DRIVER PARA UMA LÂMPADA DE LEDS EMPREGANDO
CONVERSOR MEIA-PONTE E FILTRO RESSONANTE LC SÉRIE
Robson P. Delavechia
Acadêmico do curso de Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Santa Maria
[email protected]
Alexandre Baseggio
Acadêmico do curso de Engenharia de Controle e Automação – Universidade Federal de
Santa Maria
[email protected]
Maicol F. de Melo
Doutorando do curso de Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Santa Maria
[email protected]
Marco A. D. Costa
Professor do curso de Engenharia Elétrica - Universidade Federal de Santa Maria
[email protected]
Resumo. Este artigo apresenta uma
metodologia de projeto para um driver de
LEDs. Emprega-se um conversor meia-ponte
para alimentação dos LEDs através da rede
elétrica, operando em alta frequência com
comutação dos interruptores em ZVS (Zero
Voltage Switching) e conectado a um filtro
ressonante LC série para alimentação da
carga. É utilizada uma ponte retificadora
após o filtro para retificar a tensão de saída,
fornecendo, dessa forma, corrente contínua
para a lâmpada de LEDs.
Palavras-chave: Lâmpada de LEDs.
Conversor meia-ponte. Filtro ressonante.
1.
INTRODUÇÃO
Os sistemas de iluminação têm se
tornado um tema de grande importância
atualmente. As pesquisas nessa área vêm
desenvolvendo dispositivos que apresentam
uma maior eficiência e economia de energia
em relação aos modelos clássicos.
Os diodos emissores de luz (LEDs) têm
se tornado uma boa alternativa para
iluminação de interiores. Esses apresentam
soluções para sistemas de iluminação
visando à substituição de lâmpadas comuns
como incandescentes ou halógenas e
fluorescentes compactas (BENDER, 2012).
Apesar de mais viáveis economicamente
que as lâmpadas fluorescentes compactas
(LFC) e LEDs, as lâmpadas incandescentes
apresentam uma menor vida útil e uma
baixíssima eficácia luminosa. Por esses
motivos, sua fabricação será proibida no
Brasil a partir de 2016 (ELÉTROBAS).
A utilização de LEDs em sistemas de
iluminação apresenta vantagens pela longa
vida útil desses dispositivos, elevada eficácia
luminosa e flexibilidade para o projeto de
luminárias. Entretanto, circuitos tradicionais
de acionamento de LEDs utilizam
capacitores eletrolíticos, que reduzem
drasticamente à vida útil do sistema
(ZHANG, 2013). Sendo assim, há uma
grande importância na remoção ou
substituição desses componentes para maior
durabilidade do driver.
Além disso, o volume dos componentes
reativos deve ser reduzido em aplicações
residenciais, como por exemplo, lâmpadas
LED retrofit (substituição das lâmpadas
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residenciais convencionais). Para isso,
aumenta-se a frequência de operação do
circuito. Porém, em altas frequências, há um
aumento nas perdas por comutação no
conversor, sendo adequado o emprego de
comutação suave para melhor desempenho
do driver.
Dessa forma, este artigo tem como
objetivo propor um driver para uma lâmpada
de LEDs composto por um conversor meiaponte com elevada frequência de comutação,
conectado a um filtro ressonante LC série.
Esse conversor é responsável pela
alimentação dos LEDs através da rede
elétrica, operando com comutação suave dos
interruptores sob tensão nula (ZVS).
2.
CONVERSOR EMPREGADO
O conversor proposto neste trabalho é
apresentado na Fig. 1. Como pode ser
observado, este conversor é composto por
um inversor meia-ponte e um filtro
ressonante LC série.
mA. O conversor terá um barramento de 311
V, uma razão cíclica de 0,5 e uma frequência
de comutação igual a 200 kHz.
3.
PROJETO
DO
RESSONANTE
TANQUE
Os filtros geralmente são projetados
para responder com um pico de ressonância
próximo à frequência de comutação dos
inversores de alta frequência. Dessa forma,
obtêm-se formas de onda praticamente
senoidais nas variáveis de estado do circuito
resultando em uma diferença angular entre
estas, o que possibilita a comutação suave
dos interruptores do inversor (ALMEIDA,
2013). Dessa forma, a frequência de
operação utilizada é superior a de
ressonância, deixando o circuito com
características indutivas, resultando em uma
defasagem entre tensão e corrente.
Desse modo, foram estabelecidos os
seguintes valores de acordo com a Tabela 1.
Tabela 1. Especificações do projeto
Capacitor de barramento Cbar = 400 μF
Frequência de comutação
Corrente nos LEDs
Tensão nos LEDs
Potência nos LEDs
f s = 200 kHz
I out = 350 mA
Vout = 42 V
P = 14,7 W
Figura 1. Conversor meia-ponte.
A redução nas perdas por meio do uso
de comutação suave não só permite que os
conversores ressonantes operem mais
eficientemente, mas também em uma
frequência mais alta, o que reduz o tamanho
dos elementos reativos do circuito,
aumentando a densidade de potência do
conversor (ALMEIDA, 2013).
O conversor meia-ponte é utilizado em
circuitos de baixa potência e apresenta
menor custo em comparação com o ponte
completa. Dessa forma, é proposta a
utilização do conversor meia-ponte com
comutação ZVS, conectado a um filtro
ressonante para alimentar uma lâmpada de
LEDs de 14,7 W com uma corrente de 350
Mediante os valores acima, foi aplicada
uma metodologia em que o ganho do filtro é
calculado em função da frequência angular
de comutação ( s ) como demonstra a Eq.
(1).
G (s ) 
s
Qr  r
 ²

s
 j  s  1
Qr  r
 r ²

(1)
O cálculo dos valores para o capacitor e
indutor do filtro é efetuado de acordo com a
Eq. (2) e Eq. (3), respectivamente.
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C
1
r  Qr  R
L
1
r ²  C
(2)
(3)
A determinação do fator de qualidade
( Qr ) e frequência angular de ressonância
( r ) a serem utilizados no sistema foram
obtidas a partir da análise do ganho do filtro
LC série.
A componente fundamental média da
tensão retificada de entrada do filtro é de
127 V,
apresentando
um
pico
de
aproximadamente 198 V. A tensão na saída
(LEDs) é de 42 V requerendo um ganho de
0,33 no circuito.
A Fig. 2 apresenta o gráfico do ganho do
filtro ( G ) em função da frequência angular
de comutação ( s ) para diferentes fatores de
qualidade.
Figura 2. Ganho do filtro em relação à
frequência angular de comutação para
distintos fatores de qualidade.
Dessa forma, os pontos destacados no
gráfico acima foram escolhidos para
implementação do sistema. Desse modo, a
frequência de operação do driver ( f s ) é
acima da ressonância ( f r ).
4.
Fig.3 como proposto pela metodologia de
projeto para o acionamento dos LEDs.
Figura 3. Circuito para acionamento da
lâmpada de LEDs
Os valores de capacitância e indutância
encontrados para o projeto do tanque foram,
respectivamente, de 0,99 nF e 0,91 mH.
Após a análise do gráfico da Fig.2 foi
determinada a frequência de ressonância de
167 kHz e o fator de qualidade de 8, mais
adequados para corresponder aos dados préestabelecidos para o projeto.
A forma de onda de corrente e tensão
nos LEDs é demonstrada na Fig.4.
Figura 4. Corrente e tensão média
produzidas na lâmpada de LEDs.
As formas de onda de corrente e tensão
nos interruptores, S1 e S 2 , é apresentado na
Fig.5, onde pode ser observada a comutação
em zero de tensão dos interruptores.
RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Os resultados foram obtidos mediante
simulações nos softwares PSIM e
MATHCAD. O circuito é apresentado na
Figura 5. ZVS nos interruptores S1 e S 2 .
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A potência média resultante na saída é
apresentada na Fig.6.
6.
REFERÊNCIAS
ALMEIDA, P. S. Qualificação de
Doutorado: “Síntese de conversores
ressonantes com alto fator de potência e
alta eficiência para o acionamento de
diodos emissores de luz”. Juiz de Fora,
Universidade Federal de Juiz de Fora, 2013.
Figura 6. Potência média na lâmpada de
LEDs.
Mediante os valores médios obtidos
para corrente e tensão na carga, apresentouse um erro de respectivamente 1,14% e 2,4%
quando comparados aos valores do projeto
especificados na seção 3 pela Tabela 1.
Observou-se um ripple de corrente de 6,32%
nos LEDs.
5.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi apresentada uma
metodologia de projeto de um driver
ressonante para uma lâmpada de LEDs. O
circuito de acionamento empregou um
conversor meia-ponte em comutação ZVS e
um filtro ressonante LC série para suprir a
carga.
O projeto obteve resultados satisfatórios
diante da elevada frequência de comutação
dos interruptores do conversor. Presenciouse um ganho de 0,33 no filtro ressonante e
valores de tensão de 41 V e corrente de 346
mA , aproximadamente, um pouco abaixo
comparados com as especificações do
projeto mas verificando-se a potência
necessária para o acionamento da lâmpada
de LEDs.
BENDER, V. C. “Metodologia de projeto
eletrotérmico de LEDs aplicada ao
desenvolvimento
de
sistemas
de
iluminação pública”. Dissertação de
mestrado (Programa de pós graduação em
Engenharia
elétrica)
Santa
Maria,
Universidade Federal de Santa Maria, RS,
2012.
ELÉTROBAS, Eficiência e economia.
Disponível
em:
<
http://www.eletrobras.com> Acessado em 20
agosto, 2014.
ZHANG, F. “High Power Factor AC-DC
LED Driver With Film Capacitors”. IEEE
Transactions on Power Electronics, Vol.
28, n°10, October 2013 (In Press).
Agradecimentos
O presente trabalho foi realizado com o
apoio do PIBITI, Programa Institucional de
Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento
Tecnológico e Inovação.
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