years, because they offer high efficacy and excellent color properties. This work start with a bibliographical revision focused in the different method proposed to eliminate the phenomenon called acoustic resonance, once the biggest challenge to develop reliable electronic ballast for metal halide lamps is overcome the acoustic resonance. This work also presents a method to design electronic ballast for HID lamps using a LC series C parallel resonant filter. Extensive experiments using resonant type electronic ballast have been conducted on 70W metal halide lamps using the main available lamps in the Brazilian market to determine one valid method to avoid the acoustic resonance phenomenon for all tested lamps. After that, an electronic ballast prototype was developed, the electrical characteristics of the implemented electronic ballast were compared with the conventional electromagnetic ballast electrical characteristics and the obtained results proved the advantages of this new technology. vii SUMÁRIO INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1 1 LÂMPADAS DE DESCARGA ..................................................................................... 5 1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 5 1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS LÂMPADAS DE DESCARGA DE BAIXA PRESSÃO ... 5 1.3 LÂMPADA DE DESCARGA DE ALTA INTENSIDADE ........................................................ 7 1.4 LÂMPADA DE VAPOR DE MERCÚRIO DE ALTA PRESSÃO ............................................... 7 1.5 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO DE ALTA PRESSÃO ...................................................... 8 1.6 LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO ................................................................................. 9 1.7 LÂMPADAS DE DESCARGA, MEIO AMBIENTE E SAÚDE ............................................... 10 1.8 FUNDAMENTOS DE LUMINOTÉCNICA ........................................................................ 12 1.8.1 O que é luz? ...................................................................................................... 12 1.8.2 Temperatura de cor correlata ............................................................................ 13 1.8.3 Índice de reprodução de cor.............................................................................. 15 1.8.4 Resposta Espectral ............................................................................................ 16 1.9 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA FLUORESCENTE 19 1.10 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA DE MERCÚRIO .. 20 1.11 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA DE SÓDIO ......... 21 1.12 UTILIZAÇÃO DE LÂMPADAS DE VAPOR METÁLICO E SEGURANÇA.............................. 22 1.13 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 26 2 LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO ........................................................................ 30 2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 30 2.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO ...................................... 30 2.2.1 Química das três cores ...................................................................................... 31 viii 2.2.2 Química das terras raras ................................................................................... 31 2.2.3 Química do sódio e escândio ............................................................................ 32 2.3 ESTRUTURA DA LÂMPADA VAPOR METÁLICO PALITO DE DOIS PINOS ........................ 32 2.4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................................... 33 2.5 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE TENSÃO NO DESEMPENHO DA LÂMPADA ................... 34 2.6 FLUXO LUMINOSO ..................................................................................................... 36 2.7 REATORES MAGNÉTICOS .......................................................................................... 37 2.8 IGNITORES PARA OPERAR COM REATORES MAGNÉTICOS ........................................... 39 2.8.1 Ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão ...................................... 39 2.8.2 Ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão ...................................... 40 2.8.3 Ignitor conjugado .............................................................................................. 41 2.8.4 Ignitor para reacendimento instantâneo ............................................................ 41 2.9 MODOS DE IGNIÇÃO PARA LÂMPADAS DE HID COM REATORES ELETRÔNICOS .......... 42 2.9.1 Ignição a partir de geradores de pulso .............................................................. 42 2.9.2 Ignição a partir de capacitor auxiliar ................................................................ 45 2.9.3 Ignição a partir do filtro ressonante LCC ......................................................... 46 2.10 FENÔMENO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA ................................................................. 47 2.11 MÉTODOS PARA ELIMINAR A RESSONÂNCIA ACÚSTICA ............................................. 49 2.11.1 Trabalhar em uma freqüência livre de ressonância acústica ............................ 49 2.11.2 Espalhamento do espectro de potência sobre a lâmpada .................................. 50 2.12 MÉTODO ESCOLHIDO PARA ELIMINAR A RESSONÂNCIA ACÚSTICA ............................ 50 2.13 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 51 3 ANÁLISE QUALITATIVA ......................................................................................... 54 3.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 54 3.2 TOPOLOGIA DO REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE VAPOR DE METÁLICO....... 54 ix 3.2.1 Filtro de EMI .................................................................................................... 55 3.2.2 Retificador e corretor de fator de potência PFC............................................... 55 3.2.3 Circuito de Controle e Comando ...................................................................... 57 3.2.4 Etapa de potência .............................................................................................. 57 3.2.5 Circuito variador da freqüência de saída .......................................................... 58 3.2.6 Filtro ressonante ............................................................................................... 59 3.2.7 Etapas de funcionamento .................................................................................. 60 3.2.8 Circuito de proteção.......................................................................................... 62 3.3 4 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 63 ANÁLISE QUANTITATIVA ...................................................................................... 65 4.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 65 4.2 ANÁLISE DO CIRCUITO RESSONANTE UTILIZADO NA TOPOLOGIA .............................. 65 4.2.1 Cálculo do Valor Eficaz ................................................................................... 65 4.2.2 Cálculo da impedância do circuito ressonante ................................................. 68 4.2.3 Cálculo do ângulo de fase da impedância Z ..................................................... 70 4.2.4 Cálculo de Cp em função do ângulo .............................................................. 70 4.2.5 Cálculo de L em função do ângulo e Cs ........................................................ 71 4.2.6 Cálculo da potência P em função do ângulo e Cs .......................................... 72 4.2.7 Cálculo da tensão aplicada a lâmpada .............................................................. 72 4.2.8 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante ..................................... 75 4.2.9 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante considerando a resistência parasita ........................................................................................................ 76 4.3 CIRCUITO DE VARIAÇÃO DA FREQÜÊNCIA DE OPERAÇÃO .......................................... 77 4.4 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 79 x 5 PROJETO E SIMULAÇÃO ......................................................................................... 81 5.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 81 5.2 PROCEDIMENTO DE PROJETO..................................................................................... 81 5.2.1 Dados de entrada .............................................................................................. 81 5.2.2 Determinação do ângulo de fase ....................................................................... 82 5.2.3 Cálculo do indutor série.................................................................................... 84 5.2.4 Determinação do capacitor série....................................................................... 84 5.2.5 Cálculo do capacitor paralelo ........................................................................... 85 5.2.6 Cálculo da sobre tensão de partida ................................................................... 85 5.2.7 Cálculo da corrente nos transistores na partida ................................................ 87 5.2.8 Cálculo da corrente nos transistores em regime ............................................... 88 5.2.9 Escolha dos transistores da ponte ..................................................................... 89 5.3 SIMULAÇÃO DO CIRCUITO ......................................................................................... 90 5.3.1 Tensão de partida .............................................................................................. 91 5.3.2 Tensão de partida com capacitor de carga máximo .......................................... 92 5.3.3 Corrente de partida ........................................................................................... 93 5.3.4 Tensão e corrente de lâmpada .......................................................................... 94 5.4 6 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 95 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................................... 97 6.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 97 6.2 PROTÓTIPO IMPLEMENTADO ..................................................................................... 97 6.3 DIMENSIONAL DO REATOR PROTÓTIPO...................................................................... 98 6.4 IGNIÇÃO DA LÂMPADA .............................................................................................. 99 6.5 FORMA DE ONDA DA CORRENTE E TENSÃO SOBRE A LÂMPADA ............................... 101 6.6 MEDIÇÃO DA JANELA LIVRE DE RESSONÂNCIA ACÚSTICA ....................................... 102 xi 6.7 MEDIÇÃO DA TAXA DE VARIAÇÃO DE FREQÜÊNCIA VERSUS ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA .................................................................................................... 103 6.8 COMPARATIVO SOBRE OS PARÂMETROS ELÉTRICOS DE UM REATOR ELETROMAGNÉTICO VERSUS O REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO ......................................... 105 6.9 SENSIBILIDADE A VARIAÇÃO DE TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DE UM REATOR ELETROMAGNÉTICO VERSUS O REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO ......................................... 107 6.10 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 110 7 CONCLUSÕES FINAIS ............................................................................................ 111 8 PRÓXIMOS TRABALHOS ...................................................................................... 113 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 114 xii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Princípio de funcionamento da lâmpada fluorescente. ........................................ 6 Figura 1.2 Construção da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão............................. 8 Figura 1.3 Estrutura básica de uma lâmpada de sódio alta pressão ....................................... 9 Figura 1.4 Estrutura básica de uma lâmpada vapor de metálico ......................................... 10 Figura 1.5 Espectro Eletromagnético. ................................................................................. 13 Figura 1.6 Temperatura de cor correlata. ............................................................................ 14 Figura 1.7 Comparação entre duas iluminações com I.R.C diferentes................................ 15 Figura 1.8 Eficácia Luminosa Fotópica e Escotópica. ........................................................ 17 Figura 1.9 Comparação entre duas fontes de iluminação (a) sistema convencional com lâmpada halógena e (b) sistema com lâmpada de vapor metálico HID [30]. .............. 19 Figura 1.10 Comparação entre o nível de iluminação das lâmpadas fluorescentes compactas e lâmpadas de vapor metálico. ................................................................... 20 Figura 1.11 Curva de distribuição espectral da lâmpada de sódio SON-T da Philips......... 22 Figura 1.12 Curva de distribuição espectral da lâmpada de vapor metálico MHN-TD da Philips .......................................................................................................................... 22 Figura 1.13 Lâmpada de vapor metálico com proteção para luminárias abertas. ............... 23 Figura 1.14 Distribuição da potência espectral relativa [12]. .............................................. 24 Figura 1.15 Resposta Fotobiológica [12]. ........................................................................... 25 Figura 1.16 Curva de transmissão do vidro temperado e de um filtro anti-UV [12]........... 25 Figura 1.17 Embalagem da lâmpada POWERSTAR HQI-TS 70W/WDL da Osram. .. 26 Figura 1.18 Posição correta da lâmpada de vapor metálico do tipo palito. ......................... 26 Figura 2.1 Estrutura da lâmpada vapor metálico palito de dois pinos................................. 33 Figura 2.2 Fases de partida da lâmpada vapor metálico. ..................................................... 34 xiii Figura 2.3 Variação nos parâmetros elétricos da lâmpada devido a variação da tensão de alimentação. ................................................................................................................. 35 Figura 2.4 Depreciação do fluxo luminoso. ........................................................................ 36 Figura 2.5 Formas de onda de tensão, corrente e potência em uma lâmpada de vapor metálico de 70W controlada por um reator magnético................................................ 37 Figura 2.6 Bobina montada do reator para vapor metálico de 70W. ................................... 38 Figura 2.7 Reator magnético, ignitor e capacitor para corrigir fator de potência................ 38 Figura 2.8 Ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão. ....................................... 40 Figura 2.9 Ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão. ....................................... 40 Figura 2.10 Ignitor conjugado ............................................................................................. 41 Figura 2.11 Ignitor para reacendimento instantâneo. .......................................................... 42 Figura 2.12 Circuito que utiliza o “spark gap” ................................................................... 43 Figura 2.13 “Spark Gap”. .................................................................................................... 44 Figura 2.14 Circuito que utiliza SIDAC. ............................................................................. 45 Figura 2.15 Circuito que utiliza o capacitor auxiliar em filtro LC série. ............................ 45 Figura 2.16 Circuito de ignição utilizando o filtro LC série C paralelo. ............................. 46 Figura 2.17 Curvatura do arco durante o processo de ressonância acústica [35]. ............... 48 Figura 3.1 Diagrama de blocos do reator eletrônico proposto. ........................................... 54 Figura 3.2 Circuito inversor ponte completa. ...................................................................... 57 Figura 3.3 Circuito de variação na freqüência de operação. ............................................... 58 Figura 3.4 Filtros ressonantes 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 3.5 Etapas de funcionamento. .................................................................................. 61 Figura 3.6 Formas de onda do conversor ressonante LC série C paralelo. ......................... 62 xiv Figura 4.1 Circuito meia ponte com conversor ressonante acoplado. ................................. 66 Figura 4.2 Forma de onda da tensão sobre o circuito ressonante. ....................................... 66 Figura 4.3 Forma de tensão deslocada temporalmente........................................................ 67 Figura 4.4 Impedância do filtro ressonante LC série C paralelo. ........................................ 68 Figura 4.5 Circuito equivalente antes da partida da lâmpada. ............................................. 73 Figura 4.6 Circuito de impedância considerando a resistência parasita. ............................. 76 Figura 4.7 Circuito de variação de freqüência. .................................................................... 78 Figura 5.1 Gráfico de potência da lâmpada de vapor metálico. .......................................... 83 Figura 5.2 Gráfico da potência entregue a lâmpada em um intervalo escolhido................. 83 Figura 5.3 Ábaco do valor do indutor série. ........................................................................ 84 Figura 5.4 Ábaco do valor do capacitor paralelo................................................................. 85 Figura 5.5 Ganho de tensão na partida. ............................................................................... 86 Figura 5.6 Corrente máxima em função da resistência parasita e u. ................................... 88 Figura 5.7 Corrente do reator em regime. ........................................................................... 89 Figura 5.8 Circuito simulado no Orcad 9.1. ........................................................................ 90 Figura 5.9 Tensão de partida com resistência parasita de 0,1 . ........................................ 91 Figura 5.10 Tensão de partida com resistência parasita de 3 . ......................................... 91 Figura 5.11 Circuito simulado com a inclusão do capacitor de carga Cp. ........................... 92 Figura 5.12 Sobretensão de partida sem o capacitor de carga máximo Cp.......................... 93 Figura 5.13 Sobretensão de partida com o capacitor de carga máximo Cp de 1000 pF. ..... 93 Figura 5.14 Simulação da corrente de partida do reator. ..................................................... 94 Figura 5.15 Tensão e corrente aplicadas a lâmpada. ........................................................... 95 Figura 6.1 Placa protótipo do reator eletrônico proposto. ................................................... 97 Figura 6.2 Dimensional externo do reator protótipo. .......................................................... 98 Figura 6.3 Medição da tensão de partida da lâmpada.......................................................... 99 xv Figura 6.4 Tensão de partida da lâmpada GE MQI/70/T6/30. .......................................... 100 Figura 6.5 Tensão de partida da lâmpada OSRAM MQI-TS/70W/NDL. ......................... 100 Figura 6.6 Tensão de partida da lâmpada PHILIPS MHN TD 70W. ............................... 101 Figura 6.7 Tensão de partida da Sylvania METALARC HSI-TD 70W/NDL. ................. 101 Figura 6.8 Forma de onda da tensão, corrente e potência sobre a lâmpada de vapor metálico 70W............................................................................................................. 102 Figura 6.9 Janelas sem ressonância acústica no intervalo de 18kHz à 28kHz. ................. 103 Figura 6.10Medição da taxa de variação necessária para eliminação da ressonância acústica. ..................................................................................................................... 104 Figura 6.11 Analisador de potência. .................................................................................. 105 Figura 6.12 Gráfico comparativo da variação de potência e fluxo luminoso em decorrência da variação de tensão de alimentação. ....................................................................... 109 xvi ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1.1 Compostos utilizados em lâmpadas de descarga em % do peso da lâmpadas [6]. ..................................................................................................................................... 11 Tabela 1.2 Fotópica e Escotópica eficácia Luminosa típica para varias fontes luminosas. 18 Tabela 2.1 Comparativo entre as principais tecnologias de lâmpadas de vapor metálico [13]. ............................................................................................................................. 32 Tabela 2.2 Influência da variação de tensão de alimentação na performance da lâmpada. 35 Tabela 3.1 Limites para equipamentos classe C .................................................................. 56 Tabela 6.1 Comparação de volume e peso da solução eletromagnética versus a solução eletrônica. .................................................................................................................... 99 Tabela 6.2 Parâmetros elétricos do reator eletrônico proposto com relação a um reator eletromagnético comercial. ........................................................................................ 107 Tabela 6.3 Análise de sensibilidade do reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto quanto a variação de tensão de alimentação. .............................................. 109 xvii LISTA DE SÍMBOLOS Ângulo de fase AR Acoustic Resonance an Coeficiente da série de Fourier ANSI American National Standards Institute BJT Bipolar Junction Transistor bn Coeficiente da série de Fourier Cs Capacitor Série Faraday (F) Cp Capacitor Paralelo Faraday (F) D1 Diodo 1 D2 Diodo 2 D3 Diodo 3 EMI Interferência Eletromagnética FCC Federal Communications Commission FET Field Effect Transistor fs Freqüência de chaveamento HID High Intensity Discharge HPS High Pressure Sodium IEC International Electrotechnical Commission IESNA Illuminating Graus(°) Engineering Hertz (Hz) Society of North America iL Corrente do Indutor IRC Índice de Reprodução de Cor Ls Indutor Série MOSFET Metal Oxide Ampère (A) Henry (H) Semiconductor Transistor xviii Field Effect MH Metal Halide MV Mercury Vapor P Potência na Lâmpada Watts (W) PR Potência em Regime Permanente Watts (W) Pp Potência de Partida Watts (W) PFC Corretor de Fator de Potência Qs Fator de Qualidade do Indutor Rp Resistência Parasita Ohm () Rlamp Resistência da Lâmpada Ohm () RMS Root Mean Square S1 Chave 1 S2 Chave 2 t Tempo Segundo (s) TCC Temperatura de Cor Correlata Kelvin (K) THDi Taxa de distorção harmônica da corrente (%) da fundamental THDv Taxa de distorção harmônica da tensão (%) da fundamental ton Tempo de Chave Ligada Segundo (s) toff Tempo de Chave Desligada Segundo (s) 0 Freqüência de Ressonância Radianos (Rad) s Freqüência de Operação Radianos (Rad) u Relação entre Freqüência de Operação e a Freqüência de Ressonância Z Impedância do Circuito Ressonante mais Ohm () Impedância do circuito Ressonante antes da Ohm () Lâmpada Zp Partida da lâmpada xix INTRODUÇÃO Atualmente, grande parte da energia elétrica utilizada no mundo é consumida na forma de iluminação artificial, sendo assim, todo melhoramento na eficácia de sistemas de iluminação tem um impacto extremamente positivo do ponto de vista econômico e de preservação ambiental. Neste contexto, as lâmpadas de vapor metálico de alta pressão vêm atraindo muita atenção, pois este tipo de lâmpada apresenta a melhor combinação entre alta eficácia luminosa e ótima reprodução de cores. Assim como as lâmpadas de baixa pressão, as lâmpadas de alta pressão, apresentam uma característica de resistência negativa necessitando, portanto, de um circuito limitador de corrente chamado de reator para garantir a operação estável. Porém, quando comparadas com as lâmpadas fluorescentes, as lâmpadas de alta pressão necessitam de um reator mais sofisticado, pois tal reator, deve ser capaz de gerar alguns milhares de volts para provocar a ignição da lâmpada. No entanto, o principal problema encontrado em lâmpadas de descarga de alta pressão é que o arco da lâmpada tende a ficar instável para freqüências maiores de alguns milhares de ciclos por segundo, apresentando o fenômeno conhecido como ressonância acústica. A ressonância acústica causa flutuações na luz emitida, variação na temperatura de cor, variações na tensão de lâmpada e, nos piores casos, a destruição da lâmpada. Dentro desse contexto, o presente trabalho investiga métodos para a eliminação do problema da ressonância acústica e implementa um reator eletrônico protótipo que comprova a eficácia do método utilizado. Para facilitar o entendimento, este trabalho se encontra divido em oito capítulos. No capítulo 1, será feita uma revisão inicial sobre os modelos de lâmpadas de descarga de baixa pressão e posteriormente os modelos de lâmpadas de alta pressão. Após esta revisão inicial, uma comparação entre os sistemas de iluminação artificial utilizando lâmpadas de descarga será realizado, apontando as vantagens e desvantagens de cada sistema. Também são destacados alguns conceitos importantes de luminotécnica visando o entendimento do trabalho. Outro aspecto muito importante que será tratado neste capítulo é a relação entre as lâmpadas de descarga, o meio ambiente e a saúde, uma vez que, em geral, as lâmpadas de descarga utilizam substâncias tóxicas e, o seu manejo e principalmente descarte devem 1 receber especial atenção. Por fim, o capítulo 1 tratará dos cuidados que devem ser tomados ao se trabalhar com lâmpadas de vapor metálico. No capítulo 2, será iniciado o estudo específico da lâmpada de vapor metálico: sua composição, sua estrutura e princípio de funcionamento serão abordados. Será apresentada a solução utilizada atualmente para a operação da lâmpada de vapor metálico com as diversas topologias de dispositivos de partida para lâmpada (ignitores), juntamente com os dispositivos de manutenção de descarga (reatores eletromagnéticos). Após estudar a solução atual, será realizada uma revisão bibliográfica versando sobre os modos de ignição associados as lâmpadas de alta pressão utilizando reatores eletrônicos e a partir da comparação entre as vantagens e desvantagens de cada topologia, uma será eleita uma das técnicas estudadas para a implementação no reator proposto. O capítulo 2, se encerra com uma minuciosa revisão bibliográfica a respeito do fenômeno conhecido como ressonância acústica isso porque tal fenômeno representa o principal desafio ao avanço dos reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão. Serão apresentados métodos de eliminação da ressonância acústica com suas vantagens e desvantagens, sendo que, os métodos cujas desvantagens não inviabilizem a aplicação, serão verificados experimentalmente. No capítulo 3, será efetuada a análise qualitativa, o diagrama de blocos do reator eletrônico proposto será apresentado e cada parte do reator será detalhada. As etapas de funcionamento do circuito de potência e filtro ressonante receberão atenção especial. No capítulo 4, será conduzida a análise quantitativa, nesta etapa do trabalho, se encontram as deduções matemáticas necessárias para o cálculo dos componentes do filtro ressonante, que será responsável por garantir a tensão e a corrente necessárias para a operação da lâmpada. No capítulo 5, o projeto e a simulação do reator serão conduzidos. Para tanto, serão utilizadas as equações deduzidas no capítulo 4 para gerar ábacos que possibilitem, a partir dos parâmetros comerciais da lâmpada de alta pressão, a determinação dos componentes do reator. Neste capítulo também será utilizada a ferramenta de simulação computacional através do software Orcad release 9.1, que possibilitará a análise do desempenho do método utilizado para o cálculo dos componentes sem a necessidade da montagem física do reator. No capítulo 6, os resultados experimentais serão apresentados. Inicialmente, a placa protótipo será apresentada, seguida da análise do desempenho do circuito de ignição da lâmpada, através de medidas de tensão de partida com lâmpadas de diferentes marcas. 2 Após esta etapa, os métodos de eliminação da ressonância acústica serão testados com lâmpadas de diferentes marcas a fim de que se possa escolher uma solução universal para o problema da ressonância acústica. Por fim, será realizado uma comparação entre a solução proposta e a solução atual, possibilitando o julgamento do modelo apresentado. No capítulo 7, serão apresentadas as conclusões do trabalho como um todo, sendo feita uma análise de todos as resultados obtidos. No capítulo 8, serão apresentados os próximos trabalhos propostos pelo autor, possuindo, todos eles, relação direta com o trabalho aqui apresentado, uma vez que, a utilização de reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão é um campo promissor e carente de pesquisas. 3 CAPÍTULO 1 LÂMPADAS DE DESCARGA 1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 5 1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS LÂMPADAS DE DESCARGA DE BAIXA PRESSÃO ... 5 1.3 LÂMPADA DE DESCARGA DE ALTA INTENSIDADE ........................................................ 7 1.4 LÂMPADA DE VAPOR DE MERCÚRIO DE ALTA PRESSÃO ............................................... 7 1.5 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO DE ALTA PRESSÃO ...................................................... 8 1.6 LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO ................................................................................. 9 1.7 LÂMPADAS DE DESCARGA, MEIO AMBIENTE E SAÚDE ............................................... 10 1.8 FUNDAMENTOS DE LUMINOTÉCNICA ........................................................................ 12 1.8.1 O que é luz? ...................................................................................................... 12 1.8.2 Temperatura de cor correlata ............................................................................ 13 1.8.3 Índice de reprodução de cor.............................................................................. 15 1.8.4 Resposta Espectral ............................................................................................ 16 1.9 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA FLUORESCENTE 19 1.10 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA DE MERCÚRIO .. 20 1.11 COMPARAÇÃO ENTRE A LÂMPADA VAPOR METÁLICO E A LÂMPADA DE SÓDIO ......... 21 1.12 UTILIZAÇÃO DE LÂMPADAS DE VAPOR METÁLICO E SEGURANÇA.............................. 22 1.13 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 26 4 1 1.1 LÂMPADAS DE DESCARGA Introdução Este capítulo apresenta os conceitos básicos das lâmpadas de descarga, abordando inicialmente as lâmpadas de descarga de baixa pressão e posteriormente, as lâmpadas de descarga de alta pressão. O nome lâmpada de descarga deriva do princípio de funcionamento de tal dispositivo, pois a luz é gerada através de uma descarga elétrica contínua no interior de um tubo contendo gás. As lâmpadas incandescentes, comumente utilizadas em residências, utilizam um outro processo para gerar luz, elas utilizam um filamento disposto no interior de um bulbo o qual é aquecido até a incandescência, geralmente submetido ao vácuo. Os primeiros ensaios com descargas em lâmpadas de mercúrio de baixa pressão foram realizados em 1860 por J.T. Way. Mas as lâmpadas de descarga de baixa pressão ou simplesmente lâmpadas fluorescentes, como são conhecidas, só vieram a ter um uso menos limitado quando em 1926 os cientistas F. Meyer, H. Spanner e E.Germer conseguiram acender as lâmpadas com baixas tensões através do pré-aquecimento dos filamentos e recobriram de pó fluorescente as paredes internas do tubo, transformando a luz ultravioleta em luz visível [2]. Em experimentos realizados em 1906 com lâmpadas de mercúrio de baixa pressão, R. Küch e T. Retschinsky constataram que, com o aumento da pressão do vapor, era possível atingir fluxos luminosos bem maiores [2] Era o início das lâmpadas de descarga de alta pressão, também conhecidas pela sigla em inglês HID (“high-intensity discharge”). 1.2 Princípio de funcionamento das lâmpadas de descarga de baixa pressão A lâmpada fluorescente é, basicamente, um bulbo tubular de vidro com a parede interna revestida de fósforo e que contém uma pequena quantidade de mercúrio além de um gás inerte (argônio, krypton ou neônio), ou, uma mistura de dois ou mais desses gases. Um filamento de tungstênio espiralado tratado com material emissivo de elétrons é selado nas duas extremidades [3]. A pressão dos gases é muito baixa, normalmente de 2 a 3 5 TORR. Apenas como comparação, deve-se lembrar que a pressão atmosférica é de 760 TORR ao nível do mar. 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 que o recobre. Além desses elétrons termicamente liberados existem também elétrons que são desprendidos pela diferença de potencial entre os eletrodos. Estes elétrons se movimentam em altíssima velocidade de um eletrodo para o outro, criando um arco no vapor de mercúrio. Um arco dessa natureza fechado em um tubo de vidro, tem certas características que variam de acordo com o gás utilizado, com a pressão do gás e com a voltagem aplicada aos filamentos. A característica principal é a produção de luz visível e radiação ultravioleta. As contínuas colisões entre os elétrons desprendidos dos filamentos e os átomos de mercúrio retiram alguns elétrons do mercúrio de sua órbita normal. Parte destes elétrons deslocados, quase que imediatamente voltam a sua órbita original liberando a energia que absorveram principalmente na forma de radiação ultravioleta com um comprimento de onda de 253,7 nanômetros. Pequenas quantidades de luz negra e luz visível nos comprimentos de onda correspondentes ao violeta, azul, verde e amarelo também são irradiadas. 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 são visíveis. Figura 1.1 Princípio de funcionamento da lâmpada fluorescente. 6 1.3 Lâmpada de descarga de alta intensidade As lâmpadas de descarga de alta intensidade se diferenciam das lâmpadas de descarga de baixa intensidade pela pressão do gás que está contido no interior do seu tubo de descarga. Devido ao fato da descarga ser efetuada em um gás à alta pressão, muitas vezes, não é necessário que o tubo seja recoberto com material fluorescente, pois a luz emitida já se encontra em um espectro visível. Atualmente existem três principais tipos de lâmpadas de HID. E se diferenciam principalmente pelo gás contido no seu interior e pela sua construção . São eles: 1.4 Lâmpada de vapor de mercúrio (MV); Lâmpada de vapor metálico (MH); Lâmpada de vapor de sódio alta pressão (HPS). Lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão contém em seu bulbo interior eletrodos principais e um eletrodo auxiliar que no momento da ligação produzem uma luminescência, provocando assim, a formação de íons e elétrons suficientes para iniciar a descarga. A luminescência inicial é limitada por um resistor. No bulbo externo contém um gás inerte cuja função é manter a temperatura da lâmpada constante, ver Figura 1.2. A eficiência inicial desta lâmpada, que é medida após 100 horas de trabalho, varia de 30 à 60 lúmens por watt, dependendo do modelo da lâmpada. Pode-se dizer que, é a lâmpada mais utilizada no momento para a iluminação pública [4], mas o fato de possuir uma baixa eficiência se comparada às lâmpadas de sódio ou lâmpadas de vapor metálico, vem contribuindo para a gradativa substituição do sistema de iluminação publica com lâmpadas de mercúrio por sistemas que utilizam lâmpadas de sódio ou vapor metálico. 7 Figura 1.2 Construção da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão 1.5 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão surgiu em 1964 e foi fabricada inicialmente pelos americanos Louden e Schimidt. Sua fabricação só foi possível porque dois anos antes, em 1962, R.L Coble desenvolveu tubos de descarga a partir de um material translúcido e resistente ao sódio, um óxido de alumínio altamente purificado e sinterizado, que suportava a agressividade do sódio em atmosferas de alta pressão [2]. Atualmente as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são compostas de um bulbo de vidro duro, com vácuo interno e que abriga o tubo de descarga em óxido de alumínio sinterizado. Dentro do tubo de descarga encontram-se o gás Xênon, que auxilia a partida da lâmpada, e um amálgama de sódio-mercúrio. Quando iniciado o processo de partida, o vapor de mercúrio originado da vaporização da amálgama tem por função elevar a pressão interna do tubo de descarga aos níveis nominais de operação. As especificações necessárias para a fabricação de reatores e ignitores para este modelo de lâmpada são encontradas na NBR 13593 [33]. Estas lâmpadas necessitam de um 8 pulso de tensão para a partida que pode variar de 1800 até 4500V dependendo do modelo de lâmpada. Na Figura 1.3, pode ser vista a estrutura de uma lâmpada de vapor de sódio. Figura 1.3 Estrutura básica de uma lâmpada de sódio alta pressão 1.6 Lâmpada de vapor metálico A lâmpada de vapor metálico teve seu início de vida muito próximo ao da lâmpada de vapor de sódio, foi em 1961 que G.H. Reiling patenteou uma lâmpada de mercúrio especial que, além de mercúrio, continha halóides de outros metais como índio, tálio e sódio. Era a lâmpada de vapor metálico que começou a ser fabricada em 1964 [2]. As lâmpadas de vapor metálico são fontes de alta qualidade de luz, pois fornecem luz branca com uma eficiência luminosa de 107 lúmens/watt na visão fotópica e 181 lúmens/watt na visão escotópica [10], as diferenças entre visão escotópica e fotópica serão discutidas no item 1.8.4. 9 Sua estrutura básica é igual à da lâmpada de vapor de sódio de alta pressão, com a diferença que o tubo do arco é preenchido com halóides de outros metais em adição ao mercúrio e ao sódio. As lâmpadas de vapor metálico necessitam de um pico mínimo de tensão de 3500 à 4000V para o seu acendimento, dependendo do modelo da lâmpada em questão. Existem também, modelos de lâmpadas de vapor metálico que utilizam o padrão do vapor de mercúrio, nestes casos, necessitam de um pico mínimo de apenas 750 V para acender[47]. Na Figura 1.4, pode ser vista constituição da lâmpada de vapor metálico. Figura 1.4 Estrutura básica de uma lâmpada vapor de metálico 1.7 Lâmpadas de descarga, meio ambiente e saúde As lâmpadas de descarga contêm substâncias tóxicas que podem contribuir para a poluição ambiental, tanto durante a sua produção, quanto no seu descarte. É de vital importância para qualquer projeto que queira utilizar este tipo de fonte de luz, o conhecimento das substâncias nocivas ao meio ambiente, assim como, os métodos recomendados para seu descarte. Na Tabela 1.1, estão descritos os diversos compostos que são utilizados para a fabricação dos principais modelos de lâmpadas de descarga. Destes compostos, os que 10 apresentam um risco maior à saúde são o mercúrio, o antimônio, o bário, compostos de cádmio e o chumbo[5]. Tabela 1.1 Compostos utilizados em lâmpadas de descarga em % do peso da lâmpadas [6]. Compostos Lâmpadas fluorescentes Lâmpadas de Lâmpadas de Lâmpadas de Mercúrio de Sódio de Alta vapores Alta Pressão Pressão metálicos Mercúrio 0,1 0,02 0,02 0,03 Antimônio 0,1 - - - Bário 0,3 0,002 0,04 0,002 - - - - Índio 0,01 - - <0,001 Chumbo 0,05 0,5 0,3 0,3 Sódio - - 0,01 0,001 Estrôncio - 0,05 0,03 0,001 Tálio - - - 0,001 Vanádio - 0,07 <0,004 0,005 0,6 0,1 0,004 0,07 0,1 0,1 <0,001 0,003 200g 90g 150g 140g Cádmio Ítrio Metais de terras raras Peso médio da lâmpada O mercúrio (Hg) é um líquido a temperatura normal, mas evapora, espalha-se com facilidade e é solúvel em água a 60mg/l e 20°C. O que faz realmente mal à saúde é o seu gás evaporado. O mercúrio metálico pode ser ingerido, passando pelo sistema digestivo sem causar nenhum mal, enquanto que, a inalação do gás, mesmo em pequenas quantidades, pode provocar danos permanentes. Devido à intoxicação aguda, são afetados o aparelho respiratório, o sistema nervoso e o cérebro. O antimônio é usado em compostos com chumbo, estanho e cobre. Pode causar danos aos pulmões, onde chega até a provocar câncer. O bário metálico é tóxico por 11 inalação. Seus danos são irritações no sistema respiratório, nos olhos e na pele, podendo, em casos mais sérios, provocar inconsciência e falhas cardíacas [5]. Os compostos de cádmio, são solúveis em água e facilmente espalhados no ambiente, são venenosos e também podem originar câncer [5]. O chumbo usado no vidro é quimicamente muito limitado e, portanto, não causa problemas ambientais sérios, mas alguns compostos de chumbo, em certa medida, podem ser dissolvidos e ionicamente espalhados no ambiente. A exposição ao chumbo pode incitar a hiperatividade e reduzir a habilidade de concentração no trabalho. Quando acumulado no organismo humano, o elemento pode causar danos aos rins e aos embriões, devido a sua lenta eliminação [5]. Uma vez vista a toxidade das substâncias utilizadas na fabricação das lâmpadas, a classificação e a reciclagem devem constituir uma prioridade para os fabricantes. As medidas de tratamento de resíduos devem basear-se no princípio de que as soluções adotadas devem ser as melhores para o conjunto da sociedade. Assim, todos os custos ambientais deveriam ser incluídos nos custos socioeconômicos. 1.8 Fundamentos de Luminotécnica Para o acompanhamento do trabalho, se faz necessário o conhecimento de alguns tópicos de luminotécnica. O objetivo principal desta revisão não é abranger todos os tópicos envolvidos nesta teoria, mas, tratar de alguns aspectos que estão diretamente relacionados com a utilização de lâmpadas de descarga de alta intensidade e o estudo em questão. 1.8.1 O que é luz? Luz é simplesmente uma pequena porção do espectro eletromagnético, que se encontra entre as radiações ultravioletas e as radiações infravermelhas. A “Illuminating Engineering Society of North America” (IESNA) define luz como “energia radiante que é capaz de excitar a retina e produzir a sensação visual”. Sendo assim, o conceito de luz não pode ser descrito separadamente como energia radiante ou sensação visual, porque é a combinação dos dois. Na Figura 1.5, pode ser visto a porção do espectro eletromagnético constituída por ondas cujo comprimento de onda é capaz de produzir sensação visual. 12 Figura 1.5 Espectro Eletromagnético. 1.8.2 Temperatura de cor correlata Temperatura de cor correlata (T.C.C.) é a grandeza que define a cor da luz emitida pela lâmpada, pois existem várias tonalidades de cor e estas são catalogadas de acordo com sua temperatura em graus Kelvin. Quanto mais alta for a temperatura em graus Kelvin, mais branca será a luz e quanto mais baixa, mais amarela e avermelhada será. O significado da tonalidade de cor esta relacionada ao conceito físico de corpo negro. Quando aquecido, o corpo negro emite radiação na forma de espectro contínuo. Na temperatura ambiente, sua radiação se encontra na faixa invisível do infravermelho, mas em altas temperaturas, a radiação aumenta e parte dela se desloca para a região visível. Embora não exista na natureza nenhum corpo negro, alguns materiais tem comportamento similar, para serem considerados como tal [3]. O filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente, comporta-se exatamente desta forma, sendo considerado, para a maioria das aplicações, práticas, como um “corpo negro”. O sol também tem um comportamento de corpo negro e apresenta um espectro contínuo, esta é uma das razões pelas quais a luz do dia é utilizada para comparação de 13 cores. Mas de uma forma específica o termo temperatura de cor só se aplica a uma fonte como o sol ou uma lâmpada incandescente, que se comporta como um corpo negro para a maioria das aplicações práticas. Para as outras fontes o termo correto seria temperatura de cor correlata, ou seja a temperatura do corpo negro cuja aparência mais se aproxima da fonte que se quer identificar ou descrever. Lâmpadas com temperatura de cor correlata de 3100 k e abaixo desse valor, são consideradas lâmpadas de cores “quentes”, com valores 4100 k para acima, de cores “frias”. No intervalo de 3100 k à 4100 k, são consideradas de cores neutras ou moderadas, vide Figura 1.6. De uma maneira geral, escritórios e indústrias são ambientes onde lâmpadas de cores “frias” são normalmente escolhidas. As lâmpadas de cores “quentes” são preferidas em ambientes em que se deseja sensação de aconchego ou em mostruários de mercadorias. Fonte: Foto tirada pelo autor na Expoluz 2004. Figura 1.6 Temperatura de cor correlata. 14 1.8.3 Índice de reprodução de cor Um outro fator importante na escolha de lâmpadas é o Índice de Reprodução de Cor (I.R.C.). O I.R.C. no sistema internacional de medidas é um número de 0 a 100 que classifica a qualidade relativa de reprodução de cor de uma fonte, quando comparada com uma fonte padrão de referência da mesma “Temperatura de Cor Correlata”. O Índice de Reprodução de Cor identifica a aparência de como as cores de mercadorias, móveis e pessoas serão percebidas quando iluminadas pela fonte de luz em questão. Quanto maior o I.R.C. melhor o equilíbrio entre as cores. Na Figura 1.7, tem-se frutas com cores variadas, iluminadas com lâmpadas de valores de I.R.C distintos de modo que se pode afirmar que a iluminação da direita consegue reproduzir melhor as cores das frutas, enquanto que a iluminação da esquerda confere uma cor esverdeada às mesmas. Fonte: Philips Iluminação [27]. Figura 1.7 Comparação entre duas iluminações com I.R.C diferentes. 15 1.8.4 Resposta Espectral Uma característica muito importante do processo visual humano é a capacidade de modificar a abertura da pupila, adaptando-se a níveis de luminosidade diferentes. Tal processo é conhecido por ADAPTAÇÃO [7]. Quando existe muita luz, a pupila se contrai e a focalização de objetos se processa principalmente na zona central da retina, próxima ao nervo ótico. Quando há pouca luz, a pupila se dilata, permitindo que a imagem se forme ao longo de sua periferia, não havendo focalização para um ponto específico. Ao se analisar mais minuciosamente a retina, revela-se que ela é constituída por dois tipos distintos de sensores nervosos, os cones e os bastonetes. A diferença entre eles é sua localização e sua sensibilidade à luz. Os cones são muito menos sensíveis à luz do que os bastonetes, permitindo a visão para grandes luminosidades e, sua densidade é maior no centro da retina, região conhecida de fóvea. Eles originam a chamada visão central, responsável pela visão de cores ou fotópica. Já os bastonetes, são adaptados para baixos níveis de luminosidade, atuam na visão de claros e escuros ou escotópica, apresentando uma maior densidade na região periférica da retina. Um exame realizado por FRAUNHOFER [7] permitiu verificar que a sensibilidade da retina não só varia com a diferença de luminosidade, mas também é variável para diferentes comprimentos de onda da radiação. Através de seu trabalho foi possível traçar a curva de eficácia luminosa espectral durante a visão de cores (visão fotópica), onde o ponto máximo ocorre em 554 nm (área verde-amarelo), ver Figura 1.8. Posteriormente, PURKINJE, realizando outras medições, constatou que para baixas luminosidades (visão escotópica), a curva de eficácia luminosa se deslocava para os menores comprimentos de onda e que o máximo ocorria com comprimento de onda de 507 nm (área azul-amarelo). 16 Eficácia Luminosa espectral relativa 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Visão Fotópica 38 0 41 0 44 0 47 0 50 0 53 0 56 0 59 0 62 0 65 0 68 0 71 0 74 0 77 0 Visão Escópica Comprimento de Onda em nanometro Figura 1.8 Eficácia Luminosa Fotópica e Escotópica. Adotou-se o comprimento de onda de 555 nm (valor máximo da curva de eficácia luminosa fotópica) como comprimento de onda de referência para o cálculo do lúmen. Por definição, tem-se que 683 lm/W corresponde a 100 % da eficácia luminosa fotópica à 555 nm e a eficácia luminosa de outros comprimentos de onda são determinadas segundo a curva de eficácia luminosa mostrada na Figura 1.8. As fontes luminosas podem ser comparadas por diversos critérios como preço, vida útil, distribuição do fluxo luminoso, índice de reprodução de cor, temperatura de cor correlata, e eficácia (lúmens por watt). Agências governamentais, em especial, enfatizam o critério de eficácia ao escolher as fontes luminosas utilizadas na iluminação pública. Para a maioria das aplicações comerciais, é importante que a iluminação seja suficiente para proporcionar um bom nível de visão fotópica ou visão central. Neste nível de visão, consegue-se distinguir cores e focalizar objetos. Porém, quando se trata de realizar tarefas à noite, os níveis de intensidade luminosa são muito menores, assim utiliza-se à visão escotópica ou visão periférica. Atualmente, a eficácia de qualquer fonte luminosa, independente da aplicação utilizada, é baseada no processo de visão fotópico. Uma vez que, a sensibilidade espectral da retina a baixos níveis de iluminação é diferente da sensibilidade espectral da retina a altos níveis de iluminação. Pode-se dizer que deveriam existir dois números distintos de eficácia luminosa, dependendo do tipo de aplicação no qual a fonte luminosa será utilizada. O Lawrence Berkeley Nacional Laboratory da Califórnia realizou medidas de eficácia luminosa de diversas fontes luminosas [10], estas medidas foram realizadas em níveis 17 diferentes de luminosidade, assim pode-se chegar a números de eficácia para a visão fotópica e números de eficácia para a visão escotópica, ver Tabela 1.2. Tabela 1.2 Fotópica e Escotópica eficácia Luminosa típica para varias fontes luminosas. Fotópica Escotópica Eficácia (lm/W) Eficácia (lm/W) Incandescente 14,7 20,3 Sódio Alta Pressão 127,0 80,6 Vapor Metálico 107,0 181,0 Fluorescente 54,5 108,0 Fonte de Luz Fonte: IAEEL newslatter 2/95. A análise dos valores de eficácia luminosa, para a visão escotópica, quebra um paradigma que apontava a lâmpada de sódio como a melhor alternativa em eficácia luminosa para a iluminação de ruas e vias públicas. Por outro lado, a lâmpada de vapor metálico apresenta uma eficácia muito boa, tanto na visão fotópica como principalmente na visão escotópica sendo altamente indicada para a iluminação de ruas e vias publicas ou mesmo para a utilização em faróis de veículos automotores. Na Figura 1.9, tem-se a comparação entre dois tipos de iluminação utilizadas em faróis de veículos automotores. Inicialmente na Figura 1.9(a) a iluminação tradicional que utiliza lâmpadas halógenas que tem um espectro eletromagnético próximo ao amarelo. Na Figura 1.9(b), emprega-se uma lâmpada de vapor metálico HID que tem um espectro de cor próximo ao azul. 18 Figura 1.9 Comparação entre duas fontes de iluminação (a) sistema convencional com lâmpada halógena e (b) sistema com lâmpada de vapor metálico HID [30]. 1.9 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada fluorescente Lâmpadas fluorescentes dividem-se em duas famílias de produtos, as lâmpadas fluorescentes compactas e as lâmpadas fluorescentes lineares. Ambas famílias podem fornecer luz branca, como as lâmpadas de vapor metálico e apresentam alta eficiência e longa vida útil. As lâmpadas fluorescentes compactas apresentam uma quantidade de fluxo luminoso limitado, uma vez que, dependem da área de cobertura de fósforo para a geração de luz. Sendo assim, a iluminação total que uma lâmpada fluorescente compacta é capaz de fornecer é proporcional à área de radiação recoberta com fósforo. Na Figura 1.10 é mostrado o comparativo entre os níveis de iluminação de lâmpadas florescentes compactas e lâmpadas de vapor metálico. Pode-se notar que as lâmpadas de vapor metálico apresentam uma quantidade de lúmens muito maior que as lâmpadas fluorescentes compactas. Esta característica, aliada ao tamanho compacto da lâmpada de vapor metálico, a qualifica para utilizações em luminárias, onde a luz é facilmente dirigida e controlada. 19 Figura 1.10 Comparação entre o nível de iluminação das lâmpadas fluorescentes compactas e lâmpadas de vapor metálico. Outra característica que é importante salientar é que a lâmpada fluorescente, em geral, é projetada para trabalhar com seu rendimento máximo à 20°C e em temperaturas menores, sua eficácia declina rapidamente [3,11]. Por essa razão, as lâmpadas fluorescentes são muito mais limitadas para aplicações do tipo externas ou “outdoors” que lâmpadas incandescentes ou lâmpadas de vapor metálico [11]. Por outro lado, as lâmpadas fluorescentes possuem vantagem sobre as lâmpadas de vapor metálico, que são: partida instantânea, não necessita de período de “warm-up”; reacendimento instantâneo, no caso da lâmpada de vapor metálico ser desligada, um reacendimento instantâneo só é possível com aplicação de um pulso de alta tensão maior que 10kV [23]; custo de manutenção menor, uma vez que o custo da lâmpada fluorescente é menor. 1.10 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada de mercúrio Ao analisar o sistema de iluminação pública no país, nota-se que o montante de lâmpadas de mercúrio utilizadas é maior que a soma de todos os outros tipos de lâmpadas de descarga [4]. Atualmente, existem lâmpadas de descarga de alta pressão que tem uma 20 eficácia maior (lúmens/watt), uma tonalidade de cor melhor além de índices de reprodução de cores muito melhores que os da lâmpada de mercúrio. A vantagem que as lâmpadas de mercúrio tem é que elas não necessitam de um pulso de tensão para realizar o acendimento, para iniciar o processo, elas contam com uma peça de molibdênio ou tungstênio que colocada próxima a um eletrodo principal necessita apenas da tensão de linha para iniciar a descarga pelo gás [1]. Uma vez que, é impraticável colocar tal elemento em lâmpadas de sódio alta pressão e vapor metálico, esta lâmpadas necessitam de um pulso de tensão para fornecer a ignição [1]. 1.11 Comparação entre a lâmpada vapor metálico e a lâmpada de sódio Lâmpadas de vapor metálico e lâmpadas de sódio de alta pressão tem muitas coisas em comum, ambas são muito eficientes, compactas, possuem longa vida útil e são relativamente imunes à temperatura ambiente [11]. A maior e mais observável diferença entre as duas tecnologias é a cor e a qualidade da luz que elas são capazes de fornecer. A lâmpada de sódio de alta pressão tem cor amarela (2200K), vide Figura 1.11, e apresenta um baixo índice de reprodução de cores. A lâmpada de vapor metálico, entretanto, é capaz de fornecer luz branca no intervalo de 2700 até 5500 Kelvin, vide Figura 1.12, com um índice de reprodução de cores de 60 até 80. Lâmpadas de sódio de alta pressão podem ser fornecidas com temperatura de cor levemente melhorada, porém a vida útil é diminuída significativamente. No caso do índice de reprodução de cores ser gradativamente melhorado, a temperatura da cor volta para o amarelo [11]. Esta limitação da temperatura da cor esta relacionada com o fato de a lâmpada de sódio alta pressão gerar luz à partir da excitação somente do sódio, enquanto que, nas lâmpadas de vapor metálico, a luz é gerada a partir da excitação de 2 à 5 diferentes elementos químicos. Na lâmpada de vapor metálico, variando a composição dos elementos químicos é possível alterar as características da luz produzida, proporcionando uma flexibilidade muito maior no projeto da lâmpada. 21 Fonte: Catálogo Iluminação da Philips 05/96. Figura 1.11 Curva de distribuição espectral da lâmpada de sódio SON-T da Philips. Fonte: Catálogo Iluminação da Philips 05/96 Figura 1.12 Curva de distribuição espectral da lâmpada de vapor metálico MHN-TD da Philips 1.12 Utilização de lâmpadas de vapor metálico e segurança As lâmpadas de vapor metálico podem apresentar uma característica de falha “não passiva”, isso significa que, a lâmpada de vapor metálico em uma condição de falha pode explodir [11]. Caso a lâmpada venha a explodir, fragmentos do tubo do arco em alta temperatura podem ser lançados para fora das luminárias constituindo um risco muito alto. 22 Para contornar este inconveniente, alguns fabricantes de luminárias utilizam vidros temperados que fecham as luminárias, pode-se também utilizar uma lâmpada de vapor metálico que contenha um invólucro no tubo do arco, como mostrado na Figura 1.13. Estes modelos de lâmpadas carregam o “O” na designação que deriva da palavra “Open” em inglês, pois podem ser utilizadas em luminárias abertas. Existem lâmpadas que não contam com esta proteção, mas, podem ser utilizadas em luminárias abertas se seguidas as especificações do fabricante da lâmpada, que são: desligar a lâmpada no mínimo 15 minutos por semana e trocar todo o grupo de lâmpadas assim que estas atingirem 70 por cento do tempo de vida previsto. Figura 1.13 Lâmpada de vapor metálico com proteção para luminárias abertas. Além da característica de falha não passiva, as lâmpadas de vapor metálico podem apresentar uma quantidade de radiação UV perigosa à saúde humana. É importante a análise dos dados apresentados pelo fabricante da lâmpada e o conhecimento da aplicação no momento de especificar o sistema de iluminação que será utilizado. A Figura 1.14 mostra uma comparação entre a distribuição da potência espectral da luz do sol, da luz natural do dia e do modelo de lâmpada de vapor metálico do fabricante Sylvania HSI-M-TD-150W/WDL. Pode-se notar que a lâmpada irradia uma 23 quantidade pequena de raios UV, mesmo assim, a potência irradiada nestes comprimentos de onda não pode ser ignorada. Figura 1.14 Distribuição da potência espectral relativa [12]. As conseqüências de uma irradiação de energia ultra violeta (UV) são mostradas através da resposta fotobiológica, ver Figura 1.15. Pode-se tomar como exemplo, a lâmpada de vapor metálico HSI-M-TD-150W/WDL, cuja distribuição de potência espectral relativa esta presente na Figura 1.14, produz uma certa quantidade de radiação com um comprimento de onda de 300nm à 320nm. Comprimento de onda esse, responsável por eridemas. Sendo assim, dependendo do tempo de exposição, se faz necessário um filtro que irá bloquear a passagem deste tipo de radiação nociva, uma curva típica de transmissão de um filtro ultra violeta é mostrada na Figura 1.16. Existem marcas de lâmpadas que já contam com o filtro ultravioleta incorporado ao tubo de quartzo que envolve toda a lâmpada, um exemplo deste tipo de lâmpada é a POWERSTAR HQI-TS 70W/WDL do fabricante Osram, pode-se notar a definição “UV FILTER” impresso em sua embalagem, vide Figura 1.17. Outro detalhe importante, que 24 pode ser visto na embalagem, é que a lâmpada em questão, é recomendada somente para operar em luminárias fechadas, devido ao risco de explosão como visto anteriormente. Figura 1.15 Resposta Fotobiológica [12]. Figura 1.16 Curva de transmissão do vidro temperado e de um filtro anti-UV [12]. 25 Figura 1.17 Embalagem da lâmpada POWERSTAR HQI-TS 70W/WDL da Osram. Outro aspecto importante para o caso das lâmpadas de vapor metálico do tipo palito é a posição correta de operação, que é mostrada na Figura 1.18, com o selo do bulbo do arco virado para cima. Figura 1.18 Posição correta da lâmpada de vapor metálico do tipo palito. 1.13 Conclusão Neste capítulo inicial, foi apresentada uma breve introdução ao princípio de funcionamento das lâmpadas de descarga de alta e baixa pressão. Foram levantados os pontos positivos e negativos de cada modelo de lâmpada e comparações entre elas foram realizadas. Trabalhou-se também em alguns conceitos de luminotécnica, que foram necessários para melhor entender porque os parâmetros como índice de reprodução de cor 26 “I.R.C.”, temperatura correlata de cor “T.C.C.” e a resposta espectral do olho humano, atestam as características excepcionais das lâmpadas de vapor metálico. É importante ressaltar a relevância do estudo da visão escotópica e da visão fotópica, pois, através dele pode-se reavaliar os conceitos de eficiência luminosa, bem como a utilização de lâmpadas de vapor de sódio em iluminação noturna. As características indesejáveis da lâmpada de vapor metálico também foram expostas e com elas os cuidados que devem ser tomados para sua correta aplicação. 27 CAPÍTULO 2 LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO 2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 30 2.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO ...................................... 30 2.2.1 Química das três cores ...................................................................................... 31 2.2.2 Química das terras raras ................................................................................... 31 2.2.3 Química do sódio e escândio ............................................................................ 32 2.3 ESTRUTURA DA LÂMPADA VAPOR METÁLICO PALITO DE DOIS PINOS ........................ 32 2.4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................................... 33 2.5 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE TENSÃO NA PERFORMANCE DA LÂMPADA ................. 34 2.6 FLUXO LUMINOSO ..................................................................................................... 36 2.7 REATORES MAGNÉTICOS .......................................................................................... 37 2.8 IGNITORES PARA OPERAR COM REATORES MAGNÉTICOS ........................................... 39 2.8.1 Ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão ...................................... 39 2.8.2 Ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão ...................................... 40 2.8.3 Ignitor conjugado .............................................................................................. 41 2.8.4 Ignitor para reacendimento instantâneo ............................................................ 41 2.9 MODOS DE IGNIÇÃO PARA LÂMPADAS DE HID COM REATORES ELETRÔNICOS .......... 42 2.9.1 Ignição a partir de geradores de pulso .............................................................. 42 2.9.2 Ignição a partir de capacitor auxiliar ................................................................ 45 2.9.3 Ignição a partir do filtro ressonante LCC ......................................................... 46 2.10 FENÔMENO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA ................................................................. 47 2.11 MÉTODOS PARA ELIMINAR A RESSONÂNCIA ACÚSTICA ............................................. 49 2.11.1 Trabalhar em uma freqüência livre de ressonância acústica ............................ 49 2.11.2 Espalhamento do espectro de potência sobre a lâmpada .................................. 50 28 2.12 MÉTODO ESCOLHIDO PARA ELIMINAR A RESSONÂNCIA ACÚSTICA ............................ 50 2.13 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 51 29 2 LÂMPADA DE VAPOR METÁLICO 2.1 Introdução Como visto no capítulo anterior, as lâmpadas de vapor metálico têm vantagens que as tornam competitivas e habilitadas a se transformarem em uma das principais fontes iluminação artificial do futuro. Segundo Cheanlung Tsai, diretor da Energy & Resource Laboratories (ERL) de Taiwan, o mercado de lâmpadas de vapor metálico de potência inferior a 150W está crescendo no mundo a uma taxa de 6% ao ano [9]. Para Cheanlung Tsai o que justifica este aumento é a substituição de lâmpadas incandescentes e halógenas pelas de vapor metálico que possuem uma eficácia maior, com luz branca. Uma vez que o mercado de reatores para lâmpadas de vapor metálico existe e está em franca expansão, será de vital importância analisar as características da solução atual e comparar com a solução proposta. O enfoque deste capítulo se concentra nas características mais particulares da lâmpada de vapor metálico, que não foram abordadas no capítulo anterior. A seguir, será analisada a solução atual adotada para o controle das lâmpadas, caracterizado pelo reator eletromagnético e pelos diferentes modelos de ignitores existentes. O capítulo termina abordando um assunto que é de vital importância para o sucesso do presente estudo, que é uma revisão bibliográfica sobre o funcionamento de reatores eletrônicos com lâmpadas de HID e o fenômeno da ressonância acústica, que tem representado o principal obstáculo à utilização de alta freqüência em lâmpadas de alta pressão. 2.2 Composição química da lâmpada de vapor metálico Existem basicamente três diferentes tipos de combinação química que são utilizadas nas lâmpadas de vapor metálico: química das três cores, química das terras raras e química do Sódio e Escândio [13]. Cada tipo de combinação apresenta vantagens e desvantagens que serão detalhadas à seguir. 30 2.2.1 Química das três cores Neste modelo, além da utilização do Mercúrio e Argônio, são adicionados os elementos químicos Índio, Sódio e Tálio no tubo de arco. A cor correspondente à radiação destes três elementos químicos são respectivamente o azul, o vermelho e o verde. Como resultado obtêm-se uma lâmpada que utiliza um reator similar a um reator para lâmpada de vapor de Mercúrio em combinação com um ignitor de baixo pulso de tensão (baixo custo), uma vida média com menor variação (vida mais previsível) e ótima manutenção do fluxo luminoso ao longo da vida útil. Por outro lado, as características de cor estão sob menor controle do que em outros tipos de química que serão analisados e ainda existe a possibilidade de perda de uma das três cores no final da vida. Além disso, é muito difícil desenvolver uma lâmpada com temperatura de cor correlata diferente de 4000K. 2.2.2 Química das terras raras Neste tipo de química, tem-se a adição de três elementos novos ao Argônio e ao Mercúrio, que são: Disprósio, Tálio e o Hólmio, proporcionando à lâmpada um espectro mais uniforme e contínuo. O resultado é um melhor índice de reprodução de cores, eficiência luminosa média melhor e melhor estabilidade das cores. Esta química também proporciona maior liberdade no desenvolvimento de novas temperaturas de cor correlatas (entre 3800 e 5600K). A desvantagem deste sistema é a necessidade de picos de tensão elevados para a partida da lâmpada além de que a lâmpada apresenta uma maior depreciação no fluxo luminoso e existe uma maior variação na vida média das lâmpadas. 31 2.2.3 Química do sódio e escândio Apesar de o Sódio e o Escândio constituírem as principais adições químicas nesta versão, o Lítio e o Tálio também podem ser acrescentados para melhorar ainda mais o índice de reprodução de cores I.R.C. As vantagens principais desta química são o alto índice de reprodução de cores I.R.C., a alta eficiência luminosa, boa estabilidade de cores, longa vida média da lâmpada, e a possibilidade de desenvolver diversas temperaturas de cor correlata T.C.C. Como desvantagens estão a necessidade de picos de alta tensão para partir a lâmpada e a baixa manutenção do fluxo luminoso. Tabela 2.1 Comparativo entre as principais tecnologias de lâmpadas de vapor metálico [13]. Química Química das três Química das cores terras raras 65-70 <80 >80 65 80-96 75 Estabilidade de Cor Baixa Média Média Variedade em Temperatura de Cor Correlata (T.C.C.) Pouca Boa Boa Manutenção do Fluxo Luminoso Média Baixa Baixa Variação de Vida Baixa Média Média Vida Média Baixa Média Alta Custo do Ignitor Baixo Médio Médio Característica Eficiência Luminosa (lm/W) Índice de Reprodução de Cor (I.R.C.) 2.3 do Sódio e Escândio Estrutura da lâmpada vapor metálico palito de dois pinos A estrutura da lâmpada vapor metálico do tipo palito de dois pinos pode ser observada na Figura 2.1. Sua partes principais são os eletrodos de tungstênio, o tubo de quartzo e lacre de molibdênio [12]. Os eletrodos de tungstênio têm alto ponto de fusão, 32 estabilidade química, baixa taxa de evaporação e principalmente facilidade em emitir elétrons. O tubo de quartzo também é estável quimicamente, possui característica refratária e transparente além de ser forte o suficiente para proteger o arco. O lacre de molibdênio, por sua vez, é utilizado para selar a lâmpada de vapor metálico pois, possui alto ponto de fusão, é dúctil e condutor elétrico, além de ser quimicamente estável e resistente. Figura 2.1 Estrutura da lâmpada vapor metálico palito de dois pinos. 2.4 Princípio de Funcionamento A partida da lâmpada é efetuada aplicando-se aos seus eletrodos uma sobretensão capaz de quebrar a atmosfera de baixa pressão composta de argônio e mercúrio dentro do tubo do arco, a criação desta atmosfera de baixa pressão é função principalmente do gás argônio no interior da lâmpada. Durante o curto período a descarga passa para o estágio de incandescência “glow” em que o arco não está firmemente estabelecido no vapor de mercúrio. Neste momento, a lâmpada se comporta como uma lâmpada fluorescente de baixa pressão, sendo assim, a lâmpada produz basicamente radiação ultravioleta C - UVC. O calor gerado pela descarga começa a evaporar todo o mercúrio e, gradativamente, a pressão no interior do tubo começa aumentar. A partir de 400C os aditivos metálicos começam a evaporar. As condições estáveis de operação são alcançadas na temperatura de arco de 800C. 33 Figura 2.2 Fases de partida da lâmpada vapor metálico. 2.5 Influência da variação de tensão no desempenho da lâmpada Para assegurar o melhor desempenho das lâmpadas de vapor metálico os fabricantes recomendam a sua utilização em uma rede de alimentação com variação máxima de +/- 5% da tensão nominal. Na Figura 2.3 tem-se o comportamento dos parâmetros elétricos de uma lâmpada de vapor metálico comercial submetida à variação na tensão de alimentação. Neste aspecto, o reator eletrônico pode ter uma vantagem concreta, pois através da utilização de um sistema de correção de fator de potência, pode-se criar uma tensão de barramento constante e que não seja afetada por variações na tensão de alimentação do circuito. 34 CARACTERÍSTICA ELÉTRICA DA LÂMPADA HSI-TD 70W/WDL SYLVÂNIA % 120 % 120 115 115 110 110 105 105 100 100 95 95 90 90 85 85 80 90 198 95 100 105 80 110 % 209 220 231 242 V TENSÃO DE LÂMPADA CORRENTE DE LÂMPADA POTÊNCIA DE LÂMPADA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO Fonte: Metal Halide Lamps Technical Manual [12]. Figura 2.3 Variação nos parâmetros elétricos da lâmpada devido a variação da tensão de alimentação. Na Tabela 2.2 podem ser analisados os efeitos causados pela variação de tensão de alimentação na performance nominal da lâmpada. Tabela 2.2 Influência da variação de tensão de alimentação na performance da lâmpada. Variação na Tensão Nominal +10Volts +/- 5Volts Efeito Menor Temperatura de Cor Redução de Vida Valor < -150k -1500 horas Desempenho Nominal da Lâmpada <- 5Volts Maior Temperatura de Cor > + 100k <-10Volts Maior Temperatura de Cor > + 150k Fonte: Iluminação Brasil Março 1996. 35 2.6 Fluxo luminoso Durante a vida da lâmpada, o fluxo luminoso vai reduzindo, chegando a uma faixa de depreciação entre 30 e 50% [12]. Isto significa que, o fluxo luminoso inicial obtido em um novo projeto, ao final da vida média das lâmpadas pode cair à metade, daí a importância de se levar em consideração esta depreciação no projeto luminotécnico. Na feira de iluminação realizada em Las Vegas EUA, a Lightfair 2004, ocorreu um grande debate sobre a utilização de lâmpadas fluorescentes do tipo T5 ou lâmpadas de vapor metálico. Neste debate foi apresentada a característica de depreciação do fluxo luminoso como uma desvantagem das lâmpadas de vapor metálico. O interessante é que os dados apresentados no debate sinalizam que as lâmpadas que funcionam com reatores eletrônicos tem seu fluxo depreciado à uma taxa menor do que as lâmpadas que utilizam reatores eletromagnéticos, ver Figura 2.4. Como trabalho futuro, o estudo e a verificação deste parâmetro deve ser realizado. DEPRECIAÇÃO DO NÍVEL DE LUMINOSIDADE 100 REATOR ELETRÔNICO LUMENS (%) 90 REATOR ELETROMAGNÉTICO 80 70 60 1000 2000 3000 4000 5000 TEMPO DE OPERAÇÃO (HORAS) Fonte: The Great Debate... T5 vs. HID, LightFair 2004 Figura 2.4 Depreciação do fluxo luminoso. 36 2.7 Reatores Magnéticos O reator magnético tem duas funções básicas: Acender a lâmpada e controlar sua corrente. A função de acender a lâmpada é feita através do fornecimento de uma tensão de circuito aberto à lâmpada, a qual, juntamente com o pulso de alta tensão do ignitor, irá romper a resistência dos gases no interior do tubo de arco, iniciando a descarga e sustentando uma tensão necessária para a estabilização da lâmpada. Como arco de descarga apresenta uma característica de corrente negativa [27], uma vez que a lâmpada tenha sido acesa, a sua corrente tende a crescer até a destruição da lâmpada. A fim de controlar esta corrente, se faz necessário o acréscimo da impedância do reator. Na Figura 2.5 pode-se ver a forma de onda da corrente (vermelho), da tensão (azul) e da potência (verde) medidas sob uma lâmpada de vapor metálico utilizando-se um reator magnético para o seu controle. 321 > 21 > 1) C h 1: 2) C h 2: 3 ) M a th: 5 0 0 mA 2 ms 5 0 V o lt 2 ms 2 0 0 W 2 ms Figura 2.5 Formas de onda de tensão, corrente e potência em uma lâmpada de vapor metálico de 70W controlada por um reator magnético. É importante que a impedância do reator esteja dentro da faixa de variação máxima de +/- 3% do valor declarado [12]. Esta tolerância é necessária para assegurar que a lâmpada irá operar dentro de suas especificações e geralmente é alcançada realizando-se um processo de calibração na impedância do reator. Na Figura 2.6, pode-se observar um 37 reator magnético para lâmpada de vapor metálico de 70W que é constituído de uma bobina de fio esmaltado de cobre, montada em um núcleo de aço silício. Figura 2.6 Bobina montada do reator para vapor metálico de 70W. Na Figura 2.7 tem-se o conjunto necessário para a operação de uma lâmpada metálica de 70W, composto de: capacitor de correção de fator de potência, reator magnético e ignitor independente. Figura 2.7 Reator magnético, ignitor e capacitor para corrigir fator de potência 38 2.8 Ignitores para operar com reatores magnéticos Uma vez que o reator magnético não é capaz de gerar a sobre tensão necessária para provocar a partida da lâmpada de vapor metálico, um circuito auxiliar chamado de ignitor se faz necessário. Para a regulamentação das suas características existe a norma NBR14305 [47], que determina os requisitos exigidos do ignitor e o modo como devem ser realizados os ensaios. Para a correta utilização do ignitor, um fator importante deve ser analisado no que diz respeito à distância que o ignitor pode ser instalado da lâmpada. Ao aumentar o comprimento de cabos entre ignitor e lâmpada, o valor da capacitância parasita do cabo aumenta chegando a ponto de comprometer a partida da lâmpada. Um valor típico de capacitância é de 100pF para cada 1,5m de cabo, uma vez que, a norma NBR14305 determina que os testes de valor de pico da tensão sejam feitos com uma carga capacitiva de 1000pF, o ignitor pode ser instalado a uma distância máxima de 15m da lâmpada. Existem quatro tipos diferentes de ignitores utilizados com reatores magnéticos para partir lâmpadas de vapor metálico[12]. 2.8.1 Ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão É um modelo amplamente utilizado que possui em sua construção um transformador de pulso que irá gerar um pico de tensão que ficará sobreposta à tensão de circuito aberto. Este pulso será responsável pela ignição da lâmpada. A principal vantagem deste sistema é que o circuito do reator não fica submetido ao pico de alta tensão que, atinge somente a lâmpada. A principal desvantagem reside no fato de que toda a corrente da lâmpada passa pelo ignitor gerando a necessidade de utilizarse um grande e oneroso transformador de pulso. Na Figura 2.8 pode-se observar o esquema de ligação deste modelo de ignitor. 39 Figura 2.8 Ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão. 2.8.2 Ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão O ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão possui funcionamento análogo ao ignitor de pulso sobreposto com 3 fios para conexão, a única diferença é que o transformador de pulso está integrado e que o pulso é aplicado tanto à lâmpada em questão quanto ao reator, o que obriga a utilização de reatores com isolação especial. Por outro lado, o fluxo de corrente principal não passa mais pelo circuito do ignitor, o que possibilita uma redução no dimensional do transformador de pulso. Na Figura 2.9 pode-se observar o esquema de ligação deste modelo de ignitor. Figura 2.9 Ignitor de pulso sobreposto com 2 fios para conexão. 40 2.8.3 Ignitor conjugado Um ignitor muito utilizado também é o modelo conjugado, na Figura 2.10, pode ser observado seu esquema de ligação e compreender melhor seu princípio de funcionamento. No ignitor do tipo conjugado, o pulso é aplicado numa pequena parcela do enrolamento do reator (geralmente entre 6 à 10% do numero total de espiras). Devido ao acoplamento magnético, este pulso é amplificado fornecendo a tensão necessária para a ignição da lâmpada A principal vantagem deste sistema é o baixo custo do ignitor, por não necessitar de um transformador como nos modelos anteriores. A principal desvantagem é o aumento de complexidade na fabricação do reator que necessita de uma derivação. Além disso, como todo pulso é aplicado no reator, deve ser prevista uma isolação adequada para suportar esta tensão. Figura 2.10 Ignitor conjugado 2.8.4 Ignitor para reacendimento instantâneo Não muito comum de serem vistos, existem ignitores capazes de garantir o reacendimento da lâmpada de vapor metálico, mesmo quando estas estão quentes. Para a reacendimento de uma lâmpada de vapor metálico quente é necessário de 20 à 30 pulsos de 35 kVa cada meio ciclo de rede [12]. 41 Como pode-se notar, na Figura 2.11, o circuito do ignitor é auxiliado por um circuito de controle que desliga o ignitor no caso de a lâmpada apresentar um problema que faça com que ela não mais acenda. Figura 2.11 Ignitor para reacendimento instantâneo. 2.9 Modos de ignição para lâmpadas de HID com reatores eletrônicos 2.9.1 Ignição a partir de geradores de pulso Em algumas topologias de reator eletrônico onde seu circuito principal de potência não tem a capacidade de gerar a alta tensão necessária para a partida da lâmpada, um circuito que produza o pulso de tensão é necessário para promover a ignição da mesma. A utilização de circuitos que geram pulsos de alta tensão sobre a lâmpada busca atuar de um modo semelhante aos ignitores para reatores magnéticos, assunto que foi abordado no item 2.8. Para tanto, é realizada uma fusão entre o circuito oscilante e o circuito de geração de pulsos, diminuindo consideravelmente o número de componentes. Como nos ignitores para reatores magnéticos de baixa freqüência, faz-se uso de dispositivos semicondutores que disparam a descarga de uma energia acumulada em um capacitor sobre um número pequeno de espiras do indutor de saída. Esta descarga gera uma sobre tensão induzida no indutor de saída que, por sua vez, aplica esta tensão sobre a lâmpada causando sua partida. O circuito da Figura 2.12 é proposto por Ben-Yaakov e outros [43] e utiliza um ignitor com centelhador ou “spark gap” associado a um circuito LC série. O “spark gap” é 42 um componente eletrônico composto de dois ou mais eletrodos de metal selados hermeticamente e recobertos por um material isolante. O espaço entre os eletrodos é controlado e preenchido com um gás à baixa pressão. Controlando a composição do gás, a pressão interna e a distância entre eletrodos é possível criar tensões de ruptura que vão de 75 volts até milhares de volts [16]. Figura 2.12 Circuito que utiliza o “spark gap” Assim que o reator é ligado a lâmpada apresenta uma resistência muito alta, por isso o capacitor C2 é carregado através de R2 com um sinal retificado por D3. No instante que a tensão sobre C2 atinge o valor de ruptura do “spark gap”, a energia armazenada no capacitor C2 é aplicada em um número reduzido de espiras de L1 que por sua vez irá multiplicar esta tensão gerando o pulso de tensão necessário para o acendimento da lâmpada. O circuito é projetado para que, uma vez que a lâmpada partiu, a tensão sobre a mesma seja insuficiente para causar novos disparos do “spark gap”. Na Figura 2.13 encontra-se o “spark gap” de um tradicional fabricante, que permite fazer uma relação de dimensional. 43 Figura 2.13 “Spark Gap”. Pode-se também, criar um circuito de ignição utilizando um SIDAC no lugar do “spark gap”. O SIDAC nada mais é que um dispositivo de silício controlado, cuja variável de controle é a tensão que é aplicada sobre o mesmo. Similar a um SCR convencional, o SIDAC continua a conduzir até que a corrente atinja um valor menor que a corrente de manutenção [14, 15]. Os modelos utilizados para ignitores para reatores magnéticos possuem dimensional similar a um diodo (encapsulamento DO15), o que acaba ocupando menos espaço de placa do que o “spark gap” e facilita a inserção por máquinas automáticas. Na Figura 2.14 está representado um circuito proposto por [24] para a utilização de SIDAC’s. Do ponto de vista funcional, o circuito que utiliza “spark gap” e o circuito que utiliza o SIDAC são iguais, a diferença que mais chama a atenção é que o circuito com SIDAC possui mais componentes e necessita de um indutor de saída com enrolamentos isolados enquanto que o circuito com “spark gap” utiliza um indutor bobinado como autotransformador. A razão destas diferenças é a característica de condução do SIDAC que obriga a existência de uma etapa intermediária de acumulo de energia. Sendo assim não é indicado a utilização do circuito apresentado na Figura 2.12 substituindo-se o “spark gap” pelo SIDAC, uma vez que o SIDAC pode permanecer conduzindo após a aplicação do pulso de tensão e conseqüente partida da lâmpada, o que causaria a sua queima. 44 Figura 2.14 Circuito que utiliza SIDAC. 2.9.2 Ignição a partir de capacitor auxiliar A Figura 2.15 apresenta uma topologia que utiliza um circuito LC série C paralelo para gerar a sobre tensão necessária à partida da lâmpada. Figura 2.15 Circuito que utiliza o capacitor auxiliar em filtro LC série. O capacitor C2 é um capacitor de valor pequeno conectado a uma derivação “tap” do indutor série do filtro LC, quando a lâmpada não está acesa, o indutor age como um autotransformador e gera a sobretensão requerida para a ignição da lâmpada. Uma vez que a lâmpada acendeu, o efeito do capacitor no circuito é reduzido, mas não eliminado, necessitando-se de um projeto mais cuidadoso [24]. 45 2.9.3 Ignição a partir do filtro ressonante LCC Quando o filtro utilizado, se trata de um LC série C paralelo, visto na Figura 2.16, uma característica intrínseca do filtro pode ser usada para gerar a sobre tensão necessária para a partida da lâmpada de HID. O filtro LC série C paralelo, pode ser utilizado como ignitor pois pode apresentar uma tensão de saída alta o suficiente para partir uma lâmpada de alta pressão, como será apresentado no capítulo 4. Deste modo, o circuito de filtro ressonante acumula três funções distintas: filtra a onda quadrada e a transforma em uma onda senoidal, limita a corrente que circula pela lâmpada e provoca a alta tensão necessária para a partida da lâmpada. Figura 2.16 Circuito de ignição utilizando o filtro LC série C paralelo. Com a utilização deste modo de ignição, é possível diminuir o número de componentes, o que resulta em um produto de menor dimensão e menor custo. Por outro lado, a dinâmica do filtro LC série C paralelo ligado sem carga por um intervalo de tempo prolongado, como no caso de o reator ser ligado sem lâmpada, resultará em correntes elevadas o que pode causar a queima das chaves do circuito de potência. Para tanto é necessário utilizar um circuito que detecte a falha na partida da lâmpada e proteja a etapa de potência. Se no circuito de potência forem utilizados transistores bipolares de junção (BJT), o desligamento do circuito de chaveamento é mais trabalhoso uma vez que é necessário a aplicação de uma tensão negativa para desligar os semicondutores, para isso utiliza-se os circuitos descritos em [44], uma vez que é necessário aplicar uma tensão negativa para desligar os transistores da ponte. Mas se o circuito utilizar transistores de 46 efeito de campo (FET) ou um circuito integrado que gere a freqüência de operação, o circuito de proteção fica mais simplificado pois o desligamento é mais trivial, não sendo necessário a geração de uma tensão negativa [44]. Uma vez que este sistema de ignição apresenta a maior vantagem econômica em relação aos demais, será o objeto de análise deste trabalho. 2.10 Fenômeno da Ressonância Acústica A instabilidade do arco das lâmpadas de alta intensidade (HID) gerada em lâmpadas de alta pressão em operação em alta freqüência é alvo de estudos há quarenta anos [32]. Este fenômeno foi reportado inicialmente por Campbell [31], seus estudos e os que lhe seguiram, mostraram que as lâmpadas de descarga de alta pressão quando operadas em freqüências acima de 2 kHz podem apresentar ondas acústicas no arco de descarga que, em geral, correspondem ao dobro da freqüência de operação do reator. A presença de tais ondas causa o curvamento do arco de descarga ou mesmo um comportamento trêmulo do arco, afetando também os parâmetros de corrente e tensão sob a lâmpada. Este fenômeno é conhecido como ressonância acústica, ver Figura 2.17. A explicação de senso comum sobre a ressonância acústica é que a potência de entrada modulada pela corrente de descarga, causa uma flutuação de pressão no gás no interior da lâmpada, ocasionando o comportamento anômalo do arco de descarga. No caso da freqüência do sinal de potência ficar igual ou próxima à freqüência de “eigen” da lâmpada, ondas de pressão estacionárias irão aparecer com larga amplitude [33]. 47 Figura 2.17 Curvatura do arco durante o processo de ressonância acústica [35]. As freqüências de “eigen” dependem da geometria “vessel” do arco e variáveis relacionadas ao gás utilizado no preenchimento como: pressão do gás, temperatura e densidade [33]. Porém, já é conhecido que a ressonância acústica não pode ser eliminada através de modificações na geometria do tubo e arco, uma vez que modificações no formato do tubo ou no arco somente mudam a freqüência de ressonância de posição [34]. Teoricamente, as freqüências de “eigen” de uma lâmpada podem ser calculadas resolvendo a equação da onda acústica através da equação de conservação de massa, equação de conservação de momento e equação de estado [33]. São sistemas não lineares que só podem ser resolvidos numericamente. A resolução de tais sistemas não é trivial uma vez que: são necessários parâmetros como a composição do gás, a curva de temperatura da lâmpada além de outros fatores que determinam a velocidade do som no interior da lâmpada, estes parâmetros muitas vezes só são conhecidos pelos fabricantes das lâmpadas. Porém, já existem publicações que catalogaram as freqüências de “eigen” para lâmpadas cilíndricas longas de vapor de sódio e para lâmpadas esféricas de baixa potência de vapor metálico [33]. Para lâmpadas cilíndricas de baixa potência, alvo deste estudo, existem publicações que indicam faixas de freqüência livres de ressonância acústica [39]. Porém os modelos catalogados não condizem com todas as principais marcas comercializados no mercado brasileiro, logo uma averiguação utilizando-se estas marcas se faz necessário. 48 2.11 Métodos para eliminar a ressonância acústica A partir da teoria vista, surgiram diversos métodos e topologias de reatores que buscam eliminar a instabilidade causada pela ressonância acústica. As soluções empregadas utilizam basicamente dois métodos distintos para eliminar a ressonância acústica, que são: a operação em uma freqüência livre de ressonância acústica e o espalhamento do espectro de potência sobre a lâmpada. 2.11.1 Trabalhar em uma freqüência livre de ressonância acústica Para implementar este método de trabalho foram propostos três tipos de controle: a) Utilizar reatores de corrente contínua uma vez que as lâmpadas de HID apresentam um ganho de eficiência muito baixo por trabalharem em alta freqüência [33, 40]. A menos que a lâmpada de HID seja projetada para trabalhar em regime de tensão contínua, este método terá conseqüências catastróficas pois o resultado é a erosão rápida dos eletrodos da lâmpada. Para eliminar este problema, foram propostos reatores eletrônicos de baixa freqüência [33, 39, 41] estes circuitos eliminam a ressonância acústica porém tem um custo alto e baixa eficiência pois necessitam de muitos estágios de potência. b) Trabalhar em zonas livres de ressonância acústica [33, 37, 39]. Este método é altamente dependente do tipo de lâmpada utilizada e muitas vezes as freqüências que originam ressonância acústica sofrem variações com o passar da vida da lâmpada [33, 39]. c) Operar em freqüências extremamente elevadas. Uma vez que as constantes de histerese térmica do plasma são muito menores que as constantes de tempo da fonte trabalhando em uma freqüência extremamente elevada, a descarga irá se comportar como se alimentada por uma tensão contínua [33]. Este método de operação tem uma desvantagem no que se refere a trabalhar com um circuito em uma freqüência elevada. Mesmo que hoje em dia existam componentes 49 eletrônicos que possibilitam trabalhar em estágios de potência com freqüências de gigahertz [42], o custo destes componentes comparados a componentes normalmente utilizados, inviabilizam quaisquer projetos comerciais. d) Monitorar constantemente a operação da lâmpada. O método de monitoramento constante da lâmpada é utilizado para detectar possíveis problemas de ressonância acústica sendo que as freqüências onde o problema se manifesta podem ser arquivadas em memória para que sejam evitadas [35]. O maior problema deste tipo de método reside na dificuldade de detectar o fenômeno de ressonância acústica em alguns tipos de lâmpadas como as de vapor metálico esféricas de pouca potência [33]. Outra desvantagem do método proposto reside no fato de que é impossível determinar as freqüências de ressonância da lâmpada sem operar o reator em tais freqüências o que como já foi mencionado anteriormente pode causar a explosão da mesma. 2.11.2 Espalhamento do espectro de potência sobre a lâmpada Este método de controle busca espalhar o espectro de potência em um número de freqüências a tal ponto, que nenhuma freqüência em particular possa excitar o aparecimento da ressonância acústica. Alguns trabalhos sugerem a injeção de ruído branco sobre a freqüência principal do reator como melhor método de espalhar o espectro de potência [33, 35, 37 e 29]. Também pode-se utilizar uma onda quadrada de tensão, que teoricamente seria a soma de infinito número de harmônicas, o problema da onda quadrada reside no fato de não poder-se utilizar um circuito ressonante que também poderia gerar a sobretensão necessária para a partida da lâmpada e pelo fato de que a utilização de uma onda quadrada gera problemas de interferência eletromagnética (EMI) [33]. 2.12 Método escolhido para eliminar a ressonância acústica Dos métodos de eliminação da ressonância acústica vistos em 2.11, o método de monitorar a operação da lâmpada é o que permite maior flexibilidade do reator em relação 50 a lâmpada, mas, segundo o trabalho apresentado em [35], o controle é incapaz de eliminar a ressonância acústica no caso da freqüência de trabalho estar próxima a freqüência de ressonância, além do que, o fato de monitorar os parâmetros da lâmpada exige um nível de sensoriamento e processamento que onera o produto. Trabalhar em uma faixa de freqüência livre de ressonância acústica parece ser o método mais simples e barato de operar com o reator eletrônico. Porém, a lâmpada metálica possui regiões muito estreitas de freqüência livre de ressonância acústica [1, 33, 35, 37 e 29], amplas bandas de freqüências livres de ressonância acústica, somente podem ser encontradas em altas freqüências de operação [33], o que obriga a utilização circuitos de comutação não dissipativa e chaves semicondutoras especiais encarecendo e inviabilizando a implementação comercial do reator. Buscou-se então, utilizar não um método de eliminação da ressonância acústica, mas a fusão de dois métodos simples para a eliminação da ressonância acústica. Sendo assim, o primeiro método é a escolha de uma faixa de freqüência de operação não suscetível a ressonância acústica, que para a lâmpada metálica de 70W é de 22kHz à 28kHz segundo [37, 38, 39] e de 20kHz à 25kHz segundo [36], como existe um conflito de informações, será eleita a freqüência central de 22,5 kHz, que compreende as duas fontes. O segundo método utilizado é o do espalhamento do espectro de potência, para tanto será aplicado um degrau de freqüência periódico, a função deste degrau de freqüência é a de não permitir que o arco entre em ressonância uma vez que a freqüência varia bruscamente. É importante que o degrau de freqüência não seja grande o suficiente para que a freqüência de operação caia fora da janela livre de ressonância [33]. 2.13 Conclusão Neste capítulo as características mais específicas das lâmpadas de vapor metálico foram apresentadas, bem como, o modelo de lâmpada para a qual este trabalho se destina. O atual estágio tecnológico dos reatores eletromagnéticos para lâmpadas de vapor metálico foi apresentado, assim como, os tipos de circuitos utilizados para garantir a ignição destas lâmpadas. Trabalhou-se com os modelos propostos de ignitores para reatores eletrônicos, sendo que uma topologia foi eleita abordando os critérios adotados para tal escolha. 51 Uma minuciosa revisão bibliográfica sobre o fenômeno de ressonância acústica foi apresentada, tendo em vista que ela constitui o maior obstáculo ao desenvolvimento de reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão. Os métodos utilizados para eliminar o fenômeno foram discutidos apresentando-se os pontos positivos e negativos de cada solução, sendo que a união de dois métodos foi escolhida por apresentar um número pequeno de desvantagens, e porque estas não comprometem a fabricação de um reator em escala comercial. 52 CAPÍTULO 3 ANÁLISE QUALITATIVA 3.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 54 3.2 TOPOLOGIA DO REATOR ELETRÔNICO PARA LÂMPADA DE VAPOR DE METÁLICO....... 54 3.2.1 Filtro de EMI .................................................................................................... 55 3.2.2 Retificador e corretor de fator de potência PFC............................................... 55 3.2.3 Circuito de Controle e Comando ...................................................................... 57 3.2.4 Etapa de potência .............................................................................................. 57 3.2.5 Circuito variador da freqüência de saída .......................................................... 58 3.2.6 Filtro ressonante ............................................................................................... 59 3.2.7 Etapas de funcionamento .................................................................................. 60 3.2.8 Circuito de proteção.......................................................................................... 62 3.3 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 63 53 3 ANÁLISE QUALITATIVA 3.1 Introdução Neste capítulo será apresentada a topologia do reator eletrônico proposto para lâmpada de vapor metálico de alta pressão. Será apresentado o diagrama de blocos do reator, detalhando cada bloco individualmente. As etapas de funcionamento da etapa de potência do reator eletrônico também serão apresentadas. Assim como, as principais formas de onda de corrente e tensão nos semicondutores da estrutura inversora adotada. 3.2 Topologia do reator eletrônico para lâmpada de vapor de metálico Na seção 2.12 o princípio de funcionamento do reator foi escolhido com base no método que será utilizado para impedir a ocorrência de ressonância acústica. Trata-se de um reator com freqüência de saída de 22,5 kHz e onda com característica senoidal. Este modelo de reator em muito se assemelha aos modelos utilizados para lâmpadas fluorescentes tubulares de baixa pressão, o que representa uma vantagem, pois reduz o custo dos componentes, que atualmente são consumidos em larga escala. O diferencial deste modelo é o fato da freqüência de operação estar constantemente sendo alterada. No diagrama da Figura 3.1, são apresentados os blocos funcionais de cada parte do reator eletrônico proposto. Figura 3.1 Diagrama de blocos do reator eletrônico proposto. 54 3.2.1 Filtro de EMI Mesmo que as normas brasileiras para reatores magnéticos para lâmpadas de vapor metálico NBR14305 [47] não utilizem os limites propostos pela norma americana FCC [46] ou a norma européia IEC 61000-3-2 [45] de níveis de interferência conduzida ou irradiada, é de vital importância que o projeto do reator preveja a utilização de filtros de EMI e seja aprovado pelos limites impostos pelas normas existentes, uma vez que é uma questão de tempo para que tais limites venham a ser obrigatórios no mercado brasileiro. Como não se trata do objetivo direto deste trabalho, tal tópico não será abordado. Maiores esclarecimentos poderão ser obtidos no livro “Eletrônica de Potência: Projetos de Fontes Chaveadas” de Ivo Barbi [18]. 3.2.2 Retificador e corretor de fator de potência PFC Como já foi comentado anteriormente, não existe uma norma brasileira vigente para reatores eletrônicos para lâmpadas de alta pressão, porém é muito provável que, se uma norma for publicada, ela irá se basear em uma norma européia, como foi o caso das normas para reatores eletrônicos para lâmpadas tubulares de baixa pressão. Atualmente a norma européia que trata de limites de harmônicas de reatores eletrônicos para lâmpadas tubulares de baixa pressão IEC 61000-3-2 [45] obriga todos os reatores com potência acima de 25W a terem níveis de distorção que os classifiquem como reatores de baixa distorção harmônica e alto fator de potência. A Tabela 3.1 apresenta os limites de harmônicas que a norma IEC 61000-3-2 impõe para equipamentos de iluminação. Sendo assim, fica evidenciado que quaisquer projetos de reator para lâmpadas vapor metálico devem possuir um circuito corretor de fator de potência PFC que no mínimo seja capaz de atingir os requisitos da norma européia IEC 61000-3-2. 55 Tabela 3.1 Limites para equipamentos classe C Ordem da harmônica N Máximo permissível de corrente de harmônico expresso como percentual da corrente de entrada na freqüência fundamental % 2 2 3 30 x Fator de Potência 5 10 7 7 9 5 11 n 39 3 (somente harmônicas ímpares) Fonte: IEC 61000-3-2 [45] Por outro lado, um circuito que corrija o fator de potência e que ao mesmo tempo garanta uma tensão no barramento CC sempre constante, independente das variações da tensão de alimentação, irá garantir a operação da lâmpada em condições nominais aumentando-se assim a vida útil da mesma, uma vez que os parâmetros elétricos das lâmpadas de vapor metálico são altamente dependentes da tensão de alimentação, ver “Influência da variação de tensão no desempenho da lâmpada” capítulo 2.5. Existe uma variedade grande de topologias de circuitos de pré-reguladores de fator de potência com os quais é possível corrigir o fator de potência e manter uma tensão de barramento constante [18]. Porém, a topologia “boost” ou circuito elevador é a mais utilizada pois apresenta baixo custo e poucos componentes. Uma vez que tal solução é extensamente documentada [49-54], ela não será alvo de análise por este trabalho, a única referência à utilização de um circuito “boost” será a escolha da tensão de barramento que será determinada pelo valor máximo da tensão de alimentação especificado em conjunto com a restrição da topologia adotada [49]. 56 3.2.3 Circuito de Controle e Comando Para implementar o circuito gerador da freqüência de operação e o comando dos transistores do inversor em meia ponte, será utilizado um circuito integrado dedicado da International Rectifier o IR2153 [55], cujas principais características são: volume reduzido, pois seu encapsulamento é um SO8 e possui poucos componentes periféricos; baixo custo, pois é produzido em larga escala para utilização em reatores eletrônicos para lâmpadas de baixa pressão; diminuição de tempo e esforço para determinar os demais componentes do circuito de controle e comando e reduzindo-se assim o “time-to-market”. 3.2.4 Etapa de potência Existem diversas topologias para implementar a etapa de potência do circuito inversor, duas topologias muito utilizadas são a do inversor em meia ponte e a do inversor em ponte completa [27]. O inversor em ponte completa, ver Figura 3.2, possui quatro chaves semicondutoras sendo utilizado principalmente em aplicações em que a potência superior que 400W. Pois ao ser implementado com quatro transistores apresenta um custo mais elevado, associado ao maior número de transistores tem-se a maior complexidade dos circuitos de controle e comando necessários para acionar os quatro transistores. Figura 3.2 Circuito inversor ponte completa. 57 Uma vez que a plataforma do reator alvo desta dissertação se destina a lâmpadas de vapor metálico do tipo palito de 70W até 150W, com a utilização de um circuito de meia ponte serão atingidos os resultados esperados com um menor custo. 3.2.5 Circuito variador da freqüência de saída A variação periódica da freqüência de operação busca eliminar a formação da ressonância acústica, através do espalhamento do espectro de potência do reator. Para se avaliar qual a melhor taxa de variação de freqüência, montou-se o circuito mostrado na Figura 3.3. Neste sistema é possível aplicar um número de degraus de freqüência igual a zero, desligando o circuito integrado LS74102, ou aplicar quatro degraus de freqüência habilitando os dois flip-flops do circuito integrado LS74102. Além disso, é possível alterar a taxa de aplicação dos degraus ajustando-se o gerador de freqüência. Figura 3.3 Circuito de variação na freqüência de operação. 58 3.2.6 Filtro ressonante No casamento entre os conversores, que são utilizados em reatores eletrônicos, e a lâmpada fluorescente, em geral, são utilizados filtros ressonantes que devem satisfazer as necessidades das lâmpadas [21]. Os filtros ressonantes transformam a onda quadrada fornecida pelos conversores CC/CA em ondas senoidais. Além disso, os filtros ressonantes podem ser responsáveis por gerar a sobretensão necessária para a ignição da lâmpada e por fornecer a corrente nominal a mesma. Existe uma variedade de topologias de filtros ressonantes, na Figura 3.4, são mostrada algumas topologias clássicas de filtros ressonantes que já foram alvo de outras pesquisa [19, 20, 21, 22]. Figura 3.4 Filtros ressonantes 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 As principais razões para a escolha da topologia LC série C paralelo foram: Quando a lâmpada não está acessa, sua resistência equivalente é infinita, sendo assim o circuito pode ser modelado com um circuito LC série. Este tipo de circuito, tem como característica, elevar a tensão sobre os capacitores em especial sobre o capacitor Cp, de menor capacitância, que se encontra em paralelo com a lâmpada até provocar a ignição da lâmpada. A utilização de um capacitor em série com o indutor Cs, elimina a possibilidade de existência de um nível CC, o que causaria a saturação do indutor Ls e desgaste prematuro dos eletrodos da lâmpada. 3.2.7 Etapas de funcionamento As etapas de funcionamento do reator eletrônico estão esquematizadas na Figura 3.5, trata-se de um circuito muito utilizado em reatores para lâmpadas fluorescentes de baixa pressão. Em regime permanente após o acendimento da lâmpada de alta pressão de vapor metálico, a mesma pode ser modelada por uma resistência equivalente RLAMP [27], dado que o circuito de potência aplica uma tensão alternada de alta freqüência a lâmpada. As etapas de funcionamento em regime permanente são quatro, como se descreve a continuação: Primeira Etapa Na primeira etapa de funcionamento, a chave S1 recebe o comando para fechar e ao conduzir, a corrente circula através do capacitor série Cs, do indutor Ls e do capacitor paralelo Cp e também pela lâmpada representada pela resistência RLAMP. Segunda Etapa Na segunda etapa, a chave S1 recebe o comando para abrir, porém como a corrente que estava passando pelo indutor Ls não é nula, o indutor se opõe a esta variação na corrente e força a condução do diodo D2 mantendo a corrente no mesmo sentido até que a mesma se anule. Terceira Etapa 60 Quando a corrente que circulada pelo diodo D2 se anular, a chave S2 passa a conduzir. A energia potencial que estava acumulada no capacitor Cs gera uma corrente no sentido contrario da anterior que passa por todos os componentes Cs, Ls, Cp e RLAMP. Quarta Etapa Na quarta etapa a chave S2 recebe o comando para abrir, porém a corrente que circula pelo indutor Ls não é nula, sendo assim, o indutor obriga a condução do diodo D1 fazendo com que esta corrente seja devolvida para o barramento, até que seu valor se anule. Figura 3.5 Etapas de funcionamento. As principais formas de onda do conversor ressonante LC série C paralelo utilizado, estão dispostas na figura abaixo. 61 Figura 3.6 Formas de onda do conversor ressonante LC série C paralelo. 3.2.8 Circuito de proteção A adoção de um circuito ressonante do tipo LC série C paralelo, obriga a utilização de algum sistema de proteção, pois se o reator for ligado sem a presença da lâmpada, ou caso a lâmpada apresente algum problema, a tendência do filtro ressonante é aumentar gradativamente, por um período de tempo indeterminado, a tensão aplicada ao capacitor Cp e a corrente no indutor Ls e portanto haverá uma sobre corrente nos transistores do circuito inversor, o que poderá causar a queima do estágio de potência. Como não se trata do objetivo direto deste trabalho, tal tópico não será abordado, maiores esclarecimentos podem ser encontrados no pedido de patente “Aperfeiçoamento em Circuito de Proteção para Reatores Eletrônicos” [44]. 62 3.3 Conclusão Neste capítulo, a analise qualitativa da topologia do reator eletrônico proposto foi apresentada, assim como os principais circuitos constituintes foram trabalhados. As partes principais do reator foram explicadas, sendo que, as etapas de funcionamento do conversor meia ponte ligado a um filtro ressonante do tipo LC série C paralelo foram mostradas assim como as principais formas de onda. 63 CAPÍTULO 4 ANÁLISE QUANTITATIVA 4.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 65 4.2 ANÁLISE DO CIRCUITO RESSONANTE UTILIZADO NA TOPOLOGIA .............................. 65 4.2.1 Cálculo do Valor Eficaz ................................................................................... 65 4.2.2 Cálculo da impedância do circuito ressonante ................................................. 68 4.2.3 Cálculo do ângulo de fase da impedância Z ..................................................... 70 4.2.4 Cálculo de Cp em função do ângulo .............................................................. 70 4.2.5 Cálculo de L em função do ângulo e Cs ........................................................ 71 4.2.6 Cálculo da potência P em função do ângulo e Cs .......................................... 72 4.2.7 Cálculo da tensão aplicada a lâmpada .............................................................. 72 4.2.8 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante ..................................... 75 4.2.9 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante considerando a resistência parasita ........................................................................................................ 76 4.3 CIRCUITO DE VARIAÇÃO DA FREQÜÊNCIA DE OPERAÇÃO .......................................... 77 4.4 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 79 64 4 ANÁLISE QUANTITATIVA 4.1 Introdução Neste capítulo, os principais parâmetros elétricos necessários para o cálculo dos componentes do reator proposto serão deduzidos. O método de cálculo do filtro ressonante do reator será apresentado levando em conta as especificações técnicas do projeto tais como: tensão de entrada, tensão CC, E, disponível na saída do PFC e aplicada ao inversor, a tensão aplicada na lâmpada para sua ignição e a tensão de regime nominal da lâmpada. Também será realizado o cálculo da corrente máxima que circulará pelas chaves no momento da partida, pois este parâmetro se constitui em uma desvantagem do método de ignição escolhido e por isso deve ser bem conhecido a fim de possibilitar a correta escolha dos dispositivos semicondutores utilizados. 4.2 Análise do circuito ressonante utilizado na topologia Conforme visto na análise qualitativa, o controle da potência e corrente de lâmpada, será realizado por um circuito ressonante LC série C paralelo. Para tanto é necessário o conhecimento dos principais parâmetros de tal circuito, que serão utilizados posteriormente no cálculo dos componentes. 4.2.1 Cálculo do Valor Eficaz Um dos parâmetros mais importantes para o cálculo dos componentes do reator eletrônico é a tensão eficaz que será aplicada pelo circuito meia ponte ao filtro ressonante, vide Figura 4.1, cuja forma de onda está representada na Figura 4.2. 65 Figura 4.1 Circuito meia ponte com conversor ressonante acoplado. Figura 4.2 Forma de onda da tensão sobre o circuito ressonante. Uma vez que, se trata de uma forma de onda quadrada, o cálculo da tensão eficaz pode ser realizado utilizando a série de Fourier. Para simplificar os cálculos, deslocamos temporalmente a forma de onda da tensão sobre o circuito ressonante, de forma a ter uma função ímpar, vide Figura 4.3. O fato da forma de onda ser do tipo ímpar, simplifica o cálculo dos coeficientes da série, pois: f (t ) f (t ) (4.1) T 2 bn f (t ) sen( nw0t )d (w0t ) 0 T0 (4.2) T an 2 f (t ) cos( nw0 t )d ( w0 t ) T 0 (4.3) 66 Figura 4.3 Forma de tensão deslocada temporalmente. 2 2 E E an1 cos( w0t )d ( w0t ) cos( w0t )d ( w0t ) 0 2 2 2 an1 an1 E 2 sen( w t ) 0 0 sen( w0t ) 2 (4.4) (4.5) 2 E (4.6) Logo a componente fundamental da onda quadrada será: v1h 2 E sen( w0t ) (4.7) Uma vez que a tensão da forma de onda quadrada é acoplada a um circuito ressonante cuja freqüência de ressonância (0) é definida por 0 1 (4.8) Ls C s Para manter o circuito trabalhando em comutação com tensão nula “ZVS”, a freqüência de chaveamento (s) deve ser maior que a freqüência de ressonância (0) [25]. Sendo assim, as harmônicas da onda quadrada de freqüência mais alta que a freqüência fundamental serão filtradas pelo circuito ressonante LsCs. Devido aos valores das harmônicas da onda quadrada serem muito pequenos se comparados a fundamental podem ser desconsiderados [25]. Logo, o valor eficaz da onda de tensão acoplada ao circuito ressonante pode ser escrito como segue: 67 Vef 2 E 2 (4.9) 4.2.2 Cálculo da impedância do circuito ressonante O circuito analisado para o cálculo da impedância do circuito ressonante está representado na Figura 4.4. Figura 4.4 Impedância do filtro ressonante LC série C paralelo. Trabalhando com as impedâncias do filtro ressonante LC série C paralelo tem-se: Z ( j ) 1 1 j Ls R // j Cs j C p Z ( j ) 1 R j Ls j Cs 1 j C p Z ( j ) (1 2 Ls C s ) j C p R R C s 3 Ls C s C p R (4.10) (4.11) Cs C p R j Cs 2 3 (1 2 Ls C s ) j C p R R C s Ls C s C p R j Cs R j Cs R Z ( j ) 2 Cs C p R j Cs j Cs R j Cs R Como 68 (4.12) (4.13) Ls C s Qs u 1 (4.14) 02 0 Ls (4.15) R s 0 (4.16) Cp 1 1 u 2 j Qs u 1 u C s Z ( j ) 2 0 Ls C s C p R 1 0 Ls j Cs R R Z ( j ) 1 u j Q (4.18) 1 u Cs u 1 u Cp 1 j R Qs C s Cp 1 Z ( j ) 1 Z ( j ) R 1 1 u 2 j Qs u Cs u 1 u Cp 1 j R Qs C s R Cp 1 Z ( j ) R (4.17) 2 s 1 u j Q (4.19) 1 u Cs u u Cp 1 j Qs C s Cp 2 Cp 1 1 u2 Cs s (4.20) 2 1 Qs u u u Cp 1 Q C s s 2 69 2 (4.21) 4.2.3 Cálculo do ângulo de fase da impedância Z O ângulo de fase da impedância Z esta expresso na equação 4.22. m( Z ) e( Z ) arctg (4.22) Substituindo-se as respectivas partes imaginárias e partes reais da equação 4.11, obtém-se: R2 s C p 1 Ls s s C s 1 R 2 s C p arctg R 2 1 R s C p (4.23) Simplificando a equação 4.23, tem-se: 1 Ls 2 s Cs R arctg s 1 R 2 s 2 C p 2 R 2 C p (4.24) 4.2.4 Cálculo de Cp em função do ângulo Pode-se descrever a potência sobre a lâmpada como segue: Vef 2 P e Z (4.25) 2 e( Z ) j m( Z ) Vef P e e( Z ) j m( Z ) e( Z ) j m( Z ) (4.26) 2 Vef e( Z ) j m( Z ) P e 2 2 e( Z ) m( Z ) (4.27) 70 Logo, separando a parte real da equação 4.27, tem-se: Vef e( Z ) 2 P (4.28) e(Z )2 m(Z )2 Pode-se utilizar uma mudança de variáveis X tan g ( ) X (4.29) m( Z ) e ( Z ) (4.30) Reescrevendo a equação 4.30, tem-se: m( Z ) X e( Z ) (4.31) Substituindo a equação 4.31 na equação 4.28, tem-se: Vef e( Z ) 2 P (4.32) e(Z )2 X e(Z )2 Inserindo a parte real na equação 4.32 e simplificando a equação chega-se: 2 P Vef R R 2 s C p 1 2 2 (4.33) R (R X ) 2 Isolando o termo Cp, obtém-se: 1 P R 2 R X C p ( ) 1 R s Vef2 R 2 (4.34) 4.2.5 Cálculo de L em função do ângulo e Cs Substituindo-se as partes reais e parte imaginária da impedância na equação 4.31 71 1 Ls s s Cs R 2 s C p R 2 2 1 R s C p 1 R s C p ( ) X (4.35) Realizando as simplificações necessárias e colocando a indutância Ls em evidência tem-se. Ls ( , C p ) R X s1 R 2 C p ( R C p 1) 2 2 2 s 1 Cs 2 s (4.36) 4.2.6 Cálculo da potência P em função do ângulo e Cs Substituindo a equação 4.24 na equação 4.29, tem-se: X s Ls R 1 R2 s 2 C p 2 R2 C p s 2 C s 1 (4.37) Realizando as simplificações e inserindo a equação 4.37 na equação 1, obtém-se: Vef R R 2 s C p 1 2 P( , C s ) 1 R s2 Ls , C s 2 s Cs 2 2 R 2 s 2 C p 2 1 R 2 C p 2 (4.38) 4.2.7 Cálculo da tensão aplicada a lâmpada Uma grande vantagem do circuito ressonante LC série C paralelo, como já foi mencionado anteriormente, é a capacidade de gerar uma sobretensão muito conveniente para a partida da lâmpada. Este recurso é amplamente utilizado em reatores eletrônicos para lâmpadas de descarga de baixa pressão e também será utilizado no reator proposto. 72 Figura 4.5 Circuito equivalente antes da partida da lâmpada. Para determinar se o circuito ressonante é capaz de produzir a sobretensão suficiente para causar a ignição na lâmpada de vapor metálico será calculado o ganho do filtro ressonante através da resposta em freqüência. O circuito equivalente para a análise em freqüência está representado na Figura 4.5, onde o resistor Rp representa as resistências parasitas do circuito. O ganho de tensão para o circuito e dado pela equação 4.39. G( j ) Vs( j ) Ve( j ) (4.39) Rp G ( j ) 1 j Rp C p Rp 1 j Ls 1 j R p C p j Cs (4.40) Simplificando a equação 4.40, tem-se: G ( j ) 1 C p C s Ls C p 1 Cs Cs 2 1 j Ls Rp R C L p s s Reescrevendo a equação 4.41 introduzindo a variável o, chega-se: 73 (4.41) G ( j ) 0 u 1 Cp 2 1 j 0 Rp C p L C 0 s p 2 C 0 s 0 2 1 Cs C p Ls C C p s (4.42) (4.43) 0 (4.44) Substituindo-se a equação 4.44 e 4.43 na equação 4.42, obtém-se: G ( j ) G ( j ) 1 C L C Rp C p p s p 2 1 u j u Cs C p Cs C p Cs Ls L s C s C p Cs C p 1 Cp Cp u2 1 Cs C p Cs Cs C p Rp C p u j Cs C p Ls Cs C p Cp Cp u2 1 Cs C p Cs Cs C p 2 Rp C p u Cs C p Ls Cs C p 74 (4.45) (4.46) 1 G ( j ) 2 (4.47) 4.2.8 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante Além de conhecer bem a dinâmica da tensão aplicada na lâmpada, é importante também conhecer a corrente que irá circular pelo filtro ressonante antes e após a partida da lâmpada. O conhecimento desta corrente permitirá a seleção, mais apurada, da chave semicondutora que será utilizada no reator eletrônico. Uma vez que a alta tensão responsável pela partida da lâmpada é obtida através do fenômeno da ressonância, haverá, durante o processo de partida, a circulação de um valor elevado de corrente através das chaves principais [24]. Para determinar a corrente máxima que irá circular pelas chaves principais, será utilizada a análise de resposta em freqüência. A corrente máxima que circulará nas chaves semicondutoras será de: I m áx ( j ) Vef ( j ) (4.48) Z p ( j ) Onde Zp(j) é a impedância do circuito ressonante, antes da partida da lâmpada, utilizando as equações 4.9 e 4.19 tem-se: I m áx ( j ) 2 E 2 (4.49) 1 1 1 u jQs u Cs u 1 u C 1 j p RLamp Qs Cs Cp 2 Simplificando a equação 4.49, obtém-se: I m áx ( j ) 2 E 2 (4.50) 2 Cp 1 1 u 2 Qs u 1 u Cs 1 RLamp u Cp 1 Qs Cs 2 75 2 4.2.9 Cálculo da corrente que circula pelo filtro ressonante considerando a resistência parasita Antes da lâmpada de vapor metálico acender, sua impedância equivalente pode ser considerada infinita. Sendo assim é imprescindível considerar as resistências parasitas do circuito equivalente. Caso não sejam consideradas tais resistências o valor de corrente calculado será sobre dimensionado, obrigando a utilização de chaves semicondutoras mais caras. Desta forma, pode-se unir todas as resistências parasitas, e representá-las no componente Rp, como pode ser visto na Figura 4.6. Figura 4.6 Circuito de impedância considerando a resistência parasita. Para o cálculo desta impedância será utilizada a equação 4.19. Tal equacionamento deriva do item 4.2.8, porém, neste caso, será considerado a resistência parasita Rp Logo: 1 Z ( j ) Cp Cs 1 u 2 jQs u u1 u Cp 1 j RLamp Qs C s 1 1 Z ( j ) Rp R Lamp Cp Cs Rp 1 u 2 j Qs u u1 R R p (4.51) u C p Qs C s Lamp C 1 u p 1 j RLamp Qs C s 76 (4.52) Z ( j ) Rp Cp 1 1 u2 R Lamp C s 2 Rp u C p Qs u 1 u R Lamp Qs C s 1 R Lamp u C p 1 Qs C s 2 2 (4.53) Sendo assim, pode-se reescrever a equação de corrente considerando a resistência parasita. I m áx ( j ) 2 E 2 Rp C p 1 u2 1 RLamp Cs 1 Rp u C p Qs u u RLamp Qs Cs 2 1 RLamp 4.3 u C 1 p Qs Cs 2 (4.54) 2 Circuito de variação da freqüência de operação O circuito de variação da freqüência de operação do reator eletrônico proposto, cujo esquema já foi apresentado no tópico 3.2.5, será o responsável por distribuir o espectro de potência, seu esquema é apresentado novamente na Figura 4.7, para facilitar o entendimento. A variação da freqüência é feita de tal modo, que o valor médio da freqüência fique inalterado, sendo assim, a variação da freqüência não irá alterar os parâmetros elétricos do reator e, por isso, não será considerada para efeito de cálculo dos componentes do reator eletrônico. 77 Figura 4.7 Circuito de variação de freqüência. O circuito de variação de freqüência trabalha em dois modos distintos de operação: Modo I - Circuito variador de freqüência desligado. Neste caso a freqüência de operação está configurada para ser de 22,5 kHz e o circuito de variação encontra-se desligado. Modo II - Circuito variador de freqüência com quatro degraus. Para este sistema de funcionamento as freqüências de operação serão compostas de quatro degraus como segue: Degrau 1 – 20,0 kHz Degrau 2 – 21,3 kHz Degrau 3 – 23,3 kHz Degrau 4 – 24,5 kHz Os degraus de freqüência são injetados na freqüência principal no momento que se adicionam ou retiram-se os capacitores C4 e C5. Como a freqüência de operação do circuito de controle e comando IR2153 é determinada pelos valores da resistência R3 e do capacitor C3 a adição ou subtração de capacitores paralelamente ao capacitor C3 causam a alteração periódica na freqüência de operação. 78 O sistema proposto apresenta a possibilidade de modificar a taxa de variação de freqüência através do sinal de relógio “clock”, que para os primeiros testes será fornecido por um gerador de freqüência. Através deste sistema será possível determinar se a taxa de variação da freqüência é importante para a eliminação da ressonância acústica e qual a taxa que melhor se adequará ao reator proposto. 4.4 Conclusão Neste capítulo através da análise quantitativa, foram deduzidas todas as equações necessárias para a determinação dos componentes do filtro ressonante. Foi estudada a sobretensão envolvida no processo de ignição da lâmpada , para determinar o ponto ótimo de operação do reator. Também foi estudada a sobrecorrente, gerada no processo de partida do reator, e pode-se, através do equacionamento proposto, escolher o modelo de chave semicondutora adequada, garantindo a operação dentro dos limites especificados pelo fabricante. 79 CAPÍTULO 5 PROJETO E SIMULAÇÃO 5.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 81 5.2 PROCEDIMENTO DE PROJETO..................................................................................... 81 5.2.1 Dados de entrada .............................................................................................. 81 5.2.2 Determinação do ângulo de fase ....................................................................... 82 5.2.3 Cálculo do indutor série.................................................................................... 84 5.2.4 Determinação do capacitor série....................................................................... 84 5.2.5 Cálculo do capacitor paralelo ........................................................................... 85 5.2.6 Cálculo da sobre tensão de partida ................................................................... 85 5.2.7 Cálculo da corrente nos transistores na partida ................................................ 87 5.2.8 Cálculo da corrente nos transistores em regime ............................................... 88 5.2.9 Escolha dos transistores da ponte ..................................................................... 89 5.3 SIMULAÇÃO DO CIRCUITO ......................................................................................... 90 5.3.1 Tensão de partida .............................................................................................. 91 5.3.2 Tensão de partida com capacitor de carga máximo .......................................... 92 5.3.3 Corrente de partida ........................................................................................... 93 5.3.4 Tensão e corrente de lâmpada .......................................................................... 94 5.4 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 95 80 5 PROJETO E SIMULAÇÃO 5.1 Introdução Neste capítulo, será apresentada a metodologia proposta para o cálculo dos componentes do reator eletrônico, com base na especificação da lâmpada utilizada. Para tanto, as equações deduzidas no capítulo 4 são utilizadas. Após a determinação dos componentes, o circuito será simulado utilizando-se o software Orcad 9.1, o qual por sua vez utiliza o programa de simulação de circuitos elétricos e eletrônicos PSPICE, a fim de verificar a validade do método proposto nesta dissertação. 5.2 Procedimento de projeto Para a determinação dos componentes do circuito ressonante LCC, será utilizado a metodologia de cálculo apresentada por Prado [26] em adição às equações deduzidas no capítulo 4. 5.2.1 Dados de entrada A lâmpada de vapor metálico, tipo palito, para a qual o reator será projetado, tem as seguintes características: a) Potência nominal da lâmpada: 75W b) Tensão de regime nos terminais da lâmpada: VL = 90 VRMS c) Freqüência central de operação igual a 22500 Hz, freqüência esta, que fica dentro da janela onde o efeito da ressonância acústica é reduzido. d) Não será considerado o efeito da variação de freqüência para o cálculo dos componentes do reator, uma vez que o valor médio da freqüência fica 81 inalterado, e que, o percentual da variação é, no máximo, igual a 10% da freqüência central de projeto. e) A tensão de barramento do circuito será de 410 VCC, tensão esta, fornecida por um pré-regulador do fator de potência PFC, do tipo elevador, operando no modo de condução crítica já mencionado no item 3.2.2. f) Na execução do projeto do filtro, será utilizada a aproximação fundamental, que consiste em utilizar somente a componente fundamental da forma de onda Vef (t), como apresentado em 4.2.1. Uma vez que a lâmpada de vapor metálico esta trabalhando em alta freqüência tem um comportamento resistivo [39], pode-se calcular o valor do resistor equivalente utilizando a equação 5.1. 2 Rlamp V L 108 P (5.1) 5.2.2 Determinação do ângulo de fase O passo inicial, para o cálculo do filtro ressonante, é a determinação do ângulo de fase adequado para que o filtro proporcione uma potência elevada na partida, o que irá garantir a ignição da lâmpada e a potência nominal de projeto em regime permanente. Para tanto, será utilizado a equação 4.38 que foi deduzida anteriormente. Na Figura 5.1, tem-se representado o gráfico, em vermelho, da potência em regime permanente (Pr(,Cs)) e, em azul, a potência de partida (Pp(,Cs)). Para o cálculo da potência de partida, considerou-se a lâmpada como uma impedância infinita (Rlamp = ). É interessante notar que o gráfico da potência de partida (Pp(,Cs)) possui uma descontinuidade. Esta lacuna é causada pelo cálculo do capacitor paralelo, equação 4.34, que resulta em valores imaginários para o capacitor de lâmpada. Porém, esta descontinuidade não inviabiliza o dimensionamento do filtro ressonante, uma vez que, toda a análise será conduzida em torno do ângulo de fase escolhido. 82 500 500 450 400 350 Pr( Cs) 300 Pp ( Cs) 250 200 150 100 50 0.191 0 90 81 72 63 54 45 36 27 18 9 0 90 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90 90 Figura 5.1 Gráfico de potência da lâmpada de vapor metálico. Na Figura 5.2, tem-se o gráfico da potência entregue a lâmpada em ângulos próximos ao ângulo de fase escolhido. 500 500 450 400 350 Pr( Cs) 300 Pp ( Cs) 250 200 150 100 50 0.191 0 60 61.5 63 64.5 66 67.5 69 70.5 72 73.5 75 76.5 78 79.5 81 82.5 84 85.5 87 88.5 90 60 Figura 5.2 Gráfico da potência entregue a lâmpada em um intervalo escolhido. 83 90 Utilizando o ábaco mostrado na Figura 5.2, ou a equação 4.38, obtém-se um ângulo = 64. 5.2.3 Cálculo do indutor série Para o cálculo do indutor série, será utilizada a equação 4.36, cujo ábaco se encontra na Figura 5.3. Pode-se notar que a curva só contempla valores próximos a área de interesse para o projeto, que é em torno do valor determinado para . Determina-se então o valor de Ls = 1,7mH. 2.3 2.3 2.07 1.84 1.61 1.38 3 L( Cs) 10 1.15 0.92 0.69 0.46 0.23 0 0 60 61.5 63 64.5 66 67.5 69 70.5 72 73.5 75 76.5 78 79.5 81 82.5 84 85.5 87 88.5 90 60 90 Figura 5.3 Ábaco do valor do indutor série. 5.2.4 Determinação do capacitor série Emprega-se em série com o indutor do filtro ressonante, um capacitor série (Cs), destinado a impedir a circulação de componentes contínuas de corrente no indutor. A circulação de tais componentes da corrente causariam a saturação do núcleo, provocando como conseqüência, a falha das chaves semicondutoras. No livro de Ivo Barbi “Eletrônica 84 de Potência: Projeto de Fontes Chaveadas” [18], o autor propõe a fórmula apresentada na equação [5.2] para determinar o valor do capacitor série. Cs 4 (5.2) 2 f s 2 Ls O valor de 470 nF é obtido substituindo os dados de entrada na equação 5.2. 5.2.5 Cálculo do capacitor paralelo Para o cálculo do capacitor paralelo, utiliza-se a equação 4.34 cujo ábaco se encontra na Figura 5.4. O valor do capacitor paralelo de 30 nF é obtido. 200 200 180 160 140 120 9 Cp ( ) 10 100 80 60 40 20 7.079 0 60 62.5 65 67.5 70 72.5 75 77.5 80 82.5 60 85 87.5 90 90 Figura 5.4 Ábaco do valor do capacitor paralelo. 5.2.6 Cálculo da sobre tensão de partida Utilizando-se a equação 4.43 pode-se determinar o valor da freqüência de ressonância do filtro LC série C paralelo antes da ignição da lâmpada. 85 o 1 470 109 30 109 1, 7 10 9 9 470 10 30 10 144427,9 rad (5.3) 3 A freqüência de chaveamento é um dado de entrada do projeto e seu valor angular é dados por: 2 22500 141371,7rad (5.4) Utilizando-se os dados, calculados até este ponto, e a equação 4.47 é possível traçar um gráfico do ganho de tensão na partida, para resistências parasitas de diferentes valores, como pode ser visto na Figura 5.5. É importante, levar em consideração, as resistências parasitas, pois elas podem inviabilizar a geração da sobretensão necessária para causar a ignição da lâmpada. 200 G( 3 u) G( 2 u) G( 1 u) 100 0 0.7 0.8 0.9 1 1.1 u Figura 5.5 Ganho de tensão na partida. Ao analisar o gráfico da Figura 5.5, pode-se notar que o valor de ganho máximo (G(Rp,u)) é altamente sensível a um aumento ou diminuição de resistência parasita (Rp) quando a relação entre a freqüência de chaveamento (s) e a freqüência de ressonância (0) é unitária, devido a essa sensibilidade, este não é um bom ponto de operação. Para evitar esta dependência com as resistências parasitas, escolheu-se trabalhar com uma relação entre a freqüência de chaveamento s e a freqüência de ressonância 0 igual a 0,98. Com este valor, o ganho de tensão do circuito fica praticamente inalterado, mesmo com variações na resistências parasitas como esta demonstrado nas equações [5.55.7], onde as resistências parasitas variam de 1 até 3. 86 G (1,0.98) 24.01 (5.5) G (2,0.98) 23,7 (5.6) G (3,0.98) 23,10 (5.7) A norma NBR14305 [47] estabelece valores, máximos e mínimos, para os pulsos de tensão dos ignitores que trabalham com reatores eletromagnéticos. Para o caso da lâmpada de vapor metálico de 70W, o valor mínimo do pulso é de 4,0 kV e o valor máximo é de 5,0kV. Utilizando-se as equações 4.9 e 4.47 e considerando uma resistência parasita de 3, é possível determinar que a tensão RMS que será aplicado à lâmpada será de 4158 volts. Aplicar um pulso de 4158 volts RMS, resulta na aplicação de uma tensão de valor de pico de 5880 volts, superando o valor estabelecido por norma. Porém, vale ressaltar, que a característica do sistema de ignição que será utilizado é diferente do sistema de pulso de ignitores para reatores eletromagnéticos. Sendo assim, com este sistema, a lâmpada entra em condução antes que o sistema atinja o seu valor de pico máximo, não passando do limite especificado em norma, como pode ser comprovado através das medições de tensão de partida apresentadas no capítulo 6.4. 5.2.7 Cálculo da corrente nos transistores na partida Utilizando-se a equação 4.54 é possível traçar o ábaco, apresentado na Figura 5.6, onde a corrente máxima é uma função dependente da resistência parasita e da relação entre a freqüência de chaveamento do circuito pela freqüência ressonante. Analogamente ao que aconteceu para a tensão máxima aplicada, a corrente máxima, para uma relação entre a freqüência de chaveamento s e freqüência de ressonância 0 de 0,98, também sofre pouca influência da resistência parasita. Isso demonstranda pouca sensibilidade do circuito a este parâmetro que, muitas vezes, não pode ser controlado pois leva em consideração a distância do reator a lâmpada, o dimensional do condutor utilizado para ligar reator à lâmpada e a resistência de contato entre soquete e lâmpada. 87 Im áx(0.98,1) 29,6 (5.8) Im áx(0.98,2) 28,5 (5.9) Im áx(0.98,3) 26,9 (5.10) 182.077 200 150 Imax( u 3) Imax( u 2) 100 Imax( u 1) 50 0.03 0 0.6 0.8 1 0.5 1.2 u 1.4 1.5 Figura 5.6 Corrente máxima em função da resistência parasita e u. Através deste cálculo, pode-se concluir que a chave semicondutora escolhida deve suportar picos de corrente da ordem de 30 A. 5.2.8 Cálculo da corrente nos transistores em regime Utilizando-se a equação 4.54 também é possível traçar um ábaco para determinar o valor da corrente de regime do reator, como pode-se ver na Figura 5.7. 88 5 5 4 Imax( u 3) 3 Imax( u 2) Imax( u 1) 2 1 0.038 0 2 2.5 3 3.5 2 4 4.5 u 5 5.5 6 6 Figura 5.7 Corrente do reator em regime. Analisando-se o gráfico fica claro que as variações na resistência parasita não têm influência alguma no valor da corrente de regime. Considerando que nessa etapa a lâmpada se encontra em condução, a relação entre a freqüência de chaveamento pela freqüência de ressonância mostrada na equação [4.8] muda consideravelmente, resultando em uma corrente de 0,83 A para a operação normal, independentemente da resistência parasita. 5.2.9 Escolha dos transistores da ponte Através da análise da corrente de partida do reator, corrente de regime e conhecendo a tensão do barramento CC é possível determinar a chave semicondutora adequada para o estágio de potência. Uma vez que se vai utilizar um circuito de controle e comando integrado “drive” para gerar os sinais de comando para as chaves, seria conveniente utilizar chaves que para seu comando necessitem de pouca energia, como é o caso dos transistores MOSFET de potência. Um transistor MOSFET largamente utilizado e de baixo custo é o IRF 840, 89 porém o valor da corrente de dreno máxima é de 32 A, próxima demais do valor da corrente máxima de partida que é 30A, não garantindo a operação segura do mesmo. Sendo assim, utilizou-se o transistor IRF11N50 que tem um valor de corrente de dreno máximo de 44A, uma corrente de regime de 7,8 A à 100°C de temperatura de cápsula e uma resistência série equivalente de 0,725 e suporta uma tensão máxima entre os terminais de dreno e fonte de 500V. 5.3 Simulação do circuito Através dos valores, calculados no capítulo 5.2, o circuito mostrado na Figura 5.8, foi submetido a simulação. Através do controle da chave S3, é possível simular a partida da lâmpada de vapor metálico de alta pressão. Para efeito de simulação a lâmpada de vapor metálico é substituída por uma resistência equivalente R1 Quando estiver apagada, ela se comporta como uma resistência infinita, mas será simulada por uma resistência R2 de valor 100 vezes maior que o valor da equivalente R1. A resistência Rp representa as resistências parasitas envolvidas no circuito ressonante, seu valor foi agregado à simulação para comprovar que sua existência tem pouca influência na tensão de partida, no ponto de operação escolhido para o circuito trabalhar. TD = 1m TF = 0.001u PW = 20m PER = 29m V1 = 0 TR = 0.001u V2 = 1 V4 Q1 IR F840 0 470n V1 = 13 V2 = 0 TD = 22.499u TR = 0.001u TF = 0.001u PW = 22.499u PER = 45u 1.7mH Q2 IR F840 Rparasita - L1 + C1 + - V1 410Vdc V1 = 0 V2 = 13 TD = 22.499u TR = 0.001u TF = 0.001u PW = 22.499u PER = 45u V2 S3 VON = 1.0V VOFF = 0.0V 3 C2 V3 30n R2 10800 R1 108 0 Figura 5.8 Circuito simulado no Orcad 9.1. 90 5.3.1 Tensão de partida Os gráficos das Figura 5.9 e Figura 5.10 mostram que o circuito é capaz de gerar a sobretensão necessária para a ignição da lâmpada de vapor metálico e que o circuito não é dependente das resistências parasitas, pois a resistência aumentou em uma ordem de grandeza de 30 vezes e a tensão, de pico máxima de partida, diminuiu algumas dezenas de volts, permanecendo em valor suficiente para garantir a ignição da lâmpada. 5.0KV 0V -5.0KV 0s 0.4ms V(Rlampada:2) 0.8ms 1.2ms 1.6ms 2.0ms Time Figura 5.9 Tensão de partida com resistência parasita de 0,1 . 5.0KV 0V -5.0KV 0s 0.4ms V(Rlampada:2) 0.8ms 1.2ms 1.6ms Time Figura 5.10 Tensão de partida com resistência parasita de 3 . 91 2.0ms 5.3.2 Tensão de partida com capacitor de carga máximo Foi realizado, a simulação da inserção do capacitor de carga máximo Cp de 1000 pF no lugar da lâmpada de vapor metálico seguindo o que especifica a norma brasileira NBR14305 [47] para testes de ignitores, através da utilização do circuito mostrado na Figura 5.11. TD = 1m TF = 0.001u PW = 20m PER = 29m V1 = 0 TR = 0.001u V2 = 1 V4 Q1 IRF11N50 0 L1 470n 1.7mH Q2 IRF11N50 V1 = 1 V2 = 0 TD = 22.499u TR = 0.001u TF = 0.001u PW = 22.499 u PER = 45u Rp - C1 S3 V ON = 1.0V V OFF = 0.0V 3 C2 V3 + 410V dc V2 + - V1 V1 = 0 V2 = 1 TD = 22.499u TR = 0.001u TF = 0.001u PW = 22.499 u PER = 45u 30n Cp R2 100p 10800 R1 108 0 Figura 5.11 Circuito simulado com a inclusão do capacitor de carga Cp. Na topologia proposta, a inserção de tal valor de capacitância tem pouco efeito na determinação da sobretensão máxima aplicada a lâmpada, uma vez que ela apenas aumenta o valor do capacitor paralelo, como pode ser visto nas figuras a seguir apresentadas. 92 8.0KV 4.0KV 0V -4.0KV -8.0KV 0s 0.5ms V(R2:2) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms Time Figura 5.12 Sobretensão de partida sem o capacitor de carga máximo Cp. 8.0KV 4.0KV 0V -4.0KV -8.0KV 0s 0.5ms V(R2:2) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms Time Figura 5.13 Sobretensão de partida com o capacitor de carga máximo Cp de 1000 pF. 5.3.3 Corrente de partida Nesta simulação o objetivo é analisar a corrente principal que passa nas chaves no momento da partida do reator, pode-se notar na Figura 5.14, que a corrente que passa no indutor série Ls, apresenta uma forma de onda muito parecida com a forma de onda da tensão sobre a lâmpada. Também é possível confirmar, a característica destrutiva deste tipo de circuito ressonante pois, até que a lâmpada não apresente a ignição, a corrente do 93 circuito de potência se mantém em um nível alto o que pode causar a destruição do circuito de potência. 40A 20A 0A -20A -40A 0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms I(L1) Time Figura 5.14 Simulação da corrente de partida do reator. 5.3.4 Tensão e corrente de lâmpada Como não poderia ser diferente, uma vez que a lâmpada de vapor metálico esta operando em alta freqüência a mesma foi modelada por uma resistência, a tensão na lâmpada representada em vermelho, apresenta-se em fase com a corrente de lâmpada, representada em azul, conforme se apresenta na Figura 5.15. Os valores de tensão e corrente sobre a lâmpada estão de acordo com os valores inicialmente previstos validando assim o método utilizado para o projeto do reator eletrônico proposto. 94 200 100 0 -100 -200 1.84ms -I(R1)*50 1.86ms 1.88ms 1.90ms 1.92ms 1.94ms V(R3:2) Time Figura 5.15 Tensão e corrente aplicadas a lâmpada. 5.4 Conclusão Neste capítulo, o método utilizado para a determinação dos principais componentes do reator eletrônico foi exposto. Tal método foi verificado utilizando para isso a simulação como ferramenta de apoio, tendo o resultado comprovado a eficácia do método proposto para este tipo de reator. Foi possível checar a influência da resistência parasita Rp na determinação da máxima tensão de lâmpada que o circuito é capaz de fornecer, e pode-se notar que o circuito projetado não é muito sensível ao aumento de tal parâmetro o que se constitui em uma vantagem significativa dessa topologia. Também foi possível, analisar o efeito causado pela adição do capacitor de carga máximo, utilizado para o teste de ignitores, conforme determina a norma NBR14305. Realizando tal ensaio no reator eletrônico proposto, observa-se que o valor da sobretensão de saída sofre pouca influência devido a adição deste capacitor, constituindo assim em outra vantagem desta topologia. 95 CAPÍTULO 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 6.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 97 6.2 PROTÓTIPO IMPLEMENTADO ..................................................................................... 97 6.3 DIMENSIONAL DO REATOR PROTÓTIPO...................................................................... 98 6.4 IGNIÇÃO DA LÂMPADA .............................................................................................. 99 6.5 FORMA DE ONDA DA CORRENTE E TENSÃO SOBRE A LÂMPADA ............................... 101 6.6 MEDIÇÃO DA JANELA LIVRE DE RESSONÂNCIA ACÚSTICA ....................................... 102 6.7 MEDIÇÃO DA TAXA DE VARIAÇÃO DE FREQÜÊNCIA VERSUS ELIMINAÇÃO DA RESSONÂNCIA ACÚSTICA .................................................................................................... 103 6.8 COMPARATIVO SOBRE OS PARÂMETROS ELÉTRICOS DE UM REATOR ELETROMAGNÉTICO VERSUS O REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO ......................................... 105 6.9 SENSIBILIDADE A VARIAÇÃO DE TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DE UM REATOR ELETROMAGNÉTICO VERSUS O REATOR ELETRÔNICO PROPOSTO ......................................... 107 6.10 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 110 96 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 6.1 Introdução Neste capítulo, serão apresentados os resultados experimentais obtidos a partir da montagem de um protótipo de um reator eletrônico, implementado com o filtro LCC projetado no capitulo anterior, para alimentar uma lâmpada de vapor metálico de alta pressão 75 W. O objetivo deste estudo é a validação experimental dos estudos realizados nos capítulos anteriores, especial atenção esta sendo dedicada a validação da metodologia de projeto adotada e a comprovação da eficácia do sistema proposto com respeito a eliminação do fenômeno da ressonância acústica. 6.2 Protótipo Implementado Para a realização dos testes experimentais, confeccionou-se uma placa de circuito impresso e montou-se um reator eletrônico protótipo, utilizando os componentes previamente estabelecidos nos capítulos anteriores. Na Figura 6.1, pode-se ver a foto do referido reator com a localização física de seus circuitos constituintes. ETAPA DE POTÊNCIA FILTRO EMI RETIFICADOR + PFC DRIVE CIRCUITO DE POTEÇÃO VARIADOR DE FREQÜÊNCIA Figura 6.1 Placa protótipo do reator eletrônico proposto. 97 FILTRO RESSONANTE 6.3 Dimensional do reator protótipo Na Figura 6.2, pode-se ver uma foto do invólucro externo do reator eletrônico proposto e ter idéia do seu dimensional. Figura 6.2 Dimensional externo do reator protótipo. Através da comparação entre o dimensional do reator proposto com o dimensional do modelo comercial eletromagnético, pode-se preencher a Tabela 6.1 e também concluir o que segue: O reator eletromagnético comercial, utilizado para realizar a comparação, é mais compacto que o reator eletrônico. Mesmo somando-se o volume ocupado pelo reator eletromagnético com o volume ocupado pelo capacitor de correção de fator de potência e ignitor, resulta em um volume total inferior ao volume ocupado pelo reator eletrônico. Neste caso, pode-se utilizar uma compactação do circuito eletrônico com a conversão dos estágios de controle para componentes SMD ( Surface Mounting Design) que ocupam menor espaço de placa; A grande vantagem, da solução eletrônica, aparece quando se compara o peso das duas soluções, pois a solução eletromagnética é 5,38 vezes mais pesada que a solução eletrônica. 98 Tabela 6.1 Comparação de volume e peso da solução eletromagnética versus a solução eletrônica. Solução Eletromagnética Solução Reator Capacitor Ignitor Total Eletrônica Comprimento Máximo (cm) 10,6 - - 10,6 24,0 Altura Máxima (cm) 6,0 - - 6,0 3,3 Volume (cm3) 284,4 52,9 38,9 376 792 Peso (gm) 1130 55 160 1345 250 6.4 Ignição da lâmpada Para a medição da tensão de partida da lâmpada de vapor metálico é imprescindível a utilização de uma ponteira de alta tensão, uma vez que o valor da tensão de pico pode passar de 5000 volts. No ensaio em questão, foi utilizado a ponteira da Tektronics P6015A, juntamente com um osciloscópio Tektronics THS720P, como mostra a Figura 6.3. Figura 6.3 Medição da tensão de partida da lâmpada. 99 A lâmpada de vapor metálico quando trabalhando com reator eletrônico, que utiliza o filtro ressonante LC série C paralelo para gerar a sobretensão necessária para a ignição, apresenta um valor de tensão de pico de partida menor que o valor especificado em norma. Esta característica foi apresentada nas quatro marcas de lâmpadas ensaiadas como mostra as Figura 6.4, Figura 6.5, Figura 6.6 e Figura 6.7. CH2 Pk-Pk 2.94kV 1> 1) C h 2 : 50 0 V olt 10 0 ms Figura 6.4 Tensão de partida da lâmpada GE MQI/70/T6/30. CH2 Pk-Pk 2.64kV 1 > 1) C h 2: 500 V olt 100 m s Figura 6.5 Tensão de partida da lâmpada OSRAM MQI-TS/70W/NDL. 1> 100 CH2 Pk-Pk 2.98kV 1 > 1) C h 2: 500 V olt 100 m s Figura 6.6 Tensão de partida da lâmpada PHILIPS MHN TD 70W. CH2 Pk-Pk 800kV 1 > 1) C h 2: 500 V olt 100 m s Figura 6.7 Tensão de partida da Sylvania METALARC HSI-TD 70W/NDL. 6.5 Forma de onda da corrente e tensão sobre a lâmpada A aquisição da forma de onda da corrente e da são sobre a lâmpada de vapor 1 > metálico é importante, pois se pode verificar se o seu comportamento em alta freqüência é mesmo resistivo. Na Figura 6.8, pode-se ver que a forma de onda da tensão aplicada a lâmpada, em azul, esta completamente em fase com o forma de onda da corrente na lâmpada, em vermelho, demonstrando um comportamento resistivo da mesma. A forma em verde, representa a potência sobre a lâmpada, pode-se notar que se trata de uma forma de onda pulsada em alta freqüência. Os valores referentes as medições não foram realizados 101 utilizando o osciloscópio e por isso não se encontram anexados as formas de ondas, para este tipo de medição, utilizou-se um analisador de potência, que para este tipo de medidas apresenta uma confiabilidade maior que o osciloscópio. 312 > 1 2 > 1) Ch 1: 2) Ch 2: 3 ) M a th : 5 0 V o lt 2 0 u s 1 A 20 us 500 W 20 us Figura 6.8 Forma de onda da tensão, corrente e potência sobre a lâmpada de vapor metálico 70W. 6.6 Medição da janela livre de ressonância acústica A fim de verificar a existência de zonas livres de ressonância acústica na faixa de freqüências compreendidas entre 22 à 28 kHz [29, 37 e 39] para as lâmpadas de 70W comercializadas no mercado brasileiro, realizou-se uma varredura de freqüência utilizando a plataforma do reator proposto, desabilitando o circuito de variação na freqüência. Chegou-se a uma mapa de ocorrência de ressonância acústica mostrado na Figura 6.9, a partir deste mapa pode-se concluir que: Existe uma pseudo janela livre de ressonância acústica entre 22 à 25 kHz pois entre tal intervalo de freqüência, só detectou-se ocorrência de ressonâncias acústicas de leve intensidade, que causam somente a flutuação do nível de intensidade luminosa; Não existe um intervalo ou uma freqüência específica onde não haja a ocorrência de nenhum tipo de ressonância acústica comum a todas as marcas de lâmpadas testadas. Sendo assim, existe a necessidade de adição de um 3 > outro sistema para total eliminação da ressonância acústica, como já estava 102 sendo previsto com a inserção do circuito de variação de freqüência de operação. Figura 6.9 Janelas sem ressonância acústica no intervalo de 18kHz à 28kHz. 6.7 Medição da taxa de variação de freqüência versus eliminação da ressonância acústica Depois de detectada a real necessidade de um circuito para eliminação da ressonância acústica, dado que foi possível comprovar que não existe uma faixa de freqüência livre deste fenômeno entre 18 e 28 kHz, realizou-se um segundo ensaio para testar a eficácia do sistema de variação na freqüência de operação e para analisar qual a influência da taxa de variação da freqüência na eliminação da ressonância acústica. Adotou-se uma taxa máxima de variação de freqüência de 11250 Hz que equivale a metade do valor da freqüência central de chaveamento 22500 Hz. Sendo assim, para a 103 taxa máxima de variação da freqüência de operação, cada degrau freqüência de operação será aplicada por dois ciclos de onda. Após a aplicação desta varredura, chegou-se ao mapa mostrado na Figura 6.10, de onde pode-se concluir que: Dependendo da marca de lâmpada e da taxa de variação da freqüência de operação a ressonância acústica não é completamente eliminada, permanecendo a flutuação na luminosidade; Para taxas de variação de freqüência de operação acima de 9kHz, para todas as marcas de lâmpadas testadas, a eliminação da ressonância acústica foi total, o que comprova a eficácia da solução proposta. Figura 6.10Medição da taxa de variação necessária para eliminação da ressonância acústica. 104 6.8 Comparativo sobre os parâmetros elétricos de um reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto Com o objetivo de analisar o desempenho do reator eletrônico proposto, realizouse uma comparação entre ele e um reator eletromagnético comercial. É importante ressaltar que o reator eletromagnético comercial é um modelo que cumpre todos os requisitos impostos pela norma brasileira NBR 14305 [47], porém, não é um reator desenvolvido com o objetivo principal de minimizar as perdas. Logo, os valores de desempenho do reator eletromagnético são dados típicos e não os valores limites que podem ser alcançados com o uso desta tecnologia. Para a medição de tais parâmetros, utilizou-se um analisador de potência da marca “Xitron Technologies Inc”, mostrado na Figura 6.11. Este modelo de analisador foi desenvolvido especificamente para a análise de reatores eletromagnéticos e eletrônicos. Ele é provido de 3 canais isolados canal “A”, “B” e “C”, sendo que os canais “B” e “C” permitem medições em alta freqüência. Utilizou-se o canal “A” para realizar as medidas referentes ao circuito de alimentação dos reatores e o canal “C”, para realizar as medidas referentes ao circuito de saída do reator eletrônico. Figura 6.11 Analisador de potência. 105 O resultado das medições realizadas é apresentado na Tabela 6.2. Após a análise dos valores referentes aos reatores eletromagnéticos e eletrônicos chegar as seguintes conclusões: O reator eletrônico é mais eficaz que o modelo de reator eletromagnético testado, pois ele tem 8 watts de perda enquanto que o reator eletromagnético tem 18,4 watts; A utilização de capacitores, para corrigir o fator de potência no reator eletromagnético causa o aumento considerável da distorção harmônica total de corrente THDi, que, para o modelo testado, chegou a 42,3 % da fundamental; Para uma potência aplicada a lâmpada de 71,4 watts, o reator eletromagnético gerou um fluxo luminoso de 1298 lúmens enquanto que com 71,8 watts aplicados a lâmpada, o reator eletrônico gerou um fluxo luminoso de 1500 lúmens. Sendo assim, pode-se dizer que a lâmpada apresentou uma melhora de eficácia de aproximadamente 15% trabalhando com reator eletrônico em alta freqüência. Este valor de fluxo luminoso trata-se de uma medida relativa, para sua obtenção, utilizou-se um luxímetro que mediu somente a intensidade luminosa gerada pela lâmpada em um sentido e não toda a intensidade luminosa gerada pela lâmpada. A obtenção do fator de potência praticamente unitário para o modelo eletrônico. 106 Tabela 6.2 Parâmetros elétricos do reator eletrônico proposto com relação a um reator eletromagnético comercial. Parâmetro Elétrico Reator Eletromagnético Reator Eletrônico Sem correção de Com correção de fator de potência fator de potência* VENT (V) 220 220 220 IENT (A) 1,041 0,445 0,361 PENT (W) 89,8 90,3 79,5 Perdas (W) 18,4 18,9 7,7 FP 0,385 0,923 0,995 THDIent (%) 11,23 42,3 5,50 THDVent (%) 1,79 1,82 1,80 Vlamp (V) 80,22 74,85 Ilamp (A) 1,041 0,965 Plamp (W) 71,4 71,8 Fluxo (Lux) 1298 1500 * Adição do capacitor 11F/250VCA 6.9 Sensibilidade a variação de tensão de alimentação de um reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto Uma característica, muito indesejável das lâmpadas de descarga de alta intensidade, e a sua grande sensibilidade a variação na tensão de alimentação, tal sensibilidade, já foi mencionada no item 2.5. Como também já foi comentado que o reator eletrônico estudado possui um circuito de correção de fator de potência do tipo elevador ou “boost” que trabalha em uma malha fechada e por isso mantém a tensão do barramento CC em um valor fixo independentemente da variação da tensão de alimentação. Para analisar tal comportamento, realizaram-se as medidas de desempenho considerando uma variação de 10% na tensão de alimentação do reator. Adotou-se 10% de variação na tensão de alimentação pois é um valor normalmente utilizado nas 107 especificações de reatores eletrônicos para lâmpadas de baixa pressão. Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 6.3. Alguns aspectos importantes podem ser destacados: O funcionamento do reator eletrônico confirmou o esperado, pois os valores de potência de entrada, tensão de lâmpada, corrente de lâmpada e potência de lâmpada ficaram praticamente inalterados com a variação da tensão de alimentação; A variação apresentada na utilização do reator eletromagnético é tão elevada que sua utilização nos limites de tensão deste ensaio fica impraticável, impondo uma restrição a sua utilização. Para possibilitar a sua utilização em sistemas de alimentação acima ou abaixo do valor nominal, existem modelos de reatores calibrados para tensões diferentes ou mesmo reatores com vários “taps” onde é possível escolher a configuração de reator que melhor se encaixa com o valor de tensão de alimentação existente. 108 Tabela 6.3 Análise de sensibilidade do reator eletromagnético versus o reator eletrônico proposto quanto a variação de tensão de alimentação. Parâmetro Elétrico Reator Eletromagnético* Reator Eletrônico VENT (V) 198 220 242 198 220 242 IENT (A) 0,388 0,445 0,569 0,401 0,361 0,326 PENT (W) 69,5 90,3 120,7 79,4 79,5 79,1 FP 0,907 0,923 0,881 0,998 0,995 0,995 THDI ent (%) 38,18 42,3 47,0 4,44 5,50 5,67 THDV ent (%) 1,84 1,82 1,77 1,81 1,80 1,65 Vlamp (V) 75,25 80,22 87,59 74,42 74,85 74,27 Ilamp (A) 0,870 1,041 1,304 0,966 0,965 0,966 Plamp (W) 55,75 71,4 93,2 71,6 71,8 71,5 Perdas (W) 13,75 18,9 27,5 7,8 7,7 7,6 Fluxo (Lux) 838 1298 1931 1507 1500 1503 * Adição do capacitor 11F/250VCA Figura 6.12 Gráfico comparativo da variação de potência e fluxo luminoso em decorrência da variação de tensão de alimentação. 109 6.10 Conclusão Neste capítulo verificou-se inicialmente. a inexistência de uma freqüência de operação na qual não houvesse o fenômeno de ressonância acústica que fosse valida para o universo das lâmpadas ensaiadas. Em um segundo estágio, com a aplicação do método de eliminação de ressonância acústica proposto, pode-se observar que a eficácia de tal método esta atrelada a taxa de variação da freqüência de operação, de modo que foi possível determinar uma taxa mínima de variação da freqüência de operação. Por fim, foi possível comparar a solução sugerida com a solução atual, onde se comprovou as grandes vantagens que o reator proposto apresenta, tais como perdas reduzidas, eficácia luminosa maior, distorção harmônica reduzida, peso reduzido, alto fator de potência e a operação no ponto ótimo da lâmpada independentemente da tensão de alimentação. 110 7 CONCLUSÕES FINAIS O trabalho apresentou o estudo e a implementação de um reator eletrônico para lâmpada de alta pressão de vapor metálico com sistema de eliminação do fenômeno da ressonância acústica. Para tanto, iniciou-se com uma revisão bibliográfica versando sobre as lâmpadas de descarga, apresentando as vantagens e as desvantagens associadas aos diferentes tipos de lâmpadas. Foram realizadas comparações entre os diferentes tipos de lâmpadas e foi possível justificar a escolha da lâmpada de vapor metálico como foco do presente estudo, pois se trata de uma lâmpada de alta eficácia luminosa e ótima reprodução de cores. Após a escolha do modelo de lâmpada para o qual se desenvolveria o reator, o próximo passo, foi o estudo mais aprofundado das características construtivas e de operação da lâmpada. A solução utilizada atualmente para causar a ignição e estabilizar o arco da lâmpada foi analisada pois serve de referência para o desenvolvimento do reator eletrônico. Foi realizada uma revisão bibliográfica sobre o fenômeno da ressonância acústica, através desta revisão foram identificados diferentes métodos para eliminar este problema. A partir desta revisão, foi possível eleger quais dos métodos vistos poderiam ser promissores para a utilização futura. Paralelamente ao estudo da ressonância acústica, um método de cálculo dos componentes do reator eletrônico foi adotado e apresentado. A partir deste método, foi possível identificar os componentes do filtro ressonante e os transistores de potência necessários para a implementação do reator. Após a determinação dos componentes do reator, uma simulação foi realizada com a utilização do software Orcad 9.1 cujos resultados validaram o método utilizado para o cálculo dos componentes. Montou-se um reator protótipo e, com ele, foi possível realizar uma varredura em freqüência, a fim de buscar verificar a existência de zonas livres do fenômeno da ressonância acústica, nas principais marcas de lâmpadas comercializadas no mercado brasileiro. Uma vez que não foi possível achar uma freqüência única ou intervalo de freqüências livre de ressonância acústica, comum a todas as marcas de lâmpadas, 111 implementou-se um segundo método de eliminação de ressonância acústica, através do espalhamento em freqüência da potência fornecida a lâmpada. Para a validação de tal método, realizaram-se verificações experimentais utilizando-se para tanto as mesmas marcas de lâmpadas utilizadas no ensaio anterior, de onde foi possível estabelecer uma taxa de variação mínima da freqüência de operação, com a qual se consegue a eliminação total da ressonância acústica, para todas marcas de lâmpadas analisadas. Tendo tratado com êxito o problema da ressonância acústica, o último passo, foi realizar testes de desempenho no reator eletrônico a fim de comparar o reator eletrônico desenvolvido nesta dissertação com o reator eletromagnético comercial. Tais ensaios atestaram as vantagens incondicionais que o reator eletrônico apresenta: reduzido índice de THD da corrente de entrada, fator de potência unitário, baixas perdas, baixíssima sensibilidade a variação da tensão de alimentação e peso reduzido. Sendo assim, os objetivos do trabalho foram plenamente alcançados com o desenvolvimento de um reator eletrônico para lâmpada de vapor metálico, com sistema de eliminação de ressonância acústica que atende as principais marcas de lâmpadas comercializadas no mercado brasileiro, apresentando grandes vantagens se comparado ao modelo convencional comercializado atualmente. 112 8 PRÓXIMOS TRABALHOS Os próximos trabalhos a serem realizados, continuam no campo da iluminação com lâmpadas de vapor metálico, por se tratar de uma aplicação que apresenta grande perspectivas futuras. Alguns pontos estratégicos, que não foram alvo deste trabalho, devem ser estudados, para agregar vantagens a futura substituição de reatores eletromagnéticos por reatores eletrônicos para lâmpadas de alta intensidade. Um ponto importante, é a modificação na temperatura de cor das lâmpadas de vapor metálico quando submetidas a alta freqüência, este fenômeno deve ser estudado com mais profundidade pois pode se tornar uma potencial desvantagem caso esta característica não seja controlável ou repetitiva, ou mesmo uma vantagem caso o controle dessa característica seja possível. Outro ponto crucial, para o sucesso ou não dos reatores eletrônicos para lâmpadas de alta intensidade, é a garantia da vida útil da lâmpada em comparação com o sistema eletromagnético. Para tanto, ensaios comparativos de vida de lâmpada entre reatores eletromagnéticos e eletrônicos devem ser realizados para que se possa determinar com precisão se a de reatores eletrônicos de alta freqüência aumentam ou não a vida útil da lâmpada. Como ficou explicito do exposto existem ainda varias questões que devem ser respondidas, para que se tenha o domínio completo desta tecnologia. 113 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Groot, J. J.; Vliet, J. A. J. M. “The High-Pressure Sodium Lamp”. Philips Technical Library, 1986. [2] J. B. Harris OBE, “Electric lamps, past and present,” Engineering Science and Education Journal, August 1993. [3] “Lâmpadas Fluorescentes Boletim Técnico de Engenharia”, Sylvania. [4] José Roberto Fantinalli de Barros, “Desperdício de energia na iluminação públicas e propostas de solução”, Eletricidade Moderna, Março 2000. [5] Trond Hansen e Eilif Hugo Hansen, “Lâmpadas de descarga: impactos no meio ambiente e formas de tratamento”, Eletricidade Moderna, Setembro 1998. [6] ZBEI (Zentralverband Elektrotechnic und Elektronikindustrie e.V): Entladungslampen und Umwelt, 6.Auflage, March 1993. [7] Gilberto José Corrêa da Costa, “Iluminação Econômica Cálculo e Avaliação”, Editora EDIPUCRS, Porto Alegre, 1998, 503p. [8] “Uso racional de energia elétrica em edificação iluminação”, Abilux, São Paulo, 1992. [9] “ITRI Develops Efficient Electroni Ballast for HID Lamps”, CENS Lighting, March 2004. [10] Mark S. Rea, “In The Dark About The Lumen”, IAEEL newsletter, Feb 1995. www.stem.se/iaeel/iaeel/newsl/1995/tva1995/HumFa_2_95.html [11] “The Metal Halide Source Book”, Ventura Lighting. [12] “Metal Halide Lamps, Technical Manual HSI-TD 70W WDL, HSI-M-TD 150W/WDL”, Sylvania, 1990. [13] “Lâmpadas Multivapores Metálicos”, Eng. Flávio Ribeiro Escobar, Gerente de Produtos da Sylvania do Brasil, Iluminação Brasil, Março 1996. [14] “Thyristor product catalog and application notes”, Teccor Electronics Thyristor Product Catalog, 2002. [15] “SIDACtor data book and design guide”, Teccor Electronics, 2002. [16] Surge Arresters and Switching Spark Gaps, EPCOS, Product Profile 2000. [17] Philips Iluminação “Informação de Produto, Lâmpadas e Reatores”, Philips do Brasil Ltda, São Paulo SP, 1991. [18] Barbi, Ivo “Eletrônica de potência: Projeto de fontes chaveadas”, Florianópolis, Ed. do Autor, 2001. 114 [19] T. H. Yu; L. M. Wu; T. F. Wu. “Comparisons Among Self-Excited Parallel Resonant, Series Resonant and Current-Fed Push-Pull Electronic Ballasts”. IEEE 1994, p421426. [20] R. L. Steigerwald. “A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies”. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 3, No. 2, April 1988. [21] R. N. Prado; F. E. Bisogno; A. R. Seidel. “Resonant Filter Applications in Electronic Ballast”, IEEE 2002 p.348-354. [22] M. Rico; A. J. Calleja; E. Lopez; C. Blanco; J. M. Alonso. “Analysis, Design, and Optimization of the LCC Resonant Inverter as a High-Intensity Discharge Lamp Ballast”. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 3, May 1998. [23]H. Kakehashi, T.Ninomiya, and H.Ogaswara, “Analysis of na HID-lamp Ignitor Using a Two-stage Magnétic-pulse-compression Circuit” Trans. Of the IEE Japan, Vol.119D, No.12, 1999. [24] Anderson S. André, Arnaldo J. Perin, Ivo Barbi. “Ignitors of Electronic Ballast For HID Lamps,” Cobep 2001, pp. 644-649. [25] Bem-Yaakov, S. and Gulko, M, “Design and performance of na electronic ballast for high-pressure sodium (HPS) lamps”. IEEE Transactions on Industrial Eletronics Vol. 44, Issue 4, Aug. 1997, pp 486-491. [26] R. N do Prado, A. R. Seidel, F.E. Bisogno and M. A. D. Costa. “Self-Oscillating Electronic Ballast Design” Induscon 2002, pp. 591-596. [27]Suzuki, T., “Estudo e Desenvolvimento de um Reator Eletrônico para Lâmpadas de Alta Pressão de Vapor de Sódio,” Tese de Mestrado, Porto Alegre, PUC, 2003. [28] Anderson S. André, Arnaldo J. Perin. “Electronic Ballast For High-Pressure Sodium Lamps,” Cobep 2001, pp. 650-655. [29] J. Zhou, F. Tao, Fred C. Lee, N. Onishi and M. Okawa. “ High Power Density Electronic for HID Lamps” IEEE 2002, pp.1875-1880. [30] Yongxuan Hu “Analysis and Design of High-Intensity-Discharge Lamp Ballast for Automotive Headlamp”, November 19, 2001Blacksburg, Virginia [31] J.H. Campbell, “Initial characteristics of high-intensity discharge lamps on highfrequency power,” Illum. Eng. Soc. Trans., pp. 713-722, Dec. 1969. [32]Yang Zheng Ming, Chai Guo Sheng, Zhang Ming, “A new explanation of the instability of high intensity discharge operated in high frequency”. Disponível para 115 download em http://www.icpig.uni-greifswald.de/proceedings/data/Ming_1 acessado em 20/04/2004. [33]Wei Yan, Y.K.E Ho, S.Y.R Hui, “Stability Study and Control Methods for SmallWattage High-Intensity-Discharge (HID) Lamps”, IEEE 2001. [34]H. L. Writting, “Acoustic Resonances in Cylindrical High-Pressure Arc Discharges”, J. Appl. Phys., vol. 49, no. 5, pp.2680-2683, 1978. [35] Anderson Soares André, Arnaldo José Perin, Cícero Cruz Tavares, Joabel Mota, “Electronic Ballast for High-Pressure Sodium Lamps With Acoustic Resonance Avoidance”, Cobep 2003, pp. 379-384. [36]T.J. Liang, K. H. Su, W. H. Fu, “High Frequency Electrical Circuit Model of MetalHalide Lamp”, IEEE 1998. [37]M. Ponce, A. López, J. Correa, J. Arau, J. M. Alonso, “Electronic Ballast for HID Lamps with High Frequency Square Waveform to Avoid Acoustic Resonances”, IEEE 2001. [38] J. Zhou; L. Ma Z. Qian. “A Novel Method for Testing Acoustic Resonance of HID Lamps”, APEC’99. [39] Richard Redl; Jon D. Paul. “A New High-Frequency Electronic Ballast for HID Lamps; Topology, Analysis, Desing and Experimental Results”, APEC’99. [40] S.Wada, A. Okada, and S. Morri, “Study of HID lamps with reduced acoustic resonances,” J. Illum. Eng. Soc., pp. 162-175, Winter 1987. [41] M.A. Có, M. Brumatti, D.S.L. Simonetti, J.L.F. Vieira, “Single Stage Low Frequency Square Wave Electronic Ballast for HID Lamps,” COBEP 2003, pp. 209-213. [42] D. Czekay, H. Güldner, M. Honsberg-Riedl and B. Schemmel, “ Fluorescent Lamps with MHz Electronic Ballast,” Cobep 2003, pp. 803-807. [43] Ben-Yaakov, S.; Gulko, M.; Medini, D. “Design and performance of a electronic ballast for high-pressure sodium (HPS) lamp. IEEE Transaction on Industrial Electronic, vol. 44, 1997, pp:486-491. [44] M. Toss, Aperfeiçoamento em Circuito de Proteção para Reatores Eletrônicos, de Intral S.A., Custódio de Almeida e Cia, 2004. [45] IEC 61000-3-3 “Limits for harmonic current emissions ( equipment input current 16 A per phase)”, Edition 2.1, 2001-10. [46] FCC- Federal Communications Commission. www.fcc.gov 116 [47] NBR 14305 “Reator e ignitor para lâmpada a vapor metálico (halogenetos) – Requisitos e ensaios”, Maio 1999. [48] NBR 13593 “Reator e ignitor para lâmpada a vapor de sódio a alta pressão – Especificação e ensaios”, Fevereiro 2003. [49] “Power Factor Corrector” Application Manual 1st Edition SGS-Thomson Microelectronics, October 1995. [50] “Desing Tips for L6561 Power Factor Corrector in Wide Range” AN1214 Application Note, SGS-Thomson, December 1999, www.st.com. [51] Adragna Claudio, “THD Optimizer Circuits for PFC Pre-regulators”, AN1616 Application Note, SGS-Thomson, November 2002, www.st.com. [52] “Power Factor Controllers”, Semiconductor Technical Data, Motorola, Ver 1 1996. [53] “LX 1562/1563 Second Generation Power Factor Controller” Linfinity Microelectronics Ver 1.3 December 19996. [54] “KA7525/B/26 Power Factor Correction” Fairchild Semiconductor, Ver 3.0, VER B, www.fairchildsemi.com . [55] “Lighting Ballast Control IC”, Designer’s Manual 2001, International Retifier Technical, pp125-130, November 2000. 117
