Simulação e Validação Computacional de uma Lâmpada Tubular

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