Influência da Temperatura no Desempenho de Luminárias LED

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1 Influência da Temperatura no Desempenho de Luminárias LED Fernando J. Nogueira, Edmar S. Silva, Cláudio R.B.S. Rodrigues, Marcos F.C.Campos, Danilo P. Pinto, e Henrique A.C. Braga, IEEE Senior Member. NIMO Núcleo de Iluminação Moderna Universidade Federal de Juiz de Fora fernando.nogueira@engenharia.ufjf.br; henrique.braga@ufjf.edu.br Abstract Recently, many LED luminaries have appeared on the market, for use on public roads across the globe. These fixtures are exposed to various levels of temperature and can suffer electrical and photometric changes from region to region due to changes in characteristics of LEDs with temperature variation. This paper is an analysis of experimental data and shows variations in electrical and photometric characteristics of LED luminaries under temperature variation. Also, it reveals that those drivers that have current control become more electrically stable. I. INTRODUÇÃO Após o desenvolvimento do diodo emissor de luz (ou LED, do inglês Light Emitting Diode) azul no ano de 1997 e posteriormente dos LEDs brancos, estes passaram a ter destaque nas pesquisas e nas aplicações em iluminação artificial [1]. Atualmente, as luminárias LED já são uma realidade, tornando-se uma opção nas aplicações de iluminação. No caso dos sistemas de iluminação pública, características como o alto índice de reprodução de cor (IRC), alta eficácia luminosa (lm/w), longa vida útil (até horas), alta resistência mecânica e redução da poluição luminosa, colocam os LEDs como uma excelente opção [2], [3]. Com o avanço da tecnologia, muitas luminárias apareceram no mercado brasileiro, sendo a maioria importada. Estes equipamentos já vêm sendo utilizados no mundo inteiro, sendo expostos aos mais diversos níveis de temperatura ambiente durante o seu funcionamento. A variação de temperatura a qual é submetida uma luminária a base de LEDs, pode influenciar diretamente na temperatura de junção do semicondutor e, portanto, na manutenção do fluxo luminoso, na cor da luz emitida e na vida útil do LED. Assim, a escolha de uma luminária LED deve levar em consideração a temperatura ambiente e a variação da temperatura ambiente à qual ela ficará exposta [4]. Portanto, uma análise com respeito à variação de características elétricas e fotométricas de luminárias LED em função da temperatura ambiente pode trazer informações relevantes quanto ao seu desempenho. Este trabalho apresenta análises de resultados experimentais de características elétricas de funcionamento de quatro luminárias LEDs orientadas à iluminação pública de diferentes modelos, alimentadas em condições nominais e submetidas a uma extensa faixa de temperaturas. Além dos testes de características elétricas, foram verificadas com auxílio de uma esfera integradora as variações fotométricas que ocorrem em módulos de LEDs quando submetidos a variação de temperatura. II. CARACTERÍSTICAS DAS LUMINÁRIAS LED Basicamente, uma luminária LED aplicada à iluminação pública é composta por quatro partes, como pode ser visto na Figura 1 [5]: 1) LEDs; 2) Driver; 3) Lente e 4) Dissipador de Calor. Os LEDs mais aplicados em iluminação são os PC-LEDs (do inglês Phosphor converted LEDs) que podem ser divididos em dois grupos: LEDs de alta potência (HP-LEDs, do inglês High Power LEDs), utilizados em dispositivos de elevada potência (correntes nominais típicas maiores que 300 ma até 1,5 A), e os LEDs de alto brilho ( HB-LEDs, do inglês High Brightnes LEDs) utilizados em dispositivos de baixa potência (correntes nominais típicas de 20 ma) [6]. O dispositivo eletrônico necessário para o acionamento e controle dos LEDs é chamado de driver. Este pode ter características de controle de corrente (mantendo a corrente de alimentação dos LEDs constante) ou características de controle de tensão (mantendo a tensão de alimentação dos LEDs constante). As lentes e o dissipador de calor geralmente compõem a carcaça da luminária. As lentes têm como objetivo direcionar, concentrar ou distribuir o feixe luminoso emitido pelo LED. O dissipador tem por objetivo fazer a transferência de calor gerado pela junção dos LEDs para o ambiente de forma rápida e eficiente para não prejudicar a vida útil do LED. Na TABELA I são apresentadas características elétricas de entrada e de saída das luminárias ensaiadas bem como propriedades dos seus respectivos módulos de LEDs.

2 Fabricante A B C D Figura 1: Estrutura da Luminária LED [5]. TABELA I: Características das luminárias ensaiadas. Caracteristicas elétricas de entrada 220 VAC 60Hz Iin NI 140W FP VAC 60 Hz Iin NI 132W FP VAC 60Hz Iin NI 96W FP VAC 60Hz Iin NI 70W FP NI Iin NI significa corrente de entrada não informada. III. Características elétricas de saída por módulo 120 VDC Iout 300 ma 24 VDC Iout 1,4 A 72 VDC Iout 300 ma 24 VDC Iout 1 A Características dos módulos de LED Leds HP em 4 módulos paralelos de 32 unidades Leds HP em 4 módulos paralelos de 28 unidades Leds HB em 8 módulos paralelos de 216 unidades Leds HP em 2 módulos paralelos de 28 unidades O EFEITO DA TEMPERATURA NOS LEDS Sendo o LED uma junção p-n e, considerando-se apenas a influência da resistência série, este pode ser eletricamente modelado pela equação de Shockley modificada [7] mostrada em (1): Em que: VLED I LED n nkt I LED V I, T.ln R I e IS LED LED S LED - Tensão direta do LED. - Corrente direta do LED. - Fator de idealidade. (1) k - Constante de Boltzman ( x10 J. K ). T - Temperatura em Kelvin (K). e - Carga elementar ( x10 C) I S - Corrente de saturação reversa, em Amperes. R S - Resistência parasita série do LED. De acordo com a equação (1), a tensão no LED deveria aumentar com a elevação da temperatura, porém um comportamento contrário é observado na prática. O parâmetro que explica a redução da tensão direta no LED (V LED ) com o aumento da temperatura é a energia do gap do semicondutor (E g ), que decresce com o aumento da temperatura [8], [9]. A relação entre a energia do gap e a temperatura é mostrada equação (2). g E T E g T 0K 2 T T Onde α e β são parâmetros de ajuste, dos quais valores típicos são encontrados na TABELA II. Considerando o efeito da energia do gap do semicondutor em função da temperatura, é possível reescrever a equação modificada de Shockley como visto em (3): nkt I E, ln LED g. e I e S V I T R I T LED LED S LED Pode-se observar experimentalmente que, com o aumento da temperatura, a tensão direta em um LED diminui. Analisando (3), observa-se que o primeiro termo é dependente da temperatura. A resistência série intrínseca R S sofre pouca variação com o aumento da temperatura na junção do semicondutor, portanto, o segundo termo é praticamente imune a variações de temperatura. Já a energia do gap do semicondutor decresce com o aumento da temperatura [8] e [9], como pode ser visto em (2). Logo, frente a variações de temperatura, a contribuição do primeiro termo e da resistência intrínseca do LED, é muito pequena se comparada com a contribuição do termo que leva em conta a energia do gap, fazendo com que a tensão direta em um LED diminua com o aumento da temperatura [10]. TABELA II: Alguns valores típicos de E g, α e β [11] Tipo E 0K g 4 10 ev K K GaAs 1,519 5, InP 1,425 4, Ge 0,744 4, Si 1,170 4, (2) (3)

3 Com base na equação (3), a Figura 2 mostra as curvas características (corrente vs. tensão) de um LED considerando o efeito de variação da temperatura de junção. Nota-se que se a tensão sobre o LED (V LED ) for mantida constante, a corrente direta do LED (I LED ) eleva-se com o aumento da temperatura. Esta situação pode ser observada nos casos em que o driver de acionamento dos LEDs trabalha com controle de tensão, e tende a manter constante a tensão aplicada ao módulo de LEDs. Por outro lado, a Figura 3 mostra que quando a corrente I LED é mantida constante, a tensão sobre o LED diminui com o aumento da temperatura. Esta situação pode ser observada quando o driver de acionamento dos LEDs trabalha com controle de corrente, e tende a manter constante a corrente aplicada ao módulo de LEDs. É importante salientar que o fluxo luminoso emitido por um LED é proporcional á corrente que o percorre, sendo assim, a manutenção da corrente que percorre um LED é sempre desejável. A Figura 4 mostra as curvas de variação do fluxo luminoso em relação à quantidade de horas de uso do LED Luxeon K2 da Philips acionado com uma corrente fixa de 1,5 A para três temperaturas de junção diferentes. Observa-se que quanto maior a temperatura de junção, mais acentuada é a depreciação do fluxo luminoso, diminuindo-se a vida útil do LED. Além da variação do fluxo luminoso, a variação de temperatura também pode causar alterações na cor da luz emitida, uma vez que o comprimento de onda da radiação emitida é inversamente proporcional a energia do gap [8] e [10]. Esta situação é ilustrada na Figura 5, onde é mostrada a curva de distribuição espectral da radiação emitida por um LED âmbar de AlInGaP em três temperaturas distintas. Figura 2: Curva de tensão vs. corrente de um LED, mostrando a variação da corrente com a temperatura, sendo a tensão no LED constante. Figura 3: Curva de tensão vs. corrente de um LED, mostrando a variação da tensão com a temperatura, sendo a corrente no LED constante. Figura 4: Efeito da temperatura de junção na vida útil de um LED [12]. Figura 5: Variação da distribuição espectral da radiação emitida por um LED âmbar de AlInGaP [8] IV. METODOLOGIA DE ENSAIO Os ensaios de variação de temperatura foram realizados com auxílio de uma câmara climática (WEISS WKL-100). A câmara climática é um equipamento que pode ser utilizado em testes de laboratório que necessitam manter a temperatura e umidade controlada [13]. A faixa de variação de temperatura utilizada na realização dos ensaios foi de 40 C a 50 C. Esta faixa de temperatura foi escolhida tomando-se como base a faixa de temperatura de operação fornecida pelos fabricantes das luminárias LED ( 30 C a 42 C). As medições dos parâmetros elétricos de funcionamento foram efetuadas com auxílio de um Wattímetro digital (YOKOGAWA WT-230) e um Osciloscópio (TEKTRONICS DPO-3014). As medições foram feitas em degraus de temperatura de 10 C dentro da faixa estipulada ( 40 C a 50 C). Para que garantir o equilíbrio térmico e a estabilização dos parâmetros elétricos a serem medidos, foi observado um intervalo de 15 minutos entre os degraus de temperatura. Foram ensaiadas quatro luminárias de diferentes fabricantes, da seguinte maneira: A. Toda a luminária inserida no interior da câmara climática Neste caso, a luminária inteira foi inserida no interior da câmara climática e submetida à variação de temperatura de 40 C a 50 C enquanto era alimentada em condição nominal de tensão.

4 B. Somente o driver inserido no interior da câmara climática Neste caso, o driver foi inserido no interior da câmara climática (Figura 6) e submetido à variação de temperatura estipulada, enquanto os módulos de LEDs eram acionados do lado de fora da câmara climática em temperatura ambiente. C. Somente os módulos de LEDs inseridos no interior da câmara climática Neste caso, os módulos de LEDs foram inseridos no interior da câmara climática e submetidos à variação de temperatura estipulada, enquanto o driver trabalhava do lado de fora da câmara climática, em temperatura ambiente. Figura 7: Valor médio da corrente de saída (ma) x Temperatura ( C). V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nesta seção, são apresentados os resultados experimentais obtidos para cada uma das quatro luminárias analisadas. Em todos os ensaios a tensão de alimentação foi fixada em 220 V com frequência de 60 Hz. Foram medidas potência de entrada, potência de saída, corrente de entrada, corrente de saída, tensão de saída, fator de potência e distorção harmônica total (THD) da corrente de entrada nos três casos descritos. A. Toda a luminária inserida no interior da câmara climática Neste caso, foi possível verificar o comportamento dos parâmetros elétricos das luminárias LED quando submetidas a uma faixa de variação de temperatura de 40 C a 50 C. As Figuras 7 e 8 mostram, respectivamente, os gráficos do valor médio da corrente de saída e tensão de saída por módulo de LED das luminárias em função da temperatura. Na Figura 7 é possível verificar que as luminárias A, B e C possuem uma corrente praticamente constante na saída, caracterizando controle de corrente desempenhado pelos seus drivers. Já a Figura 8, mostra que a luminária D possui uma tensão de saída praticamente constante, indicando que o driver desta luminária trabalha com controle de tensão. Nota-se que as luminárias A, B e C sofrem poucas alterações nas tensões de saída, que diminuem muito lentamente com a elevação da temperatura. Por outro lado, a luminária D sofre maiores variações em sua corrente de saída, que aumenta significativamente com a elevação da temperatura. A alimentação de LEDs com corrente de valor médio acima daqueles indicados pelos fabricantes provoca a aceleração da depreciação fluxométrica. Figura 6: Driver no interior da câmara climática. Figura 8: Tensão de saída (V) x Temperatura ( C) As Figuras 9, 10 e 11 mostram, respectivamente, os gráficos de potência de entrada, potência de saída e rendimento em função da temperatura. No caso da luminária D (driver com controle de tensão), observa-se uma elevação nas potências de entrada e potência de saída com o aumento da temperatura. Isto ocorre porque a tensão de alimentação dos LEDs é mantida constante e o aumento da temperatura provoca uma elevação da corrente sobre os LEDs (vide Figuras 2 e 7). Também pode ser notado que a luminária D é aquela que sofre a maior variação de rendimento (Pout/Pin) com a variação de temperatura. Para os drivers que possuem controle de corrente (luminárias A, B e C), a corrente nos módulos de LEDs se mantém constante. O aumento da temperatura faz com que a tensão dos módulos de LEDs diminua lentamente (evidenciado pela diminuição da tensão de saída do driver), provocando a redução da potência de saída e potência de entrada. Percebe-se que, dentre os drivers testados, aqueles que possuem controle da corrente de alimentação dos LEDs, apresentam melhor rendimento e menor variação das potências de entrada e saída com a variação da temperatura. Isto justifica que o uso de técnicas de controle de corrente de alimentação se mostra a mais apropriada para o acionamento de LEDs de potência, corroborando informações apontadas por [14].

5 perceber que a luminária B sofre uma brusca variação na corrente de entrada na temperatura de 50 C, provavelmente por sair da faixa de operação descrita pelo fabricante ( 42 o C). Por fim, nota-se que o fator de potência e a THD da corrente de entrada sofrem poucas variações com a temperatura em todas as luminárias analisadas. Figura 9: Potência de saída (W) x Temperatura ( C) Figura 12: Corrente de entrada (ma) x Temperatura ( C) Figura 10: Potência de saída (W) x Temperatura ( C) Figura 13: Fator de potência (adimensional) x Temperatura ( C). Figura 11: Rendimento do Driver (%) x Temperatura ( C) As Figuras 12, 13 e 14 mostram, respectivamente, os gráficos de corrente de entrada, fator de potência e distorção THD da corrente de entrada em função da temperatura. Notase que a luminária D é a que mais sofre os efeitos da variação de temperatura, exigindo uma maior corrente de entrada à medida que a temperatura se eleva. Também é possível Figura 14: Distorção Harmônica total (%) x Temperatura C.

6 B. Somente o driver inserido no interior da câmara climática Neste ensaio foi possível verificar que nenhum driver testado sofre desvios significativos de funcionamento ou variações relevantes de desempenho quando submetido à variação de temperatura. A TABELA III resume os resultados obtidos. Vale a pena ser ressaltado que apesar dos drivers não sofrerem alteração de desempenho com o aumento da temperatura, é possível que eles tenham a vida útil afetada quando operam em temperaturas acima daquelas recomendadas pelos fabricantes, no entanto esta análise não foi realizada neste trabalho por fugir ao escopo da proposta. C. Somente os módulos de LEDs inseridos no interior da câmara climática Devido ao fato dos drivers sofrerem pouca ou nenhuma influência no seu desempenho com a variação de temperatura, é possível afirmar que são os LEDs os principais causadores dos diferentes resultados encontrados quando toda a luminária foi submetida a variações de temperatura. O ensaio com somente os módulos de LED inseridos no interior na câmara climática confirma a afirmação anterior. Os resultados encontrados neste item para os parâmetros elétricos avaliados foram muito próximos aos encontrados no caso A, com desvios máximos de ±1% que podem ser creditados a ausência do driver do interior da câmara climática. VI. VARIAÇÕES FOTOMÉTRICAS DO LED CAUSADAS PELA TEMPERATURA A energia do gap está relacionada com o comprimento de onda da radiação emitida pelo LED, assim a elevação de temperatura também pode alterar as propriedades fotométricas do LED [4]. Cada tipo de LED responde de uma maneira diferente à variação de temperatura. Nesta seção, serão testados os LEDs utilizados nas luminárias dos fabricantes B, C e D com auxílio de uma esfera integradora (Figura 15). Os LEDs do fabricante A não serão analisados, pois os módulos são muito grandes para serem ensaiados no interior da esfera integradora. Nestes testes os LEDs serão inseridos no interior de uma câmara climática e submetidos a um resfriamento. Logo após o resfriamento, os LEDs são retirados da câmara climática e colocados dentro de uma esfera integradora onde são medidas as características fotométricas dos LEDs. Imediatamente após as medições efetuadas pela esfera integradora, é coletada, com o auxílio de um termômetro digital, a temperatura dos LEDs. O mesmo processo foi efetuado após o aquecimento dos LEDs. A potência nos LEDs foi adquirida por meio de wattímetro digital no mesmo instante em que as medições fotométricas eram efetuadas. A partir dos dados coletados de fluxo luminoso e potência dos LEDs foi possível construir a TABELA IV, que mostra a eficácia luminosa dos LEDs em duas temperaturas distintas. É possível verificar que em baixas temperaturas os LEDs de todos os fabricantes possuem maior eficácia luminosa do que operando em temperaturas mais elevadas. TABELA III: Parâmetros elétricos de funcionando dos drivers submetidos a temperatura de 40 o C e. Fabricante A B C D P in (W) 40 o C I in (ma) 40 o C P out (W) 40 o C I out (ma)* 40 o C V out (V)* 40 o C Rendimento 40 o C (%) FP THD(%) 40 o C 40 o C ,99 0, *Valores de tensão de saída e corrente de saída por módulo ,96 0, ,96 0, Figura 15: Módulo de LED no interior da esfera integradora ,51 0, TABELA IV: Eficácia luminosa dos LEDs em diferentes temperaturas Tmin Eficácia Tmax Eficácia Fabricante medida luminosa em medido luminosa em Tmin Tmax B 20 o C 58,3 lm/w 80 o C 55,4 lm/w C 25 o C 49,6 lm/w 90 o C 46,9 lm/w D 25 o C 85,1 lm/w 70 o C 64,3 lm/w

7 As distribuições espectrais de radiação dos LEDs dos fabricantes B, C e D obtidas pela esfera integradora são mostradas respectivamente nas Figuras 16 a 18. É possível observar que houve variações na cromaticidade dos três módulos de LEDs avaliados, causadas pelo deslocamento da banda azul no espectro (pico próximo aos 450 nm). Este deslocamento ocorre devido ao aumento da temperatura, que causa redução na energia do gap, fazendo com que o pico da banda do azul seja deslocado para um comprimento de onda maior [8]. Nota-se nas Figuras 16 e 17 que o fluxo radiante é mais elevado em temperaturas mais baixas, enquanto na Figura 18 o fluxo radiante é mais elevado para a maior temperatura. Este comportamento pode ser explicado pelas características dos drivers empregados por cada fabricante. Enquanto os fabricantes B e C utilizam drivers com controle de corrente, que tendem a manter constante a corrente de alimentação nos LEDs causando menor variação no fluxo radiante, o fabricante D possui um driver com controle de tensão, que ao tentar manter constante a tensão de alimentação nos LEDs produz um aumento na corrente de alimentação à medida que a temperatura se eleva, aumentando o fluxo radiante. Figura 16: Distribuição espectral da radiação emitida pelo módulo de LEDs do fabricante B em dois níveis de temperatura. Figura 18: Distribuição espectral da radiação emitida pelo módulo de LEDs do fabricante D em dois níveis de temperatura. VII. CONCLUSÕES Os resultados mostram que os LEDs são bastante sensíveis à variação de temperatura, enquanto os drivers sofrem pouca mudança no seu desempenho e funcionamento quando estão sob influência de variação de temperatura. As luminárias cujos drivers empregam controle de corrente têm um comportamento mais estável com a variação de temperatura. Isso acarreta em uma melhor eficiência e estabilidade tanto elétrica quanto fotométrica. A luminária do fabricante D, cujo driver trabalha com controle de tensão se mostrou muito dependente da temperatura. Isso indica que este tipo de controle não é ideal para instalação em qualquer ambiente. Em ambientes mais quentes a corrente de saída deste tipo de driver aumenta drasticamente e isso poderia acarretar em uma aceleração da depreciação fluxométrica dos LEDs, reduzindo sua vida útil, além de produzir um aumento do consumo de energia elétrica (em relação ao que se esperava do equipamento). A variação de temperatura também influência na eficácia luminosa dos LEDs, que diminui com o aumento da temperatura. Desvios de cromaticidade também são observados, através dos deslocamentos dos picos das curvas de distribuição espectral com a elevação de temperatura. Neste trabalho foram avaliados apenas equipamentos à base de LEDs desenvolvidos para aplicação em iluminação pública viária. No entanto, devido à semelhança da estrutura, estas conclusões podem ser estendidas para qualquer tipo de luminárias LED. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio do PROCEL/Eletrobras, CNPq, PPEE-UFJF e às empresas Fiti, GE, Hexa e Revolight por terem cedido as luminárias LED analisadas neste trabalho. Figura 17: Distribuição espectral da radiação emitida pelo módulo de LEDs do fabricante C em dois níveis de temperatura. REFERÊNCIAS [1] I. C. Vieira, Projeto de um conversor Flyback auto-oscilante de baixo custo para LED s de potência, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Dezembro de 2009.

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