PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA PROJETO E ELABORAÇÃO DE UM CONTROLADOR PARA LÂMPADA LED BASEADO NO CONVERSOR ESTÁTICO D Porto Alegre, 8 de dezembro de Autor: Felipe Dalla Favera Almeida de Oliveira Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Curso de Engenharia Elétrica Av. Ipiranga 6681, Prédio 30 CEP: Porto Alegre RS Brasil felipe.dalla@acad.pucrs.br Orientador: Prof. Fernando Soares dos Reis Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Av. Ipiranga 6681, Prédio 30 CEP: Porto Alegre RS Brasil f.dosreis@pucrs.br

2 2 RESUMO Em função da alta evolução da tecnologia de diodos emissores de luz (do inglês, Light Emitting Diode, LED), o mercado de controladores para este equipamento tem se desenvolvido em grande escala, abordando as suas diferentes necessidades e demandas. Neste trabalho se busca o desenvolvimento de um LED driver baseado no conversor estático D, o qual é um conversor de corrente constante para corrente constante (CC-CC) que pode ser dimensionado para apresentar um comportamento de fonte de corrente em sua saída, sendo esta característica, essencial para o acionamento de LEDs de potência, os quais, cada vez mais, vem sendo empregados para iluminação artificial de ambientes. O controle da corrente de saída se dá por meio do ciclo de trabalho, o que permite o ajuste da intensidade luminosa da lâmpada LED. Palavras-chave: Conversores Estáticos; LED de Potência; Controle de Luminosidade. ABSTRACT As a consequence of the technology revolution on power LEDs, for lighting applications, many LED drivers have been developed to addressing their different needs and demands. In this sense, the present work proposes the implementation of a power LED driver based on the D converter. Since the D converter can be designed in order to act as a controlled current source. Therefore, it is able to adjust the LED lamp luminous intensity throughout the duty cycle. Keywords: Power Converters; Power LEDs. Dimmer. 1 INTRODUÇÃO Em função da alta demanda por atualização dos sistemas de iluminação pública, comercial e doméstica, a melhor eficiência associada ao melhor custo/benefício, é buscada por pesquisadores e desenvolvedores de projetos para iluminação, com o avanço da tecnologia permitiu-se expandir as opções de lâmpadas e luminárias como por exemplo a evolução dos LEDs Thru Hole para os LEDs Filament, conforme Figura 1. Na Figura 2 é possível observar a estrutura de contrução do LED Filament. Figura 1 - LED Thru Hole x Filament; Fonte: JAN, What is a LED Filament lamp!, 2017

3 3 Figura 2 - Estrutura LED Filament; Fonte: Cooling. Eletronics.Testing of Power LEDs, Tema de Pesquisa Estudar e aplicar métodos alternativos para o acionamento de LEDs, visando minimizar a ondulação de corrente (Ripple). E também o estudo do conversor como alternativa aos atuais comercializados. 1.2 Justificativa do Tema O tipo de conversor em estudo é uma topologia já proposta em 1978, que ainda está na fase de pesquisa. A temática do estudo esta refernciada em explorar diferentes opções de controladores (Drivers) para atender a tecnologia LED. 1.3 Objetivo do Trabalho O artigo foi iniciado visando implementar o conversor proposto acionando uma carga não linear, os LEDs, para assim, poder analisar o seu comportamento. Validar a topologia do e o equacionamento do conversor.

4 4 1.4 Delimitações do Trabalho O foco do estudo tende a atender as áreas de potência e tecnologia LED principalmente. O conversor é uma ótima propostas para cargas não lineares, para este trabalho, será explorada a tecnologia LED. 2 REFERENCIAL TEÓRICO Neste item serão explicados conceitos e temas fundamentais para a compreensão do projeto desenvolvido. Buscando aplicação dos equacionamentos apresentados nas referências bibliográficas. 2.1 Diodo Emissor de Luz O diodo emissor de luz (do inglês, Light Emitter Diode - LED) é uma tecnologia antiga que vem evoluindo rapidamente, sendo hoje empregada em displays, monitores, televisores e diversas outras interfaces homem-máquina. Contudo, no que tange ao presente trabalho o foco estará nos sistemas de iluminação artificial que empregam LEDs de Potência em função de sua elevada eficiência luminosa e longa vida útil. Estas características conferem aos LEDs especial sinergia com as crescentes demandas ambientais. O LED é um componente semicondutor (de junção PN) e devido ao comportamento não linear da sua relação corrente-tensão (i x v) o mesmo deve ser energizado por um circuito de acionamento próprio. Os circuitos de acionamento, além de garantir a vida útil dos LEDs por meio do adequado controle da corrente que por eles circulam, também podem incluir o controle da intensidade luminosa, produzida por estes dispositivos. A Figura 3 apresenta a relação corrente-tensão em um LED de potência, submetido a um transitório térmico, evidenciando a característica não linear deste componente, observando que quando a tensão VH é atingida qualquer mínima variação da tensão direta aplicada ao LED pode levar a destruição deste dispositivo por sobrecorrente.

5 5 Figura 3 Relação corrente x tensão em um LED de Potência Fonte: LEDLAM, How do led filamento work?, 2017 Este projeto utilizará um LED de potência do fabricante Epistar de modelo LEDE- P10B-D-WHITE (Espeficação técnica de produto Epistar High Power LED, 2012.). Em condição de 25 C e com uma corrente direta de 1050 ma, trabalha com uma tensão direta de 9,6 a 11 volts. Este componente é um chip onde no seu interior existe uma associação de 2 paralelos de 2 LEDs em série. 2.2 Conversor D Como citado no item 2.1, é necessário o uso de um circuito de acionamento, para garantir a adequada ativação dos LEDs. Assim os drivers são compostos de circuitos retificadores, filtros, conversores, dispositivos de proteção entre outros. Os conversores são amplamente estudados buscando o emprego da tipologia mais eficaz para os requisitos de projeto solicitados. Como por exemplo existem conversores do tipo redutor e elevador de tensão que podem realizar esta função de diferentes formas. Conversores CC-CC são sistemas formados por semicondutores de potência operando como interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores que tem por função controlar o fluxo de potência de uma fonte de entrada para uma fonte de saída (MARTINS e BARBI, 2008).

6 6 O conversor D apresentado na Figura 4, tem a capacidade de minimizar a ondulação da corrente de sua entrada empregando, para tanto, um indutor de entrada de valor reduzido, em relação aos demais conversores que também possuem características de fonte de corrente em suas entradas. Ressalta-se ainda, que este conversor pode ser modificado para apresentar um comportamento de fonte de corrente em sua saída, para permitir o controle da corrente nos LEDS, para tanto, basta a remoção do capacitor C2. Figura 4 Topologia do Conversor-D. Fonte: DOS REIS, 2017 Como observado na Figura 4 o conversor possui quatro componentes passivos, indutores L1 e L2 e capacitores C1 e C2. Entretanto, para garantir o devido comportamento de fonte de corrente, em sua saída, o capacitor C2 é removido e no lugar do resistor R, se insere a lâmpada LED. A Figura 5 apresenta o circuito modificado. Figura 5 Topologia do Conversor-D modificado. Fonte: DOS REIS, 2017 Na sequência se apresenta o critério de dimensionamento do conversor D empregado neste trabalho o qual foi obtido a partir de (DOS REIS, 2017). O ganho (G) (1) estático do conversor pode ser determinado a partir do balanço volt-segundo, o qual estabelece que a tensão média aplicada aos indutores deve ser nula.

7 7 A partir de (1) se comprova que o conversor-d possui um ganho (G) igual aos conversores da família Buck-Boost. O cálculo dos indutores e capacitores é realizado em função dos parâmetros de projeto como são: a frequência de comutação (F S ); a potência de saída ( P out ); a tensão de saída (V out ); a tensão de entrada (V in ); o ciclo de trabalho (D); a ondulação máxima de corrente admitida em cada indutor ( δ i L1 e δ i L2 ); e ondulação máxima de tensão admitida em cada capacitor (δ v C1 e δ v C2 ), resultando nas expressões indutância L 1 (2) e L 2 (3) e também nas capacitâncias de C 1 (4) e C 2 (5) que seguem: G = V out V in = D 1 D (1) L 1 = V out 2 (1 D) D δ v C2 + δ v C1 (2) 2π P out F S D 2 2 δ i L1 L 2 = V 2 out (1 D) 2 (3) 2 P out Fs δ i L2 C 1 = P out D 2 (4) 2 2 V out F s δ v C1 P out δ i L2 C 2 = 2 8 F S V out δ v C2 (1 D) (5) As tensões e correntes, no diodo e no interruptor, são determinadas por meio do estudo apresentado na seção anterior. Como é sabido, a corrente média que flui em qualquer capacitor é nula. Portanto, as correntes médias do transistor e do diodo são iguais as correntes médias na entrada e na saída do conversor, respectivamente. Assim é possível determinar a corrente média no diodo (I D med ) (6) e no transistor (I S med ) (7), onde: a potência de saída ( P out ); a tensão de saída (V out ); o ciclo de trabalho (D). I D med = P out V out (6)

8 8 I S med = P out D V out (1 D) (7) A corrente máxima no transistor (I S máx ) é igual à do diodo (I D máx ) e é definida na Equação (8), onde: a potência de saída ( P out ); a tensão de saída (V out ); o ciclo de trabalho (D); a ondulação máxima de corrente admitida no indutor ( δ i L2 ). I S máx = I D máx = P out V out (1 D) (1 + δ i L2 2 ) (8) Os valores eficazes das correntes no interruptor (I S rms ) (10) e no diodo (I D rms ) (9) foram determinados a partir da definição do valor eficaz aplicado as formas de onda representadas na Figura 5 (b) e (c), onde: a potência de saída ( P out ); a tensão de saída (V out ); o ciclo de trabalho (D). I D rms = P out V out 1 1 D (9) I S rms = P out V out D 1 D (10) A tensão máxima no transistor e no diodo é igual a máxima tensão no capacitor C1, a qual é expressa em (11), onde: a tensão de saída (V out ); o ciclo de trabalho (D); a ondulação máxima de tensão admitida no capacitor (δ v C1 ). V S máx = V D máx = V out D (1 + δ v C1 2 ) (11) Na Figura 6, é possível observar as formas de onda em cada um dos componentes do circuito, conforme apresentado em (DOS REIS, 2017). Figura 6 Principais formas de onda de tensão e corrente nos componentes do conversor-d

9 9 Fonte: DOS REIS, Circuito de controle LM3524 Os sinais de controle do transistor MOSFET (IRF840) empregado neste projeto, são provenientes do circuito integrado LM3524, o qual é um modulador de largura de pulso (Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017). O mesmo foi dimensionado para garantir a frequência de chaveamento de 20 khz e uma razão cíclica de aproximadamente 30%. Para encontrar os valores dos componentes a serem utilizados no circuito de controle foram empregadas Equações propostas pelo fabricante do componente, apresentadas no seu datasheet. O diagrama de blocos do modulador é apresentado na Figura 7 e o esquema elétrico para o circuito de teste na Figura 8.

10 10 Figura 7 Diagrama de Blocos LM3524 Fonte: Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017 Figura 8 Circuito de Teste LM3524 Fonte: Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017

11 11 A frequência de oscilação é dada pela Equação 12. E a seleção do capacitor para a escala de frequência desejada se dá pelo Gráfico 1. f OSC = 1 R T C T (12) Gráfico 1 Gráfico para dimensionamento de R T e C T LM3524 Fonte: Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017 Para ajustar o ciclo de trabalho deve-se atender ao Gráfico 2, para tanto foi utilizado um potenciômetro, conforme proposto no circuito teste. Gráfico 2 Gráfico para dimensionamento do duty cycle LM3524 Fonte: Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017

12 12 3 METODOLOGIA Ao longo deste item será descrita a metodologia de desenvolvimento do projeto do LED driver baseado no conversor D e seu circuito de controle. Em um primeiro momento, serão apresentados os cálculos dos componentes do conversor, conforme Equações especificadas no referencial teórico, a seguir o circuito elétrico, incluindo conversor e circuito do controle do conversor. Por sua vez serão realizadas simulações digitais do conversor D, na ferramenta, para validar o projeto realizado. Na sequência as etapas de prototipação e montagem do controlador de LED. Por fim validação do projeto concluído. Figura 17 Metodologia 1º Processo Definição de proposta Avaliação do refencial teórico Dimensionamento do projeto Simulação dos circuitos 2º Processo Estudo e implementação em protoboard do circuito de acionamento isolado para o transistor MOSFET Estudo e implementação em protoboard do circuito de controle empregando CI dedicado Projeto das PCIs de acionamento, controle e potência Prototipação da PCI 3º Processo Validação do projeto Avaliação dos resultados obtidos O objetivo do trabalho é implementar um circuito de acionamento de LEDs empregando o conversor D e avaliar o seu desempenho para esta aplicação. Foram utilizados como referência para o desenvolvimento do projeto, artigos científicos, publicados na IEEE, e em especial o artigo (DOS REIS, 2017).

13 Dimensionamento do conversor D O projeto foi direcionado de modo a apresentar uma alternativa de controlador para uma luminária com iluminação LED que fosse capaz de controlar a corrente nestes dispositivos e ao mesmo tempo limitar a ondulação da corrente nos LEDs. Para uma potência de 40 watts e uma ondulação máxima de 1,0 ampère pico a pico. O equacionamento do projeto do conversor foi todo desenvolvido com o auxílio do software de simulação de cálculos MATLAB. 3.2 Simulação dos circuitos A partir do dimensionamento dos componentes, realizado no item 3.1, foi possível realizar a simulação do conversor D, com base na ferramenta PSIM. 3.3 Elaboração do circuito de controle O circuito de controle foi desenvolvido com base no controlador de largura de pulso LM3524 (Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017). O esquema elétrico do mesmo foi desenhado na ferramenta projeto de diagrama esquemático, EAGLE DESIGNER. 3.4 Prototipação do circuito de controle Em um primeiro momento o modulador PWM foi montado em uma protoboard, com os componentes especificados para o projeto. Na sequência o circuito foi testado individualmente e ajustado para ser aplicado ao controle do transistor do conversor. 3.5 Elaboração do circuito do conversor D Da mesma forma que o circuito de controle, o circuito do conversor D, foi desenhado com auxílio da ferramenta EAGLE DESIGNER. Seus componentes foram escolhidos com base nos valores calculados de corrente e tensão e com o suporte da ferramenta MATLAB. 3.6 Prototipação do circuito do conversor D Em função da elevada corrente do circuito do conversor, não foi possível realizar a prototipação na protoboard, assim a placa de circuito impresso foi desenhada a partir do diagrama esquemático na ferramenta EAGLE DESIGNER.

14 Elaboração da placa de circuito impresso Após validados os circuitos, a placa de circuito impresso do controlador pôde ser confeccionada. 3.8 Montagem da placa de circuito impresso Após confeccionadas as placas e realizados os devidos ajustes os componentes definitivos puderam ser montados nas placas de circuito impresso. 3.9 Validação do projeto Com o projeto final montado e as placas interligadas, os resultados foram obtidos e assim apresentados no item de aplicação 4 no trabalho. 4 APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA O projeto e a elaboração do artigo se deu conforme descrito na etapa anterior, sendo a primeira parte constituída pelo dimensionamento do projeto, descrito no item Dimensionamento do projeto Foram seguidos os mesmos parâmetros apresentados no artigo de referência (DOS REIS, 2017), pois a carga, é constituída por um arranjo de LEDs de potência, conforme se mostra na Figura 11. A carga encontra-se disponível no Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS (LEPUC). Os parâmetros utilizados para o projeto estão descritos na Tabela 1 Tabela 1 Parâmetros para o projeto do conversor D Parâmetro Valor Tensão de entrada (Vin) 50 V Tensão de saída (Vout) 20 V Potência de saída (Pout) 40 W Carga equivalente (R) 14 Ω Frequência de comutação (Fs) 20 khz Ripple de corrente normalizado (δi L1) 0,05 Ripple de corrente normalizado (δi L2) 0,30

15 15 Tabela 1 Parâmetros para o projeto do conversor D - Continuação Parâmetro Valor Ripple de tensão normalizado (δv C1) 0,1 Ripple de tensão normalizado (δv C2) 0,1 Figura 11 Topologia de conexão dos LEDs de potência Tabela 2 Parâmetros de acionamento para o conjunto de LEDs Parâmetro Valor Tensão Média dos LEDs em série (Vo) 20 V Corrente em cada braço (ib) 0,9 A Corrente total no arranjo (io) 1,8 A 4.2 Simulação dos circuitos Com auxílio do programa PSIM realizou-se a simulação do conversor D, e assim foi possível observar as grandezas elétricas nos diversos componentes. Figura 12 Circuito do conversor D simulado no PSIM

16 16 Figura 13 Correntes nos indutores L1 e L2 4.3 Elaboração do circuito de controle O circuito de controle foi desenvolvido conforme indicado no circuito de teste no datasheet do fabricante (Especificação técnica de produto Regulador de largura de pulso LM3524, 2017).

17 Figura 14 Esquema elétrico do circuito de controle 17

18 Prototipação do circuito de controle A primeira etapa da prototipação do circuito de controle, foi realizar a montagem do circuito de teste do modulador de largura de pulso, LM3524 em uma matriz de contato (do inglês, protoboard), após verificar os sinais do modulador, estando coerentes conforme o dimensionado. 4.5 Elaboração de um circuito de acionamento isolado Em função da posição topológica que o transistor ocupa no conversor D, o isolamento galvânico entre o terra da placa de potência e o terra do sinal de controle é necessário. Para este fim foi implementado um circuito de comando isolado baseado no conversor forward. Os componentes foram todos calculados a partir de um script com auxílio do software MATLAB, possibilitando uma maior agilidade na realização de eventuais ajustes. Figura 15 Esquema elétrico do circuito do conversor D e do driver isolado.

19 19 Figura 16 Saída do trafo isolador 4.6 Prototipação do circuito do conversor D A prototipação do circuito do conversor não pôde ser realizada em uma protoboard, conforme citado no item 3.8 deste artigo. Desta forma os ensaios foram realizados após a montagem da placa de circuito impresso. 4.7 Elaboração da placa de circuito impresso Após testado o circuito de controle e validado o circuito do conversor, com os devidos ajustes de componentes e dimensionamento da área a ser utilizada, iniciou-se o layout da placa de circuito impresso, conforme mostrado na Figura 17.

20 20 Figura 17 Layout do circuito do conversor D 4.8 Montagem da placa de circuito impresso Com todos componentes calculados e dimensionados conforme orientações citadas no item 3, Referencial Teórico. Os mesmos foram adaptados para os disponíveis em laboratório além dos principais do projeto, foram acrescentados fusíveis por questões de segurança.

21 21 Figura 18 Placa de Circuito Impresso Montada 4.9 Validação do projeto Com o projeto montado se deu início a validação dos circuitos que compõem o controlador da lâmpada LED. Em um primeiro momento o circuito de controle foi testado, sendo alimentado por uma tensão de 10 volts, a corrente da fonte de alimentação utilizada foi limitada em 0,5 ampères. A largura de pulso foi ajustada em seu valor mínimo, desta forma o consumo de corrente é o mínimo possível, evitando assim uma possível danificação dos componentes e podendo observar as formas de onda do circuito. Observando a forma de onda entre drain e source, e gate e source, e também o consumo de corrente da fonte de alimentação do controle. Gradativamente, o nível de tensão foi sendo elevado até atingir 15 V então a largura de pulso foi ajustada até o consumo atingir 0,1 A. Possibilitando o conversor operar e podendo observar o comportamento do mesmo. Em um segundo momento o conversor foi alimentado inicialmente com 10 V e assim foi observado o consumo de corrente no conversor, a tensão de saída e o aquecimento dos componentes, para evitar que saturassem. Foi observado o aquecimento excessivo do indutor L2, desta

22 22 forma foi considerado que o efeito skin (MARTINS e BARBI, 2008) poderia estar atuando sobre este indutor. Por isso, o mesmo foi redimensionado, sendo bobinado com 22 fios de cobre esmaltado 33 AWG (Catálogo de fios esmaltados Eberle Motores elétricos, 2017) com 9 m de comprimento. Após montado o novo indutor, foi necessário incluir um dissipador para o diodo o qual havia sido desprezado por inexperiência. Feitos os ajustes necessários o conversor foi testado sob condições nominais, a alimentação do conversor foi elevada para 50 V e o ciclo de trabalho ajustado para aproximadamente 25%. O consumo de corrente na entrada do conversor, nesta situação, foi de 0,60 A, e na saída se mediu uma corrente de 1,36 A, para uma tensão de 20 V. As formas de onda de tensão no capacitor, no diodo, nos indutores L1, L2 e no MOSFET e formas de ondas de corrente na entrada e na saída do conversor, são apresentadas nas Figuras 18 a 25 respectivamente. Figura 18 Tensão no capacitor C1

23 23 Figura 20 Tensão no diodo Figura 21 Tensão no indutor L1

24 24 Figura 22 Tensão no indutor L2 Figura 23 Tensão no MOSFET entre drain e source

25 25 Figura 24 Ripple de corrente na entrada do conversor D Figura 25 Ripple de corrente na saida do conversor D 5 CONCLUSÃO O projeto do controlador de LEDs baseado no conversor D atingiu satisfatoriamente os resultados esperados. Alguns ajustes tiveram de ser realizados tendo em vista a inexperiência do autor nesta área. Contudo, os resultados obtidos na versão final foram coerentes com os simulados no software PSIM. O LED driver fruto deste trabalho se mostrou estável, operando por várias horas sem interrupções. O conversor D é uma topologia promissora, demonstrando com as validações realizadas, ser uma opção

26 26 a ser explorada em seus limites para obter uma análise de viabilidade de industrialização mais aprofundada. 6 REFERÊNCIAS BARBI, Ivo. Projetos de fontes chaveadas. Florianópolis: Edição do Autor, EBERLE. Elétricos Motores Catálogo de fios esmaltados. Disponível em: Acesso em: 20 outubro JEDEC. Cooling. Eletronics.Testing of Power LEDs: The Latest Thermal Testing Standards. Disponível em: Acesso em: 28 setembro DOS REIS, F. S.; CABRAL, H. G.; DUTRA, S. C. A.; NERY, E. G.; VIEIRA, V. A.; PAN, A. C.; DOS REIS, F. B.; TONKOSKI, R. The D-Converter in CCM: Analysis, Design and Results. 14 th Brazilian Power Electronics Conference, COBEP2017, EPISTAR. High Power LED Espeficação técnica de produto. Disponível em: Acesso em: 14 setembro TEXAS INSTRUMENTS. Regulador de largura de pulso LM3524 Especificação técnica de produto. Disponível em: Acesso em: 11 setembro LEDLAM. How do led filamento work? Disponível em: Acesso em: 13 setembro JAN. What is a LED Filament lamp! Disponível em: Acesso em: 13 setembro 2017.

27 27 MARTINS, D. C. e BARBI, I. Eletrônica de Potência: Conversores CC-CC Básicos Não Isolados. 3ª ed., Edição dos Autores, 2008, 378 p.