Reatores Eletrônicos para LEDs de Potência

Universidade Federal do Ceará PET Engenharia Elétrica Fortaleza CE, Brasil, Abril, 2013 Universidade Federal do Ceará Departamento de Engenharia Elétrica PET Engenharia Elétrica UFC Reatores Eletrônicos para LEDs de Potência Autores: René P. Torrico Bascopé, Dr; Bruno V. Aragão; Juliano de O. Pacheco; Kaio Douglas T. Rocha; Lívia A. Machado

Sumário 1. Motivação do Trabalho 2. Diodos Semicondutores 3. LEDs de Potência 4. Conversor Abaixador de Tensão 5. Revisão de Topologias de Reatores 6. Topologia Proposta 7. Resultados de Simulações 8. Conclusões

1. Motivação do Trabalho Dados de 2010 Figura 1. Comparação dos Tipos de Lâmpadas.

1. Motivação do Trabalho Benefícios das Lâmpadas de LED Longa vida útil Menor emissão de calor Maior eficiência Livres de mercúrio Esteticamente mais agradáveis

2. Diodo Semicondutor Ideal Este dispositivo eletrônico tem como função básica conduzir corrente em apenas um sentido, desta forma, diz-se que ele opera semelhante a um circuito aberto no sentido oposto ao da condução. A simbologia utilizada para representar o diodo ideal é similar a uma seta que indica o sentido em que ocorre condução de corrente. Figura 2. Representação do Diodo Ideal. Figura 3. Curva do Diodo Ideal.

2. Diodo Semicondutor Ideal Figura 3. Tipos de Diodos. Figura 4. Tipos de Encapsulamentos.

3. LEDs de Potência Funcionamento Básico Tipo especial de eletroluminescência Polarização da junção em sentido direto Recombinação na região de depleção Liberação de Fótons (luz) Semicondutores : Gap Direto apenas fótons ex.: GaAs; InSb;InAs e etc. Gap Indireto luz e calor ex.: baseados em Si e Ge Figura 5. Recombinação e emissão de fótons.

3. LEDs de Potência Funcionamento Básico Figura 6. Camadas de um LED de potência. Figura 7. LEDs de potência. Camada tipo P contato tipo ôhmico e formação de buracos. Região de depleção liberação de fótons com alta eficiência de baixa barreira de energia Camada tipo N contato ôhmico Camada de nucleação região de interface. Substrato de Safira utilizado para deposição da camada tipo N e condutor térmico para dissipação do calor.

3. LEDs de Potência Perdas nos LEDs Desafio da tecnologia atual Minimizar Perdas; Melhorar Eficiência e funcionamento do LED Propagação de corrente pelos contatos elétricos é responsável por parte das perdas; A camada tipo P não possui alta condutividade, causando um espairamento da corrente, gerando perdas ôhmicas. Isso é diretamente refletido no modelo elétrico do LED, contribuindo para o aparecimento de uma resistência em série intrínseca do modelo (parâmetro crítico e determina a densidade de potência). Figura 8. LEDs de potência.

3. LEDs de Potência Perdas nos LEDs Formas de Minimizar as Perdas 1. Modificação dos contatos elétricos - redução do caminho que a corrente percorre - diminuir o espairamento - minimizar as perdas ôhmicas 2. Geometria dos Contatos Elétricos - Otimizar a distribuição de corrente - São elaboradas visando o equilíbrio redução da resistência série do dispositivo e a quantidade de luz refletida nos contatos. Figura 9. Caminhos percorridos pelos elétrons. Figura 10. Geometrias de contato usadas em LEDs.

3. LEDs de Potência Representação Matemática das Características do LED Figura 11. Modelo elétrico simplificado para os LEDs. V F = V O + I F. R S I F Corrente direta através do diodo R S Resistência em Série Sendo V O uma tensão aproximadamente constante, visto que a temperatura é constante e a corrente foi limitada a valores próximos da corrente nominal.

4. Conversor Abaixador de Tensão Figura 12. Topologia do Conversor Buck. Figura 13. Ganho Estático do Conversor.

4. Conversor Abaixador de Tensão Figura 14. Curvas de corrente e tensão de saída de um conversor Buck.

5. Revisão de Topologias de Reatores Reatores Não Isolados

5. Revisão de Topologias de Reatores Figura 15. Topologia 1. Cosetin, M.R. ; Luz, P.C.V. ; da Silva, M.F. ; Bisogno, F. ; Alonso, J.M. ; do Prado, R.N. "Long-Lifetime SEPIC-Buck Integrated Converter for LED Lighting Application". 10th IEEE/IAS Conference on Industry Applications, INDUSCON, 2012. pp. 1 to 6.

5. Revisão de Topologias de Reatores Especificações gerais: Tensão de entrada: 230 Vrms Frequência da rede: 50 Hz Potência de saída: 100 W Rendimento: 85% Corrente de saída: 2,1 A Frequência de comutação da chave: 50 khz

5. Revisão de Topologias de Reatores Figura 16. Topologia 2. da Fonseca, Z.P. ; Font, C.I. ; Kaster, M.S. ; Perin, A.J. ; Nascimento, C. "An electronic AC power system with buck PFC and linear regulator to drive and control the current of power LEDs". Power Electronics Conference, COBEP, 2011. pp. 864 to 870.

5. Revisão de Topologias de Reatores Especificações gerais: Tensão de pico de entrada: 180 V Frequência da rede: 60 Hz Tensão de saída: 42 V Corrente de saída: 1 A Potência de saída: 42,8 W Rendimento: 80%

5. Revisão de Topologias de Reatores Reatores Isolados

5. Revisão de Topologias de Reatores Figura 17. Topologia 3. Pinto, R.A. ; Roncalio, J.G. ; do Prado, R.N. "Conversor Buck-Boost-Flyback Integrado aplicado a um Sistema de Iluminação Pública Empregando LEDs Alimentado pela Rede Elétrica ou por Baterias". INDUSCON, 2012.

5. Revisão de Topologias de Reatores Especificações Gerais Alimentação pela rede elétrica: Tensão de entrada: 220 Vrms Tensão nos LEDs: 91 V Corrente nos LEDs: 708 ma Potência nos LEDs: 64,7 W Rendimento: 80% Fator de potência: 0,99 Alimentação pelas baterias: Tensão de entrada: 48,7 V Tensão nos LEDs: 91,7 V Corrente nos LEDs: 709 ma Potência nos LEDs: 65 W Rendimento: 91%

5. Revisão de Topologias de Reatores Figura 18. Topologia 4. Chun-An Cheng ; Chun-Hsien Yen. "A Single-Stage Driver for High Power LEDs". The 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA, 2011. pp. 2666 to 2671.

5. Revisão de Topologias de Reatores Especificações gerais: Tensão de entrada: 110 Vrms Tensão de saída: 23.1 V Potência de saída: 140 W Corrente de saída: 6.1 A Frequência mínima de comutação da chave: 45 khz

6. Topologia Proposta D 1 D 2 C n1 C 1 D 9 D b1 D b2 R 1 C o1 C o2 LED 1 LED 2 ~220 V C n0 C 2 D 6 R 3 R 2 D 7 D 8 C 3 L o1 L o2 D 3 D 4 C n2 D 5 C 4 S 1 S 2 Figura 19. Topologia proposta para o reator.

7. Resultados de Simulações 320 V ac (V) I ac x 300 (A) 200 0-200 -320 0.35 0.355 0.36 0.365 0.37 0.375 Tempo (s) Figura 20. Tensão e corrente de entrada CA.

7. Resultados de Simulações Resultados para a entrada: Tensão de pico V AC : 311 V Corrente de pico I AC : 0,6919 Tensão eficaz V AC : 219,9 Vrms Corrente eficaz I AC : 0,41 A Fator de potência: 0,9154 Taxa de distorção harmônica THD% da corrente I AC : 34,60%

7. Resultados de Simulações 54 Vsaida1 52 50 48 Vsaida2 54 52 50 48 0.35 0.355 0.36 0.365 0.37 0.375 Tempo (s) Figura 21. Tensões de saída CC.

7. Resultados de Simulações Resultados da tensão de saída: Valor médio de V saída1 = V saída2 = 51,5 V Ondulação de V saída1 = V saída2 = 5,72 V Ondulação ΔV saída = 11,10%

7. Resultados de Simulações 0.7 I(L1) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 I(L2) 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 Tempo (s) Figura 22. Correntes nos indutores de saída L1 e L2.

7. Resultados de Simulações Resultados das correntes nos indutores de saída: Valor médio de I L1 = I L2 = 0,432 A Ondulação de I L1 = V L2 = 0,03704 A Ondulação ΔI L = 8,57%

7. Resultados de Simulações I(S 1 ) I(D 1 ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 Tempo (s) Figura 23. Correntes na chave S 1 e no diodo D 1.

7. Resultados de Simulações I(S 1 ) I(D 1 ) 0.6 0.4 0.2 0 0.37328 0.3733 0.37332 0.37334 Tempo (s) Figura 24. Detalhe das correntes na chave S 1 e no diodo D 1.

7. Resultados de Simulações Resultados das correntes na chave S 1 e no diodo D 1 : Corrente média na chave S 1 : 0,073 A Corrente média no diodo D 1 : 0,359 A Corrente eficaz na chave S 1 : 0,185 A Corrente eficaz no diodo D 1 : 0,410 A

7. Resultados de Simulações Resultados de potência: Potência média de saída do conversor Buck: 2x22,48 W = 44,96 W Potência média de entrada do conversor Buck: 44,99 W Potência média de entrada do retificador: 82,54 W

8. Conclusões O intuito dessa pesquisa foi desenvolver um reator eletrônico de baixo custo para LEDs de potência, visto que a substituição das lâmpadas convencionais pelos LEDs é promissora, já que estes se mostram bem mais eficientes. Os reatores são baseados em conversores CC-CC, que podem ser divididos em isolados e não isolados. Para fazer os testes do reator, será montado um circuito de potência juntamente com um circuito de controle que acionará o painel de LEDs e irá monitorar a corrente que passa através dos mesmos de forma que a essa não ultrapasse o valor máximo nominal.

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