Design Features on Efficient Traffic Signals for Operation by Power Supply in Emergency Conditions

Design Features on Efficient Traffic Signals for Operation by Power Supply in Emergency Conditions PART II Manoel Firmino de Medeiros Jr., Joáz Santana Praxedes Laboratório de Eng. de Computação e Automação, Depto. de Eng. Elétrica, Univ. Fed. do Rio G. do Norte C.E.P. 59072-970 Natal, RN, BRAZIL E-mails: firmino@leca.ufrn.br, joaz@leca.ufrn.br Abstract In this Part II, an example-project for a LED Traffic Signal is developed using the methodology described in Part I. Comments on the calculation tools used as well as reference data about choice of electronic components and normalized requirements are also presented. Topics on costs and economic aspects are discussed. I. INTRODUÇÃO Apesar dos recentes avanços tecnológicos dos equipamentos controladores de semáforos, pouco se tem feito, no Brasil, relativamente à eficiência energética dos focos semafóricos, visando ao seu funcionamento durante interrupções no suprimento de energia elétrica, uma vez que a sinalização ainda é baseada em dispositivo focal do tipo incandescente, que possui alto grau de ineficiência. Esse tipo de fonte de luz está sendo objeto de gradual substituição por outros, de tecnologia mais avançada e consumo muito inferior, como é o caso das lâmpadas fluorescentes do tipo PL, bem como das modernas lâmpadas baseadas em LEDs (diodos emissores de luz). O uso de materiais alternativos, o aperfeiçoamento dos métodos de purificação do semicondutor e o avanço na tecnologia de fabricação produziram um grande aumento na eficiência luminosa dos LEDs. A associação de elementos como o alumínio, o gálio, o arsênio, o índio, o fósforo, tem favorecido a obtenção de compostos capazes de aumentar significativamente a variedade das aplicações de LEDs, fazendo com que estes passem de dispositivos indicadores para iluminadores, conforme mostrado em [10]. Na Parte I deste trabalho ([1]), apresentaram-se as características relevantes dos LEDs, bem como os requisitos que devem ser satisfeitos nos projetos de dispositivos focais. A seguir, apresenta-se o desenvolvimento de um projeto típico de focos semafóricos de LEDs, para as três cores, utilizando a metodologia proposta na Parte I. O algoritmo utilizado para elaboração desses projetos foi implementado utilizando recursos computacionais, usando como ferramenta de programação, o software MATLAB. Esse procedimento automatizado é particularmente útil, em aplicações dessa natureza, onde vários recálculos se fazem necessários, até chegar-se ao resultado final, devido à diversidade das opções disponíveis em termos de componentes de circuitos eletrônicos. Os exemplos apresentados têm como objetivo o projeto de focos, para serem utilizados em sistemas semafóricos de 12 V, com suprimento de energia suportado bor baterias automotivas. II. CARACTERÍSTICAS RELEVANTES Alguns conceitos de interesse em ambiente semafórico, já comentados na Parte I, que devem ser considerados em projetos, encontram-se relacionados a seguir: (a) Módulo de LED (b) Ensaio de Estabilização da Luz (c) Cromaticidade (d) Efeito fantasma (e) Degradação de Intensidade Luminosa (f) Distorção Harmônica Total (g) Night Dimming (h) Entrelaçamento Além desses conceitos, a possibilidade de os semáforos de LEDs, devido ao seu baixo consumo, operarem alimentados por fontes alternativas degradáveis, deu origem às propostas deste trabalho, para redução do consumo, durante as interrupções de fornecimento de energia na rede. Nesse contexto, foram definidas algumas condições para operação em regime de emergência, entre as quais merecem destaque: (a) Utilização de focos de formatos personalizados, com símbolos mnemônicos. (b) Desativação de focos considerados redundantes (c) Utilização de modo de operação piscante. (d) Utilização da operação dimming noturno (e) Utilização de focos programáveis. O circuito excitador (driver) de LEDs (já analisado na Parte I deste trabalho), é reapresentado na Fig.1. Para esse circuito, V S é a tensão aplicada à fila de LEDs (conjunto de LEDs em série), pela qual circula a corrente de excitação I L. Os LEDs são dispostos em arranjos de p filas em paralelo, cada uma contendo s LEDs em série. Cada foco tem, portanto, p excitadores, e n = p.s LEDs. V F é a tensão aplicada ao foco. Esse circuito corrige distorções por efeito da temperatura e de variações na tensão das baterias, durante o processo de descarga. O conjunto simplificado das equações do circuito excitador das filas (strings) de LEDs, mostrado na Fig.1, que foi utilizado para a metodologia de projeto aqui proposta, é apresentado a seguir: V f Vd R min = I I L D + β min R max = V f Vd I I L D + β max 194

V D = Vz + VSi RI β = L V f VD RI D V f R E max = R E min= sv V L CE min ( 1+ 1/ β ) I L VE min ( 1+ 1/ β ) I L I B = I L / β I E = ( β + 1) I B V f VD I = R VD V R BE B = β 1 I B ( + ) R E ID = I I B onde: β mín e β máx são os limites dos ganhos de corrente do transistor escolhido. O intervalo [R mín, R máx ] corresponde a faixa disponível para escolha do valor da resistência R V si é a tensão direta no diodo de silício. I D é a corrente neste diodo. R Emáx é o valor máximo de resistência permitido para o emissor. Esse valor é limitado superiormente para não restringir a quantidade de LEDs em uma mesma fila, evitando um nível maior de perdas. Inferiormente, é limitado pela necessidade de estabilizar a polarização do transistor. As demais grandezas estão caracterizadas na Parte I deste trabalho, que contém ainda, enumeradas e comentadas, as etapas envolvidas na elaboração do projeto proposto. Para uma referência rápida, apresentase, na Fig. 2, um fluxograma com a descrição resumida das etapas consideradas. Fig. 1 Circuito de Excitador de Fila de LEDs Para o recálculo, foram utilizadas as equações de reajustes: I L = Vz + VSi VBE RB / β + 1 ( 1 + / β ) RE I IL / β B = I E = ( β + 1) I B V f VD I = R Fig. 2 Fluxograma para Projeto de Focos 195

III. ETAPAS INICIAIS DOS PROJETOS Projeto No. 1 1 º Passo: Foco Vermelho, Bitola 300 mm, formato Seta 2 º Passo: O LED escolhido foi o HLMP-ED31-QT000, da Hewlett Packard. Esse dispositivo, de acordo com a folha de dados do fabricante, apresenta intensidade luminosa que varia entre 1.000 e 3.700 milicandelas, para as condições padronizadas (corrente de 20 ma, no centro do eixo ótico, a 25 o C de temperatura ambiente e no início da vida útil). Projeto No. 2 1º Passo: Foco Amarelo, bitola 200 mm, Formato Seta. 2 º Passo: LED escolhido, HLMP-EL31-QT000, da Hewlett Packard. Faixa de Intensidade Luminosa: 1.000 a 3.700 milicandelas, para as condições padronizadas. Projeto No. 3 1 º Passo: Foco Verde, bitola 200 mm, formato Seta. 2 º Passo: LED HLMP-CE31-Q0000, da HP. Intensidade Luminosa Típica, para condições padronizadas: 1100 milicandelas Comentários sobre o 3 º Passo dos três projetos. O nível de intensidade luminosa adotado como ponto de partida para os projetos foi de 80% do valor máximo especificado pelo fabricante ([2]). Assim, a luminosidade inicial para o foco vermelho foi de 2.800 milicandelas, para o amarelo, 2.800 milicandelas e para o verde, 1.680 milicandelas.. Esse procedimento permite uma margem aceitável para a tolerância das luminosidades, evitando que o processo de seleção dos dispositivos se torne muito rigoroso e, conseqüentemente, oneroso. IV. ETAPAS RESTANTES DOS PROJETOS A tensão mínima de alimentação disponível foi considerada como 10,5 V, correspondendo à tensão da bateria no final da descarga. O valor máximo de tensão de alimentação foi assumido como 12,6 V, correspondendo à tensão da bateria plenamente carregada. A corrente de excitação dos LEDs foi a indicada pelo fabricante, de 20 ma para os três projetos. A correção da luminosidade unitária por LED, devida aos efeitos de envelhecimento, temperatura, variação da corrente de excitação e do ângulo de desvio em relação ao eixo ótico, foram obtidas a partir dos gráficos e informações constantes das respectivas folhas de dados. Para a questão do envelhecimento, foi adotado um prazo de garantia de três anos, mesmo considerando que existem fabricantes de focos que oferecem ao consumidor prazos de garantia de até seis anos. A fixação desse prazo é importante, em um projeto, porque a maior parte dos requisitos exigidos pelos organismos oficiais de controle da política de trânsito de veículos, deve vigorar durante todo o período de garantia. Quanto aos requisitos mínimos de luminosidade total para os focos, até a época da elaboração deste trabalho, o ITE não havia ainda estabelecido limites para os focos em formato tipo seta. Em conseqüência disso, o departamento de trânsito do estado do Rio Grande do Norte, DETRAN/RN, cedeu as máscaras de seta utilizadas em seus semáforos de lâmpadas incandescentes. De posse desses exemplares, foram levantadas as dimensões das áreas das figuras em forma de seta, e adotadas as mesmas áreas para os semáforos de LEDs projetados. A relação entre a área reduzida da seta para a área circular total (300 mm ou 200 mm, conforme o caso), foi adotada como parâmetro de correção das luminosidades padronizadas pelo ITE para o formato redondo respectivo ([ 4]) Alguns valores de parâmetros escolhidos para inicialização dos cálculos de projeto foram os seguintes: I Z = I D = 1 ma. V CEmín = 1 V V z = 6,2 V (zener termicamente estável). V Emín = 0,8 V V si = 0,7 V β mín = 50 β máx = 600 R = 2600 Ω R E = 47 Ω Um resumo dos principais valores de parâmetros de componentes e características dos focos projetados é apresentado na Tabela 1. V. COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS Os resultados obtidos com a técnica de projeto sugerida, estão compatíveis com as características de focos semafóricos encontrados no mercado, de acordo com levantamentos realizados junto aos principais fabricantes do mundo. Nessa pesquisas foram encontrados focos cujos consumos, em formato seta, variam de 3,5 W a 10 W, tendo cerca de 60 a pouco mais de 100 LEDs por módulo. Essa constatação confere certo grau de confiabilidade à técnica aqui proposta para elaboração desse tipo de projeto, permitindo-se a suposição de que o seu aperfeiçoamento poderá implicar em melhorias importantes na eficiência do sistema. O valor mínimo de tensão de 10 V, pressupõe uma queda de tensão de 0,5 V nos cabos de alimentação do sistema semafórico. VI. SUPRIMENTO COM ENERGIA DE EMERGÊNCIA A redução de consumo conseguida com a utilização de focos baseados em LEDs, em relação à opção de lâmpadas incandescentes de 100 W adotada no Brasil, chega a ser superior a 90%, utilizando focos projetados de acordo com a metodologia sugerida neste trabalho, conforme mostra a Tabela 1. Os resultados calculados estão próximos dos que são encontrados nos focos comerciais disponíveis no mercado. Considerando esse nível de consumo, a possibilidade de alimentação dos sistemas de controle de tráfego urbanos através de baterias de chumbo-ácido do tipo automotivo, durante as interrupções no fornecimento da energia da rede pública, se torna uma realidade. Cálculos de autonomias de 196

Projeto Tipo Tensão Nominal Tabela 1: Resumo de Resultados dos Projetos Bitola (mm) Cor Faixa de Tensão (V) Watts Máx. Quant LEDs Temp. Oper. 1 Seta 12V 300 Verm. 10/12,6 3 32 74 o C 90 Intens. Lum. (Cd) 2 Seta 12V 200 Amar 10/12,6 8 63 74 o C 176 3 Seta 12V 200 Verde 10/12,6 8 42 74 o C 71 Tabela 2 Autonomias para Cruzamentos Típicos Cruzamento 1 2 3 4 Tipo do Foco (Seta) Quantidade de Focos Vermelho 2 Amarelo 2 Verde 2 Vermelho 4 Amarelo 4 Verde 4 Vermelho 6 Amarelo 6 Verde 6 Vermelho 8 Amarelo 8 Verde 8 Capacidade Autonomia (horas) Bateria (Ah) Regime Contínuo Regime Piscante 42 16,89 18,80 42 12,70 15,83 42 10,18 13,71 42 8,49 12,09 Fig.3 Esquema Básico de um Controle Semafórico Autônomo 197

sistemas semafóricos típicos foram realizados, usando-se baterias automotivas de chumbo-ácido como fontes de energia de emergência. Os resultados indicaram que é viável a utilização dessa alternativa para operação dos semáforos durante a ausência de energia na rede pública. A Tabela 2 mostra alguns dos resultados de autonomias em horas, para algumas configurações típicas de sistemas semafóricos. O cruzamento identificado como 1, na Tabela 2, refere-se a uma situação das mais simples, correspondente a duas ruas de mão única. O cruzamento de número 4, corresponde a uma situação mais complexa, onde se têm oito bandejas de grupos focais, cada uma com um foco de cada cor. A Fig.3 mostra o esquema do sistema de controle semafórico, à prova de falta de energia, que foi utilizado para a determinação das características resumidas na Tabela 2. Esse sistema, é constituído de um módulo de energia de emergência (MEI) de 220 Vac / 12 Vcc, que garante energia ininterrupta a todo o sistema, ou seja, ao controlador de tráfego (CT), ligado aos terminais FI e NI, aos respectivos focos, cujo fio comum que sai do controlador entra no sistema pelo terminal FC, e sai pelos terminais LA e LP, em direção aos focos, após serem submetidos ao regime de operação devidamente programado pelo órgão de trânsito. Esse regime de operação pode ser contínuo ou piscante, conforme posição da chave CP. O relé T detecta a falta de energia, aciona o contador de tempo de descarga (HM) e o dispositivo piscante P, caso a opção escolhida seja a piscante (chave CP na posição 2). Esta opção aumenta o tempo de autonomia. Os focos programados para funcionamento permanente são ligados aos terminais LP. Os focos programados para serem desligados durante a falta de energia (economizando energia de emergência), devem ser ligados aos terminais LA). Há ainda a lâmpada piloto L, indicativa da condição de operação do sistema (normal ou emergencial). VII. ASPECTOS DE CUSTOS E VIABILIDADE Os primeiros focos semafóricos de LEDs colocados no mercado, eram produzidos apenas na cor vermelha e seus preços eram superiores a 500 dólares e continham muitos LEDs mais de 600 para o formato redondo de 300 mm. Os focos verdes foram disponibilizados na versão compatível com as normas oficiais, somente a partir de 1999, sendo esta uma razão pela qual ainda continuam com os seus preços mais altos em relação aos vermelhos. Durante os poucos anos em que se encontram sendo utilizados, em sua maioria nos Estados Unidos da América, os preços de semáforos de LEDs têm tido reduções importantes, chegando a atingir valores inferiores a 100 dólares, para o vermelho, de acordo com pesquisa de mercado feita por ocasião da elaboração deste trabalho. Comparado ao preço da unidade ótica convencional, composta de lâmpada incandescente, soquete, refletor e lente), que é cerca de 15 a 20 dólares, de acordo com informações do DETRAN/RN, o custo da unidade ótica de LED ainda é elevado significativamente. No entanto, enquanto as lâmpadas incandescentes, além de não terem garantia, estão sendo substituídas, em média, a cada seis meses, por motivo de queima, algumas marcas de focos de LEDs chegam a ter 6 anos de garantia. Sua duração de mais de 100.000 horas, permite prever vida útil estimada em mais de 15 anos, com base no ciclo de trabalho de cada cor semafórica, mesmo quando são considerados os aspectos de envelhecimento em condições severas. Nesse ponto, cabe ressaltar que o consumo unitário do foco tradicional, de lâmpada incandescente, é de 100 W, no caso do Brasil, de onde se pode inferir que a economia de energia, consumida nos grupos focais, pode superar 85%, atribuindo-se o valor de 15 W ao consumo médio dos focos baseados em LEDs (supondo que há focos tipo seta, como os determinados neste trabalho, e outros do tipo circular normal, que têm consumo maior, na versão LEDs). Por outro lado, a queda de preços e o aumento da eficiência luminosa ocorridos nos poucos anos em que a tecnologia vem sendo usada, permitem antever que a adoção da tecnologia de LEDs em semáforos é uma tendência irreversível, em uma época caracterizada por crises energéticas e econômicas. VIII. CONCLUSÕES Em um primeiro trabalho, procuraram-se ressaltar as principais propriedades dos LEDs como dispositivos de iluminação, bem como apresentar os principais aspectos envolvidos no projeto de focos semafóricos, utilizando esses dispositivos. O circuito excitador proposto foi idealizado, de maneira a compensar grande parte dos efeitos negativos da temperatura sobre a luminosidade dos LEDs. Os focos projetados de acordo com a metodologia apresentada, mostraram-se suficientemente eficientes, para garantir uma autonomia razoável, com suprimento de energia em situação de emergência, feito a partir de baterias automotivas. Nesta parte final do trabalho, procurou-se apresentar uma alternativa para iniciar uma referência de cálculos de projetos de focos semafóricos baseados em LEDs, que podem atuar alimentados por fontes de energia alternativa. As propostas apresentadas constituem uma base para que se possa dar seqüência ao processo de redução do consumo de energia em focos semafóricos, não apenas com o objetivo particular de melhorar o desempenho no funcionamento em condições de emergência, mas também de reduzir custos globais, incluindo-se a questão de economizar energia mesmo nas condições normais de operação. IX. REFERÊNCIAS [1] Manoel Firmino de Medeiros Jr., Joáz Santana Praxedes: Características de Projeto de Focos Semafóricos Eficientes para Operação com Suprimento de Energia em Condições de Emergência Parte I. Anais do XIII Congresso Brasileiro de Automática - CBA, Florianópolis, set/2000. [2] Joáz Santana Praxedes: Eficiência Energética em Sistemas Semafóricos e sua Operação com Suprimento de Energia em Condições de Emergência. Tese de Mestrado, PpgEE- UFRN, out/1999. [3] Projection of Long Term Light Output Performance for AS AlInGaP LED Technology Application Brief I007, Hewlett Packard, 1996. [4] Solutions for Common LED Design Erros in Segmented Display and Multi-indicator Applications, Application Brief D007, Hewlett Packard, 1995. 198

[5] Interim LED Purchase Specification, Vehicle Traffic Control Signal Heads, Part2: Light Emitting Diode (LED) Vehicle Traffic Signal Modules, Institute of Transportation Engineers (ITE), 1998. [6] Durgin, Gary Precision Lensing: a critical factor in LED implementation, Traffic Technology International 96, N.J., U.S.A., 1996. [7] Lighting Research Center, - Optimizing the Design and use of Light Emitting Diodes for Visually Critical Applications in Transportation and Architecture, School of Architecture, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, U.S.A. [8] Millman, Jacob & Halkias, Christos C. Eletrônica, 2 a Ed., Vols 1 e 2, McGraw Hill, São Paulo, 1981 [9] Malvino, Albert Paul, - Eletrônica, 4ª Ed. Vols 1 e 2, Makron Books, São Paulo, 1995 [10] Bierman, Andrew LEDs: From Indicators to Iluminators, Lighting Research Center. 199