Controle de Luminosidade de LEDs de Potência via Wifi/Bluetooth

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Relatório Final de Atividades 
 
 
 
 
Controle de Luminosidade de LEDs de Potência via 
Wifi/Bluetooth 
vinculado ao projeto 
Controle da Intensidade Luminosa de LEDs de Potência a Partir de 
Conversores Eletrônicos. 
 
 
 
 
Fabio Henrique Fudoli 
Bolsista UTFPR 
Bacharelado em Engenharia Eletrônica 
Data de ingresso no programa: Agosto de 2015 
Prof. Dr. Moacyr Aureliano Gomes de Brito 
 
 
 
Área do Conhecimento: Eletrônica Industrial, Sistemas e Controles Eletrônicos. 
Código 3.04.05.00-9 
 
CAMPUS Campo Mourão, 2016 
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PR
 
Ministério da Educação 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação 
FABIO HENRIQUE FUDOLI
MOACYR AURELIANO GOMES DE BRITO
CONTROLE DE LUMINOSIDADE DE LEDS DE POTÊNCIA VIA
WIFI/BLUETOOTH
Relatório de Pesquisa do Programa de Iniciação
Científica da Universidade Tecnológica Federal
do Paraná.
Período do Relatório: Agosto de 2015 a Abril de 2016.
CAMPO MOURÃO
2016
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 PRINCíPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA LÂMPADA LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 MÉTODOS DE ACIONAMENTO DE LÂMPADAS LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 O Conversor Buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 O Conversor Buck Quadrático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 ANÁLISE E PROJETO DO CONVERSOR BUCK QUADRÁTICO MODIFI-
CADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 ANÁLISE E EQUACIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 PROJETO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.1 Especificações de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.2 Projeto Físico dos Indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 MACROESTRUTURA E FUNCIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4 SIMULAÇÃO E RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6 CONTINUIDADES DA PESQUISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4
1 INTRODUÇÃO
Dado a escassez mundial de recursos energéticos, surge a necessidade de equipamentos
elétricos que cumpram seu papel de maneira a economizar mais energia e entregar o máximo
de suas funcionalidades, ou seja, equipamentos mais eficientes.
Em relação aos métodos de iluminação artificial de ambientes, tanto comercial, re-
sidencial e industrial, estes representam cerca de 17% de todo o consumo de energia elétrica
no Brasil (CANESIN, 2001). Boa parte desse consumo é caracterizado pelas lâmpadas in-
candescentes que apresentam uma baixa eficiência pois seu consumo energético é alto quando
comparado a sua capacidade de iluminação. Essa relação de eficiência é dada pela divisão de
Lúmens por Watts.
Atualmente é possível encontrar três tipos de lâmpadas mais comumente vendidas para
ambientes residenciais, são elas:
∙ Incandescente: Trabalha com um filamento resistivo envolto por um gás onde o filamento
emite luz e muito calor quando atravessado por uma corrente elétrica.
∙ Fluorescente: Através da estimulação elétrica de gases internos ao tubo da lâmpada, emite
luz na forma UV que por sua vez é convertida ao comprimento de onda da luz visível pelo
revestimento do tubo da lâmpada.
∙ LED: Com um diodo emissor de luz, emite fótons sempre no mesmo comprimento de
onda, sem emitir calor como no caso da incandescente.
É possível observar o aspecto físico das lâmpadas citadas nos itens acima através da
figura 1.1.
Figura 1.1 – Tipos de lâmpadas
Fonte: Adaptado de lojaeletrica.com.br
Existe um cronograma para extinção das lâmpadas incandescentes no mercado bra-
sileiro. A Portaria Interministerial número 1007 de 31 de dezembro de 2010 formulada pelo
Ministério de Minas de Energia estipula prazos para a produção e importação de lâmpadas
incandescentes e seu limite é até 30 de julho de 2016. A tabela 1 exibe esse cronograma.
Com a introdução das lâmpadas fluorescentes a eficiência energética dos sistemas de
iluminação aumentou consideravelmente nas últimas décadas. Porém o ramo residencial ainda
tem a eficiência luminosa mais baixa, cerca de 20 Lúmens/Watt com dados de 2005 quando
comparada ao setor comercial, por exemplo. (BASTOS, 2011)
Essas mesmas lâmpadas que contribuíram para o aumento da eficiência luminosa con-
têm em sua composição elementos químicos altamente tóxicos quando em contado com o meio
ambiente, pessoas e animais. Segundo Júnior e Windmöller (2008) citado por Lima (2015) um
5
Lâmpadas Incandescentes Domésticas de 127V - 750 horas
Potência (W) Eficiência Mínima (Lúmens / Watt)30/06/2012 30/06/2013 30/06/2014 30/06/2015 30/06/2016
Acima de 150 20,0 24,0
101 a 150 19,0 23,0
76 a 100 17,0 22,0
61 a 75 16,0 21,0
41 a 60 15,5 20,0
26 a 40 14,0 19,0
até 25 11,0 15,0
Tabela 1 – Prazos de produção e importação de lâmpadas incadescentes.
Fonte: Portaria Interministerial número 1007.
desses resíduos tóxicos é o mercúrio – metal de elevada toxicidade. O mercúrio é um metal pe-
sado e uma vez que é ingerido ou inalado pode causar danos ao sistema nervoso central (SNC)
e grande impacto ambiental, e, ainda se acumula na cadeia alimentar.
O impacto ambiental da produção massiva da lâmpada fluorescente é uma grande pre-
ocupação. Quando são descartadas em aterros, seus tubos de vidros sensíveis se rompem libe-
rando gases como vapor de mercúrio que por sua vez contaminam o solo e consequentemente o
lençol freático. Segundo Mourão e Seo (2012) citado por Lima (2015), anualmente são produ-
zidas por volta de 190 milhões de lâmpadas fluorescentes compactas (reatores embutidos) e 95
milhões dos modelos tubulares (reatores externos).
A lâmpadas compostas por leds, são atrativas pois além de serem extremamente efi-
cientes o seu princípio de funcionamento proporciona uma maior durabilidade e consequente-
mente uma vida útil média maior que as lâmpadas incandescentes e fluorescentes.
6
2 METODOLOGIA
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA LÂMPADA LED
Os LEDs ou “Diodos Emissores de Luz” são semicondutores que surgiram na década
de 60 e seu funcionamento assemelha-se ao diodo comum (passagem de corrente em um só
sentido) com o diferencial de emitir luz quando uma corrente percorre o semicondutor.
Para Bastos (2011) citado por Lima (2015) os LEDs emitem luz através do fenômeno
de eletroluminescência que consiste em emitir fótons que são gerados através de excitação ele-
trônica do materialquando percorrido por uma corrente elétrica. Esses dispositivos, ao contrário
das lâmpadas incandescentes e fluorescentes, não possuem filamentos, gases ou tubos.
Seu funcionamento intrínseco segundo Bullough (2003) é composto pela junção de
dois cristais semicondutores dopados de diferentes concentrações de materiais de maneira a
formar uma junção PN. Na junção, o lado P é caracterizado pelo excesso de lacunas (casa
do elétron) e consequentemente o lado N é composto pelo excesso de elétrons. Quando essa
junção é diretamente polarizada, ou seja, uma corrente elétrica percorre essa junção de maneira
a recombinar os elétrons com as lacunas. A cada recombinação dessas um fóton é emitido.
A energia gerada pelo LED é dissipada através de luz e calor, assim como nas outras
lâmpadas, porém, a luz desse dispositivo é emitida em todas as direções e não contem luz na
frequência do infravermelho. O calor gerado é retido no interior do LED, sendo necessário o
uso de dissipadores acoplados a ele.
Uma lâmpada LED pode ser composta de um único LED ou uma associação destes.
Um único LED de 10 Watts pode ser substituído por dez unidades de 1 Watt cada e ambos os
casos terão a mesma eficiência e luminosidade. Essa substituição dá-se ao fato de que LEDs de
mais baixa potência tem custo menor em relação aos de alta potência.
2.2 MÉTODOS DE ACIONAMENTO DE LÂMPADAS LED
Devido as peculiaridades do LEDs, estes não podem ser ligados diretamente na rede
em corrente alternada. Necessitando de dispositivos especiais de acionamento, como os con-
versores CC-CC.
2.2.1 O Conversor Buck
Conversores CC/CC são sistemas formados por semicondutores de potência operando
como chave juntamente com elementos passivos como por exemplo, indutores e capacitores.
Um exemplo clássico é o chamado conversor Buck, esse circuito converte corrente continua
para corrente contínua com característica de abaixador de tensão. Sua operação é como fonte
de tensão na entrada e fonte de corrente na saída. Na figura 2.1 é possível observar o circuito
esquemático do conversor buck.
Muitas vezes, conversores são ligados diretamente a rede elétrica e demandam circui-
tos retificadores para propiciar tensões contínuas de operação. No caso de uma alimentação
7
Figura 2.1 – Esquemático do circuito conversor Buck.
Fonte: Autoria Própria.
senoidal em 127V a tensão em corrente contínua retificada é da ordem de 180Vcc. Como a ten-
são de alimentação dos Leds é de alguns volts, geramente menor que 5V, a chave do conversor
Buck necessita operar fechada por um período de tempo extremamente pequeno. A figura 2.2
exemplifica uma situação onde a razão cíclica é extremamente reduzida.
O problema do trabalho em razões cíclicas extremamente baixas é que a operação da
abertura e fechamento da chave não é perfeita. Ela possui características de tempo de subida
para abertura (rise time) e de descida para fechamento (fall time) maiores que zero. Cada
abertura e fechamento da chave geram pequenos ruídos que são minimizados quando a chave
opera em razão cíclica convencional, mas quando essa razão é extremamente baixa, esses ruídos
se tornam mais evidentes. Isto tudo somado leva a problemas de operação do conversor e de
sua carga.
Figura 2.2 – Baixa razão cíclica do conversor.
Fonte: Autoria Própria.
2.2.2 O Conversor Buck Quadrático
Um outro conversor chamado de Buck Quadrático foi proposto por Maksimovic´ e C´uk
(1991). O esquemático desse conversor pode ser visto na figura 2.3. Diferenciado do Buck
comum, seu ganho estático é na ordem quadrática, ou seja, 𝐷2. Isso minimiza o problema de
trabalhar com baixas razões cíclicas pois, quando por exemplo, for necessária uma razão de
0,1(10%) a chave irá operar em
√
0, 1 que é 0,3163. Ou seja, ao invés da chave permanecer
8
10% do tempo fechada ela agora permanecerá 31,6%, portanto a chave permanecerá mais de
três vezes o tempo fechada no conversor Buck quadrático em relação ao Buck comum.
Figura 2.3 – Esquemático do conversor buck quadrático.
Fonte: Autoria Própria.
Para aplicações em LEDs de potência, o indutor 𝐿2 deve ser dimensionado para operar
em modo de condução contínua (MCC) e com baixo ripple de corrente, já que não pode haver
cintilação da luz nos LEDs. Mesmo se tratando de dois estágios de potência, o indutor 𝐿2 pode
ser dimensionado considerando os cálculos do conversor Buck clássico.
Segundo Sá (2007) o conversor Buck Quadrático pode ser modificado a fim de ficar re-
ferenciado ao terra da fonte de alimentação. A figura 2.4 ilustra essa situação. Esta modificação
é interessante para a utilização desse conversor em circuitos de baixa potência como no caso de
LEDs de 1 e 3W. Isto por que, o circuito de controle do conversor e dos circuitos auxiliares é
bastante representativo no consumo total e isso impacta diretamente na eficiência do sistema.
Figura 2.4 – Esquemático do conversor buck quadrático modificado.
Fonte: Autoria Própria.
Com o terra da chave referenciado ao terra da fonte de alimentação consegue-se uma
simplificação do circuito de comando e controle do conversor. Sem essa modificação, seria
necessária uma fonte adicional e independente para o circuito de comando e controle ou a
utilização de um transformador de pulso para isolar os circuitos de controle do circuito de
potência. Esta modificação reduz os custos de implementação do sistema.
9
3 ANÁLISE E PROJETO DO CONVERSOR BUCK QUADRÁTICO MODIFICADO
3.1 ANÁLISE E EQUACIONAMENTO
Para o projeto do circuito conversor Buck Quadrático Modificado é necessário primei-
ramente fazer as análises das etapas de operação. Já que existem duas etapas de funcionamento,
uma com a chave fechada e outra com a chave aberta, convém a análise dessas situações. A
figura 3.1 exemplifica o caminho da corrente no instante 𝑡0 < 𝑡 < 𝑡1.
Figura 3.1 – Caminho da corrente com a chave fechada.
Fonte: Adaptado de Sá (2007).
Nota-se que no instante 𝑡 = 𝑡0, a chave 𝑆1 e o diodo 𝐷2 entram em condução e os
diodos 𝐷1 e 𝐷3 estão inversamente polarizados, ou seja, não permitem a passagem de corrente.
A corrente fornecida pela fonte 𝑉𝑖𝑛 circula através do indutor 𝐿1(etapa de carga) e se junta a
corrente do capacitor 𝐶1. Juntas elas circulam no indutor 𝐿2. A corrente pelo LED é a mesma
que passa pela chave 𝑆1.
O valor médio de tensão no capacitor 𝐶1 depende diretamente da tensão de entrada Vin
pela razão cíclica D. Seu dimensionamento deve ser feito para que a tensão fique praticamente
constante. D1 fica sujeito a esforços da tensão da fonte de entrada Vin e D3 a tensão do capacitor
𝐶1.
Figura 3.2 – Caminho da corrente com a chave aberta.
Fonte: Adaptado de Sá (2007).
No instante 𝑡1 < 𝑡 < 𝑡2 (figura 3.2), a chave 𝑆1 bloqueia e os diodos 𝐷1 e 𝐷3 entram
em condução enquanto 𝐷2 é inversamente polarizado. Nessa etapa a fonte 𝑉𝑖𝑛 deixa de fornecer
energia ao circuito e a corrente de 𝐿1 circula pelo capacitor 𝐶1 (carregando-o) e pelo diodo 𝐷1.
A corrente de 𝐿2 é a mesma no LED e no diodo 𝐷3. Em 𝐷2, tem-se a mesma tensão de entrada
𝑉𝑖𝑛 e na chave 𝑆1 o esforço de tensão passa a ser a soma da tensão de entrada com a tensão na
capacitância 𝐶1, que pode ser vista na equação 3.1.
10
𝑉𝑆1 = 𝑉𝑖𝑛 + 𝑉𝐶1 (3.1)
Onde,
∙ 𝑉𝑆1 : Tensão na chave;
∙ 𝑉𝑖𝑛 : Tensão de entrada;
∙ 𝑉𝐶1: Tensão no capacitor 𝐶1.
A tensão no capacitor 𝐶1 é definida pela equação 3.2;
𝑉𝐶1 = 𝑉𝑖𝑛 ·𝐷 (3.2)
Substituindo a equação 3.2 em 3.1, tem-se:
𝑉𝑆1 = 𝑉𝑖𝑛 · (1 + 𝐷) (3.3)
A tensão na chave 𝑆1 é em função da razão cíclica 𝐷 e o seu valor máximo de esforço
de tensão é definido pela equação 3.4.
𝑉𝑆1𝑀𝑎𝑥 = lim
𝐷→1
[𝑉𝑖𝑛 · (1 + 𝐷)] = 2 · 𝑉𝑖𝑛 (3.4)
Através da equação 3.4 é possível observar que, diferentemente do conversor Buck
clássico, o Buck Quadrático pode apresentar na chave o dobro do esforço de tensão.
Segundo o modelo eletrônico do LED, ele pode ser consideradouma fonte de tensão
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004). Com isso, o valor do indutor 𝐿2 pode ser calculado pelo
seu ripple de corrente, como mostra a equação 3.5 escrita em função da razão cíclica 𝐷 e da
frequência 𝑓 .
𝐿2 =
𝑉𝐿𝐸𝐷 · (1−𝐷)
∆𝐼𝐿2 · 𝑓 (3.5)
Com ∆𝐼𝐿2 sendo o ripple de corrente máximo admitido no indutor 𝐿2.
Como pode ser visto no trabalho de Junior e Elias (2008), o valor da indutância 𝐿1
pode ser obtido pela equação 3.6.
𝐿1 =
𝑉𝐼𝑛 ·𝐷(1−𝐷)
∆𝐼𝐿1 · 𝑓 (3.6)
E também as equações para os valores das capacitâncias 𝐶1 e 𝐶2 podem ser calculados
conforme 3.7 e 3.8.
𝐶1 =
𝑉𝑖𝑛𝐷(1−𝐷)
8𝑓 2∆𝑉𝐶1𝐿1
(3.7)
𝐶2 =
𝑉𝐿𝐸𝐷𝐷(1−𝐷)
8𝑓 2∆𝑉𝐶2𝐿2
(3.8)
Onde, ∆𝑉𝐶1 é o ripple de tensão admitido em 𝐶1 e ∆𝑉𝐶2 o ripple de tensão admitido em 𝐶2;
E a razão cíclica (𝑑𝑢𝑡𝑦 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒) 𝐷:
𝐷2 =
𝑉𝐿𝐸𝐷
𝑉𝑖𝑛
(3.9)
11
Ou,
𝐷 =
√︂
𝑉𝐿𝐸𝐷
𝑉𝑖𝑛
(3.10)
O ripple de corrente admitido em 𝐿1 pode ser considerado igual em 𝐿2 a fim de sim-
plificar os cálculos.
3.2 PROJETO
3.2.1 Especificações de Projeto
Para o projeto da lâmpada LED controlada remotamente, a lâmpada será de uma po-
tência de 8W. Utilizando-se de oito LEDs de 1W cada, com temperatura de cor entre 6000 e
6500K caracterizando-a como de cor fria.
A tabela 2 resume as especificações do projeto.
Grandeza Valor Unidade
Tensão nos LEDs (8 x 3,2) 25,6 V
Corrente direta 350 mA
Frequência 100 kHz
Ripple corrente admitido L1 10.5 mA
Ripple corrente admitido L2 10.5 mA
Ripple tensão admitido C1 256 mV
Ripple tensão admitido C2 256 mV
Tensão de Entrada (Máx) 311 V
Tensão de Entrada (Mín) 100 V
Tabela 2 – Especificações de projeto.
Fonte: Autoria Própria.
Com as especificações da tabela 2 e as devidas equações é possível obter os valores
dos componentes passivos do circuito. Com base nas equações 3.5, 3.6, 3.7 e 3.8 obtém-se os
valores da tabela 3.
Componente Valor Unidade
Indutor L1 15.18 mH
Indutor L2 15.18 mH
Capacitor C1 512.70 nF
Capacitor C2 512.70 nF
Tabela 3 – Valores dos componentes passivos do projeto.
Fonte: Autoria Própria.
12
3.2.2 Projeto Físico dos Indutores
O sucesso na construção e perfeito funcionamento de um conversor CC-CC está inti-
mamente ligado com um projeto adequado dos elementos magnéticos. O problema reside no
fato de que indutores que operam em altas frequências inserem no circuito uma série de elemen-
tos parasitas, como indutância de dispersão, capacitância entre espiras, entre outros. (BARBI;
FONT; ALVES, 2002)
Segundo Bird (2013), indutores são componentes usados quando as propriedades da
indutância são necessárias no circuito. A forma básica de um indutor é simplesmente uma
espira de fio. Os fatores que afetam a indutância [H] de um indutor são:
∙ O Número de espiras: Mais espiras, mais alta a indutância;
∙ A presença de um núcleo magnético: Quando as espiras são enroladas em um núcleo
magnético a corrente das espiras excita um campo magnético mais concentrado e a indu-
tância é aumentada;
∙ A existência do entreferro: Necessário para armazenar energia;
Para maximizar a indutância, como visto acima, deve-se calcular com exatidão os fa-
tores que mais influenciam na indutância. Como no caso do núcleo magnético, cuja função é
fornecer um caminho adequado para o fluxo magnético, diversos tipos de materiais são utili-
zados. Sejam eles ferrite ou lâminas de ferro-silício. Para Barbi, Font e Alves (2002) quando
o circuito opera em elevadas frequências, os núcleos de ferrite tornam-se mais adequados. A
figura 3.3 exibe um núcleo de ferrite do tipo E-E. As áreas de seção transversal do núcleo,
chamada de 𝐴𝑒 e a área da janela 𝐴𝑤 são de suma importância no projeto do indutor.
Figura 3.3 – Núcleo tipo E-E e seu respectivo carretel de enrolamento.
Fonte: Barbi, Font e Alves (2002)
Segundo Barbi, Font e Alves (2002), o cálculo das características do indutores dão-se
através das seguintes fórmulas:
𝐼𝑃𝑖𝑐𝑜 = 𝐼𝑒𝑓 +
∆𝐼𝐿
2
(3.11)
onde 𝐼𝑒𝑓 é a corrente direta do circuito (350mA).
O índice 𝐴𝑒 · 𝐴𝑤 é dado pela equação:
𝐴𝑒 · 𝐴𝑤 = 𝐿 · 𝐼𝑃𝑖𝑐𝑜 · 𝐼𝑒𝑓
𝐽𝑚𝑎𝑥 ·𝐾𝑤 ·𝐵𝑚𝑎𝑥10
4 (3.12)
Onde,
13
∙ 𝐽𝑚𝑎𝑥: Densidade de corrente, tipicamente 450A/𝑐𝑚2;
∙ 𝐵𝑚𝑎𝑥: Densidade de fluxo magnético, tipicamente 0,3T para núcleos de ferrite;
∙ 𝐾𝑤: constante de construção de indutores, valor típico de 0,7, ou seja 70% da janela
ocupada com as espiras.
O número de espiras pode ser obtido através da equação 3.13.
𝑁 =
𝐿 · 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜
𝐵𝑚𝑎𝑥 · 𝐴𝑒10
4[𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠] (3.13)
O entreferro (gap) do núcleo é pode ser calculado com 3.14.
𝑙𝑔𝑎𝑝 =
𝑁2 · 𝜇0 · 𝐴𝑒
𝐿
10−2[𝑐𝑚] (3.14)
A relutância do entreferro (𝑅𝑔𝑎𝑝) é obtida em 3.15.
𝑅𝑔𝑎𝑝 =
𝑙𝑔𝑎𝑝
𝜇0 · 𝐴𝑒 (3.15)
Para a bobina, deve-se primeiramente calcular a bitola dos condutores. Levando em
conta o efeito skin, causado quando a alta frequência dos sinais que passam por um condutor
faz com que a corrente no interior do condutor distribua-se somente pelas bordas. O valor da
máxima profundidade de penetração pode ser obtido por:
∆ =
7, 5√
𝑓
(3.16)
Sendo que o condutor utilizado não deve possuir o diâmetro superior a 2∆.
O índice 𝑁𝑙𝑖𝑡𝑧 mostra a quantidade de fios condutores que devem ser enrolados para
minimizar o efeito skin. Valores devem ser arredondados para números inteiros. O cálculo
desse índice pode ser obtido através de 3.17
𝑁𝑙𝑖𝑡𝑧 =
𝐼𝑒𝑓
𝐼𝐴𝑊𝐺
(3.17)
Onde 𝐼𝐴𝑊𝐺 é a corrente máxima do condutor escolhido.
Com o dado tabelado da área de isolamento do condutor, é possível calcular a porcen-
tagem de execução, índice esse que indica a ocupação da janela 𝐴𝑤 e deve ser menor que 0,7
quando utilizar Litz e menor que 0,8 quando somente um fio condutor é utilizado. O cálculo de
𝑃𝑒𝑥𝑒𝑐 pode ser visto na equação 3.18.
𝑃𝑒𝑥𝑒𝑐 =
𝑁 ·𝑁𝑙𝑖𝑡𝑧 · 𝑆𝑓𝑖𝑜_𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜
𝐴𝑤
(3.18)
Com as fórmulas acima descritas, é possível calcular os dados necessários para escolha
do núcleo de ferrite, tipo e número de condutores e quantidade de espiras. Com auxílio do
software Matlab, foi possível obter através de 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, 3.15, 3.16, 3.17 e 3.18 os
valores para o projeto do indutor denominado L1 (vide tabela 4).
E para o indutor L2, os valores podem ser visto na tabela 5.
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Grandeza Valor Unidade Grandeza Valor Unidade
Ipico 402,5 mA Entreferro 0,420 mm
𝐴𝑒𝐴𝑤 0,1939 cm4 Diâmetro condutor <0,0474 cm
𝐴𝑒 0,6 cm2 Diâmetro AWG26 0,040 cm
𝐴𝑤 0,8 cm2 Corrente AWG26 0,579 A
N 291 espiras Porcentagem exec 0,3673 %
Núcleo EE30/7 tipo Número Condutores 1 quantidade
Tabela 4 – Valores para a construção do indutor L1.
Fonte: Autoria Própria.
Grandeza Valor Unidade Grandeza Valor Unidade
Ipico 367,5 mA Entreferro 0,327 mm
𝐴𝑒𝐴𝑤 0,1712 cm4 Diâmetro condutor <0,0474 cm
𝐴𝑒 0,6 cm2 Diâmetro AWG26 0,040 cm
𝐴𝑤 0,8 cm2 Corrente AWG26 0,579 A
N 257 espiras Porcentagem exec 0,3242 %
Núcleo EE30/7 tipo Número Condutores 1 quantidade
Tabela 5 – Valores para a construção do indutor L2.
Fonte: Autoria Própria.
3.3 MACROESTRUTURA E FUNCIONAMENTO
Englobando o conceito da domótica que nada mais é que uma tecnologia de automa-
ção residencial recente que propicia uma gestão de recursos habitacionais de forma integrada,
controlando a residência remotamente, unindo as vantagens dos meios eletrônicos aos infor-
máticos. Essa tecnologia visa simplificar a vida diária das pessoas aumentando o conforto e
segurança. (BOLZANI, 2004)
Partindo dessa premissa, esse trabalho visa automatizar e facilitar o uso e controle de
lâmpadas LED através do projeto de um reator eletrônico baseado no conversor Buck Quadrá-
tico que possa ser controlado via Wifi/Bluetooth.
Na figura 3.4 pode-se observar a macroestrutura de funcionamento do projeto. Partindo
de um sinal no padrão Bluetooth enviado de umsmartphone, passando por um microcontrolador
(Arduino) e por sua vez sendo repassado ao conversor buck quadrático.
O smartphone possui como tarefa inicial ligar e desligar o conversor. Quando um co-
mando “Ligar” é dado pelo usuário no smartphone, o microcontrolador recebe, interpreta, e
aciona o relé responsável pela alimentação de alta tensão do conversor. Esse tipo de controle
oferece maior segurança desconectando o conversor da rede elétrica quando desligado. Com o
conversor ligado, o usuário pode agora controlar a intensidade luminosa do LED. Esse controle
se dá pela inibição dos pulsos de comando da chave em frequência inferior ao do chaveamento
do conversor, mas maior do que a sensibilidade visual. As figuras 3.5 e 3.6 mostram quando
selecionada a opção de desligar os LEDs e quando selecionada a opção “ligado”, uma inten-
sidade luminosa de aproximadamente 90% é escolhida, respectivamente via aplicativo em um
smartphone Android.
15
Figura 3.4 – Macroestrutura e operação.
Fonte: Autoria Própria
Figura 3.5 – Conversor desligado.
Fonte: Autoria Própria.
Figura 3.6 – Conversor ligado.
Fonte: Autoria Própria.
16
4 SIMULAÇÃO E RESULTADOS
Utilizando o software Matlab/Simulink, foi possível montar e simular o circuito do
conversor Buck Quadrático modificado. A figura 4.1 exibe a disposição dos componentes e dos
blocos lógicos necessários para a simulação.
Figura 4.1 – Circuito em Matlab/Simulink.
Fonte: Autoria Própria
O conversor buck quadrático modificado tem como uma de suas principais funções
manter constante a corrente de 350mA que percorre a série de oito LEDs. A figura 4.3 mostra
a forma de onda da corrente no tempo de simulação.
0 1 2 3
x 10−4
20
21
22
23
24
25
26
Tempo (s)
Te
ns
ão
 (V
)
Figura 4.2 – Tensão nos 8 LEDs em série.
Fonte: Autoria Própria.
0 1 2 3
x 10−4
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (s)
Co
rre
nt
e 
(m
A)
Figura 4.3 – Corrente que percorre os LEDs.
Fonte: Autoria Própria.
Na figura 4.2 é possível observar a tensão sobre os oito LEDs dispostos em série. Essa
diferença de potencial ocorre naturalmente quando uma corrente de 350mA percorre a série de
LEDs devido ao modelo do componente.
Conforme visto nas figuras 4.2 e 4.3, os valores que a forma de onda assume quando
entra em regime permanente se assemelham muito dos valores de projeto. Essas figuras exi-
bem o comportamento do conversor quando alimentado com uma tensão de 180V em corrente
contínua oriundos de uma retificação de uma tensão senoidal de 127V. Quando o mesmo é
17
submetido a uma tensão de 220V em corrente alternada a ser retificada para aproximadamente
311V, o conversor exibe comportamento de tensão (4.4) e corrente (4.5) similares a 4.2 e 4.3
respectivamente com exceção de que, quando alimentado com 311V, o sistema apresenta um
tempo de estabelecimento mais curto, ou seja, um menor período de estado transitório que
antecede a entrada em regime permanente.
0 1 2 3
x 10−4
20
21
22
23
24
25
26
 Tempo (s)
 
Te
ns
ão
 (V
)
Figura 4.4 – Tensão nos 8 LEDs em série.
Fonte: Autoria Própria.
0 1 2 3
x 10−4
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tempo (s)
Co
rre
nt
e 
(m
A)
Figura 4.5 – Corrente que percorre os LEDs.
Fonte: Autoria Própria.
Na figura 4.6 é possível observar a largura de pulso gerada pelo próprio circuito para
ajustar a corrente adequada do projeto. A figura 4.6 exibe a largura de pulso necessária para que
com uma tensão de alimentação de 180V obtenha-se 350mA de corrente na série de LEDs. Já na
figura 4.7 é possível visualizar a largura de pulso que gera a mesma corrente de 350mA quando
o circuito conversor é alimentado por uma tensão de entrada de 311V em corrente contínua.
Nota-se que a largura de pulso é menor e com razão quadrática, lembrando que esse conversor
opera com razão cíclica 𝐷2.
3.85 3.9 3.95 4 4.05 4.1
x 10−4
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tempo (s)
PW
M
 
Figura 4.6 – Razão Cíclica 𝐷 para 180V.
Fonte: Autoria Própria.
3.85 3.9 3.95 4 4.05 4.1
x 10−4
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tempo (s)
PW
M
Figura 4.7 – Razão Cíclica 𝐷 para 311V.
Fonte: Autoria Própria.
18
5 CONCLUSÃO
Foi apresentado nesse trabalho o desenvolvimento de um conversor eletrônico CC/CC
do tipo Buck Quadrático para fornecer alimentação para uma série de oito LEDs de 1W cada.
Juntamente a esse conversor, uma solução tecnológica com o intuito de controlar remotamente
via Bluetooth foi apresentada. Através de um smartphone é possível controlar o acionamento
dos LEDs bem como o controle de sua intensidade através da variação da largura de pulso.
Conforme apresentado, dado a escassez mundial de recursos energéticos, clama-se por
novas tecnologias sustentáveis. Ainda também, foi mostrado que, a demanda de iluminação no
cenário brasileiro representa 17% de todo o consumo e por isso, uma tecnologia composta por
LEDs que são componentes de alto rendimento e elevada vida útil é um importante passo.
Mesmo com o programa de extinção gradual das lâmpadas incandescentes e a tomada
de mercado das lâmpadas fluorescentes, a grande produção dessas lâmpadas fluorescentes gera
um impacto ambiental quando descartadas, liberando substâncias tóxicas ao meio ambiente.
Como as lâmpadas LED apresentam maior rendimento e maior vida útil, devem ser apresentadas
tecnologias que permitam maior introdução dessas lâmpadas no mercado e seu correto descarte
ou reciclagem seja feito.
Consequentemente, os circuitos eletrônicos conversores capazes de alimentar e con-
trolar esses LEDs devem ser estudados. Assim como o mostrado nesse trabalho, foi possível
manter a corrente constante nos oito LEDs do projeto independentemente da tensão de entrada
em corrente alternada ser de 127 ou 220V.
O conversor Buck Quadrático se mostrou satisfatório e plenamente adequado ao que
se refere aos resultados esperados. Nas simulações e resultados foi possível observar as formas
de ondas da tensão e corrente sobre os oito LEDs e constatar seus valores atingindo aqueles que
foram propostos na seção de especificações de projeto.
Para garantir uma longa vida útil aos LEDs, faz-se necessária a garantia de uma cor-
rente contínua de qualidade, com baixos valores de ripple em torno da corrente máxima dos
LEDs.
Por fim, o controle via Bluetooth se mostra eficiente e prático visto que essa tecnologia
de comunicação é acessível a todos e provê qualidade de vida e conforto aos usuários.
19
6 CONTINUIDADES DA PESQUISA
Como continuidade da presente pesquisa tem-se a implementação prática do conversor
buck-quadrático modificado para o acionamento dos LEDs de potência, com testes e refinamen-
tos.
20
REFERÊNCIAS
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Apostila (Institudo de Eletrônica de Potência - INEP), 2002.
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brasileiro. Tese (Doutorado) — Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2011.
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BOLZANI, C. A. M. Residências inteligentes. [S.l.]: Editora Livraria da Física, 2004.
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. [S.l.]:
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Information Program, Lighting Research Center, v. 7, n. 3, 2003.
CANESIN, C. A. Qualidade da energia elétrica, eficiência e racionalização, desperdício versus
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JUNIOR, D.; ELIAS, A. Proposta de reatores eletrônicos para iluminação com alto
desempenho. Tese (Doutorado) — Universidade Federal de Uberlândia, 2008.
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Revista Química Nova na Escola, n. 28, 2008.
LIMA, F. P. Desenvolviment de um Reator Eletrônico de Baixo Custo para Iluminação a
Led. Trabalho de Conclusão de Curso — Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2015.
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MOURÃO, R. F.; SEO, E. S. M. Logística reversa de lâmpadas fluorescentes. InterfacEHS
Revista de Saúde, Meio Ambiente e Sustentabilidade, v. 7, n. 3, p. 94–112, 2012.
Sá, E. M. Estudo de Novas Estruturas de Reatores Eletrônicos para LEDs de Iluminação.
Tese (Doutorado) — Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade
Federal de Santa Catarina, Florianópolis-SC, 2007.
	Folha de rosto
	Sumário
	Introdução
	Metodologia
	Princípio de funcionamento de uma lâmpada LED
	Métodos de Acionamento de Lâmpadas LED
	O Conversor Buck
	O Conversor Buck Quadrático
	Análise e Projeto do Conversor Buck Quadrático Modificado
	Análise e Equacionamento
	Projeto
	Especificações de Projeto
	Projeto Físico dos Indutores
	Macroestrutura e funcionamento
	Simulação e Resultados
	Conclusão
	Continuidades da Pesquisa
	 REFERÊNCIAS