Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

Metodologia de um Projeto de Reator Eletrônico para Lâmpadas de HID

Felipe Martinazzo, Reinaldo Tonkoski Jr., Toshifumi Suzuki, Fernando Soares dos Reis e Júlio César Marques de Lima

Resumo - O presente trabalho apresenta um método simplificado para o projeto de reatores eletrônicos para lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão normalmente utilizadas em iluminação pública. Para tanto foram estudadas algumas topologias de circuitos de potência e um conversor ressonante do tipo LCC utilizando um inversor em meia ponte. Após as análises qualitativa e quantitativa serão apresentados os resultados de simulação do circuito com os valores obtidos pelo método de cálculo proposto. Um protótipo de reator para lâmpada de vapor de sódio de 250 W utilizando o método proposto foi implementado para verificação experimental da metodologia proposta, o qual através dos resultados obtidos foi validada.

I. INTRODUÇÃO

Atualmente estima-se que cerca de 17% de toda energia consumida no Brasil (dados da Eletrobrás/Procel 1999) é transformada em iluminação artificial e as principais lâmpadas utilizadas neste processo são as lâmpadas incandescentes e as de descarga elétrica.

Dentre as lâmpadas de descarga elétrica, as lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio se caracterizam por apresentar uma das maiores eficiências luminosas, com um tempo de vida útil extremamente alto. Devido a estas características estes tipos de lâmpadas são largamente empregados em iluminação externa. A característica de produzir uma luz quase monocromática na faixa do amarelo dificulta a utilização em residências, mas é aceitável em muitos casos para iluminação externa, onde a reprodução fiel das cores não é muito importante.

As lâmpadas HPS, como qualquer outra lâmpada HID, necessitam de um reator para operarem corretamente. O Reator é um equipamento auxiliar, ligado entre a rede e a lâmpada de descarga, com a finalidade de garantir a ignição da lâmpada através da aplicação de uma tensão elevada entre seus eletrodos e de limitar a corrente que irá circular por esta, do contrário, a lâmpada se destruiria rapidamente, devido a característica de apresentar uma resistência negativa conforme pode ser observado na Figura 1. Para se entender melhor o fenômeno da resistência negativa, pode-se observar na figura 2 as formas de onda da tensão e da corrente em uma lâmpada operando a 60Hz.

Figura 1. Tensão x corrente para lâmpadas HID. Figura 2. Tensão e corrente operando a 60Hz

Devido à característica de resistência negativa apresentada na descarga elétrica em um gás, necessita-se de uma impedância em série com o tubo de descarga para se limitar a corrente a fim de manter-se estabilizada a descarga e evitar a destruição da lâmpada. Para tanto, existem alguns métodos de estabilização utilizados para alimentação com corrente contínua e corrente alternada, como por exemplo: Método Resistivo, Método Capacitivo e o Método Indutivo.

A alimentação em corrente contínua tem a desvantagem de que os eletrodos do tubo de descarga se desgastam somente em um dos lados, uma vez que a corrente flui sempre no mesmo sentido. A alimentação em corrente alternada proporciona um desgaste uniforme dos eletrodos, visto que a corrente flui nos dois sentidos em uma determinada freqüência. Entretanto, com a utilização de corrente alternada as lâmpadas apresentam algumas características indesejadas, tais como o efeito estroboscópico gerado pelo flicker da luz em uma lâmpada.

II. Lâmpadas de Alta Intensidade de Descarga (HID)

As lâmpadas HID se diferenciam entre si basicamente pelo tipo de gás que está contido no interior do tubo de descarga, sendo atualmente agrupadas em três tipos básicos: Lâmpadas de Vapor de Mercúrio (MV), Lâmpadas de Vapor Metálico (MH) e Lâmpadas de Vapor de Sódio a Alta Pressão (HPS). Neste trabalho enfocar-se-á as lâmpadas de alta pressão de vapor de sódio (HPS), largamente utilizadas em iluminação pública.

Figura 3. Lâmpada de HPS

III. REATORES MAGNÉTICOS X REATORES ELETRÔNICOS

IV. ETAPAS DE UM REATOR ELETRÔNICO (1) (2) (3) (4) (5)

Figura 4. Etapas de Funcionamento de um Reator Eletrônico.

(1) Entrada da rede 110/220 VCA 60/50 Hz e Filtro de EMI. O circuito deve proporcionar um alto fator de potência para a rede com a menor distorção harmônica em alta freqüência e livre de interferências EMI.

(2) Circuito retificador de onda completa formada por diodos. Este estágio pode possuir uma configuração de retificador e dobrador de tensão para operar em ambas as tensões (110/220V) através de uma chave seletora.

(3) Filtro capacitivo simples para eliminar o ripple da tensão. O filtro utilizado para estabilização da tensão deve ser tal que não haja ocorrência de ondulações na tensão cc para evitar o flicker na lâmpada. Esta etapa pode ser implementada através de um pré-regulador do fator de potência que irá permitir a operação do circuito em redes de 110 ou 220 V de forma automática com um fator de potência unitário e baixa distorção harmônica da corrente de entrada.

(4) Circuito inversor, responsável pela geração de uma tensão alternada de alta freqüência que será aplicada à lâmpada. A freqüência utilizada nos reatores eletrônicos está geralmente acima de 20 kHz, para evitar o ruído audível.

(5) Circuito ressonante responsável pela geração da tensão necessária para o acendimento da lâmpada e limitação da corrente na mesma.

Corrente na

Lâmpada

Resistência Positiva

Resistência Negativa

Tensão na Lâmpada

Tensão de Ruptura

■ Corrente

■ Tensão

Desvantagens:Desvantagens:

* Baixo fator de potência

* Volume e peso

* Maiores perdas e ruído audível

* Sensibilidade às flutuações da rede

Vantagens:Vantagens:

* Alta durabilidade

* Robustez

* Alta confiabilidade

* Resistente aos transitórios da rede

Ten

são

Tempo

Filtro de EMI

Rede Elétrica(CA)

Retificador PFP Inversor Filtro Ressonante

Lâmpada

V. PROJETO DO REATOR

Foi desenvolvida uma metodologia de projeto para o reator eletrônico. Utilizando esta metodologia um reator de de 250 W para lâmpadas de Alta pressão de Sódio (HPS) foi projetado. O PFP implementado utiliza um conversor Boost trabalhando na condição limiar entre o modo de condução contínuo e descontínuo. Conseqüentemente, este, trabalha no modo FM . O PFP possui uma entrada universal de 100 a 240 V e fornece 250 W para uma tensão na saída de 400 V que é utilizada como a tensão alimentação do barramento CC do reator. Para a implementação do reator LCC foi escolhida a freqüência de chaveamento de 68 kHz. Através dos dados fornecidos pelo fabricante das lâmpadas, a tensão de trabalho para lâmpada de 250 W é de 100 VRMS. Para o projeto do Reator LCC foi adicionada uma margem de 10% no projeto para compensar as eventuais perdas. Assumindo-se o comportamento resistivo da lâmpada, pode-se estimar o valor de sua resistência após a ignição utilizando-se a equação 1.

Após uma revisão bibliográfica e alguns experimentos, decidimos que a melhor relação para freqüência de operação é ω0 / ωs = 3, garantindo-se a geração de uma tensão elevada para a partida da lâmpada com limitação da corrente de partida no MOSFET a níveis aceitáveis. Se fosse adotado trabalhar na ressonância, ω0 = ωs, na teoria, teríamos a possibilidade de gerarmos uma tensão infinita sobre a lâmpada, o que poderia ser bom para o rápido acendimento da mesma. Porém, a corrente também tenderia a ser infinita pelo fato de que a impedância do circuito formado pelo indutor L, e pelos capacitores Cs e Cp na ressonância é nula, antes do acendimento da lâmpada. Isto resultaria na destruição dos MOSFETs, driver e optoacopladores. Após a partida da lâmpada, a resistência da lâmpada é muito menor que a reatância do capacitor Cp. Logo pode-se deduzir da equação 2 que:

(1) (2)

A figura 5 mostra o circuito do reator utilizando o filtro LCC, a figura 6 mostra o circuito antes do acionamento da lâmpada e a figura 7 depois do acionamento da lâmpada.

Figura 5 Figura 6 Figura 7

Para o circuito mostrado na figura 7, considerando-se a tensão Ve uma onda quadrada assimétrica (variando entre 0 e E). O valor da componente fundamental da tensão de entrada pode ser obtida a partir da série de Fourier. A equação 3 apresenta a amplitude máxima da componente fundamental desta tensão. Após o acendimento da lâmpada, deve-se garantir que a tensão eficaz sobre a lâmpada não ultrapasse seu valor nominal. A tensão de pico Vl pode ser obtida utilizando-se a regra do divisor de tensão para o circuito mostrado na figura 7, a equação 4 apresenta a tensão da lâmpada.

(3) (4)A impedância deste circuito pode ser determinada a partir da equação 5. Para facilitar o projeto do filtro LCC

um ábaco foi desenvolvido e o resultado é mostrado na figura 8. Este ábaco apresenta a relação entre Z/R para operação na freqüência de ω0 / ωs = 3, tendo o fator de qualidade Ql e a relação A = Cp / Cs entre os capacitores Cp e Cs definidos como parâmetros de projeto.

(5)

Onde:

, e

(6) (7) (8) Figura 8. Gráfico da Impedância em função de Ql

Como se pode observar no gráfico da figura 8, se fosse utilizado um valor para a relação entre capacitores A menor que 1/20 não há mudança significativa nas curvas do ábaco. Considerando-se esta característica, o fator A escolhido foi 1/20. A relação Z/R pode ser obtida pela equação 5, lembrando-se que o mais importante é manter o valor nominal da tensão eficaz na lâmpada HPS. Assim, uma nova equação pode ser obtida a partir da equação 5:

(9)

Pelo ábaco da figura 8, o valor obtido de Ql é 0,141 como se pode observar na intersecção do eixo horizontal Ql e Z(Ql,1/20), permitindo o cálculo dos elementos ressonantes. Os valores dos componentes ressonantes podem ser obtidos utilizando-se as equações 7 e 8 resultando em:

No caso dos capacitores, sabe-se que:

, e

VI. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS A figura 9 é uma simulação do acionamento da lâmpada feita em ambiente Spice do Orcad. Onde se observa

que antes do acionamento da lâmpada, a tensão pode atingir valores muito elevados da ordem de 20 kV, após o acionamento a tensão cai ao seu valor nominal de 100 volts.

Figura 9. Simulação do acionamento da lâmpada.

Figura 10. Tensão e corrente na lâmpada Figura 11. Potência média na lâmpada

VII. CONCLUSÃO

Foi realizado um estudo sobre lâmpadas HID, em especial as de vapor de sódio de alta pressão (HPS). Apresentou-se um comparativo entre os reatores magnéticos e eletrônicos e as etapas de funcionamento. Por fim, foi desenvolvido uma metodologia de cálculo para reatores eletrônicos de lâmpadas HPS, muito utilizadas em iluminação pública. Um protótipo foi construído para validação da metodologia proposta os resultados obtidos validaram a metodologia proposta.

V e

L C s

R

,

Vantagens:Vantagens:

* Não utiliza núcleo de ferro

* Não possui efeito estroboscópico

* Pode ser projetado para alto fator de potência

* Alta eficiência

* Não apresenta ruído audível

Desvantagens:Desvantagens:

* Susceptível à falhas

* Menor tempo de vida útil

* Menor resistência às condições ambientais

•Não produz radiação Ultravioleta;•Necessita de um pulso de tensão em torno de 2500 V para o acendimento;•Estão entre as lâmpadas com maior tempo de vida útil.