Avaliação do uso de Conversores em Baixa Frequência

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
AVALIAÇÃO DO USO DE CONVERSORES EM BAIXA FREQUÊNCIA COMO DRIVERS DE
LUMINÁRIAS LED.
FERNANDO J. NOGUEIRA, LAÍS A. VITOI, CRISTIANO G. CASAGRANDE E HENRIQUE A. C. BRAGA
NIMO - Núcleo de Iluminação Moderna, Universidade Federal de Juiz de Fora
36036-900, Juiz de Fora, MG, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract This paper presents a discussion about the use of low frequency converters as offline LED drivers and their application in street lighting luminaires. These simple and low cost converters may provide high power factor, low input current distortion and compliance with IEC 61.000-2-3 Class C Standard, which limits the emission of harmonic currents of lighting components. A description and experimental study of the boost rectifier as an LED driver applied to a low power string of LEDs is presented. This device has featured an efficiency of 59%, mainly due to the required use of a low frequency step down transformer.
Similar low frequency LED drivers have been also studied and presented here, and are mainly focused to street lighting applications. In this case, no transformers are required at all, what may define much higher converter efficiency. Preliminary results by
computational simulation show that it is also possible to design these LED drivers with no need of electrolytic capacitors, what
may confer an extended lifetime for these LED drivers.
Keywords LED, low frequency led driver, street lighting.
Resumo Este artigo apresenta uma discussão sobre o uso de conversores em baixa frequência para acionamento de LEDs e sua
aplicação em luminárias de iluminação pública. Esses conversores, simples e de baixo custo, podem obter elevado fator de potência, baixa distorção harmônica da corrente de entrada e conformidade com a norma IEC 61.000-2-3 Classe C, que limita a emissão de correntes harmônicas dos componentes de iluminação. A descrição e estudo experimental de um retificador boost como
driver de um arranjo de LEDs de baixa potência é apresentado. Este dispositivo obteve uma eficiência de 59%, principalmente
devido ao uso de um transformador abaixador de baixa frequência. Conversores similares operando em baixa frequência para
acionamento de LEDs também são apresentados, e têm sua aplicação focada em iluminação pública. Nesse caso, não é necessária
a utilização de um transformador abaixador, o que pode elevar a eficiência desses conversores. Resultados preliminares através
de simulação computacional mostram que é possível projetar drivers de baixa frequência para LEDs sem a necessidade de capacitores eletrolíticos, o que pode estender a vida útil desses circuitos de acionamento.
Palavras-chave Drivers de baixa frequência para LEDs, LED, Iluminação pública.
1
mente apresentam circuitos complexos que utilizam
capacitores eletrolíticos, resultando em baixa confiabilidade e redução da vida útil do driver. De qualquer forma, espera-se que um bom driver para LEDs
possua ao menos elevado fator de potência, taxa de
distorção harmônica da corrente de entrada (THDi)
reduzida, baixo custo de implementação, robustez e
alta confiabilidade, visto que os LEDs de potência
(ou HP LEDs, do inglês, High Power LEDs) podem
durar até 100.000 horas (LAUBSCH, 2010).
O estudo de drivers que utilizam estratégias de
acionamento em baixa frequência tem sido tema de
diversas pesquisas (ALONSO, 2011; BRAGA, 2012
e HUI, 2010), por ser possível evitar a utilização de
capacitores eletrolíticos na confecção dos circuitos.
Este trabalho aborda a utilização de drivers para
LEDs baseados em quatro conversores (boost, boost
quadrático, Ćuk e Sepic) operando em baixa frequência. Um dos quatro drivers para LEDs propostos
neste trabalho emprega um pré-regulador boost convencional, que tem seu interruptor acionado em baixa frequência através de pulso único a cada meio
ciclo da forma de onda de tensão de entrada, conforme estratégias descritas em (BRAGA, 2012;
CHENG, 2008; POMÍLIO, 1999 e SUGA, 1993).
Esses drivers de baixo custo e elevado fator de potência serão comparados com um circuito retificador
em ponte alimentando um arranjo de LEDs associados em série, visando à aplicação em casos típicos de
iluminação pública. Serão feitas simulações para
Introdução
Desde o desenvolvimento do primeiro diodo
emissor de luz (ou LED, do inglês Light Emitting
Diode) de cor branca, estes dispositivos vêm
ganhando espaço nas aplicações de iluminação em
geral. Suas características de elevada eficácia
luminosa, podendo chegar a 150 lm/W e em franco
crescimento (DUPUIS, 2008), elevado índice de reprodução de cor (IRC), alta resistência mecânica e
longa vida útil fazem com que os LEDs sejam apontados como a fonte de luz do futuro. Aplicações em
iluminação de interiores e de ambientes externos
(principalmente iluminação pública) vêm começando
a se tornar populares em todo o mundo.
A alimentação dos LEDs é feita através de um
circuito eletrônico de acionamento (ou driver). Este
dispositivo é responsável por ajustar os valores de
tensão e corrente da rede elétrica alternada, para os
níveis contínuos dos arranjos de LEDs (conjunto de
LEDs associados). O driver também é responsável
por manter a corrente no LED no nível adequado, a
fim de evitar variações no fluxo luminoso emitido e
redução da vida útil do LED.
Apesar de algumas topologias sofisticadas serem
frequentemente propostas como drivers para LEDs, é
sempre interessante buscar soluções simples, que
permitam a redução dos custos e possuam longevidade compatível com a dos LEDs. Além disso, reguladores de fator de potência convencionais normal3090
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avaliar as características de fator de potência, THDi,
potência total de entrada, corrente imposta sobre os
LEDs e a conformidade de cada um desses drivers
com a norma vigente que regula a emissão de correntes harmônicas na rede elétrica (IEC, 2005 e
POMÍLIO, 2000). Por fim, será realizada uma análise do comportamento desses drivers quando submetidos a variações na tensão de entrada de até ±10%, e
uma breve discussão sobre as possíveis variáveis de
controle desses circuitos.
2.1 Modelagem Matemática do Pré-Regulador Boost
Assumindo que o pico da tensão da entrada é Vp,
é possível encontrar analiticamente a expressão da
corrente de entrada is considerando duas etapas de
operação do conversor em cada semiciclo da tensão
de entrada. A primeira etapa corresponde ao intervalo de tempo em que o interruptor M esta fechado (0 a
Ton) e a segunda etapa corresponde ao intervalo de
tempo em que o interreptor M esta aberto e a corrente de entrada cai a zero (Ton a Tf).
No intervalo de tempo entre 0 e Ton, a corrente
de entrada é dada por (1).
2 Pré-Regulador Boost de Baixa Frequência
Aplicado a Driver de LEDs
is1 (t ) 
Conversores chaveados utilizados como drivers
para LEDs geralmente operam em alta frequência, o
que faz com que seu peso e volume sejam reduzidos.
Entretanto, este tipo de operação ocasiona o surgimento de interferência eletromagnética e pode exigir
um circuito para correção do fator de potência integrado a esses conversores, o que aumenta a complexidade e custo do sistema.
Por outro lado, conversores CA-CC de elevado
fator de potência, operando em baixas frequências,
são mais simples e podem possuir um menor custo
de implementação. Isso ocorre devido ao número
reduzido de componentes do sistema, que além de
diminuir os custos, tornam o circuito mais robusto e
menos susceptível a falhas, aumentando assim sua
confiabilidade e vida útil.
O conversor CA-CC tipo boost operando em
baixa frequência tem a capacidade de proporcionar
um fator de potência naturalmente elevado com conteúdo harmônico reduzido (SUGA, 1993). A Figura
1 ilustra a aplicação desse conversor operando em
baixa frequência como um circuito de acionamento
de LEDs. Nessa figura, a tensão da fonte de alimentação é representada por Vs, o indutor por L e o dispositivo de chaveamento por M (e.g. Mosfet). O arranjo de LEDs é modelado como uma resistência Rs
em série com uma queda de tensão V0, como visto em
(ALMEIDA, 2012). Todos os demais componentes
são considerados ideais.
A técnica de chaveamento do interruptor M consiste em um pulso unitário de duração Ton no início
de cada semiciclo da tensão de entrada, o que corresponde a uma frequência de chaveamento de 120 Hz
(assumindo que a frequência de Vs é de 60 Hz).
Vp
L
1  cos(t ) 
(1)
Entre o intervalo de tempo Ton e Tf a corrente de
entrada é dada por (2).
is 2 (t  Ton )  a e
(t Ton )

b
(2)
Onde:
a
V0
Rs

Vp Rs
2
L LZ
2
Vp
b
V0
Rs


Vp Rs
Z
2
[cos( Ton )   sen( Ton )] (3)
[  cos( t )  sin( t )]
(4)
com τ = L/Rs e Z2 = (ωL)2 +Rs 2 .
É interessante notar que no segundo estágio a
corrente de entrada é exatamente a mesma que flui
sobre o arranjo de LEDs.
De forma a determinar os valores dos componentes, as seguintes questões devem ser levadas em
consideração:
i. O tempo Ton que o interruptor M fica fechado
deve ser maior que um valor mínimo para evitar
uma descontinuidade adicional na corrente de entrada (entre Ton e Tf) e um indesejado aumento do
conteúdo harmônico que ocasiona redução do fator de potência;
ii. O valor médio da corrente de saída e o valor de
pico da corrente sobre o arranjo de LEDs devem
ser menores que os valores máximos especificados pelo fabricante do LED;
O valor de Ton é determinado a partir do valor de
τ e da corrente média de saída Io desejada. A corrente
sobre o arranjo de LEDs é expressa pela equação (5).
I o   

Vp
in (t  Ton )dt 
on
  Rs
 Tf
T
(5)
Onde in (t - Ton) é o valor normalizado da corrente que flui através do arranjo de LEDs.
A partir da análise do conversor é possível concluir que os principais parâmetros a serem escolhidos
são L e Ton.
Figura1. Conversor CA-CC do tipo boost como driver para LEDs.
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2.2. Aplicação do Conversor Boost como Driver de
uma Luminária LED de Baixa Potência
Esta luminária foi avaliada dos pontos de vista
elétrico e fotométrico. Os parâmetros elétricos foram
obtidos com auxílio do osciloscópio TEKTRONIX
DPO-3014 e do wattímetro YOKOGAWA WT-230.
Os parâmetros fotométricos foram obtidos com auxílio da esfera integradora de Ulbrich LABSPHERE
LMS-400.
A Figura 2 mostra as formas de onda da tensão e
corrente de entrada vistas na entrada da fonte retificadora AC da Figura 1 (secundário do transformador). Um elevado fator de potência de 0,98 foi alcançado.
A Figura 3 mostra as formas de onda de tensão e
corrente nos terminais do arranjo de LEDs para um
pulso de chaveamento Ton igual a 2ms. Como pode
ser observado, a corrente média nos LEDs é aproximadamente 350 mA, enquanto o valor de pico é de
800 mA. Ambos os valores estão em conformidades
com os parâmetros do LED escolhido, apresentados
na Tabela 1. Além disso, essas grandezas se aproximam dos valores teóricos adotados no projeto.
A potência total do arranjo de LEDs foi de 10,7
W, sendo próxima do valor desejado. A eficiência
global do conversor é de 59% se incluídas as perdas
no transformador abaixador. Se essas perdas fossem
desconsideradas, a eficiência global do conversor
seria maior que 80%. Melhores resultados podem ser
alcançados se técnicas mais apropriadas de implementação do circuito forem adotadas (principalmente
na confecção do indutor).
A fim de avaliar na prática o conversor CA-CC
do tipo boost descrito anteriormente, uma luminária
LED de baixa potência é proposta.
Essa luminária possui um arranjo de LEDs associados em série, totalizando uma potência de 11 W.
Visto que a tensão nos terminais do arranjo de LEDs
atinge valores muito baixos, menores do que 40 V
(assumindo LEDs de 1 W ou 3 W que apresentam
tensão direta menores que 4 V entre seus terminais),
faz-se necessário a utilização de um transformador
abaixador de forma a reduzir a tensão de entrada
(127 V) a um valor compatível com a queda de tensão do arranjo de LEDs.
O protótipo possui nove LEDs associados, operando com 1,2 W cada, tensão direta de aproximadamente 3,5 V e corrente média de aproximadamente
350 mA. Assim, para a implementação da luminária
foram escolhidos os LEDs Everlight EPH-AX08EL/
LM01H-P03/3035/Y/N1, dos quais os principais
parâmetros são mostrados na Tabela 1.
Os principais parâmetros utilizados na implementação do protótipo proposto e os principais componentes utilizados na construção da luminária são
encontrados respectivamente nas Tabelas 2 e 3.
Tabela 1. Parâmetros do LED Everlight EHP-AX08EL.
Parâmetro
Valor
Máxima Potência de Operação
Tensão de Limiar, Vo
Resistência Equivalente, R
Temperatura de Cor
Ângulo de visão típico
Eficiência óptica
Fluxo luminoso
Max. Corrente de Operação DC
Max Corrente de Pico
Índice de Reprodução de Cor
3W
2,7 V
1,8 Ω
3250 K
140°
55 lm/W
75 lm @ 300 mA
700 mA
1000 mA
75
Tabela 2. Parâmetros da Luminária LED
Parâmetro
Valor
Potência de Saída
Tensão de Pico AC, Vp
Corrente media no arranjo de
LEDs, I0
Tempo ativo da chave, Ton
Valor da indutância
11 W
36 V
Figura 2. Tensão no secundário do transformador (azul) e corrente
na ponte retificadora (vermelho).
350 mA
2 ms
32 mH
Tabela 3. Componentes do Protótipo da Luminária LED.
Parâmetro
Valor
Chave
Diodos
Transformador
abaixador
IRF 740
MUR160
Indutor
Pulso do Gate
Dissipador de calor
127V – 15+15V, 60 Hz
Ferro Laminado, núcleo EE, 3 cm de
largura, 0,9 cm de espessura, 2,5 cm
de altura, 27 AWG/208 voltas, 20
lâminas, 35 mH3
Analógico usando 555
Alumínio, 30 cm
Figura 3. Tensão (azul) e corrente (vermelho) no arranjo de LEDs.
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Tabela 4. Comparação dos Parâmetros Fotométricos.
Boost
Fonte CC
Parâmetro
De forma a avaliar o impacto fotométrico provocado pelo uso de uma forma de onda de corrente
descontínua em baixa frequência na alimentação do
arranjo de LEDs, foram efetuadas medições no interior de uma esfera integradora comparando os resultados fotométricos obtidos pelo conversor boost com
os resultados obtidos por uma fonte de corrente CC
ideal, alimentando o arranjo de LEDs com a mesma
corrente média fornecida pelo conversor. Os principais resultados obtidos são mostrados na Tabela 4.
Os testes fotométricos mostram que ocorreu uma
redução no fluxo luminoso dos LEDs em torno de
10,5% quando alimentados pela corrente pulsada do
conversor. Em relação à cromaticidade, ocorreram
desvios poucos relevantes que não provocaram mudanças significativas na temperatura correlata de cor
(TCC) dos LEDs. Além disso, não houve mudanças
no IRC dos LEDs. A redução no fluxo luminoso
pode ser considerada como um preço a se pagar pelo
uso de um driver simples e de baixo custo. A Figura
4 mostra a curva de distribuição espectral do arranjo
de LEDs obtida para cada uma das situações descritas, onde é possível notar uma redução da densidade
de potência dos LEDs quando alimentados pela corrente pulsada do conversor CA-CC boost.
Fluxo luminoso (lumens)
TCC (Kelvin)
IRC (%)
Cromaticidade x
Cromaticidade y
Densidade espectral de potência (mW/nm)
x 10
311
3010
75,2
0,439
0,409
278
3007
75,2
0,438
0,407
-3
6
Conversor CA-CC
Fonte CC
5
4
3
2
1
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
Comprimento de onda (nm)
Figura 4. Espectros do arranjo de LEDs para duas situações diferentes de acionamento.
Todas as simulações foram efetuadas adotando
uma tensão de entrada de 220 Vrms (valor típico do
sistema de iluminação pública no Brasil). Além disso, procurou-se manter a corrente média nos LEDs
em aproximadamente 450 mA, evitando correntes de
pico superiores a 1 A. Objetivou-se obter para cada
um dos casos avaliados: elevado fator de potência,
reduzida taxa de distorção harmônica da corrente de
entrada, conformidade com a norma IEC 61.000-2-3
Classe C (que limita a emissão de correntes harmônicas dos componentes de iluminação pública) e potência total de saída superior a 50 W, de forma a justificar a aplicação desses conversores em luminárias
LED destinadas a iluminação pública. Os parâmetros
escolhidos para o LED nas simulações são os mesmos descritos na Tabela 1.
3 Topologias Alternativas Aplicadas a Drivers de
Luminárias LED de Iluminação Pública
Como mostrado na seção anterior, o uso do
transformador abaixador na composição do circuito
de acionamento dos LEDs para adequar a tensão de
entrada da rede elétrica à baixa tensão do arranjo de
LEDs da luminária de baixa potência provocou uma
redução significativa na eficiência do circuito. Logo,
presume-se que aplicações que dispensem este componente podem resultar na elevação do rendimento
global do circuito. Em tais aplicações, portanto, supõe-se que a tensão de saída será significativamente
mais alta (tensão terminal no arranjo de LEDs) de
modo que o transformador se torne desnecessário.
Nesse contexto, optou-se por utilizar o préregulador boost para alimentar um arranjo de LEDs
destinados à iluminação de áreas públicas (e.g. ruas,
praças, pontes, estacionamentos, etc.). Como os níveis de potência nesses locais são maiores, necessitase utilizar uma maior quantidade de LEDs. Assim,
admitindo-se um arranjo maior de LEDs em série, a
tensão requerida na saída do conversor é próxima do
valor da tensão da rede elétrica, o que permite dispensar o transformador na entrada do circuito.
Nesta seção, também são apresentadas outras soluções para iluminação pública utilizando os conversores boost quadrático, Ćuk e Sepic operando em
baixa frequência para acionar um arranjo de LEDs.
Os resultados obtidos através de simulação no software PSIM para esses conversores são comparados
aos resultados obtidos a partir de uma ponte retificadora de diodos utilizada para efetuar o acionamento
de um arranjo de LEDs.
3.1 Driver Baseado no Conversor Boost
A Figura 5 (a e b) mostra os resultados da simulação obtidos para o pré-regulador boost da Figura 1
utilizado como driver de luminárias LEDs de iluminação pública. O indutor utilizado têm indutância de
255 mH e o pulso de chaveamento Ton é de 1,81 ms.
Um fator de potência de 0,987 foi alcançado com
uma THDi de 14%. Neste caso, 68 LEDs foram associados em série, obtendo uma potência total de 132
W, valor típico de luminárias LEDs de ambientes
externos. Além disso, é possível observar na Figura 6
que para esse driver, que utiliza como base um préregulador do tipo boost, a partir dos parâmetros escolhidos anteriormente, consegue-se respeitar os limites
de correntes harmônicas emitidas na rede elétrica
como previsto na norma IEC 61.000-2-3 Classe C
(IEC, 2005).
3093
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(a)
(a)
(b)
(b)
Figura 5. Conversor boost (a) Tensão de entrada (vermelho), 180x
corrente de entrada (azul) e pulso no gate do interruptor M (verde);
(b) Corrente nos LEDs.
Figura 8. Conversor boost quadrático (a) Tensão de entrada (vermelho), 180x corrente de entrada (azul) e pulso no gate do interruptor M (verde); (b) Corrente nos LEDs.
Figura 6. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entrada
segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED
empregando conversor boost.
Figura 9. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entrada
segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED
empregando conversor boost quadrático.
3.2 Driver Baseado no Conversor Boost Quadrático
3.3 Driver Baseado no Conversor Ćuk
O esquemático do circuito empregando o conversor boost quadrático em baixa frequência para
acionamento de LEDs é mostrado na Figura 7.
A Figura 8 (a e b) mostra os resultados de simulação obtidos. Nesse caso, 72 LEDs foram combinados em série, obtendo uma potência total de 150 W.
As indutâncias L1 e L2 são de 320 mH, o capacitor
de 1 µF e o pulso de chaveamento Ton foi de 2,1 ms.
Um fator de potência de 0,992 e THDi de 12,7%
foram alcançados. Assim como ocorre no conversor
boost, a corrente na saída apresenta natureza descontínua, o que pode causar flicker (cintilação luminosa)
e reduzir o fluxo luminoso do arranjo de LEDs. A
Figura 9 mostra que essa configuração também esta
conforme a norma IEC 61.000-3-2 Classe C.
O driver baseado no conversor Ćuk, mostrado
na Figura 10, pode ser projetado de forma a impor
uma corrente contínua sobre o arranjo de LEDs.
A Figura 11(a e b) mostra os resultados de simulação baseados nesse conversor. Nesse caso, foi utilizada uma indutância de entrada L1 de 1240 mH e
uma indutância de saída L2 de 900 mH. O capacitor
empregado foi de 27 F, sendo relativamente simples de encontrá-lo em uma versão não eletrolítica
(capacitores de filme). O pulso de chaveamento Ton
no interruptor M foi de 2,96 ms. Para esse driver foi
obtido um fator de potência de 0,986 e uma THDi de
13,8%. Para essa condição, 36 LEDs foram associados em série, alcançando uma potência total de 56W,
tendo aplicação na iluminação de áreas públicas de
menor porte (pequenas praças, jardins e calçadas).
Outro ponto que pode ser observado se refere ao
alto ripple (ondulação) presente na corrente de saída
(Figura 11.b.). Apesar de ser de natureza unidirecional, esta corrente apresenta um valor de ripple (pico
a pico) de cerca de 200 % em relação à corrente média. No entanto, (ALMEIDA, 2011) mostra que a
diminuição do fluxo luminoso nesta condição não é
superior a 5 %, com desvio de cor insignificante.
Por fim a Figura 12 mostra que a configuração
descrita respeita os limites de correntes harmônicas.
Figura 7. Driver baseado no conversor boost quadrático.
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Figura 10. Driver baseado no conversor Ćuk.
Figura 13. Driver baseado no conversor Sepic.
(a)
(a)
(b)
(b)
Figura 11. Conversor Ćuk (a) Tensão de entrada (vermelho), 250x
corrente de entrada (azul) e pulso no gate do interruptor M (verde);
(b) Corrente nos LEDs.
Figura 14. Conversor Sepic (a) Tensão de entrada (vermelho),
250x corrente de entrada (azul) e pulso no gate do interruptor M
(verde); (b) Corrente nos LEDs.
Figura 12. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entrada segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED
empregando conversor Ćuk.
Figura 15. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entrada segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED
empregando conversor Sepic.
3.4 Driver Baseado no Conversor Sepic
3.5 Acionamento de LEDs via Ponte Retificadora
O driver de baixa frequência para LEDs baseado
no conversor Sepic é mostrado na Figura 13.
Os resultados de simulação utilizando esse conversor são mostrados na Figura 14 (a e b). As indutâncias L1 e L2 valem 1.450 mH, enquanto o capacitor C vale 27 F. O pulso de chaveamento Ton do
interruptor M foi ajustado 3,1 ms. Um fator de potência de 0,985 foi alcançado com uma THDi de
13,3%. Nesse caso, 32 LEDs foram associados em
série, alcançando uma potência total de 50 W. A
corrente descontínua sobre os LEDs e o tamanho dos
indutores para alcançar potências mais elevadas são
as desvantagens do conversor Sepic. Por outro lado,
essa topologia também é capaz de atender a norma
IEC 61000-3-2, como visto na Figura 15.
Mesmo a ponte retificadora mostrada na Figura
16 pode ser utilizada para efetuar o acionamento de
um determinado arranjo de LEDs. Os resultados de
simulação presentes na Figura 17 (a e b) mostram
que para um arranjo de 64 LEDs em série, totalizando uma potência de 139W, foi possível obter um
fator de potência de 0,922 e uma THDi de 41,7%.
Porém, nota-se que o valor da corrente de pico sobre
os LEDs é maior do que a máxima suportada pelo
LED da Tabela 1. Entretanto, os LEDs de potência
mais modernos podem suportar correntes maiores
que 2A. A principal desvantagem desta topologia é a
impossibilidade de controlar a corrente de saída sobre os LEDs e a não conformidade com a norma IEC
61.000-3-2 (Figura 18) para a situação descrita.
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Os demais conversores AC-DC, baseados nas
topologias boost, boost quadrático, Ćuk e Sepic conseguiram além de um elevado fator de potência, uma
reduzida taxa de distorção harmônica da corrente de
entrada, conformidade com a norma IEC 61.000-3-2,
potências compatíveis com luminárias de iluminação
pública e parâmetros de funcionamento dos LEDs
(tensão e corrente) compatíveis com os fornecidos
pelo fabricante. O maior nível de potência foi obtido
pelo driver empregando o conversor boost quadrático em baixa frequência, 150W.
As indutâncias de entrada e saída dos conversores Ćuk e Sepic podem parecer muito altas. No entanto, estes valores não são incomuns em circuitos de
acionamentos de baixa frequência. Por exemplo, em
(HUI, 2010) é proposto um filtro na saída com uma
indutância maior que 2 H.
Outro ponto que deve ser observado é que a natureza descontínua da corrente de saída na maior
parte dos casos simulados pode causar cintilação
luminosa (BENDER, 2013). Assim, um estudo para
avaliar os efeitos causados por esse fenômeno e
quais os ambientes externos que essas luminárias
podem ser aplicadas deve ser feito.
Por fim destaca-se o fato de nenhum circuito
precisar utilizar capacitores eletrolíticos, garantindo
assim uma maior confiabilidade e vida útil aos drivers propostos.
Figura 16. Ponte retificadora alimentando um arranjo de LEDs
(a)
(b)
Figura 17. Ponte Retificadora (a) Tensão de entrada (vermelho),
150x corrente de entrada (azul) e pulso no gate do interruptor M
(verde); (b) Corrente nos LEDs.
4 Comportamento dos Drivers em Baixa
Frequência sob Variações na Tensão de Entrada
Nesta seção, é realizado um estudo sobre os impactos provenientes das possíveis variações que podem ocorrer na rede elétrica em que os drivers em
baixa frequência estão ligados. Para simular esses
casos, as simulações anteriores foram refeitas mantendo-se todos os parâmetros iniciais, efetuando-se
uma variação de ±10% de tensão de entrada.
Os resultados obtidos através dessas simulações
são mostrados na Tabela 6.
Figura 18. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entrada segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o acionamento
de um arranjo de LEDs através de um retificador em ponte.
Tabela 5. Resultados obtidos por simulação para cada
driver avaliado.
3.6 Análise dos resultados obtidos por simulação
A Tabela 5 resume todos os resultados obtidos
por simulação dos conversores AC-DC propostos
como drivers de luminárias LED de iluminação pública. É possível observar em todos os casos, que a
escolha correta dos componentes, e para a devida
quantidade de LEDs, é possível obter um elevado
fator de potência (maior que 0,92).
A solução mais simples, usando apenas uma
ponte retificadora, se mostrou também a mais problemática para o LED em questão (Everlight EHPAX08EL), não sendo possível obter resultados que
combinassem elevado fator de potência, conformidade com a norma IEC 61.000-3-2 e corrente de pico
compatível com a suportada pelo LED.
3096
Parâmetro
Ponte
retificadora
Boost
Boost
quadrático
L1
-
255 mH
L2
-
-
C
-
N° de LEDs
Ćuk
Sepic
320 mH
1,24 H
1,45 H
320 mH
900 mH
1,45 H
-
1 µF
27 µF
27 µF
64
68
72
36
32
Ton
-
1.81 ms
2.11 ms
2.96 ms
3.10 ms
Is rms
684 mA
608 mA
689 mA
258 mA
231 mA
Io médio
492 mA
488 mA
507 mA
446 mA
393 mA
Io pico
1200 mA
852 mA
927 mA
845 mA
966 mA
Vout médio
206 V
221 V
235 V
118 V
109 V
Pout
139 W
132 W
150 W
56 W
50
PF
0.923
0.987
0.992
0.986
0.985
THDi
41.7%
14.0%
12.7%
13.8%
13.3%
Norma IEC
não
sim
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
Tabela 6. Resultados da análise na variação da tensão de entrada.
Boost
Ponte
Retificadora
Boost
Quadrático
Ćuk
Sepic
220 V
242 V
198 V
FP
0,987
0,983
0,986
THDi (%)
14
12,6
16,59
P (W)
132
178
91,71
Iout médio (mA)
488
615
365
Iout pico (mA)
850
1050
650
FP
0,922
0,939
0,899
THDi (%)
41,7
36,78
48,5
P (W)
139
195
91
Iout médio (mA)
491,5
636,8
352,7
Iout pico (mA)
1200
1500
930,6
FP
0,992
0,992
0,985
THDi (%)
12,7
10,95
16,15
P (W)
150
199
108
Iout médio (mA)
507
629
391
Iout pico (mA)
930
1070
790
FP
0,986
0,983
0,985
THDi (%)
13,8
11
17,2
P (W)
56
72
42,55
Iout médio (mA)
446,5
548
353
Iout pico (mA)
840
967
729
FP
0,985
0,982
0,985
THDi (%)
13,3
10,64
17,1
P (W)
50
63,75
38
Iout médio (mA)
393
474
314,4
Iout pico (mA)
971
1100
842,1
Devido a não necessidade de um transformador abaixador quando aplicados em potências mais elevadas
e ao reduzido número de componentes no circuito, é
esperado que esses conversores quando acionados
em baixa frequência obtenham uma elevada eficiência e baixo custo de implementação quando utilizados como drivers para LEDs. Entretanto, essa conclusão precisa ser avaliada experimentalmente e pode
não coincidir em todas as topologias propostas.
As implementações experimentais, um melhor
domínio do comportamento teórico e orientações de
projeto desses conversores destinados à iluminação
pública serão temas de trabalhos futuros.
Referências Bibliográficas
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Lifetime”. IEEE Transactions on Power Electronics,
vol. 25, no.1, pp. 2665 – 2672.
Pode ser observado que em todos os casos houve
variações significativas nos parâmetros elétricos dos
drivers, muitas vezes gerando correntes de pico maiores que as suportadas pelo LED quando a tensão de
entrada é aumentada, ou redução do fator de potência
e aumento da THDi quando a tensão de entrada é
reduzida. Assim, nota-se que esses circuitos necessitam de um sistema de controle da corrente de saída
de forma a se ter o funcionamento dos LEDs na corrente adequada, o que evita variações drásticas de
fluxo luminoso e garante a vida útil do componente
dentro do esperado. A avaliação do emprego de controladores digitais, que possam garantir o controle da
corrente nos LEDs a partir da variável de controle
Ton (tempo do pulso de chaveamento no interruptor
M), será tema de trabalhos futuros.
IEC 61000-3-2 (2005). Limits for Harmonics Current
Emissions.
5 Conclusão
LAUBSH, A.; SABATHIL, M.; BAUR, J.; PETER, M.;
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SUGA, I.; KIMATA, M.; OHNISHI, Y; UCHIDA, R.
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to DC Converter,” Power Conversion Conference, pp.
93 – 98, Yokohama, Japão.
Este artigo descreveu o uso de pré-reguladores
AC-DC em baixa frequência como drivers de luminárias LED. Um conversor do tipo boost foi implementado em um protótipo de luminária LED de baixa
potência e seus resultados experimentais mostraram
que a aplicação desse conversor em potências mais
elevadas seria o mais indicado. Essa e outras topologias foram adaptadas de forma a serem aplicadas em
luminárias LED de iluminação pública.
Os resultados das simulações mostraram que as
topologias baseadas nos conversores boost, boost
quadrático, Ćuk e Sepic possuem elevado fator de
potência e conformidade à norma IEC 61.000-3-2.
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