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Anais do XXXIII International Sodebras Congress
ISSN 1809-3957
Volume 10 – N° 116 – Agosto/ 2015
XXXIII International Sodebras Congress
29 a 31 de maio de 2015 - Salvador - BA
INVERSOR CLASSE D HALF BRIDGE PARA ACIONAMENTO DE
LÂMPADA HID
FRANCISCO L. MELCHIADES; AZIZ E. DEMIAN JR., LÚCIO R. BARBOSA
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
aziz@uel.br; lbarbosa@uel.br; francisco_melchiades@yahoo.com.br
Resumo – Este trabalho apresenta uma proposta de um novo tipo
de reator eletrônico que, embora de estrutura e topologia
complexas, é ideal para utilização em lâmpadas HID, as quais
são utilizadas em iluminações específicas, tais como cinemas e
aplicações militares. Devido às faixas de frequências de operação
deste tipo de lâmpadas há necessidade do uso de um conversor
para redução de perdas por comutação. Desta maneira é
proposta a utilização da série paralela de meia ressonância de
um conversor ponte, que trabalha com frequências entre 22k e
36k Hz. O controle do conversor é feito pelo micro controlador
PIC16F873A. Espera-se com a proposta deste trabalho
desenvolver um Reator Eletrônico de fácil controle que promova
a ignição da lâmpada HID com menor desgaste dos eletrodos
fazendo com que a mesma tenha uma vida útil maior, e uma
iluminação constante, comparado aos reatores convencionais.
Palavras-chave: Conversor. Lâmpada HID. Acionamento.
Conversor PWM. Reator Eletrônico.
I. INTRODUÇÃO
As lâmpadas HID (high intensity discharge) têm
impedância características incrementais negativas. Como
resultado, não podem ser diretamente ligadas a uma fonte de
tensão. Algum tipo de impedância deve ser colocado entre a
lâmpada de descarga e a fonte de tensão como uma forma de
limitar a corrente. Por isso um limitador de corrente
chamado ballast é necessário para estabilizar o
funcionamento da lâmpada. A primeira geração dos
circuitos ballast, chamado de ballast eletromagnético, nada
mais é do que um indutor virtual, esse tipo de ballast possui
um funcionamento estável e confiável, e a potência máxima
pode chegar a 24KW, mas esse tipo de ballast que opera em
baixa frequência (50 ou 60 Hz), não é a solução mais prática
devido ao seu grande tamanho, ao seu peso, baixo fator de
potência, alto consumo sem carga, elevado custo de ferro e
cobre, e baixa eficiência. A segunda geração do ballast é
baseada em um conversor chaveado PWM, nesse tipo de
ballast é utilizado a combinação de conversor DC/DC e
conversor DC/AC, operando em baixa frequência (menor
que 300hz) com potência de entrada e constante. Também
pode trabalhar com potências elevadas (em torno de 24KW),
não apresenta cintilação na iluminação.
No entanto, esse ballast têm algumas desvantagens:
estrutura da topologia complexa, os altos custos de
produção, baixa eficiência (cerca de 85%) e alta EMI, por
isso só é adequado para algumas aplicações de iluminação
especiais (tais como iluminação de cinema e militar), além
disso, é de difícil industrialização (ZHANG, et al., 2006).
A fim de reduzir o tamanho dos reatores para lâmpadas
de alta, alta frequência (lk-l0k Hz), circuitos ballast têm sido
desenvolvidos. No entanto, o arco na lâmpada HID tende a
ser instável em faixas de frequência de operação específicos.
Este fenômeno é chamado de "ressonância acústica".
Um método para evitar este fenômeno é o de operar
em uma frequência superior a esta gama. No entanto, a
perda de comutação no reator torna-se maior conforme
aumenta a frequência de operação (NAKAMICHI; IHARA,
1993). A fim de reduzir a perda de comutação, um inversor
do tipo de ressonância é utilizado para fornecer o ballast
eletrônico adequado para uma lâmpada fluorescente
(COSBY; NELMS, 1994).
Neste trabalho será utilizada a série paralela meia
ressonância em um conversor ponte que trabalha em uma
frequência de 22k a 36kHz, controlado por um
PIC16F873A, este último passa a controlar a partida, a fase
de aquecimento, e o regime permanente.
II. LÂMPADAS DE VAPOR DE SÓDIO DE ALTA
PRESSÃO
Nestas lâmpadas, a luz é produzida pela passagem da
corrente elétrica através do vapor de sódio. Os elétrons, que
recebem sua energia do campo elétrico existente entre os
eletrodos, excitam os átomos de sódio, que então emitem luz
amarela nas linhas-D e outras linhas características do sódio.
Estas lâmpadas possuem dois bulbos, sendo o interno feito
com um material especial, o óxido de alumínio sintetizado,
resistente ao ataque químico do sódio e às altas temperaturas
(acima de 120°C). O bulbo externo é feito de boro silicato
(vidro duro) no interior do qual é feito vácuo. Tem como
principais funções prevenir ataques químicos ao tubo de
descarga (bulbo interno) e partes metálicas, bem como
ajudar na manutenção da temperatura do tubo de descarga,
isolando-o da temperatura ambiente.
No bulbo interno há xenônio, que auxilia a ignição, e
uma pequena quantidade de amálgama de sódio e mercúrio,
que é parcialmente vaporizada quando a lâmpada atinge a
temperatura de operação. O mercúrio existente na lâmpada
tem várias funções, mas serve principalmente para reduzir a
condutibilidade térmica, uma vez que o mercúrio não é bom
condutor térmico, o que traz como principal consequência o
aumento da eficiência da lâmpada. A vida média destas
lâmpadas é de aproximadamente 24.000h e sua eficiência
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estimada em 120 lm/W para as lâmpadas de maior potência.
Esta alta eficiência luminosa torna a lâmpada de vapor de
sódio extremamente atrativa, principalmente na iluminação
de grandes áreas, se a reprodução de cores não for fator
determinante. A Figura 1 mostra um comparativo com
valores médios de eficiência das principais lâmpadas
encontradas no mercado.
Figura 1 - Gráfico Comparativo Entre as Lâmpadas Mais Comuns.
Como as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão
não contêm um eletrodo de partida, é usado um pulso de
alta-tensão e alta frequência para ionizar o gás xenônio.
Uma vez iniciada a descarga, a lâmpada necessita de dez a
quinze minutos para atingir o brilho máximo, período
durante o qual a cor da luz emitida sofre variação.
Na Figura 2 apresenta-se a estrutura básica de uma
lâmpada de vapor de sódio de alta pressão.
Figura 2 - Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão.
III. CONFIGURAÇÃO DO CIRCUITO
Para o acionamento da lâmpada HID foi utilizado
inversor classe D half bridge (BRANAS; BRACHO, 1999);
(BRANAS; AZCONDO; BRACHO, 2000); (BRANAS;
AZCONDO; BRACHO, 2004); (BRANAS; AZCONDO;
BRACHO, 2005).
1 2
L1
1.170m
V1
311Vdc
C3
4.7n
R4
1K
0
C1
50n
M1
IRFP460
C2
50n
M2
IRFP460
R3
100k
R5
0.22
HID Lamp
R1
33k
R2
33k
Figura 3 - Inversor halfbridge série paralelo ressonante.
O funcionamento do inversor half bridge série paralelo
ressonante é muito simples, e dividido em duas etapas; 1)
Ao se ligar o inversor, é aplicada uma frequência de
chaveamento muito próxima à frequência de ressonância do
indutor L1 e o capacitor C3, assim a tensão no capacitor C3
irá aumentar gradativamente a cada chaveamento até que se
atinja tensão de ignição da lâmpada HID, ou a tensão
máxima projetada que é 4kV, caso a lâmpada HID não ligue
ela deverá ser descartada.
2) Quando a lâmpada HID parte a sua impedância é
praticamente nula, assim o capacitor C3 fica
automaticamente fora do circuito ressonante, e o controle de
corrente e tensão na lâmpada HID é feito através da
ressonância série entre o indutor L1 e o capacito C1 quando
M1 está ligada, ou entre L1 e o capacitor C2 quando M2
está ligada, por se tratar de uma ressonância série o controle
é feito alterando-se a frequência do chaveamento, quanto
mais perto da frequência de ressonância maior será a
corrente fornecida para a lâmpada HID (BEN-YAAKOV;
GULKO, 1997); (CARDESIN et al., 2002).
IV. CONTROLE E OPERAÇÃO
O controle do half bridge é feito pelo micro
controlador PIC16F873A, que através dos valores de
corrente e tensão adquiridos pelos sensores, modifica a
frequência de chaveamento do inversor. O controle é
dividido basicamente em três estágios;
1) IGNIÇÃO
A lâmpada HID possui uma impedância muito alta
antes de sua ignição, e baixa logo após a ignição. Para
ocorrer a ignição é necessário aplicar uma tensão elevada
nos eletrodos da lâmpada HID para ocorrer a ionização do
gás.
Nesse estágio o controle fornecerá uma frequência em
torno de 69 kHz que corresponde a frequência de
ressonância entre o indutor L1 e o Capacitor C3, quando a
frequência de ressonância é aplicada ao conversor “Half
Bridge” a tensão nos eletrodos da lâmpada HID vai
dobrando aproximadamente a cada ciclo de chaveamento até
atingir o valor necessário para romper o dielétrico do gás
produzindo um arco elétrico dentro do bulbo fazendo a
mesma acender.
No momento da ignição a impedância da lâmpada HID
se torna baixa tirando o capacitor C3 do circuito.
Esse método de ignição não produz um esforço
desnecessário na lâmpada HID, pois ela irá partir com a
tensão necessária para romper seu dielétrico, e não com uma
tensão exagerada como é o caso do método que aplica uma
tensão de 5kV, independente da lâmpada HID ser nova ou
velha.
2) AQUECIMENTO
Nesse estágio é aplicada uma corrente com valor rms
constante e igual 1.2A, essa corrente e mantida constante
através da variação da frequência chaveamento gerado pelo
controle, já a tensão na lâmpada HID vai aumentar devido
ao aquecimento até atingir o valor em torno de 58V RMS,
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nesse momento a lâmpada HID se encontra na potência
nominal de 70W passando para o terceiro estagio.
A frequência utilizada no estágio de aquecimento fica
próxima da frequência de ressonância série entre L1 e o
capacitor C1, ou L1 e o capacitor C2 dependendo de qual
chave está ligada.
Quanto mais próximo da frequência de ressonância
maior será a corrente passando pela lâmpada HID, e quanto
mais distante da frequência de ressonância menor será a
corrente passando pela lâmpada HID.
Para se manter a corrente em um valor constante foi
utilizado o método do controle por nível médio de corrente.
O método de controle pelo nível médio de corrente
consiste na alteração da frequência de chaveamento através
da comparação da corrente de saída lido pelo conversor A/D
sobre a resistência R5 com um valor constante de referência
dentro do programa do PIC16F873A.
3) REGIME PERMANENTE
Nesse estágio a potência na lâmpada HID será mantida
constante em 70W.
No regime permanente o PIC 16F873A passa a fazer o
controle da potência sobre a lâmpada HID, utilizando pra
isso os valores de tensão e correntes amostrados por seus
conversores A/Ds, multiplicando-se a corrente pela tensão
tem-se o valor da potência entregue a lâmpada HID. Através
do controle por nível médio de potência, o valor da potência
encontrado é comparado com a referência de potência que
se encontra dentro do programa do PIC 16F873A, se o valor
calculado for maior que o valor de referência, a frequência
do acionamento irá aumentar ficando assim mais distante da
frequência de ressonância série, aumentando a impedância
série, e assim diminuindo a corrente que consequentemente
diminui a potência entregue para a lâmpada HID.
No segundo e no terceiro estágio a frequência varia na
faixa de 21k até 35kHz.
Essa faixa de frequência de operação do conversor
proposto foi escolhida para fugir do fenômeno chamado
ressonância acústica, que não ocorre em uma estreita faixa
que varia de 20kHz à 200kHz (MORAIS, 2002);
(BRANAS; AZCONDO; BRACHO, 2005); (CARDESIN;
ALONSO; LOPEZ-COROMINAS, 2005); (CARDESIN; et
al., 2005).
A Figura 4 mostra o esquema elétrico do inversor
half bridge e do controle.
A tensão que o PIC16F873A utiliza para fazer o
controle do inversor do half bridge é uma amostra retirada
de um divisor de tensão feito pelos resistores R3 e R4, como
pode ser visto na Figura 4.
A corrente é amostrada através da tensão sobre o
resistor R5 e amplificada antes de ser utilizada pelo
PIC16F873A, como pode ser visto na Figura 4.
Drive
1 2
L1
1.170m
V1
311Vdc
PWM
Voltage s ensor
C3
4.7n
Currente sensor
R4
1K
0
C1
50n
M1
IRFP460
C2
50n
M2
IRFP460
R3
100k
R5
0.22
HID Lamp
Amplifier
PIC 16F873A
R1
33k
R2
33k
Figura 4 - Esquema elétrico do inversor half bridge e do controle.
V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
O protótipo montado e ensaiado possui os parâmetros
apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 - Parâmetros do protótipo.
Lâmpada HID
Parâmetro
Valor
Tensão Nominal
90 V
Potência Nominal
70 W
Inversor half bridge
Tensão AC de entrada
220 V
Frequência de
chaveamento
21K até 35K Hz
Chave S
IRFP 460
Indutor L1
1.170 mH
Capacitores C1 e C2
50 nF
Capacitor C3
4.7nF
Os resultados obtidos através do ensaio do inversor são
apresentados a seguir.
A Figura 5 mostra a forma de onda de tensão e
corrente aplicada na ignição da lâmpada HID, podemos
observar que a tensão sobre a lâmpada HID vai crescendo
até atingir o ponto de ignição que ocorre que nesse caso
ocorreu em 1.1kV.
Figura 5 - Formas de onda de tensão e corrente na ignição da lâmpada
HID.
Como a lâmpada HID possui característica de
resistência e há uma redução brusca de valor após a partida
e consequentemente a tensão sobre a mesma reduz isso pode
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ser visto na Figura 6 onde é mostrada as formas de onda da
corrente e tensão logo após a lâmpada HID ter partido.
Figura 6 - Formas de onda da tensão e da corrente na lâmpada HID
logo após sua ignição.
A Figura 7 mostra o momento em que o valor da
potência nominal da lâmpada HID foi atingido.
Figura 7 - Formas de onda da tensão e da corrente na lâmpada HID na
potência nominal.
Através dos dados obtidos durante o ensaio do
protótipo foi possível fazer a curva do comportamento da
corrente e tensão sobre a lâmpada HID, esta curva é
mostrada na Figura 8.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Voltage Current Power
Figura 8 - Comportamento da lâmpada HID.
VI. CONCLUSÃO
Foi possível observar que o Reator Eletrônico utilizado
para o acionamento da lâmpada HID apresentado nesse
trabalho é de fácil controle; promove a ignição da lâmpada
HID com baixo estares de tensão; limita a corrente após a
ignição; produz menor desgaste dos eletrodos devido a
aplicação de tensão alternada; possui menor peso e menor
volume; a lâmpada HID atinge a potência nominal mais
rápido.
Podemos então afirmar que esse Reator Eletrônico irá
fazer com que a lâmpada HID tenha uma vida útil maior, e
uma iluminação constante durante toda sua vida útil
comparado aos reatores convencionais.
O controle mantém a corrente com valor eficaz
constante na lâmpada até que ela atinja o valor nominal de
potência. Isso ocorre porque à medida que a lâmpada
aquece, o valor de sua resistência aumenta e com a corrente
constante ocorre o crescimento da tensão, quando a potência
nominal é atingida o controle passa a manter essa potência
constante sobre a lâmpada HID.
VII. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES e a
Fundação Araucária pelo apoio financeiro que permitiram o
desenvolvimento desse trabalho.
VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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performance of an electronic ballast for highpressure
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maximum output power suitable for driving HPS lamps”,
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BRANAS, C., AZCONDO F.J. and BRACHO, S. “Study Of
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series inverter with resonant current mode control for 250W
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IX. COPYRIGHT
Direitos autorais: Os autores são os únicos
responsáveis pelo material incluído no artigo.
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