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Colloquium Exactarum, v. 7, n.3 , Jul-Set. 2015, p.20 –28. DOI: 10.5747/ce.2015.v07.n3.e125
CONVERSOR AC-DC EM MODO CONTÍNUO DE CORRENTE
COM COMPENSAÇÃO EM FREQUÊNCIA PARA LÂMPADAS
LED DE BAIXO CUSTO E ALTA EFICIÊNCIA
CONVERTER AC-DC POWER IN CONTINUOUS MODE WITH
COMPENSATION IN FREQUENCY FOR LOW COST LED LAMPS AND
HIGH EFFICIENCY
Maria Eduarda A. Boscoli, Araújo C.M.B., Berci C.D., Guelfi, A. E.,
Donzelli D
Universidade do Oeste Paulista –UNOESTE, Curso de Engenharia Elétrica, Laboratório
de Instrumentação e Eletroeletrônica (IEE), Presidente Prudente, SP. E-mail:
dudaboscoli@hotmail.com
RESUMO - Este artigo apresenta uma nova arquitetura de um driver de
LEDs de alto brilho, com baixo custo e elevado rendimento. Emprega-
se um conversor do tipo CUK em modo contínuo de corrente com
compensação em frequência, para alimentação dos LEDs de alto brilho
através da rede elétrica, a partir de 85V a 265V, operando em alta
frequência com comutação por Modulação por Largura de Pulso (MLP)
e conectado a um filtro ressonante LC série para alimentação da carga
com proteção contra surto de tensão na entrada. Foram utilizados
vinte LEDs de Alta Potência da OSRAM 720-GWPSL e um circuito com
corrente constante em modo Off-line. A arquitetura proposta visa
apresentar uma proposta de um driver de baixo custo e baixo
consumo de corrente. É apresentado o estudo comparativo entre o
protótipo deste dispositivo a partir dos gráficos obtidos com os
resultados de medições em laboratório.
Palavras-chave: Conversor CUK; Lâmpada LED; Modo Contínuo de
Corrente; Modulação por Largura de Pulso (MLP).
ABSTRACT - This paper presents a new architecture of a driver of high
brightness LEDs, with low cost and high yield. Employs a CUK type
converter in continuous mode with current compensation rate to feed
the high-brightness LEDs through the grid, from 85V to 265V,
operating at high frequency switched Pulse Width Modulation (MLP)
and connected to a series LC resonant filter for load feeding entry in
protection against voltage surges. Twenty LEDs High Power OSRAM
720-GWPSL and a circuit with constant current in Offline mode were
used. The proposed architecture aims to present a proposal for a low-
cost and low current consumption driver. The comparative study
between the prototype of this device from the graphs obtained from
the results of laboratory measurements.
Keywords: CUK Converter; LED Lamp; Continous Current Mode; Pulse
Width Modulation (PWM).
Recebido em: 19/08/2015
Revisado em: 25/08/2015
Aprovado em: 05/09/2015
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1. INTRODUÇÃO
Conforme nota técnica DEA 03/11 da
Empresa de Pesquisa Energética (EPE), que
apresenta uma projeção da demanda de
energia elétrica para os próximos 10 anos,
horizonte de médio prazo 2011 a 2020 (EPE,
2011), as consequências da crise financeira
internacional manifestaram-se intensamente
no comportamento do setor elétrico
brasileiro, com forte retração do consumo
industrial de eletricidade e nos primeiros
meses de 2015 e um aumento acentuado na
tarifação da energia elétrica em todas as
classes de consumidores. Diante deste
cenário, é de suma importância o
desenvolvimento e utilização de materiais e
equipamentos elétricos mais eficientes e de
baixo custo, para viabilização da utilização da
tecnologia de iluminação LED em grande
escala. Os LEDs (diodos emissores de luz) são
semicondutores constituídos por dois
materiais diferentes que formam uma junção
PN, a qual permite o fluxo de corrente em
apenas uma direção. Se a junção PN é
polarizada diretamente, as lacunas na
camada P e os elétrons da camada N movem-
se em direção à região de depleção (área de
transição entre os materiais P e N). Perto
dessa região, a recombinação de elétrons e
lacunas gera energia que é liberada sob a
forma de fótons de luz (BULLOUGH, 2003;
U.S DEPARTAMENT PF ENERGY, 2009). Na
Figura 1 é representada se forma simplificada
a estrutura física do LED e do processo de
emissão de luz (OSRAM, 2014).
Figura 1. Representação da estrutura física e do comportamento de um LED (OSRAM Opto
Semiconductors)
Na Figura 2 mostra a representação
construtiva do LED empregado no protótipo.
No interior da cavidade do LED é montada
uma pastilha semicondutora sobre uma
armação de terminais condutores, que são
alojados em encapsulamento pré-moldado.
Os terminais condutores atuam como um
caminho para dissipação térmica do calor a
partir da patilha semicondutora e também
serve como interface elétrica e mecânica
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para a Placa de Circuito Impresso (PCI). Um
fio de ouro é utilizado para ligação do lado
superior da pastilha para os terminais
condutores laterais anodo (A) e catodo (C). A
cavidade do invólucro é preenchida com
resina epóxi e serve como refletor para
extração da quantidade máxima de luz para o
exterior do encapsulamento.
Figura 2. LED GW PSLRS1.EC de Alta Potência (OSRAM Opto Semiconductors)
No protótipo apresentado neste
artigo são utilizados vinte LEDs, modelo GW
PSLRS1.EC do fabricante OSRAM Opto
Semiconductors. Os LEDs são alimentados
por um driver constituído de quatro estágios.
O primeiro estágio é composto por um filtro
ressonante RLC (resistor-indutor-capacitor) e
por uma proteção contra surto de tensão
(varistor e fusistor), o segundo estágio por
um retificador AC-DC, o terceiro estágio
composto por um comutador primário com
potência de 12W, frequência de
chaveamento fixa em 42kHz, modo contínuo
de corrente e o último estágio é composto
por um filtro de saída para redução a níveis
aceitáveis de corrente de ondulação (MELLO,
2011), conforme a norma (IEC 61000-3-
2:2014).
2. METODOLOGIA
O projeto da lâmpada LED do tipo
bulbo começa com a escolha da potência de
saída e com a especificação do fluxo
luminoso. A maioria das lâmpadas
incandescentes possuem potências entre 40
W e 100 W. Supondo que uma lâmpada de
LED pode fazer o trabalho com uma eficiência
30% maior (devido à sua melhor eficácia
luminosa e uma distribuição mais objetiva da
iluminação sobre a área pretendida), a
potência do conjunto de 9 LEDs poderia ser
de cerca de 24 W. Estabelecida esta potência
de 11W almeja-se uma eficiência energética
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comparada com os modelos das
incandescentes, mas com uma vida útil
superior à dessas lâmpadas. Como os LEDs
serão ligados em série, a tensão em seus
terminais pode atingir baixos valores
(operando com uma tensão típica de 6, 10V,
assumindo LEDs de 1,2 W que apresentam
tensão direta menores que 4 V entre seus
terminais). Assumindo 20 LEDs associados
em série, operando com 1,2 W cada, com
tensão direta de aproximadamente 6,1 V,
será requerida uma corrente de 196 mA. Para
essa corrente média, o valor de pico pode ser
maior que 189 mA através dos LEDs
empregando o conversor CUK. Embora a
corrente média de 200 mA possa ser tolerada
por alguns LEDs de 1,2 W, eles teriam que
operar acima da corrente limite de pico.
Assim, neste caso, a potência do LED deve ser
de 2 W ou 3 W. Logo, para a implementação
da lâmpada foi escolhido utilizar o LED GW
PSLRS1.EC-LPLR-5U8X-1. Na Tabela 1 são
exibidos seus principais parâmetros.
Tabela 1. Principais Características do LED GW PSLRS1.EC-LPLR-5U8X-1 (OSRAM)
Parâmetro
Símbolo
Valor
Unidade
Limite de Temperatura de Operação
Tₒᵨ
-40 a 110
°C
Temperatura de Junção
T͵
125
°C
Corrente Direta
I
d
10 a 200
mA
Corrente Reversa
I
R
20
mA
Corrente de Surto
I
s
300
mA
Ângulo de Visão em 50%
2ϕ
120
°
Tensão Direta (min)
(tip)
(max)
V
d
5.60
6.10
6.40
V
V
V
Temperatura Cor
K
2700
-
Fluxo Luminoso I
F
=150mA (min)
(max)
ΦV
112
121
lm
Intensidade Luminosa
I
L
39,6
cd
Resistência Equivalente
R
EQ
1,8
Ω
Utilizando os dados da Tabela 1, foram
obtidas uma queda de tensão (V
0
) de 24,3 V e
uma resistência equivalente (Rs) de 16,2 Ω para o
conjunto de 9 LEDs. Assim, seria esperada uma
tensão direta de 29,2 V. Neste caso, seria
recomendado utilizar um transformador com
tensão no secundário de 30 Vrms. Na equação 1
é apresentado o modelo elétrico para o LED
utilizado:
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LEDRs
I
LED
n
qTk
=V I
S
I
LED .1.
..
Eq. (1)
Onde:
LED
V
= Tensão Direta do LED em Volts (V);
= Fator de Idealidade;
k
= Constante de Boltzmann,
23
10.3805.1
(j/°k);
T= Temperatura em Kelvin (°
k
);
q= Carga em Eletron-Volt,
19
10.602.1
Coulomb (C);
LED
I
= Corrente Direta do LED em Amperes (A);
S
I
= Corrente Direta de Saturação em Amperes (A).
Inicialmente realizou-se uma pesquisa
bibliográfica afim de um embasamento
teórico acerca dos conversores
principalmente os conversores AC-CC, tema
deste trabalho. Foi elaborado um estudo
teórico da topologia do conversor AC-CC
“CUK”, operando em modo continuo de
corrente. Buscou-se enfatizar a eficiência do
protótipo frente às lâmpadas LED do tipo
bulbo atuais, além de descrever o projeto e
dimensionamento dos elementos
constituinte da mesma. Para elucidar as
etapas de projeto e dimensionamento foram
feitos alguns estudos de caso.
Confeccionaram-se tabelas para expor os
dados resultantes desses estudos e propiciar
a comparação dos mesmos.
1.1 O CONVERSOR CUK NÃO ISOLADO
O conversor chaveado desenvolvido
para a lâmpada LED opera em frequência de
42kHz, o que faz com que seu volume seja
reduzido. O conversor é utilizado para a
conversão CC/CC que possui melhores
características quanto a ruído emitido pelo
conversor tanto na tensão de entrada (Ve)
quanto a tensão de saída (Vs). A saída possui
baixo ruído devido à característica não
pulsante da corrente no indutor (BILLINGS,
1999). Para o conversor empregado, são
adotados dois indutores, um na entrada e
outro na saída, proporcionado uma baixa
ondulação tanto na entrada quanto na saída,
pois a corrente nos indutores é contínua.
A Figura 4 ilustra a diagrama elétrico
do circuito proposto, cuja concepção seguiu o
modelo de Ridley.
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Figura 4. Diagrama elétrico do conversor CUK proposto
Em 1990, Dr. Raymond Ridley na
Virginia Tech University (VPEC), apresentou
um modelo de amostragem para o Modo de
Controle de Corrente (MCC), modelando no
estágio de potência do conversor uma forma
polinomial de terceira ordem (KASSAKIAN;
SCHLECHT; VERGHESE, 1991), que resultou
em uma baixa frequência de um polo
p
e
para duplo polo
n
, em um ciclo completo
de chaveamento em frequência. A baixa
frequência no polo
p
resultou em uma
baixa frequência de movimento em relação
ao ciclo de trabalho, bem como para uma
compensação externa do sinal em rampa
quando presente, conforme demostrado na
figura 5.
Figura 5. Frequência no indutor L de saída para um polo
A figura 6 apresenta a frequência
medida no osciloscópio em laboratório para a
ação do chaveamento no indutor de saída
para uma corrente constante, atuando como
um filtro de segunda ordem equivalente.
D1
D2
DRAIN
8
DRAIN
7
DRAIN
6
DRAIN
5
VDD
4
S2
S1
FB 3
U1
Conversor_12W_42kHZ
L1
12
C1
1
2
J1 R1
C2 D4
12
C3
R2 C4
L2
C5
12
C7
C8
D5
D6
VR1
D7
LED
D8
LED
D9
LED
D10
LED
D11
LED
D12
LED
D13
LED
D14
LED
D15
LED
BR1
FU1
Realimentação
Fonte
Dreno Vs
Vs
p
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Figura 6. Frequência no indutor L de entrada para um polo
n
3. RESULTADOS
O conversor CA-CC tipo CUK de baixa
frequência para um driver de lâmpada LED
foi implementado no Laboratório de
Instrumentação e Eletroeletrônica (IEE), os
resultados são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Principais componentes eletrônicos utilizados na construção do driver.
Parâmetro
Descrição
Chaveamento por Largura do Pulso (MLP)
Circuito Integrado VIPEr22AS
Indutor de Entrada
1µH – 100mA
Indutor de Saída
1µH – 200mA
Proteção Contra Surto na Entrada
Varistor EPCOS 250V
Retificador de Onda Completo
Ponte Retificadora DF06
Proteção de Entrada
Fusível de 1A - 250V
Proteção de Saída
Resistor 1.3Ω (Ohm)
A figura 7 apresenta o protótipo
montado em placa de circuito impresso
padrão no laboratório.
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Figura 7. Protótipo montado em laboratório para com LED de alto brilho (luminância)
Conforme pode ser constatado na
Figura 7 o protótipo foi construído em placa
de circuito impresso padrão (matriz), com
poucos componentes e baixo custo. Uma
vantagem muito relevante no circuito
desenvolvido é a ausência de transformador,
pois a limitação da tensão é realizada através
de capacitor e regulação pelo circuito
integrado. Figura 8 mostra o teste de
iluminância média do protótipo, cujo
desempenho fotométrico do arranjo de LEDs
foi comprovado através da medição da
luminosidade medida por meio de um
Luxímetro Digital. As medições foram
realizadas com a fonte de luz a 100 cm do
sensor do Luxímetro Digital para 6 posições
diferentes. Foi obtida uma iluminância média
de 843 lx (Lux) para o conjunto de LEDs. Na
figura 9 temos o conjunto de LEDs
iluminando, onde é possível constatar a
luminosidade uniforme.
Figura 8. Teste de iluminância do protótipo com Luxímetro Digital
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Figura 9. Arranjo de LEDs durante o teste de iluminância
4. CONCLUSÃO
Neste artigo foi apresentado o projeto
de um driver para lâmpada LED de baixo
custo e alta iluminância. Foram mostrados
todas as etapas de desenvolvimento do
projeto e os resultados experimentais
obtidos com o protótipo. Foram realizados
testes para avaliação da eficiência elétrica e
fotométrica.
Nos testes foi constatada a alta
eficiência apresentada pelo protótipo, tanto
no consumo de energia em 189mA de
corrente de carga, tanto na eficiência
fotométrica com 843lx registrado como valor
médio nas medições.
Como trabalho futuro o grupo de
pesquisa do IEE, irá produzir uma lâmpada do
tipo bulbo na impressora 3D e uma placa de
circuito impresso industrializada com
componentes eletrônicos montados sobre a
superfície da placa.
REFERÊNCIAS
BILLINGS, K.H. Switchmode power supply
handbook. New York: McGraw-Hill
Professional, 1999.
BULLOUGH, J. D. Light Emitting Diode
Lighting Systems. NLPIP - Lighting Answers. v.
7. Issue 3. May, 2003.
MELLO, L. Projeto de fontes chaveadas-
teoria e prática. São Paulo: Érica, 2011.
KASSAKIAN, J.G.; SCHLECHT, M.F.; VERGHESE,
G.C. Principles of power electronics.
Reading, USA: Addison-Wesley, 1991.
OSRAM Opto Semiconductors. Datasheet
DURIS S 5 – Version 1.0. Regensburg:
OSRAM, 2014.
U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Energy
Efficiency and Renewable Energy. Thermal
Management of White LEDs. November
2009.
http://www.epe.gov.br/mercado/Documents
/S%C3%A9rie%20Estudos%20de%20Energia/
20110222_1.pdf. Acesso em 05/07/2015.
https://webstore.iec.ch/publication/4149.
Acesso em 21/07/2015.
