UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

FACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENERGIA

FELIPE BARBOSA MARINHO

SISTEMA DIGITAL PARA CONTROLE DE INTENSIDADE E

COR DA LUZ AMBIENTE

Juiz de Fora

2009

FELIPE BARBOSA MARINHO

SISTEMA DIGITAL PARA CONTROLE DE INTENSIDADE E COR DA LUZ AMBIENTE

Monografia apresentada como avaliação parcial

para obtenção de título de Engenheiro Eletricista

da Universidade Federal de Juiz de Fora.

Submetida à aprovação da banca examinadora

Composta pelos seguintes membros

Prof. Henrique A. Carvalho Braga Dr Eng (Orientador)

Universidade Federal de Juiz de Fora

Prof. Danilo Pereira Pinto. D.Sc

Universidade Federal de Juiz de Fora

Prof. André Augusto Ferreira D.Sc

Universidade Federal de Juiz de Fora

Juiz de Fora, 23 de dezembro de 2009

ii

Agradecimentos

Agradeço primeiramente à minha família e meu amor Camila, que

sempre me apoiou em qualquer decisão que tomei em minha vida. Aos amigos

que sempre estiveram ao meu lado, ajudando e compartilhando das minhas

alegrias.

Agradeço também aos companheiros e alguns verdadeiros irmãos do

LEENER. Aos professores que indicaram o caminho para que eu conseguisse

a excelente formação que tenho hoje. E a todos aqueles que contribuíram

direta ou indiretamente na conclusão deste trabalho.

“Se seus projetos não saturarem suas emoções, você não terá perseverança para executá-los.”

Augusto Cury

iii

Resumo

A constante evolução da tecnologia e a busca por sustentabilidade

justificam e estimulam o estudo de formas mais práticas e eficientes de

consumo de energia elétrica.

Sob esse aspecto, utilizando LEDs e fontes chaveadas, podem-se obter

resultados interessantes. Baseado nesse tema, o presente trabalho descreve

um método de controle da intensidade e da cor de LEDs RGB de alto brilho e

de potência, utilizando microcontroladores e fontes chaveadas.

Um programa de computador oferece ao usuário um painel onde ele

pode escolher a cor e a intensidade do LED. O mesmo princípio pode ser

ampliado e utilizado para iluminar residências, lojas e escritórios.

Índice 1. Introdução ........................................................................................................................................ 2

2. Conceitos básicos .......................................................................................................................... 7

2.1. A luz .................................................................................................................................................. 7

2.2. Colorimetria ..................................................................................................................................... 8

2.3. Fotometria ...................................................................................................................................... 13

2.3.1. Fluxo luminoso .............................................................................................................................. 14

2.3.2. Iluminância .................................................................................................................................... 14

2.3.3. Luminância .................................................................................................................................... 14

2.4. Psicologia das cores .................................................................................................................... 15

2.5. Campo visual ................................................................................................................................ 16

2.6. Acuidade visual ............................................................................................................................. 18

2.7. Persistência visual ........................................................................................................................ 18

2.8. Contraste ....................................................................................................................................... 19

2.9. Ofuscamento ................................................................................................................................. 20

2.10. Sombra ........................................................................................................................................... 21

2.11. Subjetividade da visão ................................................................................................................. 23

3. Diodos Emissores de Luz (LEDs) .............................................................................................. 24

4. O sistema de cores à base de LEDs ......................................................................................... 29

4.1. Análise de Alternativas ................................................................................................................ 29

4.2. Acionamento do sistema de cores ............................................................................................. 31

4.2.1. Dispositivos usados como chave ............................................................................................... 32

4.2.2. MLP (Modulação por Largura de pulso) ................................................................................... 33

4.2.3. Tipos de conversores ................................................................................................................... 34

4.2.4. Modo de condução contínua e descontínua ............................................................................ 35

4.3. Projeto do conversor Flyback ..................................................................................................... 37

4.3.1. Simulação ...................................................................................................................................... 44

5. Resultados experimentais ........................................................................................................... 47

5.1. Alternativa de acionamento ........................................................................................................ 47

5.2. Arquitetura do sistema ................................................................................................................. 48

5.2.1. Comunicação serial ...................................................................................................................... 50

5.3. Aplicativo computacional ............................................................................................................. 51

5.3.1. Algoritmo gerador de PWM ......................................................................................................... 52

5.4. Ensaios .......................................................................................................................................... 54

5.4.1. Módulo RGB de baixa potência .................................................................................................. 54

5.4.2. Módulo RGB de alta potência ..................................................................................................... 56

6. Conclusões .................................................................................................................................... 62

7. Bibliografia ..................................................................................................................................... 63

2

1. Introdução

Este trabalho mostra uma forma prática e eficiente de acionamento de

diodos emissores de luz, descrevendo o projeto da fonte chaveada utilizada, e

também a integração do dispositivo com o usuário através do computador.

Atualmente muito se fala em desenvolvimento sustentável.

Sustentabilidade é utilizar os recursos naturais em prol do desenvolvimento

econômico e social, de forma planejada, sem degradar a natureza, pois é

necessário garantir que as gerações futuras possam utilizar esses mesmos

recursos.

Utilizar fontes renováveis de energia é uma forma de se fazer isto.

Segundo dados preliminares descritos em (ZIMMERMANN, WOJCICKI, et al.,

2007), hoje, quase metade da energia útil (elétrica, transporte e outros)

consumida no Brasil provém de fontes renováveis, o restante ainda é

proveniente de fontes que utilizam carvão mineral, petróleo ou energia nuclear

como combustível. Isto prova que ainda há muito a se fazer pelo planeta.

Outra forma de contribuir para a sustentabilidade é combater o

desperdício, reduzindo o consumo de energia elétrica sem afetar a qualidade

de vida que ela nos proporciona. Neste caso, para atuar de forma eficaz, é

preciso atacar exatamente onde o consumo é mais expressivo, ou seja, é

necessário entender como a energia está sendo utilizada.

Na Figura 1 é mostrado um gráfico que facilita a visualização da

quantidade de energia utilizada em diversos setores da sociedade.

Figura 1: Consumo energético brasileiro por setor

4% 4%

8%

14%

22%

48%

Energético

Agropecuária

Público

Comercial

Residencial

Industrial

3

Nota-se que 48% de toda energia consumida é destinada ao setor

industrial, utilizada em motores, aquecimento ou resfriamento. O setor

residencial representa 22% deste consumo, dividido entre refrigeração,

aquecimento de água, iluminação entre outros. Os 30% restantes são gastos

no setor público, agropecuária e no setor energético.

Nas figuras 2 e 3 são mostrados mais detalhes dos setores onde o

consumo é mais elevado.

De acordo com (ZIMMERMANN, WOJCICKI, et al., 2007), no setor

industrial, o cenário evidencia que o consumo exercido pela força motriz

(motores) é muito mais significativo. Isto totaliza 68% da energia consumida

nas indústrias, restando 32% para gerar vapor (calor de processo), aquecer ou

resfriar processos diretamente, iluminar e realizar processos químicos que

utilizam energia elétrica.

Figura 2: Consumo de energia no setor industrial

Aparentemente a solução mais evidente seria o desenvolvimento de

motores e máquinas mais eficientes. No entanto, segundo (NATURESA,

MENESES, et al., 2008) atualmente os sistemas motrizes apresentam potencial

de economia menor que outros setores.

68%

3%

16%

3%10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Força Motriz Calor de Processo

Aquecimento Direto

Iluminação Eletroquimica

4

Deste modo, estudos voltados à eficiência em outros setores como

iluminação, aquecimento direto e a eletroquímica devem obter resultados mais

atrativos à pesquisa.

Figura 3: Consumo no setor residencial

O consumo no setor residencial encontra-se relativamente bem

distribuído. Sendo assim, muitas podem ser as formas de combater o

desperdício. O governo brasileiro incentiva a economia de energia, e vem

obtendo excelentes resultados com campanhas como o Selo Procel, forçando a

indústria a desenvolver produtos mais eficientes (ZIMMERMANN, WOJCICKI,

et al., 2007).

O uso de aquecedores solares de água, serpentinas para reaproveitar o

calor do chuveiro elétrico e o reaproveitamento da água da pia na descarga,

são maneiras criativas e econômicas de combater o desperdício de energia.

Segundo (ZIMMERMANN, WOJCICKI, et al., 2007), atualmente o gasto

com aquecimento de água totaliza 25% do consumo residencial. A iluminação

ineficiente também é um fator relevante, pois 21% do consumo residencial é

devido à iluminação.

O cenário se inverte no setor comercial e público, onde quase metade do

consumo é direcionada à iluminação de lojas, departamentos, shoppings e

prédios públicos. Na Figura 4 são mostrados em detalhes o consumo do setor.

25%

3%

34%

21%

17%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

Aquecimento de Água

Condicionameno Ambiental

Refrigeração Iluminação Outros Usos

5

Figura 4: Consumo no setor comercial e público

Todos estes fatores induzem o desenvolvimento de novas tecnologias

voltadas à iluminação, haja vista o crescimento da demanda por lâmpadas

fluorescentes compactas e lâmpadas eficientes.

Segundo (COSTA, 2006), existem muitas formas de economizar. Uma

delas é adotar práticas periódicas e constantes de manutenção nos aparelhos,

garantindo seu bom funcionamento por mais de tempo. Outras possibilidades

seriam:

• Utilizar a vertente humana para conscientizar as pessoas sobre a

importância de combater o desperdício, através de campanhas e/ou

palestras.

• Modificar equipamentos e processos, proporcionando melhor rendimento

do sistema como um todo. Por exemplo, a troca de uma lâmpada

incandescente por uma fluorescente compacta, ou eliminar um ponto de

luz apenas movendo uma mesa para perto de uma janela.

• Melhorar o desempenho dos equipamentos verificando a qualidade da

energia fornecida.

• Utilizar equipamentos de forma correta, evitando sub e

sobredimensionamentos.

19,6%

0,4%

5,7%

44,8%

27,6%

1,9%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

50,0%

Força Motriz Calor de

Processo

Aquecimento

Direto

Iluminação Refrigeração Outras

6

O objetivo deste trabalho é mostrar que a utilização de novos recursos

deve contribuir consideravelmente no combate ao desperdício de energia. Além

de economizar, o usuário poderia também ter maior conforto e controle sobre a

iluminação. A utilização de novos recursos para decoração ou iluminação de

fachadas também aumentaria a atratividade e visibilidade das edificações.

Os parágrafos a seguir deverão descrever mais detalhadamente alguns

dos conceitos utilizados em iluminação e mostrar a sua utilização no

desenvolvimento de uma técnica para o controle de intensidade luminosa e cor

da luz ambiente. Será mostrada com uma interface para o usuário a integração

do controle proposto com o usuário.

Utilizar métodos e dispositivos mais eficientes é a forma que esse

projeto, juntamente com o advento das novas tecnologias, poderá contribuir

com a economia de energia elétrica e proporcionar maior conforto visual aos

usuários.

7

2. Conceitos básicos

2.1. A luz

A luz é uma forma de radiação eletromagnética. A luz visível ocupa uma

estreita faixa no espectro das ondas eletromagnéticas. Fora da faixa de luz, de

um lado tem-se as microondas e ondas de rádio (maiores comprimentos de

onda), de outro os raios-X e raios-gama (menores comprimentos de onda)

(COATON e MARSDEN, 1997).

A faixa de luz visível possui comprimentos de onda que variam de

380nm a 780nm. Na Figura 5 é mostrado, de forma simplificada, o espectro de

cores na faixa de luz visível. Na Tabela 1 tem-se o nome de algumas cores e

seus respectivos comprimentos de onda.

Figura 5: Espectro de ondas eletromagnéticas (WIKIPEDI A)

8

Tabela 1: Nomes das cores e comprimentos de onda

Cor Comprimento de onda Freqüência

Vermelho ~ 625-740 nm ~ 480-405 THz

Laranja ~ 590-625 nm ~ 510-480 THz

Amarelo ~ 565-590 nm ~ 530-510 THz

Verde ~ 500-565 nm ~ 600-530 THz

Ciano ~ 485-500 nm ~ 620-600 THz

Azul ~ 440-485 nm ~ 680-620 THz

Violeta ~ 380-440 nm ~ 790-680 THz

2.2. Colorimetria

Através de estruturas celulares especiais, conhecidas como cones, o

olho humano consegue distinguir de certa forma cada variação de comprimento

de onda nos dando as sensações das cores (FITT e THORNLEY, 1997).

A teoria do tricromatismo ou estímulo triplo (tri-stimulus theory) parte da

hipótese de que a retina tem três tipos de sensores de cor com máxima

sensibilidade às luzes vermelha, verde e azul. Em virtude disto, contatou-se

que as cores podem ser percebidas como misturas de vermelho, verde e azul

(chamadas de cores primárias).

Entretanto, esta afirmação não está totalmente certa. Segundo

(COATON e MARSDEN, 1997) resultados de estudos mostram que, para se

obter todos os comprimentos de onda do espectro visível, seria necessário usar

pesos positivos e negativos na mistura das cores.

Portanto, apesar de conseguir-se uma grande quantidade de cores

através da mistura de valores positivos das cores primárias, algumas delas só

poderiam ser obtidas pela subtração das mesmas.

Todavia a capacidade de percepção do olho não é uniforme para todo o

espectro. De acordo com (FITT e THORNLEY, 1997), estudos mostram que se

tem mais facilidade de enxergar a cor verde do que a azul. As pesquisas da

Comissão Internacional de Iluminação (CIE), demonstraram estatisticamente

que a grande maioria dos indivíduos estudados apresentou respostas

semelhantes aos estímulos luminosos.

Os resultados desta pesquisa traçaram um padrão, conhecido como CIE

STANDARD OBSERVER, o qual estabelece uma curva de resposta visual ao

9

espectro de luz visível (Figura 6 e Figura 7). O estudo também mostrou que,

para altos níveis de luminância (acima de 10cd/m2), a luz é captada pelos

cones retinianos, processo esse conhecido como visão fotópica.

Para valores abaixo deste nível, os olhos se adaptam à visão noturna

também chamada de visão escotópica. Vale lembrar que a absorção da luz

pelos cones ocorre de maneira diferente em cada indivíduo. Logo, a percepção

também será subjetiva. É importante salientar que uma fonte luminosa produz

mais energia do que é percebida por nós.

Figura 6: Visão fotópica

Figura 7: Visão escotópica

Estudos mais objetivos e quantitativos sobre cores e seus efeitos são

realizados pelo ramo da física chamado colorimetria. Para realização de

estudos mais concisos sobre as cores é necessário se basear em definições

numéricas mais precisas (FITT e THORNLEY, 1997).

A percepção das cores depende da energia contida em cada

comprimento de onda da luz analisada. As quantidades de energia versus

comprimento de onda podem ser dispostas em um plano cartesiano formando

um gráfico de distribuição espectral de energia (FITT e THORNLEY, 1997).

A luz do sol, por exemplo, contém uma quantidade aproximadamente

igual de energia para cada comprimento de onda (luz visível) resultando em um

gráfico que é aproximadamente um retângulo. Como a luz branca é

considerada como sendo a mistura de todas as cores, a luz do sol é

considerada uma referência para a definição da mesma.

10

Segundo (FITT e THORNLEY, 1997), em 1931 a CIE propôs um sistema

numérico mais preciso para definição das cores.

Para realização do experimento, um indivíduo é colocado à frente de

uma tela branca, metade dela iluminada por uma fonte de luz branca arbitrária,

a outra metade é iluminada pela mistura das três cores primárias.

O observador deve ajustar a intensidade das três cores de forma que as

duas partes da tela tenham a mesma cor e intensidade. Apesar das duas

partes parecerem iguais, elas possuem espectros bem diferentes.

A intensidade de Vermelho, Verde e Azul somadas representa a cor que

o indivíduo observou. Sendo assim, os três números são únicos para cada cor

observada.

A partir daí a CIE propõe uma tabela de cores equivalentes, que seriam

usadas para comparar, com boa precisão, a cor obtida pelo seu método de

medição. Para gerar a tabela, a CIE criou um sistema tridimensional chamado

de CIE XYZ (Figura 8).

Figura 8: CIE XYZ

Onde:

0

0

0

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

X I x

Y I y

Z I z

λ λ λ

λ λ λ

λ λ λ

∞

∞

∞

= ∂

= ∂

= ∂

∫

∫

∫

11

Onde �(�) é o espectro da cor a ser observada (Figura 9), e ( )x λ , ( )y λ

e ( )z λ são as curvas de sensibilidade do olho humano para cada cor (Figura

10).

Figura 9: Distribuição espectral de uma luz

branca

Figura 10: Curvas de resposta tri-stimulus

Porém, seria difícil imaginar a cor correspondente aos valores de X, Y e

Z. Por exemplo, é difícil imaginar a que cor equivale o ponto (30,20,50). Para

resolver este problema a comissão desenvolveu uma representação

bidimensional oriunda do sistema CIE XYZ.

O diagrama de cromaticidade (Figura 12) exibe possíveis cores que

poderiam ser obtidas para uma intensidade fixa. É importante lembrar que a

exibição deste diagrama pela maioria dos dispositivos gráficos (Monitores, TVs

e impressoras comuns) não poderia representar o diagrama com fidelidade.

Pode-se construir o diagrama de cromaticidade fazendo � + � + � = 1.

Assim tem-se:

1

Xx

X Y ZY

yX Y Z

Zz x y

X Y Z

=+ +

=+ +

= = − −+ +

Figura 11 : Representação do

O processo mais utilizado em dispositivos eletrônicos utiliza sistemas de

cores baseado em uma gama de cores finita

cromaticidade. A gama ou gamut RGB

atualmente para reprodução eletrônica de cores

Com apenas 256 valores diferentes para as cores primárias

obter 16 milhões de cores distintas.

Outro gamut muito difundido é o CMYK, muito utilizado em sistemas de

impressão. A mistura de cores

pigmentos CIANO, MAGENTA, YELLOW e BLACK (A ú

12

: Representação do CIE XYZ Figura 12 : Diagrama de cromaticidade

mais utilizado em dispositivos eletrônicos utiliza sistemas de

baseado em uma gama de cores finitas, contida dentro do diagrama de

cromaticidade. A gama ou gamut RGB (Figura 13) é o sistema mais difundido

atualmente para reprodução eletrônica de cores (FITT e THORNLEY, 1997)

Figura 13: Gamut RGB

Com apenas 256 valores diferentes para as cores primárias

obter 16 milhões de cores distintas.

Outro gamut muito difundido é o CMYK, muito utilizado em sistemas de

impressão. A mistura de cores é feita através da disposição organizada dos

NO, MAGENTA, YELLOW e BLACK (A última letra da sigla foi

: Diagrama de cromaticidade

mais utilizado em dispositivos eletrônicos utiliza sistemas de

, contida dentro do diagrama de

) é o sistema mais difundido

(FITT e THORNLEY, 1997).

Com apenas 256 valores diferentes para as cores primárias, pode-se

Outro gamut muito difundido é o CMYK, muito utilizado em sistemas de

o organizada dos

ltima letra da sigla foi

13

substituída para que houvesse diferenciação do sistema RGB, em que B é

“blue”).

O presente trabalho apresenta uma forma de controlar a intensidade

luminosa de três LEDs (Light Emitting Diodes), onde cada um representa uma

cor primária. A mistura dinâmica destes três espectros produzirá uma luz de cor

específica. As características dos LEDs utilizados assim como a forma utilizada

para controle dos mesmos serão descritas mais adiante.

A produção das cores se dá a partir da adição de uma cor à outra

(Figura 14). Uma mistura com mais variações de intensidade teria um resultado

semelhante à mistura mostrada na Figura 15 onde aparecem milhões de cores

diferentes.

Figura 14: Mistura RGB simples

Figura 15: Mistura RGB mais completa

2.3. Fotometria

A primeira unidade de medida usada para definir a quantidade de luz

emitida por uma fonte luminosa foi a CANDELA (cd). Ela se refere à quantidade

de luz emitida por uma vela de medidas definidas, porém esse processo era

muito impreciso e logo foi substituído por uma espécie de lampião, com a

equivalência de 10 velas do método antigo (FITT e THORNLEY, 1997).

Através do tempo, o processo foi se modernizando até chegar ao padrão

atual. A candela é definida como a intensidade luminosa produzida por uma

fonte de luz monocromática de frequência 540 THZ, cuja intensidade de

radiação em tal direção é de 1/683 watts por esferorradiano. Esta unidade

ainda é utilizada para definir a intensidade luminosa das fontes atuais. A seguir

14

serão definidos os termos mais importantes que serão usados ao longo do

texto.

2.3.1. Fluxo luminoso

O fluxo luminoso, medido em lumens (lm), pode ser definido como sendo

a medida da energia luminosa percebida. É diferente do fluxo radiante que é a

energia total emitida pela fonte. Entretanto, é comumente usado como sendo a

soma da intensidade luminosa radiada em todas as direções (FITT e

THORNLEY, 1997).

2.3.2. Iluminância

É definida como a quantidade de fluxo luminoso que incide sobre uma

determinada superfície, dividida pela área da superfície. Sua unidade é

conhecida como Lux(lx) ou lumen/m².

2.3.3. Luminância

A intensidade luminosa que normalmente é observada provém não só da

fonte, mas também da luz refletida pelos objetos. Imaginava-se esta luz

refletida como sendo outra fonte de luz. Todavia, definiu-se a medida da

intensidade de luz refletida, dividida pela área da superfície analisada como

Luminância (L), medida em cd/m².

A Tabela 2 resume algumas das unidades do sistema internacional mais

utilizadas em fotometria.

15

Tabela 2: Resumo das unidades usadas em fotometria

Unidade Símbolo Unidade no SI Abreviatura

Energia luminosa Qv Lumem segundo lm·s

Intensidade luminosa Iv Candela (= lm/sr) cd

Fluxo luminoso Φ Lumen (= cd·sr) lm

Iluminância Ev lux (= lm/m²) lx

Luminância Lv Candela por metro quadrado cd/m²

Emitância luminosa Mv lux (= lm/m²) lx

Eficácia luminosa η Lumen por Watt lm/W

2.4. Psicologia das cores

Segundo (AMBER, 1983), desde a antiguidade acreditava-se que as

cores têm efeito psicológico sobre os seres humanos. Alguns adeptos desta

teoria dizem que as cores podem ser utilizadas na cura de doenças. Hoje

existe uma terapia alternativa denominada Cromoterapia. Apesar de não obter

reconhecimento pela comunidade científica, ela vem despertando interesse em

alguns estudiosos.

As cores também são muito utilizadas em publicidade e propaganda.

Acredita-se que as cores podem afetar o subconsciente das pessoas,

remetendo-as a sensações que influenciariam na compra do produto (FARINA,

PEREZ e BASTOS, 2006).

O uso desse recurso pode ser observado nas prateleiras dos

supermercados. Os produtos possuem embalagens com cores atrativas e

vibrantes para chamar a atenção ou sugerir a sensação desejada. Por

exemplo, a Coca-Cola utiliza o tom vermelho que sugere motivação, atividade e

vontade.

O vermelho está associado ao calor e à excitação. Cada cor remete a

uma sensação. Na Tabela 3 é apresentado um resumo de algumas das

sensações causadas pelas cores.

16

Tabela 3: Resumo de sensações causadas pelas cores( FARINA, PEREZ e BASTOS, 2006)

Cor Aspectos favoráveis Desfavoráveis

Vermelho Motivação, atividade, vontade, persistência, força física, paixão, calor, poder.

Indecência, Crueldade, Brutalidade, Perigo.

Laranja Entusiasmo, vivacidade, natural, saúde, vitalidade, criatividade e alegria, confiança, coragem, animação.

Autoritarismo, ostentação, exibicionismo, descontentamento, melancolia e tristeza.

Amarelo Sol, esperança, resplendor, brilho, alegria, compreensão, inspiração, conhecimento, sabedoria, razão, lógica, decisão.

Decepção, afastamento, discrição, maldade, vingança, bajulação.

Verde

Participação, adaptabilidade, generosidade, cooperação, raciocínio, compreensão, segurança, proteção, espaço, liberdade, harmonia, equilíbrio.

Avareza, indiferença, insegurança, suspeita, precocidade, ciúmes, inveja, egoísmo, preconceito, estagnação, degeneração.

Ciano

Vivacidade, percepção, clareza, atenção, receptividade, bem-estar, liberdade, prestatividade, triunfo, frescor, mudança, transformação.

Imaturidade, confusão, isolamento, separação, vazio, falta de clareza.

Azul Aspiração, frio, quietude, confiança, devoção, fé, beleza, habilidade, serenidade, paz, confiança, relaxamento, fluidez, força.

Dúvida, descrença, fantasia, devaneios, desleixo, desconfiança, cansaço, indolência, apatia, melancolia, inércia.

Violeta Dignidade, nobreza, respeito, integração, unidade, tolerância, consideração, tranqüilidade, suavidade, humildade.

Esquecimento, irreflexão, desrespeito, autoritarismo, exigência, isolamento, corrupção, desintegração, orgulho, arrogância.

Magenta Desejo, dedicação, reverência, gratidão, idealismo, compreensão, maturidade, compaixão, proteção, suavidade, amor.

Esnobismo, arrogância, fanatismo, monopólio, autoritarismo, desprezo, insegurança.

A iluminação ambiente segue o mesmo princípio. O controle sobre a

intensidade e cor do ambiente em que vivemos pode contribuir

consideravelmente para o bem-estar dos usuários. Por exemplo, uma

iluminação de cor azul pela manhã ajudaria a pessoas que têm dificuldade de

acordar cedo, já que a luz azul remete à luz da manhã .

2.5. Campo visual

O campo de visão é um parâmetro importante a ser observado quando

estudamos iluminação. A iluminação de um ambiente deve levar em

consideração a posição onde os usuários estarão localizados e se o alcance da

luz influenciará em seu campo de visão (COSTA, 2006).

17

Na Figura 16 a) é mostrado que verticalmente o campo de visão é

limitado em 60º para cima e 70º para baixo a partir da linha reta que indica a

direção da visão. Na visão superior da Figura 16 b) é mostrado que o campo

visual horizontal é limitado entre 0 e 150º. Pode-se observar que o nariz limita

parte do campo de visão em ambos os lados. Na Figura 16 c) é mostrado a

junção das vistas lateral e superior, fazendo a composição das duas em

perspectiva (COSTA, 2006).

Figura 16: Campo visual humano

O campo visual é o espaço físico máximo em que se consegue enxergar

com a direção do olho fixada em um único ponto. Quando estivermos com os

olhos e a cabeça imóveis. Fora deste campo, o que não se pode enxergar está

em um ponto cego.

Ao mover os olhos ou a cabeça estaremos direcionando o campo para

outro objeto. Ou seja, o que estava em um ponto cego agora estará dentro do

campo de visão.

O campo visual é uma “soma” dos campos dos dois olhos, a região

comum entre as visões é chamada de visão binocular. Na parte central da

Figura 17 é mostrado como pode ser ilustrada esta “soma” de campos.

Na Figura 18 é mostrado um gráfico que representa o campo visual

humano, mostrando a parte da visão esquerda, da direita, a visão binocular e

os pontos cegos. Os aros do gráfico indicam os ângulos vertical e horizontal do

campo (COSTA, 2006).

18

Figura 17: Visão binocular

Figura 18: Gráfico do campo visual (COSTA, 2006)

2.6. Acuidade visual

Em determinadas atividades é extremamente importante que o local seja

bem iluminado a fim de proporcionar uma melhor acuidade visual.

Segundo (COSTA, 2006) a acuidade é a capacidade da visão de

reconhecer detalhes, como letras pequenas ou um fio de cabelo sobre uma

mesa.

A acuidade visual pode ser mensurada e está intimamente ligada a

fatores como intensidade luminosa, idade, distância do objeto e tempo de

exposição da vista ao objeto.

É muito importante analisar a atividade a ser realizada e também a

idade dos usuários. Os valores mínimos e máximos de luminosidade para cada

atividade são normatizados pela NBR5413. O cumprimento das normas

garante ao usuário maior conforto visual e atua como medida zeladora para

uma maior eficiência energética (COSTA, 2006).

2.7. Persistência visual

O processo da visão não é instantâneo. A mudança da imagem, da luz e

da cor é processada e analisada pelo cérebro. A sensação que se tem como

resposta é chamada de visão. A formação de qualquer imagem na retina

persiste nela por algum tempo, até que o processo químico chegue ao final e o

cérebro não reconheça mais aquela imagem (COSTA, 2006).

19

Pode-se notar o efeito da persistência facilmente quando olhamos

fixamente para uma luz forte durante alguns segundos. Ao desligar a luz,

mesmo com os olhos fechados, podem-se ver pontos mais claros com o

mesmo formato da luz.

O tempo para este processo está relacionado à intensidade da luz

emitida; esse efeito é utilizado no cinema, onde a exibição de imagens em

sequência cria a ilusão de que a imagem está em movimento.

Em televisores, cada ponto da tela acende e apaga repetidamente e em

sequência. Devido ao efeito da persistência visual, enxerga-se uma imagem,

ou a “lembrança” de todos os pontos da tela formados na retina.

Este mesmo efeito será observado neste projeto, onde se utilizou uma

fonte de luz que acende e apaga em uma frequência tal que, para o observador

a luz parece estar mais fraca ou forte.

2.8. Contraste

Trata-se da diferença de tons entre o plano de fundo e o objeto; o

contraste está intimamente ligado à acuidade visual. De acordo com (COSTA,

2006), a iluminação adequada aplicada ao ambiente criará um contraste com

os objetos ao seu redor aumentando a facilidade de reconhecê-los. Na Figura

19 são mostradas duas situações onde o contraste fica evidente. Quando o

fundo e o objeto têm o mesmo tom (escuro ou claro) há pouco contraste,

ficando difícil de detectar o objeto. Para que haja uma boa percepção dos

objetos, a diferença de tons entre o fundo da imagem e o objeto no primeiro

plano deve ser grande.

Figura 19: Exemplo de contraste

20

A mesma situação pode ocorrer em um local iluminado. Comparando as

Figura 20 e 21, observa-se que a intensidade e localização adequada dos

pontos de luz podem modificar o contraste e alterar a percepção dos objetos na

cena.

Figura 20: Sala com contraste

Figura 21: Sala sem contraste

2.9. Ofuscamento

O ofuscamento direto ou refletido ocorre quando há um nível excessivo

de raios luminosos incidindo na retina. Essa sensação é mais intensa quando

os raios incidem diretamente nos olhos. Ao refletir em algum objeto, ocorre

uma redução da intensidade luminosa, pois parte da luz é absorvida (COATON

e MARSDEN, 1997).

A quantidade de luz refletida está diretamente ligada à cor e opacidade

dos obstáculos. Objetos negros absorvem mais luz que os mais claros. Nas

Figura 22 e Figura 23 é possível constatar esta diferença para o mesmo nível

de iluminação.

21

Figura 22: Menor conforto visual

Figura 23: Melhor conforto visual

O ofuscamento direto impede a visualização de detalhes da imagem

(Figura 24). Em alguns casos o efeito pode durar alguns segundos, causando

acidentes. O farol alto dos automóveis em uma estrada causa o ofuscamento,

dificultando a visualização da estrada. Na Figura 24 e 25 são mostradas a

incidência direta e a incidência indireta da luz, respectivamente, causando o

ofuscamento (COATON e MARSDEN, 1997).

Figura 24: Ofuscamento direto

Figura 25: Ofuscamento indireto

2.10. Sombra

As sombras são decorrentes da luz sobre os objetos. No que se refere à

iluminação, dificilmente consegue-se eliminá-las. Em muitas aplicações as

sombras são utilizadas para ressaltar detalhes dos objetos, em outras podem

se tornar indesejáveis (COSTA, 2006).

22

Figura 26: Sombra ressaltando detalhes (WIKIPEDIA)

As sombras são normalmente classificadas como simples (Figura 27),

múltiplas (Figura 28) ou suaves (Figura 29). Esta classificação é dada de

acordo com o número de pontos luminosos que origina a sombra. No entanto o

que se observa na prática é o conjunto de todos os tipos. Por exemplo, em uma

sala de estar teremos várias sobras de diferentes tipos (Figura 30).

Figura 27: Sombra simples

Figura 28: Sombra múltipla

Figura 29: Sombra suave

Figura 30: Varios tipos de sombra em um cenário (TRI NITY)

23

2.11. Subjetividade da visão

É muito importante destacar que apesar de sermos fisiologicamente

iguais, é comum se interpretar estímulos luminosos de forma diferente. Não é

possível garantir que duas pessoas tenham a mesma percepção de luz, cor ou

intensidade (COSTA, 2006).

Ao desenvolver um projeto de iluminação devem-se tomar alguns

cuidados para que a subjetividade da visão do projetista não influencie na

qualidade do projeto.

Para tal é necessário utilizar instrumentos especiais devidamente

calibrados e utilizados de forma correta, seguindo os critérios descritos em

normas.

Semelhantemente a um computador, o cérebro processa e analisa uma

grande quantidade de informações em alta velocidade. Embora possa parecer

uma máquina perfeita, nosso cérebro costuma se equivocar e assimilar

imagens distorcidas (COSTA, 2006).

24

3. Diodos Emissores de Luz (LEDs)

O efeito da eletroluminescência já é conhecido há mais de 80 anos e

vem se desenvolvendo até hoje. O protótipo de um dispositivo semicondutor

que emitia luz visível foi desenvolvido por volta de 1962 pelo americano Nick

Holonyak, Jr. Era constituído de Arseneto de Gálio (GaAs) e emitia uma luz

vermelha (HELD, 2009).

O LED possui algumas semelhanças com o diodo comum. O fato dele

emitir luz deu origem ao seu nome, que é uma sigla para diodo emissor de luz

em inglês. Na Figura 31 é mostrado o símbolo utilizado para identificar os LEDs

nos circuitos.

Figura 31: Símbolo do LED

Até hoje os LEDs comercialmente encontrados são compostos de

Arseneto de Gálio (GaAs) ou Fosfeto de Gálio (GaP). Todavia, para se

conseguir diferentes variações de cor, devem-se adicionar outros componentes

químicos dopados adequadamente.

Na Tabela 4 são dispostos, para cada cor, o material semicondutor

utilizado, a faixa de tensão direta e o comprimento de onda para cada cor.

Tabela 4: Materiais utilizados em leds(HELD, 2009)

Cor λ (nm) Tensão direta (V) Material semicondutor

Infravermelho λ > 760 ∆V < 1.9 Arseneto de Gálio (GaAs)

Arseneto de Alumínio e Gálio (AlGaAs)

Vermelho 610 < λ < 760 1.63 < ∆V < 2.03

Arseneto de Alumínio e Gálio (AlGaAs)

Fosfeto de Gálio e Arsênio (GaAsP)

Fosfeto de Alumínio Gálio e Índio (AlGaInP)

Fosfeto de Gálio(III) (GaP)

Laranja 590 < λ < 610 2.03 < ∆V < 2.10

Fosfeto Arseneto de Gálio (GaAsP)

Fosfeto de Alumínio Gálio e Índio (AlGaInP)

Fosfeto de Gálio(III) (GaP)

Amarelo 570 < λ < 590 2.10 < ∆V < 2.18

Fosfeto Arseneto de Gálio (GaAsP)

Fosfeto de Alumínio Gálio e Índio (AlGaInP)

Fosfeto de Gálio(III) (GaP)

25

Verde 500 < λ < 570 1.9 < ∆V < 4.0

Nitreto de Índio e Gálio (InGaN) / Nitreto de Gálio(III) (GaN)

Fosfeto de Gálio(III) (GaP)

Fosfeto de Alumínio Gálio e Índio (AlGaInP)

Fosfeto de Alumínio e Gálio (AlGaP)

Azul 450 < λ < 500 2.48 < ∆V < 3.7

Seleneto de Zinco (ZnSe)

Nitreto de Índio Gálio (InGaN)

Carbeto de Silício (SiC) como substrato

Silício (Si) como substrato — (em desenvolvimento)

Violeta 400 < λ < 450 2.76 < ∆V < 4.0 Nitreto de Índio e Gálio (InGaN)

Roxo Varios tipos 2.48 < ∆V < 3.7 LEDs bicolores azul/vermelho

Azul com fósforo vermelho ou Branco com plastico Branco

Ultravioleta λ < 400 3.1 < ∆V < 4.4

Diamante (235 nm)

Nitreto de Boro (215 nm)

Nitreto de Alumínio (AlN) (210 nm)

Nitreto de Alumínio e Gálio (AlGaN)

Nitreto de Alumínio Gálio e Índio (AlGaInN) (< 210 nm)

Branco Espectro amplo ∆V = 3.5 Azul / UV diodo com fósforo amarelo

Os LEDs não emitem apenas um comprimento de onda como os

LASERs, mas emitem uma faixa de comprimento de onda bastante estreita,

cuja variação dificilmente seria perceptível a olho nu.

O modelo elétrico básico do LED fornece algumas características

elétricas comumente usadas para explicar o funcionamento do dispositivo.

Assim como os diodos semicondutores, os LEDs conduzem a corrente elétrica

apenas em um sentido.

A corrente direta (��) é a responsável pelo efeito eletroluminescente. Se

ela superar a corrente para qual o LED foi projetado este será danificado.

Existe uma queda de tensão referente ao vencimento da barreira de

potencial que surge na região de recombinação do semicondutor. No modelo é

chamada de tensão direta (��). Para que a corrente comece a fluir pelo diodo é

preciso aplicar uma tensão maior que a tensão direta do diodo.

A tensão reversa sobre o diodo (� �) também deve ser respeitada para

que não se danifique o dispositivo. Os parâmetros citados podem ser

observados na Figura 32.

26

Figura 32: Modelo elétrico do LED

Observando a Figura 33 pode-se notar que, para tensões acima da

tensão direta, a corrente cresce bruscamente. Quando isto ocorre, a

temperatura interna do LED sobe de forma abrupta levando os contatos

internos a se fundirem, danificando o dispositivo(HELD, 2009).

Figura 33: Curva V versus I do LED

Para evitar isso é de comum prática a inserção de um resistor em série

com o diodo para limitar a corrente. Todavia, este resistor não deve ser

confundido com o resistor representado no modelo (��), pois está apenas

representando a potência dissipada pelo LED (HELD, 2009).

O referido resistor usado para limitar a corrente no LED pode se tornar

um inconveniente. Isto porque para altas correntes, a potência dissipada por

efeito Joule no resistor pode ser efetivamente grande, afetando o rendimento

do conjunto.

27

Atualmente é comum encontrar LEDs nos mais variados tamanhos e

formas, entretanto a estrutura básica é bem parecida. Na Figura 34 é

apresentada a estrutura física do LED mais conhecido comercialmente.

Figura 34: Desenho esquemático de um LED adaptado de (WIKIPEDIA)

Os diodos emissores de Luz possuem diversas aplicações, que vão

desde lâmpadas indicativas até lâmpadas para tratamento medicinal.

Sua utilização vem crescendo amplamente devido a suas vantagens

sobre outros tipos de fontes luminosas, como vida útil e eficiência.

Para cada aplicação utiliza-se LEDs diferentes, levando-se em

consideração a potência dissipada, fluxo luminoso, corrente máxima, cor,

eficácia, encapsulamento, entre outros.

Por exemplo, os LEDs utilizados apenas para indicação, como em

painéis ou instrumentos, não precisam ter grande fluxo luminoso (HELD, 2009).

Para um letreiro ou semáforo, que precisam ser vistos a longa distância,

os LEDs precisam ser grandes, ter bom fluxo luminoso e maior potência.

Na Tabela 5 são dispostos alguns modelos comerciais, com

características diferentes. Pode-se observar que o desenvolvimento de

algumas marcas encontra-se bastante avançado.

28

Como o propósito do trabalho é ter um maior controle sobre a

intensidade e também da cor ambiente, foi necessária a utilização de LEDs de

cores diferentes.

A mistura de cores resulta em outra cor (ver capítulo 2). Para a obtenção

de um número de cores, são necessárias pelo menos três outras, nas

tonalidades vermelho, verde e azul.

Tabela 5: Alguns LEDs e suas características

Tipo TCC IRC P(W) Vf(V) If(mA) Φ(lm) Material

Luxeon Rebel 6500K 70% 1 3 350 105 InGaN

Luxeon Rebel Automotive 5500K 70% 3 3,25 700 180 InGaN

Luxeon K2 Star Cool-white 6500K 70% 3 3,85 1500 140 InGaN

Luxeon SuperFlux HPWA 0,187 2 70 2,4 AlInGaP

WCN-03L2RGB-110

Red 3 2,2 700 20

AlInGaP/InGaN Green 3 3,5 700 30

Blue 3 3,4 700 15

29

4. O sistema de cores à base de LEDs

4.1. Análise de Alternativas

Para o experimento realizado neste trabalho seria possível utiliza dois

métodos, optou-se pela forma mais prática de conseguir a mistura das cores.

Uma delas seria utilizar LEDs monocromáticos separadamente

(vermelho, verde e azul) formando um bloco único conforme mostrado na

Figura 35.

Esta configuração possui menor custo. Entretanto, a mistura das cores

fica prejudicada em virtude dos ângulos do feixe luminoso não estarem

alinhados (HELD, 2009).

Figura 35: LEDs monocromáticos separados

No entanto, ainda há um inconveniente. Para a mesma corrente direta o

fluxo luminoso e a queda de tensão sobre cada LED é diferente.

Para compensar essa diferença é necessário agrupar um numero

diferente de LEDs para cada cor, aumentando o número de componentes ou

fazer uma compensação na corrente direta para igualar as intensidades

luminosas.

Outra possibilidade é utilizar um encapsulamento único que contenha as

três cores (Figura 36). Isto facilita a montagem, aumenta a compactação e

torna a mistura das cores mais homogênea. Apesar disto, o problema do fluxo

luminoso diferente para cada cor ainda permanece (ver Tabela 5).

30

Figura 36: Led RGB

Como eleito, é necessário controlar essa diferença através da corrente

direta. É preciso ajustar a corrente de cada cor de forma que as três cores

produzam o mesmo fluxo luminoso.

Infelizmente, isso só pode ser feito nivelando-se o fluxo pelo menor

entre eles, em geral o da cor azul. Consequentemente duas das cores do LED

serão utilizadas com valores abaixo dos nominais, o que reduz a eficiência e

vida útil do conjunto.

Este tipo de LED pode ser encontrado em diversos tamanhos e

formatos. Estes parâmetros influenciam diretamente na qualidade da mistura

de cor obtida.

Os LEDs RGB (tricolores) também são encontrados com três ligações

internas diferentes: Ânodo comum (Figura 37), cátodo comum e sem ligação

comum. As duas primeiras impedem que esse tipo de LED seja ligado em

série. Esse fator deve ser levado em consideração na escolha do LED, pois

dependendo do projeto, pode comprometer a eficiência do mesmo.

Figura 37: Modelo elétrico de um LED RGB

31

De acordo com descrito anteriormente, conclui-se que a melhor

alternativa é utilizar LEDs RGB sem ligação comum. Entretanto, não foi

possível a obtenção desse modelo em tempo hábil para a realização dos

testes.

Para os testes foram utilizados dois tipos de LEDs RGB, o WCN-

501GRB-25N-A, de 10mm, conhecido com LED de alto brilho. Esses LEDs não

possuem boa mistura de cor mas tem custo bastante acessível. O outro modelo

foi o WCN-03L2RGB-110 de 3W de potência. Os datasheets referentes aos

modelos utilizados estão nos Anexos I e II.

Os únicos critérios para escolha dos modelos foram potência e

compactação. Uma vez que o trabalho propõe-se a descrever um método para

controlar a intensidade e cor, a escolha mais criteriosa de LEDs não faz parte

do escopo.

4.2. Acionamento do sistema de cores

Para acionar o sistema de cores poderiam ser utilizadas fontes lineares

ou chaveadas. Estes dois tipos de fontes são comumente utilizadas para

fornecer energia a cargas resistivas, indutivas ou capacitivas. Uma requer

grande desempenho em tensões muito pequenas, com níveis precisos de

tensão mesmo que a carga mude rapidamente.

O outro tipo se desenvolveu devido ao aparecimento de dispositivos

como: Aparelhos portáteis, televisões, entre outros. Esses produtos os quais

devem ser baratos e eficientes (RASHID, 2007).

Esta tendência leva ao desenvolvimento de fontes de baixo custo.

Atualmente estas fontes possuem perdas expressivas, e mesmo as melhores

fontes dissipam parte da energia mesmo quando em stand-by.

No passado as fontes lineares, que utilizavam elementos como

transformadores e diodos, eram usadas para fornecer tensão CC aos

dispositivos. Apesar de ser um processo eficiente, é muito suscetível a

perturbações na corrente e tensão de entrada (RASHID, 2007).

Com o passar dos anos, principalmente com o desenvolvimento do

programa espacial, foi necessário o desenvolvimento de conversores em

32

corrente contínua para transformar um nível de tensão CC em outro de forma

eficiente.

Um método bastante difundido atualmente é o método do chaveamento,

que consiste em abrir e fechar uma chave de forma a transportar a energia

entre a fonte e a carga, podendo-se elevar ou abaixar a tensão. Na Tabela 6 é

feita uma comparação entre os métodos linear e o chaveado, mostrando alguns

de seus prós e contras (RASHID, 2007).

Este trabalho propõe empregar um conversosr chaveado para o

acionamento do LED multicor.

Tabela 6: Comparação entre fontes lineares e chavea das

Linear Chaveada

Função Abaixador; tensão na entrada deve ser maior que na saída.

Elevador, Abaixador ou inversor

Eficiência Média a baixa, depende da carga e da tensão de entrada; Alta se VIN-VOUT é pequeno.

Alta, exceto para correntes muito baixas (µA).

Aquecimento Alto, para uma carga considerável e/ou a diferença VIN-VOUT grande.

Baixo, praticamente há aquecimento para níveis de potência abaixo de 10W.

Complexidade Baixa, em geral usa um regulador e um capacitor pequeno.

Médio a Alto, normalmente são usados indutores, transformadores, capacitores, diodos e transistores.

Tamanho Depende da potência; pequeno a médio; uso de dissipadores.

Depende da potência; atualmente são encontradas até em circuitos integrados.

Custo Baixo Atualmente podem ser encontradas com baixíssimo custo.

Ripple/Ruído Baixo; sem Ripple, baixo ruído, melhor rejeição de ruído.

Médio a Alto, devido ao chaveamento

4.2.1. Dispositivos usados como chave

Os dispositivos utilizados como chaves têm dois papeis bem definidos:

Suportar a quantidade de corrente quando ligado e impedir sua passagem, sob

qualquer tensão, quando desligado.

As operações de ligar e desligar deveriam ser feitas instantaneamente.

Porém, os dispositivos não são ideais e possuem limitações quanto ao nível de

corrente, tensão e freqüência de chaveamento(RASHID, 2007).

33

Atualmente encontram-se vários dispositivos que podem ser usados

como chave, são eles: Transistor Bipolar de junção, Transistor de efeito de

campo, IGBT (Insulated gate bipolar transistor), SCR (Silicon controlled

rectifier), GTO (Gate turn-off thyristor), TRIAC, MCT (Mosfet controlled

thyristor)(RASHID, 2007).

4.2.2. MLP (Modulação por Largura de pulso)

A maioria dos conversores CC-CC utiliza uma forma de onda bastante

conhecida para controlar a comutação da chave. Normalmente é usada uma

forma de onda retangular de freqüência fixa. A alteração (modulação) é feita

através do ciclo ativo.

Normalmente, no projeto de fontes chaveadas, utilizam-se equações em

função do ciclo ativo. Na Figura 38 é mostrada uma onda retangular. Chama-se

de ��� o tempo em que a onda permanece alta (1) e ���� o tempo que a onda

permaneceu baixa (0). Sendo T o período de repetição da onda, a freqüência

de chaveamento do circuito é ������� =�

�.

O ciclo ativo então pode ser obtido pelo tempo, em relação ao período,

que a onda permanece ativa (alta). Por exemplo, se em um sinal a onda

permanece alta 30% do período, dizemos que o ciclo ativo, D, é de 0,3 ou 30%.

O tempo em que a onda fica alta pode ser calculado pela relação ��� = ��.

Figura 38: Representação do ciclo ativo

34

4.2.3. Tipos de conversores

Os conversores CC-CC servem para converter um nível de tensão CC

em outro nível CC, podendo abaixar, elevar ou abaixar e elevar a tensão no

mesmo circuito. Normalmente, possuem freqüência de operação muito alta

(>20khz) e conseguem alterar sua resposta dinamicamente para compensar

variações na carga ou na rede (RASHID, 2007).

Algumas topologias oferecem isolamento entre a fonte e a carga e

também protegem o sistema alimentado pela fonte de interferências

eletromagnéticas (EMI).

Deste modo, os conversores podem ser divididos em isolados e não-

isolados. Eles podem ser controlados de forma suave (ressonante) ou de forma

forçada. Os conversores CC-CC vêm sendo largamente utilizado pela sua

versatilidade, eficiência e compactação (WINDER, 2008).

Os conversores CC-CC também têm a capacidade de alcançar grandes

taxas de conversão entre os níveis CC. Todavia esses conversores possuem

desvantagens pelo uso da onda retangular, pois geram harmônicos e

interferência eletromagnética.

Alguns dos conversores mais popularmente utilizados estão dispostos

de forma resumida na Tabela 7.

Tabela 7: Algumas topologias de conversores CC-CC n o modo contínuo (ver seção 4.2)

Nome Topologia

Função de Transferência

estática Aplicações

Buck (Abaixador de tensão)

����

���

= � Tração elétrica Ferramentas Acionamento de LEDs

Boost (Elevador de tensão)

����

���

=1

1 − �

Radares Sistemas de Ignição Energia fotovoltaica

Buck-Boost (Abaixador-Elevador)

����

���

=�

1 − � Carregador de bateria

Acionamento de LEDs

35

Flyback (Abaixador- Elevador)

����

���

=�

!(1 − �) Acionamento de LEDs

Ćuk (Abaixador-Elevador)

����

���

= −�

1 − � Fontes em Satélites

Naves espaciais

4.2.4. Modo de condução contínua e descontínua

Todas as topologias de conversores CC-CC trabalham em dois modos

de funcionamento: modo de condução contínua ou descontínua de corrente.

No modo de condução contínua, a corrente no indutor não cai à zero na

fase em que a chave está desligada. E este modo é mais indicado para

altíssimas freqüências, pois causam menor desgaste das chaves e elementos

passivos(RASHID, 2007).

O modo de condução descontínua é indicado para aplicações onde um

controle mais apurado é necessário. Neste modo a corrente no indutor chega e

pode permanecer em zero durante algum tempo até que a chave conduza

novamente. Normalmente se escolhe entre um modo e outro na hora de

dimensionar os componentes, pois os dois modos têm formas de controle

difereciadas.

O parâmetro mais importante, que determina a diferença entre esses

dois modos, é a indutância do indutor utilizado. Existe uma relação que define a

indutância limite (" ) para que o sistema funcione em um modo ou em outro,

que pode ser calculado facilmente para cada topologia. No caso da topologia

Flyback esse parâmetro é ditado pela indutância de magnetização do

transformador ("# ) (RASHID, 2007).

Na Tabela 8 é mostrada a relação de indutância limite para cada

topologia, tomando-se como parâmetros conhecidos a frequência, f, o ciclo

ativo, D e a resistência equivalente à carga, R.

No caso do conversor flyback, a relação de espiras entre a indutância

primária e secundária, n, também é levada em consideração.

36

Tabela 8: Lista de indutâncias limites

Nome Indutância limite

Buck (Abaixador) " =

(1 − �)$

2�

Boost (Elevador) " =

(1 − �)&�$

2�

Buck-Boost (Abaixador-Elevador) " =

(1 − �)&$

2�

Flyback (Abaixador-Elevador) "# =

!&(1 − �)&$

2�

Ćuk (Abaixador-Elevador)

" � =(�'())

&(�, " & =

(�'())

&�

A escolha da topologia mais adequada está relacionada com a

característica de cada projeto. No presente projeto desejava-se fazer um

acionamento de LEDs a partir da tensão alternada da rede (127V, 60Hz).

Ao retificar esta tensão se obtém uma tensão de 180V em corrente

contínua. A tarefa do conversor então seria converter os 180V retificados em

uma tensão menor e adequada ao LED utilizado.

A conversão deve ser feita de forma eficiente e, se possível, simples. As

topologias Buck e Buck-Boost possuem variações onde é possível utilizar um

indutor acoplado para fazer o isolamento. Nestas duas topologias pode-se

substituir a chave por duas (half-bridge) ou quatro chaves (full-bridge).

Entretanto, o controle se torna mais complicado e caro.

Devido à utilização de um menor número de chaves e elementos

discretos considerou-se o Flyback como melhor opção entre as topologias para

o projeto.

37

4.3. Projeto do conversor Flyback

A topologia flyback é mostrada na Figura 39 e funciona da maneira

descrita a seguir. Quando a chave S se fecha a tensão no indutor primário, �*,

é igual à tensão ���. No mesmo instante, a tensão no secundário, ��, obedecerá

à relação de espiras, n, neste momento, o diodo �� estará polarizado

reversamente impedindo a passagem da corrente pelo secundário (BILLINGS,

1989).

Figura 39: Topologia Flyback simples

A energia será armazenada no núcleo, durante a carga do indutor e o

indutor acoplado pode ser tratado como um indutor simples (Figura 40).

Figura 40: Fase de carregamento do indutor

De acordo com (BILLINGS, 1989) durante este período a densidade de

fluxo no núcleo cresce de ,� (densidade de fluxo residual) até o pico ,�

(densidade de fluxo no enrolamento), conforme Figura 41.

38

Figura 41: Comparação entre corrente e densidade de fluxo

Quando a chave S abre a tensão no primário, �*, fica toda sobre a

chave. A energia armazenada no campo magnético agora é descarregado pelo

secundário. Como a densidade de fluxo está diminuindo, a tensão irá se

inverter, polarizando o diodo diretamente deixando à corrente fluir,

descarregando o indutor.

Figura 42: Fase de descarga do indutor

Na fase de descarga a corrente parte de ! × .#/0 até zero, e a

densidade de fluxo vai de ,� até ,� , considerando o modo de condução

descontínua.

39

Figura 43: Representação da descarga do indutor

Para o acionamento de LEDs a corrente direta não pode ultrapassar o

valor máximo suportado pelo LED. A corrente máxima fornecida pela fonte é

controlada pela freqüência de chaveamento, f, ciclo ativo, D, indutância, "# e

tensão na carga, ����.

Os únicos valores que não são conhecidos são os valores das

indutâncias. Para encontrar estes valores é necessário definir primeiramente a

relação de espiras. Através da relação de transformação das tensões do

primário e do secundário encontra-se encontrar o valor de n.

A tensão no secundário, �&, deve ser a soma do valor da tensão direta

do LED, ����, com a queda de tensão no diodo, �� (varia de 0,7 a 1V). Como a

tensão sobre cada cor é diferente é necessário calcular essa relação para cada

um dos flybacks, assim:

n� =�34

���

=�34 − �56789

��� + ���

=180 − 2

2,4 + 1= 52,35 = 52

n? =�3@

��?

=�3@ − �56789

��? + ���

=180 − 2

3,6 + 1= 38,69 = 39

n =�3C

��

=�3C − �56789

��� + ���

=180 − 2

3,4 + 1= 40,45 = 40

Para acionar o LED RGB serão necessários três controles

independentes. Para simplificar, podem ser construídos três conversores

flyback com as mesmas características. Sendo assim, a compensação do fluxo

luminoso deve ser feita via software através do ciclo ativo.

40

Na Figura 44 é mostrado o esboço do conversor proposto para o

acionamento do LED RGB (ânodo comum). Observe que é diferente de ter um

conversor único com várias saídas. Neste caso cada saída independe da outra.

Nesta figura, os diodos vermelho, verde e azul representam o LED RGB.

Figura 44: Circuito proposto para o conversor flyba ck

Segundo o fabricante, o modelo de 3W possui corrente nominal de

700mA. A tensão direta varia para cada cor sendo 2,2V para o vermelho, 3,6

para o verde e 3,4V para o azul.

A freqüência de chaveamento que se utilizou é de 50kHz. Este valor foi

escolhido por estar acima da freqüência audível e por ser facilmente atingida

por geradores de PWM contidos em microcontroladores.

Segundo (RASHID, 2007), para que o funcionamento esteja sempre em

modo de condução descontínua a indutância de magnetização do indutor deve

ser sempre menor que "# . O valor máximo para "# pode ser calculado

usando.

"# =!&(1 − �)&$

2�

Onde, n é a relação de espiras entre o primário e o secundário, D é o

ciclo ativo, R a resistência interna do LED e f a freqüência de chaveamento.

41

O valor de R é linear e pode ser determinado de acordo com as curvas

de V/I fornecidas pelo fabricante do LED (Figura 45). O valor da resistência

série equivalente é dado pelo inverso da inclinação da reta entre dois pontos,

neste caso considerou-se a curva como sendo bem próxima de uma reta

(WINDER, 2008).

Figura 45: Curva V/I do led RGB

Para o referido LED o valor de R é aproximadamente 1,32 ohms. Usou-

se D=0,5 para que haja maior liberdade de acréscimo e decréscimo deste

valor, assim:

"# �D� =(52,35)& × (1 − 0,5)& × 1,32

2 × 50.000= 9,04mH

"# ?�DD� =(38,69)& × (1 − 0,5)& × 1,32

2 × 50.000= 4,94mH

"# H�D =(40,45)& × (1 − 0,5)& × 1,32

2 × 50.000= 5,40mH

Conforme já foi explicado, considerando que o sistema esteja

funcionando em modo de condução descontínua, no momento em que a chave

S é fechada, a corrente no indutor primário deve crescer linearmente até que a

chave seja aberta (" ≫ $�� �D), assim:

.#/0 =���

"#

���

Neste ponto temos a corrente, a tensão e o tempo em que a chave fica

fechada. Pode-se encontrar a indutância para se atingir a corrente necessária

para o projeto. Se esta indutância for menor que a indutância limite este

sistema pode funcionar em modo de condução descontínua. Em outro caso,

42

deve-se rever o projeto alterando-se o valor da relação de espiras, freqüência

ou ciclo ativo.

As correntes no primário podem ser calculadas dividindo-se a corrente

no secundário pela relação de espiras, assim:

�� �D� =�& �D�

!�

=0,7

52,35= 0,0134 K

�� H�D =�& ?�DD�

!?

=0,7

38,69= 0,0181 K

�� ?�DD� =�& H�D

!

=0,7

40,45= 0,0173 K

Agora se pode encontrar a indutância necessária para atingir a estas

correntes.

"�D� =���

�� �D�

��� =180

0,013410LM = 133,13NO

"?�DD� =���

�� ?�DD�

��� =180

0,018110LM = 98,41NO

" H�D =���

�� H�D

��� =180

0,017310LM = 102,87NO

Pode-se observar que estas indutâncias são bem superiores às

indutâncias limites. Utilizando estes valores de corrente, relação de espiras e

freqüência é impossível trabalhar no modo de condução descontinua.

A solução para isto é utilizar um numero maior de LEDs em paralelo no

secundário. Assim é possível aumentar a corrente no primário e com isto

reduzir a indutância necessária aproximando-a do valor da indutância limite.

Entretanto, a corrente no secundário torna-se tão alta que será impraticável

construir um indutor de pequenas proporções.

Em todo caso não é tão difícil controlar o sistema trabalhando no modo

de condução contínua, porém a intensidade luminosa dos LEDs não irá variar

linearmente com o ciclo ativo (SÁ JR., ANTUNES e PERIN, 2007).

O capacitor em paralelo com o LED serve para eliminar o Ripple de

tensão na carga, o valor mínimo para o filtro de saída (P#��) pode ser calculado

com através de, onde �) é a diferença entre o valor máximo e mínimo da

tensão de saída conforme Figura 46.

43

Figura 46: Representação do Ripple de tensão na saí da

P#�� =�����

�)$�

Para um �)de 16% da tensão de saída (VRST × 0.16) pode-se calcular o

capacitor utilizando ,observe que não depende de VRST.

P#��,�D� =0,5 × VRST

0,16 × VRST × 1,32 × 50.000= 47,35μF

Para um �) de 2% o capacitor seria:

P#��,�D� =0,5 × VRST

0,02 × VRST × 1,32 × 50.000= 378,79μF

Na prática é muito difícil conseguir atingir valores exatos para os

componentes, especialmente o indutor. Neste caso utilizam-se os valores mais

próximos encontrados comercialmente.

É de extrema importância a escolha deste capacitor, pois ele é

responsável pelo sobre sinal na corrente e tensão de saída. Um valor muito alto

na corrente, mesmo que por pouco tempo pode danificar o LED.

Outro ponto importante é que na fase em que a chave é aberta toda

energia armazenada no primário do transformador é transferida para o

secundário. Como inicialmente o capacitor está descarregado toda corrente

passa pelo capacitor. Dependendo da corrente utilizada no projeto pode ser

difícil encontrar um capacitor adequado. Neste caso podem-se utilizar vários

capacitores de alumínio ou tântalo em paralelo (BILLINGS, 1989).

O mosfet utilizado foi o IRF740 por suportar a tensão reversa na

abertura da chave que pode chagar a 380 v e também por ter boa resposta na

freqüência utilizada. O diodo utilizado deve ser de recuperação ultra-rápida, por

exemplo, o diodo de uso geral 1N5408. Os datasheets dos componentes dos

componentes utilizados se encontram no

detalhado do indutor e do núcleo utilizado

4.3.1. Simulação

De posse dos dados pode

diferentes valores para os ciclos ativos e avaliar o funcionamento do conversor.

Para a simulação foi utilizado o software PSIM da Powersim.

47 é mostrado o circuito utilizado na simulação

Figura

É interessante ressaltar que mesmo que o LED tenha seu ânodo em

comum a corrente não flui de um LED (cor) para outro. Isto ocorre porque eles

não estão na mesma referência.

Na Figura 48 é mostrad

obtidas na saída do conversor

390µF para se obter um Ripple

um sobre-sinal que poderia danificar o LED.

44

componentes utilizados se encontram no ANEXO III e IV. O Cálculo mais

e do núcleo utilizado pode ser encontrado no ANEXO

De posse dos dados pode-se simular o circuito proposto utilizando

diferentes valores para os ciclos ativos e avaliar o funcionamento do conversor.

Para a simulação foi utilizado o software PSIM da Powersim.

é mostrado o circuito utilizado na simulação.

Figura 47: Circuito do conversor simulado

É interessante ressaltar que mesmo que o LED tenha seu ânodo em

rente não flui de um LED (cor) para outro. Isto ocorre porque eles

não estão na mesma referência.

é mostrada as formas de onda das correntes e das tens

conversor. Nesta simulação utilizou-se um capacitor de

F para se obter um Ripple de tensão de apenas 2%. Em virtude disto há

sinal que poderia danificar o LED.

O Cálculo mais

pode ser encontrado no ANEXO V.

rcuito proposto utilizando

diferentes valores para os ciclos ativos e avaliar o funcionamento do conversor.

Para a simulação foi utilizado o software PSIM da Powersim. Na Figura

É interessante ressaltar que mesmo que o LED tenha seu ânodo em

rente não flui de um LED (cor) para outro. Isto ocorre porque eles

as formas de onda das correntes e das tensões

se um capacitor de

de apenas 2%. Em virtude disto há

45

Figura 48: Correntes e tensões no LED (Capacitor 390 µF)

A seguir têm-se as formas de onde das correntes e tensões no LED

utilizando capacitores de 47µF para obter um Ripple de 16% (Figura 49).

Figura 49: Correntes e tensões no LED (Capacitor 47 µF)]

46

Pode-se estimar a eficiência deste conversor simulado, estimando a

potência de entrada e compará-la com a soma da potência dos LEDs. Na

Figura 50 é mostrado a forma de onda da corrente média total na entrada dos

conversores.

Figura 50: Corrente média total na entrada do conve rsor

A corrente média se aproxima de 5,473mA. Como a tensão de entrada é

de 180V (CC), a corrente pode ser calculada por.

P = VXY × IXY = 180 × 0,05473 = 9,85W

Como a potência de cada cor é de 3W podemos estimar a eficiência por

η =PRST

PXY

=3 × 3W

9,85W= 91,3%

Mesmo que se desprezem as perdas nos condutores, perdas no núcleo,

perdas por dispersão entre outras, o sistema ainda terá boa eficiência. Os

conversores flyback possuem eficiência típica de 80%.

47

5. Resultados experimentais

5.1. Alternativa de acionamento

Um acionamento de LEDs eficiente deve manter a tensão de saída

estável para que não haja esforços repetitivos no LED. Assim, eleva-se a vida

útil e melhora-se a qualidade da luz emitida. Convencionalmente a comparação

entre a tensão (ou corrente) de saída com um valor pré-definido fornece um

parâmetro de entrada ao circuito gerador de pulsos. Caso a tensão de saída

diminua o ciclo ativo deve aumentar a fim de compensar a queda de tensão,

deixando a tensão de saída o mais estável possível. (RASHID, 2007)

No presente trabalho deseja-se utilizar o conversor controlando a

corrente fornecida através do ciclo ativo. Deve-se alterar o brilho dos três LEDs

de forma independente e obter a mistura de cores.

Infelizmente, não foi possível construir em tempo hábil o protótipo do

conversor flyback. Neste caso utilizou-se a método de chaveamento utilizando

penas uma chave (Transistor). Este sistema é bastante utilizado na indústria,

pois esta modulação tem um fácil controle e apresenta linearidade entre ciclo

ativo e intensidade luminosa. Neste caso o brilho é diretamente proporcional à

tensão média do pulso aplicada sobre ele. A corrente deve ser limitada através

da polarização adequada de um transistor bipolar, evitando danos aos LEDs.

Para acionar o LED RGB desta forma foram utilizados transistores

bipolares de uso geral do tipo NPN (BD137) para drenar a corrente necessária

para os LEDs conforme mostrado na Figura 51.

Figura 51: Experimento com transistores para limitar a corrente

48

Neste circuito a corrente média nos LEDs é proporcional à razão cíclica

do sinal de tensão aplicada na base de cada transistor. A topologia utilizada é

funcional. Entretanto polarização do transistor só estaria correta para uma

tensão fixa. Neste experimento utilizou-se uma bateria de chumbo-ácido de 6V.

Para uma melhor eficiência uma fonte de tensão com tensões mais

próximas das tensões diretas dos LEDs seria mais adequada. Entretanto esse

nível de tensão não é encontrado em baterias comerciais. Deste modo, utilizou-

se a bateria disponível em laboratório que apresentava tensão mais próxima da

desejada.

Este sistema simplificado de acionamento possibilitou o desenvolvimento

dos algoritmos que seriam utilizados para controlar os três pulsos PWM

aplicados às chaves. Pois estes poderiam ser utilizados em qualquer sistema

de acionamento.

5.2. Arquitetura do sistema

O presente trabalho ainda apresenta uma maneira prática de um usuário

alterar as características do ambiente através de uma interface amigável. O

sistema pode ser adaptado para que esta interface esteja presente em

computadores pessoais, notebooks e celulares aumentando a portabilidade do

sistema.

O computador envia informações à um microprocessador que

realizaprocessa a tarefa requisitada pelo usuário. Para a CPU é necessário um

processador básico capaz de receber informações e gerar pulsos PWM.

Atualmente pode-se encontrar diversas soluções como microcontroladores,

DSPs, CLPs entre outros. Estes processadores são capazes de executar

comandos que foram previamente gravados em sua memória. Estes comandos

podem ser desenvolvidos utilizando linguagens de alto e médio nível como C,

Basic e Assembly. Cada fabricante possui uma vasta linha de produtos

capazes de atender a estas tarefas facilmente.

Neste experimento utilizou-se microcontroladores PIC da Microchip por

terem maior disponibilidade no mercado local. Por este mesmo motivo optou-se

inicialmente pelo modelo 16F877A. Este modelo possui periféricos

interessantes como USART e conversores Analógico/Digital internamente.

49

Entretanto possui apenas uma saída PWM. No entanto, é necessário três

saídas PWM para o controle individual das cores.

Foi desenvolvido um algoritmo que gera os pulsos PWM em saídas

comuns do microcontrolador. Na Figura 52 é mostrado um diagrama do

primeiro protótipo montado.

Figura 52: Primeiro sistema montado

Os pulsos gerados atingem uma freqüência de aproximadamente 120Hz.

Esta freqüência atende ao acionamento transistorizado, pois em virtude do

efeito da persistência visual não é possível ver o LED “piscar”. Entretanto para

acionar o conversor flyback não seria possível utilizá-la pois a frequência deve

atender às especificações do projeto do flyback.

Mesmo com um clock de 20MHZ (Máximo para o modelo) seria muito

difícil pro microcontrolador processar a informação recebida, realizar algumas

operações e ainda gerar pulsos na ordem de KHZ.

Neste caso têm-se duas opções. Uma delas seria utilizar três

microcontroladores menores com PWM embutido. Comunicando-se com a

central de processamento, eles seriam responsáveis por gerar o pulso em alta

freqüência para cada cor, fazendo o chaveamento da fonte conforme o

diagrama da Figura 53.

50

Figura 53: Diagrama do sistema com três sub control adores

A outra opção é utilizar um microcontrolador mais moderno que tenha

embutido três ou mais saídas PWM, incluindo um sistema de comunicação

mais moderno como o USB e até mesmo um controle remoto utilizando

módulos RF para fazer uma comunicação serial. O diagrama é mostrado na

Figura 54, em que se sugere empregar o PIC18F1330, a título de exemplo.

Figura 54: Diagrama do sistema mais moderno

A decisão entre um e outro deve ser feita utilizando critérios de custo-

benefício. Das estruturas mostradas, a última é mais adequada para uma

possível evolução no projeto.

5.2.1. Comunicação serial

A comunicação entre o PC e o microcontrolador foi feita utilizando a

interface serial RS232. Para fazer a conversão dos níveis de tensão e corrente

do RS232 para TTL é necessário o uso de um driver dedicado a esta função,

foi utilizado o circuito integrado da MAXIM, o MAX232 (PEREIRA, 2007).

51

Na Figura 55 é mostrado o diagrama de como é feita a ligação entre a

porta serial e o microcontrolador proposta pelo fabricante e implementada.

Figura 55: Módulo de comunicação serial

5.3. Aplicativo computacional

Através da porta serial, o microcontrolador recebe informações do

computador que ajustam o ciclo ativo e consequentemente o brilho. Para que o

usuário pudesse inserir os dados de forma mais prática foi criado um pequeno

software no Delphi 7® da Borland®.

Este software fará o controle de forma amigável com o usuário. Na

Figura 56 é mostrada a tela principal do software.

Figura 56: Tela principal do software de controle

52

Na tela principal existem três controles onde o usuário pode mudar o

valor de cada cor independentemente. Ainda há uma paleta para mudança

rápida das cores.

Também foi adicionado ao programa um botão que cria misturas

aleatórias de cor e outro botão que faz uma animação nas cores. No software,

à medida que se altera o valor dos “sliders” um pequeno quadrado simula cada

cor e um quadrado maior simula a mistura das três. A cor mostrada neste

quadrado deve ser a cor que teoricamente deveria ser obtida no LED.

Para controlar a porta serial do computador no Delphi é possível utilizar

componentes gratuitos encontrados na internet. O mais indicado é o

componente TComPORT criado por Dejan Crnila. O algoritmo foi desenvolvido

em C no compilador MikroC® da Mikroeletronica®. O algoritmo completo pode

ser visto no ANEXO VI.

O software envia as informações para o microcontrolador através de

uma palavra de comando (string). Esta palavra possui alguns caracteres que

identificam cada parte do comando. A Tabela 9 mostra como é formada esta

string.

Tabela 9: String de comando

Inicio Valor R Separador Valor G Separador Valor B Fim

$ 255 # 255 # 255 :

O microcontrolador recebe a string e faz o devido tratamento. O intervalo

de tempo entre cada envio deve respeitar a velocidade de envio (baud rate) e o

tempo que se gasta para fazer a conversão da string. Após isto, deve estar

pronto para receber uma nova string.

Foi utilizada uma taxa de envio de 9600 bits por segundo. A string tem

13 caracteres de 8 bits resultando em 104 bits. Esse número seria enviado em

pouco mais de 10ms, por segurança utilizou-se 30ms.

5.3.1. Algoritmo gerador de PWM

Como dito anteriormente, o modelo utilizado na primeira versão do

protótipo possui apenas uma saída PWM, foi necessário desenvolver três

53

pulsos independentes via software, utilizando temporizadores nativos do

microcontrolador.

Um temporizador ou timer pode ser configurado para gerar uma

interrupção em um período definido. A cada interrupção é feita a atualização

dos tempos ��� e ���� de cada saída. Paralelamente ao timer, o processamento

principal recebe e trata a string coletando os valores correspondentes a cada

cor, fazendo a conversão paro o ciclo ativo desejado. Na figura 57 é mostrado

um fluxograma de como funciona o algoritmo.

Figura 57: Fluxograma do algoritmo do software do m icrocontrolador

A central de processamento funciona com um clock de 20MHz (Período

de 50ns). Como a maioria das instruções precisam de 2 ciclos de clock para

serem efetuadas, cada instrução demora em média 100ns. Entretanto, os

timerss possuem limitações quanto à velocidade mesmo que o intervalo entre

cada instrução seja muito pequeno (PEREIRA, 2007).

54

Ao gerar a interrupção, são executadas algumas instruções de controle

(if, else) que atrasam ainda mais o processamento. Vários parâmetros foram

testados, chegou-se a uma freqüência de aproximadamente 80Hz para cada

saída gerada sem que houvesse falha no processamento.

Esta freqüência está bem abaixo do que se pode gerar utilizando as

saídas PWM embutidas dos microcontroladores, porém ainda está acima da

freqüência necessária para atender à persistência visual. Em outras palavras,

não é possível perceber que o LED pisca. O sistema de mistura de cor funciona

perfeitamente para a topologia descrita na Figura 51. Entretanto para a fonte

chaveada (flyback) a freqüência dos pulsos gerados pelo software não será

suficiente, o que torna evidente a necessidade da utilização de saídas PWM.

5.4. Ensaios

5.4.1. Módulo RGB de baixa potência

O protótipo para a CPU foi montado em uma protoboard para testar o

código desenvolvido e o módulo RGB, conforme Figura 58. O diagrama

esquemático do circuito completo pode ser visto no ANEXO VII.

Figura 58: Primeiro protótipo

55

Para fazer o teste de mistura das cores com este módulo foram

utilizados de LEDs RGB alto brilho, eles possuem menor custo e tem grande

variedade de formatos. Na Figura 59 é mostrado o formato do modelo utilizado.

Figura 59: Desenho do LED RGB utilizado

O referido modelo, por ter seu cátodo comum entre as três cores,

impossibilita que eles possam ser ligados em série. Ligar alguns LEDs em série

é uma prática mais adequada. Somando as tensões diretas de vários LEDs

precisaríamos de um nível de tensão mais alto para acioná-los economizando

na transformação entre níveis CC.

O módulo RGB com leds de alto brilho é composto de uma seqüência de

dez LEDs em paralelo conforme Figura 60. A mistura de cores é prejudicada

pela forma construtiva do led, pois os feixes de luz possuem baixo ângulo de

abertura e não são alinhados. Neste caso a mistura só ocorre em um ponto

onde as cores se interceptam. Este efeito é demonstrado na Figura 61.

Figura 60: Montagem da barra de LEDs

Uma forma de contornar este problema é lixar a ponta do LED,

deixando-a mais reta, bem como a lateral, deixando a resina mais opaca

conforme Figura 62.

56

No entanto, este procedimento afetará diretamente o fluxo luminoso

emitido. Na Figura 63 é mostrado o efeito desejado ao utilizar uma capa de

acrílico leitoso como acabamento para o conjunto.

Figura 61: LED sem tratamento

Figura 62: LED lixado

Por não apresentar características luminosas muito elevadas, este

conjunto pode ser utilizado como iluminação decorativa residencial e também

comercial em fachadas e vitrines.

Figura 63: Acabamento mostrando o azul

Figura 64: Acabamento mostrando o verde

5.4.2. Módulo RGB de alta potência

O segundo protótipo utilizou a mesma CPU do primeiro. Deseja-se

mostrar que o mesmo software pode ser utilizado para todas as configurações

de LEDs e potências. Na Figura 65 é mostrada a montagem do segundo

protótipo.

57

Figura 65: Segundo protótipo

Para melhor ilustrar na Figura 66 é mostrado o sistema em

funcionamento junto com o software.

Figura 66: Sistema RGB em funcionamento

58

O modelo utilizado nos testes possui potência mais alta. Cada cor possui

3W de potência e um excelente fluxo luminoso. Estes LEDs ainda possuem

custo elevado, mas oferecem grandes vantagens em relação ao anterior.

Devido à sua forma construtiva a mistura das cores é bem mais

homogênea, o que torna desnecessário outros meios de melhorar a mistura.

Os modelos de potência maior (acima de 1W) necessitam de dissipar o

calor interno para que a temperatura influencie menos na cromaticidade,

eficiência e na vida útil do LED (SÁ JR., ANTUNES e PERIN, 2007).

Alguns fabricantes já fornecem o dissipador. Entretanto, para o LED

utilizado, foi confeccionado um dissipador no próprio cobre da placa de circuito

impresso. Não foram realizados estudos sobre a influência desse dissipador

sobre a as características do LED. Na Figura 67 é apresentado o desenho

esquemático do modelo em questão. Na Figura 68 é mostrado uma foto do

LED montado sobre o dissipador confeccionado na placa de circuito impresso.

Figura 67: Desenho do LED RGB de potência com dissip ador

59

Figura 68: LED com Dissipador

O problema na mistura das cores é bem menor neste modelo, conforme

mostrado na Figura 69. Não é necessário fazer nenhum tratamento. Pois o

ângulo de abertura do feixe luminoso é tão grande que a maior parte dos feixes

se interceptam.

Figura 69: Mistura do LED RGB de 3W

60

Na Figura 70 são mostradas as três cores básicas, confirmando a

capacidade do LED de reproduzir as cores básicas e também a mistura entre

elas.

Figura 70: Cores apresentadas pelo modelo a) Vermelh o , b) Verde e c) Azul

Para a captação das formas de onda utilizou-se um osciloscópio de 4

canais Tectronix modelo TDS 2024B, os canais de 1, 2 e 3 foram conectados

aos Pinos de saída da PIC correspondentes as cores vermelho, verde e azul

respectivamente conforme mostrado na Figura 71.

Figura 71: Captura das formas de onda

As formas de onda capturadas serviram para comprovar o

funcionamento do sistema, foram captadas os sinais de diferentes

61

combinações de cores apenas para efeito de comparação conforme mostrado

nas figuras 72, 73, 74 e 75.

Figura 72: Tom azulado

Figura 73: Tom esverdeado

Figura 74: Cor vermelha

Figura 75: Cor verde

62

6. Conclusões

O presente trabalho contribuiu com os estudos sobre a utilização de

fontes chaveadas no acionamento de LEDs e aproveitar conceitos de

colorimetria para demonstrar um sistema prático e economicamente viável para

controlar a intensidade e a cor de um ambiente.

Acredita-se que este sistema é mais eficiente que sistemas similares

baseados em lâmpadas incandescentes.

Foram constatadas algumas dificuldades com utilização de LEDs com

catodo comum, assim como os de anodo comum. Isto impossibilita que se

possa ligá-los em série melhorando a eficiência do sistema. Além disto, a

configuração em paralelo exige cuidado pois a queima de um dos LEDs poderá

danificar todo o conjunto.

Para uma melhor proximidade com a realidade um projeto de fonte

chaveada mais criterioso deve considerar parâmetros como resistência do

enrolamento, queda de tensão nas chaves e perdas no núcleo.

Não foi possível fazer a análise econômica para a estrutura do sistema.

Entretanto, um dispositivo mais moderno estaria mais apto a receber

atualizações e melhorias, e possivelmente estarão em linha de produção do

fabricante por mais tempo.

Os resultados obtidos, principalmente, na obtenção de diferentes cores

foram muito satisfatórios. Sendo que utilizar um número maior de LEDs em

série aumenta a eficiência do sistema, pois a potência dissipada no resistor que

limita a corrente será insignificante se comparada a potência total dos LEDs.

Como proposta de trabalhos futuros, é possível citar:

• Calcular conversor flyback com parâmetros não ideais.

• Construir um conversor flyback de três saídas independentes.

• Integrar comunicação USB ao sistema.

• Adicionar novas funções ao software.

• Realizar testes com LEDs em série.

• Obter parâmetros fotométricos dos protótipos.

• Obter formas de onda das tensões e correntes do protótipo.

63

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