Drivers |

Por Kleiton Chochi Zembovici  |  Publicado na Revista Lumière Eletric Ed.246 – outubro 2018.

O LED está cada vez mais presente nas soluções de iluminação e, juntamente com as inúmeras vantagens que a nova tecnologia traz, também surgem diversos questionamentos sobre a qualidade, confiabilidade e durabilidade.

É comum que a atenção fique voltada principalmente na fonte luminosa, no caso os LEDs (diodos emissores de luz). Logo, estudos e métodos voltados para a comparação de desempenho entre os chips são muito conhecidos: levantamento de eficácia, CRI, TM-30-15, controle de binagem (CCT, fluxo luminoso, tensão), gerenciamento térmico, LM-80, TM-21-11, L70, L90, entre outros.

Entretanto, um importante dispositivo acaba por muitas vezes esquecido, sendo ele o principal responsável pelas falhas de produtos LED. Esse dispositivo é o driver, encontrado tanto em luminárias como em lâmpadas LED (Figura 1). Mas, qual a sua função?

Figura 1 – Posicionamento dos drivers nos produtos LED

Um driver para LED, basicamente, é um dispositivo eletrônico conversor de energia, podendo ser encontrado em modelos alimentados em corrente alternada (AC) ou corrente contínua (DC). Essa energia é convertida sempre para corrente contínua (DC) com controles de tensão constante (V) ou corrente constante (mA) compatível com a placa de LED utilizada no produto.

No Brasil, a grande maioria dos produtos de iluminação são instalados diretamente na rede elétrica AC, que por padrão é adotado a tensão de 127V ou 220V, sempre na frequência de 60Hz. Para o correto funcionamento, é desejável que os drivers possuam as seguintes características elétricas:

  • Compatibilidade com as duas tensões: 127V e 220V;
  • Alto fator de potência;
  • Baixa geração de harmônicas na rede;
  • Alta eficiência de conversão (menor perda possível);
  • Excelente estabilidade de alimentação para os LEDs;
  • Proteções contra surtos de tensão providos da rede elétrica.

Note que estas características são apresentadas em todos os produtos de iluminação LED e são reguladas pelo driver que, por isso, possui um papel fundamental no produto.

PRINCIPAIS CAUSAS DE FALHAS

Como qualquer outro dispositivo eletrônico, o driver de LED está sujeito a falhas e essas podem ser classificadas de três formas:

1. Falha por alimentação inadequada (grandes oscilações de tensão da rede elétrica, surtos ou descargas atmosféricas)

O driver converte a energia recebida adequando-a para os LEDs, por isso, acaba absorvendo todos os ruídos e imperfeições da rede elétrica. Muitas vezes, através de componentes específicos como controladores inteligentes, varistores e fusíveis, o driver atua com proteções de autodesligamento, ou até mesmo se sacrifica para evitar danos maiores no produto e/ou instalação elétrica, protegendo dessa maneira o sistema contra possíveis sobrecargas e princípios de incêndio. Nesses casos, é comum o produto LED parar de funcionar, mas substituindo o driver, ele volta a operar normalmente.

2. Falhas prematuras por defeito de fabricação dos componentes ou produto

Está relacionado aos problemas nos componentes eletrônicos especificados no projeto e que são utilizados para montagem do produto. Também deve ser incluído possíveis falhas do processo de fabricação como inserção incorreta do componente, excesso ou insuficiência de solda, falhas de manuseio e inspeção, entre outros.

3. Utilização do produto fora da especificação do fabricante

Todos os drivers de LED possuem limites definidos pelo fabricante e devem ser respeitados para o correto funcionamento do produto. Operar fora das especificações, além da perda da garantia, pode causar a queima do driver ou a redução drástica da vida útil. Podemos destacar os seguintes:

3.1 Tensão de alimentação (ex.: 90-270Vac):

A tensão de alimentação fica dependente da qualidade de energia que as concessionárias oferecem. Mesmo regulamentadas, existem muitas variações e situações atípicas como descargas atmosféricas, então, até um certo limite as proteções do driver conseguem lidar com essas condições, caso contrário cairá sobre o item 1 citado anteriormente.

3.2 Características de saída (ex.: 22-50Vdc; 500-700mA; 10-30W):

A carga de saída é facilmente dimensionada já que será conectada diretamente às placas de LEDs, que possuem características muito estáveis eletricamente.

3.3 Temperatura de operação (ex.: 0 – 40°C):

Uma atenção especial é requerida sobre a questão de temperatura de operação do driver. Esta pode ser informada através de uma faixa determinada de temperatura ambiente para garantir a vida útil, ou também relacionar a temperatura no ponto de aferição Tc (temperatura de case/carcaça) com a durabilidade do produto, exemplificado na figura 2 e no gráfico 1.

Figura 2 – Ponto Tc do Driver para medição de temperatura.

Gráfico 1 – Exemplo de estimativa de vida útil do driver de LED para diversas temperaturas de Tc

É importante ressaltar que a temperatura de operação deve ser aferida em condições normais de uso, ou seja, com o driver instalado dentro da luminária, em sua posição original, considerando o calor gerado pela placa de LEDs após o período de estabilização elétrica e térmica do produto. O calor interno da luminária pode ser bem agressivo e elevar a temperatura do driver acima do especificado, mesmo que a temperatura ambiente, externa à luminária, ainda esteja dentro da faixa estipulada.

Utilizam-se componentes eletrônicos na construção do driver para assegurar a regulação e estabilidade da corrente.  Em praticamente os drivers há capacitores eletrolíticos para tal finalidade, exemplificado na figura 3. Em um projeto bem dimensionado e com todos os parâmetros dentro de suas determinadas especificações, o capacitor eletrolítico normalmente é o item mais crítico do ponto de vista de durabilidade. Logo, é extremamente importante o dimensionamento adequado e escolha de um fabricante confiável com excelente qualidade.

 

Figura 3 – Capacitor eletrolítico e ponto Tc para medição de temperatura.

No caso de lâmpadas de LED com o driver integrado à base, a portaria do INMETRO n° 389/2014, item 6.12, exige um ensaio rigoroso para comprovar a durabilidade do produto, que consiste em ligar a lâmpada de LED em 45°C ambiente, aguardá-la estabilizar termicamente e realizar a medição de temperatura no corpo do capacitor eletrolítico do driver em pleno funcionamento no interior da lâmpada. Através da equação 1 é possível estimar a vida útil do componente:

Equação 1 – Cálculo para estimativa de vida do capacitor eletrolítico

Onde:

LTCAPACITOR = Vida estimada do capacitor eletrolítico

L0 = Vida inicial declarada pelo fabricante do componente

Tmáx = Temperatura máxima de operação do capacitor

TC = Temperatura de case/carcaça aferida no produto

Para facilitar a compreensão, considerando um capacitor eletrolítico de 5.000h iniciais para 105°C de temperatura de operação máxima, teremos as seguintes expectativas para as possíveis aferições:

Para Tc = 65°C -> LT = 113.137h

Para Tc = 75°C -> LT = 56.569h

Para Tc = 85°C -> LT = 28.284h

Observe que a cada incremento térmico de 10°C no corpo do capacitor, a vida estimada do driver reduz aproximadamente pela metade. Por essa razão, para evitar uma depreciação acelerada do produto deve-se respeitar os limites de operação especificados.

Vale destacar que em algumas luminárias montadas com lâmpadas LED, a temperatura de operação deve ser considerada no interior da luminária, exatamente onde as lâmpadas estão instaladas. Um caso crítico, conforme demonstrado na figura 4, são os modelos herméticos, em que o ambiente interno é completamente isolado, gerando um aquecimento excessivo em seu interior, podendo comprometer a vida útil do produto.

Figura 4 – Luminária hermética com lâmpadas T8 LED

Da mesma forma que o ensaio é aplicado para as lâmpadas LED, também pode ser realizado em luminárias LED. O procedimento é o mesmo com a atenção especial em instalar a luminária na pior condição possível especificada (máxima temperatura ambiente de operação declarada), aguardar a estabilização térmica e realizar a medição no corpo do capacitor eletrolítico do driver dentro da luminária. Os cálculos são os mesmos e o resultado obtido não pode ser menor que a vida útil declarada pelo fabricante da luminária.

O posicionamento dos drivers dentro da luminária é extremamente importante para garantir uma vida prolongada ao produto, sempre com atenção principalmente em:

  • Evitar a carga térmica gerada pelos LEDs;
  • Buscar a máxima ventilação possível para troca de calor dos componentes.

No exemplo da figura 5, o calor que as placas de LEDs naturalmente geram pelo funcionamento, eleva o ambiente interno da luminária em mais de 10°C. Isso significa que para um driver especificado para trabalhar entre 0-40°C ambiente, o local em que a luminária está instalada não deve ser superior à 30°C.

Figura 5 – Condição não recomendada para instalação dos drivers de LED

CONCLUSÃO

Existem muitos pontos positivos em migrar a iluminação convencional para a tecnologia LED, entretanto conhecer todos os detalhes para a aquisição de um produto de qualidade não é uma tarefa fácil, exigindo cada vez a especialização dos profissionais da área.

O driver é um componente importante e impacta diretamente no funcionamento de uma luminária ou lâmpada LED. Por esse motivo, é importante estar atento à qualidade e especificações, ao correto projeto, à temperatura de operação, considerando também a temperatura interna da luminária ou lâmpada LED. Estes itens impactam diretamente no funcionamento correto do driver e consequentemente da solução de iluminação LED, bem como na vida útil do conjunto.

Para os fabricantes de produtos LED, esse é o maior desafio no desenvolvimento, aliar o design compacto, alto rendimento e vida útil prolongada, explorando todas as vantagens que a tecnologia LED pode oferecer.

 

>> Kleiton Chochi Zembovici é engenheiro eletricista pela Universidade Federal do Paraná, especializado em soluções e componentes de iluminação. Há 10 anos na área de P&D no Grupo Lumicenter Lighting, onde atualmente ocupa o cargo de Gerente de Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos, participou do desenvolvimento de reatores, drivers e módulos LED, e soluções integradas.