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Modelo de caracterização de LEDs de potência para aplicações em iluminação Orientador: Sérgio Vidal Garcia Oliveira Disciplina: TCC Acadêmico: Andresa C. Bernardes

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Page 1: Modelo de caracterização de LEDs de potência para ... · -Radiometria -Fotometria -Colorimetria 2 Introdução à iluminação de estado sólido -Tecnologias voltadas para iluminação

Modelo de caracterização de LEDs de potência para aplicações em

iluminação

Orientador: Sérgio Vidal Garcia Oliveira

Disciplina: TCC

Acadêmico: Andresa C. Bernardes

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Objetivo Geral Para atender aos requerimentos da disciplina TCC este trabalho busca desenvolver um estudo de modelagem de LEDs de potência em iluminação artificial. Estudos comprovam que o consumo de energia elétrica com iluminação residencial é de 20% do total fornecido pelas concessionárias e como se tem observado a demanda por energia elétrica só tem aumentado devido ao aumento do consumo desenfreado da população mundial, que se contrapondo aos investimentos para ampliação e melhoria do abastecimento de energia elétrica nessa área têm ficado cada vez mais escassos por necessitarem de um valor inicial financeiro consideravelmente alto. Dessa maneira pode-se perceber que o incentivo a sistemas mais econômicos de energia podem ser uma alternativa mais imediata e barata para combater o desperdício de energia elétrica ao mesmo tempo que se busca o consumo mais consciente. Inicialmente será apresentada uma introdução a respeito dos conceitos luminotécnicos para que se possa, posteriormente, analisar e comparar os diversos dispositivos que fornecem luz artificial com a atual tecnologia do estado sólido. Uma breve contextualização histórica da iluminação artificial será apresentada, em especial, os diodos emissores de luz, promovendo suas características elétricas para que, no capítulo seguinte, o LED de potência possa ser avaliado como uma sugestão de dispositivo de iluminação de ambientes. Esse trabalho pretende contribuir para o desenvolvimento da área de eletrônica de potência destinada a iluminação artificial, sendo este um amplo campo para estudos de soluções de dispositivos para iluminação.

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Justificativa

As principais características dos LEDs de potência serão relacionadas como forma de comprovação para viabilizar a utilização destes em iluminação artificial de ambientes pois atualmente a iluminação artificial responde por aproximadamente um quarto do consumo da energia elétrica mundial e, dessa maneira, o desenvolvimento de sistemas de iluminação mais eficientes condiz com a realidade atual de busca pelo desenvolvimento sustentável do planeta. Comparando o desempenho dos LEDs com as atuais tecnologias de conversão de energia elétrica em energia luminosa concluir-se-á que os dispositivos de estado sólido poderão ser uma alternativa na economia dos recursos naturais, pois é notável a dependência da humanidade em relação a luz artificial, assim como a preocupação com uma provável crise energética mundial. Dessa maneira, este trabalho tem como principal objetivo proporcionar e contribuir com estudos futuros como uma solução que alie miniaturização, economia de recursos e eficiência de energia tornando-se uma opção atrativa para o problema de urgência no combate ao desperdício de energia elétrica evitando a utilização de fontes não renováveis de energia e conscientizando a humanidade para o uso de tecnologias que não desperdicem os recursos naturais.

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Modelo de caracterização de LEDs de potência para aplicações em iluminação

1 Conceitos luminotécnicos -Radiometria -Fotometria -Colorimetria 2 Introdução à iluminação de estado sólido -Tecnologias voltadas para iluminação de estado sólido -Desvantagens na utilização de dispositivos ineficientes na iluminação artificial -Uso dos LEDs como uma sugestão em iluminação de estado sólido 3 LEDs de potência -Classificação dos LEDs de potência -Influência da temperatura nas características dos LEDs -Características elétricas dos LEDs

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Luz – radiação eletromagnética capaz de produzir sensação visual

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Conceitos Luminotécnicos

Radiometria – ciência que estuda as medições relacionadas com a radiação eletromagnética.

•Energia radiante (Qe) [J] – energia associada a uma onda eletromagnética.

•Fluxo radiante (Φe) [W] – taxa temporal da energia radiante.

•Intensidade radiante (Ie) [W/sr] – intensidade da radiação eletromagnética.

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Conceitos Luminotécnicos

Fotometria: ciência que relaciona a resposta visual da radiação eletromagnética.

• Distribuição espectral de potência (SPD) [W/nm] - densidade de fluxo radiante para um dado comprimento de onda (λ).

• Fluxo luminoso (Φv) [lm] - quantidade de luz emitida por uma fonte, por segundo.

•Intensidade luminosa (Iv) [cd] - intensidade do fluxo luminoso de uma fonte de luz projetado em uma determinada área. Obs: não utilizado para fontes de luz não pontuais

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Conceitos Luminotécnicos

• Curva de distribuição luminosa - diagrama no qual se considera a luminária reduzida a um ponto no centro do diagrama e se representa a intensidade luminosa nas várias direções por vetores, cujos módulos são proporcionais as velocidades, partindo do centro do diagrama .

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Conceitos Luminotécnicos

• Luminância (L) [cd/m²] - é a intensidade luminosa que emana de uma superfície, ou seja, a claridade.

• Iluminância (E) [lux] - fluxo luminoso incidente em uma superfície por unidade de área. Obs: Um lux corresponde à iluminância de uma superfície plana de um metro quadrado de área, sobre a qual incide perpendicularmente um fluxo luminoso de um lumen.

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Conceitos Luminotécnicos

Colorimetria: ciência que estuda as propriedades e medidas da cor.

•Valores Tristimuli - três estímulos imaginários que representam qualquer cor por quantidades sempre positivas no diagrama de cromaticidade (sistema RGB).

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Conceitos Luminotécnicos •Coordenadas de cromaticidade – determinadas através dos valores de tristimuli e mapeadas no diagrama de cromaticidade.

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Conceitos Luminotécnicos

•Diagrama de cromaticidade com escala uniforme (UCS) - solução encontrada para resolver o problema dos eventuais desvios de cores não mapeados uniformemente ao longo do diagrama de cromaticidade.

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Conceitos Luminotécnicos

•Temperatura de cor [K] - A temperatura de cor de uma determinada fonte de luz consiste na temperatura na qual um corpo negro deve estar para produzir a mesma cor emitida por tal fonte.

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Conceitos Luminotécnicos

•IRC [%] - é a relação entre a cor real do objeto e cor aparente quando submetido a uma fonte de luz artificial.

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Características dos dispositivos de iluminação

•Eficiência de radiação (ηe) - habilidade de uma fonte de luz em converter a energia elétrica consumida em energia de radiação eletromagnética.

fluxo radiante (W) potência elétrica consumida (W)

•Eficiência luminosa (ηv) [lm/W] - habilidade de uma fonte de luz em converter a energia elétrica consumida em fluxo luminoso. fluxo luminoso (lm) potência elétrica consumida(W)

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Características dos dispositivos de iluminação

•Vida útil - Para LEDs é dependente do fluxo luminoso: L50 L70 •Tempo de uso - Redução de 30% da luminosidade inicial do LED.

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Produção de luz em lâmpadas incandescentes: circulação de corrente em um filamento sólido.

•Lâmpada de arco: antecessora das lâmpadas de descarga

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada incandescente:

alto IRC temperatura de cor (2700K) vida útil (até 2000h) baixa eficiência luminosa: 8 a 20 lm/W IRC: 100% Para uma lâmpada incandescente de 100W: fluxo luminoso de 1000 lm

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada Halógena: •Também conhecida como lâmpada de quartzo •bromo e iodo adicionados que aumentaram sua vida útil para até 4000h. •temperatura de cor (3000K) eficiência luminosa (até 26 lm/W) •IRC: 100%

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Produção de luz em lâmpadas de descarga (HID – high intensity descharge): circulação de corrente através de um meio gasoso, sendo este último somente possível quando há ionização do gás (liberação de elétrons livres ou íons). Ionização do gás pode ser feita de duas maneiras: -circulação de corrente em eletrodos -aplicação de tensão elevada entre os terminais da lâmpada.

•Lâmpada de mercúrio sob baixa pressão: (lâmpada fluorescente) funciona com descarga inicial temperatura de cor (3000 a 6100K)

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

Lâmpada de mercúrio sob alta pressão (HPM):

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada multi vapor metálico:Com o passar do tempo, a lâmpada a vapor de mercúrio sofreu aprimoramentos, o que desembocou na lâmpada a vapor metálico, muito semelhante à primeira, mas com iodetos metálicos que melhoraram seu desempenho[22].

Temperatura de cor para tonalidade fria: 6000K Temperatura de cor para tonalidade quente: 3600K

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada de sódio sob baixa pressão:o tubo de descarga contém sódio e gases inertes, neônio e argônio, com os eletrodos de descarga nas extremidades[12]. A descarga do sódio em baixa pressão resulta em emissão de luz com comprimentos de onda muito específicos e próximos do pico de sensibilidade do olho humano (555 nm)[5] + eficiente:150 lm/W - 36% da energia transformada em luz visível – luz monocromática amarela e IRC – lâmpada de 40W: 1700 a 3250 lm.

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada de sódio sob alta pressão (HPS): sucessora da lâmpada de vapor de sódio em baixa pressão e, apesar de seu rendimento ser menor em relação à lâmpada anterior, a lâmpada a vapor de sódio sob alta pressão apresenta um espectro de luz muito mais rico. Seu funcionamento é baseado no mesmo princípio de sua predecessora, diferindo apenas no fato de que, além do sódio, apresenta mercúrio em sua composição e também gases nobres que funcionam como agentes iniciadores da ignição[22]. baixo IRC – longa vida útil (até 32000h) – potências que variam de 35 a 2000W. Temperatura de cor: 2000K

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Iluminação artificial através do uso da energia elétrica

•Lâmpada mista: A chamada lâmpada mista também é uma variação da lâmpada a vapor de mercúrio sob alta pressão. Tem esse nome porque apresenta, dentro do mesmo bulbo, um tubo de descarga com mercúrio e um filamento de lâmpada incandescente ligado em série a ele. Tal característica não é mero enfeite, pois melhora o espectro luminoso do equipamento e, ao mesmo tempo, desempenha o papel de reator, possibilitando que a lâmpada de luz mista seja ligada diretamente à rede elétrica, da mesma forma que a incandescente.

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Utilização de dispositivos ineficientes na iluminação artificial

•¼ da eletricidade gerada é destinada ao uso de iluminação:

•26% do consumo de energia elétrica é para o setor residencial: 100 000 GWh

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Utilização de dispositivos ineficientes na iluminação artificial

•Consumo de energia elétrica em iluminação em uma residência:

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LED – Diodo emissor de luz

•Princípio de funcionamento: fenômeno da eletroluminescência (através da emissão luminosa de um material sólido (carboneto de silício - SiC), ocasionada por uma fonte de energia elétrica). •Primeiramente utilizados somente como indicadores.

•Lei Craford’s – Evolução dos LEDs: desempenho aumenta a cada 10 anos.

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LED – Diodo emissor de luz

•Por serem diodos bloqueiam sob tensão reversa

•Possuem resistência com coeficiente negativo •Necessitam de circuito externo de acionamento

•Luz monocromática

•Classificam-se em indicadores, alto brilho e de potência

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LED – Diodo emissor de luz

•Funcionamento:

•Composto por dois semicondutores formando uma junção P-N

•Conduzem quando polarizados diretamente

•Zona vazia

•Bloqueiam quando polarizados inversamente

•Emitem fótons

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LED – Diodo emissor de luz •Emissão de fótons – luz

•A emissão de luz de comprimentos de onda diferentes implica em tensões diferentes.

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Obtenção de luz branca •LED azul recoberto por camada de fósforo:

•LED ultravioleta recoberto por camada de fósforo:

•Conjunto de LEDs de diferentes cores:

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LED de potência

•Classificação dos LEDs de potência;

•Influência da temperatura nas características elétrica do LED;

•Características elétricas;

•Modelo elétrico;

•Validação do modelo elétrico através de simulação e experimentação.

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LED de potência – Características elétricas

•Corrente direta no diodo:

•Tensão direta no diodo:

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LED de potência – Características elétricas

VD- tensão direta do diodo ID- corrente direta do diodo

RP2- resistência paralela periférica RP1- resistência paralela a junção

RS- resistência série Is- corrente de saturação reversa

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•Para o modelo com perdas ôhmicas:

•Modelo simplificado:

LED de potência – Características elétricas

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•Derivando a equação VD em relação a ID:

•Considerando que a resistência série assume valores de 0,8 Ω até 1 Ω pode-se adotar para correntes próximas a corrente nominal a seguinte equação:

•Sendo, dessa maneira:

•Simplificando para a temperatura constante:

LED de potência – Características elétricas

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LED de potência – Características elétricas

•Obtenção dos parâmetros teóricos utilizando software:

•LED utilizado:

LED branco de 1 W XPEWHT-L1-0000-00E01 fabricado pela CREE

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LED de potência – Características elétricas

•Curva IxV:

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LED de potência – Características elétricas

• Rotina desenvolvida para gerar gráfico com curva IxV do LED através dos dados obtidos experimentalmente:

•Gráfico com curva IxV:

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LED de potência – Características elétricas

• Rotina desenvolvida para gerar gráfico com regressão linear da curva IxV do LED:

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LED de potência – Características elétricas

• Interface utilizada para fazer a interpolação dos pontos de operação escolhidos:

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LED de potência – Características elétricas

• Gráfico gerado através da interpolação dos pontos de operação:

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LED de potência – Características elétricas

• Modelo simplificado para o LED XPEWHT-L1-0000-00E01 da CREE:

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LED de potência – Influência da temperatura nos LEDs

É afetada por: •Corrente aplicada •Caminho térmico •Temperatura ambiente

Provoca: •Mudança na cor •Diminuição da intensidade luminosa •Depreciação do fluxo luminoso •Diminuição do seu tempo de uso

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•Catálogo do fabricante: VD T •Equação da tensão direta do diodo: VD T - a equação não leva em consideração Eg. •Eg T e está diretamente relacionado com o comprimento de onda o que explica o diferente comportamento de LEDs de cores diferentes, pois: Eg λ .

LED de potência – Influência da temperatura nos LEDs

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Conclusão

-Sugerir a utilização de LEDs de potência em iluminação artificial. -Conceitos luminotécnicos que foram essenciais para o entendimento e comparação dos LEDs com os atuais dispositivos de iluminação artificial.

-Sequência histórica da iluminação artificial foi apresentada, relacionando os diversos dispositivos assim como seu funcionamento e suas características elétricas. -Propriedades elétricas dos LEDs de potência foram analisadas através de um modelo elétrico simplificado, onde a simulação através de software e experimentação validou o modelo proposto atestando as informações do fabricante. -Análise da influência da temperatura da junção nas características óticas e no comprimento de onda emitido pela junção semicondutora no LED pode-se concluir que o calor excessivo no dispositivo provoca, além da redução da vida útil, alteração na tonalidade de cor emitida e diminuição da potência luminosa. -Espera-se uma grande revolução na maneira como a sociedade interage com as formas de iluminação, pois com a adoção da iluminação de estado sólido será possível criar dispositivos que controlam continuamente a cor e o brilho das lâmpadas, gerando efeitos visuais de difícil obtenção com o uso das tecnologias tradicionais além do fato de contribuir para o desenvolvimento sustentável do planeta.