monografia - trabalho de graduação

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

LUCAS LEMES FERREIRA MOTTA

Desenvolvimento de um dimmer controlado por luz

para LED de potência

LORENA

2018

LUCAS LEMES FERREIRA MOTTA

Desenvolvimento de um dimmer controlado por luz

para LED de potência

Trabalho de conclusão de curso

apresentado à Escola de Engenharia de

Lorena da Universidade de São Paulo,

como requisito para obtenção do título de

Bacharel em Engenharia Física.

Orientador: Profº. Drº. Luiz Tadeu

Fernandes Eleno.

LORENA

2018

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE

Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

Motta, Lucas Lemes Ferreira Desenvolvimento de um dimmer controlado por luzpara LED de potência / Lucas Lemes Ferreira Motta;orientador Luiz Tadeu Fernandes Eleno. - Lorena,2018. 65 p.

Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaFísica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2018

1. Dimmer. 2. Led de potência. 3. Luminosidade.4. Ldr. 5. Pwm. I. Título. II. Eleno, Luiz TadeuFernandes, orient.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, meus avós maternos e meu tio José Antônio, por terem

sempre acreditado na educação, no meu potencial e fornecido todo ferramental

necessário para me garantir as melhores oportunidades e conseguir chegar até onde

estou.

À minha namorada Michelle, pelo amor e apoio constante em todos os

momentos, que nas decisões mais importantes me ajudou a fazer as escolhas

corretas.

Ao professor Dr. Luiz Tadeu Fernandes Eleno, por ter me orientado no

desenvolvimento deste trabalho e confiado em minhas habilidades textuais.

Ao professor Dr. Fernando Ribeiro Filadelfo, por todo conhecimento

transmitido, pela paciência e por sanar inúmeras dúvidas.

À Escola de Engenharia de Lorena pode dar a oportunidade de realizar este

trabalho e por ter fornecido ferramentas necessárias para realização com êxito desse

projeto.

A todos os amigos do curso de Engenharia Física, pelos bons momentos que

tornaram a caminhada mais leve.

Enfim, meus agradecimentos a todos que me ajudaram, colaboraram e

apoiaram durante a graduação.

“If money is your hope for independence

you will never have it. The only real security

that a man will have in this world is a

reserve of knowledge, experience, and

ability. ”

(Henry Ford)

RESUMO

Motta, L. L. F. Desenvolvimento de um dimmer controlado por luz para LED de

potência. 2018. Número de folhas 65f. Monografia (Trabalho de Graduação em

Engenharia Física) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo,

Lorena, 2018.

O presente trabalho de conclusão de curso trata do desenvolvimento de um dimmer

controlado por luz para LED de potência, tendo como finalidade à modelação do

dispositivo, otimização do mesmo e suas possíveis aplicações viáveis. Inicialmente é

feita uma introdução sobre a composição e o funcionamento dos LED de potência

amplamente utilizados nos dias de hoje. Foi abordado as teorias referentes do circuito

integrado utilizado TL494 de controle PWM, conversor estático, na construção da

fonte chaveada. Em seguida, são apresentados o conversor Buck aliado a um

transistor BC547 para controle da corrente fornecida na saída para o LED. Por último,

é analisado o componente LDR, sensor de luminosidade, utilizado no projeto; e

apresentados os resultados dos ensaios de bancada e algumas simulações

computacionais através do software PSIM.

Palavras-chave: Dimmer, LED de potência, luminosidade, LDR, PWM.

ABSTRACT

Motta, L. L. F. Development of a dimmer controlled by light for power LED. 2018.

Number of sheets 65. Monograph (Undergraduate Work in Physics Engineering) –

Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2018.

The present paper deals with the development of a dimmer controlled by light for power

LED, with the purpose of modeling the device, optimizing it and its possible viable

applications. Initially was made an introduction on the composition and operation of

power LED widely used today. It was approached the theories of the integrated circuit

used TL494 PWM control, static converter, in the construction of the locked source.

Next, the Buck converter allied to a BC547 transistor was presented to control the

current supplied at the output to the LED. Finally, it was analyzed the component LDR,

sensor of luminosity, used in the project; and presented the results of bench tests and

some computational simulations through the PSIM software.

Keywords: Dimmer, power LED, brightness, LDR, PWM.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: (a) Esquema representativo de construção de uma pastilha de LED e; (b)

Junção PN diretamente polarizada, ilustrando o princípio de funcionamento de um

LED. .......................................................................................................................... 17

Figura 2: Transições eletrônicas em semicondutores com gap diretos, caso a) e gap

indiretos, caso b. ....................................................................................................... 18

Figura 3: Variação da corrente fotoelétrica com a tensão aplicada, para dois valores

de intensidade de luz incidente. ................................................................................ 21

Figura 4: Limiar de tensão para o efeito fotoelétrico em sódio em função da frequência

da luz incidente. ........................................................................................................ 22

Figura 5: Esquemático de construção de um LED de potência. ............................... 24

Figura 6: Tipos de transistores: (a) pnp; (b) npn. ..................................................... 26

Figura 7: Junção diretamente polarizada de um transistor pnp. ............................... 27

Figura 8: Junção reversamente polarizada de um transistor pnp. ............................ 27

Figura 9: Fluxo de portadores majoritários e minoritários no transistor pnp. ............ 28

Figura 10: Controle da potência através do ciclo ativo. ............................................ 31

Figura 11: Ciclo ativo. ............................................................................................... 31

Figura 12: Algumas características do CI TL494. ..................................................... 33

Figura 13: Diagrama interno do CI TL494. ............................................................... 34

Figura 14: Gradador monofásico. ............................................................................. 36

Figura 15: Conversor buck bidirecional. ................................................................... 37

Figura 16: Conversor buck CA-CA. .......................................................................... 38

Figura 17: Condução com sobreposição. ................................................................. 39

Figura 18: Comando com tempo morto. ................................................................... 39

Figura 19: Variação do coeficiente de absorção com o comprimento de onda para

alguns semicondutores. ............................................................................................ 41

Figura 20: Estrutura simples de um LDR.................................................................. 42

Figura 21: LDR comercial, utilizado no projeto. ........................................................ 43

Figura 22: Vista de cima do elemento fotocondutivo com eletrodo metálico. ........... 43

Figura 23: (a) Símbolo do foto-resistor no circuito; (b) Circuito simples de polarização

de um LDR. ............................................................................................................... 44

Figura 24: Um amp op típico: (a) configuração do pino, (b) símbolo do circuito. ..... 46

Figura 25: Alimentação do amplificador operacional. ............................................... 46

Figura 26: O circuito equivalente do amplificador operacional. ................................ 47

Figura 27: Parte I do circuito do projeto. .................................................................. 56

Figura 28: Esquemático do circuito projetado. ......................................................... 57

Figura 29: Circuito testado direcionado uma lanterna de LED no componente LDR.

Ciclo de trabalho = 0% e tensão = 3,4V. ................................................................... 57

Figura 30: Circuito testado com a luminosidade natural do ambiente de trabalho no

componente LDR. Ciclo de trabalho = 68% e tensão = 1,92V. ................................. 58

Figura 31: Circuito testado com ausência de luminosidade no LDR. Ciclo de trabalho

= 91% e tensão = 1,4V. ............................................................................................. 58

Figura 32: Sinal de saída do PWM. .......................................................................... 59

Figura 33: Vista da bancada com o circuito do projeto montado. ............................. 60

Figura 34: Vista de cima do circuito do projeto montado. ......................................... 61

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Energias do gap e comprimentos de onda correspondentes de

semicondutores importantes à temperatura ambiente. ............................................. 19

Tabela 2: Custo dos principais componentes. .......................................................... 59

LISTA DE SIGLAS

MME - Ministério de Minas e Energia

LED - Light Emitter Diode

CA-CA - Corrente alternada – Corrente alternada

PWM - Pulse-Width-Modulation

LDR - Light Dependent Resistor

Inmetro - Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

SMD - Surface-Mounted Device

DC - Direct current

AC - Alternate Current

CI - Circuito integrado

RC - Resistor-capacitor

LDR - Light Dependent Resistor

LISTA DE SÍMBOLOS

– Carga do elétron ℎ – Constante de Planck 𝛿 – Ciclo de trabalho

– Ganho de corrente do transistor BC547

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 13

1.2 Objetivos .......................................................................................................... 14

1.3 Justificativa ...................................................................................................... 14

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 15

2.1 História da lâmpada ......................................................................................... 15

2.1.1 Aspectos construtivos e princípio de funcionamento de um LED .............. 16

2.1.2 Efeito fotoelétrico....................................................................................... 20

2.1.3 LED de potência ........................................................................................ 23

2.2 Transistores de junção bipolar ......................................................................... 24

2.2.1 Construção de um transistor ..................................................................... 25

2.2.2 Operação do transistor .............................................................................. 26

2.3 Controle PWM ................................................................................................. 28

2.3.1 Conversão da corrente elétrica e conversores estáticos ........................... 29

2.3.2 Os fundamentos do PWM ......................................................................... 30

2.4 Circuito integrado ............................................................................................. 32

2.4.1 Circuito integrado - TL494 ......................................................................... 32

2.5 Conversor CA-CA ............................................................................................ 35

2.5.1 Conversores Buck CA-CA ......................................................................... 37

2.5.2 Conversor Buck CA-CA controlador por PWM .......................................... 39

2.6 Fotodetectores ................................................................................................. 40

2.6.1 Foto-resistores .......................................................................................... 42

2.7 Amplificador Operacional ................................................................................. 44

2.7.1 Operação dos amplificadores .................................................................... 45

3 METODOLOGIA ..................................................................................................... 49

3.1 Métodos e técnicas utilizados .......................................................................... 49

3.1.1 Projeto informacional ................................................................................. 49

3.1.2 Projeto conceitual ...................................................................................... 50

3.1.3 Projeto detalhado ...................................................................................... 50

3.2 Materiais e equipamentos ................................................................................ 50

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................. 52

4.1 Dimensionamento dos componentes e memorial de cálculo ........................... 52

4.2 Projeto e esquemático do circuito .................................................................... 54

4.3 Simulação computacional ................................................................................ 58

4.4 Teste de bancada do circuito e análise financeira do projeto .......................... 59

5 CONCLUSÃO ......................................................................................................... 62

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 63

13

1 INTRODUÇÃO

Uma das grandes invenções da história foi criada por Thomas Edison em

1879. A lâmpada dispositivo elétrico transformador de energia elétrica em energia

luminosa e térmica, revolucionou o modo de vida das futuras gerações desenvolvendo

um sistema que tornou a luz prática, segura e econômica para época (CAMPOS,

2017).

As lâmpadas incandescentes de filamento de tungstênio foram muito

utilizadas durante cerca de 100 anos, porém nos dias de hoje esses dispositivos estão

sendo trocados por outros tipos de lâmpada (DA SILVA, 2014). Desde julho de 2015,

as lâmpadas incandescentes tiveram sua comercialização oficialmente interrompida

no Brasil, por conta de sua baixa eficiência, ou seja, geram muito mais energia térmica

do que energia luminosa; e a luz não pode ser direcionada, pois o filamento aquecido

irradia luz em todas as direções. A restrição foi estabelecida pela Portaria

Interministerial 1.007/2010 do MME, o objetivo é evitar o desperdício e reduzir o

consumo de energia elétrica (CEPAL, 2015). Segundo a Associação Brasileira de

Indústria de Iluminação (Abilux), as lâmpadas de LED consomem 85% menos energia

do que as incandescentes; 65% menos se comparadas às fluorescentes compactas;

40% menos do que as fluorescentes tubulares comuns e 50% menos do que as de

vapor de sódio.

O primeiro LED foi desenvolvido e comercializado no ano de 1962 por Nick

Holonyak Jr, e só emitia a luz vermelha. Após cerca de 30 anos, o primeiro LED de

alto brilho (luz branca) foi desenvolvido por Shuji Nakamura baseado em uma pastilha

de nitreto de gálio como semicondutor e que emite luz em tons frios, como por exemplo

a luz azul (ZHELUDEV, 2007). Doravante os avanços têm sido enormes e algumas

de suas aplicações como em displays de equipamentos eletrônicos, em lâmpadas

para iluminação em geral e em sistemas ópticos só tem aumentado ainda mais esse

campo de pesquisa e desenvolvimento.

Com esse avanço e o uso do LED nas mais diversas aplicações, apresenta-

se a necessidade de desenvolvimento de controlar a intensidade luminosa dos

dispositivos. Para regular tal intensidade, utiliza-se um equipamento, chamado

dimmer, que por meio do controle de potência sobre a carga, pode adequar a

intensidade luminosa emitido pelo LED (TIM, 2009). O dimmer tem como base de

14

funcionamento ligar e desligar, chaveamento, do circuito a fim de reduzir a quantidade

de fluxo de corrente em determinado tempo de condução (BROWN, 2001).

No caso desse projeto específico pode-se utilizar conversores corrente

alternada – corrente alternada (CA-CA), conversor do tipo Buck, para fazer o controle

da tensão de saída do dimmer, a partir de uma tensão de entrada e assim alimentar o

LED de potência da forma mais eficiente possível (RASHID, 2006). Para otimizar o

circuito e obter um controle da tensão de saída com uma melhor eficiência utiliza-se

um circuito modulador por largura de pulso (PWM). O controle da variação da tensão

e consequentemente o controle da intensidade luminosa do LED é realizada através

de um sensor chamado LDR, constituído de um semicondutor de alta resistência

elétrica, que ao receber uma grande quantidade luz, ou seja, fótons absorvem elétrons

que melhoram sua condutibilidade e nesta ordem reduz sua resistência (REZENDE,

2004).

1.2 Objetivos

Projetar, analisar, estudar e apresentar os resultados do funcionamento de

um dimmer que controlará a intensidade, brilho, dos LED de potência em corrente

alternada e suas possíveis aplicações viáveis.

1.3 Justificativa

Com o propósito de otimizar a eficiência dos circuitos de iluminação em

diversos ambientes, ou seja, economizar energia elétrica; devido à grande utilização

em display de aparelhos eletrônicos e outras inúmeras aplicações dos LED de

potência alimentados em corrente alternada, assim há uma grande necessidade da

utilização de controladores de intensidade luminosa, os dimmers, aliado à um sensor

LDR, que trará maior automação e comodidade para determinar essa intensidade.

15

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Histórico da lâmpada

A conversão de um sinal elétrico em sinal luminoso é uma função de grande

importância na eletrônica. Sua aplicação mais elementar é em indicadores e

mostradores luminosos usados em equipamentos eletroeletrônicos, aparelhos de som

e vídeo, equipamentos científicos e industriais, entre outros. Outra aplicação

importante é na geração de imagens a partir de um sinal eletrônico, como em

cinescópios de computadores e de aparelhos de televisão. A partir da década de 1980,

esta função adquiriu importância ainda maior com a disseminação da fotônica. Nos

sistemas de comunicação óptica, um sinal elétrico que contém a informação a ser

transmitida é convertido em sinal luminoso num diodo emissor de luz (REZENDE,

2004).

A forma mais simples e mais tradicional de gerar luz a partir de uma corrente

elétrica é através do aquecimento. Quando uma corrente elétrica passa por um fio

metálico, os átomos do metal entram em vibração devido às colisões dos elétrons da

corrente. Isto resulta em aquecimento do fio e também em radiação eletromagnética

produzida pelas cargas atômicas em movimento. Esta radiação ocorre numa ampla

faixa do espectro eletromagnético, que pode se estender do infravermelho ao visível,

em torno de um valor de energia que aumenta com a temperatura do material. Para

que um fio possa ser suficientemente aquecido e emitir na região visível do espectro,

ele deve ser feito de material com alto ponto de fusão e colocado no vácuo, ou numa

atmosfera inerte, para não entrar em combustão (RASHID, 2006).

As lâmpadas incandescentes são feitas com fios de tungstênio, aquecidos à

temperatura de cerca de 6000°C. Nesta temperatura o pico do espectro de radiação

ocorre na região visível. Entretanto, a maior parte da energia da corrente elétrica é

convertida em calor ou radiação infravermelha, fazendo com que a eficiência de

conversão em luminosidade seja muita baixa (BROWN, 2001). Segundo o Inmetro

(2018), as lâmpadas incandescentes comuns, convertem apenas 13% da energia

elétrica em luz visível. Além de ineficientes, essas lâmpadas geram muito calor e têm

resposta extremamente lenta.

Em meados de 1940 foi criado a lâmpada fluorescente por Nikola Tesla. Esse

dispositivo elétrico é composto por quatro componentes: um tubo de vidro

16

transparente, dois eletrodos, uma mistura de gases e um material que reveste

internamento o tubo. Ao aplicar uma diferença de potencial nesse tipo de lâmpada,

gera-se uma corrente elétrica entre os dois eletrodos que, ao passar através da

mistura gasosa emite radiação ultravioleta, a qual é absorvida pelo tungstato de

magnésio ou pelo silicato de zinco, materiais mais usados no revestimento interior do

tubo. Esses materiais acabam transformando o comprimento de onda invisível do

ultravioleta em luz visível (VILUX, 2018).

A lâmpada fluorescente, em comparação com a incandescente, apresenta

uma maior vida útil além de ser mais econômica, pois, aquece menos e assim, dissipa

menos energia em forma de calor (CANESIN, 2001).

Duas décadas depois da invenção da lâmpada fluorescente, surgiu a lâmpada

de vapor (sódio de alta pressão). Essa lâmpada se destaca por apresentar uma maior

eficiência luminosa em relação as lâmpadas mencionadas anteriormente e longa

durabilidade. Estes dispositivos diferem pela emissão de luz branca e amarelada,

indicada para iluminação de locais onde a reprodução de cor não é um fato importante

(VILUX, 2018).

Durante muito tempo as lâmpadas, principalmente as incandescentes, foram

usadas em indicadores e mostradores de aparelhos eletrônicos, mas a partir de 1970

estão sendo substituídas por diodos emissores de luz e outros dispositivos de estado

sólido (REZENDE, 2004).

A emissão de luz numa lâmpada incandescente ocorre devido ao

aquecimento, um processo físico clássico. Os modernos dispositivos opto eletrônicos

operam com uma base em processos quânticos de emissão de radiação, através dos

processos de luminescência (BROWN, 2001).

2.1.1 Aspectos construtivos e princípio de funcionamento de um LED

O LED, nada mais é, que um componente eletrônico (diodo) semicondutor que

tem como principal função transformar energia elétrica em luz quando a corrente de

elétrons é estabelecida na pastilha semicondutora, processo conhecido como

eletroluminescência (REZENDE, 2004).

Eletroluminescência é o fenômeno de um material que emite luz quando uma

corrente elétrica ou um campo elétrico aplicado sobre ele; isso acontece quando os

elétrons são enviados através do material e preenchem buracos de elétrons (lacunas).

17

Um buraco de elétron existe onde um átomo carece de elétrons (carga negativa) e,

portanto, tem uma carga positiva. Materiais semicondutores tais como silício ou

germânio pode ser dopado para criar e controlar o número de buracos e elétrons livres.

A dopagem é a adição de outro elemento ao material semicondutor para alterar as

suas propriedades. Dopando um semicondutor pode-se fazer dois tipos distintos de

semicondutores no mesmo cristal. A fronteira entre os dois tipos é chamada de uma

junção PN (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994). O esquema de construção básico da

junção PN de um LED é mostrado na Figura 1(a).

A junção só permite que a corrente passe através dele de uma maneira ou

uma direção, é por isso que eles são usados como diodos. Os LED são feitos

utilizando-se junções PN, desta forma, todos os elétrons e buracos que participam da

corrente recombinam nas imediações da região de depleção. Se o semicondutor da

junção tiver gap indireto, como Si ou Ge, além de fótons a recombinação produz

fônons e, portanto, calor. Por outro lado, se o semicondutor tiver gap direto, a

recombinação de cada par elétron-buraco resulta na emissão de um fóton

(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994). Isto ocorre quando a junção PN é diretamente

polarizada, como ilustra a Figura 1(b).

Figura 1: (a) Esquema representativo de construção de uma pastilha de LED e; (b) Junção PN diretamente polarizada, ilustrando o princípio de funcionamento de um LED.

Fonte: (Adaptado de HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1993).

18

Em termos conceituais, semicondutores com gap direto são aqueles materiais

que possuem no mesmo ponto do espaço recíproco ⃗⃗ , uma região de maior energia

da banda de valência e uma região de menor energia da banda de condução.

Portanto, essa diferença é a menor possível, então, a probabilidade do elétron que

está na banda de condução recombinar com o buraco deixado na banda de valência

é máxima (SILVA, 2008). Esse conceito é ilustrado na Figura 2(a).

Enquanto que, semicondutores com gap indireto, a probabilidade de emissão

de radiação no momento da recombinação é menor, pois para que isso seja possível,

além da energia de gap, ainda existe a carência de que seja absorvido pelo cristal um

fônon com vetor de onda 𝑞 de modo a exceder a diferença em momento (SILVA,

2008), como ilustra a Figura 2(b).

A Tabela 1 apresenta os valores de energia e os comprimentos de onda

correspondentes para os principais semicondutores e indicando também a natureza

do gap, direto (d) ou indireto (i). A altura da banda proibida, energia do gap, determina

o comprimento de onda da radiação emitida, refletindo a energia mínima dos fótons

que são absorvidos.

Figura 2: Transições eletrônicas em semicondutores com gap diretos, caso a) e gap indiretos, caso b.

Fonte: (MURPHY; COFFER, 2002).

19

Tabela 1: Energias do gap e comprimentos de onda correspondentes de semicondutores importantes à temperatura ambiente.

Fonte: (REZENDE, 2004).

O diodo emissor de luz é um diodo que restringe a direção do movimento dos

transportadores de carga. A corrente pode fluir a partir do lado de tipo P (o ânodo)

para o lado de tipo N (o cátodo), mas não no sentido oposto. Em um diodo de um

semicondutor do tipo N é posto em contato com um semicondutor do tipo P gerando

uma junção PN. Quando essa junção PN é criada, elétrons móveis da região N dopado

difundem-se para a região dopado com P, onde há uma grande população de buracos

lugar onde os elétrons podem-se recombinar. Quando um elétron recombina com um

buraco, o buraco desaparece e o elétron não é mais livre (PIMENTA, 2008).

A região em torno da junção PN torna-se esvaziada de carga e, assim, se

comporta como um isolante. No entanto, a largura depleção não pode crescer sem

limite. Para cada par de elétrons, os buracos que recombinam, um íon carregado

positivamente dopante é deixado para trás na região N dopado, e um íon carregado

negativamente dopante é deixado para trás na região dopado com P. Com a

recombinação mais íons são criados; um campo elétrico aumenta o desenvolvimento

através da zona de depleção que funciona para retardar e, em seguida, finalmente

parar de recombinação. Neste ponto, há um potencial "embutido" através da zona de

depleção (PIMENTA, 2008).

20

Segundo Pimenta (2008), se uma tensão externa é colocada através do diodo

com a mesma polaridade da tensão, a zona de depleção continua a agir como um

isolante evitando uma corrente elétrica significativa. Este é o fenómeno em

polarização reversa. No entanto, se a polaridade da tensão externa se opõe ao

potencial interno, a recombinação pode avançar mais uma vez resultando em corrente

elétrica substancial através da junção PN.

O dispositivo é capaz de emitir uma largura de banda relativamente estreita

de luz visível ou invisível quando sua junção diodo interno atinge uma corrente elétrica

para a frente ou de tensão. As luzes visíveis que um LED emite são geralmente

laranja, vermelho, amarelo ou verde; a luz invisível inclui a luz infravermelha. O

comprimento de onda da luz emitida depende dos compostos que formam o

semicondutor e das dopagens empregadas na construção do LED (SCOPACASA,

2008).

A maior vantagem deste dispositivo é o seu alto poder de eficiência de

conversão de luz. Isto é, a eficiência é quase 50 vezes maior do que uma simples

lâmpada de tungsténio. O tempo de resposta do diodo emissor de luz também é

conhecido por ser muito rápido na gama de 0,1 microssegundos quando comparado

com 100 milissegundos para uma lâmpada de tungsténio (OSRAM, 2018).

Os materiais mais utilizados na fabricação do LED são as ligas ternárias

GaxAl(1-x1)As e GaAs(1-x)Px. O GaAs é um semicondutor de gap direto, de baixa

resistividade, que pode ser facilmente dopando com impurezas N ou P, para a

formação da junção PN (IEEE, 2002).

2.1.2 Efeito fotoelétrico

No fim do século XIX, Hertz realizou diversas experiências que confirmaram

a existência das ondas eletromagnéticas e as teorias e equações de Maxwell. A sua

principal observação nessas experiências foi observar a descarga elétrica entre dois

eletrodos ocorria muito fácil quando luz ultravioleta incidia sobre um dos eletrodos.

Mais tarde foi verificado que a descarga ocorria mais facilmente porque a luz incidida

facilitava a emissão de elétrons da superfície do eletrodo, fenômeno mais conhecido

como efeito fotoelétrico (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

A Figura 3 mostra a variação da corrente fotoelétrica 𝐼 com tensão aplicada

para dois valores de intensidade da luz incidente. O primeiro caso ocorre quando é

21

grande e positiva, a corrente tende para valor de saturação 𝐼 que corresponde à

intensidade da luz. A corrente satura quando todos os fotoelétrons emitidos pelo

cátodo são coletados pelo ânodo. O segundo caso ocorre quando o sinal de tensão

é trocado, ou seja, a corrente não vai bruscamente para zero com tensão negativa,

evidenciando que os elétrons são emitidos do cátodo com uma energia cinética.

Porém, quando atinge um valor − 𝑜, os elétrons de maior energia são freados e a

corrente vai para zero (TIM, 2009).

Figura 3: Variação da corrente fotoelétrica com a tensão aplicada, para dois valores de intensidade de luz incidente.

Fonte: (TIM, 2009).

Com esta experiência pode-se concluir que a tensão 𝑜 é independente da

intensidade de luz, mas a corrente de saturação é diretamente proporcional a luz. A

tensão 𝑜 também é conhecida como potencial de retardo, permitindo medir a energia

cinética máxima dos elétrons que são emitidos com a máxima energia (TIM, 2009). A

equação abaixo, representa esta relação:

𝐸𝑚 𝑥 = 𝑜 (1)

Variando a tensão 𝑜 em função da frequência da luz incidente em sódio, é

possível perceber que existe uma frequência de corte , como ilustrado na Figura 4.

Abaixo dessa frequência, o efeito fotoelétrico não ocorre; ressaltando que o valor de

varia de acordo com o material, mas nesse caso para o sódio, = , x 4 Hz,

e comprimento de onda 𝜆 ≅ 6 , que corresponde à luz vermelha (TIM, 2009).

22

Figura 4: Limiar de tensão para o efeito fotoelétrico em sódio em função da frequência da luz incidente.

Fonte: (TIM, 2009).

Em 1905, Einstein utilizou as ideias de quantização propostas por Planck para

explicar o efeito fotoelétrico, cuja física clássica não conseguia explicar. Um dos

resultados mais importantes dessa teoria é que uma onda eletromagnética é

quantizada em energia, na forma de “pacotes”, chamados fótons. Um fóton é um

quantum de luz, ou seja, a quantidade elementar de luz; tal emissão ocorre pelo fato

de elétrons passarem de uma banda com um nível de energia maior (condução) para

uma banda com nível de energia menor (valência), o que implica em uma perda de

energia por parte desses elétrons (REZENDE, 2004). Esta diferença de energia entre

a extremidade inferior da banda de condução e a extremidade superior da banda de

valência, definida por 𝐸, é transferida e emitida como fótons, sendo:

𝐸 = ℎ (2)

Como 𝜆 = 𝑐/ , evidentemente o comprimento de onda e a cor da luz emitida

dependem da frequência do fóton. Esses “pacotes” tem comportamento tipo de

partícula, porém não são partículas comuns, pois só existem com velocidade da luz e

com massa de repouso nula. Além da quantização da energia, descobriu-se que o

momento do fóton também é quantizado, mas a teoria não prevê uma quantização

espacial da onda eletromagnética, ou seja, não tem nada que limite a existência de

um fóton numa região finita do espaço (REZENDE, 2004).

Os elétrons no efeito fotoelétrico são absorvidos num processo de interação

que resulta na emissão de elétrons e como há conservação da energia na interação

eletron-fóton, a energia cinética do elétron é dada pela equação abaixo

23

𝐸 = ℎ − (3)

no qual é o trabalho necessário para arrancar o elétron do metal. Existem elétrons

que estão mais presos aos átomos do que outros, então varia de um elétron para

outro. Cada metal possui uma grandeza característica própria chamada função

trabalho 𝑜, que representa a mínima energia necessária para que um elétron

ultrapasse as forças de atração internas e atravesse a superfície (REZENDE, 2004).

2.1.3 LED de potência

Na década de 1990 foram desenvolvidos os primeiros LED de potência pela

empresa Luxeon que revolucionou e transformou a tecnologia desses dispositivos,

aumentando em até uma ordem de grandeza o fluxo luminoso dos LED de potência.

A construção dos LED de potência é muito mais complexa em comparação ao

convencional, esta complexidade visa garantir uma performance melhor em

aplicações específicas que exigem um grau maior de exigência e confiabilidade

(RANGEL; SILVA; GUEDE, 2009).

A Figura 5 mostra o esquema construtivo de um LED de potência com

encapsulamento do tipo SMD. O diodo emissor de luz consiste de um chip

semicondutor montado sobre um substrato de silício e este sobre uma base de

alumínio ou cobre que serve como dissipador térmico. O dissipador envolvido por um

encapsulamento de matéria plástico que também dá suporte aos terminais anodo (não

mostrado na Figura 5) e catodo. Os terminais são conectados à pastilha do LED

através de filamentos de ouro. Na parte superior, uma lente de epóxi, ou ainda silicone

para LED mais modernos, cobre a pastilha e compõe o conjunto óptico do dispositivo

(MAMEDE FILHO, 2010).

24

Figura 5: Esquemático de construção de um LED de potência.

Fonte: (THE BRUSSELS ENTERPRISE AGENCY, 2006).

Para interesse do projeto em questão, vale ressaltar os LED de potência CA

(corrente alternada) que operam sem utilizar conversor. Esses LED específicos são

nomeados de Acriche e foram desenvolvidos pela Seul Semiconductor em 2005 que

minimizou o número de componentes reduzindo o tamanho do circuito, além de

adequar o LED para aplicações industriais e residenciais, onde a principal fonte de

energia disponível é alternada (ACRICHE, 2018).

2.2 Transistores de junção bipolar

Durante o período de 1904 até 1947, a válvula foi o dispositivo eletrônico de

interesse e desenvolvimento. J.A. Fleming introduziu o diodo a válvula, em 1904, e

Lee De Forest adicionou um terceiro elemento ao diodo a válvula eletrônica, dando o

nome de grade de controle, resultando no primeiro amplificador, o tríodo. A indústria

de eletrodomésticos como rádio e televisão deram um grande estímulo para a

fabricação das válvulas, aumentando em cem vezes a produção dessa.

Posteriormente, foram fabricados o tetrodo de quatro elementos e o pêntodo de cinco

elementos e indústria eletrônica tornou-se uma das mais importantes, e foram obtidos

rápidos avanços nas áreas de projeto, técnicas de fabricação, aplicações de alta

potência, alta frequência e miniaturização (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994).

25

Em 1947 Walter H. Brattain e John Bardeen, nos laboratórios da companhia

Bell Telephone, apresentaram a função de amplificação do primeiro transistor. O

dispositivo do estado sólido criado era um transistor de contato de ponta. Eram

evidentes suas vantagens em relação as válvulas como a sua dimensão, menor e

mais leve, não apresentava necessidade ou perdas de aquecimento, estava

instantaneamente disponível para utilização, não necessitando de um período de

aquecimento; mais eficiente, já que menos potência era absorvida pelo dispositivo;

mais robusto e tensões de operação menores poderiam ser utilizadas (BOYLESTAD;

NASHELSKY, 1994).

2.2.1 Construção de um transistor

O transistor nada mais é que um dispositivo semicondutor na qual existe

camada do tipo p entre duas camadas do tipo n, ou inverso, duas camadas do tipo p

e uma camada do tipo n. O primeiro tipo é denominado transistor npn e o segundo é

chamado transistor pnp. Pode-se verificar os dois modelos de transistor na Figura 6,

com polarização DC apropriada (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

As camadas externas do transistor são materiais semicondutores mais

fortemente dopados, com larguras muito maiores do que a camada interna do tipo p

ou n. Para os transistores apresentados na Figura 7, por exemplo, a razão entre a

largura total e a largura da camada central é de 0,150/0,001 = 150:1. A dopagem da

camada interna é também consideravelmente menor do que a das camadas externas.

O nível de dopagem menor reduz a condutividade, aumentando a resistência deste

material, e diminuindo o número de portadores livres (BOYLESTAD; NASHELSKY,

1994).

Os terminais são, na maioria das vezes, indicados pela letra maiúscula E para

emissor, C para coletor e B para base durante a polarização. O nome transistor bipolar

de junção (TBJ) é utilizada para este dispositivo de três terminais. O termo bipolar

refere-se ao fato de que os buracos e elétrons participam do processo de injeção no

material opostamente polarizado (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

26

Figura 6: Tipos de transistores: (a) pnp; (b) npn.

Fonte: (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994).

2.2.2 Operação do transistor

Utilizando o transistor do tipo pnp, Figura 6(a), pode-se explicar sua operação

básica. Ressaltando que o transistor do tipo npn opera do modo inverso ao transistor

do tipo pnp, ou seja, com as funções dos buracos e elétrons trocadas. Para entender

melhor a operação do transistor pnp, observa-se na Figura 7, o transistor pnp sem a

polarização base-coletor. A região de depleção foi reduzida em largura devido à

tensão aplicada, resultando em um fluxo denso de portadores majoritários do material

do tipo p para o material tipo n. Se remover a polarização base-emissor do transistor

pnp como mostra a Figura 8, pode-se destacar as semelhanças com o diodo

reversamente polarizado; destacando que o fluxo de portadores majoritários é zero,

ou seja, apenas com fluxo de portadores minoritários. Assim, conclui-se que a junção

27

p-n de um transistor está reversamente polarizada, enquanto a outra está diretamente

polarizada (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994).

Figura 7: Junção diretamente polarizada de um transistor pnp.


Figura 8: Junção reversamente polarizada de um transistor pnp.


Analisando a Figura 9, observa-se que os ambos os potenciais de polarização

foram aplicados a um transistor pnp. As larguras das regiões de depleção indicam

qual junção está diretamente polarizada e qual está reversamente polarizada. Os

inúmeros portadores majoritários serão injetados através da junção p-n diretamente

polarizada, no material do tipo n, consequentemente estes portadores influenciaram

diretamente na corrente de base 𝐼 . Como o material do tipo n, interno, é muito fino e

apresenta uma baixa condutividade, apenas um número pequeno de tais portadores

28

irá adotar este caminho de alta resistência para o terminal da base. O valor da corrente

é da ordem de microampères, em contrapartida a corrente do coletor e emissor é de

miliampères, ou seja, um número maior destes portadores majoritários será injetado

pela junção reversamente polarizada, do tipo p conectado ao terminal do coletor. Essa

situação é compreendida se considerarmos o diodo reverso polarizado, os portadores

irão se comportar como portadores minoritários no material (BOYLESTAD;

NASHELSKY, 1994).

Figura 9: Fluxo de portadores majoritários e minoritários no transistor pnp.


Aplicando as leis de Kirchhoff ao transistor, como se fosse um nó simples,

obtemos a equação abaixo e observa-se que a corrente do emissor é a soma das

correntes de base do coletor (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994).

𝐼 = 𝐼 + 𝐼

(4)

2.3 Controle PWM

A modulação por largura de pulso (PWM) ou fonte chaveada, começou-se a

ser utilizada há pouco tempo, por volta da década de 1970 que se tornaram mais

aceita e amplamente aplicada. Fontes chaveadas oferecem muitas vantagens do que

reguladores lineares; sendo mais eficientes e menores do que reguladores lineares

de tensões semelhantes. Eles são, no entanto, mais complexos e irradiam

interferência eletromagnética (EMI) (BROWN, 2001).

29

Hoje em dia, existem duas maneiras de abordar o projeto de comutação de

fontes de alimentação. A primeira, por exemplo DC/DC (DC-in, DC-out), fontes

chaveadas podem ser copiados diretamente de folha de dados, mais comumente

chamados de datasheets, do fabricante de semicondutores e pode-se utilizar

componentes padrão de outros fabricantes. No entanto, se qualquer um dos requisitos

estiver fora das abordagens padronizadas, então torna-se a necessidade de criação

de um circuito muito mais complexo, o qual define a segunda maneira de abordagem

(BROWN, 2001).

2.3.1 Conversão da corrente elétrica e conversores estáticos

A corrente elétrica apresenta duas formas básicas: corrente alternada (AC) e

corrente contínua (DC). A energia pode ser consumida na mesma forma em que é

gerada, porém, na maioria das situações é necessária uma conversão da corrente

elétrica da energia para uma forma diferente da qual é gerada e distribuída, por causa

das características das cargas a serem alimentadas (AHMED, 2000).

Os conversores estáticos são circuitos utilizados para realizar a conversão ou

o condicionamento da energia elétrica de uma fonte provedora, que disponibiliza a

energia em uma forma, para uma carga, que necessita da energia elétrica em outra

forma (RASHID, 2006).

Segundo Rashid (2006), de uma maneira geral, os tipos de conversão de

energia elétrica e os conversores estáticos recebem a seguinte classificação:

AC/DC: conversão da tensão alternada AC para tensão contínua DC, efetuada

por circuitos conversores retificadores. Os retificadores com ponte de diodos,

denominados não controlados, apresentam tensão DC de saída com valor

médio fixo; já os retificadores controlados, que empregam tiristores na ponte

retificadora, apresentam tensão DC de saída que tem o valor médio

controlado através do ângulo de disparo de tais elementos semicondutores;

AC/AC: conversão de uma tensão AC fixa para uma tensão AC variável, em

que tanto amplitude, frequência e forma de onda podem ser controladas por

conversores denominados controladores de tensão AC;

30

DC/AC: conversão de uma tensão DC para uma tensão AC variável, realizada

por conversores denominados inversores ou chamados de inversores de

frequência;

DC/DC: conversão de uma tensão DC fixa ou variável para uma tensão DC

regulada a partir de conversores que podem ser lineares ou chaveados.

2.3.2 Os fundamentos do PWM

Uma maneira melhor para se compreender o controle PWM é pensar em uma

carga ligada a uma fonte com uma chave, como interruptor, que liga e desliga

periodicamente. Ao se desligar a chave pode definir a largura de pulso pelo tempo que

ele fica nesta condição desligado, então a tensão sobre a carga é nula. Na segunda

condição, com a chave ligada, os intervalos entre os pulsos são definidos pelo tempo

em que fica ligado, assim toda a tensão da fonte é transferida à carga (AHMED, 2001).

O controle PWM varia a largura do pulso de uma tensão retangular aplicada

à carga, a fim de se obter um controle sobre a potência média aplicada. Essa

modulação traz a vantagem de operar como uma chave com alto rendimento, pois por

operar com sinais retangulares ela acaba dissipando menos potência (BARBI;

SOUZA, 2001).

A tensão nos terminais da carga após a chave ser ligada e desligada várias

vezes, tem o mesmo formato de onda na saída de um modulador, a qual pode ser

observada através de um osciloscópio. A Figura 10 demostra dois exemplos de sinais

de controle PWM entregando a carga 10 e 90% de potência. Ressaltando que quando

a chave está fechada, a tensão possui valor igual a zero e consequentemente a

potência também possui valor igual a zero. Com isso, a potência na carga seria a

resultante, neste caso, do tempo em que a chave permanece fechada. Portanto,

quanto mais tempo da chave aberta, maior será a potência entregue na carga

(RASHID, 1999).

31

Figura 10: Controle da potência através do ciclo ativo.

Fonte: (RASHID, 1999).

A partir da Figura 10, pode-se observar a função do controle PWM que é

controlar a largura do pulso, visando o controle do ciclo ativo do sinal aplicado à carga,

entregando maior ou menor potência à carga destinada, de acordo com a aplicação e

objetivo traçado. A diferença entre a tensão de entrada e a de saída se deve ao ajuste

da razão cíclica do PWM (RASHID,1999).

Figura 11: Ciclo ativo.

Fonte: (RASHID, 1999).

32

Segundo Rashid (1999), dividindo-se o tempo em que a chave ficou fechada

pelo tempo total obtêm-se esta grandeza. Na Figura 11 verifica-se o ciclo ativo,

auxiliando na definição da razão cíclica, que é dada pela equação a seguir:

𝛿 = 𝑡𝑡

(5)

2.4 Circuito integrado

Circuito integrado, é um circuito eletrônico com a inserção de miniaturas de

diversos componentes eletrônicos como transistores, diodos, resistores e capacitores,

entre outros. Esses componentes são estampados em uma pequena lâmina, chip, de

silício. O chip é montado e selado em um bloco de plástico ou cerâmica com terminais

que são conectados aos seus componentes por pequenos fios condutores (ANDRIC

e MATIC, 2000).

Nos últimos anos, uma variedade de circuitos integrados dedicados ao

controle de fontes chaveadas foram desenvolvidos. Os controladores que operam no

modo tensão, controlando o valor médio da tensão de saída, ainda dominam o

mercado, embora diversos permitam operação no modo corrente, controlando a

corrente sobre o elemento indutivo do circuito. O método de controle mais utilizado é

o de modulação por largura de pulso, o qual foi explicado seu funcionamento no tópico

anterior, embora existam circuitos que operam com modulação em frequência (SILVA,

2006).

2.4.1 Circuito integrado - TL494

As características específicas de cada circuito integrado variam em função da

aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas, entre

outras especificações. Em um modo geral pode-se destacar as seguintes

características gerais dos circuitos integrados: ciclo de trabalho de 0 a 100%,

amplificador de erro integrado, limitação digital de corrente, capacidade de

sincronização com outros osciladores, referência integrada, tempo morto ajustável,

oscilador programável e opção por saída simples ou dupla (TEXAS, 2018).

33

Destaca-se o circuito integrado TL494 de controle PWM, o qual foi o CI

utilizado nesse projeto do dimmer, facilitando enormemente a construção da fonte

chaveada do circuito. A seguir, a Figura 12 indica algumas características do TL494.

Figura 12: Algumas características do CI TL494.

Fonte: (TEXAS, 2018).

O TL494 possui 2 saídas deslocadas entre si de modo a ser possível o

acionamento de uma topologia do conversor DC-DC, a qual refere-se as duas chaves

com um split no enrolamento primário. Caso ambas saídas sejam conectadas em

paralelo, tem-se um acionamento para um conversor de uma única chave (TEXAS,

2008).

A onda dente de serra utilizada para gerar o sinal PWM é proveniente de um

oscilador interno cuja frequência é determinada por um par de filtro RC conectado

externamente. Através de um dos sinais de controle, o sinal PWM é alcançado pela

comparação da tensão dente de serra sobre o capacitor. Altera-se o estado de flip-

flop, a cada subida do sinal PWM, selecionando uma das saídas a cada período do

oscilador. Em seguida acontece uma operação lógica entre o sinal PWM e as saídas

34

da porta lógica, do tipo E (AND gate), FF, é enviada às saídas. Além do mais, um sinal

de controle do modo de saída (pino 13) faz com que, quando em nível alto, as saídas

sejam adequadas a um conversor DC-DC; quando em nível baixo, ambas as saídas

variam simultaneamente, uma vez que os sinais da porta FF ficam inibidos. Esse

procedimento pode ser melhor entendido analisando a Figura 13 (TEXAS, 2018).

Figura 13: Diagrama interno do CI TL494.

Fonte: (TEXAS, 2018).

O sinal PWM depende ainda de um comparador que determina o tempo off 𝑡𝑜𝑓𝑓 , ou seja, uma largura de pulso máxima em cada período, o que garante um

intervalo de tempo em que ambas as saídas estão desligadas. Em uma topologia DC-

DC ou em ponte isto impede a condução simultânea de ambas as chaves, o que

colocaria em curto-circuito a fonte (TEXAS, 2018).

Exemplificando o funcionamento do CI; pensando numa tensão interna de

120mV, pino 4, associada à entrada de tempo off garante um valor mínimo de cerca

de 4%, limitando assim o ciclo de trabalho máximo a 96%. Um potencial mais elevado

conectado a este mesmo pino, aumenta o tempo off, numa faixa de variação de 0 a

3,3V (tempo off de 100%). A regulação da tensão de saída é usualmente feita por

meio dos amplificadores de erro, com o sinal de realimentação disponível no pino 3.

35

Os dois amplificadores de erro podem ser usados para fazer a realimentação de

tensão e limitar a corrente pelo circuito. As saídas dos amplificadores estão

conectadas de modo a que o sinal na entrada do comparador PWM, pino 3, seja

determinado pelo amplificador que apresentar a tensão mais elevada, o que leva à

menor largura de pulso nas saídas. A tensão neste pino encontra-se entre 0,5 e 3,5V

(TEXAS, 2018).

Os amplificadores serão abordados mais adiante nesse capítulo.

2.5 Conversor CA-CA

A conversão CA-CA converte energia elétrica alternada “fixa” em energia

elétrica alternada variável com valores de corrente e tensão ajustáveis e frequência

bem definida. A conversão de energia envolve a substituição em baixa ou alta

frequência de dispositivos semicondutores ou qualquer outro elemento que possa

realizar a função de comutação (FRIEDEMANN, 2007).

Segundo PETRY (2005), os conversores podem ser classificados em diretos

e indiretos. O critério para a classificação se baseia em como a energia é transferida.

Por transferência direta entende-se que, se a entrada é em tensão alternada, a saída

também é em tensão alternada, sem estágios de armazenamento ou de conversão da

tensão alternada para contínua. Já na conversão indireta estão presentes os estágios

intermediários de armazenamento de energia, ou então de conversão de tensão

alternada para contínua, e posteriormente de contínua para alternada.

Os conversores CA-CA têm diversas funções, tais como: controlar o

aquecimento de materiais resistivos, regular tensão, controlar a intensidade luminosa

de lâmpadas, controlar o acionamento de motores, compensar reativos e harmônicos

em sistemas de potência (RASHID, 1999).

Um dos conversores utilizado pela indústria para variar a tensão eficaz

alternada é o gradador com arranjo de dois tiristores (T1 e T2), mostrado na Figura

14, que não apresenta estágio intermediário de armazenamento de energia, ou seja,

uma transferência direta (FRIEDEMANN, 2007).

36

Figura 14: Gradador monofásico.

Fonte: (FRIEDEMANN, 2007).

O gradador tem algumas vantagens como o número reduzido de

componentes eletrônicos e sua robustez. Entretanto, possui como desvantagem o fato

de apresentar alto nível de harmônico e fator de potência baixo, o que reduz a sua

aplicação nos dias atuais. Como solução para reduzir a inserção de harmônicos na

rede utiliza-se os conversores abaixadores de tensão CA-CA (buck). Nestes, devido

à alta frequência de comutação, ocorre a distribuição do componente harmônico, em

bandas (blocos), em torno da frequência de chaveamento e seus múltiplos, reduzindo

a necessidade e a quantidade de filtros na saída (FRIEDEMANN, 2007).

Segundo Pomilio (2009), os conversores CA-CA são constituídos por

diferentes tipos de semicondutores entre eles: os tiristores que são utilizados numa

faixa de potência média, pois a substituição ocorre de forma natural; os TRIACs, em

baixa potência; e os SCRs em potências mais elevadas.

Existem dois tipos de controle para os conversores CA-CA, o controle liga-

desliga e o controle de fase. O controle liga-desliga é utilizado nos casos em que a

constante de tempo da carga é muito grande em relação da rede de energia, como

em sistemas de aquecimento. Então, o controle consiste em ligar e desligar a

alimentação da carga. O intervalo de condução (ligado) e de bloqueio (desligado) do

interruptor é típico de muitos ciclos da rede. Já o controle de fase o interruptor é

acionado em um determinado instante, em um dado ciclo da rede. Assim, a carga é

conectada a fonte por intervalos de tempo menor ou igual a um semiciclo. A corrente,

tensão e potência na carga dependerão do ângulo de escape e do tipo de carga

alimentada (POMILIO, 2009).

37

2.5.1 Conversores Buck CA-CA

O conversor CA-CA, nada mais é que um conversor CC-CC com interruptores

bidirecionais. O conversor buck CA-CA é um controlador de tensão apropriado para

ser empregado na construção do dimmer para LEDs de corrente alternada. Entre as

suas principais características, a principal é controlar a amplitude da tensão e corrente

da rede, sempre tendo como valor máximo de saída a tensão nominal da rede

(POMILIO, 2009).

A topologia de um conversor buck pode ser observada na Figura 15. Os

conversores buck CA-CA também são conhecidos como conversores bidirecionais,

porque apresentam interruptores bidirecionais tanto em tensão como em corrente.

Quando a carga é conectada à energia, a tensão será aplicada somente em intervalos

de tempo definidos e proporcionais a razão cíclica, assim controlando a amplitude da

tensão eficaz em cima da carga (FRIEDEMANN, 2007).

Figura 15: Conversor buck bidirecional.

Fonte: (FRIEDEMANN, 2007).

A primeira chave é chamada de ativo, pois ordena a amplitude da tensão.

A chave pode ser removida, caso a carga conectada seja resistiva, devido a

corrente na carga ser uma reação ou consequência da tensão aplicada na mesma. Já

com as cargas indutivas na chave se comporta diferente; como um comutador

passivo, ou seja, deixando um caminho livre para circular a corrente não deixando

elevar o valor da tensão (FRIEDEMANN, 2007).

38

Admitindo que as tensões de entrada e de carga, a corrente na carga e no

indutor 𝑜 sejam positivas, assim, é possível analisar o chaveamento. Essa alteração

pode ser observada no circuito do conversor da Figura 16 (PETRY, 2005).

Figura 16: Conversor buck CA-CA.

Fonte: (PETRY, 2005).

Analisando e supondo uma outra situação: agora, a chave esteja

conduzindo corrente elétrica, assim, a tensão na carga irá aumentar. Para diminuir a

tensão na carga, a chave deverá entrar em condução. Para este último caso

acontecer existem duas possibilidades: a chave entrar em condução antes de abrir

a chave ou abrir a chave e depois comandar a entrada em condução de . No

primeiro caso o comando é conhecido como sobreposição de sinais, enquanto no

segundo caso é conhecido como tempo morto (PETRY, 2005).

Segundo Petry (2005), o primeiro problema de comutação que pode acontecer

quando é realizado o comando de sobreposição de sinais é a fonte entrar em curto-

circuito, o que poderá levar a queima das chaves. Isso acontece devido as duas

chaves conduzirem juntas por um determinado tempo. A Figura 17 mostra o circuito

no caso da sobreposição.

39

Figura 17: Condução com sobreposição.


Outro problema de comutação que pode acontecer, agora no segundo caso,

quando é realizado o comando de tempo morto, é uma sobretensão sobre as chaves,

que também poderá destruir os mesmos. Nessa situação, a responsável pela causa é

a corrente elétrica no indutor 𝑜 que não terá caminho para circular. A Figura 18 mostra

o circuito com o comando de tempo morto (PETRY, 2005).

Figura 18: Comando com tempo morto.


Como visto acima, alguns problemas podem ser apresentados na modelagem

dos conversores. Portanto, deve-se tomar cuidado ao determinar o chaveamento dos

interruptores, a fim de possibilitar o funcionamento do circuito sem que haja a

destruição dos componentes (FRIEDEMANN, 2007).

2.5.2 Conversor Buck CA-CA controlador por PWM

40

A utilização de MOFETs (transistor de efeito de campo metal) ou IGBTs

(transistor bipolar de porta isolada) com diodos internos é exigida para o

funcionamento correto do circuito conversor. Os IGBTs são utilizados no controle

PWM e são comandados individualmente por sinais diferentes. Por meio de um driver,

estes comandos, são determinados o período de chaveamento das chaves (ZENG;

ZHANG, 2007).

As chaves que conduzem corrente elétrica 100% durante cada ciclo da rede,

não podem operar simultaneamente, pois podem causar curto-circuito e queimas dos

componentes. Desse modo, reduzem a amplitude da tensão de entrada alterando a

frequência, de acordo com a razão cíclica determinada no PWM. Essa tensão passa

pelo filtro, indutor 𝑜 e capacitor 𝐶𝑜, que reduz os ruídos decorrentes do chaveamento

em alta frequência; deste modo a tensão é reduzida na saída do conversor para valor

desejado com o aumento da frequência (ZENG; ZHANG, 2007).

2.6 Fotodetectores

Fotodetectores são dispositivos que convertem luz em um sinal elétrico. O

primeiro fenômeno que possibilitou a fabricação de um fotodetector foi o efeito

fotoelétrico, discutido anteriormente na seção 2.1.2. Ele é a base do funcionamento

das tradicionais células fotoelétricas feitas de um bulbo a vácuo envolvendo um foto-

cátodo (superfície emissora de elétrons quando exposta a um certo nível de

luminosidade) e um ânodo, aos quais é aplicada uma tensão externa positiva no ânodo

(WILSON; HAWKES, 1992).

Ao iluminar, os fótons incidem no foto-cátodo. Então, os elétrons são emitidos

pelo efeito fotoelétrico e acelerados para o ânodo produzindo uma corrente elétrica.

Isto estabeleceu uma célula fotoelétrica simples. Com a colocação de eletrodos entre

foto-cátodo e o ânodo é possível multiplicar o número de elétrons e

consequentemente amplificar a corrente. Este é o princípio de funcionamento das

válvulas fotomultiplicadoras, que são dispositivos extremamente sensíveis.

Atualmente existem válvulas fotomultiplicadoras para aplicações científicas que

detectam a radiação contando os fótons individualmente, em níveis de algumas

contagens por segundo (REZENDE, 2004).

O avanço tecnológico dos fotodetectores e dos fotoemissores de

semicondutor possibilitou a substituição das válvulas e das lâmpadas a vácuo. Na

41

faixa do espectro de frequência visível são utilizados os fotodetectores e no

infravermelho próximo, região do espectro imediatamente superior à região visível em

termos de comprimento de onda, são utilizados os fotodiodos e os foto-resistores de

semicondutor. Estes não conseguem funcionar no infravermelho médio ou distante

dado que os fótons não possuem energia necessária para produzir pares elétrons-

buraco. O fotodetector de interesse para o projeto em questão são os foto-resistores

REZENDE, 2004).

Segundo Rezende (2004), quando os fotodetectores são incididos por uma

luz, eles absorvem os fótons gerando pares de elétron-buraco; além de provocar uma

diminuição da intensidade da luz à medida que esta penetra no material. Para cada

material existe um coeficiente de absorção . A Figura 19 demonstra a variação desse

coeficiente de absorção com o comprimento de onda para vários semicondutores

importantes. Na maioria das vezes, utilizam materiais com ~ −6 − para

construção desses foto-resistores; assim, com esse valor é possível garantir que

quase todos os fótons serão absorvidos numa distância curta da superfície do

material.

Figura 19: Variação do coeficiente de absorção com o comprimento de onda para alguns semicondutores.

Fonte: (Adaptado de WILSON; HAWKES, 1992).

42

2.6.1 Foto-resistores

Existem materiais que quando sofrem incidência da luz variam a sua

condutividade; o fenômeno responsável por esse acontecimento é a

fotocondutividade, o qual é o alicerce do funcionamento dos foto-resistores. Esse

fotodetector é conhecido como LDR possui variações como célula ou dispositivo de

condução. A estrutura do LDR basicamente consiste numa pequena placa de um

semicondutor intrínseco, encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou um

semicondutor extrínseco (dopados). Nas extremidades dos semicondutores estão

localizados os dois eletrodos metálicos para a aplicação de uma tensão externa. A

estrutura de um LDR pode ser observada na Figura 20 (REZENDE, 2004).

Figura 20: Estrutura simples de um LDR.


Segundo Rezende (2004), o LDR possui o seguinte princípio de

funcionamento: na falta de luz a sua resistência aumenta significativamente por causa

da redução do número de portadores. Mudando o cenário, com a presença de luz, o

LDR tem sua resistência diminuída e o seu número de portadores aumentado em

razão da criação de pare elétron-buraco; consequentemente ocorre o aumento da

intensidade da corrente elétrica caso seja aplicado uma diferença de potencial entre

os eletrodos metálicos.

É importante definir um parâmetro, o ganho de fotocondutividade. Este é

definido como razão entre a variação da corrente devido a variação da condutividade

produzido pela tensão externa; essa corrente refere-se aos pares elétron-buraco

43

gerados pela fonte luminosa. Portanto, com a diminuição de (distância entre os

contatos metálicos) e com o valor da tensão aplicada, este ganho aumenta

(REZENDE, 2004).

A Figura 21 mostra a foto resistor comercial (visão do dispositivo

encapsulado), utilizado neste projeto e a Figura 22 mostra a superfície do LDR, vista

de cima do elemento fotocondutivo.

Figura 21: LDR comercial, utilizado no projeto.

Fonte: Autoria própria.

Figura 22: Vista de cima do elemento fotocondutivo com eletrodo metálico.


Na face superior do resistor contém uma pastilha de material isolante, com

uma conformação esférica com diâmetro que pode variar em alguns milímetros à

vários centímetros. Nesta pastilha são depositados materiais semicondutores

44

fotossensíveis, como CdS e CdSe, e um filme metálico também é depositado para

formar os eletrodos (REZENDE, 2004).

A Figura 23 exemplifica um circuito simples com polarização de um LDR.

Figura 23: (a) Símbolo do foto-resistor no circuito; (b) Circuito simples de polarização de um LDR.


Segundo Wilson e Hawkes (1992), o LDR está em série com o resistor de

carga 𝐿 e ao ser incidido por uma luz a corrente irá variar, assim será produzido uma

tensão através de 𝐿. O 𝐶 do circuito, representa um capacitor, o qual é utilizado

quando está interessado apenas na componente AC da tensão, pois esse

componente bloqueia a componente DC. No projeto em questão, por exemplo, os

parâmetros dos constituintes do circuito dependerão do valor da resistência do do

LDR e também de sua variação relativa com a máxima intensidade de luz incidente.

Existem dois casos que podem acontecer de acordo com a variação relativa de : o

primeiro caso ocorre quando a variação relativa de é pequena, assim é obtida a

maior tensão de saída 𝐿, pois nessa situação 𝐿 = ; no segundo caso, quando a

variação de é muito grande, a tensão de saída 𝐿 é baixa, pois nessa situação ≫ 𝐿. Para conseguir uma tensão de saída 𝐿 mais alta, neste última caso, é

necessário utilizar foto-resistores com o maior valor possível de .

2.7 Amplificador Operacional

O amplificador operacional, ou mais conhecido como “amp op”, é um circuito

de construção do tipo bloco, ou seja, um circuito ativo de importância primordial. Ele

também pode ser usado para produzir uma corrente controlada por tensão ou uma

fonte de corrente. Um amplificador operacional pode executar diversas atividades

45

como somar sinais, amplificar um sinal, integrá-lo ou diferenciá-lo. Por conseguir

realizar estas atividades é o motivo pelo qual é chamado de amplificador operacional,

além disso esta é a razão para o uso generalizado de amplificadores operacionais em

circuitos analógico. Amplificadores são comuns em projetos de circuito prático porque

eles são versáteis, baratos e fáceis de usar. Resumindo, o amplificador operacional é

uma unidade eletrônica que se comporta como uma fonte de tensão controlada por

uma outra tensão (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

2.7.1 Operação dos amplificadores

O amplificador operacional é constituído por uma ordenação de resistores,

transistores, capacitores e diodos; deste modo trata-se o amplificador como vários

blocos de construção de vários pequenos circuitos. Este dispositivo eletrônico é capaz

de executar algumas operações matemáticas quando são conectados alguns

componentes externos em seus terminais (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

Segundo Alexander e Sadiku (2008), os amplificadores operacionais estão

comercialmente disponíveis em pacotes de circuitos integrados em várias formas. A

Figura 23 demostra um pacote de “amp op” clássico, com a presença de um pacote

em linha duplo de oito pinos; ressaltando que o pino ou terminal 8 não é utilizado. Os

cinco terminais importantes são:

1. Entrada inversora, pino 2.

2. Entrada não inversora, pino 3.

3. Saída, pino 6.

4. Alimentação positiva V+, pino 7.

5. Alimentação negativa V-, pino 4.

O símbolo do circuito para o “amp op” é o triângulo representado na Figura 24

(b); o amplificador operacional tem duas entradas e uma saída. As entradas estão

marcadas com (-) e (+) para especificar as entradas inversoras e não inversoras,

respectivamente. Uma entrada aplicada ao terminal não inversor aparecerá com a

mesma polaridade na saída, enquanto uma entrada aplicada ao terminal inversor

aparecerá com o sinal invertido na saída (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1994).

46

Figura 24: Um amp op típico: (a) configuração do pino, (b) símbolo do circuito.

Fonte: (Adaptado de ALEXANDER; SADIKU, 2008).

Segundo Boylestad e Nashelsky (1994), ao tratar como um elemento ativo, o

amplificador operacional deve ser alimentado por uma tensão, como demonstrado na

Figura 25. Apesar das fontes de alimentação frequentemente são ignoradas nos

diagramas de circuitos do “amp op”, as fontes de correntes de alimentação não devem

ser ignoradas. Por Kirchhoff:

𝐼𝑜 = 𝑖 + 𝑖 + 𝑖+ + 𝑖− (6)

Figura 25: Alimentação do amplificador operacional.

Fonte: (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

O modelo de circuito equivalente de um “amp op” é mostrado na Figura 26.

Para Boylestad e Nashelsky (1994), a seção de saída é constituída por uma fonte de

tensão controlada em resistência de saída 𝑜. A partir da mesma figura, fica evidente

que a resistência de entrada 𝑖 nada mais é que uma resistência equivalente de

Thévenin observada nos terminais de entrada; já a resistência de saída 𝑜 é a

47

resistência equivalente de Thévenin nos terminais de saída. A tensão de entrada

diferencial 𝑣 é dada por:

𝑣 = 𝑣 − 𝑣

(7)

onde 𝑣 é a tensão entre o terminal inversor e o terra e 𝑣 é a tensão entre o terminal

não inversor e o terra. O amplificador operacional detecta a diferença entre as duas

entradas, multiplica-o pelo ganho 𝐴, e faz com que a tensão resultante apareça na

saída e, portanto, a saída 𝑣𝑜 é dada por:

𝑣𝑜 = 𝐴𝑣 = 𝐴 𝑣 − 𝑣

(8)

Figura 26: O circuito equivalente do amplificador operacional.

Fonte: (ALEXANDER e SADIKU, 2008).

Este ganho que o “amp op” resulta é conhecido como ganho de tensão de

malha aberta pois é o ganho do amplificador operacional sem qualquer feedback

externo de saída para entrada. O conceito de feedback é muito importante para a

compreensão de amplificadores operacionais em circuitos. Um feedback negativo é

obtido quando a saída é o terminal inversor do amplificador operacional

(ALEXANDER; SADIKU, 2008).

A tensão de entrada é chamada de ganho em malha fechada. Como resultado

do feedback, pode-se mostrar que o ganho em malha fechada é quase indiferente

para o ganho de malha aberta 𝐴 do amplificador operacional. Por esta razão, os

amplificadores operacionais são usados em circuitos com trajetos de realimentação.

48

Uma limitação prática do amp op é que a magnitude da sua tensão de saída não pode

exceder | |. Em outras palavras, a tensão de saída é dependente e limitada pela

tensão de alimentação (ALEXANDER; SADIKU, 2008).

Segundo Boylestad e Nashelsky (1994), o amplificador operacional pode

operar em três modos, dependendo da tensão de entrada 𝑣 :

1. Saturação positiva: 𝑣𝑜 = .

2. Região linear: − ≤ 𝑣𝑜 = 𝐴𝑣 ≤ .

3. Saturação negativa: 𝑣𝑜 = − .

Se tentar aumentar 𝑣 além da faixa linear, o amplificador operacional se

satura e produz 𝑣𝑜 = ou 𝑣𝑜 = − . Embora sempre operem o “amp op” na região

linear, o que significa que a tensão de saída é restringida por − ≤ 𝑣𝑜 ≤ , a

possibilidade de saturação deve ser levada em conta quando se operar, para evitar a

elaboração de circuitos de amplificação operacional que não funcionem na prática.

49

3 METODOLOGIA

Neste capítulo, o objetivo é apresentar a metodologia de projeto a ser

empregado no estudo e desenvolvimento das análises e soluções aplicadas para a

concepção do controlador de luminosidade. Desta maneira, adequando as definições

técnicas da metodologia com o conhecimento em questão.

3.1 Métodos e técnicas utilizados

O procedimento de pesquisa utilizado para o desenvolvimento do controlador

de luminosidade consiste no método de pesquisa exploratória com o intuito de

valorizar a descoberta de informações e soluções do objeto pesquisado.

A principal atividade ocorre com uma etapa inicial de procura de informações,

compreensões, análises e resumo; uma segunda e última etapa conclusiva no qual as

decisões são organizadas, arquivadas e consequentemente a produção do protótipo.

Seguindo este caminho de raciocínio e procedimentos, aplicou-se o uso da

metodologia de produto. Segundo Mantovani (2011), essa metodologia pode ser

definida como um processo dividido em três etapas:

Projeto informacional;

Projeto conceitual;

Projeto detalhado.

3.1.1 Projeto informacional

O projeto informacional consiste numa etapa de análises detalhadas do objeto

em estudo, pesquisando informações necessárias para entendimento do problema

que deu origem a necessidade do produto; e definição dos requisitos técnicos

necessários para construção do produto (MANTOVANI, 2011).

Além disso, nesse estágio são identificadas as necessidades dos clientes, o

público alvo e transformar as mesmas em requisitos do projeto a serem atendidos.

Assim, possibilitando que essas exigências possam ser mensuradas como objetivo ou

requisito do projeto (RODRIGUES, 2008).

50

3.1.2 Projeto conceitual

Segundo Mantovani (2011), o projeto conceitual consiste numa etapa de

estabelecer a função global do projeto, bem como as funções alternativas que o

produto desenvolverá. São analisadas concepções alternativas e princípios de

soluções para a elaboração de um produto que atenda ao máximo as necessidades

dos clientes identificados na etapa anterior. Portanto, são definidos os grupos e sub-

grupos da montagem do dimmer.

3.1.3 Projeto detalhado

A última etapa, o projeto detalhado, consiste na fase de análise mais

detalhada e se caracteriza pelo desenvolvimento do projeto a partir da obtenção do

conjunto de informações anteriores. Nessa fase do projeto, o esquemático do produto

“sai do papel” através do uso de ferramentas da área da engenharia como: programas

de simulação, construção de modelos, cálculo e dimensionamento dos componentes

que constitui o produto entre outros (MANTOVANI, 2011).

Segundo Rodrigues (2008), esta etapa do processo é a análise final do

projeto, o qual são definidos os componentes a serem utilizados na fabricação do

produto e suas respectivas dimensões. Vale ressaltar, que a finalização desta etapa

representa a obtenção de um produto concluído e consequentemente conclusão do

projeto.

3.2 Materiais e equipamentos

Para a realização do presente projeto de construção do controlador de

luminosidade foi necessário a utilização de alguns componentes eletrônicos,

materiais/utensílios eletrônicos e programas de softwares específicos. Segue abaixo

a lista dos mesmos utilizados:

Consultas: livros, artigos acadêmicos, arquivos digitais e datasheets;

Simulação do circuito: software PSIM;

Componentes eletrônicos: resistores, diodos, circuitos integrados,

transistores, conversores, amplificadores, controladores e sensores;

51

Espaço físico: ensaios em bancada no laboratório de eletrônica da Escola de

Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo;

Equipamentos de medição: osciloscópio, multímetros, fontes de tensão e

gerador de sinal.

52

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos a partir da aplicação

da metodologia de projeto de produto estabelecida no capítulo anterior, bem como o

modelo com suas respectivas definições de layout, dimensões, material, entre outras

informações do dimmer projetado para o controle de luminosidade para LED de

potência.

4.1 Dimensionamento dos componentes e memorial de cálculo

O LDR foi o primeiro componente a ser dimensionado. O primeiro passo foi

medir a resistência do LDR em diferentes situações:

Escuro (ausência de luminosidade): .

Luz ambiente: .

Com luz incidente proveniente de uma lanterna de flash de LED de celular:

.

Após essa medição, utilizou-se o osciloscópio para obter o ciclo de trabalho

nas condições extremas (ausência de luz e o máximo de luz incidida) descrita acima:

A partir da medição da resistência do LDR e do ciclo de trabalho obtido foi

possível calcular os parâmetros para os resistores e através do divisor de

tensão:

(9)

(10)

53

(11)

(12)

Resolvendo o sistema acima obteve-se os valores dos resistores:

e .

O amplificador operacional não inversor foi o segundo a ser dimensionado.

Segundo Boylestad e Nashelsky (1994), para calcular os resistores do componente,

utiliza-se a fórmula abaixo:

(13)

Estipulando um ganho de aproximadamente de com o amplificador

operacional não inversor, pode-se calcular:

(14)

Desta maneira chegou-se na relação que um resistor devia possuir

aproximadamente 7 vezes o valor da resistência do outro resistor, ou seja:

(15)

Escolhendo os resistores de acordo com os valores de resistores disponíveis

no laboratório de circuitos da faculdade, definiu-se os valores dos dois resistores:

e .

E por último calculou-se os parâmetros do transistor BC547. Para iniciar o

dimensionamento do componente em questão, necessitou-se consultar o datasheet

para obter alguns parâmetros. Segundo Sheet (2018), têm-se:

54

; .

Próximo passo foi estipular o valor da corrente coletora do transistor,

e estipulou-se também um resistor de carga na saída do coletor do

transistor, .

Assim, segundo novamente Boylestad e Nashelsky (1994), para obter os

parâmetros da corrente de um transistor, utiliza-se a fórmula:

(16)

Deste modo, obteve-se a corrente da base do transistor e

aplicou-se a lei de ohm para descobrir o valor da resistência do resistor:

(17)

4.2 Projeto e esquemático do circuito

Projetou-se o dimmer com o funcionamento através de um sensor de luz. O

funcionamento básico do dimmer com o sensor de luz é um circuito que ao receber a

luz ambiente no seu sensor (LDR) modifica a intensidade do brilho emitido pela fonte

luminosa acoplada ao circuito.

O LDR possui a interessante característica de ser um componente eletrônico

cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto

possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado

ou desativado quando sobre ele incidir energia luminosa. A resistência do LDR varia

de forma inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre

ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência

muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta. Como visto nos

capítulos anteriores, ele é composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio

ou o sulfeto de chumbo. O processo de construção de um LDR consiste na conexão

do material fotossensível com os terminais, sendo que uma fina camada é

simplesmente exposta à incidência luminosa externa.

55

Utilizou-se o circuito integrado TL494 de controle PWM, facilitando

enormemente a construção de fontes chaveadas. Pelo chaveamento de tensão na

carga, com a razão cíclica apropriada, a saída se aproximou do nível de tensão

desejado. Mediu-se a tensão de saída; quando seu nível é menor que a tensão

desejada, a chave é ligada e quando a tensão de saída é maior que a tensão desejada,

a chave é desligada.

Na saída do TL494, ligou-se um amplificador operacional não inversor ou

multiplicador de ganho de tensão constante. A impedância de entrada é bastante

elevada nesse tipo de amplificador, além de não inversão de fase desta configuração

a impedância de entrada elevada é a principal diferença do amplificador inversor.

Já na saída do amplificador operacional ligou-se, por último, um transistor

BC547, onde o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando a corrente de

saída do amplificador operacional na base. O efeito transistor ocorre quando a junção

coletor-base é polarizada reversamente, e a junção base-emissor é polarizada

diretamente. O LED de potência foi conectado no coletor do transistor e seu emissor

ligado no terra (GND).

A Figura 27 demonstra o esquemático da primeira parte do circuito projetado

através do software PSIM. Por inexistência do componente LDR no software PSIM,

utilizou-se um resistor simulando o efeito da resistência que o LDR faria no circuito.

Outra adaptação realizada foi o circuito integrado TL494, construindo esse CI

utilizando um amplificador de erro e uma fonte de tensão do tipo dente de serra; deste

modo, o controle PWM foi gerado na saída do amplificador.

56

Figura 27: Parte I do circuito do projeto.


O esquemático completo do circuito projetado é reproduzido na Figura 28. Em

relação a primeira parte foi adicionando o amplificador inversor na saída do PWM, o

transistor BC547, e adaptou-se um diodo comum no lugar do LED de potência, devido

também a inexistência desse componente no software PSIM.

57

Figura 28: Esquemático do circuito projetado.


Verificando-se as formas de onda nas saídas do controle PWM através de um

osciloscópio digital, todos os comandos necessários para acionamento das chaves

estavam dentro do esperado, como mostra as Figuras 29, 30 e 31.

Controle PWM através do LDR:

Figura 29: Circuito testado direcionado uma lanterna de LED no componente LDR. Ciclo de trabalho = 0% e tensão = 3,4V.

Fonte: Autoria própria

58

Figura 30: Circuito testado com a luminosidade natural do ambiente de trabalho no componente LDR. Ciclo de trabalho = 68% e tensão = 1,92V.


Figura 31: Circuito testado com ausência de luminosidade no LDR. Ciclo de trabalho = 91% e tensão = 1,4V.


4.3 Simulação computacional

O software PSIM foi utilizado para verificar o circuito planejado, e, se todas as

funções necessárias estavam habilitadas de forma correta.

Após o desenvolvimento do circuito, simulou e verificou-se as formas de onda

através do osciloscópio presente no software. A Figura 32 mostra os sinais de saída

do PWM, ou seja, a onda da fonte de tensão dente serra sendo “picotada”, pelo circuito

TL494, e gerando o controle PWM. Os quais são complementares e com um tempo

morto entre o acionamento das chaves.

59

Figura 32: Sinal de saída do PWM.


4.4 Teste de bancada do circuito e análise financeira do projeto

Realizou-se a montagem do circuito do projeto em duas placas de circuito

impresso (protoboard), como mostra a Figura 33 e 34, a fim de verificar a real

funcionalidade do LDR, do amplificador operacional não inversor e do transistor

BC547; para verificar o comando do PWM utilizou-se o uso dos osciloscópios digitais

do laboratório de eletrônica da faculdade.

Além disso, para analisar a viabilidade financeira do projeto, verificou-se a

média do custo dos principais componentes utilizados (Tabela 2), comparando-se com

um dimmer comercial, que tem em média o preço de R$51,90.

Tabela 2: Custo dos principais componentes.

Fonte: (ELETRÔNICA, 2018).

Materiais Utilizados Preço

Jumpers 2,60R$

Circuito Integrado TL494 1,84R$

LDR 1,50R$

LED de Potência 0,50R$

ProtoBoard 14,37R$

Resistores 1,40R$

Transistor 0,25R$

Amplificador Operacional 1,00R$

Total 23,46R$

60

A análise financeira do projeto reafirma, portanto, a sua viabilidade de

implementação, visto que apresentou custo 45% menor do que o dimmer comercial

tradicional.

Figura 33: Vista da bancada com o circuito do projeto montado.


61

Figura 34: Vista de cima do circuito do projeto montado.


62

5 CONCLUSÃO

A presente monografia teve como principal objetivo a construção de um

protótipo, um dimmer, cuja função era controlar o brilho de um LED de potência.

Através do grande desenvolvimento da física na área de iluminação desde as

lâmpadas mais arcaicas, do tipo incandescente com filamento de tungstênio, até os

mais modernos LED, surgiu-se a necessidade de controlar e manusear a quantidade

do fluxo luminoso emitido por uma fonte.

Buscando pela maneira mais eficaz de conversão de energia elétrica em

luminosa, aliado ao baixo consumo e alta durabilidade, os LED têm se tornado a

grande escolha de uso que entregam esses requisitos cada vez mais exigidos. A

grande expansão da utilização do LED só foi possível quando surgiu a tecnologia de

alimentação por corrente alternada, desde modo, viabilizando a sua empregabilidade

nos mais diversos setores, desde do uso doméstico até industrial. Com esse avanço

eliminou-se a necessidade de retificação da fonte de alimentação e

consequentemente ocorreu a simplificação dos circuitos nas instalações.

Em um futuro próximo, a perspectiva para principal fonte de iluminação serão,

quase que exclusivamente, os LED de potência em corrente alternada. Assim,

implementou-se um dimmer com o intuito de realizar o controle do brilho do diodo

emissor de luz controlado pela própria luminosidade do ambiente. Para esta

implementação, utilizou-se as técnicas de conversão presentes no circuito buck CA-

CA com controle feito através de PWMs, incrementado a razão cíclica através de um

LDR.

Tendo-se o protótipo finalizado, testou-se para garantir o correto

funcionamento do mesmo. Portanto, variou-se a razão cíclica através do LDR,

incidindo a luz ambiente, uma maior intensidade de luz e ausência de luz. Observou-

se com a obtenção de valores variados na saída com um máximo atingido menor igual

à tensão de entrada, exatamente de acordo com a teoria de conversores buck. Além

disso, constatou-se a funcionalidade do LDR em controlar o funcionamento do

dimmer, à medida que a intensidade de luz ambiente aumentava o brilho do LED de

potência aumentava, e na ausência da luz o brilho do LED diminuía, funcionamento

exato ao qual esperava.

63

REFERÊNCIAS

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monografia - trabalho de graduação

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