Desenvolvimento de um sistema sustentável, utilizando uma Luminária a Base de LEDs

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1 1 Desenvolvimento de um sistema sustentável, utilizando uma Luminária a Base de LEDs N. S. H. Diego, Graduando em Engenharia Elétrica, IFBA, J.A. Diaz-Amado, Membro estudante, IEEE, Ms. Engenharia Elétrica, IFBA, K. A. Jorge, PhD. Física, IFBA, A. Magnus, PHD. Escola de Ciências e Tecnologia, UFRN Resumo--Dentre as diversas formas de conversão de energia elétrica a energia solar é uma das que menos polui e menos causa impactos ambientais. Porém, atualmente diversos problemas são enfrentados no intuito de conseguir substituir as fontes de energia atuais por fontes de energia provenientes do sol. O objetivo do trabalho é analisar e desenvolver um sistema sustentável de iluminação a base de LEDs, o qual estará sendo alimentadas por um painel solar e baterias de chumbo ácido, onde também será analisado o conversor CC Buck, que é usado para manter a tensão estável no sistema de iluminação. desses dispositivos em iluminação residencial, de ruas e de avenidas, podendo ser encontrado em diversas cores, onde os mais apropriados para iluminação são os capazes de emitir luz branca de alta intensidade e amarela, podendo substituir as lâmpadas fluorescentes e incandescentes. O I. INTRODUÇÃO sol é a maior fonte de energia existente, onde a utilização desta fonte seria ideal para solucionar os problemas energéticos que acompanham o crescente desenvolvimento da humanidade. Porém, consegui converter a energia luminosa proveniente do sol em energia elétrica é um dos maiores problemas a ser enfrentados pelos pesquisadores. Isso ocorre devido à baixa eficiência dos painéis fotovoltaicos e ao alto custo de produção dos mesmos. Atualmente é possível encontrar comercialmente painéis com eficiência em torno de 20% a 30%. Aliado a isso tem a falta de investimentos maciços por parte do governo em pesquisas e desenvolvimento tecnológico que aproveite a energia solar fotovoltaica. Para compensar a baixa eficiência dos painéis fotovoltaicos, faz-se necessário desenvolver conversores CC-CC para armazenar a energia proveniente dos painéis em baterias de forma mais eficiente possível. Aliado a isso se têm o desenvolvimentos de novos dispositivos que consomem baixa potência tornando a utilização da conversão fotovoltaica viável, esse é o caso dos LEDs, Ver Fig. 1. Os Diodos Emissores de Luz - LEDs são as lâmpadas do futuro. As evoluções tecnológicas com relação à criação de sistemas de iluminação utilizando LEDs levam a acreditar que os mesmos irão dominar uma boa parte do mercado de iluminação. Os LEDs já são utilizados comumente em iluminação automotiva, tão como em iluminação decorativa. Novas tecnologias estão sendo desenvolvidas para a utilização dos Fig.1 Diagrama geral do sistema sustentável II. CONVERSOR CC- BUCK Os conversores do tipo Buck são bastante utilizados, devido às boas características obtidas. Seu funcionamento baseia-se, no armazenamento de energia em um indutor sob forma de corrente (a mesma corrente que circula pela carga) e com a tensão de saída dependente da amplitude e largura dos pulsos. Temos que os pulsos gerados pelo chaveamento, só possuem componentes positivas, fazendo aparecer sobre um resistor ou uma carga de saída uma tensão de saída V S, está tensão de saída gera uma corrente I S, que também circula pelo indutor L. Acrescentando um capacitor em paralelo com a carga de saída, temos que a parte alternada da corrente circulará por ele e a parte contínua no resistor (carga de saída), diminuindo a ondulação da tensão de saída. Estas características do conversor Buck, nos permitem trabalhar com um painel solar, o qual oscila uma tensão de 40 a 50 v e um corrente de 1.5 A. Na Fig.2 observamos três partes mais importantes, a chave composta pelo transistor (T), o circuito Buck composto por fonte de tensão de entrada V E que será os módulos fotovoltaicos, indutor L, capacitor C e carga de saída que é composto um conjunto de baterias, e por último temos o sistema de controle, que é responsável pela regulação da tensão de saída. Conversor CC-CC, Eficiência, Fonte Alternativa de Energia, Iluminação com LEDs.

2 2 Fig.2 Fonte chaveada Buck Está sendo utilizado o CI L4973V5.1 para regular o nível de tensão de entrada da bateria utilizada no projeto. Como nas baterias de chumbo ácido selada a tensão de alimentação pode variar entre 11 Volts e 13 Volts, resolvermos fixar o nível de tensão de entrada em 12,6 Volts, já que é o nível de tensão de alimentação ideal para iluminaria a LEDs. Desta forma com base na configuração mais apropriada de ser implementado o circuito, para o sistema, temos: Tensão de Entrada Variável (V E ): 14 Volts 50 Volts Tensão de Saída (Vo): 12,6 Volts Tensão de Ripple: 50mV Range de Corrente: 1mA 1,4A Máx. Riplle de Corrente: 10% Io Max Frequência de Chaveamento: 135Khz Fig.3 Experimento com o conversor Buck, com tensão de entrada de 20,2 Volts. Fig.4 Experimento com o conversor Buck, com tensão de entrada de 30,9 Volts. O circuito visto em Fig. 3 e Fig. 4 apresentou boa regulagem no nível de tensão apresentando um ripple de 40mV, o que está dentro dos parâmetros. Desta forma foi desenvolvida a placa de circuito impresso no software Eagle e confeccionada em placa dupla face ver Fig. 5 e Fig. 6. Fig.5 Design de placa de circuito impresso Fig.6 Conversor Buck desenvolvido III. LUMINÁRIA A LEDS Há algum tempo se anuncia que os Diodos Emissores de Luz ou LEDs serão as lâmpadas do futuro. A cada nova descoberta da aplicação dos LEDs parece confirmar essa expectativa. Essas inovações pelas quais está passando a iluminação de estado sólido levam acreditar que, em breve, o LED vai dominar uma boa quantia do mercado da iluminação. Em face disso, os LEDs já estão começando a revolucionar a indústria mundial de iluminação. Os avanços mais recentes têm gerado LEDs capazes de emitir luz branca de alta intensidade. Espera-se que, em poucos anos, eles comecem a substituir comercialmente as atuais lâmpadas incandescentes e, posteriormente, as lâmpadas fluorescentes. A utilização de dispositivos à base de LEDs vem ganhando cada vez mais espaço no mercado da iluminação, principalmente devido ao seu custo inferior quando comparado há outros tipos de fontes luminosas, já que apresenta boa relação eficiência versus custo. Atualmente as lâmpadas de estado sólido começam a avançar em outras fronteiras. As peculiaridades do diodo emissor de luz como pouco consumo de energia, vida útil longa, baixo custo, potência de irradiação absolutamente segura vem favorecendo a aplicação deste dispositivo em várias áreas da iluminação com um todo. Existem também os Leds que emitem luz na cor branca, mas esses são geralmente emissores de cor azul, revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas lâmpadas fluorescentes, que absorvem a luz azul e emitem a luz branca. Com a redução do preço, seu alto rendimento e sua grande durabilidade, esses Leds tornam-se ótimos substitutos para as lâmpadas comuns, e devem substituí-las a médio ou longo prazo.

3 3 Existem também os Leds brancos chamados RGB, e que são formados por três "chips", um vermelho (R de red), um verde (G de green) e um azul (B de blue). Uma variação dos Leds RGB, com um micro-controlador integrado, permite que se obtenha um verdadeiro show de luzes utilizando apenas um Led. Em geral, os Leds operam com nível de tensão de 1,2 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim, os Leds infra-vermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5V, os vermelhos com 1,7V, os amarelos com 1,7V ou 2,0V, os verdes entre 2,0V e 3,0V, enquanto os LEDs azuis, violeta e ultra-violeta geralmente precisam de mais de 3V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mw, com um tempo de vida útil de ou mais horas (Marco, 2009). Os Leds podem ter ângulos de abertura de iluminação variando de 15 até 180, tendo que a depender da aplicação pode-se determinar qual tipo será mais adequado. A necessidade de um sentimento de maior segurança vem obrigando o desenvolvimento nas ruas e logradouros públicos e privados de uma iluminação mais eficiente tanto na relação consumo como na relação luminosidade. Verificamos que a iluminação das cidades também tem sido direcionada no sentido da valorização do seu patrimônio histórico e da criação de ambientes urbanos voltados ao bem estar dos cidadãos, ou seja, iluminação pública decorativa. Contudo, os projetos de iluminação, assim como os planos de eficientização em iluminação pública vêm sendo elaborados apenas sob a ótica dos índices luminotécnicos a serem respeitados, da eficiência energética e da eficiência luminosa (lúmen/watt). "Padronizouse", ampla, geral e irrestritamente, a utilização da lâmpada de vapor de sódio alta pressão, fonte de luz monocromática de cor amarelada, que sem nenhuma dúvida é a que apresenta a melhor relação eficiência luminosa (lm/w), (Candura, Artigo Revista Lume). Logo é de fundamental importância entender como a visão humana se comporta neste cenário monocromático. O olho é um sistema de percepção de luz formado por um agente fotoreceptor (retina) e um obturador (pupila). A retina é composta de dois tipos de foto-receptores: cones e bastonetes. Os cones localizam-se na região central do campo visual, estão associados com a visão diurna, colorida, e com a percepção dos detalhes finos, enquanto os bastonetes localizam-se na periferia do campo de visual e estão associados à visão noturna. Podemos dizer que os cones são ativos em níveis de alta luminosidade e os bastonetes ativos em baixa luminosidade, ou seja, cones e bastonetes possuem respostas ou sensibilidades espectrais diferentes, definidas, respectivamente, como visão fotópica e visão escotópica. Os cones são mais receptivos a luz verde no comprimento de onda de 508 nanômetros, enquanto os bastonetes são mais receptivos a luz azul-verde em 555 nanômetros. Podemos também definir, em função dos níveis de luminosidade intermediários, a visão mesópica, (Candura, Artigo Revista Lume). Fig.7 Curva de sensibilidade espectral relativa do olho humano (fonte: Fig.8 Obtenção do espectro de frequência dos Leds de Alto Brilho e de Potência utilizando o aparelho Spectrovis. Foi utilizado o Spectrovis ver Fig 8 para obter o comportamento espectral dos Leds de Alto Brilho e de Potência a fim comparar com a curva de sensibilidade espectral do olho humano ver Fig. 7. Fig.9 Curva espectral do Led de Alto Brilho branco frio. Fig.10 Curva espectral do Led de Alto Brilho amarelo.

4 Desta forma foi desenvolvida uma luminária com 15 watts de potência para ambientes comerciais, tais como, bancos e escritórios. A luminária desenvolvida possui 15 Leds de Potência de 1W, sendo os mesmos conectados em configuração série - paralelo, ou seja, cinco malhas em paralelo contendo três Leds em série ver Fig.13 e Fig 14. Foram adicionados resistores em série para adequar o nível de tensão na matriz de Leds, tensão essa fornecida por uma bateria de chumbo ácido sela 12V, 7Ah. 4 Fig.11 Curva espectral dos Led de Alto Brilho branco frio com amarelo. Nas Fig.9, Fig.10 e Fig11 pode-se observar o comportamento espectral dos Leds de Alto Brilho na cor branco frio e amarelo, tendo que o Led branco frio apresentou um pico mais acentuado na entre 410 nm e 480 nm, e o Led amarelo apresenta o pico mais acentuado na região entre os 550 nm e 600 nm. Desta forma foi feito a soma dos dois espectros com o intuito de alcançar a região do espectro visível do olho humano, ver Fig.11. O espectro de potência do Led de Potência na cor branco frio também foi obtido apresentando comportamento espectral parecido com o Led de Alto Brilho branco frio, tendo como única diferença um pico mais acentuado na região entre os 550 nm e 600 nm. Foram obtidos também diversos outros gráficos dos Leds de Alto Brilho e de Potência, como por exemplo, curvas de tensão versus corrente, intensidade luminosa versus corrente e versus tensão e potência dissipada. Desta forma concluiu-se que os Leds de Alto Brilho são mais eficientes que os Leds de Potência, porém, os mais adequados para utilização em iluminação residência, pública, dentre outros, são os Leds de Potência pois estes são adaptados para este tipo para suportar maior dissipação de temperatura, ou seja, conseguem atingir potências o que significa maior dissipação de calor na junção sem perder vida útil, fato esse que é inviável utilizando o Led de Alto Brilho. Fig.13 Luminária a Led de Potência de 1W branco frio. Fig.14 Luminária a Led de Potência de 1W branco frio alimentada por bateria. A luminária foi desenvolvida utilizando um perfil de alumínio na parte interna adaptado de forma a manter a luminária esteticamente bonita, desta forma consegue-se aliar o necessário que são os dissipadores de potência dos Leds, a parte estética que está aliada ao consumo. Após analisar o comportamento da luminária desenvolvida foi obtido o gráfico Fig.15. Fig.12 Curva tensão versus corrente do Led de Potência branco frio de 1W. A partir da curva da Fig.12 podemos perceber que a luminosidade do Led pode ser controlada através do nível de corrente fornecido. Observa-se também que a medida que o nível de tensão vai se aproximando de 3,5 Volts a corrente aumenta quase que linearmente. Fig.15 Comportamento da corrente, tensão e intensidade luminosa no tempo. Pode-se observar na Fig.15 que o nível de intensidade luminosa da luminária foi decaindo no decorrer do tempo, isso porque o nível de corrente fornecida pela bateria variou de

5 5 forma decrescente no período de duas horas. Porém a luminária apresentou comportamento bastante satisfatório, haja vista que a variação no nível de intensidade luminosa pode ser corrigida caso a luminária seja alimentada diretamente por um conversor ligado a rede, e que a bateria seja utilizada apenas em caso de ocorrência de um falta de fase. Ou seja, a luminária poderia ser utilizada tanto em iluminação convencional como iluminação de emergência. A luminária apresentou um consumo médio de potência de 13W, e intensidade de 106 LUX a dois metros e meio de distância da luminária numa posição perpendicular, mais eficiente que uma lâmpada fluorescente de 20W que apresentou na mesma distância intensidade de 54 Lux. Artigos: [5] Carvalho, H. M. B. Diodos Emissores de Luz de Alto Brilho e Alta Potência. Directlight Artigo DL-05, março 2007 [6] L, Anderson, J. André; Uso de Leds em semáforo de trânsito: Um estudo da viabilidade Técnico-Econômica, Disponível em: Acesso em Maio de [7] M, Mauro. Utilização de Conversores Eletrônicos que Alimentam Leds de alto Brilho na Aplicação em Tecido Humano e Sua Interação Terapéutica. Tese de Doutorado, [8] P, Candura. Visão Humana. Artigo publicado na revista Lume Arquitetura, Disponível em: Acesso em Abril de IV. CONCLUSÕES O conversor Buck foi analisado utilizando o CI L4973V5.1, apresentando em simulação no laboratório bom funcionamento com relação a regulagem do nível de tensão de entrada variável. Foram feitos diversas análises com os Leds de Alto Brilho e de Potência, de onde foram obtidos diversos gráficos. A partir da análise dos gráficos conseguimos concluir que o controle da luminosidade dos Leds deve ser feito através da corrente e não através da tensão. Para os Leds Brancos de 70mW a tensão de alimentação ideal é de 3V com corrente de alimentação de 25mA. Já para os Leds Amarelos de 70mW, a tensão de alimentação ideal é de 1,8V com corrente de 25Ma. A luminária a ser utilizada no projeto foi desenvolvida sendo utilizados 15 Leds de Potência de 1W para montar um protótipo da luminária. Os resultados da luminosidade da luminária desenvolvida foi bastante satisfatório, o dissipador desenvolvido está super eficiente não deixando os Leds ficarem com temperatura elevada. A luminária a Led de Potência pode ser desenvolvida em potências maiores de 30Watts, 40Watts, 60Watts, 80Watts e assim por diante, utilizando Leds de 1W ou Leds mais potentes encontrados comercialmente como por exemplo Leds de 3W, 5W, 10W, 15W, 20W. Vale ressaltar que não é ideal utilizar uma fonte linear para alimentar a luminária e o banco de bateria, porque caso haja variação na tensão de entrada o mesmo ocorrerá na tensão de saída o que pode vir a danificar os Leds e diminuir a vida útil do banco de baterias. Por isso o ideal é o uso de uma fonte chaveada que mantenha sempre o nível de tensão da saída constante independente da variação de tensão na entrada. V. REFERÊNCIAS Livros: [1] Rashid, Muhammad; Eletrônica de Potência - Circutios, Dispositivos e Aplicações. Editora Makron Books. [2] AHMED, Ahsfaq; Eletrônica De Potência. Pearson Education do Brasil Ltda, [3]. Mello, Luiz Fernado Pereira; Projetos de Fontes Chaveadas. Editora Érica. [4]. Smith, Sedra; Microeletrôncia. Editora Makron Books, 2004.