AVALIAÇÃO DO USO DE CONVERSORES EM BAIXA … · A descrição e estudo experimental de um retificador . boost. como . driver. de. ... quando subme-tidos a variações na tensão

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 applica-

tion in street lighting luminaires. These simple and low cost converters may provide high power factor, low input current distor-

tion and compliance with IEC 61.000-2-3 Class C Standard, which limits the emission of harmonic currents of lighting compo-

nents. A description and experimental study of the boost rectifier as an LED driver applied to a low power string of LEDs is pre-

sented. 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 applica-

tions. 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 potên-

cia, baixa distorção harmônica da corrente de entrada e conformidade com a norma IEC 61.000-2-3 Classe C, que limita a emis-

são 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 capaci-

tores eletrolíticos, o que pode estender a vida útil desses circuitos de acionamento.

Palavras-chave Drivers de baixa frequência para LEDs, LED, Iluminação pública.

1 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 re-

produção de cor (IRC), alta resistência mecânica e

longa vida útil fazem com que os LEDs sejam apon-

tados 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 longevi-

dade compatível com a dos LEDs. Além disso, regu-

ladores de fator de potência convencionais normal-

mente apresentam circuitos complexos que utilizam

capacitores eletrolíticos, resultando em baixa confia-

bilidade e redução da vida útil do driver. De qual-

quer 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 fre-

quência. Um dos quatro drivers para LEDs propostos

neste trabalho emprega um pré-regulador boost con-

vencional, que tem seu interruptor acionado em bai-

xa frequência através de pulso único a cada meio

ciclo da forma de onda de tensão de entrada, con-

forme estratégias descritas em (BRAGA, 2012;

CHENG, 2008; POMÍLIO, 1999 e SUGA, 1993).

Esses drivers de baixo custo e elevado fator de po-

tência serão comparados com um circuito retificador

em ponte alimentando um arranjo de LEDs associa-

dos em série, visando à aplicação em casos típicos de

iluminação pública. Serão feitas simulações para

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

3090

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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 corren-

tes harmônicas na rede elétrica (IEC, 2005 e

POMÍLIO, 2000). Por fim, será realizada uma análi-

se do comportamento desses drivers quando subme-

tidos a variações na tensão de entrada de até ±10%, e

uma breve discussão sobre as possíveis variáveis de

controle desses circuitos.

2 Pré-Regulador Boost de Baixa Frequência

Aplicado a Driver de LEDs

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 surgi-

mento de interferência eletromagnética e pode exigir

um circuito para correção do fator de potência inte-

grado a esses conversores, o que aumenta a comple-

xidade 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 con-

teúdo 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 alimen-

tação é representada por Vs, o indutor por L e o dis-

positivo de chaveamento por M (e.g. Mosfet). O ar-

ranjo 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 con-

siste em um pulso unitário de duração Ton no início

de cada semiciclo da tensão de entrada, o que corres-

ponde a uma frequência de chaveamento de 120 Hz

(assumindo que a frequência de Vs é de 60 Hz).

Figura1. Conversor CA-CC do tipo boost como driver para LEDs.

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 interva-

lo 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 corren-

te de entrada cai a zero (Ton a Tf).

No intervalo de tempo entre 0 e Ton, a corrente

de entrada é dada por (1).

1

1 cos( )( )p

s

Vt

Li t

(1)

Entre o intervalo de tempo Ton e Tf a corrente de

entrada é dada por (2).

( )

2( )on

on

t T

s t T ae bi

(2)

Onde:

2

0

2cos[ ( ) ( )]

p p s

on on

s

T TV V RV

senR L L Z

a

(3)

0

2[ cos( ) sin( )]

p s

s

V RVb t t

R Z (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 compo-

nentes, 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 en-

trada (entre Ton e Tf) e um indesejado aumento do

conteúdo harmônico que ocasiona redução do fa-

tor 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 especifica-

dos 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).

( )

f

on

T po n onT

s

VI i t T dt

R (5)

Onde in (t - Ton) é o valor normalizado da corren-

te que flui através do arranjo de LEDs.

A partir da análise do conversor é possível con-

cluir que os principais parâmetros a serem escolhidos

são L e Ton.


3091

2.2. Aplicação do Conversor Boost como Driver de

uma Luminária LED de Baixa Potência

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 asso-

ciados 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 ten-

são do arranjo de LEDs.

O protótipo possui nove LEDs associados, ope-

rando com 1,2 W cada, tensão direta de aproxima-

damente 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 imple-

mentação do protótipo proposto e os principais com-

ponentes 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 3 W

Tensão de Limiar, Vo 2,7 V

Resistência Equivalente, R 1,8 Ω

Temperatura de Cor 3250 K

Ângulo de visão típico 140°

Eficiência óptica 55 lm/W

Fluxo luminoso 75 lm @ 300 mA

Max. Corrente de Operação DC 700 mA

Max Corrente de Pico 1000 mA

Índice de Reprodução de Cor 75

Tabela 2. Parâmetros da Luminária LED

Parâmetro Valor

Potência de Saída 11 W

Tensão de Pico AC, Vp 36 V

Corrente media no arranjo de

LEDs, I0

350 mA

Tempo ativo da chave, Ton 2 ms

Valor da indutância 32 mH

Tabela 3. Componentes do Protótipo da Luminária LED.

Parâmetro Valor

Chave IRF 740

Diodos MUR160

Transformador

abaixador

127V – 15+15V, 60 Hz

Indutor

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

Pulso do Gate Analógico usando 555

Dissipador de calor Alumínio, 30 cm

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 auxí-

lio 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 retifi-

cadora AC da Figura 1 (secundário do transforma-

dor). Um elevado fator de potência de 0,98 foi alcan-

çado.

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 aproxi-

madamente 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 aproxi-

mam 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 imple-

mentação do circuito forem adotadas (principalmente

na confecção do indutor).

Figura 2. Tensão no secundário do transformador (azul) e corrente

na ponte retificadora (vermelho).

Figura 3. Tensão (azul) e corrente (vermelho) no arranjo de LEDs.


3092

De forma a avaliar o impacto fotométrico provo-

cado pelo uso de uma forma de onda de corrente

descontínua em baixa frequência na alimentação do

arranjo de LEDs, foram efetuadas medições no inte-

rior de uma esfera integradora comparando os resul-

tados 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 princi-

pais 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 mu-

danças 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 descri-

tas, onde é possível notar uma redução da densidade

de potência dos LEDs quando alimentados pela cor-

rente pulsada do conversor CA-CC boost.

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 com-

ponente podem resultar na elevação do rendimento

global do circuito. Em tais aplicações, portanto, su-

põe-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 pré-

regulador boost para alimentar um arranjo de LEDs

destinados à iluminação de áreas públicas (e.g. ruas,

praças, pontes, estacionamentos, etc.). Como os ní-

veis de potência nesses locais são maiores, necessita-

se 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 dis-

pensar o transformador na entrada do circuito.

Nesta seção, também são apresentadas outras so-

luções para iluminação pública utilizando os conver-

sores boost quadrático, Ćuk e Sepic operando em

baixa frequência para acionar um arranjo de LEDs.

Os resultados obtidos através de simulação no sof-

tware PSIM para esses conversores são comparados

aos resultados obtidos a partir de uma ponte retifica-

dora de diodos utilizada para efetuar o acionamento

de um arranjo de LEDs.

Tabela 4. Comparação dos Parâmetros Fotométricos.

Parâmetro Fonte CC Boost

Fluxo luminoso (lumens) 311 278

TCC (Kelvin) 3010 3007

IRC (%) 75,2 75,2

Cromaticidade x 0,439 0,438

Cromaticidade y 0,409 0,407

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 8500

1

2

3

4

5

6x 10

-3

Comprimento de onda (nm)

De

nsid

ad

e e

sp

ectr

al d

e p

otê

ncia

(m

W/n

m)

Conversor CA-CC

Fonte CC

Figura 4. Espectros do arranjo de LEDs para duas situações dife-

rentes 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 dis-

so, 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 harmôni-

cas dos componentes de iluminação pública) e po-

tência total de saída superior a 50 W, de forma a jus-

tificar a aplicação desses conversores em luminárias

LED destinadas a iluminação pública. Os parâmetros

escolhidos para o LED nas simulações são os mes-

mos descritos na Tabela 1.

3.1 Driver Baseado no Conversor Boost

A Figura 5 (a e b) mostra os resultados da simu-

lação obtidos para o pré-regulador boost da Figura 1

utilizado como driver de luminárias LEDs de ilumi-

nação 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 as-

sociados 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 pré-

regulador do tipo boost, a partir dos parâmetros esco-

lhidos 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

(a)

(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 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.

3.2 Driver Baseado no Conversor Boost Quadrático

O esquemático do circuito empregando o con-

versor boost quadrático em baixa frequência para

acionamento de LEDs é mostrado na Figura 7.

A Figura 8 (a e b) mostra os resultados de simu-

lação obtidos. Nesse caso, 72 LEDs foram combina-

dos 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 descon-

tínua, 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.

Figura 7. Driver baseado no conversor boost quadrático.

(a)

(b)

Figura 8. Conversor boost quadrático (a) Tensão de entrada (ver-

melho), 180x corrente de entrada (azul) e pulso no gate do inter-

ruptor M (verde); (b) Corrente nos LEDs.

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.

3.3 Driver Baseado no Conversor Ćuk

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 simu-

lação baseados nesse conversor. Nesse caso, foi utili-

zada 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 sim-

ples 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 associa-

dos 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 unidirecio-

nal, esta corrente apresenta um valor de ripple (pico

a pico) de cerca de 200 % em relação à corrente mé-

dia. 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.


3094

Figura 10. Driver baseado no conversor Ćuk.

(a)

(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 12. Avaliação do conteúdo harmônico da corrente de entra-

da segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED

empregando conversor Ćuk.

3.4 Driver Baseado no Conversor Sepic

O driver de baixa frequência para LEDs baseado

no conversor Sepic é mostrado na Figura 13.

Os resultados de simulação utilizando esse con-

versor são mostrados na Figura 14 (a e b). As indu-

tâncias L1 e L2 valem 1.450 mH, enquanto o capaci-

tor C vale 27 F. O pulso de chaveamento Ton do

interruptor M foi ajustado 3,1 ms. Um fator de po-

tência 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.

Figura 13. Driver baseado no conversor Sepic.

(a)

(b)

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.


da segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o driver de LED

empregando conversor Sepic.

3.5 Acionamento de LEDs via Ponte Retificadora

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, totalizan-

do 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 so-

bre os LEDs e a não conformidade com a norma IEC

61.000-3-2 (Figura 18) para a situação descrita.


3095

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.


da segundo a norma IEC 61000-3-2 Classe C para o acionamento

de um arranjo de LEDs através de um retificador em ponte.

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 pú-

blica. 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 pro-

blemática para o LED em questão (Everlight EHP-

AX08EL), não sendo possível obter resultados que

combinassem elevado fator de potência, conformida-

de com a norma IEC 61.000-3-2 e corrente de pico

compatível com a suportada pelo LED.

Os demais conversores AC-DC, baseados nas

topologias boost, boost quadrático, Ćuk e Sepic con-

seguiram 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 quadráti-

co em baixa frequência, 150W.

As indutâncias de entrada e saída dos converso-

res Ćuk e Sepic podem parecer muito altas. No en-

tanto, 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 na-

tureza 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 dri-

vers propostos.

4 Comportamento dos Drivers em Baixa

Frequência sob Variações na Tensão de Entrada

Nesta seção, é realizado um estudo sobre os im-

pactos provenientes das possíveis variações que po-

dem ocorrer na rede elétrica em que os drivers em

baixa frequência estão ligados. Para simular esses

casos, as simulações anteriores foram refeitas man-

tendo-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.

Tabela 5. Resultados obtidos por simulação para cada

driver avaliado.

Parâmetro Ponte

retificadora Boost

Boost

quadrático Ćuk Sepic

L1 - 255 mH 320 mH 1,24 H 1,45 H

L2 - - 320 mH 900 mH 1,45 H

C - - 1 µF 27 µF 27 µF

N° de LEDs 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


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Tabela 6. Resultados da análise na variação da tensão de entrada.

220 V 242 V 198 V

Boost

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

Ponte

Retificadora

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

Boost

Quadrático

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

Ćuk

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

Sepic

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

Pode ser observado que em todos os casos houve

variações significativas nos parâmetros elétricos dos

drivers, muitas vezes gerando correntes de pico mai-

ores 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 necessi-

tam de um sistema de controle da corrente de saída

de forma a se ter o funcionamento dos LEDs na cor-

rente adequada, o que evita variações drásticas de

fluxo luminoso e garante a vida útil do componente

dentro do esperado. A avaliação do emprego de con-

troladores 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.

5 Conclusão

Este artigo descreveu o uso de pré-reguladores

AC-DC em baixa frequência como drivers de lumi-

nárias LED. Um conversor do tipo boost foi imple-

mentado 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 topolo-

gias 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.

Devido a não necessidade de um transformador abai-

xador 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 eficiên-

cia e baixo custo de implementação quando utiliza-

dos como drivers para LEDs. Entretanto, essa con-

clusão 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.

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http://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=28

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